JPS584473B2 - 受動形メ−ザの制御方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は第１の誤差信号が注入された信号の搬送周波数
と誘導放出の周波数との差を表わしかつ注入された信号
の周波数の調整のために用いられ、また第２の誤差信号
は空胴共振器の共振周波数と注入された信号の周波数と
の差を表わしかつ空胴共振器の共振周波数の調整のため
に用いられる、受動形メーザおよび受動形メーザの制御
方法に関する。

斯様なメーザは卓越した周波数安定性を有するので、実
際に基準周波数を発生するのに適する。

斯様な型式のメーザは例えば１９７６年刊プロシージン
グ オブ Ｐ．Ｔ．Ｔ：Ｉ，Ｆ．Ｌ．Ｗａｌｌ、第３６
９〜３８０頁から公知である。

次に斯様なメーザを、その諸制限を明確に示しかつ本発
明を完全に理解するために、後で詳しく説明する。

ここでは空胴共振器に導入される高い周波数の信号が２
つの異った周波数で位相変調されるということで十分で
ある。

その場合低い方の周波数は基準発振器で定められた搬送
周波数を制御するために用いられ、かつ高い方の周波数
は空胴共振器の共振周波数を制御するために用いられる
。

斯様の型式のメーザは２つの制御ループまたは回路が完
全に独立している場合だけ正しく動作する。

本発明者は、実際に２つの制御回路がどの程度独立であ
るかを解析した。

それによれは、空胴共振器の共振周波数制御回路は注入
された質問信号の周波数制御回路（これは発振器制御回
路とも称される）に妨害を与えないが、逆に誘導放出の
非常に狭い線に対する感度がよく、メーザの空胴を制御
する回路の誤差信号には寄生信号を導入し、その寄生信
号は正しい誤差信号を完全に破壊することがわかった。

本発明者はこの事実は実験で立証しかつ斯様な現象を理
論的に説明した。

本発明の目的は発振器制御回路の寄生信号が空胴共振器
制御回路の誤差信号に妨害を与えないような受動形メー
ザおよびその制御方法を提供することである。

先ず本発明によれば、誘導放出を行える媒体を含みかつ
位相変調信号が注入されることによって励振される空胴
共振器を有し、空胴共振器から取出された信号から、注
入信号の搬送周波数と前記誘導放出の周波数との差を表
わす第１の誤差信号を発生し、第１の誤差信号を搬送周
波数の調整のために用い、空胴共振器から取出された信
号がら空胴共振器の共振周波数と搬送周波数との差を表
わす第２の誤差信号を発生し、第２の誤差信号を共振周
波数の調整のために用い、その場合注入された信号を単
一の周波数で位相変調する受動形メーザの制御方法が提
案される。

また本発明によれば、誘導放出を行える媒体を含む空胴
共振器を有し、誘導放出の固有周波数に実質的に等しい
搬送周波数を有する位相変調信号を空胴共振器に注入す
る単一の変調信号源を有する装置を有し、空胴共振器か
ら取出された信号に応動して搬送周波数と誘導放出の周
波数との差を表わす第１の誤差信号を発生する装置を有
し、搬送周波数を調整する第１の誤差信号に応動する装
置を有し、空胴共振器から取出された信号に応動して空
胴共振器の共振周波数と搬送周波数との差を表わす第２
の誤差信号を発生する装置を有し、かつ第２の誤差信号
に応動して空胴共振器の共振周波数を調整する装置を有
する受動形メーザが提案される。

