JP3218093B2 - Atomic clock and method for controlling microwave source of atomic clock - Google Patents
Atomic clock and method for controlling microwave source of atomic clockInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は周波数標準に関し、特に
例えばセシウム・ビーム管を使用した原子時計に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a frequency standard, and more particularly to an atomic clock using, for example, a cesium beam tube.
【0002】[0002]
【従来の技術と問題点】最近の多くの技術応用において
精密な周波数標準、すなわちクロックが必要である。例
えば、極めて精密な航行基準は著しく精度が高いクロッ
クに準拠している。原子周波数標準即ち原子時計はこの
ような多くのシステムの基礎となっている。広範に採用
されている原子時計である原子ビーム標準の一つの形式
はセシウム・ビーム管を使用している。現在、周波数及
び時間の国内標準のほとんどがセシウム・ビーム装置を
ベースにしている。これらの標準は約1013分の1の確
度である。BACKGROUND OF THE INVENTION Many modern technology applications require a precise frequency standard, i.e., a clock. For example, very precise navigation standards are based on extremely accurate clocks. Atomic frequency standards or clocks are the basis of many such systems. One type of atomic beam standard, a widely adopted atomic clock, uses a cesium beam tube. Currently, most national standards of frequency and time are based on cesium beam devices. These standards are about one in 10 13 accurate.
【0003】セシウム・ビーム標準はセシウム原子の基
底状態の核磁気超微細構造から生ずる量子効果を利用し
たものである。通常利用される遷移は電子スピンと原子
核のスピンとの相互作用によって生起する。この遷移は
電界や磁界のような外部からの影響を比較的受けにく
い。この遷移がマイクロ波領域スペクトルの周波数を
9,192,631,770Hzに規定する。基本的
に、セシウム・ビーム管は管にエネルギを供給するマイ
クロ波の発生源の周波数に対して極めて敏感な出力を発
する。マイクロ波の発生源は管の出力が最大になるよう
に同調される。この条件が満たされると、マイクロ波源
の周波数は公知の態様で前述の遷移周波数と相関する。The cesium beam standard utilizes the quantum effects arising from the ground-state hypermagnetic structure of the cesium atom. Commonly used transitions occur by the interaction of electron spins with nuclear spins. This transition is relatively insensitive to external influences such as electric and magnetic fields. This transition defines the frequency of the microwave domain spectrum at 9,192,631,770 Hz. Basically, a cesium beam tube produces an output that is very sensitive to the frequency of the microwave source that supplies the tube with energy. The microwave source is tuned to maximize tube output. When this condition is satisfied, the frequency of the microwave source correlates in a known manner with the aforementioned transition frequency.
【0004】理想的なセシウム・ビーム管は次のように
動作する。セシウム原子の視準ビームが第1のエネルギ
状態のセシウム原子を選択する磁気状態選択器を通過せ
しめられる。次に選択された原子がマイクロ波空洞を横
切り、その内部で原子はマイクロ波発生源からのエネル
ギを吸収し、又はマイクロ波発生源にエネルギを付与す
る。吸収又は供給されたエネルギによって原子の一部が
第2のエネルギ状態に遷移する。次に遷移した原子の数
が分析器で決定される。マイクロ波発生源の周波数は分
析器の出力が最高になるように継続的にサーボ・ループ
内で調整される。[0004] An ideal cesium beam tube operates as follows. A collimated beam of cesium atoms is passed through a magnetic state selector that selects cesium atoms in a first energy state. The selected atoms then traverse the microwave cavity, within which the atoms absorb energy from or impart energy to the microwave source. Some of the atoms transition to the second energy state due to the absorbed or supplied energy. The number of transitioned atoms is then determined by the analyzer. The frequency of the microwave source is continuously adjusted in the servo loop to maximize the output of the analyzer.
【0005】従来型のビーム基準はこの理想的なシステ
ムとは異なっている。第1に、最適化されたシステムが
適正に機能するためには、マイクロ波発生源の周波数が
管の最大出力を探索してシフトする際に、空洞内のマイ
クロ波放射の振幅は一定に保たれなければならない。マ
イクロ波空洞は空洞の物理的構造に応じて共振する。こ
れらの共振は周波数がシフトすると空洞内のマイクロ波
信号の振幅を変化させる周波数準拠フィルタの共振と等
価である。更に、マイクロ波発生源の強度の僅かな変動
は完全に除去することが困難である。例えば、このよう
な変動はマイクロ波空洞を励振するRF鎖内の感熱成分
によって発生することがある。このような変動は更にセ
シウム・ビーム管からの信号の振幅を変化させることが
ある。マイクロ波信号の強度の変化に起因するセシウム
・ビーム管出力の変化はサーボ・ループによって発振器
周波数のシフトと誤認されることがある。この場合、サ
ーボ・ループはマイクロ波周波数をシフトすることによ
って周波数シフトを修正しようとし、それによってマイ
クロ波周波数に誤差を誘発する。[0005] Conventional beam references differ from this ideal system. First, in order to optimized system to function properly, the coercive when the frequency of the microwave source is shifted to search the maximum output of the tube, the amplitude of the microwave radiation in the cavity is constant I have to drip. The microwave cavity resonates according to the physical structure of the cavity. These resonances are equivalent to the resonance of a frequency-based filter that changes the amplitude of the microwave signal in the cavity when the frequency shifts. Furthermore, small fluctuations in the intensity of the microwave source are difficult to completely eliminate. For example, such fluctuations may be caused by thermal components in the RF chain that excite the microwave cavity. Such fluctuations can further change the amplitude of the signal from the cesium beam tube. Changes in cesium beam tube output due to changes in microwave signal strength may be mistaken by the servo loop as a shift in oscillator frequency. In this case, the servo loop attempts to correct the frequency shift by shifting the microwave frequency, thereby inducing an error in the microwave frequency.
【0006】従来型のセシウム・ビーム管の第2の問題
点は“ラビ・プリング”と呼ばれている。最適化された
システムはマイクロ波空洞に入る原子の全てが同じエネ
ルギ状態にあるものと想定している。実際には、幾つか
の原子状態にある原子がある。所望の遷移のスペクトル
線の近傍のスペクトル線を有する状態の原子は所望のス
ペクトル線の領域内にバックグラウンド信号を生起す
る。このパックグラウンド信号の周波数は一定ではな
い。従って、この信号は所望のスペクトル線の形状を歪
ませる。この歪みによって、マイクロ波周波数の関数と
しての管の出力の最大位置がシフトされ、ひいては周波
数標準に第2の誤差の原因が発生する。A second problem with conventional cesium beam tubes is called "Rabi pulling". The optimized system assumes that all atoms entering the microwave cavity are in the same energy state. In fact, there are atoms in several atomic states. An atom that has a spectral line near the desired transition spectral line will generate a background signal in the region of the desired spectral line. The frequency of this background signal is not constant. Thus, this signal distorts the shape of the desired spectral line. This distortion shifts the maximum position of the tube output as a function of microwave frequency, and thus introduces a second source of error in the frequency standard.
【0007】[0007]
【発明の目的】広義には本発明の目的は改良型の原子ビ
ーム標準を提供することである。本発明の別の目的はマ
イクロ波空洞内のマイクロ波放射の周波数を有する、強
度の変化に影響され難い原子ビーム標準を提供すること
である。本発明の更に別の目的は従来型の原子ビーム標
準よりもラビ・プリングに影響され難い原子ビーム標準
を提供することである。OBJECTS OF THE INVENTION Broadly, it is an object of the present invention to provide an improved atomic beam standard. It is another object of the present invention to provide an atomic beam standard having a frequency of microwave radiation in a microwave cavity that is less sensitive to changes in intensity. Yet another object of the present invention is to provide an atomic beam standard that is less susceptible to Rabi pulling than conventional atomic beam standards.
