Un máser de hidrógeno , también conocido como patrón 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 mayor energía si ambos giran en la misma dirección y menor energía si giran en direcciones opuestas. La cantidad de energía necesaria para invertir el espín del electrón es equivalente a un fotón en 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 . [2] Hay que distinguir dos tipos: activos y pasivos.
En ambos tipos, una pequeña botella de almacenamiento de hidrógeno molecular , H
2, pierde una cantidad controlada de gas en una bombilla de descarga. Las moléculas se disocian en la ampolla de descarga mediante un arco eléctrico en átomos de hidrógeno individuales. Este hidrógeno atómico pasa a través de un colimador, luego de un selector de estado magnético y de un bulbo de almacenamiento. El bulbo de almacenamiento está aproximadamente20 cm de alto y10 cm de diámetro y fabricado en cuarzo recubierto interiormente con PTFE . La adsorción, la interacción química y la perturbación del estado atómico por la superficie del bulbo se reducen mucho. Las interacciones constantes con la bombilla aumentan la calidad de la oscilación. Una tecnología duradera de recubrimiento de bombilla y PTFE permite una vida útil de más de 20 años. [3]
El bulbo de almacenamiento está dentro de una cavidad de microondas hecha de un cilindro cerámico plateado o de cobre mecanizado con precisión. Esta cavidad está sintonizada con elFrecuencia de resonancia de los átomos de 1.420 GHz . [4] Un solenoide aplica un campo magnético estático débil paralelo al eje de la cavidad para eliminar la degeneración de los subniveles magnéticos de Zeeman . [5] Para disminuir la influencia de los campos magnéticos externos cambiantes en la frecuencia de la línea de transición y cumplir 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 mayor factor de calidad para la cavidad. Con cavidades de microondas avanzadas hechas de cerámica plateada, el factor de ganancia puede ser mucho mayor, por lo que requiere menos 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 de hidrógeno pasivo, la cavidad se alimenta desde un externoFrecuencia de 1.420 GHz . La frecuencia externa está sintonizada 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.
El bulbo de almacenamiento es un bulbo de cuarzo de unos 20 cm de alto que está recubierto por dentro con teflón para controlar la tasa de recombinación de átomos en moléculas. La bombilla de cuarzo está situada 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 irradiando y siguen el mismo paso. "Empiezan a hablar entre ellos" y repiten lo que escuchan. Esto produce una oscilación altamente coherente. Esta es la señal a la que está sincronizado el oscilador de cristal. Todo eso está empaquetado en gabinetes con fuentes de alimentación, control de temperatura y blindaje magnético.