本発明によれば前述の形式の通常の受動形メーザよりか
なり良質の安定度を有する受動形メーザが提案される。

次に本発明を図示の実施例につき詳しく説明する。

第１図は前述の文献に記載のメーザに類似の公知のメー
ザを示すブロック図である。

発振器１で５ＭＨｚの周波数の信号が生ずる。

この信号は位相変調器２で、第１の周波数ω品典型的に
は０．３Ｈｚ？第２の周波数ω典型的には１２ＫＨｚと
で変調される。

この場合第１の周波数ω品は第１の信号発生器２４で生
じ、第２の周波数ω０は第２の信号発生器３４で生ずる
。

変調された信号は周波数逓倍器４に供給される。

また５ＭＨｚの信号はシンセサイザ３に供給されかつ逓
倍器４とシンセサイザ３との出力信号は混合器５に供給
される。

混合器５は１４２０ＭＨｚに接近した搬送周波数ωＱを
有する信号を発生し、この信号は空胴共振器１０に供給
される。

空胴共振器１０は内部の媒体の誘導放出の固有同波数ω
Ｈに同調される。

図示された水素メーザの実施例において、誘導放出の遷
移は水素原子のＦ＝１，ｍＦ＝０の状態からＦ＝０，ｍ
Ｆ＝０の状態への遷移であり、その場合水素原子はＦ＝
１の状態からゼーマンの副準位ｍＦ＝＋１およびｍＦ＝
−１を分離するために磁界内に置かれている。

この遷移の周波数ωＨは１４２０ＭＨｚの付近である（
１４２０，４０５７５１・・・ＭＨｚ）。

空胴共振器１０はそのＱＣ値が空胴の体積に依存して５
０００と５００００の間で変化する帯域通過フィルタで
あると考えることができる。

３００００程度のＱ値に対して、媒体を含む空胴共振器
は１０９程度のＱ値、ＱＨを有するフィルタを含むフィ
ルタの組合わせと考えることができる。

増幅器１２は空胴共振器で検出された信号を受取りかつ
増幅する。

この信号は振幅検波器１３で検波され、その場合振幅検
波器１３は空胴共振器から供給された信号のすべての振
幅変動を再生する包絡線信号を供給する。

この包絡線信号は一方で発振器１０制御装置２０に供給
されかつ他方では空胴共振器１０の制御装置３０に供給
される。

発振器１の制御装置２０で、振幅検波器１３から供給さ
れた信号はフィルタ２２に加わり、フィルタ２２は実質
的に信号発生器２４の第１の変調周波数ωＷ、この場合
０．３Ｈｚに接近した周波数を通過させる。

ろ波された信号は位相検波器２３に供給される。

位相検波器２３の他方の入力側は同期検波を行うために
信号発生器２４に接続されているので、空胴共振器質問
信号の搬送周波数ωＱが実際に誘導放出固有周波数ωＨ
の中心にあるか否かを検出することができる。

周波数にずれがあると位相検波器２３の出力側に誤差信
号が生ずる。

誤差信号は積分器２５に供給されかつ発振器１に接続さ
れた可変容量ダイオード２６を制御するために用いられ
る。

それによって周波数を補正のために僅かに変化すること
ができる。

空胴共振器１００制御装置３０でフィルタ３２によって
包絡線信号が受取られる。

フィルタ３２は実質的に第２の変調周波数ω昆、この場
合略１２ＫＨｚに接近した成分を通過させる。

ろ波された信号は同期検波のために位相検波器３３に供
給される。

位相検波器の他方の入力側は第２の変調周波数を受取る
ために第２の信号発生器３４に接続されている。

位相検波器３３で生じた誤差信号は、搬送周波数ωＱに
関する空胴共振器１０の共振周波数のずれを表わす。

積分器３５によって処理される誤差信号は空胴共振器１
０に接続された可変容量ダイオード３６を制御するため
に用いられ、それによって空胴共振器の共振周波数ωＣ
を補正のために僅かに変化することができる。

要するに前述の形式のメーザにおいて、それぞれ周波数
，ω（０．３Ｈｚ）およびω（１２ＫＨｚで位相変調さ
れた信号は，それぞれ誘導放出によって発振器を制御し
かつ発振器から導出した搬送周波数ωＱによって空胴共
振器の共振周波数を制御するために、水素からの誘導放
出と空胴共振器の共振曲線とを質問する。

