Un máser de hidrógeno , también conocido como estándar de frecuencia de hidrógeno , es un tipo específico de máser que utiliza las propiedades intrínsecas del átomo de hidrógeno para servir como referencia de frecuencia de precisión.
Tanto el protón como el electrón de un átomo de hidrógeno tienen espines. El átomo tiene una mayor energía si ambos giran en la misma dirección y una menor energía si giran en direcciones opuestas. La cantidad de energía necesaria para invertir el giro del electrón es equivalente a un fotón a la frecuencia de1.420 405 751 768 GHz , [1] que corresponde a la línea de 21 cm en el espectro del hidrógeno.
Los máseres de hidrógeno son dispositivos muy complejos y se venden por hasta 235.000 dólares estadounidenses . [2] Hay dos tipos que se pueden distinguir: activos y pasivos.
En ambos tipos, una pequeña botella de almacenamiento de hidrógeno molecular , H
2, filtra una cantidad controlada de gas en una bombilla de descarga. Las moléculas se disocian en la bombilla de descarga en átomos de hidrógeno individuales mediante un arco eléctrico. Este hidrógeno atómico pasa a través de un colimador, luego un selector de estado magnético y dentro de una bombilla de almacenamiento. La bombilla de almacenamiento es aproximadamente20 cm de alto yTiene un diámetro de 10 cm y está hecho de cuarzo recubierto internamente con PTFE . La adsorción, la interacción química y la perturbación del estado atómico por la superficie del bulbo se reducen considerablemente. Las interacciones constantes con el bulbo aumentan la calidad de la oscilación. Una tecnología duradera de recubrimiento de PTFE y bulbo permite una vida útil de más de 20 años. [3]
El bulbo de almacenamiento se encuentra dentro de una cavidad de microondas hecha de un cilindro de cerámica plateado o de cobre mecanizado con precisión. Esta cavidad está sincronizada con laFrecuencia de resonancia de los átomos de 1,420 GHz . [4] Se aplica un campo magnético estático débil paralelo al eje de la cavidad mediante un solenoide para levantar la degeneración de los subniveles magnéticos Zeeman . [5] Para disminuir la influencia de los campos magnéticos externos cambiantes en la frecuencia de la línea de transición y ser compatible con las interferencias electromagnéticas, la cavidad está rodeada por varias capas anidadas de escudos. [3]
En el máser de hidrógeno activo, la cavidad oscila por sí sola. Esto requiere una mayor densidad de átomos de hidrógeno y un factor de calidad más alto para la cavidad. Con cavidades de microondas avanzadas hechas de cerámica plateada, el factor de ganancia puede ser mucho mayor, por lo que se requiere una menor densidad de átomos de hidrógeno. [3] El máser activo es más complejo y más caro, pero tiene mejores estabilidades de frecuencia a corto y largo plazo.
En el máser pasivo de hidrógeno, la cavidad se alimenta desde un externoFrecuencia de 1,420 GHz . La frecuencia externa está ajustada para producir una salida máxima en la cavidad. Esto permite el uso de una menor densidad de átomos de hidrógeno y un menor factor de calidad de la cavidad, lo que reduce el costo.
La bombilla de almacenamiento es una bombilla de cuarzo de unos 20 cm de alto que está recubierta por dentro con teflón para controlar la tasa de recombinación de los átomos en moléculas. La bombilla de cuarzo está ubicada en un cilindro de cobre puro mecanizado con precisión que actúa como una cavidad resonante de microondas para la frecuencia de 1,420 GHz de la línea de hidrógeno de 21 cm. Una vez que los átomos entran en la cavidad de resonancia, encuentran otros átomos que irradian y se ponen en sintonía. "Comienzan a hablar entre sí" y hacen eco de lo que escuchan. Esto produce una oscilación altamente coherente. Esta es la señal a la que el oscilador de cristal está bloqueado en fase. Todo eso está empaquetado en gabinetes con fuentes de alimentación, control de temperatura y blindaje magnético.
