к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Водородный генератор

Водородный генератор - квантовый генератор высокостабильных эл--магн. колебаний, работа к-рого основана на вынужденном испускании фотонов атомами водорода. Водородный генератор служит частотным репером активных квантовых стандартов частоты. В водородном генераторе используют квантовый переход в слабом магн. поле H между магн. подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния (рис. 1), а именно переход (F=1, mF=0)1119915-334.jpg(F= 0, mF=0) (см. Атом, Атомные спектры, Зеемана эффект). Частота этого перехода v0 для слабых полей H определяется выражением: 1119915-337.jpg=(1420405751,786+428,1*10-3 Н2b0,0046) Гц.

1119915-335.jpg

Рис. 1. Зависимость расщепления уровней сверхтонкой структуры в магнитном поле от напряженности магнитного поля Н; F=J+I - полный спин атома (I - спин ядра, J - электрона); 1119915-336.jpg - проекция полного спина на направление H.


Если атомы водорода в верх. энергетич. состоянии (1,0) вводят в объемный резонатор, настроенный на частоту1119915-338.jpg, эл--магн. поле резонатора вынуждает их переходить в ниж. состояние (0,0). Начало этому процессу может дать флуктуационное эл--магн. поле либо спонтанное испускание фотона одним из атомов в резонаторе. При каждом акте вынужденного перехода (1,0)1119915-339.jpg(0,0) в резонаторе выделяется эл--магн. энергия, равная1119915-340.jpg Если кол-во атомов в состоянии (1,0), вводимых ежесекундно в резонатор, достаточно для того, чтобы выделяемая ими эл--магн. энергия компенсировала потери энергии в чём, включая излучение через элемент связи, то наступает самовозбуждение. В результате атомы будут переходить из состояния (1,0) в состояние (0,0). В дальнейшем кол-во переходов (1,0)1119915-341.jpg(0,0) станет равным кол-ву обратных переходов (эффект насыщения). Это определяет амплитуду установивших колебаний (см. Квантовая электроника).

Устройство водородного генератора показано на рис. 2. Атомы водорода получают в источнике пучка электролизом H2O (рис. 3). Молекулярный водород H2 очищают от примесей методом диффузии сквозь тонкие стенки трубки (Pa, Ni) и превращают в атомарный водород электрич. разрядом в диссоциаторе. Далее атомы проходят через коллиматор - систему из 150-200 тонких параллельных каналов, формирующих пучок. Интенсивность коллимированного пучка ~1017 атомов / с в телесном угле ~5-6°. Кол-во атомов в состоянии (1,0) в пучке меньше, чем в состоянии (0,0), в соответствии с Больцмана распределением по энергии.

1119915-342.jpg

Рис. 2. Схематическое изображение водородного генератора.


Для обогащения пучка атомами в состоянии (1,0) применяется магн. сортирующая система (рис. 2). Обычно это шестиполюсный магнит (рис. 4). При симметричном расположении и гиперболич. форме полюсов одинакового размера в межполюсном зазоре Н=Н0(r/а)2, где H0 - напряжённость поля вблизи поверхности полюсов, а - расстояние от оси симметрии магнита до поверхности полюсов, r - расстояние от оси магнита (0) до рассматриваемой точки. Сила, действующая на атомы водорода в магн. поле, f=-grad U, где 1119915-344.jpg1119915-345.jpg - энергия взаимодействия атомов с полем, 1119915-346.jpg - магн. дипольный момент атома водорода, знаки 1119915-347.jpg относятся соответственно к атомам в состоянии (1,0) и (0,0). Атомы влетают в сортирующую систему вдоль оси симметрии 0. Сила, действующая на атомы внутри сортирующей системы, искривляет их траектории т. о., что атомы в состоянии (1,0) фокусируются на оси 0, а атомы в состоянии (0, 0) выбрасываются из пучка. Из-за разброса атомов по нач. скоростям фокусирующие свойства сортирующей системы несовершенны. Их улучшают с помощью диафрагмы D (рис. 2).