このメーザにおいては“空胴引込み”という悪影響は実
質的に除かれる。

斯様な形式のメーザは本発明において基本的な出発点と
なる公知のメーザである。

斯様なメーザはなるほど２つのループが実際に独立して
いる場合満足なものである。

しかし本発明によれば実際にはそうでないことが分った
。

本発明者は、空胴共振器の制御回路は発振器の制御回路
を妨害しないが、逆に非常に狭い誘導放出線に対して感
度が良いので発振器の制御回路は、第２の制御回路の誤
差信号に非常に大きな出力の寄生信号を導入し、その寄
生信号によって正しい誤差信号が完全に破壊されること
を見付けた。

本発明において前述の結論が正しいことを証明するため
に次の実験を行った： Ａ）シングル変調作用を一度行い、かつ２つの制御回路
の一方または他方が別個に、正しく作動されることを確
認した。

例えば空胴共振器の共振周波数ωＣと発振器で生じた搬
送周波数ωＱとの差（ωＣ−ωＱ）を１０４秒の程度の
長期ることかわかった。

Ｂ）誘導放出線または線Ｈに関して発振器を制御する回
路は、開放したままで放置された第２の制御回路に関し
て変調作用が存在しても正しく作動するが、しかし第２
制御回路は開放のままであることが証明された。

Ｃ）２つの回路が両方とも閉成されている場合、空胴共
振器の制御回路に生ずる所望な効果によって、空胴共振
器の同調は線Ｈから離れる方向に動くことがわかった。

線Ｈに発振器を制御する回路は、空胴共振器が同調され
ている場合でも、空胴共振器の制御回路の変調周波数ω
品を有する大出力の振幅変調された（ＡＭ）寄生信号を
発生することが確認された。

更にこの信号は線Ｈを質問のために用いられる変調周波
数ωＭで位相変調される。

線Ｈに関する質問変調作用を阻止しかつ搬送周波数ωＱ
を線Ｈの周波数から離すことによって、振幅変調された
寄生信号は線Ｈと相互作用する高周波信号によって生ず
ることがわかった。

搬送周波数ωＱが線Ｈを横切って通過させられる場合は
、振幅変調された信号の位相は１８０°急変化させられ
る。

次に本発明に関連して前述の実験結果につき簡単に、理
論的に説明する。

実質的に搬送波ωＱと２つの側波帯とを有する信号であ
って、その側波帯が１８０°の位相のずれを有しかつ周
波数ωＱ＋ωｍおよびωＱ−ωｍに関して対称であり、
その場合ωＱは空胴共振器の共振周波数ωＣにかなり接
近しているような、信号が空の空胴共振器の入力側に供
給された場合、空胴共振器の制御回路で次のような誤差
信号が生ずる。

Ｅ＝Ａｏε＋ＤｏＳ （１）ただし ε＝（Ａ＋−Ａ−）ｃｏｓωｍｔ＋（Ｄ＋＋Ｄ−）ｓｉ
ｎωｍｔ（２） Ｓ＝（Ｄ＋−Ｄ−）ｃｏｓωｍｔ−（Ａ＋＋Ａ−）ｓｉ
ｎωｍｔ（３） これらの式においてＡ０，Ａ＋，Ａ−は種々の周波数に
おける空胴共振器の吸収を表わす。

Ａ＋＝Ａ（ωＱ＋ωｍ） Ａ０＝Ａ（ωＱ） Ａ−＝Ａ（ωＱ−ωｍ） 周波数に依存した吸収は次の式で求められる。

ここでγは共振曲線の半値幅である。

Ｄｏ，Ｄ＋，Ｄ−はそれぞれの周波数ωＱ，ωＱ＋ωｍ
，ωＱ−ωｍにおける空胴共振器の分散を表わし、その
場合分散は次の式で求められる。

この場合ＡＨは水素原子の存在による利得を表わし、Ｄ
Ｈは関連する分散を表わす。

代入式（６）はたんに空胴共振器の誤差信号の項（Ａ０
＋ＡＨ）εの重要性の変化を意味するにすぎない。

それに対して代入式（７）の効果は（Ｄｏ＋ＤＨ）・Ｓ
の項の中で分散ＤＨが完全に優勢であることである。

即ち実際に比ＤＨ／Ｄｏは次のようになる：この結果Ｄ
ＨはＤｏより数桁大きく典型的な例では、 （７）Ｑ−ωＨ＝０．３・２πＲＡＤ／ｓｅｃ、および
ωＱ−ωＯ＝１・２πＲＡＤ／ｓｅｃ に対して、ＤＨ／Ｄｏ＝１・１０＋４である。

