коэ / коэ экз / КОЭ презентации и какая-то теория / KOE-04_-_Mazery
.pdf
1
Мазеры
2
Мазер на пучке молекул аммиака
Первый прибор на использовании вынужденного излучения для усиления и генерации когерентных электромагнитных волн
А. М. Прохоров, Н. Г. Басов и Ч. Таунс
Нобелевская премия (1964 г.)
Аммиак NH3
Правильная пирамида
Симметричный волчок
Два устойчивых положения N
над плоскостью H3 (+ z0)
под плоскостью (- z0)
3 |
|
|
|
|
Потенциальная энергия |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|||
|
2 минимума потенциальной |
|
||||
|
||||||
|
|
энергии |
|
|||
|
(+ z0) и (- z0) эквивалентны |
|
||||
|
|
|
одинаковые вращательные и |
|
||
|
|
|
|
|
колебательные уровни энергии |
|
|
Переход (+ z0) → (- z0) – |
|
||||
|
|
инверсия |
|
|||
|
|
|
Инверсионное расщепление на |
|
||
|
|
|
|
|
два |
|
|
Верхние – антисимметричные |
|
||||
|
|
|
Ψa(z) = – Ψa(– z) |
|
||
|
Нижние – симметричные |
|
||||
|
|
состояния |
|
|||
|
|
|
Ψs(z) = – Ψs(– z). |
|
||
|
q - колебательное квантовое |
|
||||
|
|
число |
|
|||
|
|
|
С увеличением q инверсионное |
|
||
|
|
|
|
|
расщепление возрастает |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
Эффект Штарка |
||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
При комнатной температуре |
|
|||||
|
|
|
|
половина молекул NH3 в |
|
|||
|
|
|
|
|
|
симметричном, половина – |
|
|
|
|
|
|
|
|
антисимметричном состоянии |
|
|
|
|
Отсортировать только |
|
|||||
|
|
|
антисимметричные - инверсная |
|
||||
|
|
|
заселенность |
|
||||
|
|
Разделение в неоднородном |
|
|||||
|
|
|
электрическом поле |
|
||||
|
|
|
|
смещение уровней (эффект Штарка) |
|
|||
|
|
|
|
стремление к минимуму энергии |
|
|||
|
|
Квадрупольный конденсатор |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 
Параметры мазера на аммиаке
Эталон (стандарт) частоты
Добротность спектральной линии существенно выше добротности резонатора
Рабочая частота будет определяться свойствами NH3 - 23870 МГц
Собственная частота молекулы зависит от массы - N14
Относительная нестабильность частоты 10–8...10–10
Выходная мощность 10–9 Вт
Ограничена плотностью пучка NH3
6 |
|
|
|
|
Мазер на пучке атомов водорода |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Магнитный дипольный переход между уровнями сверхтонкой |
|||
|
|
|
|
структуры атома водорода |
|
|
|
|
|
|
Структура - взаимодействие магнитного момента ядра с |
|
|
|
|
|
внутриатомным магнитным моментом, вызванным орбитальным |
|
|
|
|
|
движением электрона |
|
|
Два подуровня с расстоянием между ними по частоте 1420,4 МГц |
|||
|
|
|
|
(λ ≈ 21 см) |
|
|
|
Переходы определяются |
|||
изменением магнитного дипольного момента, а не электрического
Линия рабочего перехода не имеет Структуры
Магнитное поле приводит
к расщеплению уровней (эффект Зеемана)
7 
Устройство водородного мазера
Очиститель H2 – мембрана из палладия
Разрядная колба - диссоциации молекул водорода H2
Сортировка не в электрическом, а в неоднородном магнитном поле
4х или 6ти-полюсные магниты
Вероятность перехода в 104 раз меньше (τ ≈ 1 с) Выходная мощность 10–11 - 10–14 Вт
Накопительная колба - |
||
в 104 |
раз увеличиваем |
|
число |
частиц |
в |
резонаторе |
|
|
тефлоновое покрытие стенок – снижает влияние соударений
диаметр колбы меньше длины волны излучения - доплеровского уширения не возникает
8 |
|
|
|
|
|
|
Стабильность водородного мазера |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Естественная ширина спектральной линии определяется вероятностью |
||||
|
|
||||||
|
|
|
перехода |
||||
=1/ 21=A21=w
Добротность спектральной линии генерации водородного мазера
Выше относительная нестабильность частоты
|
|
|
|
1 |
|
|
|
k T |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Q |
ген |
|
|
|
2 P |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ген |
|
|||
|
5 10 |
14 |
при 10 c |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
При меньших временах определяющими являются электрические шумы
Относительная нестабильность частоты 10–12...10–13
Qген 0 2 10 9
Важно время приработки
9 
Водородный мазер
10
Стандарты частоты и времени
Активный водородный мазер – генератор СВЧ
Большой и тяжелый
Малая нестабильность частоты
Пассивный водородный мазер |
|
A |
|
|
|
|
kT |
10 |
12 |
||
|
Резонатор мал |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Qген |
I |
пучQрез |
|
||||||||
|
Нет генерации |
|
|
|
|||||||
Селективное усиление внешнего сигнала на рабочей частоте |
|
|
|||||||||
Размеры можно уменьшить на порядок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Пассивный водородный стандарт частоты (ПВСЧ) |
|
|
|
|
|||||||
Уменьшенный резонатор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с диэлектриком магнетронный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|