ВОДОРО́ДНЫЙ ГЕНЕРА́ТОР

ВОДОРО́ДНЫЙ ГЕНЕРА́ТОР, кван­то­вый ге­не­ра­тор вы­со­ко­ста­биль­но­го из­лу­че­ния, дей­ст­вие ко­то­ро­го ос­но­ва­но на вы­ну­ж­ден­ном ис­пус­ка­нии фо­то­нов ато­ма­ми во­до­ро­да. Пер­вый В. г. был соз­дан Н. Рэм­си (см. Рам­зей) в 1960.

Атом во­до­ро­да в ос­нов­ном со­стоя­нии об­ла­да­ет пол­ным вра­ща­тель­ным мо­мен­том (спи­ном) $F$, рав­ным век­тор­ной сум­ме спи­нов про­то­на ($s_p=1/2$) и элек­тро­на ($s_e=±1/2$). Взаи­мо­дей­ст­вие спи­нов про­то­на и элек­тро­на при­во­дит к сверх­тон­ко­му рас­ще­п­ле­нию энер­ге­тич. уров­ней ато­ма во­до­ро­да $F=1$ и $F=0$ на ве­ли­чи­ну

$ΔE=9,4117581·10^{–25}$ Дж. В маг­нит­ном по­ле про­ек­ции мо­мен­та $F=1$ на на­прав­ле­ние по­ля рав­ны $m_F=1$, $0$ и $–1$. Про­ек­ция мо­мен­та $F=0$ рав­на $m_F=0$. При пе­ре­хо­де ме­ж­ду маг­нит­ны­ми по­ду­ров­ня­ми сверх­тон­кой струк­ту­ры ос­нов­но­го со­стоя­ния $F=1$, $m_F=0→$$F=0$, $m_F=0$ атом во­до­ро­да ис­пус­ка­ет квант с час­тотой $f_H=1420405751,7864±0,0017$ Гц (дли­на вол­ны 21 см).

Что­бы по­лу­чить из­лу­че­ние на этой час­то­те, на­до от­де­лить (от­сор­ти­ро­вать) ато­мы с $F=1$, $m_F=0$ от ато­мов в др. энер­ге­тич. со­стоя­ни­ях и на­ко­пить их. Для сор­ти­ров­ки ис­поль­зу­ют не­од­но­род­ное маг­нит­ное по­ле. В силь­ном маг­нит­ном по­ле взаи­мо­дей­ст­вие ато­ма с по­лем оп­ре­де­ля­ет­ся маг­нит­ным мо­мен­том элек­тро­на. Ато­мы с раз­ной ори­ен­та­ци­ей элек­трон­но­го спи­на вы­тал­ки­ва­ют­ся не­од­нород­ным по­лем в про­ти­во­по­лож­ные сто­ро­ны и их мож­но раз­де­лить. Прой­дя че­рез об­ласть с не­од­но­род­ным маг­нит­ным по­лем, пу­чок ато­мов рас­ще­пит­ся на два: ато­мы в со­стоя­ни­ях $F=1$, $m_F=1$ и $F= 1$, $m_F=0$, свя­зан­ных с элек­тро­ном, спин ко­то­ро­го ори­ен­ти­ро­ван вдоль по­ля, от­кло­нят­ся в об­ласть сла­бо­го по­ля, а ато­мы в со­стоя­ни­ях $F=1$, $m_F=–1$ и $F=0$, $m_F=0$ – в об­ласть силь­но­го по­ля.

Схема водородного генератора: 1 – источник атомов водорода; 2 – диафрагма; 3 – магнит; 4 – система откачки для обеспечения вакуума; 5 – накопительная ячейка; 6 – об...

Схе­ма В. г. пред­став­ле­на на рис. Пу­чок ато­мов во­до­ро­да, по­лу­чен­ных в ре­зуль­та­те дис­со­циа­ции мо­ле­кул во­до­ро­да в ис­точ­ни­ке 1, про­пус­ка­ет­ся вдоль оси шес­ти­по­люс­но­го маг­ни­та 3, на­пря­жён­ность по­ля ко­то­ро­го ми­ни­маль­на на оси и уве­ли­чи­ва­ет­ся по ра­диу­су. Для ато­мов в со­стоя­ни­ях $F=1$, $m_F=1$ и $F=1$, $m_F=0$, ко­то­рые от­кло­ня­ют­ся в об­ласть сла­бо­го по­ля, этот маг­нит дей­ст­ву­ет как со­би­раю­щая лин­за. Вый­дя из маг­ни­та, эти ато­мы по­па­да­ют в на­ко­пи­тель­ную ячей­ку 5, пред­став­ляю­щую со­бой сфе­рич. кол­бу диа­мет­ром ок. 15 см со стен­ка­ми из плав­ле­но­го квар­ца (про­зрач­ны­ми для ра­дио­из­лу­че­ния с дли­ной вол­ны 21 см). Стен­ки кол­бы из­нут­ри по­кры­ты тон­кой плён­кой фто­ро­пла­ста, при столк­но­ве­нии с ней атом прак­ти­че­ски не ме­ня­ет сво­его кван­то­во­го со­стоя­ния. Кол­ба рас­по­ло­же­на внут­ри объ­ём­но­го ре­зо­на­то­ра 6, в ко­то­ром при­сут­ст­ву­ет ос­цил­ли­рую­щее маг­нит­ное по­ле, на­прав­лен­ное вдоль оси, и сла­бое по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, соз­да­вае­мое с по­мо­щью со­ле­нои­да 7. От внеш­них по­лей ре­зо­на­тор за­щи­щён эк­ра­ном 8. Под дей­ст­ви­ем пе­ре­мен­но­го маг­нит­но­го по­ля ин­ду­ци­ру­ет­ся из­лу­ча­тель­ный пе­ре­ход ато­мов во­до­ро­да из верх­не­го энер­ге­тич. со­стоя­ния $F=1$, $m_F=0$ в ниж­нее $F=0$, $m_F=0$. Ос­во­бо­ж­дае­мая элек­тро­маг­нит­ная энер­гия вы­во­дит­ся из ре­зо­на­то­ра че­рез пет­лю свя­зи 9. При ти­пич­ных для

В. г. зна­че­ни­ях по­то­ков 10¹²–10¹⁴ ато­мов/c ге­не­ри­руе­мая мощ­ность со­став­ля­ет от 10^–12 до 10^–10 Вт.

В. г. об­ла­да­ет вы­со­кой ста­биль­но­стью час­то­ты ге­не­ра­ции, по­это­му ис­поль­зу­ет­ся в служ­бе точ­но­го вре­ме­ни в ка­че­ст­ве эта­ло­на час­то­ты. Вос­про­из­во­ди­мость час­то­ты $Δf/f_H=10^{–12}$ ($Δf$ – не­точ­ность ус­та­нов­ки час­то­ты). Обыч­но на­строй­ка про­ве­ря­ет­ся по бо­лее точ­но­му це­зие­во­му стан­дар­ту час­то­ты. По­сле на­строй­ки В. г. со­хра­ня­ет ста­биль­ность час­то­ты с по­греш­но­стью по­ряд­ка 10^–14 в те­че­ние су­ток и 10^–13 в те­че­ние го­да.