NO840554L - Mikroboelgehulromsresonator - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår hulromsresonator for dampcelleatomfrekvensstandard. Nærmere bestemt angår foreliggende oppfinnelse en forbedret mikrobølgehulromsresonator for anvendelse ved slike systemer.

Atomfrekvensstandardsystemer er vanligvis anvendt for å regulere frekvensen til kvartskrystalloscillatorer som ellers mangler frekvensstabilitet. Vesentlig ved slike systemer er forsøket på å låse frekvensen til kvartskrystalloscillatoren til den naturlige frekvensen for et slikt elements svingninger, slik som alkalimetall. Frekvensen forbundet med elementet korresponderer med for-skjellen i energi mellom to hyperfine strukturnivåer til grunntilstanden for atomet som for isotopen 87Rb ligger ved omkring 6,83 GHz.

Mekanismen for å regulere kvartsoscillatoren er et atomresonansesystem som generelt innbefatter en gassutlad-ningslampe fylt med ønsket alkalimetalldamp (f.eks. rubidium) som er optisk innrettet med en celle som inneholder en evakuert gasskolbe fylt med det fordampede alkalimetal-let og med en fotofølsom lysmottager anbrakt for å detek-tere lyset sendt ut fra lampen etter passasjen gjennom cellen. Et slikt system er beskrevet f.eks. i US-patent nr. 3.798.565.

I samsvar med et slikt system blir lysspektrumet til det valgte elementet strålt ut fra lampen (som tilfeldig er påvirket for utladning av radiofrekvensenergi) blir absor-bert av rubidium i absorpsjonscellen ved en kjent prosess når resonanseabsorpsjonen eller "optisk pumping" ved hvilken likevektspopulasjonen til de to hyperfine grunntilstandene er fortrinnsvis endret. Denne prosessen reduserer lysabsorpsjonskapasiteten for damp innenfor cellen slik at etter en forutbestemt tid kan en økning i lysintensiteten som slår mot fotodetektoren etter passering gjennom cellen bli detektert.

Ved en atomfrekvensstandard, en art lukket sløyfestyresy-stem, blir virkningen av den optiske pumpeprosessen på lysabsorpsjonsegenskapen til elementet inne i cellen mot-virket og "feilsignalet" som resulterer derfra drevet til null ved injisering av elektromagnetisk energi med frek-vens lik den til atomresonansen til elementet inne i absorpsjonscellen. Et mikrobølgehulrom er vanligvis anordnet ved et atomfrekvensstandardsystem for kopling av injisert elektromagnetisk til dampatomene i cellen. Mikrobølgehul-rommet (resonatoren) er konstruert for resonans ved atom-frekvesen for elementet for å sikre tilstrekkelig injisering av elektromagnetisk energi, hvis energi blir utledet ved hjelp av frekvensmultiplikasjon av utgangssignalet til den overvåkede kvartsoscillatoren. Når den utledede frekvensen til den injiserte elektromagnetiske energi er nøy-aktig lik atomfrekvensen for elementet blir virkningen av den optiske pumpeprosessen reversert og lysabsorpsjonen for elementet i cellen øket betydelig, en virkning som er detektert av det fotofølsomme elementet. Et tilbakekop-lingssystem koplet med resonatoren og fotodetektoren an-vender den detekterte endringen i absorpsjonsegenskapen for å overvåke og drive frekvensen for kvartskrystalloscillatoren til og oprettholde den ved dens på forhånd valgte nominelle verdi.

