Wasserstoff-Maser - Hydrogen maser

Schema eines Wasserstoff-Masers

Ein Wasserstoff-Maser , auch bekannt als Wasserstoff- Frequenznormal , ist eine spezielle Art von Maser , der die intrinsischen Eigenschaften des Wasserstoffatoms nutzt , um als präzise Frequenzreferenz zu dienen.

Sowohl das Proton als auch das Elektron eines Wasserstoffatoms haben Spins. Das Atom hat eine höhere Energie, wenn sich beide in die gleiche Richtung drehen, und eine niedrigere Energie, wenn sie sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Die Energiemenge, die benötigt wird, um den Spin des Elektrons umzukehren, entspricht einem Photon der Frequenz1.420.405.751.786  Hz , was der 21-cm-Linie im Wasserstoffspektrum entspricht.

Wasserstoffmaser sind sehr komplexe Geräte und kosten bis zu 235.000 US-Dollar . Sie werden in zwei Arten hergestellt: aktiv und passiv.

Bei beiden Typen eine kleine Vorratsflasche mit molekularem Wasserstoff , H
2, entweicht eine kontrollierte Gasmenge in eine Entladungslampe. Im Entladungskolben werden die Moleküle durch einen Lichtbogen in einzelne Wasserstoffatome zerlegt. Dieser atomare Wasserstoff passiert einen Kollimator und einen magnetischen Zustandsselektor. Dabei werden die Atome für den gewünschten Zustand selektiert und an eine Speicherbirne weitergegeben. Die Speicherbirne ist ungefähr20 cm hoch und10 cm Durchmesser und aus Quarz . Seine Innenseite ist mit PTFE beschichtet , was viele Kollisionen der Atome mit der Wand ohne Störung des atomaren Zustands ermöglicht und die Rekombination der Wasserstoffatome zu Wasserstoffmolekülen verlangsamt. Eine langlebige PTFE- und Kolbenbeschichtungstechnologie ermöglicht eine Lebensdauer von über 20 Jahren. Die Speicherbirne befindet sich wiederum in einem Mikrowellenhohlraum aus einem präzise bearbeiteten Kupfer- oder versilberten Keramikzylinder. Dieser Hohlraum ist auf die1.420 GHz Resonanzfrequenz der Atome. Ein schwaches statisches Magnetfeld wird von einem Solenoid parallel zur Resonatorachse angelegt, um die Entartung der magnetischen Zeeman- Unterniveaus aufzuheben. Um den Einfluss sich ändernder externer Magnetfelder auf die Frequenz der Übergangsleitung zu verringern und gegenüber elektromagnetischen Störungen verträglich zu sein, ist der Hohlraum von mehreren ineinander verschachtelten Abschirmungsschichten umgeben.

Beim aktiven Wasserstoffmaser schwingt die Kavität von selbst. Dies erfordert eine höhere Wasserstoffatomdichte und einen höheren Qualitätsfaktor für die Kavität. Bei fortschrittlichen Mikrowellenhohlräumen aus versilberter Keramik kann der Verstärkungsfaktor jedoch viel höher sein, wodurch eine geringere Wasserstoffatomdichte erforderlich ist. Der aktive Maser ist komplexer und teurer, hat aber bessere Kurzzeit- und Langzeitfrequenzstabilitäten.

Beim passiven Wasserstoff-Maser wird die Kavität von außen gespeist 1.420 GHz Frequenz. Die externe Frequenz wird abgestimmt, um eine maximale Ausgabe in der Kavität zu erzeugen. Dies ermöglicht die Verwendung einer geringeren Wasserstoffatomdichte und eines niedrigeren Hohlraumqualitätsfaktors, was die Kosten reduziert.

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis