ВОДОРО́ДНЫЙ ГЕНЕРА́ТОР
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
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 (sp=1/2) и электрона (se=±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 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.