低い周波数ω品で搬送波を変調する効果は搬送波は周期
的に線Ｈを横切って通過させる周波数変動と考えること
ができる。

その結果ＤＨは同じリズムで周期的に符号を変化するこ
とによって、ＡＭ寄生信号の位相は周期的に切換えられ
る。

理論的には同期検波および積分の後、寄生信号を打消さ
れるべきであるので小さな補正誤差信号を得ることがで
きるようにすべきである。

然るに寄生信号は補正信号より数桁大きいので、同期検
波器および積分器に関して正確な対称性に対して諸要件
が課せられるが、これはまったく達成不可能である。

それ故本発明者は、２つの同時回路は完全に独立に作動
することができずかつ制御装置は正確には作動しないと
いう結論が得られた。

本発明によればこの欠点を回避できる。

本発明は、空胴共振器で検出された信号から形成され（
かつその信号の振幅のすべての変動を再現する実際にそ
れ自体は質問信号の周波数と共振周波数とを制御できる
ようにする誤差信号を発生するのに必要なすべての情報
を有する包絡線信号としてシングル変調周波数だけを使
用できるということを基礎としている。

包絡線信号は位相変調を行う周波数で振幅変調された２
つの成分、即ち質問信号の搬送周波数と誘導放出の周波
数との間の差を表わす成分と、空胴共振器の共振周波数
と搬送周波数との間の差を表わす成分とを有する。

これらの２つの成分の位相は変調信号に関して、発振器
の制御回路については角度θＨだけ、また空胴共振器の
制御回路については角度θｃだけ、ずれている。

もつと正確に言えば、変調周波数ωｍで振幅変調された
信号Ｅは次の式で求められる： Ｅ＝（Ａｏ＋ＡＨ）ε＋（Ｄｏ＋ＤＨ）Ｓ（９）この場
合εとＳは前述の式（２）と（３）で与えられかつもっ
ぱら空胴共振器のパラメータに依存して変化する。

搬送周波数が誘導放出の周波数に対してずれている場合
、ＤＨＳの項は誤差信号の優勢な成分を表わし、それ故
この成分を発振器の制御回路で、搬送周波数を誘導放出
の周波数に合わせるために用いることができる。

合つした場合はＤＨの項は零になる。

変調信号に対する前述の成分の位相のずれθＨは次のよ
うに表わされる＝ｔａｎθＨ＝γ／ωｍ （
１０）それに対してＤＨが零に移行すると、信号Ｅは次
の値に移行する： （Ａｏ＋ＡＨ）ε＋ＤｏＳ （１１）これは空胴
共振器に関する誤差自体を表わす信号である。

それ故この成分を空胴共振器の制御回路で、共振周波数
を搬送周波数に合わせるために用いることができる。

変調信号に対する前述の成分の位相のずれθｃは次のよ
うになる： ｔａｎθｃ−２ωｍγ／（ω２ｍ−γ２）（１２）この
事実を本発明によるメーザに利用して、２つの制御回路
にシングル変調信号を用いる。

これによって空胴共振器の制御回路に対する発振器の制
御回路の寄生効果を回避できると同時に、実質的に制御
作用の特性を改善できる。

次に第２図に示した本発明によるメーザの実施例のブロ
ック図につき説明する。

第２図のメーザは第１図に示したメーザの構成部分に類
似の多数の構成部分を有し、それ故斯様な構成部分を同
じ番号で示す。

位相変調器２は１２ＫＨｚの周波数で作動される変調信
号発生器３４に接続されており、信号発生器３４の出力
信号は発振器制御回路の位相検波器２３と空胴共振器制
御回路の位相検波器３３とに供給される。