【0008】[0008]
【発明の概要】本発明は改良型の原子ビーム・クロック
装置と、これを制御する方法とから成っている。本発明
の好ましい実施例はセシウム原子の視準ビームを発生す
るためのセシウム発生源と、所定の状態のセシウム原子
を選択するための第1選択器とを備えている。選択され
たセシウム原子は次に、その周波数が前記装置内の制御
器によって制御されるマイクロ波発生源からのマイクロ
波放射を受ける。第2選択器が所定の状態のセシウム原
子を選択し、選択された原子を、そこに入射するセシウ
ム原子の数に関する信号を発生する検出器へと誘導す
る。制御器は4つの所定の周波数の各々で検出器の定常
状態出力を測定し、マイクロ波周波数に加えられる周波
数補正を計算する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention comprises an improved atomic beam clock device and a method of controlling the same. A preferred embodiment of the present invention includes a cesium source for generating a collimated beam of cesium atoms and a first selector for selecting cesium atoms in a predetermined state. The selected cesium atoms then receive microwave radiation from a microwave source whose frequency is controlled by a controller in the device. A second selector selects cesium atoms in a predetermined state and directs the selected atoms to a detector that generates a signal regarding the number of cesium atoms incident thereon. The controller measures the steady state output of the detector at each of the four predetermined frequencies and calculates a frequency correction applied to the microwave frequency.
【0009】本発明の好ましい実施例では、4つの周波
数は2対の周波数から成り、各々の対は中心周波数を中
心にして対称に間隔を隔てられてある。各々の対の一つ
の周波数は検出器によって生成された信号のマイクロ波
周波数の関数として、応答曲線の正の傾斜領域に位置
し、各々の対の別の周波数は応答曲線の負の傾斜領域に
位置している。本発明の好ましい実施例では、各周波数
における検出器の定常状態出力は2つの異なるマイクロ
波入力の振幅で測定される。各々の周波数対でのマイク
ロ波振幅に加えられる振幅補正は振幅測定によって行わ
れる。In a preferred embodiment of the present invention, the four frequencies comprise two pairs of frequencies, each pair being symmetrically spaced about a center frequency. One frequency of each pair is located in the positive slope region of the response curve as a function of the microwave frequency of the signal generated by the detector, and another frequency of each pair is located in the negative slope region of the response curve. positioned. In a preferred embodiment of the present invention, the steady state output of the detector at each frequency is measured at two different microwave input amplitudes. The amplitude correction applied to the microwave amplitude at each frequency pair is made by amplitude measurements.
【0010】[0010]
【発明の実施例】本発明に従ったセシウム・ビーム周波
数標準装置の主要な機構の構成図が図1の装置10に示
されている。装置10はセシウム・ビーム管11と、電
圧制御周波数発生器13と、制御器26とを備えてい
る。セシウム・ビーム管11は次のように動作する。セ
シウム発生源12がセシウム原子の視準ビームを発生す
る。このような原子ビーム発生源は専門家には公知であ
るので、ここでは詳細には説明しない。本発明を説明す
るにはセシウム原子の合成ビーム15が多くの異なるエ
ネルギ状態の原子を含んでいることを述べるだけで充分
である。所定の状態の原子を選択するために磁気状態選
択器14が使用される。選択されたセシウム原子はC磁
界と呼ばれる小さな磁界を有する室17を通過する。室
17は選択されたセシウム原子が通過するマイクロ波空
洞18をも備えている。空洞18はセシウム原子のラム
ゼイ共鳴を付与する2つの分岐を有している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A block diagram of the main features of a cesium beam frequency standard apparatus according to the present invention is shown in apparatus 10 of FIG. The apparatus 10 comprises a cesium beam tube 11, a voltage controlled frequency generator 13, and a controller 26. The cesium beam tube 11 operates as follows. A cesium source 12 generates a collimated beam of cesium atoms. Such atomic beam sources are well known to the expert and will not be described in detail here. It is sufficient to describe the present invention that the composite beam 15 of cesium atoms contains atoms of many different energy states. A magnetic state selector 14 is used to select atoms in a given state. The selected cesium atoms pass through a chamber 17 having a small magnetic field called the C magnetic field. Chamber 17 also includes a microwave cavity 18 through which selected cesium atoms pass. Cavity 18 has two branches that impart Ramsey resonance of cesium atoms.
【0011】ラムゼイ共鳴が好ましい理由はセシウム・
ビームが空洞18の分岐を通過する室17の領域の磁界
を入念に制御するだけでよいからである。マイクロ波に
よってセシウム原子の一部がエネルギ状態を変化せしめ
られる。従って、室17が励振されると、セシウム・ビ
ーム16は多くの異なるエネルギ状態の原子を有する。
所望のエネルギ状態の原子が第2磁気分析器20を用い
て選択される。第2磁気分析器20の出力は検出器22
によって定量化され、その出力は制御器26によって読
み取られる。The reason that Ramsey resonance is preferred is that cesium
This is because it is only necessary to carefully control the magnetic field in the region of the chamber 17 where the beam passes through the branch of the cavity 18. Some of the cesium atoms change their energy state by microwaves. Thus, when the chamber 17 is excited, the cesium beam 16 will have atoms in many different energy states.
The atoms in the desired energy state are selected using the second magnetic analyzer 20. The output of the second magnetic analyzer 20 is the detector 22
And its output is read by the controller 26.
【0012】周波数発生器13は空洞18内に誘導され
るマイクロ波を供給する。マイクロ波の周波数は制御器
26により制御される電圧制御水晶発振器27によって
制御される。発振器27は10MHz発振器である場合
が多い。ビーム管11に必要なマイクロ波周波数を生成
するため、発振器27の出力は周波数逓倍器28によっ
て逓倍される。後に詳述するように、制御器26はマイ
クロ波の周波数と振幅を僅かだけ変化させることができ
なければならない。これはミキサから構成された加算器
30及び振幅変調器24を備えることによって達成され
る。The frequency generator 13 supplies a microwave guided into the cavity 18. The frequency of the microwave is controlled by a voltage controlled crystal oscillator 27 controlled by a controller 26. Oscillator 27 is often a 10 MHz oscillator. The output of oscillator 27 is multiplied by frequency multiplier 28 to generate the required microwave frequency for beam tube 11. As will be described in greater detail below, the controller 26 must be able to slightly change the frequency and amplitude of the microwave. This is accomplished by an adder 30 and an amplitude modulator 24 that is configured et or mixer support.
【0013】図2は空洞18に放射されたマイクロ波の
周波数の関数としての検出器22の出力を示している。
図2に示したスペクトルは3つの遷移、すなわち40で
示した所望の遷移と、42と44で示した2つの隣接す
る遷移とに対応する3つの出力を含んでいる。サーボ戦
略の目標は33のピークに対応する原子が検出器に入射
するように発振器27を同調することである。この目標
が達成された時、発振器27の出力は標準周波数にあ
る。この出力はスプリッタ32と絶縁増幅器34とを介
してユーザーに供給される。隣接する遷移からのスペク
トルは所望の遷移に対応するスペクトルの領域内に延び
る、45と46で示した尾部を有していることに留意さ
れたい。一般に、これらの尾部は対称ではない。従っ
て、その結果として生ずるバックグラウンドは傾斜す
る。前述のラビ・プリングを発生させるのはこの傾斜し
たバックグラウンドである。FIG. 2 shows the output of the detector 22 as a function of the frequency of the microwave radiated into the cavity 18.
The spectrum shown in FIG. 2 includes three outputs corresponding to three transitions, the desired transition shown at 40 and two adjacent transitions shown at 42 and 44. The goal of the servo strategy is to tune the oscillator 27 so that the atoms corresponding to the 33 peaks are incident on the detector. When this goal is achieved, the output of oscillator 27 is at a standard frequency. This output is provided to the user via splitter 32 and isolation amplifier 34. Note that the spectra from adjacent transitions have tails, indicated at 45 and 46, that extend into the region of the spectrum corresponding to the desired transition. Generally, these tails are not symmetric. Thus, the resulting background is skewed. It is this sloping background that generates the aforementioned rabbi pulling.
