JPS6364064B2 - - Google Patents
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- JPS6364064B2 JPS6364064B2 JP3868484A JP3868484A JPS6364064B2 JP S6364064 B2 JPS6364064 B2 JP S6364064B2 JP 3868484 A JP3868484 A JP 3868484A JP 3868484 A JP3868484 A JP 3868484A JP S6364064 B2 JPS6364064 B2 JP S6364064B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S1/00—Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
- H01S1/06—Gaseous, i.e. beam masers
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、水素メーザ周波数標準器に使用さ
れている超高安定な周波数特性を有する水素メー
ザ用共振器に関するものある。
れている超高安定な周波数特性を有する水素メー
ザ用共振器に関するものある。
水素メーザ周波数標準器は、周波数確度がセシ
ウム（Cs）原子ビーム周波数標準器より劣るが、
その周波数安定度は現用の周波数標準器の中で最
も優れている。そのため、VLBI（超長基線電波
干渉計）、深宇宙人工衛星の追跡用などの高安定
周波数信号源として必須の機器となつている。
ウム（Cs）原子ビーム周波数標準器より劣るが、
その周波数安定度は現用の周波数標準器の中で最
も優れている。そのため、VLBI（超長基線電波
干渉計）、深宇宙人工衛星の追跡用などの高安定
周波数信号源として必須の機器となつている。
上記したような最先端技術分野では、水素メー
ザ周波数標準器（以下単に水素メーザという）の
周波数安定度が高い程測定精度が向上するため、
周波数安定度の向上が強く要望されている。
ザ周波数標準器（以下単に水素メーザという）の
周波数安定度が高い程測定精度が向上するため、
周波数安定度の向上が強く要望されている。
以下、かかる水素メーザの概要と周波数安定度
の問題について説明する。
の問題について説明する。
第１図は水素メーザ本体を模式的に示したもの
で、１は水素分子が供給されている放電管、２は
放電管内の水素分子を解離し、水素原子とするた
めの放電用高周波発振器、３は解離された水素原
子の中からエネルギー準位の高い原子を選別する
ための準位選別マグネツト、４は注入された水素
原子を蓄積するための水素蓄積球、５は空胴共振
器、６は共振器円筒、７は外周に温度制御用ヒー
タ７ａを備えている共振器支持恒温槽、８は静磁
場を与えるソレノイドコイル円筒、９は外部磁場
の影響を遮断するための磁気シールド、１０は真
空ベルジヤーである。なお、１１は共振周波数を
微調するためのポスト、１２は空胴共振器５内の
発振出力を取り出すためのループ、１３はイオン
ポンプを示す。
で、１は水素分子が供給されている放電管、２は
放電管内の水素分子を解離し、水素原子とするた
めの放電用高周波発振器、３は解離された水素原
子の中からエネルギー準位の高い原子を選別する
ための準位選別マグネツト、４は注入された水素
原子を蓄積するための水素蓄積球、５は空胴共振
器、６は共振器円筒、７は外周に温度制御用ヒー
タ７ａを備えている共振器支持恒温槽、８は静磁
場を与えるソレノイドコイル円筒、９は外部磁場
の影響を遮断するための磁気シールド、１０は真
空ベルジヤーである。なお、１１は共振周波数を
微調するためのポスト、１２は空胴共振器５内の
発振出力を取り出すためのループ、１３はイオン
ポンプを示す。
かかる構造からなる水素メーザの水素ビーム系
では準位選別マグネツト３により、水素原子のエ
ネルギー準位でＦ＝０、mF＝０、およびＦ＝１、
mF＝−１にある水素原子は発散し、Ｆ＝１、mF
＝０、mF＝＋１にある原子は水素蓄積球４内に
集束する。
では準位選別マグネツト３により、水素原子のエ
ネルギー準位でＦ＝０、mF＝０、およびＦ＝１、