Den effektive funksjonen av en atomfrekvensstandard i samsvar med generell konfigurasjon og operasjonsmodus som ovenfor beskrevet stiller et utall krav til systemets mikrobølgehulromsresonator. Som nevnt må den bli nøyaktig avstemt til resonansefrekvensen for alikalimetallet for effektiv injisering av elektromagnetisk energi til den ønskede frekvensen deri. Den skulle dessuten fortrinnsvis øke samvirkningen av injisert elektromagnetisk energi med cellen og dens innhold. Sylindriske hulromsresonatorer har i den senere tid blitt konstruert for å understøtte TEQ11-og TE-^i^o^user• Førstnevnte konstruksjon (TEq-^) tilveiebringer ' generelt effektiv kopling med adsorpsjonscellen. Konstruksjonen av hulrommene har imidlertid vært uaksep-tabelt store for anvendelse ved utstyr i luftfartøyer eller satelitter. TEø^-modusens sylindriske hulrommer har f.eks. krevd som et minimum en diameter på tilnærmet 6,25 cm og en lengde på tilnærmet 2,5 cm for å virke effektivt. TE^^-^-modushulrommet kan bli konstruert for mindre stør-relser og et hulrom på omkring 2,5 cm i diameter og lengde vil understøtte denne modusen. På grunn av den stående bølgen TE-^-q sin art blir den elektomagnetiske energien injisert i hulrommet ikke koplet effektivt i den indre absorpsjonscellen da den magnetiske fluksen til den injiserte energien er konsentret om hulrommets kanter.

Ovenfor nevnte og ytterligere problem ved tidligere kjente anordninger blir løst ved hjelp av foreliggende oppfinnelse som tilveiebringer en rektangulær hulromsresonator for en dampcelleatomfrekvensstandard. Resonatoren innbefatter et hovedsakelig rektangulært legeme med et indre hulrom for understøttelse av elektromagnetisk energi av TEqh-modusen. Innretninger er anordnet for fortrinnsvis å ori-entere den elektromagnetiske energien av TE^g^-modusen.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen innbefatter en hulromsresonator av TE oi-modus en. Resonatoren innbefatter et legeme som innbefatter en kappe og et nedre legeme som har et hovedsakelig rektangulært indre hulrom. Legemet har et par med åpninger ved motsatte ender for montering av optiske linser. Et hovedsakelig plant dielektrisk element er anordnet inne i kappen. Innretninger er anordnet for fortrinnsvis ordning av elektromagnetisk energi i hulrommet.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et sideriss av et atomresonansesystem (vanligvis henvist til som "fysisk pakke") som utgjør foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser et eksplosjonsperspektivriss av en mikro-bølgehulromsresonator i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Fig. 3A og 3B viser et elektrisk skjema og et delsnitt av hulromsresonatorens kappe for å kunne vise inn-retningen for montering av energiinjiserings-kretsen i samvirke med forliggende oppfinnelse. Fig. 4 viser et tverrsnitt av hulromsresonatoren for å

vise de magnetiske flukslinjene frembrakt deri.

Fig. 5 viser en kurve over konstruksjonsparameterne for en hulromsresonator i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

Med henvisning til tegningene viser fig. 1 et sideriss av et atomresonansesystem innbefattende anordning ifølge foreliggende oppfinnelse. Systemet som er montert på en innrettet sokkel 10 innbefatter en radiofrekvensutled-ningslampe 12, filtercelle 14 og resonanshulrom 16. Lederen 18 tilfører R.F.-energi til en spole som omgir og eksiterer en elektroløs kolbe i lampen 12 som inneholder en alkalimetalldamp. Innretninger er anordnet for å regulere temperaturen og trykket til dampen i kolben. I til-felle av at<87>Rb blir anvendt innbefatter dens Dl og D2 spektrallinjer spektrumet til utsendt lys.

Lyset passerer for lampen 12 og utbreder seg som en stråle gjennom filtercellen 14 i hvilken en av de to grunntilstandene for<87>Rb-isotopen blir dempet ved injisering av isotopen<85>Rb. Ved reduksjonen av grunntilstandene blir rubidiumlys gjort i stand til å pumpe rubidiumet inneholdt i en konvensjonell absorpsjonscelle i hulromsresonatoren 16.

