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JPS6362118B2 - - Google Patents
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JPS6362118B2 - - Google Patents

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JPS6362118B2
JPS6362118B2 JP55027783A JP2778380A JPS6362118B2 JP S6362118 B2 JPS6362118 B2 JP S6362118B2 JP 55027783 A JP55027783 A JP 55027783A JP 2778380 A JP2778380 A JP 2778380A JP S6362118 B2 JPS6362118 B2 JP S6362118B2
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lamp
cell
voltage
discharge
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S1/00Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/06Gaseous, i.e. beam masers

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスセル型原子発振器のランプセルに
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a lamp cell for a gas cell type atomic oscillator.

原子や分子が有する永久不変的な共鳴周波数を
基準として水晶発振器を制御する原子発振器は、
長期周波数安定度が極めて高い為、周波数標準器
として利用されている。このような原子発振器と
しては、能動形のメーザ方式によるもの、受動形
の吸収方式によるもの又は原子ビーム方式による
もの、ガスセル方式によるもの等に分類すること
ができ、その中で光ポンピング法を利用した受動
形のガスセル型原子発振器が比較的小型に構成で
きるので、各種装置の周波数標準器として用いら
れている。
Atomic oscillators control crystal oscillators based on the permanently unchanging resonance frequencies of atoms and molecules.
Because of its extremely high long-term frequency stability, it is used as a frequency standard. Such atomic oscillators can be classified into active maser type, passive absorption type, atomic beam type, gas cell type, etc. Among them, optical pumping method is used. Since the passive gas cell type atomic oscillator can be constructed in a relatively small size, it is used as a frequency standard for various devices.

例えばこのようなルビジウムガスセル型原子発
振器は第1図に示す構成を有するものである。即
ち光マイクロ波部11と電圧制御水晶発振器12
と周波数逓倍合成器13等から構成され、光マイ
クロ波部11は、ランプセル1、ランプ励振コイ
ル2、反射鏡3、ランプ励振器4、フイルタセル
5、空胴共振器6、ガスセル7、光検出器8、増
幅器9、逓倍器10等により構成されている。ル
ビジウムRbは自然界に2種類の同位元素Rb87
Rb85とが存在し、ランプセル1にはRb87、フイ
ルタセル5にはRb85、ガスセル7にはRb87が封
入され、ランプ励振器4からの高周波出力がラン
プ励振コイル2に加えられて、ランプセル1は放
電発光する。このランプセル1にはRb87以外に
緩衝気体として、ネオンNe、アルゴンAr、クリ
プトンKr、等のうち一種類の気体が封入される
のが一般的である。
For example, such a rubidium gas cell type atomic oscillator has the configuration shown in FIG. That is, the optical microwave section 11 and the voltage controlled crystal oscillator 12
The optical microwave section 11 includes a lamp cell 1, a lamp excitation coil 2, a reflector 3, a lamp exciter 4, a filter cell 5, a cavity resonator 6, a gas cell 7, and a photodetector. 8, an amplifier 9, a multiplier 10, etc. Rubidium Rb exists in nature as two isotopes, Rb 87 and
Rb 85 is present, Rb 87 is sealed in the lamp cell 1, Rb 85 is sealed in the filter cell 5, and Rb 87 is sealed in the gas cell 7. The high frequency output from the lamp exciter 4 is applied to the lamp excitation coil 2, and the lamp cell 1 emits discharge light. In addition to Rb 87 , this lamp cell 1 is generally filled with one type of gas such as neon Ne, argon Ar, krypton Kr, etc. as a buffer gas.

ランプセル1から発生する光の波長成分のうち
不要な波長成分は、フイルタセル5により吸収さ
れて、所望の波長成分の光のみがガスセル7に入
射される。又電圧制御水晶発振器12の発振出力
は、周波数逓倍合成器13及び逓倍器10により
Rb87の共鳴周波数の6834.68…MHzに逓倍されて
空胴共振器6に加えられる。
Among the wavelength components of the light generated from the lamp cell 1, unnecessary wavelength components are absorbed by the filter cell 5, and only the light of the desired wavelength component is incident on the gas cell 7. Further, the oscillation output of the voltage controlled crystal oscillator 12 is outputted by the frequency multiplication synthesizer 13 and the multiplier 10.
The resonant frequency of Rb 87 is multiplied to 6834.68...MHz and applied to the cavity resonator 6.