mF＝−１にある水素原子は発散し、Ｆ＝１、mF
＝０、mF＝＋１にある原子は水素蓄積球４内に
集束する。
水素蓄積球４内に注入された水素原子はその内
面のテフロン膜の壁と衝突を繰り返しながら約１
秒間近く水素蓄積球４内に留まり、空胴共振器５
内の電磁波の励振を受ける。
面のテフロン膜の壁と衝突を繰り返しながら約１
秒間近く水素蓄積球４内に留まり、空胴共振器５
内の電磁波の励振を受ける。
標準周波数として利用されるエネルギー準位は
Ｆ＝２、mF＝０状態からＦ＝１、mF＝０に遷移
する周波数で、約1420405752Hz（標準周波数f0）
である。
Ｆ＝２、mF＝０状態からＦ＝１、mF＝０に遷移
する周波数で、約1420405752Hz（標準周波数f0）
である。
いま、空胴共振器５の共振周波数fcがこの標準
周波数f0の近傍に調整されていると、水素蓄積球
４内のＦ＝１、mF＝０にある原子は空胴共振器
５内でf0に近い電磁波の励振を受け、エネルギー
準位の低いＦ＝０、mF＝０の状態に遷移する。
水素メーザはこのとき放射する電磁波によりメー
ザ発振周波数fmで自己発振を起す。このメーザ
発振周波数fmの出力はループ１２から取り出さ
れる。
周波数f0の近傍に調整されていると、水素蓄積球
４内のＦ＝１、mF＝０にある原子は空胴共振器
５内でf0に近い電磁波の励振を受け、エネルギー
準位の低いＦ＝０、mF＝０の状態に遷移する。
水素メーザはこのとき放射する電磁波によりメー
ザ発振周波数fmで自己発振を起す。このメーザ
発振周波数fmの出力はループ１２から取り出さ
れる。
ところで、空胴共振器５の共振周波数fcと水素
原子の標準周波数f0が僅かでも異なつていると、
メーザ発振周波数fmは標準周波数f0よりシフト
したものとなる。
原子の標準周波数f0が僅かでも異なつていると、
メーザ発振周波数fmは標準周波数f0よりシフト
したものとなる。
このシフトの周波数関係は、
fm−f0＝Qc／Ql（fc−f0） ……(1)
となることが知られている。
ここで、Qcは空胴共振器のＱ値であり、Qlは
共鳴線のＱ値である（共鳴スペクトラム周波数の
帯域を△ｆとするとQl＝fm／△ｆで示される。） いま、共振周波数fcが変動すると第(1)式にした
がつてメーザ発振周波数fnが変わり、メーザ出力
の周波数安定度が損なわれる。
共鳴線のＱ値である（共鳴スペクトラム周波数の
帯域を△ｆとするとQl＝fm／△ｆで示される。） いま、共振周波数fcが変動すると第(1)式にした
がつてメーザ発振周波数fnが変わり、メーザ出力
の周波数安定度が損なわれる。
例えば、Qc／Ql＝５×105のときメーザ発振周
波数fmの変動△fm／f0が１×1014程度となるた
めには、共振周波数fcの変動を約0.3Hz以内に制
御する必要がある。
波数fmの変動△fm／f0が１×1014程度となるた
めには、共振周波数fcの変動を約0.3Hz以内に制
御する必要がある。
水素蓄積球４を内部に設置した空胴共振器５の
共振周波数fcは、空胴共振器５のみの共振周波数
fc0と水素蓄積球４による周波数シフトfBの和と
なる。
共振周波数fcは、空胴共振器５のみの共振周波数
fc0と水素蓄積球４による周波数シフトfBの和と
なる。
つまり、
fc＝fc＋fB ……(2)
また、空胴共振器５の共振周波数fc0は、TE011
モードの円筒型共振器のとき以下の式により導出
される。
モードの円筒型共振器のとき以下の式により導出
される。
但し、
Ｃ：光速度
Ｄ：共振器円筒の直径
Ｌ：共振器円筒の高さ
水素蓄積球４による周波数シフトfBは、水素蓄
積球４の等価比誘電率をεrとすると、次式とな
る。
積球４の等価比誘電率をεrとすると、次式とな
る。
fB＝−１／２fc0（εr−１） ……(4)
いま、共振器と水素蓄積球とが同温度で、これ
らの温度変動が同じとすると、共振周波数fcの温
度変化率は次式となる。
らの温度変動が同じとすると、共振周波数fcの温
度変化率は次式となる。
∂fc／∂T＝∂fc0／∂T＋∂fB／∂T ……(5)
但し、
∂fc0／∂T：水素蓄積球がない場合の共振器温度変動
による共振周波数の変動（真空中）
∂fB／∂T：水素蓄積球の温度変動により共振周波数シ
フトの変動