【0014】標準装置の基本を説明してきたが、次に制
御器26が発振器27の周波数を制御する態様をより詳
細に説明する。制御器26はマイクロ波周波数を4つの
周波数間で変化させる。検出器22の出力は各周波数で
測定され、発振器周波数の誤差の見積りを計算するため
に利用される。制御器26は検出器の出力が以下の近似
計算に基づくことを想定している。 出力=A(1+cos(πf/△f))+Bf−−−−(1)Having described the basics of the standard device, the manner in which the controller 26 controls the frequency of the oscillator 27 will now be described in more detail. Controller 26 changes the microwave frequency between the four frequencies. The output of the detector 22 is measured at each frequency and used to calculate an estimate of the oscillator frequency error. The controller 26 assumes that the output of the detector is based on the following approximate calculation. Output = A (1 + cos (πf / △ f)) + Bf ---- (1)
【0015】ここにfは共振するマイクロ波周波数に対
する空洞へのマイクロ波入力の周波数偏位である。A及
びBはセシウム・ビーム管の物理特性に応じた定数であ
り、△fは中心ピークでの電力半値幅である。ラビ・プ
リングがない場合はB=0である。共振は4つの選択さ
れた周波数増分にて順次マイクロ波信号を周波数変調す
ることによって探索される。図1に示した加算器30は
マイクロ波周波数を増分又は減分するために使用され
る。中心周波数が僅かな偏位dfだけ共振周波数と異な
っている場合は、選択された周波数の好ましい値に関す
る検出器の定常状態出力を以下の表1に検出器出力とし
て記載する。Where f is the frequency deviation of the microwave input to the cavity relative to the resonating microwave frequency. A and B are constants according to the physical characteristics of the cesium beam tube, and Δf is the half power width at the center peak. B = 0 when there is no rabbi pulling. Resonance is searched for by frequency modulating the microwave signal sequentially at four selected frequency increments. The adder 30 shown in FIG. 1 is used to increment or decrement the microwave frequency. If the center frequency differs from the resonance frequency by a small deviation df, the steady state output of the detector for the preferred value of the selected frequency is shown in Table 1 below as the detector output.
It described Te.
【0016】[0016]
【表1】 [Table 1]
【0017】周波数誤差を決定するため、マイクロ波周
波数は便利な順序で上記の偏位だけ変調される。各サイ
クル中に出力信号を見積もるための定められた標本抽出
期間で検出器の出力を積分する前に、検出器の出力を確
定するための充分な時間が許容されなければならない。
出力信号の完全な順序が測定された後、制御器26は以
下の数式に従って周波数誤差Eの概算値を計算する。 E=(S 2 -S 3 )+(S 4 -S 1 )/3=8Aπdf/(3△f)−−−−(2)To determine the frequency error, the microwave frequencies are modulated by the above-described excursions in a convenient order. Sufficient time must be allowed to determine the output of the detector before integrating the output of the detector with a defined sampling period to estimate the output signal during each cycle.
After the complete order of the output signal has been measured, controller 26 calculates an estimate of frequency error E according to the following equation: E = (S 2 −S 3 ) + (S 4 −S 1 ) / 3 = 8Aπdf / (3 △ f) −−−− (2)
【0018】ここにS 1 -S 4 はサイクル1- 4間ののそ
れぞれの検出器出力である。方程式(2)から誤差の見
積りはバックグラウンドの傾斜Bには左右されないこと
が判る。従って、本発明はラビ・プリングを一次補正す
る。Where S 1 -S 4 are the respective detector outputs during cycles 1-4. Equation (2) shows that the error estimate is independent of background slope B. Therefore, the present invention corrects the rabbi pulling to a first order.
【0019】方程式(1)により高次のバックグラウン
ド項を含めることによって、より高次の補正が可能であ
ることが専門家には明らかであろう。このような高次の
補正モデルでは周波数が多数の付加的な偏位で変調され
る必要があろう。更に、変調偏位の他の選択も用いるこ
とができることが明らかであろう。周波数偏位に対する
セシウム・ビーム管の正確な応答が分かれば、方程式
(2)の代わりに応答関数を利用することができ、誤差
の見積りを計算するために別の周波数偏位を利用するこ
とができよう。しかし、当該の正確な応答関数は一般に
は分からない。基本的にはこれを各管について測定する
ことはできるが、現在達成すべき性能に必要な精度は達
成可能である精度よりも高い。残念ながら、この応答関
数は時間とともに変化する。従って、定期的に測定する
必要がある。このような定期的な測定には周波数標準シ
ステムのサービスを停止する必要がある。従って、この
ような校正に基づくシステムは好ましいものではない。It will be clear to the expert that higher order corrections are possible by including higher order background terms according to equation (1). Such higher order correction models would require that the frequency be modulated with a number of additional excursions. Further, it will be apparent that other choices of modulation excursions can also be used. Once the exact response of the cesium beam tube to the frequency deviation is known, a response function can be used instead of equation (2), and another frequency deviation can be used to calculate the error estimate. I can do it. However, the exact response function is generally not known. Basically, this can be measured for each tube, but the accuracy required for the currently achieved performance is higher than is achievable. Unfortunately, this response function changes over time. Therefore, it is necessary to measure it regularly. Such periodic measurements require that the service of the frequency standard system be stopped. Therefore, such a calibration-based system is not preferred.
【0020】本発明は応答関数が共振周波数の回りの周
波数に関して偶関数であるものと仮定している。この仮
定がなされると、次の条件の下で2対の偏位から成る4
つの変調偏位を利用することができる。すなわち、各々
の対の偏位が共振周波数に対して対称に位置しており、
各々の対の一点が応答関数の正の傾斜の領域に位置して
いなければならず、対の対応する別の点(高又は低周波
数)が負の傾斜領域に位置していなければならない。こ
れらの条件が満たされると、種々の変調偏位におけるセ
シウム管出力の合計と差から誤差の見積りを計算するこ
とができ、その結果の誤差の見積りは第3次補正迄ラビ
・プリングには左右されない。[0020] The present invention is the response function has assumptions as an even function with respect to about the frequency of the resonant frequency. When this assumption is made, four pairs of excursions are obtained under the following conditions:
Two modulation excursions are available. That is, the excursions of each pair are located symmetrically with respect to the resonance frequency,
One point of each pair must be located in the region of the positive slope of the response function, and the other corresponding point (high or low frequency) of the pair must be located in the region of the negative slope. When these conditions are met, an error estimate can be calculated from the sum and difference of the cesium tube outputs at various modulation excursions, and the resulting error estimate is dependent on the rabbi pulling until the third correction. Not done.
【0021】前述したように、セシウム・ビーム管の出
力はマイクロ波周波数が一定に保たれていてもマイクロ
波振幅と共に変化する。共振周波数からの任意の所定の
マイクロ波周波数偏位について、最大のセシウム・ビー
ム管の出力を生成するマイクロ波振幅がある。マイクロ
波振幅の関数としてのセシウム・ビーム管の代表的な応
答曲線の一部が図3に50で示されている。図面から省
略されているより高い振幅の別の最大値があることに留
意されたい。これらの最大値は第1の最大値よりも性能
が劣るので用いられない。図面を簡略にするためにこれ
らの付加的な最大値は図3では省略してある。As mentioned above, the output of a cesium beam tube varies with microwave amplitude even if the microwave frequency is kept constant. For any given microwave frequency excursion from the resonance frequency, there is a microwave amplitude that produces the maximum cesium beam tube output. A portion of a typical response curve of a cesium beam tube as a function of microwave amplitude is shown at 50 in FIG. Note that there is another maximum of higher amplitude that is omitted from the figure. These maxima are not used since poor sexual performance than the first maximum value. These additional maxima have been omitted in FIG. 3 for simplicity of the drawing.
【0022】サーボ・ループが応答曲線の傾斜部分の振
幅を利用するならば、マイクロ波振幅の僅かな変化でも
セシウム・ビーム管の出力の変化を誘発するであろう。
例えば、マイクロ波振幅が図の52に示した値の区間で
変化した場合は、セシウム・ビーム管の出力は図の53
に示した量だけ変化するであろう。しかし、サーボ・ル
ープが応答曲線の最大値のマイクロ波振幅を用いる場合
は、54で示したマイクロ波振幅の同じ変化によって、
セシウム・ビーム管の出力には変化が僅かしか、あるい
は全く生じないであろう。マイクロ波振幅のある程度の
変化はほとんど常に生ずるので、サーボ・ループを応答
曲線のピークのマイクロ波振幅で動作することが有利で
ある。従って、本発明の好ましい実施例では振幅が常に
振幅応答曲線の最大値に近いようにマイクロ波の振幅を
制御する。If the servo loop utilizes the amplitude of the sloping portion of the response curve, even a small change in microwave amplitude will induce a change in the power of the cesium beam tube.
