>х
3 X
с£
О
&
О
с[ О
квантовый переход в слабом магн. поле Я между магн. подуровнями сверхтонкой структуры, основного состояния (рис, 1), а именно переход (.F=1T mF=Q)~*(F= ^0, то/?≈ 0) (см. Атом, Атомные спектры, Зеемана эффект]. Частота этого перехода V0 для слабых полей Н
но это шестиполюсный магнит (рис. 4). При симметричном расположении и гиперболич: форме полюсов одинакового размера в межполюсном зазоре 7/=//0 (г/я)2, где Я0 ≈ напряж╦нность поля вблизи поверхности полюсов, а ≈ расстояние от оси симметрии магнита
Очиститель
Н
/∙4.mf≈I
f=Q. njf =0
Рис. 1. Зависимость расщепления уровней сверхтонкой структуры в магнитном поле от напряж╦нности магнитного поля Я; F = J-\\-l ≈ полный спин атома (J ≈ спин ядра, J ≈ электрона); &тр ≈ проекция полного спина на направление /Г
определяется выражением: v0≈ (1420405751,786-}-+4281ЫО-3//2±0,0046) Гц,
Если атомы водорода в верх, энергетич. состоянии (1,0) вводят в объ╦мный резонатор, настроенный на частоту v0, эл.-магн. поле резонатора вынуждает их переходить в ниж. состояние (0,0). Начало этому процессу может дать флуктуационное эл.-магн. поле либо спонтанное испускание фотона одним из атомов в резонаторе. При каждом акте вынужденного перехода (l,0)-»-{OtO) в резонаторе выделяется эл.-магн. энергия, равная liva. Если кол-во атомов в состоянии (1,0), вводимых ежесекундно в резонатор, достаточно для того, чтобы выделяемая ими эл.-магн, энергия компенсировала потери энергии в нем, включая излучение через элемент связи, то наступает самовозбуждение. В результате атомы будут переходить из состояния (1,0) в состояние (0,0). В дальнейшем кол-во переходов (1,0)-»-(0,0) станет равным кол-ву обратных переходов (эффект насыщения). Это определяет амплитуду установивших колебаний (см. Квантовая электроника}.
Устройство В. г. показано па рис. 2. Атомы водорода получают в источнике пучка электролизом Н20 (рис. 3). Молекулярный водород Н2 очищают от примесей методом диффузии сквозь тонкие стенки трубки (Pa, Ni) и превращают в атомарный водород электрич.
Диссоциатор Н7 \\ Н
Коллиматор
Пучок атомов ∙ водорода
t/, = IGQ МГц
3пектроимзер
Рис. 3. Источник пучка атомов водорода.
до поверхности полюсов, г ≈ расстояние от оси магнита (0) до рассматриваемой точки. Сила, действующая ва атомы водорода в магн. поле, /≈≈grad Е7, где U≈ ~ ±[i0//(u.0//3>/tvD) ≈ энергия взаимодействия атомов с полем, ^0 ≈ магн. диполъный момент атома водорода, знаки ± относятся соответственно к атомам в состоянии (1,0) и (О, 0), Атомы влетают в сортирующую систему вдоль оси симметрии 0. Сила, действующая на атомы внутри сортирующей системы, искривляет их траектории т. о., что атомы в состоянии (1,0) фокусируются на оси 0, а атомы в состоянии (0, 0) выбрасываются из
Рис. 4. Магнитная сортирующая система (поперечное сечение); пунктир ≈ силовые линии.
Источник пучка атомов Н
Полюсы магнитной сортирующий системы
Объ╦мный резонатор
298
Рис. 2. Схематическое изображение водородного генератора.
разрядом в диссоциаторе. Далее атомы проходят через коллиматор ≈ систему из 150≈200 тонких параллельных каналов, формирующих пучок. Интенсивность кол-лимированного пучка ~1017 атомов /ев телесном угле ~5≈6°. Кол-во атомов в состоянии (1,0) в пучке меньше, чем в состоянии (0,0), в соответствии с Болъцмана распределением по энергии.
Для обогащения пучка атомами в состоянии (1,0) применяется магн. сортирующая система (рис. 2). Обыч-
пучка. Из-за разброса атомов по нач. скоростям фокусирующие свойства сортирующий системы несовершенны. Их улучшают с помощью диафрагмы D (рис. 2).
Отсортированные атомы в состоянии (1,0) попадают в накопит, ячейку Н, находящуюся внутри резонатора. Обычно это цилиндрич. резонатор с типом колебаний Я011, обладающий наиб, однородной структурой высокочастотного магн. поля HI (резонатор изготавливают из ситалла, имеющего низкий температурный коэф. расширения). Для уменьшения потерь поверхность резонатора покрывают слоем Ag (20≈50 мкм). Для получения макс, добротности диаметр резонатора выбирают близким к его высоте (280 мм). Добротность резонатора с расположенной в н╦м накопит, ячейкой достигает значения <?р»^4-104, что значительно выше требующегося для самовозбуждения. Накопит, ячейкой служит тонкостенная колба из плавленного кварца (диам. 14≈20 см, толщина стенок 1 мм), снабж╦нная узким входным каналом для увеличения времени нахождения атомов и накопит, ячейке до 1 с (пучок атомов проходит сквозь канал в колбу беспрепятственно, а вероятность обратного вылета атомов из колбы мала, т, к. пропорциональна отношению площади входного канала к площади поверхности колбы). Внутр. поверхность колбы покрыта пл╦нкой тефлона, при соударениях с к-рой лишь 1 атом из 105 атомов в состоянии (1,0) переходит в состояние (0,0) без вынужденного испускания фотона, т, с. не принимает участии в генерации. Диаметр колбы меньше длины волны В. г. (К= ≈ 21 см), что подавляет доплеровское уширснис спектральной линии (см. Доплера, эффект). Для исключения влияния внеш. темп-ры и магн. поля на работу
")
}