また、空胴共振器５の内側の高さはほぼ共振器
円筒６の高さＬに等しいとすると、∂fc0／∂Tは
第(3)式より次式で与えられる。
円筒６の高さＬに等しいとすると、∂fc0／∂Tは
第(3)式より次式で与えられる。
∂fc0／∂T＝−（Ｃ／２）2α／fc0（5.95／D2＋１／
L2）……(6) 但し、 α：共振器円筒の温度膨張係数 また、∂fB／∂Tは第(4)式より次式で与えられる。
L2）……(6) 但し、 α：共振器円筒の温度膨張係数 また、∂fB／∂Tは第(4)式より次式で与えられる。
∂fB／∂T＝−１／２fc0∂εr／∂T ……(7)
いま、共振器の温度変動が△Tc（ｔ）、水素蓄
積球の温度変動が△TB（ｔ）のとき共振周波数fc
の変動△fcTは次式となる。
積球の温度変動が△TB（ｔ）のとき共振周波数fc
の変動△fcTは次式となる。
△fcT＝∂fc0／∂T△Tc（ｔ）＋∂f／∂T△TBｔ
＝−（Ｃ／２）2α／fc（5.95／D2＋１／L2）△Tc（
ｔ） −１／２fc0∂εr／∂T△Ｔ（ｔ） ……(8) 但し、 △Tc：共振器円筒の温度変動 △Ｔ：水素蓄積球の温度変動 ところで、いま共振器円筒６をアルミや銅で作
ると、その熱膨張係数αが大きいため共振周波数
fcの温度変動∂fc0／∂Tは−30KHz／℃以上に及
び、周波数安定度１×10-14を得るためには温度
制御を１×105℃以下とする必要があり実現が甚
だ難しい。
ｔ） −１／２fc0∂εr／∂T△Ｔ（ｔ） ……(8) 但し、 △Tc：共振器円筒の温度変動 △Ｔ：水素蓄積球の温度変動 ところで、いま共振器円筒６をアルミや銅で作
ると、その熱膨張係数αが大きいため共振周波数
fcの温度変動∂fc0／∂Tは−30KHz／℃以上に及
び、周波数安定度１×10-14を得るためには温度
制御を１×105℃以下とする必要があり実現が甚
だ難しい。
そこで、共振器円筒６を温度膨張係数αが小さ
い石英やクリスタル・ガラスの内面に銀ペースト
を塗るか蒸着したものが使用されている。
い石英やクリスタル・ガラスの内面に銀ペースト
を塗るか蒸着したものが使用されている。
しかし、この場合でも共振周波数の温度変動
∂fc0／∂Tが約−1KHz／℃と残り、また水素蓄積
球４の温度変動による周波数シフトの変動∂fB／
∂Tの影響も残る。
∂fc0／∂Tが約−1KHz／℃と残り、また水素蓄積
球４の温度変動による周波数シフトの変動∂fB／
∂Tの影響も残る。
この発明は、かかる問題を解消すべくなされた
もので、空胴共振器の温度変化による共振周波数
の変動が、水素蓄積球の温度変化による周波数シ
フトの変動を相殺するように設定することによつ
て共振周波数の温度変動を効果的に抑圧した水素
メーザ用共振器を提供するものである。
もので、空胴共振器の温度変化による共振周波数
の変動が、水素蓄積球の温度変化による周波数シ
フトの変動を相殺するように設定することによつ
て共振周波数の温度変動を効果的に抑圧した水素
メーザ用共振器を提供するものである。
このため、水素蓄積球を設置した空胴共振器系
は熱的に一体化の構造をとり、共振器円筒は負の
温度膨張係数のクリスタル・ガラスを用いる。
は熱的に一体化の構造をとり、共振器円筒は負の
温度膨張係数のクリスタル・ガラスを用いる。
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。
明する。
第２図は、この発明の水素メーザ用共振器の概
要を示す断面図で、６は低い温度膨張係数のクリ
スタル・ガラス製の共振器円筒を示す。この共振
器円筒６の内面及び外面には銀ペーストが塗布さ
れ導電性とするとともに熱良導体となるよう構成
されている。１５，１６は前記共振器円筒６の上
下を覆うように形成されているアルミ製の端板
で、下側の端板１６には共振周波数微調用のポス
ト１１と共振器の電磁波を出力するためのループ
１２が配置されるように構成されている。また、
上側の端板１５にはドーナツ状の皿ばね１７が載
置され、下側の端板１６に対して共振器円筒６及
び上側の端板１５を押圧固定するように数本のね
じ１８によつて前記皿ばね１７を下方に付勢す
る。
要を示す断面図で、６は低い温度膨張係数のクリ
スタル・ガラス製の共振器円筒を示す。この共振
