Гиперссылка 3.1 Водородный мазер

Получить квантовый генератор (мазер) на атомном пучке долго не удавалось. Поэтому большой интерес представляет осуществление водородного мазера, в котором используется пучок атомов водорода. Впервые он был разработан в Гарвардском университете (США) в 1960 г. Гольденбергом, Клеппером и Рамзаем. Первый образец водородного мазера Н-1 был создан Швейцарской исследовательской лабораторией (ZSRH) в 1961 г. В результате его усовершенствования в 1965 г. был изготовлен второй мазер Н-2, а в 1966 г. — третий образец водородного мазера Н-3.

Эти атомные часы считаются весьма перспективными для применения их в качестве эталона единицы времени. Потенциальные возможности мазера изучаются многими лабораториями мира. Водородная линия, на которой работает мазер, принадлежит к тому же классу (так называемых сверхтонких линий), к которым относится и спектральная линия цезиевых часов. Однако частота водородной линии меньше, она равна 1420, 40577 МГц.

По своим магнитным свойствам атомы водорода близки к атомам цезия или к атомам щелочных металлов. Они обладают эффективным магнитным моментом, проекция которого может иметь два противоположных знака в зависимости от состояния водорода, и поддаются сортировке в неравномерном магнитном поле. Количество атомов, находящихся в этих двух состояниях, разбивается в атомном пучке почти поровну, причем активных атомов или атомов с более высокой энергией несколько меньше.

Задачей магнитного сепаратора является выделение этих последних. Магнитная трубка сепаратора устроена по аналогии с квадрупольным конденсатором так, чтобы активные атомы направлялись по оси прямо в резонатор, а остальные рассеивались.

После сортировки на верхнем сверхтонком уровне атомный пучок вводится в колбу из кварцевого стекла, помещенную в резонатор, настроенный на основную частоту спектральной линии водорода. Внутри колбы, куда попадает атомный пучок, поддерживается высокий вакуум. Внутренняя поверхность колбы покрывается инертным веществом — политетрафторэтиленом. Это высокомолекулярное вещество имеет то свойство, что при взаимодействии с ним атомы водорода, не меняя энергетического состояния, могут изменять траектории своего движения. Каждый атом водорода совершает множество столкновений со стенками, поэтому время пролета в резонаторе соответственно удлиняется. Таким образом, атомы движутся по случайным направлениям внутри колбы до тех пор, пока не излучат квант электромагнитной энергии и не вылетят из колбы и из резонатора.

В нормальных условиях при переходе атомов на более низкий энергетический уровень выделяется достаточно энергии для поддержания в резонаторе стабильных колебаний на основной частоте спектральной линии водорода. Благодаря тому, что на стенках колбы имеется покрытие, происходит небольшой сдвиг частоты, но требуется принимать меры для обеспечения постоянства магнитного поля и точной настройки объемного резонатора. Эти трудности постепенно были преодолены. В последних швейцарских образцах водородного мазера осуществлен ряд усовершенствований, которые сводились в основном к улучшению магнитного экрана и повышению эффективности термостатирования. Магнитный экран состоит из шести концентричных цилиндров из муметалла, а температура рабочей зоны контролируется пятью термостатами. В швейцарских образцах мазера в настоящее время достигнута нестабильность частоты порядка 10^-13.