振幅検波器１３で生じた包絡線信号は、実質的に信号発
生器３４の変調周波数（１２ＫＨｚ）に接近した周波数
を通過させるフィルタ４０に供給される。

ろ波された信号は一方で移相回路４２を介して位相検波
器２３に供給され、かつ他方では移相回路４４を介して
位相検波器３３に供給される。

回路４２で導入される位相ずれまたは位相差は、発振器
を制御する構成部分の位相を、信号発生器３４から検波
器２３に供給される基準信号の位相に戻すように、調整
される。

同様に回路４４で導入される位相ずれは、空胴共振器を
制御する構成部分の位相を、信号発生器３４から供給さ
れる基準信号の位相に戻すように、調整される。

斯様な状態で位相検波器２３は空胴共振器の質問信号の
搬送周波数と誘導放出の周波数との差を表わす誤差信号
を発生する。

この誤差信号は積分器２５に供給され、積分器２５の出
力信号によって可変容量ダイオード２６を介して発振器
１０周波数を調整し、周波数差を補正する。

同様にして検波器３３は質問信号の搬送周波数と共振周
波数との差を表わす誤差信号を発生する。

この誤差信号は積分器３５に供給され、積分器３５の出
力信号によって可変容量ダイオード３６を介して空胴共
振器の共振周波数を調整し、周波数差を補正するように
する。

実際に発振器の制御作用と空胴共振器の制御作用との特
性は、移相回路４２および４４が振幅検波器１３で生じ
た包絡線信号の成分に位相ずれまたは位相差を発生し、
それらの成分をそれぞれ信号発生器３４で生じた基準信
号の位相と合致させる精度に依存して変化する。

実際に前述の式は包絡線信号の２つの成分の位相ずれに
関する理論値を表わすが、伝送線路と電子装置とによる
位相ずれまたは位相差は考慮されていない。

それ故この位相ずれに関する調整を行う必要があり、こ
の調整を次のようにして行うことができる。

発振器制御回路の位相ずれを調整するために、変調周波
数を１Ｈｚより小さな値にずらしかつ回路４２を、位相
検波器２３の出力側に最大誤差信号を発生するように、
調整することができる。

空胴共振器の制御回路による位相ずれの調整に関して、
空胴共振器への水素の供給を停止するかまたは空胴共振
器の静的な磁界を減少することによって誘導放出しない
ようにするか、または注入される電力のレベルを増加し
かつ位相検波器３３の出力側に最大誤差信号を発箪する
ように回路４４を調整することができる。

前述のように本発明によれば、２つの制御回路に関して
シングル変調作用を行うことによって、発振器制御回路
の、空胴共振器制御回路への寄生効果を回避できるよう
になる。

更に空胴共振器の質問信号の周波数を制御する回路に対
して比較的高い周波数（１２ＫＨｚ）を用いると、その
回路をフイルタの線Ｈの通過帯域の外側で作動し、ひい
てはフリツカ雑音をかなり減少することができる。