器円筒６の内面及び外面には銀ペーストが塗布さ
れ導電性とするとともに熱良導体となるよう構成
されている。１５，１６は前記共振器円筒６の上
下を覆うように形成されているアルミ製の端板
で、下側の端板１６には共振周波数微調用のポス
ト１１と共振器の電磁波を出力するためのループ
１２が配置されるように構成されている。また、
上側の端板１５にはドーナツ状の皿ばね１７が載
置され、下側の端板１６に対して共振器円筒６及
び上側の端板１５を押圧固定するように数本のね
じ１８によつて前記皿ばね１７を下方に付勢す
る。
１９，２０は共振器円筒６の外面に形成されて
いる銀薄膜層と端板１５，１６の熱的接続手段を
構成している弾性材からなるリング部材、７は共
振器支持恒温槽（ハウジング）、４は内面にテフ
ロン加工が施されている石英製水素蓄積球であ
る。
いる銀薄膜層と端板１５，１６の熱的接続手段を
構成している弾性材からなるリング部材、７は共
振器支持恒温槽（ハウジング）、４は内面にテフ
ロン加工が施されている石英製水素蓄積球であ
る。
この発明の水素メーザ用共振器は上記したよう
に構成されているので、まず端板１５，１６と共
振器円筒６がリング部材１９，２０によつて熱的
に一体化され、そのため、共振器円筒６と水素蓄
積球４の温度差が大きく離れることがなくなる。
に構成されているので、まず端板１５，１６と共
振器円筒６がリング部材１９，２０によつて熱的
に一体化され、そのため、共振器円筒６と水素蓄
積球４の温度差が大きく離れることがなくなる。
かかる共振器系における共振周波数fcの温度変
化は第(8)式で△Tc（ｔ）△TB（ｔ）となる。この
第(8)式の第２項は水素蓄積球４が石英で構成され
ているから∂εr／∂T＞０となり、実測によると
∂fB／∂Tの値は−500〜−1000Hz／℃である。
化は第(8)式で△Tc（ｔ）△TB（ｔ）となる。この
第(8)式の第２項は水素蓄積球４が石英で構成され
ているから∂εr／∂T＞０となり、実測によると
∂fB／∂Tの値は−500〜−1000Hz／℃である。
一方、空胴共振器５を形成している共振器円筒
６の温度膨張係数αを負の値とすると、前記第(8)
式から∂fc0／∂Tは正の値となるので、第(8)式の
第１項と第２項は温度変動に対して相殺するよう
に変動する。
６の温度膨張係数αを負の値とすると、前記第(8)
式から∂fc0／∂Tは正の値となるので、第(8)式の
第１項と第２項は温度変動に対して相殺するよう
に変動する。
したがつて、この発明の水素メーザ用共振器は
共振器円筒６の温度膨張係数αの値を適当に選ぶ
ことにより、その共振周波数fcが温度変化に対し
てきわめて安定することができ、温度制御系によ
る温度制御、１×103℃によつて共振器系の周波
数変動をほぼ必要の値（0.3Hz）に設定すること
ができる。
共振器円筒６の温度膨張係数αの値を適当に選ぶ
ことにより、その共振周波数fcが温度変化に対し
てきわめて安定することができ、温度制御系によ
る温度制御、１×103℃によつて共振器系の周波
数変動をほぼ必要の値（0.3Hz）に設定すること
ができる。
したがつて、温度制御が容易となり、サーボ・
ゲインが低くなるため、温度制御系のエイジン
グ・ドリフトも無視できるようになる。
ゲインが低くなるため、温度制御系のエイジン
グ・ドリフトも無視できるようになる。
なお、共振周波数の粗調整は端板１５の内面を
削除することによつて行われ共振周波数の微調整
はばね等によつて押さえられているポスト１１に
よつて行われる。
削除することによつて行われ共振周波数の微調整
はばね等によつて押さえられているポスト１１に
よつて行われる。
以上説明したようにこの発明の水素メーザ用の
共振器系は負の温度係数をもつた円筒に対してそ
の上下の開口部に端板を配置して空胴共振器を形
成し、該空胴共振器内に温度上昇とともに共振周
波数が減少する水素蓄積球を配置した構造で、温
度が変動した場合空胴共振器による共振周波数の
シフトと水素蓄積球に起因する周波数シフトが相
殺するように動作する。
共振器系は負の温度係数をもつた円筒に対してそ
の上下の開口部に端板を配置して空胴共振器を形
成し、該空胴共振器内に温度上昇とともに共振周
波数が減少する水素蓄積球を配置した構造で、温