Resonatoren 16 innbefatter en generelt rektangulær geome-tri av to hovedsakelig hule metallelementer, en fjernbar kappe 20 og et legeme 22. Sirkulære parvis anordnede flenser 24 og 26 er dannet med og anordnet ved motsatte ender av resonatoren 16. De parede flensene 24 og 26 danner spoler for ledningsviklinger 28 og 30 hhv. Strømmer til-ført viklingene 28 og 30 bevirker et konstant magnetisk felt kjent som et "C-felt" for å bli tilveiebrakt inne i resonatoren 16. Felteffekten til "finavstemningen" av ru-bidiumabsorpsjonscellen sikrer en nøyaktighet i tillegg til en stabil atomfrekvensstandard. En spalte 2 i en side-vegg av resonatoren 16 sitter i begynnelsen av en horison-tal passasje inne i kappen 20 for innføring av en leder-lengde som danner et strålingselement eller en kretssløyfe til en energiinjiseringskrets som er drevet av den regule-rte regulatoren. Som det fremgår nærmere av fig. 3B sikrer orienteringen av dette elementet, som er gjort mulig ved en spesiell anordning av elementene til resonatoren 16, at TE^oi-feltet inne i hulrommet 16 er fortrinnsvis eksitert. Et sylindrisk hus 34 som danner en del av resonatoren 16 er tilpasset for å motta en fotodetektor (ikke vist). Et-hvert antall slike anordninger som har en utgang som rea-gerer på intensiteten for lyset som faller inn på over-flaten er egnet ved dampcelleatomfrekvensstandarden på fig. 1. En aktuell utførelsesform av et slikt system an-vender en silisiumfotodetektor for generelle formål av den typen som er kommersielt tilgjengelig fra "Silicon Detec-tor Corporation" i Newbury Park, California.

Fig. 2 viser et eksplosjonsperspektivriss av mikrobølge-resonatorhulrommet 16 ifølge oppfinnelsen. Et riss vist på denne figuren er tatt fra siden motsatt den vist på fig. l for å forenkle den fullstendige illustrasjonen av foreliggende oppfinnelse. Som det fremgår innbefatter resonatoren 16 generelt en enhet på tre elementer: den fjernbare kappen 20, det nedre legemet 22 og et hovedsakelig plant elementet av dielektrisk materiale 36. Når satt sammen blir elementet 36 satt inn i kappen 20 idet dens toppoverflate er hovedsakelig fluktende med toppen av den hule kappen 20. Skruer 38, 40, 42 og 44 i forbindelse med til-passede hjørneinnretninger i kappen 20 og det nedre legemet 22 sikrer enheten. Den todelte konstruksjonen av hulrommet tillater, med minimal forstyrrelse av den ønskede modusen for den stående bølgen inne i hulrommet, en for-enklet og på ny mulig innsetting av en absorpsjonscelle inn i-det nedre legemet 22 før anvendelse og gir lett til-gang til det indre av hulrommet 16 for vedlikehold og/el-ler reperasjon.

Som det fremgår av fig. 2 innbefatter det nedre legemet 22 en kompakt enhet konstruert med sirkulære flenser 24 og 26 dannet ved motsatte ender-av det indre.kammeret av metall, fortrinnsvis messing, nedre legeme 22. Det sylindriske huset 34 for montering av en egnet fotodetektor er vist som konsentrisk med sirkulære flenser 24 og 26 som nevnt ovenfor virker som spoler for fine ledningsledere.

Åpninger er anordnet i de motsatte endeveggene til det nedre legemet 22 for å montere fokuseringslinser 46 og 48. Ved et fullstendig sammensatt atomresonansesystem er linsen 46 anordnet mellom filtercellen 14 og absorpsjonscellen (ikke vist) inne i det hule nedre legemet 22 som tje-ner for fokusering av den filtrerte rubidiumspektralstrå-len inn i absorpsjonscellen mens linsen 48, anordnet mellom cellen og fotodetektoren (ikke vist) montert inne i huset 34 virker som konsentrering av lys på en fotofølsom silisumoverflate til fotodetektoren.

