Водородный генератор

ВОДОРОДНЫЙ ГЕНЕРАТОР, квантовый генератор высокостабильного излучения, действие которого основано на вынужденном испускании фотонов атомами водорода. Первый водородный генератор был создан Н. Рэмси (смотри Рамзей) в 1960 году.

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 энергетических 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 других энергетических 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 представлена на рисунке. 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 сферическую колбу диаметром около 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 энергетического 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 водородного генератора значениях потоков 10¹²-10¹⁴ атомов/с генерируемая мощность составляет от 10^-12 до 10^-10 Вт.

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

Лит.: Григорьянц В. В., Жаботинский М. Е., Золин В. Ф. Квантовые стандарты частоты. М., 1968; Гайгеров Б. А. Квантовая мера частоты на водородном генераторе // Измерительная техника. 1972. № 11.