度が変動した場合空胴共振器による共振周波数の
シフトと水素蓄積球に起因する周波数シフトが相
殺するように動作する。
したがつて、水素メーザ用の共振器として利用
する際に、その温度制御の精度を低くすることが
でき、それだけ水素メーザ発振周波数の安定性を
向上させることができるという利点がある。
する際に、その温度制御の精度を低くすることが
でき、それだけ水素メーザ発振周波数の安定性を
向上させることができるという利点がある。
第１図は水素メーザの基本的な原理を説明する
ための模式図、第２図はこの発明の一実施例を示
す水素メーザ用共振器の側面（断面）図を示す。 図中、４は水素蓄積球、６は共振器円筒、１
５，１６は第１、第２の端板、１９，２０は熱的
接続手段を形成する弾性リングを示す。
ための模式図、第２図はこの発明の一実施例を示
す水素メーザ用共振器の側面（断面）図を示す。 図中、４は水素蓄積球、６は共振器円筒、１
５，１６は第１、第２の端板、１９，２０は熱的
接続手段を形成する弾性リングを示す。
Claims (1)
- １ 外周面が熱良導体で被覆され、温度上昇に伴
つて共振周波数が増大するような共振空胴を構成
する負の熱膨張係数を有する円筒と；該円筒の軸
方向の両端を覆い前記円筒とともに空胴共振器を
形成する第１、第２の端板と；前記第１の端板に
固定され、前記共振空胴内に前記円筒の内面と隔
離して収納され、温度上昇に伴つて前記空胴共振
器の共振周波数が減少するような材質で形成され
ている水素蓄積球と、前記熱良導体を介して前記
第１、第２の端板を熱的に架橋して前記空胴共振
器を熱的に一体化する熱的接続手段とを備え、温
度の変化に伴う前記水素蓄積球と前記円筒とに起
因する共振周波数の変化量をほぼ相殺するように
したことを特徴とする水素メーザ用共振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3868484A JPS60183782A (ja) | 1984-03-02 | 1984-03-02 | 水素メ−ザ用共振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3868484A JPS60183782A (ja) | 1984-03-02 | 1984-03-02 | 水素メ−ザ用共振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60183782A JPS60183782A (ja) | 1985-09-19 |
| JPS6364064B2 true JPS6364064B2 (ja) | 1988-12-09 |
Family
ID=12532113
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3868484A Granted JPS60183782A (ja) | 1984-03-02 | 1984-03-02 | 水素メ−ザ用共振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60183782A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4734622A (en) * | 1986-05-14 | 1988-03-29 | Ball Corporation | Dissociator for atomic masers |
| JP2665745B2 (ja) * | 1987-09-07 | 1997-10-22 | アンリツ株式会社 | 水素メーザ用空胴共振器 |
| WO2013000176A1 (zh) * | 2011-06-30 | 2013-01-03 | 江汉大学 | 一种微波腔泡装置 |
-
1984
- 1984-03-02 JP JP3868484A patent/JPS60183782A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60183782A (ja) | 1985-09-19 |
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