En halvsirkulær knast 50 er anordnet ved en øvre kant av sideveggen til det nedre legemet 22. Den halvsirkulære knasten 50 passer med en halvsirkulær knast 52 i den til-hørende nedre kanten av sideveggen til den fjernbare kappen 20 slik at når satt sammen blir det dannet en sirku-lær åpning for innføring av en avstemningsskrue 54 i re sonatoren. En spalte 56 i bunnen av det dielektriske elementet 36, som strekker seg gjennom dens bredde, tillater innføring av avstemningsskruen 54 til egnet dybde for finavstemning av resonatoren 16 for å korrigere unøy-aktigheter som følge av fremstillingstoleranse og lignen-de .

Det dielektriske elementet 36 har en andre spalte 58 dannet ved dens toppoverflate. Spalten 58 som spalten 56 er orientert parallelt med endeveggene til det nedre legemet 22. Som det fremgår av fig. 3 er denne orienteringen et kritisk trekk ved resonatoren 16 som tillater innføring av en lengde med et strålingskretselement som har en fore-trukket orientering i spalten 32 (vist på fig. 1) i siden av kappen 20. Orienteringen av et slikt strålingselement virker som innretning av den stående bølgen inne i det indre hulrommet til resonatoren 16 i den retningen vist på fig. 4 slik at det hovedsakelig jevne, magnetiske feltet i hulrommet blir koplet optimalt i absorpsjonscellen.

Spalten 58 avsluttes i tilnærmet senteret til toppflaten av det dielektriske elementet 36. Avslutning av spalten 58 er halvsirkulær og innrettet med et hull 60 i toppen av kappen 20. Hullet 60 passer med trinngjenvinningsdioden for kretsen for injisering av elektromagnetisk energi inne i hulromsresonatoren 16, se fig. 3B.

Fig. 3A er et elektrisk skjema for en konvensjonell krets for injisering av elektromagnetisk energi i hulrom slik som resonatoren 16. Kretsen aksepterer et utgangssignal på tilnærmet 120 MHz som er utledet fra utgangssignalet til den overvåkte kvartskrystalloscillatoren ved hjelp av en konvensjonell anordning av frekvensmultiplikasjonstrinn. Dette signalet blir tilført ved inngangsport 62 til kretsen som innbefatter en dekoplingskondensator 64, en trinn-gjenvinningsdiode 66, en lengde av strålingslederen 68 og toppen av kappen til hulromsresonatoren 16. Dioden 66 funksjonerer som kjent som en harmonisk generator som frembringer et utgangssignal som inneholder multippelhar-moniske for inngangssignalet, idet den 57 harmoniske til inngangssignalet med frekvensen 120 MHz er 6,83 GHz, atomfrekvensen for rubidium. Når resonatoren 16 er konstruert og finavstemt til denne samme frekvensen er alle signalene ført inn i resonatoren 16 hovedsakelig ved frekvensen 6,83 GHz. Som beskrevet ovenfor samvirker den injiserte elektromagnetiske energien ved denne frekvensen med rubidium-absorpsjonscellen for å tilveiebringe en detekterbar re-versering av den optiske pumpeprosessen.