また高い周波数を用いることによって、発振器を第１図
に示したメーザの場合により更に高速度で制御できるよ
うになる。

また実質的に広い範囲に亘って発振器を制御できる、そ
れは第１図に示したメーザの場合のように、誤差信号は
実質的に吸収関数より緩慢に減少する分散関数によって
決まるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知のメーザのブロック図、第２図は本発明に
よるメーザを示すブロック図である。 １・・・・・・発振器、２・・・・・・位相変調器、３
・・・・・・シンセサイザ、４・・・・・・周波数逓倍
器、５・・・・・・混合器、１０・・・・・・空胴共振
器、１２・・・・・・増幅器、１３・・・・・・振幅検
波器、２０，３０・・・・・・制御装置、２２，３２，
４０・・・・・・フィルタ、２３ ，３３・・・・・・
位相検波器、２４，３４・・・・・・信号発生器、２５
，３５・・・・・・積分器、２６，３６・・・・・・可
変容量ダイオード、４２，４４・・・・・・移相回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 誘導放出を行なえる媒体を含みかつ位相変調信号が
   注入されることによって励振される空胴共振器を有する
   受動メーサ制御方法において、空胴共振器から取出され
   た信号から、注入された信号の搬送周波数と前記誘導放
   出の周波数との差を表わす第１の誤差信号を発生し、前
   記第１の誤差信号を前記搬送周波数の調整のために用い
   、前記空胴共振器から取出された信号から、空胴共振器
   の共振周波数と前記搬送周波数との差を表わす第２の誤
   差信号を発生し、前記第２の誤差信号を前記共振周波数
   の調整のために用い、その場合注入された信号を単一の
   周波数で位相変調することを特徴とする、受動形メーサ
   の制御方法。 ２ 第１および第２の誤差信号を、位相弁別によって空
   胴共振器から取出した信号から導出する特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３ 誘導放出を行なえる媒体を含む空胴共振器を有し、
   誘導放出の固有周波数に実質的に等しい搬送周波数を有
   する位相変調信号を空胴共振器に注入する単一の変調信
   号源を有する装置を有し、空胴共振器から取出された信
   号に応動して前記搬送周波数と誘導放出の周波数との差
   を表わす第１の誤差信号を発生する装置を有し、前記搬
   送周波数を調整する第１の誤差信号に応動する装置を有
   し、前記空胴共振器から取出された信号に応動して、空
   胴共振器の共振周波数と搬送周波数との差を表わす第２
   の誤差信号を発生する装置を有し、かつ前記第２の誤差
   信号に応動して空胴共振器の共振周波数を調整する装置
   を有することを特徴とする受動形メーザ。 ４ 第１および第２の誤差信号を発生する装置は、これ
   らの信号を、位相弁別によって空胴共振器から取出した
   信号から導出するように構成されている特許請求の範囲
   第３項記載の受動形メーザ。 ５ 誘導放出を行なえる媒体を含む空胴共振器を有し、
   誘導放出の固有周波数に実質的に等しい搬送周波数を有
   する位相変調信号を空胴共振器に注入する単一の変調信
   号源を有する装置を有し、空胴共振器から取出された信
   号に応動して前記搬送周波数と誘導放出の周波数との差
   を表わす第１の誤差信号を発生する装置を有し、前記搬
   送周波数を調整する第１の誤差信号に応動ずる装置を有
   し、前記空胴共振器から取出された信号に応動して、空
   胴共振器の共振周波数と搬送周波数との差を表わす第２
   の誤差信号を発生する装置を有し、かつ前記第２の誤差
   信号に応動して空胴共振器の共振周波数を調整する装置
   を有し、第１および第２の誤差信号を発生する装置は、
   これらの信号を、位相弁別によって空胴共振器から取出
   した信号から導出するように構成されており、検波器を
   有し、前記検波器は空胴共振器から取出された信号から
   、異った位相の位相変調周波数で振幅変調された２つの
   成分を有する包絡線信号を発生し、その場合前記２つの
   成分のうちの第１の成分は搬送周波数と誘導放出の周波
   数との差を表わしかつ第２の成分は空胴共偏器の共振周
   波数と前記搬送周波数との差を表わし、第１の誤差信号
   を発生する装置は、包絡線信号を受取るように接続され
   かつ実質的に前記第１の成分の位相を変調信号源で生じ
   た信号の位相に合致させるように構成された第１の移相
   回路と、入力側が第１の移相回路および変調信号源に接
   続された第１の位相検波回路とを有し、また第２の誤差
   信号を発生する装置は、包絡線信号を受取るように接続
   されかつ実質的に前記第２の成分の位相を変調信号源で
   生じた信号の位相に合致させるように構成された第２の
   移相回路と、入力側が第２の移相回路および変調信号源
   に接続された第２の位相検波回路とを有することを特徴
   とする受動形メーザ。