Водородный генератор. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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, m_F=0)

(F= 0, m_F=0) (см. Атом, Атомные спектры, Зеемана эффект). Частота этого перехода v₀ для слабых полей H определяется выражением:

=(1420405751,786+428,1*10^-3Н²b0,0046) Гц.

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);

- проекция полного спина на направление H.

Если атомы водорода в верх. энергетич. состоянии (1,0) вводят в объемный резонатор, настроенный на частоту

, 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)

(0,0) в резонаторе выделяется эл--магн. энергия, равная

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)

(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.

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

- энергия взаимодействия атомов с полем,

- магн. дипольный момент атома водорода, знаки

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).

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 Q_рy4*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 (

=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.

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)

=N₁-N₂, напряжённость Н₁ высокочастотного магн. поля и поляризация P постоянны внутри резонатора, то ур-ния, приближённо описывающие связь этих величин, имеют вид:

Здесь

- 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. Величина

близка к времени пребывания атома в накопит. ячейке;

- угловая частота, соответствующая вершине спектральной линии; M - матричный элемент магн. дипольного квантового перехода (1,0)

(0,0);

, Q_р - резонансная частота и нагруженная добротность резонатора;

- разность населённостей атомов водорода в отсутствие эл--магн. поля в резонаторе (Н₁=0).

Решение ур-ний (1) - (3) приводит к след. выражениям для

и угловой частоты генерации:

Ф-ла (4) определяет пороговую разность населённостей в единице объёма резонатора

, при превышении к-рой наступает самовозбуждение водородного генератора:

Условие самовозбуждения

. Пучок атомов, влетающих в накопит. ячейку, состоит в осн. из атомов в состоянии (1,0), т. е.

определяется кол-вом атомов n_п, влетающих в накопит. ячейку в 1 с;

, где V_p - объём резонатора,

- коэф., учитывающий неоднородность напряжённости поля H₁в объёме резонатора и то, что накопит. ячейка занимает только часть объёма резонатора. Макс. мощность генерации водородного генератора

(п-п_п). При n=10¹⁴-10¹² атомов/с и

Р~10^-10-10^-12 Вт.

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

Из (5) следует, что отклонение частоты генерации

от

зависит от погрешности настройки резонатора на частоту

из-за затягивания частоты. Несмотря на то, что для водородного генератора выполняются условия

отличается от

. В водородных генераторах, работающих в составе квантовых стандартов частоты, принимаются спец. меры по настройке резонатора на частоту w_л, обеспечивающие относит. воспроизводимость частоты ~10^-13.

Литература по водородным генераторам

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.