Fig. 3B viser et tverrsnitt gjennom en del av resonatoren langs hullet 60. Dette risset innbefatter en del av inji-seringskretsen vist skjematisk på fig. 3A og ellers ikke vist på de andre figurene. De fysiske elementene vist på fig. 3B er gitt henvisningstall tilsvarende henvisnings-tallene på fig. 3A (der vist skjematisk). I tillegg er de magnetiske flukslinjene som resulterer fra feltet som omgir strålingslederen 68 vist med henvisningstallet 72. Som det fremgår er det magnetiske feltet hovedsakelig parallelt med resonatorens 16 lengde. Anordningen av TE^oi~fel~tet er et direkte resultat av orienteringen av den øvre spalten 58 på tvers av lengden av resonatoren 16. Slik orientering av spalten 58 tillater at strømsløyfen for lederen 68 er riktig anordnet slik at ved anvendelse av den kjente høyrehåndsregelen blir ved strømretningen langs lengden av strålingselementer 68, H-feltorienteringen på fig. 3B (og fig. 4) tilveiebrakt. Fig. 4 er et tverrsnitt i lengderetningen av resonatoren 16 tatt ortogonalt til snittet vist på fig. 3B gjennom hullet 60. Adsorpsjonscellen 70 vist anbrakt i resonatoren 16 påtreffer flere magnetiske feltlinjer parallelle med dets lengde som representerer linjene til TE^qimodusens magentiske fluks. Som nevnt ovenfor innretter orienteringen av strålingslederen 68 TE^g^stående bølge i hulrommet slik at det magnetiske feltet blir ordnet i en retning hovedsakelig parallelt med resonatorens 16 lengde. En hovedsakelig jevn magnetisk fluks blir følgelig presentert gjennom hele lengden av rubidiumcellen 70. En slik jevn fluks konsentrert i området opptatt av cellen 70 frembringer som velkjent en svært effektiv kopling av det magnetiske feltet med rubidiumatomer. Lysabsorpsjonen av rubi-diumen inne i cellen 70 er følgelig heller følsom mot og betydelig øket når frekvensen til en den injiserte elektromagnetiske energien er lik frekvensen for atomresonansen. Ved en atomfrekvensstandard anvendt ved en resonator i samsvar med oppfinnelsen blir således en ekstremt nøyak-tig indikasjon av frekvensen med injisert energi som er direkte i forhold til frekvensen for den overvåkede oscil-latoren tilveiebrakt ved analyse av lysintensiteten faller på fotodetektoren etter passasje gjennom adsorpsjonscellen .

Som det videre fremgår av denne figuren konsentrerer det dielektriske elementet 36 det magnetiske feltet i resonatoren 16, som øker jevnheten på de frie mellomromsdelene til feltet (dvs. innenfor det nedre legemet 22) og tillater ytterligere kompaktet ved hulromskonstruksjonen. Som nevnt ovenfor har det ved tidligere kjente hulrom vært umulig å tilveiebringe både jevnhet i feltfordelingen og kompaktdelen, men ved et rektangulært TE-^i~modushulrom i samsvar med foreliggende oppfinnelse tilveiebringes jevn fordeling av magnetisk fluks vist på fig. 4 med en rela-tivt kompakt konstruksjon. Et rektangulær TE^oi~modushul for et atomfrekvensstandardsystem har blitt konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse med størrelser på 1,25 x 1,75 x 2 cm, en vesentlig reduksjon i størrelsen i forhold til tidligere kjente.

Avstanden "a" og "d" korresponderer med høyden på hulrommet i resonatoren 16 og tykkelsen på det dielektriske elementet 36 hhv. som vist på fig. 4. På denne figuren er også vist for den påfølgende analysen x- og y-koordinatene til et tredimensjonalt system (den tredje, dvs. y-koordi-nataksen, ligger i et plan perpendikulært på papiret).

Det er velkjent at ved en TE-elektromagnetisk bølge som utbredes gjennom to klare transmisjonsmedia, "1" og "2" langs den angitte z-aksen kan bli definert med følgende ligninger:

hvor: k^i k2= fasekoeffesient

y = utbredelseskoeffesient u = permeabilitet

Ved grensen for materialmediaet 1 (fritt mellomrom) og 2 (dielektriske element), H2og E^. er kontinuerlig (dvs.<H>z^<=>Hz2, Ey^=Ey2) som fører til likheten:

For elektromagnetisk energi av TE^Q-modusen som utbrederer seg i bølgelederen gjelder r = j_JLl hvor x g er bølgele-derbølgelengden. En konstant verdi for det frie mellomroms magnetiske felt Hzlblir tilveiebrakt ved å sette k-^ lik null. Det kan bli vist at denne betingelsen blir tilveiebrakt når bølgelengden x for energien som utbreder seg gjennom bølgelederen nærmer seg x . Når x nærmer seg<x>anærmer segk22 tt hvor e 2 er verdien for den relative dielektrisitetskonstanten til elementet 36. Løses ligningen for grensebetingelsene uttrykt i avstandene som angitt på fig. 4, får man ligningen<k>2d = -k2(a-d). Foregående ligning kan bli løst for gitte verdier for x, e2, a og d som vist ved hjelp av den opptegnede kurven på fig. 5. På denne figuren er verdiene for forholdet a/x opptegnet på ordina-tene og verdiene for forholdet (a-d)/x er opptegnet på abscissen. Hver kurve er opptegnet for en gitt verdi for den relative dielektrisitetskonstanten . For en gitt x og dielektrisitetselement kan således egnede stør-relseser på hulrommet til en resonator 16 i samsvar med oppfinnelsen og med fordelene til oppfinnelsen med hensyn til optimal kopling av energi til dampcellen bli bestemt utfra resultatet av foregående analyse.