空胴共振器6に加えられたマイクロ波が、ガス
セル7内のRb87の共鳴周波数と一致すると、光
マイクロ波二重共鳴によりガスセル7内を通る光
が吸収され、それによつて光検出器8の検出出力
が減少する。これを識別して増幅器9により増幅
し電圧制御水晶発振器12の制御電圧とするもの
で、電圧制御水晶発振器12の発振周波数は、
Rb87の極めて安定な共鳴周波数を基準として制
御されるので、正確かつ高安定のものとなる。
When the microwave applied to the cavity resonator 6 matches the resonant frequency of Rb 87 in the gas cell 7, the light passing through the gas cell 7 is absorbed by optical microwave double resonance, thereby detecting the photodetector 8. Detection output decreases. This is identified and amplified by the amplifier 9 and used as the control voltage for the voltage controlled crystal oscillator 12. The oscillation frequency of the voltage controlled crystal oscillator 12 is as follows.
Since it is controlled based on the extremely stable resonance frequency of Rb 87 , it is accurate and highly stable.

本発明はこのような原子発振器におけるランプ
セルの改善に関するものである。
The present invention relates to improvements to lamp cells in such atomic oscillators.

従来、かかる光源ランプの点灯にあたつては、
一つにランプセルに巻回された励振コイルに数10
〜数100MHzの高周波電力を印加し、ランプセル
内のガスを励起して放電を生じさせ、点灯を行つ
ている。そして点灯後も前記高周波電力は点灯時
の電力を維持して印加され、該高周波電力におけ
る磁界によつて点灯(放電)状態を維持する。こ
のような点灯、維持手段にあたつては、点灯維持
の際も点灯開始の際と同じ電力が印加され続けら
れるため、ランプの寿命が短縮され、しかも原子
発振器の温度特性、長期安定性が悪化してしま
う。高周波電力の値を小さなものとすれば、ラン
プの寿命等は改善されるが、点灯が困難となる。
また、従来、このような手段に代えて、例えば第
2図に示されるように、点灯時にランプセル21
に対しパルス発生器22から高圧パルスを印加
し、強制的に放電(点灯)を開始させる手段もと
られていた。なお23は点灯維持用ランプ励振器
である。このような点灯手段によれば、点灯後の
放電維持は低い高周波電力によつて可能である。
したがつて、ランプの寿命、原子発振器としての
温度特性、長期安定性等は改善される。しかしな
がらこのような手段にあつては、パルス発生器2
2が必要であり、より小型化、高信頼化が要求さ
れる原子発振器を構成するうえで好ましくない。
Conventionally, when lighting such a light source lamp,
Several tens of excitation coils are wound around one lamp cell.
High-frequency power of ~100 MHz is applied to excite the gas within the lamp cell, causing discharge and lighting. Even after lighting, the high-frequency power is applied while maintaining the power at the time of lighting, and the lighting (discharging) state is maintained by the magnetic field of the high-frequency power. In this lighting and maintenance means, the same power is applied continuously when lighting is maintained as when starting lighting, which shortens the life of the lamp and also reduces the temperature characteristics and long-term stability of the atomic oscillator. It gets worse. If the value of high-frequency power is made small, the life of the lamp will be improved, but lighting will become difficult.
Also, in place of conventional means, for example, as shown in FIG. 2, when the lamp cell 21 is lit,
A method has also been taken in which a high voltage pulse is applied from the pulse generator 22 to force the discharge (lighting) to start. Note that 23 is a lamp exciter for maintaining lighting. According to such lighting means, discharge can be maintained after lighting using low high frequency power.
Therefore, the lamp life, temperature characteristics as an atomic oscillator, long-term stability, etc. are improved. However, in such a means, the pulse generator 2
2 is required, which is not preferable in constructing an atomic oscillator that requires smaller size and higher reliability.

本発明はこのような従来技術の有する問題点を
除去し、より簡単にランプセルの点灯(放電)を
開始させることを目的とする。
It is an object of the present invention to eliminate the problems of the prior art and to more easily start lighting (discharging) a lamp cell.

このため本発明によれば、原子が有する永久不
変的な共鳴周波数を基準として、電圧制御発振器
を制御するガスセル型原子発振器のランプセルに
おいて、前記原子と共に第1の気体の準安定準位
電圧が第2の気体の電離電圧より大きい関係にあ
る二種類の異なる気体を封じ込め、第1の気体を
準安定状態とし、次に第1の気体の準安定状態が
第2の気体を電離させ、第2の気体の放電を開始
させることにより最終的に原子の放電発光へ移行
させることを特徴とするガスセル型原子発振器の
ランプセルを提案する。
Therefore, according to the present invention, in a lamp cell of a gas cell type atomic oscillator that controls a voltage-controlled oscillator, the metastable level voltage of the first gas together with the atom is set to a Two different gases with a relationship greater than the ionization voltage of the second gas are confined, the first gas becomes a metastable state, then the metastable state of the first gas ionizes the second gas, and the second gas becomes a metastable state. We propose a lamp cell for a gas cell type atomic oscillator, which is characterized in that by starting the gas discharge, the final transition to atomic discharge light emission occurs.

