Водородный мазер
Водородный мазер , также известный как водородный стандарт частоты , представляет собой особый тип мазера , который использует внутренние свойства атома водорода в качестве точного эталона частоты.
Обзор [ править ]
И протон, и электрон атома водорода имеют спины. Атом имеет более высокую энергию, если оба вращаются в одном направлении, и более низкую энергию, если они вращаются в противоположных направлениях. Количество энергии, необходимое для изменения направления вращения электрона, эквивалентно фотону с частотой 1,420 405 751 768 ГГц , [1] что соответствует линии 21 см в спектре водорода.
Водородные мазеры — очень сложные устройства, их стоимость составляет до 235 000 долларов США . [2] Следует различать два типа: активный и пассивный.
В обоих типах имеется небольшой резервуар для хранения водорода молекулярного H.
2 , происходит утечка контролируемого количества газа в газоразрядную лампу. Молекулы диссоциируются в разрядной колбе на отдельные атомы водорода под действием электрической дуги. Этот атомарный водород проходит через коллиматор , затем селектор магнитного состояния и в аккумуляторную лампу. Колба для хранения имеет высоту около 20 см и 10 см диаметр и изготовлена из кварца с внутренним покрытием из ПТФЭ . Адсорбция, химическое взаимодействие и возмущение атомного состояния на поверхности колбы значительно уменьшаются. Постоянное взаимодействие с лампочкой повышает качество колебаний. Прочная технология покрытия из ПТФЭ и колбы обеспечивает срок службы более 20 лет. [3]
Накопительная лампа находится внутри микроволновой полости , изготовленной из точно обработанного медного или посеребренного керамического цилиндра. Этот резонатор настроен на 1,420 ГГц . резонансную частоту атомов [4] Слабое статическое магнитное поле прикладывается соленоидом параллельно оси резонатора для снятия вырождения магнитных зеемановских подуровней. [5] Для уменьшения влияния изменяющихся внешних магнитных полей на частоту линии перехода и устойчивости к электромагнитным помехам резонатор окружен несколькими вложенными друг в друга слоями экранов. [3]
В активном водородном мазере полость колеблется сама по себе. Это требует более высокой плотности атомов водорода и более высокой добротности резонатора . Благодаря усовершенствованным микроволновым резонаторам, изготовленным из посеребренной керамики, коэффициент усиления может быть намного выше, что требует меньшей плотности атомов водорода. [3] Активный мазер сложнее и дороже, но имеет лучшую краткосрочную и долговременную стабильность частоты.
В пассивном водородном мазере резонатор питается от внешней частоты 1,420 ГГц . Внешняя частота настроена на получение максимального выходного сигнала в резонаторе. Это позволяет использовать меньшую плотность атомов водорода и меньшую добротность полости, что снижает стоимость.
Открытый водородный мазер
Пассивный водородный мазер, используемый в качестве часов в спутниковой навигационной системе «Галилео» .
Водородный мазер, используемый БэйДоу-3.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ «Время и частота от А до Я: Ч» . Физическая лаборатория . НИСТ . Водородный Мазер . Проверено 6 апреля 2010 г.
- ^ «Технические данные мазера на активном водороде MHM 2010» (PDF) . Симметриком . 2014 . Проверено 31 января 2016 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с «ИМазер 3000» . Архивировано из оригинала 23 марта 2010 г. Проверено 8 апреля 2010 г.
- ^ «УСНО, Водородные мазеры» . Военно-морская обсерватория США . Архивировано из оригинала 10 июля 2006 года . Проверено 31 января 2016 г.
Накопительная лампа представляет собой кварцевую лампу высотой около 20 см, покрытую внутри тефлоном для контроля скорости рекомбинации атомов в молекулы. Кварцевая колба расположена в точно обработанном цилиндре из чистой меди, который действует как микроволновая резонансная полость для частоты 1,420 ГГц водородной линии длиной 21 см. Как только атомы входят в резонансную полость, они обнаруживают, что излучают другие атомы, и падают в ногу. Они «начинают разговаривать друг с другом» и повторяют то, что слышат. Это создает высококогерентные колебания. Это сигнал, по которому кварцевый генератор синхронизируется по фазе. Все это упаковано в шкафы с источниками питания, контролем температуры и магнитным экранированием.
- ^ US 5838206 , «Атомный стандарт частоты мазера на активном водороде».
Библиография [ править ]
- Баух, А. (2007). «Атомные стандарты частоты, свойства и приложения». в Хэнше, TW ; Лешютта, С.; Уоллард, Эй Джей (ред.). Метрология и фундаментальные константы . Том. Курс CLXVI. Итальянское физическое общество. Амстердам : IOS Press. стр. 303–308. ISBN 978-1-58603-784-0 . LCCN 2007934139 . Проверено 8 апреля 2010 г.
- Клеппнер, Д.; Гольденберг, HM; Рэмси, Н.Ф. (1962). «Мазер атомарного водорода». Физический обзор . 126 (2): 603. Бибкод : 1962PhRv..126..603K . дои : 10.1103/PhysRev.126.603 .
Внешние ссылки [ править ]
- Водородный мазерный стандарт частоты - Honeywell