For example, if the microwave amplitude is changed between ward values shown in 52 of FIG., The output Figure cesium beam tube 53
Will vary. However, if the servo loop uses the microwave amplitude at the maximum of the response curve, then the same change in microwave amplitude, indicated at 54,
The output of the cesium beam tube will have little or no change. Some variation in the microwave amplitude than almost always occur, it is advantageous to operate the servo loop with microwave amplitudes of the peak of the response curve. Therefore, in the preferred embodiment of the present invention, the amplitude of the microwave is controlled so that the amplitude is always close to the maximum value of the amplitude response curve.
【0023】前述のように、振幅応答曲線は異なるマイ
クロ波周波数で異なることがある。振幅応答曲線は共振
周波数と、セシウム・ビーム管の出力が測定される周波
数との周波数差に左右される。前述したように、本発明
の好ましい実施例はセシウム・ビーム管の出力を2対の
周波数にて測定する。この対はマイクロ波周波数の関数
としてのセシウム・ビーム管の応答曲線60の拡大図で
ある図4に示されている。61と62で示した第1の周
波数の対は共振のピークの最大点の半分の地点にある。
63と64で示した第2の周波数対は隣接するピークの
最大点の半分の地点にある。 各々の周波数対は共振周
波数f o から同じだけ偏位した位置にある。従って、振
幅は各々の対毎に別個に調整されなければならない。As mentioned above, the amplitude response curve may be different at different microwave frequencies. The amplitude response curve depends on the frequency difference between the resonance frequency and the frequency at which the output of the cesium beam tube is measured. As described above, the preferred embodiment of the present invention measures the power of a cesium beam tube at two pairs of frequencies. This pair is shown in FIG. 4, which is an enlarged view of the response curve 60 of the cesium beam tube as a function of microwave frequency. The first frequency pair, designated 61 and 62, is at half the maximum point of the resonance peak.
The second frequency pair, designated 63 and 64, is at half the maximum of the adjacent peak. Each frequency pair is in a position offset by the same from the resonant frequency f o. Therefore, the amplitude must be adjusted separately for each pair.
【0024】次に振幅が調整される態様を図5を参照し
て説明する。図5は代表的なサーボ・サイクル中にセシ
ウム・ビーム管に供給される周波数とマイクロ波振幅を
示している。サーボ・ループの期間中、周波数は前述の
4つの周波数値の間で変化せしめられる。最初に、マイ
クロ波振幅A 1 を用いてセシウム・ビーム管の出力が第
1の周波数対にて測定される。次にマイクロ波振幅A 3
を用いてセシウム・ビーム管の出力が第2の周波数対に
て測定される。次に、マイクロ波振幅A 2 を用いてセシ
ウム・ビーム管の出力が再度第1の周波数対にて測定さ
れる。最後に、マイクロ波振幅A 4 を用いてセシウム・
ビーム管の出力が再度第2の周波数対にて測定される。Next, the manner in which the amplitude is adjusted will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the frequency and microwave amplitude supplied to the cesium beam tube during a typical servo cycle. During the servo loop, the frequency is varied between the four frequency values mentioned above. First, the output of the cesium beam tube using microwave amplitude A 1 is measured at a first frequency pair. Next, the microwave amplitude A 3
Is used to measure the power of the cesium beam tube at the second frequency pair. Then, the output of the cesium beam tube is measured at a first frequency pair again using the microwave amplitude A 2. Finally, using the microwave amplitude A 4 ,
The power of the beam tube is measured again at the second frequency pair.
【0025】振幅A 1 とA 2 は第1の対の周波数値に対
応したマイクロ波振幅M 1 から僅かに偏位している、す
なわち、 A 1 =M 1 -δM、 A 2 =M 1 +δM −−−−−(3)。 同様にして、振幅A 3 とA 4 は第2の対の周波数値に対
応したマイクロ波振幅M 2 から僅かに偏位している、
すなわち、 A 3 =M 2 -δM、 A 4 =M 2 +δM −−−−−(4)。 Amplitude A 1 And A Two Is the first pair of frequency valuesTo
Adapted microwave amplitude M 1 Slightly deviated from,
That is, A 1 = M 1 -δM, A Two = M 1 + δM −−−−− (3). Similarly, the amplitude A Three And A Four Is the second pair of frequency valuesTo
Adapted microwave amplitude M 2 Slightly deviated from,
That is, A Three = M Two -δM, A Four = M Two + δM −−−−− (4).
【0026】M 1 が第1対のマイクロ波周波数について
のマイクロ波振幅の関数としてセシウム・ビーム管の応
答曲線の最大値の地点に位置している場合は、A 1 とA
2 で行われた測定でのセシウム・ビーム管の出力の差は
ゼロとなろう。差がゼロではない場合は、M 1 で調整が
行われる。同様に、M 2 が第2対のマイクロ波周波数に
ついてのマイクロ波振幅の関数としてセシウム・ビーム
管の応答曲線の最大値の地点に位置している場合は、A
3 とA 4 で行われた測定でのセシウム・ビーム管の出力
の差はゼロとなろう。差がゼロではない場合は、M 2 で
調整が行われる。振幅変調の大きさδMは応答曲線の最
大値を決定する際の誤差を生ずる原因となる第3次の効
果を回避するため、システムのノイズと同様にできるだ
け小さくする必要がある。If M 1 is located at the point of maximum of the response curve of the cesium beam tube as a function of the microwave amplitude for the first pair of microwave frequencies, A 1 and A
The difference in the power of the cesium beam tube in the measurements made in 2 will be zero. The difference is if it is not zero, the adjustment by M 1 is performed. Similarly, if M 2 is located at the point of maximum in the response curve of the cesium beam tube as a function of microwave amplitude for the second pair of microwave frequencies, A
The difference between the output of the cesium beam tube for measurements performed at 3 and A 4 will become zero. Difference if not zero, is adjusted by the M 2 takes place. The magnitude δM of the amplitude modulation is a third- order effect that causes an error in determining the maximum value of the response curve.
In order to avoid the consequences, it must be as small as possible, as well as the noise of the system.
【0027】方程式(1)に示された定数Bはセシウム
・ビーム管内の空洞へのマイクロ波のパワーに左右され
ることに留意されたい。従って、M 1 がM 2 と等しくな
い場合は、Bはもはや定数ではなく、誤差の見積りは方
程式(2)から算出される値とは異なる。次により一般
的なケースで誤差信号が算出される態様を説明する。前
述のように、マイクロ波周波数の関数としてのセシウム
・ビーム管の応答は知られておらず、関数は時間と共に
シフトする。ラビ・プリングが存在しない場合は、マイ
クロ波周波数曲線はG e (f)で表される偶関数である
ことが分かり、ここにfは原子共振周波数とマイクロ波
周波数との差異である。G e (f)は偶関数であるの
で、G e (f)=G e (- f)である。It should be noted that the constant B shown in equation (1) depends on the power of the microwave to the cavity in the cesium beam tube. Thus, if M 1 is not equal to M 2 , B is no longer a constant and the error estimate is different from the value calculated from equation (2). Next, the manner in which the error signal is calculated in a more general case will be described. As mentioned above, the response of a cesium beam tube as a function of microwave frequency is not known, and the function shifts with time. If Rabi pulling is not present, shows that the microwave frequency curve is an even function represented by G e (f), where the f is the difference between the atomic resonance frequency and microwave frequency. Since G e (f) is an even function, G e (f) = G e - a (f).
【0028】ラビ・プリングが存在する場合は、セシウ
ム・ビーム管内の検出器からのビーム管電流:I(f)
は次の数式によって算出される。 I=G e (f)+B(p)f −−−(5) ここにB(p)はラビ・プリングのパワーに左右される
係数である。If Rabi pulling is present, the beam tube current from the detector in the cesium beam tube: I (f)
Is calculated by the following equation. I = G e (f) + B (p) f (5) where B (p) is a coefficient depending on the power of the Rabi-Pring.