以下本発明を適用したルビジユウムガスセル型
原子発振器のランプセルについて実施例を用いて
詳細に説明する。
Hereinafter, a lamp cell of a rubidium gas cell type atomic oscillator to which the present invention is applied will be described in detail using examples.

本発明によるランプセルにはルビジユウム
(Rb)の他にネオン(Ne)とアルゴン(Ar)が
封入されている。ネオン及びアルゴンの準安定準
位電圧(V)電離電圧(Vi)はそれぞれ Vm(Ne)=16.6、16.7v Vi(Ne)=21.5v Vm(Ar)=11.5、11.7v Vi(Ne)=15.8v (数値の単位はエレクトロンボルト) である。
In addition to rubidium (Rb), neon (Ne) and argon (Ar) are sealed in the lamp cell according to the present invention. The metastable level voltage (V) and ionization voltage (Vi) of neon and argon are Vm (Ne) = 16.6, 16.7v Vi (Ne) = 21.5v Vm (Ar) = 11.5, 11.7v Vi (Ne) = 15.8 v (unit of numerical value is electron volt).

この様にVm(Ne)>Vi(Ar)であるから 放電の第1段階として、まずネオンの準安定状
態(Ne*)ができ、第2段階としてこのネオンの
準安定状態がアルゴンを効果的に電離させる。従
つてアルゴンの放電が開始すれば、以後従来のラ
ンプセル同様に最終的にルビジユウムの放電発光
へ移行させることが可能となる。
In this way, since Vm(Ne) > Vi(Ar), in the first stage of discharge, a metastable state of neon (Ne * ) is created, and in the second stage, this metastable state of neon effectively depletes argon. to ionize. Therefore, once the argon discharge starts, it becomes possible to finally shift to rubidium discharge light emission as in the conventional lamp cell.

即ち、本発明は封入気体原子(Ne、Ar)の準
安定状態及び電離電圧を利用してまず封入気体の
放電を容易ならしめ、最終的にルビジユウム原子
の発光へ移行させることにある。
That is, the present invention utilizes the metastable state of the enclosed gas atoms (Ne, Ar) and the ionization voltage to first facilitate the discharge of the enclosed gas, and finally to cause the emission of light from the rubidium atoms.

本発明によれば、このように3つの段階を経て
ルビジユウムの発光が導かれ、従来よりも低い励
振電力で点灯させることが可能となり、原子発振
器の長寿命化、伸頼度向上を図る上で有利であ
る。又、本実施例ではネオンとアルゴンの組み合
せを示したが、気体の種類はこれに限定されな
い。一般に2種の気体a、bの間にVm(a)>Vi
(b)なる関係が成立すれば、上と同様の効果が
期待できる。又、第3、第4の気体を組み合せて
更に放電を容易にすることも可能である。
According to the present invention, the light emission of rubidium is guided through three stages as described above, and it is possible to light the light with lower excitation power than before, which is useful for extending the lifespan and improving the reliability of the atomic oscillator. It's advantageous. Further, although a combination of neon and argon is shown in this embodiment, the type of gas is not limited to this. Generally, between two gases a and b, Vm(a)>Vi
If the relationship (b) holds true, the same effects as above can be expected. It is also possible to further facilitate discharge by combining the third and fourth gases.

本発明はルビジユウムガスセル型原子発振器を
例に挙げて説明したが、光ポンピングを利用した
他の原子発振器に適用することもでき、その利点
は大きい。
Although the present invention has been described using a rubidium gas cell type atomic oscillator as an example, it can also be applied to other atomic oscillators that utilize optical pumping, and has great advantages.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は原子発振器の構成図、第2図は光源ラ
ンプ部の詳細図である。
FIG. 1 is a block diagram of the atomic oscillator, and FIG. 2 is a detailed diagram of the light source lamp section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 原子が有する永久不変的な共鳴周波数を基準
として、電圧制御発振器を制御するガスセル型原
子発振器のランプセルにおいて、前記原子と共に
第1の気体の準安定準位電圧が第2の気体の電離
電圧より大きい関係にある二種類の異なる気体を
封じ込め、第1の気体を準安定状態とし、次に第
1の気体の準安定状態が第2の気体を電離させ、
第2の気体の放電を開始させることにより最終的
に原子の放電発光へ移行させることを特徴とする
ガスセル型原子発振器のランプセル。
1. In a lamp cell of a gas cell type atomic oscillator that controls a voltage-controlled oscillator based on the permanent resonant frequency of atoms, the metastable level voltage of the first gas together with the atoms is lower than the ionization voltage of the second gas. Confining two different gases that have a large relationship, bringing the first gas into a metastable state, and then the metastable state of the first gas ionizing the second gas,
1. A lamp cell for a gas cell type atomic oscillator, characterized in that by starting a discharge of a second gas, the final transition to atomic discharge light emission occurs.
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JPS4857592A (en) * 1971-11-20 1973-08-13

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