2.1 Водородный мазер

Рисунок 2 – Сверхтонкая структура основного электронного состояния атома водорода

Н-мазер–квантовый генератор эталонных высокостабильных электромагнитных колебаний, работа которого основана на вынужденном испускании фотонов атомами водорода на квантовом переходе между магнитными подуровнями СТС основного электронного состояния 1s атома водорода. Два подуровня получаются как результат взаимодействия полного момента электрона J и момента ядра I. Для электрона: n=1, l=0, m_l=0, S=½, J=½ (в единицах ћ); для ядра (одного протона): I=½. Верхний подуровень «2» имеет полный момент атома F: |F|=|J|+|I|=1, и его проекцию m_F=0, а нижний «1»: |F|=|J|–|I|=0 и m_F=0. Частота ν₀ квантового перехода между подуровнями «2» и «1» в слабом магнитном поле с напряженностью Н (рисунок 2) равна:

ν₀ = (1420 405 751,786 + 428,1∙10^–3 H²) Гц, λ₀≈21 см. (2)

Внутри вакуумноплотной оболочки водородного мазера, из которой производится постоянная откачка водорода и остаточных газов, и где давление остаточных газов очень мало, на одной оси находятся: источник пучка атомарного водорода, магнитная сортирующая система (МСС), представляющая собой магнит с чётным числом полюсов, и СВЧ ЗОР.

Сортировка атомов водорода по состояниям выполняется в неоднородном магнитном поле, через которое пропускается “монокинетический” пучок атомов водорода. В результате атомы в состоянии «1» поляризуются “по полю” и уходят в область сильного поля (рисунок 2) в зазоры МСС, отклоняясь от оси сортирующей системы. Атомы в состоянии «2» поляризуются “против поля”, в результате смещаются в область слабого поля (Н≈0) к оси МСС, где и образуют ансамбль частиц с инверсией населённостей.

Далее атомы в состоянии «2» попадают в СВЧ ЗОР, настроенный на частоту ν₀. Начало процессу генерации даёт или флуктуационное электромагнитное поле, или спонтанное испускание одним из атомов фотона с частотой ν₀. В резонаторе при каждом акте вынужденного перехода «2»→«1» излучается электромагнитная энергия, равная hν₀. Если количество атомов в состоянии «2», вводимых в единицу времени в резонатор, достаточно для того, чтобы выделяемая ими электромагнитная энергия компенсировала потери энергии в нём, то наступает самовозбуждение, аналогичное показанному для ООР на рисунке 4 Части II [2]. Амплитуду установивших колебаний определяет эффект насыщения.

2.2 Аммиачный мазер

Аммиачный (на молекулах NH₃) мазер был первым квантовым прибором, использовавшим эффект индуцированного излучения и созданным независимо в СССР (Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым) и в США (Ч.Таунсом).

Молекула аммиака имеет вид правильной пирамиды, основанием которой служит равносторонний треугольник, в вершинах которого находятся атомы водорода, а в вершине пирамиды–атом азота (рисунок 3). В NH₃ мазере используются энергетические уровни, вызванные колебаниями атома азота относительно основания пирамиды. В процессе колебаний атом N может совершать квантовый туннельный переход сквозь плоскость атомов Н. Это приводит для колебательных уровней выше потенциального барьера к двукратному их вырождению (статвес g=2), а к уровням ниже барьера–к их расщеплению на два подуровня (рисунок 3). Величина расщепления нижней пары уровней соответствует частоте 23,870 ГГц (λ≈1,26см). В неоднородном электрическом поле молекула в верхнем состоянии «2» поляризуется “против поля” (выталкивается из сильного поля), а в нижнем состоянии «1» – поляризуется “по полю” и втягивается в область сильного поля.

Рисунок 3 – Структура молекулы NH₃ и её колебательный спектр

Поэтому в мазере сортировка пучка молекул NH₃ по квантовым состояниям осуществляется в электрической сортирующей системе (ЭСС) с неоднородным электрическим полем, молекулы NH₃ в верхнем состоянии «2» концентрируются вблизи её оси и пучок таких молекул с инверсией населенностей направляется в ЗОР СВЧ. ЭСС представляет собой или электрический квадрупольный конденсатор, или систему последовательно расположенных колец с чередующимися знаками потенциала. Мощность аммиачного мазера невелика (~ 10^–10Вт ), поэтому сигнал с его выхода обычно усиливается ЛБВ.