【0029】前述のように、本発明は周波数サーボ・ル
ープ内のマイクロ波周波数を中心にした2対の変調偏位
周波数△f 1 及び△f 2 を利用することが好ましい。マイ
クロ波周波数が僅かな周波数偏位εだけ共振周波数と異
なる場合は、 I -1 = G e (- △f 1 + ε)+B 1 (- △f 1 +ε)≒G e
(- △f 1 )+ε(G’ e (- △f 1 )+B 1 )−B 1 △f 1 I +1 = G e (△f 1 + ε)+B 1 (△f 1 +ε)≒G e (△f
1 )+ε(G’ e (△f 1 )+B 1 )+B 1 △f 1 I -2 = G e (- △f 2 + ε)+B 2 (- △f 2 +ε)≒G e
(- △f 2 )+ε(G’ e (- △f 2 )+B 2 )−B 2 △f 2 I +2 = G e (△f 2 + ε)+B 2 (△f 2 +ε)≒G e (△f
2 )+ε(G’ e (△f 2 )+B 2 )+B 2 △f 2 −−−−(6)[0029] As described above, the present invention preferably utilizes a modulated deflection frequency △ f 1 and △ f 2 two pairs of centering the microwave frequency in the frequency servo loop. When the microwave frequency differs from the resonance frequency by a slight frequency deviation ε, I −1 = G e (−Δf 1 + ε) + B 1 (−Δf 1 + ε) ≒ G e
(−Δf 1 ) + ε (G ′ e (−Δf 1 ) + B 1 ) −B 1 Δf 1 I +1 = Ge (Δf 1 + ε) + B 1 (Δf 1 + ε) ΔG e (△ f
1 ) + ε (G ′ e (△ f 1 ) + B 1 ) + B 1 Δf 1 I −2 = Ge (−Δf 2 + ε) + B 2 (−Δf 2 + ε) ≒ Ge
(−Δf 2 ) + ε (G ′ e (−Δf 2 ) + B 2 ) −B 2 Δf 2 I + 2 = G e (Δf 2 + ε) + B 2 (Δf 2 + ε) ΔG e (△ f
2 ) + ε (G ′ e (△ f 2 ) + B 2 ) + B 2 Δf 2 −−−− (6)
【0030】ここにI -1 とI +1 はそれぞれ変調偏位であ
る- △f 1 及び+△f 1 におけるビーム管電流であり、I -2
とI +2 は- △f 2 及び+△f 2 におけるビーム管電流であ
る。B 1 とB 2 は周波数がそれぞれ△f 1 及び△f2だけ偏
位した場合に用いられるマイクロ波のパワーに対応する
係数である。G’ e (△f 1 )は△f 1 にて評価されたG e
(f)の導関数である。G e (f)は偶関数であるの
で、G’ e (- △f 1 )=-G’e(△f 1 )である。[0030] Here I -1 and I +1 are each modulated excursion - a beam tube current in △ f 1 and + △ f 1, I -2
And I +2 are the beam tube currents at −Δf 2 and + Δf 2 . B 1 and B 2 are coefficients corresponding to the microwave power used when the frequency is shifted by Δf 1 and Δf 2 , respectively. G ' e (△ f 1 ) is G e evaluated at △ f 1
The derivative of (f). Since G e (f) is an even function, G ′ e (−Δf 1 ) = − G ′ e (Δf 1 ).
【0031】 C 1 =I +1 - I -1 〜2εG’ e (△f 1 )+ 2B 1 △f 1 C 2 =I +2 - I -2 〜2εG’ e (△f 2 )+ 2B 2 △f 2 −−−−−−(7) とおく。C 1 = I +1 -I -1 to 2εG ' e (△ f 1 ) + 2B 1 Δf 1 C 2 = I +2 -I -2 to 2εG' e (△ f 2 ) + 2B 2 △ f 2 ------ put (7).
【0032】誤差信号発生器の目標はC 1 とC 2 を結合
してB 1 及びB 2 に左右されない誤差信号を得ることで
ある。 C=C 1 +αC2 とすると( ここにαは決定されるべき数
値である) 、次式になる。 C=2ε(G’ e (△f1)+ αG’ e ( △f 2 ))+2(B
1 △f 1 +αB 2 △f 2 )−−−−(8) ε=0の場合にCが消え、CがB 1 とB 2 には左右され
ない条件を満たすためには第 2項は消去されなければな
らない。従って、 α= -B 1 △f 1 /(B 2 △f 2 )−−−−−−(9)The goal of the error signal generator is to combine C 1 and C 2 to obtain an error signal independent of B 1 and B 2 . If C = C 1 + αC 2 (where α is a numerical value to be determined), the following equation is obtained. C = 2ε (G ′ e (△ f 1 ) + αG ′ e (Δf 2 )) + 2 (B
1 Δf 1 + αB 2 Δf 2 ) −−−− (8) C disappears when ε = 0, and the second term is deleted to satisfy the condition that C does not depend on B 1 and B 2. It must be. Therefore, α = - B 1 △ f 1 / (B 2 △ f 2) ------ (9)
【0033】定義により、B 1 ,B 2 , △f 1 及び△f
2 は全て正であり、従ってαは負である。誤差検出信号
Cが可能な最大の利得を有することが有利である。従っ
て、εの係数は最大の絶対値を有するように選択され
る。この状態はG’e( △f 1 )及び、G’ e ( △f 2 )が
最大になるように△f 1 と△f 2 とが選択された場合に
生じ、G’ e ( △f 1 )とG’ e ( △f 2 )の符合は逆であ
る。方程式(1)に関連して前述したG e (f)=co
s(πf/△f)の特別の場合は、(ここに△fは線
幅)これらの条件は△f 1 =1/2△f及び△f 2 = 3
/2△fである場合に満たされる。この場合、 α=−B 1 /(3B 2 )−−−−−−(10)。 △f 1 用のの最適なパワーが△f 2 用のパワーと等しい
場合は、α=- 1/3であり、この値は方程式(1)と
方程式(2)に関連して前述した誤差補正に用いられる
値である。By definition, B 1 , B 2 , Δf 1 and Δf
2 are all positive, so α is negative. Advantageously, the error detection signal C has the largest possible gain. Therefore, the coefficient of ε is selected to have the largest absolute value. This state occurs when Δf 1 and Δf 2 are selected so that G ′ e (Δf 1 ) and G ′ e (Δf 2 ) are maximized, and G ′ e (Δf 1) ) And G ′ e (Δf 2 ) have opposite signs. G e (f) = co described above in connection with equation (1)
For the special case of s (πf / △ f), where △ f is the line width, these conditions are: △ f 1 = 1 / Δf and △ f 2 = 3
/ 2 △ f. In this case, α = −B 1 / (3B 2 ) −−−−− (10). If the optimal power for Δf 1 is equal to the power for Δf 2 , then α = −3, which is the error correction value described above in connection with equations (1) and (2). Is the value used for
【0034】方程式(9)で示した一般的なケースで
は、△f 1 及び△f 2 は導関数G’e(△f 1 )及び
G’ e (△f 2 ) の絶対値が最大になるように選択され
る。この場合は、これは次のように表すことができる。 B 1 /B 2 =P 1 /P 2 −−−−−−(11) ここにP 1 及びP 2 は△f 1 と△f 2 のそれぞれにおい
て応答を最大にするのに必要であるマイクロ波のパワー
である。マイクロ波連鎖の出力にて振幅変調器を校正す
ることによって、P 1 及びP 2 の優れた近似値が得られ
る。P 1 /P 2 の測定誤差によってラビ・プリングの相
殺は不完全になるが、実際の場合はプリングを大幅に縮
減することができる。振幅サーボの機能は周波数変調と
結びついた何らかの振幅変調に起因する周波数シフトを
第1位に除去することである。このように、本発明の4
点周波数変調機構に加えて従来の2点周波数変調機構に
おいても本発明の振幅変調機構を極めて有利に利用する
ことができる。In the general case shown in equation (9), △ f 1 and △ f 2 are such that the absolute values of the derivatives G ′ e (△ f 1 ) and G ′ e (△ f 2 ) are maximized. To be selected. In this case, this can be expressed as: B 1 / B 2 = P 1 / P 2 (11) where P 1 and P 2 are the microwaves required to maximize the response at Δf 1 and Δf 2 respectively. Power. By calibrating the amplitude modulator at the output of the microwave chain, a good approximation of P 1 and P 2 is obtained. The measurement error of P 1 / P 2 imperfectly cancels the rabbi pulling, but in the actual case the pulling can be greatly reduced. The function of the amplitude servo is to remove to the first place the frequency shift due to any amplitude modulation associated with the frequency modulation. Thus, the fourth aspect of the present invention.