En ytterligere kritisk faktor ved konstruksjonen av resonatoren 16 i samsvar med oppfinnelsen angår lokaliseringen av den horisontale "bruddlinjen" mellom den metalliske kappen 20 og det nedre hulrommet 22. Mens anordningen kan funksjonere med et suboptimalt anordnet brudd mellom kappen 20 og det nedre hulrommet 22 blir optimal funksjon tilveiebrakt når der finnes ingen komponent ved overflate-strømmen som er perpendikulær på bruddlinjen. I samsvar med foregående analyse finnes slik lokalisering ved verdien for x som maksimaliserer verdien for Ey2som uttrykt i den foregående ligningen for dette.

Det er således tilveiebrakt ved mikrobølger en ny og forbedret resonator for bruk ved dampcelleatomfrekvensstandard. Mens oppfinnelsen har blitt beskrevet ved en fore-trukket utførelsesform skal det bemerkes at andre utførel-sesformer vil være mulig innenfor rammen av oppfinnelsen.

Claims (11)

1. Hulromsresonator for en dampcelleatomfrekvensstandard, karakterisert ved at den innbefatter i kombinas jon: a) et hovedsakelig rektangulært legeme med et indre hulrom for understøttelse av elektromagnetisk energi av TE101 -modusen'°9 b) innretning for fortrinnsvis orientering av den elektroniske energien med TEioi -moc^usen*

2. Hulromsresonator ifølge krav 1, karakterisert ved at det indre hulrommet innbefatter et hovedsakelig plant element av dielektrisk materiale.

3. Hulromsresonator ifølge krav 2, karakterisert ved at det rektangulære legemet videre innbefatter: a) en kappe, og b) et nedre legeme.

4. Hulromsresonator ifølge krav 3, karakterisert ved at det dielektriske element er anordnet hovedsakelig inne i kappen.

5. Hulromsresonator ifølge krav 4, karakterisert ved innretning for fortrinnsvis orientering av den elektromagnetiske energien med TE^qi^o^us og at det dielektriske elementet innbefatter en spalte anordnet fortrinnsvis for å montere et strålingselement inne i hulrommet .

6 Hulromsresonator ifølge krav 5, karakterisert ved at spalten er anordnet for å motta en bølgeleder-lengde.

7.. Hulromsresonator ifølge krav 6, karakterisert ved at det dielektriske elementet videre innbefatter en andre spalte for mottagelse av en hulromsavstemnings-skrue.

8. Hulromsresonator ifølge krav 7, karakterisert ved at utsparinger er anordnet i den motstående hoved-flaten til det hovedsakelig plane elementet av dielektrisk materiale.

9 Hulromsresonator ifølge krav 1, karakterisert ved at legemet innbefatter åpninger i motsatte ende-vegger for montering av optiske linser.

10. Hulromsresonator ifølge krav 9, karakterisert ved at den innbefatter innretning for montering av en fotodetektor.

11. Hulromsresonator for TE^oi-moc3user' karakterisert ved at de innbefatter i kombinasjon: a) et legeme som innbefatter en kappe og nedre legeme og som har et hovedsakelig rektangulært indre hulrom, b) hvor legemet har et par med åpninger ved motsatte ender derav for montering av optiske linser, c) et hovedsakelig plant dielektrisk element inne i kappen, og d) innretning for fortrinnsvis ordning av elektromagnetisk energi med hulrommet.