1119915-343.jpg


Отсортированные атомы в состоянии (1,0) попадают в накопит. ячейку H, находящуюся внутри резонатора. Обычно это цилиндрич. резонатор с типом колебаний Н011 обладающий наиб. однородной структурой высокочастотного магн. поля H1 (резонатор изготавливают из ситалла, имеющего низкий температурный коэф. расширения). Для уменьшения потерь поверхность резонатора покрывают слоем Ag (20-50 мкм). Для получения макс. добротности диаметр резонатора выбирают близким к его высоте (280 мм). Добротность резонатора с расположенной в нём накопит. ячейкой достигает значения Qрy4*104, что значительно выше требующегося для самовозбуждения. Накопит. ячейкой служит тонкостенная колба из плавленного кварца (диам. 14-20 см, толщина стенок 1 мм), снабжённая узким входным каналом для увеличения времени нахождения атомов в накопит. ячейке до 1 с (пучок атомов проходит сквозь канал в колбу беспрепятственно, а вероятность обратного вылета атомов из колбы мала, т. к. пропорциональна отношению площади входного канала к площади поверхности колбы). Внутр. поверхность колбы покрыта плёнкой тефлона, при соударениях с к-рой лишь 1 атом из 105 атомов в состоянии (1,0) переходит в состояние (0,0) без вынужденного испускания фотона, т. е. не принимает участия в генерации. Диаметр колбы меньше длины волны водородного генератора (1119915-348.jpg=21 см), что подавляет доплеровское уширение спектральной линии (см. Доплера эффект). Для исключения влияния внеш. температуры и магн. поля на работу водородного генератора резонатор помещён в двухступенчатый термостат и защищён трёхслойным магн. экраном.

1119915-349.jpg

Рис. 4. Магнитная сортирующая система (поперечное сечение); пунктир - силовые линии.

Теоретическое описание. Работу водородного генератора можно объяснить в рамках квантового описания ансамбля атомов водорода и классич. описания высокочастотного эл--магн. поля в резонаторе. Для ансамбля атомов вводится мак-роскопич. вектор поляризации P, вычисляемый кван-товомеханически. Если разность населённостей уровней (1,0) и (0,0) 1119915-350.jpg=N1-N2, напряжённость Н1 высокочастотного магн. поля и поляризация P постоянны внутри резонатора, то ур-ния, приближённо описывающие связь этих величин, имеют вид:

1119915-351.jpg

1119915-352.jpg

1119915-353.jpg

Здесь 1119915-354.jpg- время релаксации, т. е. ср. время, за к-рое атомы водорода в резонаторе переходят из состояния (1,0) в состояние (0,0) при H1=Q. Величина1119915-355.jpgблизка к времени пребывания атома в накопит. ячейке;1119915-356.jpg1119915-357.jpg, 1119915-358.jpg - угловая частота, соответствующая вершине спектральной линии; M - матричный элемент магн. дипольного квантового перехода (1,0)1119915-359.jpg(0,0); 1119915-360.jpg, Qр - резонансная частота и нагруженная добротность резонатора; 1119915-361.jpg- разность населённостей атомов водорода в отсутствие эл--магн. поля в резонаторе (Н1=0).

Решение ур-ний (1) - (3) приводит к след. выражениям для 1119915-362.jpg и угловой частоты генерации:

1119915-363.jpg

1119915-364.jpg

Ф-ла (4) определяет пороговую разность населённостей в единице объёма резонатора 1119915-365.jpg , при превышении к-рой наступает самовозбуждение водородного генератора:

1119915-366.jpg

Условие самовозбуждения 1119915-367.jpg . Пучок атомов, влетающих в накопит. ячейку, состоит в осн. из атомов в состоянии (1,0), т. е. 1119915-368.jpg определяется кол-вом атомов nп, влетающих в накопит. ячейку в 1 с;1119915-369.jpg1119915-370.jpg, где Vp - объём резонатора,1119915-371.jpg - коэф., учитывающий неоднородность напряжённости поля H1 в объёме резонатора и то, что накопит. ячейка занимает только часть объёма резонатора. Макс. мощность генерации водородного генератора 1119915-373.jpg (п-пп). При n=1014-1012 атомов/с и 1119915-374.jpg Р~10-10-10-12 Вт.

1119915-372.jpg

Рис. 5. Траектории движения атомов водорода; в состоянии (1,0) - сплошные линии, в состоянии (0,0) - пунктир.

Из (5) следует, что отклонение частоты генерации 1119915-375.jpg от 1119915-376.jpg зависит от погрешности настройки резонатора на частоту 1119915-377.jpg из-за затягивания частоты. Несмотря на то, что для водородного генератора выполняются условия 1119915-378.jpg и 1119915-379.jpg , 1119915-380.jpg отличается от 1119915-381.jpg. В водородных генераторах, работающих в составе квантовых стандартов частоты, принимаются спец. меры по настройке резонатора на частоту wл, обеспечивающие относит. воспроизводимость частоты ~10-13.

'; ?>

Литература по водородным генераторам

  1. Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, M., 1962,
  2. Ораевекий A. H., Молекулярные генераторы, M., 1964;
  3. Григорьянц В. В., Жаботинский M. E., Золин В. Ф., Квантовые стандарты частоты, M., 1968;
  4. Гайгеров Б. А. и др., Квантовая мера частоты на водородном генераторе, "Измерительная техника", 1972, № 11;
  5. Страховский Г. M., Успенский А. В., Основы квантовой электроники, M., 1973.

E. H. Базаров.

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