In addition to the point frequency modulation mechanism, the amplitude modulation mechanism of the present invention can be used very advantageously in a conventional two-point frequency modulation mechanism.
【0035】マイクロ波振幅が任意の周波数偏位でビー
ム電流が最大になるように設定された場合、セシウム・
ビーム管内の検出器からのビーム電流は二次のマイクロ
波振幅成分にのみ左右され、任意のコヒレント振幅の一
次の効果は除去されることが分かる。最大振幅変調用の
マイクロ波振幅を変調周波数偏位に設定することがコヒ
レント振幅変調に起因する周波数プリングを軽減するた
めの最適な方法である。コヒレント振幅変調の主要な原
因には温度や、通常は時間と共に変化するマイクロ波空
洞の離調と、マイクロ波発生器自体での振幅と周波数の
相互依存性が含まれる。When the microwave amplitude is set to maximize the beam current at any frequency excursion, cesium
It can be seen that the beam current from the detector in the beam tube depends only on the secondary microwave amplitude components, eliminating any primary effects of any coherent amplitude. Setting the microwave amplitude for maximum amplitude modulation to the modulation frequency excursion is the optimal way to reduce frequency pulling due to coherent amplitude modulation. The main causes of coherent amplitude modulation include temperature and usually time-varying detuning of the microwave cavity, and the amplitude and frequency interdependencies of the microwave generator itself.
【0036】従来型の機構ではマイクロ波振幅が有効に
制御されない。従来型の制御機構にはその値を保持する
ための初期調整に依存しているだけのものがある。別の
従来型の機構は空洞内で直接マイクロ波のレベルを検出
し、コヒレントな変調を軽減するために従来の定レベル
化技術を利用している。別の従来型の機構は周波数変調
のないゼロ周波数偏位で管の電流が最大になるようにマ
イクロ波のレベルを設定する。最初の2種類の従来型の
機構は明らかに本発明で用いられる機構よりも劣ってい
る。最後の従来型の機構はレベルを最適な値に設定せ
ず、従ってこれも劣っている。The conventional mechanism does not effectively control the microwave amplitude. Some conventional control mechanisms only rely on an initial adjustment to maintain that value. Another conventional mechanism detects microwave levels directly in the cavity and utilizes conventional constant leveling techniques to mitigate coherent modulation. Another conventional mechanism sets the microwave level such that the tube current is maximized at zero frequency excursion without frequency modulation. The first two types of conventional mechanisms are clearly inferior to those used in the present invention. The last conventional mechanism does not set the level to an optimal value, and thus is also inferior.
【0037】ビーム電流を最大にするためのサーボは周
波数サーボと同時に動作しなければならないことに留意
されたい。振幅サーボはマイクロ波信号の僅かな方形波
変調によって達成され、この方形波の各レベルは完全な
周波数変調サイクルの整数倍を占めているので、振幅変
調の周波数Famは次の数式によって得られる。 Fam=Ffm/(2N)−−−−−−−(12) ここにFfmは周波数変調の周波数であり、Nは>0の整
数である。It should be noted that the servo for maximizing the beam current must operate simultaneously with the frequency servo. Amplitude servo is accomplished by small square wave modulation of the microwave signal, since this each level of the square wave occupies an integer multiple of complete frequency modulation cycles, frequency Fam amplitude modulation is obtained by the following formula . Fam = Ffm / (2N) --- (12) where Ffm is the frequency of frequency modulation and N is an integer> 0.
【0038】本発明は周波数変調に起因する信号を同期
的に検出し、周波数サーボを閉じると共に、振幅変調を
同期的に検出し、振幅サーボを閉じるために周波数偏位
に対するビーム管電流の偶対称性を利用するものであ
る。これらのサーボは振幅誤差と周波数誤差の双方をゼ
ロにする。The present invention synchronously detects a signal caused by frequency modulation and closes the frequency servo, and also synchronously detects amplitude modulation and evenly symmetrically changes the beam tube current with respect to the frequency deviation to close the amplitude servo. This is to take advantage of the nature. These servos nullify both amplitude and frequency errors.
【0039】同じ技術がラビ・プリングを縮減するため
の4つの周波数技術の各々の周波数対にも利用される。
この場合は、2つの振幅サーボが利用される。すなわち
一つは内側の周波数対用に利用され、もう一つは外側の
周波数対用に利用される。この場合は周波数サーボを含
む3つのサーボがあり、これらの全ては振幅誤差と周波
数誤差をゼロにまで減少させるように機能する。前述の
ようにマイクロ波パワーが正確に知れれば、ラビ・プリ
ングは必然的に除去される。The same technique is used for each frequency pair of the four frequency techniques for reducing Rabi pulling.
In this case, two amplitude servos are used. That is, one is used for the inner frequency pair and the other is used for the outer frequency pair. In this case there are three servos, including a frequency servo, all of which function to reduce the amplitude and frequency errors to zero. If the microwave power is known exactly, as described above, rabbi pulling is inevitably eliminated.
【0040】各々が同じ値の正と負の周波数偏位を含む
周波数偏位を対で処理することによって、本発明はビー
ム管を励振するマイクロ波信号スペクトルが対称である
という条件で(僅かな相対論的効果とブロッホ・ジーゲ
ルト効果を除いて)保証される共振線の対称な特性にの
み依存するものである。任意の偏位を利用する場合は、
共振線の実際の詳細が線の中心と同じ精度(約107 分
の1)で把握されなければならない。この線は時間によ
って一定ではなく、この精度を達成するパワーを備えて
いないので、必要な精度を得るための適正な測定を行う
ことができない。従って、任意の周波数変調に基づく周
波数標準は本発明の好ましい実施例により達成される周
波数標準よりも劣っている。By processing pairs of frequency excursions, each containing the same value of positive and negative frequency excursions, the present invention provides that the microwave signal spectrum that excites the beam tube is symmetric (slightly less). It depends only on the symmetrical properties of the guaranteed resonance line (excluding the relativistic and Bloch-Siegelt effects). If you want to use any deviation,
The actual details of the resonance line must be as accurate as the center of the line (approximately one part in 107). Since this line is not constant over time and does not have the power to achieve this accuracy, proper measurements to obtain the required accuracy cannot be made. Thus, frequency standards based on arbitrary frequency modulation are inferior to those achieved by the preferred embodiment of the present invention.
【0041】更に、本発明で利用される振幅サーボはマ
イクロ波周波数をサーボするために正弦波周波数(すな
わち位相)変調を利用する従来型のシステムには有効で
はないことに留意されたい。このような機構の場合は、
最適なRF振幅は変調サイクル全体で平均化された最大
ビーム電流(もしくは最大の第2高調波振幅)、又は、
偏位又は周波数変調がない最大ビーム電流を生成する振
幅ではない。Further, it should be noted that the amplitude servo utilized in the present invention is not effective in conventional systems utilizing sinusoidal frequency (ie, phase) modulation to servo microwave frequencies. In the case of such a mechanism,
The optimum RF amplitude is the maximum beam current (or the maximum second harmonic amplitude) averaged over the modulation cycle, or
It is not the amplitude that produces the maximum beam current without deviation or frequency modulation.
【0042】本発明の前述の実施例はセシウム原子を選
択するための磁気選択器を使用しているが、別の形式の
選択器をも利用できることが専門家には明らかであろ
う。例えば、選択プロセスは光学式ポンピングによって
も達成できる。本発明をこれまでセシウム・ビーム管に
関して説明してきたが、本発明の方法と装置は別の原子
時計システムでも利用できることが専門家には明らかで
あろう。Although the foregoing embodiment of the present invention uses a magnetic selector to select cesium atoms, it will be apparent to those skilled in the art that other types of selectors may be utilized. For example, the selection process can be accomplished by optical pumping. Although the invention has been described with reference to a cesium beam tube, it will be apparent to those skilled in the art that the method and apparatus of the invention may be used with other atomic clock systems.
【0043】[0043]
【発明の効果】本発明の好ましい実施例では、4つのマ
イクロ波周波数は2対の周波数から成り、各々の対は中
心周波数を中心にして対称に間隔を隔てられてある。各
々の周波数に対する検出器の出力から、高次の周波数補
正信号が得られ、サーボ制御によって中心周波数の補正
が行われる。また、マイクロ波振幅変調にたいする検出
器出力から、マイクロ波振幅に加えられる振幅補正信号
が得られ、振幅の補正がおなわれる。従って、マイクロ
波振幅の変動に鈍感でラビ・プリングによる影響を生じ
にくい新規な制御方法により、管の老化をも補正する確
度の高い原子時計がえられる。In the preferred embodiment of the present invention, the four microwave frequencies comprise two pairs of frequencies, each pair being symmetrically spaced about a center frequency. A higher-order frequency correction signal is obtained from the output of the detector for each frequency, and the center frequency is corrected by servo control. Also, an amplitude correction signal added to the microwave amplitude is obtained from the detector output for microwave amplitude modulation, and the amplitude is corrected. Thus, a novel control method that is insensitive to fluctuations in microwave amplitude and is less likely to be affected by rabbi pulling provides a highly accurate atomic clock that also corrects tube aging.
【図1】本発明の一実施例を説明するためのセシウム・
ビーム周波数装置のブロック図である。FIG. 1 shows a cesium alloy for explaining an embodiment of the present invention.
It is a block diagram of a beam frequency device.
【図2】マイクロ波周波数の関数としてセシウム・ビー
ム管の出力をあらわしたグラフである。FIG. 2 is a graph showing the output of a cesium beam tube as a function of microwave frequency.
【図3】与えられた周波数のマイクロ波の振幅の関数と
してセシウム・ビーム管の応答をあらわしたグラフであ
る。FIG. 3 is a graph showing the response of a cesium beam tube as a function of the amplitude of the microwave at a given frequency.
【図4】本発明の一実施例における周波数変調点を説明
するためマイクロ波周波数の関数としてセシウム・ビー
ム管の出力をあらわしたグラフである。FIG. 4 is a graph illustrating the output of a cesium beam tube as a function of microwave frequency to illustrate frequency modulation points in one embodiment of the present invention.
【図5】本発明の一実施例におけるマイクロ波周波数と
振幅のサイクリング(繰り返し)説明するためのグラフ
である。FIG. 5 is a graph for explaining cycling (repetition) of microwave frequency and amplitude in one embodiment of the present invention.
10 セシウム・ビーム周波数装置の主要部 11 セシウム・ビーム管 12 セシウム発生源 13 電圧制御周波数発生器 14 磁気状態選択器(第1磁気分析器) 15 合成ビーム 16 セシウム・ビーム 17 C磁界を有する室 18 空洞 20 第2磁気分析器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Main part of cesium beam frequency apparatus 11 Cesium beam tube 12 Cesium source 13 Voltage control frequency generator 14 Magnetic state selector (first magnetic analyzer) 15 Synthetic beam 16 Cesium beam 17 Room having C magnetic field 18 Cavity 20 second magnetic analyzer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 399117121 395 Page Mill Road Palo Alto,Californ ia U.S.A. (72)発明者 ロビン・ピー・ギファード アメリカ合衆国カリフォルニア州ロス・ アルトス、アンダーソン・ドライブ 770 (56)参考文献 特開 平2−223226(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03L 7/26 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (73) Patent owner 399117121 395 Page Mill Road Palo Alto, California U.S.A. S. A. (72) Inventor Robin P. Gifard Anderson Drive, Los Altos, California, USA 770 (56) References JP-A-2-223226 (JP, A) (58) Fields studied (Int. Cl. 7 , DB name) H03L 7/26
Claims (12)
原子を選択するための第一の選択手段、 (ハ)周波数制御信号に応答して、前記第一の状態の原
子に前記周波数制御信号によって決定された周波数のマ
イクロ波を印加するためのマイクロ波注入手段、 (ニ)第二の状態の原子を選択するための第二の選択手
段、 (ホ)前記第二の状態の原子を受取り、該原子の数に関
連した信号を出力するための検出手段、および (ヘ)第一、第二、第三、第四の周波数の前記マイクロ
波の各々に対する前記検出手段の定常状態出力の各々を
測定するための手段と該測定された定常状態出力に関連
した周波数補正を決定するための手段とを含み、前記周
波数補正に応じて前記周波数制御信号を発生するための
制御手段。1. The following (a) to (f)EquippedAtomic clock: (B) a source for generating an atomic beam; (b) receiving an atom from the atomic beam,
First selecting means for selecting an atom, (c) responding to a frequency control signal,
To the frequency domain determined by the frequency control signal.
Microwave injection means for applying microwaves, (d) second selecting means for selecting atoms in the second state
(E) receiving the atoms in the second state and determining the number of atoms;
Detecting means for outputting a continuous signal,and (F) The micros of the first, second, third and fourth frequencies
The detection means for each of the wavesEach of the steady state outputsTo
Means for measuring andThe measuredSteadyStatus outputRelated to
Means for determining a corrected frequency correction.
Responds to wave number correctionJustFor generating the frequency control signal
Control means.
下に等間隔を隔て対をなし、前記第三、第四の周波数は
中心周波数の上下に等間隔を隔て対をなすようにした請
求項1に記載の原子時計。2. The method according to claim 1, wherein the first and second frequencies form a pair at equal intervals above and below the center frequency, and the third and fourth frequencies form a pair at equal intervals above and below the center frequency. The atomic clock according to claim 1.
記マイクロ波の周波数の関数としての前記検出手段が出
力する応答曲線の正の傾斜をなす領域に位置し各前記対
の前記一つの周波数に対応するもう一つの周波数は前記
応答曲線の負の傾斜をなす領域に位置することを特徴と
する請求項2に記載の原子時計。3. The method of claim 1 wherein one of said paired frequencies is located in a positively sloped region of the response curve output by said detection means as a function of the frequency of said microwave. The atomic clock according to claim 2, wherein another frequency corresponding to the frequency is located in a negatively sloped region of the response curve.
応じて前記マイクロ波の振幅を調整するための調整手段
をさらに備え、前記制御手段が、さらに、 前記振幅制御信号を発生するための手段と、 第一のマイクロ波振幅において前記第一、第二の周波数
において前記検出手段の定常状態出力を測定し、第二の
マイクロ波振幅において前記第一、第二の各周波数にお
いて前記検出手段の定常状態出力を測定し、前記定常状
態出力の測定から前記第一、第二のマイクロ波振幅に加
えられる振幅補正を発生するための手段と、 を備えたことを特徴とした請求項2に記載の原子時計。4. The apparatus according to claim 1, wherein said microwave injection means further comprises an adjusting means for adjusting the amplitude of said microwave in accordance with an amplitude control signal, said control means further comprising: means for generating said amplitude control signal. And measuring the steady state output of the detecting means at the first and second frequencies at the first microwave amplitude, and measuring the steady- state output of the detecting means at the first and second frequencies at the second microwave amplitude. the steady-state output is measured, the steady-
3. An atomic clock according to claim 2, further comprising: means for generating an amplitude correction to be added to the first and second microwave amplitudes from the measurement of the state output.
において前記検出手段の定常状態出力を測定し、第四の
マイクロ波振幅において前記第三、第四の周波数におい
て前記検出手段の定常状態出力を測定し、前記定常状態
出力の測定から前記第三、第四のマイクロ波振幅に加え
られる振幅補正を発生するための手段と、 を備えたことを特徴とした請求項3に記載の原子時計。5. The control means further comprises: means for generating the amplitude control signal; and measuring a steady state output of the detection means at a third and a fourth frequency at a third microwave amplitude. the in a fourth microwave amplitude third, the steady-state output of said detection means in the fourth frequency is measured, the third from the measurement of the steady-state <br/> output, a fourth microwave amplitude An atomic clock according to claim 3, comprising: means for generating an applied amplitude correction.
の、該マイクロ波の周波数と振幅との調整手段を有する
マイクロ波発生源と、前記マイクロ波の印加後に前記原
子ビームにおいて所定の状態にある原子の数に関連した
信号を出力するための検出手段とを有する原子時計にお
いて、前記マイクロ波発生源を制御するための後記
(イ)乃至(ロ)のステップを含む原子時計のマイクロ
波発生源の制御方法: (イ)第一、第二、第三、第四の所定の周波数の前記マ
イクロ波の各々に対する前記検出手段の定常状態出力の
各々を決定するステップ、 (ロ)前記周波数の調整手段に印加するための周波数補
正を決定するステップ、および (ハ)前記周波数補正に応じて前記マイクロ波の周波数
を調整するステップ 。6. A method for applying a microwave to an atomic beam.
