Водородный генератор

Водородный квантовый генератор представляет собой конструкцию, в которой происходит вынужденное излучение фотонов атомами водорода во внешнем неоднородном магнитном поле, в результате расщепления энергетических уровней на состояния, разность энергий которых представляет собой весьма малую величину ${\displaystyle \Delta E=9,4117581\cdot 10^{-25}\;{\text{Дж}}}$. Первый водородный квантовый генератор был собран Норманом Фостером Рэмси в 1960 году, который он использовал для изучения сверхтонкой структуры водородного спектра, а в дальнейшем — для создания высокостабильного квантового стандарта частоты. Схема работы сверхтонкого перехода в атоме водорода, соответствующего длине волны 21 см, следующая:

${\displaystyle (F=1,\;m_{F}=0)\rightarrow (F=0,\;m_{F}=0)}$

(1)

Конструктивно водородный квантовый генератор представляет собой вакуумированную колбу, содержимое которой поддерживается под низким давлением. Источник пучков атомов водорода испускает их в направлении сортирующей системы 2, представляющей собой многополюсный (обычно шестиполюсный) магнит и затем направляется в резонатор 3, содержащем накопительную колбу 4. Под влиянием электрического разряда в источнике 1 молекулы водорода расщепляются на атомы. Размеры каналов меньше расстояния, которое пролетают атомы водорода между столкновениями, благодаря чему формируются узкие пучки атомов водорода. Попадая в сортирующую систему 2 под воздействием магнитного поля происходит сортировка атомов водорода, при которой вблизи оси пучков фокусируются атомы в возбуждённом состоянии, а на периферии оказываются атомы водорода, находящиеся в основном, невозбуждённом состоянии.

Таким образом, после сортировочной системы образованный узкий направленный пучок возбуждённых атомов водорода попадает в колбу 4, размещённую в объёмном резонаторе. Основной частотой этого объёмного резонатора соответствует частоте перехода атомов водорода из возбуждённого состояния в основное. На пучки возбуждённых атомов водорода в резонаторе воздействуют внешним электромагнитным полем для того, чтобы перевести их в основное состояние. Возбуждённые атомы водорода, под воздействием этого поля, испускают фотоны, соответствующие переходу ${\displaystyle (F=1)\rightarrow (F=0)}$. За определённое время в резонаторе эти фотоны накапливаются, воздействуя на поступающие в резонатор новые возбуждённые атомы водорода, что повышает общее число фотонов в резонаторе. Подбором добротности резонатора можно добиться генерации самовозбуждения системы. Однако, энергия возбуждённых атомов водорода нужно сохранить, для чего кварцевую колбу 4 покрывают изнутри слоем фторопласта, о которую возбуждённые атомы водорода могут ударяться многократно (более десятка тысяч столкновений), не теряя энергии. Это увеличивает время пребывания возбуждённых атомов водорода в резонаторе до ${\displaystyle \thicksim 1\;{\text{с}}}$, что достаточно для устойчивой работы водородного генератора и излучения электромагнитных волн (фотонов) с чрезвычайно высокой стабильностью во времени. При этом за счёт того, что размеры колбы меньше генерируемой длины волны, уширения спектральных линий не происходит (то есть эффект Доплера отсутствует), ширина спектральной линии составляет величину порядка 1 Гц. Узость спектральной линии обеспечивает малую погрешность по частоте. Недостатком водородного квантового генератора является его малая мощность, порядка ${\displaystyle \thicksim 10^{-12}\;{\text{Вт}}}$, что делает востребованным создание приёмника излучения с высокой чувствительности^[2].

Водородные квантовые генераторы используются как высокостабильные стандарты частоты, службе точного времени, поскольку они сохраняют стабильность частоты с погрешность порядка ${\displaystyle \thicksim 10^{-14}}$ в сутки и ${\displaystyle \thicksim 10^{-13}}$ в год.