Водородный мазер , также известный как водородный стандарт частоты , представляет собой особый тип мазера , который использует внутренние свойства атома водорода для использования в качестве точного эталона частоты.
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 спина электрона, эквивалентно фотону на частоте1,420 405 751 768 ГГц , [1] что соответствует линии 21 см в спектре водорода.
Водородные мазеры — очень сложные устройства, их стоимость достигает 235 000 долларов США . [2] Следует различать два типа: активные и пассивные.
В обоих типах используется небольшой баллон для хранения молекулярного водорода , H
2, пропускает контролируемое количество газа в разрядную колбу. Молекулы диссоциируют в разрядной колбе на отдельные атомы водорода с помощью электрической дуги. Этот атомарный водород проходит через коллиматор , затем через селектор магнитного состояния и в накопительную колбу. Накопительная колба примерно20 см в высоту и10 см в диаметре и изготовлен из кварца , покрытого изнутри ПТФЭ . Адсорбция на поверхности колбы, химическое взаимодействие с ней и возмущение атомного состояния поверхностью колбы значительно снижены. Последовательное взаимодействие с колбой повышает качество колебаний. Прочная технология покрытия ПТФЭ и колбы обеспечивает срок службы более 20 лет. [3]
Накопительная колба находится внутри микроволновой полости, изготовленной из точно обработанного медного или посеребренного керамического цилиндра. Эта полость настроена наРезонансная частота атомов 1,420 ГГц . [4] Слабое статическое магнитное поле прикладывается параллельно оси полости соленоидом для снятия вырождения магнитных подуровней Зеемана . [5] Чтобы уменьшить влияние изменяющихся внешних магнитных полей на частоту линии перехода и обеспечить совместимость с электромагнитными помехами, полость окружена несколькими вложенными слоями экранов. [3]
В активном водородном мазере полость колеблется сама по себе. Это требует более высокой плотности атомов водорода и более высокого коэффициента качества для полости. С усовершенствованными микроволновыми полостями, изготовленными из посеребренной керамики, коэффициент усиления может быть намного выше, тем самым требуя меньшей плотности атомов водорода. [3] Активный мазер сложнее и дороже, но имеет лучшую краткосрочную и долгосрочную стабильность частоты.
В пассивном водородном мазере полость питается от внешнего источникаЧастота 1,420 ГГц . Внешняя частота настроена на максимальную выходную мощность в полости. Это позволяет использовать более низкую плотность атомов водорода и более низкий коэффициент качества полости, что снижает стоимость.
Накопительная колба представляет собой кварцевую колбу высотой около 20 см, которая изнутри покрыта тефлоном для управления скоростью 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 линии водорода 21 см. Как только атомы попадают в резонансную полость, они обнаруживают другие излучающие атомы и попадают в такт. Они "начинают разговаривать друг с другом" и отражают то, что слышат. Это создает высококогерентные колебания. Это сигнал, к которому синхронизирован по фазе кварцевый генератор. Все это упаковано в шкафы с источниками питания, контролем температуры и магнитным экранированием.