The frequency of the microwaveAnd amplitudeWith adjustment means
A microwave source and the source after application of the microwave;
Related to the number of atoms in a given state in the child beam
An atomic clock having detection means for outputting a signal.
And the following description for controlling the microwave source.
Atomic clock micro including steps (a) to (b)
Wave source control method: (a) First, second, third, fourthPredeterminedThe frequency
The detection means for each of the microwavessteady stateOutput
eachEachStep to decideThe (B) A frequency compensator for applying to the frequency adjusting means.
Steps to determine positive,and (C) the frequency of the microwave according to the frequency correction
Steps to adjust .
数の上下に等間隔を隔てて対をなし、前記第三、第四の
周波数は第二の中心周波数の上下に等間隔を隔てて対を
なすようにした請求項6に記載の原子時計のマイクロ波
発生源の制御方法。7. The first and second frequencies are paired at equal intervals above and below a first center frequency, and the third and fourth frequencies are equally spaced above and below a second center frequency. 7. The method of controlling a microwave generation source of an atomic clock according to claim 6, wherein the pair is separated by a distance.
記マイクロ波の周波数の関数として前記検出手段が出力
する応答曲線の正の傾斜をなす領域に位置し各前記対の
前記一つの周波数に対応するもう一つの周波数は前記応
答曲線の負の傾斜をなす領域に位置することを特徴とす
る請求項7に記載の原子時計のマイクロ波発生源の制御
方法。8. The one frequency of each of said pairs, wherein one frequency of each of said pairs of frequencies is located in a positively sloped region of a response curve output by said detection means as a function of the frequency of said microwave. 8. The method according to claim 7, wherein another frequency corresponding to the frequency is located in a region where the response curve has a negative slope.
振幅を調整するための調整手段をさらに備え、さらに、 第一のマイクロ波振幅において前記第一、第二の周波数
において前記検出手段の定常状態出力を測定し、第二の
マイクロ波振幅において前記第一、第二の各周波数にお
いて前記検出手段の定常状態出力を測定し、前記測定さ
れた定常状態出力から前記第一、第二のマイクロ波振幅
に加えられる振幅補正を発生するステップを備えたこと
を特徴とする請求項7に記載の原子時計のマイクロ波発
生源の制御方法。9. The microwave generation source further comprises adjusting means for adjusting the amplitude of the microwave, and further comprising: a stationary state of the detecting means at the first and second frequencies at a first microwave amplitude. measuring the status output, said in a second microwave amplitude first, the steady state output of said detection means to measure the second of each frequency, of said measurement
8. The method of controlling a microwave source of an atomic clock according to claim 7, further comprising the step of generating an amplitude correction to be added to the first and second microwave amplitudes from the obtained steady state output .
三、第四の周波数において前記検出手段の定常状態出力
を測定し、第四のマイクロ波振幅において前記第三、第
四の周波数において前記検出手段の定常状態出力を測定
し、前記測定された定常状態出力から前記第三、第四の
マイクロ波振幅に加えられる振幅補正を発生するステッ
プをさらに備えたことを特徴とする請求項7に記載の原
子時計のマイクロ波発生源の制御方法。10. The steady- state output of said detecting means at said third and fourth frequencies at a third microwave amplitude, and said detection at said third and fourth frequencies at a fourth microwave amplitude. 8. The method of claim 7, further comprising measuring a steady state output of the means and generating an amplitude correction to be applied to the third and fourth microwave amplitudes from the measured steady state output. Control method of microwave source of atomic clock.
源、 (ロ)前記原子ビームから原子を受取り、第一の状態の
原子を選択するための第一の選択手段、 (ハ)周波数制御信号に応答して、前記第一の状態の原
子に前記周波数制御信号によって決定された周波数のマ
イクロ波を印加するためのマイクロ波注入手段、 (ニ)第二の状態の原子を選択するための第二の選択手
段、 (ホ)前記第二の状態の原子を受取り、該原子の数に関
連した信号を出力するための検出手段、および (ヘ)一対の所定の周波数の各々に対する前記検出手段
の定常状態出力を測定するための手段と前記定常状態出
力から周波数補正を決定するための手段とを含み、前記
周波数補正に応答した前記周波数制御信号を発生し前記
マイクロ波注入手段に前記一対の所定の周波数でマイク
ロ波を印加させるための制御手段を備えた原子時計であ
って、 前記マイクロ波注入手段が、さらに、振幅制御信号に応
じて前記マイクロ波の振幅を調整する手段を備え、前記
制御手段が、さらに、 前記振幅制御信号を発生する手段、および第一のマイク
ロ波振幅において前記一対の所定の周波数において前記
検出手段の定常状態出力を測定し、第二のマイクロ波振
幅において前記一対の所定の周波数において前記検出手
段の定常状態出力を測定し、前記二つの定常状態出力の
測定から前記第一、第二のマイクロ波振幅に加えられる
振幅補正を発生する手段を備えたことを特徴とする原子
時計。(B) a source for generating an atomic beam, (b) first selecting means for receiving atoms from the atomic beam and selecting atoms in a first state, (c) frequency Microwave injection means for applying a microwave having a frequency determined by the frequency control signal to the atoms in the first state in response to a control signal; and (d) selecting atoms in the second state. (E) detection means for receiving the atoms in the second state and outputting a signal related to the number of the atoms, and (f) detection for each of a pair of predetermined frequencies. Means for measuring the steady state output of the means and said steady state output.
Means for determining a frequency correction from a force, the control means for generating the frequency control signal in response to the frequency correction and causing the microwave injection means to apply a microwave at the pair of predetermined frequencies. An atomic clock comprising: the microwave injection means further comprising: means for adjusting the amplitude of the microwave according to an amplitude control signal; and the control means further comprising: means for generating the amplitude control signal , and in a first microwave amplitude measured steady-state output of said detection means in said pair of predetermined frequencies, measure the steady-state output of said detection means in the pair of predetermined frequency in a second microwave amplitude and, the first from the measurement of the two steady-state output, especially in that it comprises means for generating a second microwave amplitude added amplitude correction Atomic clock to be.
の、該マイクロ波の振幅の調整手段を有する、マイクロ
波発生源と、前記マイクロ波の印加後に前記原子ビーム
において所定の状態にある原子の数に関連した信号を出
力するための検出手段とを有する原子時計において、前
記マイクロ波発生源を制御するための後記(イ)乃至
(ハ)のステップを含む原子時計のマイクロ波発生源の
制御方法: (イ)前記マイクロ波の第一の振幅において、第一、第
二、第三、第四の周波数の前記マイクロ波の各々に対す
る前記検出手段の第一の定常状態出力をそれぞれ決定す
るステップ、 (ロ)前記マイクロ波の第二の振幅において、第一、第
二、第三、第四の周波数の前記マイクロ波の各々に対す
る前記検出手段の第二の定常状態出力をそれぞれ決定す
るステップ、および (ハ)前記第一、第二の定常状態出力から前記前記第
一、第二の振幅に施す振幅補正を決定するステップ。12. A microwave source having means for adjusting the amplitude of a microwave for applying a microwave to an atomic beam, comprising: Atomic clock having detection means for outputting a signal related to a number, control of a microwave generating source of an atomic clock including the following steps (a) to ( c ) for controlling the microwave generating source: Method: (a) determining, at a first amplitude of the microwave, a first steady-state output of the detection means for each of the microwaves at first, second, third, and fourth frequencies , respectively. in a second amplitude of said microwave (b), first, second, third, fourth of said detecting means for each of said microwave frequency second steady state output, respectively Constant steps, and (c) said first, said first from the second steady state output, the step of determining the amplitude correction to be applied to the second amplitude.
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JP22319892A JP3218093B2 (en) | 1992-07-30 | 1992-07-30 | Atomic clock and method for controlling microwave source of atomic clock |
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JPH07193498A JPH07193498A (en) | 1995-07-28 |
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CN100459827C (en) * | 2002-05-16 | 2009-02-04 | 横田技术有限公司 | Reflow soldering device |
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JP5050260B2 (en) * | 2006-01-24 | 2012-10-17 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Frequency difference measuring device |
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- 1992-07-30 JP JP22319892A patent/JP3218093B2/en not_active Expired - Fee Related
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