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, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.