Wasserstoff-Maser-Uhr

Wasserstoff-Maser

Ein Wasserstoff-Maser oder Wasserstoff-Frequenznormal ist ein spezieller Maser-Typ, der die spezifischen Eigenschaften des Wasserstoff-Atoms verwendet, um als hochgenaue Frequenz-Referenz zu dienen.

Sowohl das Proton als auch das Elektron des Wasserstoffatoms haben Spins. Das Atom hat eine höhere Energie, wenn beide Spins parallel sind und eine niedrigere Energie, wenn die Spins anti-parallel sind. Die Energie, die benötigt wird um den Spin des Elektrons umzukehren entspricht einem Photon der Frequenz 1.420.405.752 Hertz (Hz).^[1] Diese 1420 MHz-Frequenz ist für die Radioastronomie wichtig, da sie mit der 21-cm-Linie des interstellaren Wasserstoffs korrespondiert.

Wasserstoff-Maser sind sehr komplexe Geräte und werden für etwa 235.000 US-Dollar verkauft.^[2]

Es gibt zwei Typen: aktive und passive. In beiden Typen tritt aus einem kleinen Speicherbehälter kontrolliert molekularer Wasserstoff in eine Entladungsröhre aus. Wasserstoffmoleküle bestehen aus zwei Atomen, die miteinander verbunden sind. Die Moleküle werden in der Entladungsröhre durch eine Bogenentladung in einzelne Wasserstoffatome gespalten. Dieser atomare Wasserstoff passiert einen Kollimator und einer Auswahlvorrichtung für den magnetische Zustand. Dabei werden die Atome nach dem gewünschten Zustand gefiltert und in den Speicherkolben weitergeleitet. Der Speicherkolben ist aus Quarz und ungefähr 20 cm hoch und 10 cm im Durchmesser. Seine Innenwand ist mit Teflon beschichtet, wodurch verhindert wird, dass der Atomzustand sich bei der Kollision mit der Wand verändert. Dadurch wird die Rekombination der Wasserstoffatome in Wasserstoffmoleküle verlangsamt. Die Teflonbeschichtung ist langlebig und erlaubt einen Betrieb über 20 Jahre.^[3] Der Speicherkolben wiederum befindet sich in einem Mikrowellenresonator aus einem präzise hergestelltem Zylinder aus Kupfer oder silberbeschichteter Keramik. Dieser Hohlraum ist auf die 1420 MHz Resonanz-Frequenz des Atoms abgestimmt.^[4] Ein schwaches, statisches Magnetfeld einer Magnetspule wird parallel zur Zylinderachse angelegt, um die magnetischen Zeeman-Niveaus aufzuspalten.^[5] Um den Einfluss externer magnetischer Felder auf die Frequenz zu unterdrücken, ist der Resonator von mehreren Abschirm-Lagen umgeben.^[3]

Im aktiven Wasserstoffmaser oszilliert der Hohlraum selbst. Dies setzt eine höhere Wasserstoffatom-Dichte und einen höheren Gütefaktor für den Hohlraum voraus. In hochwertigen Mikrowellenresonatoren aus silberbeschichteter Keramik jedoch ist der Steigerungsfaktor viel höher, sodass eine geringere Wasserstoffatom-Dichte erforderlich ist.^[3] Der aktive Maser ist komplexer und teurer aber hat eine bessere Kurzzeit- und Langzeitfrequenzstabilität. Z.B. hat das Modell CH1 75 der PTF die Masse 90 kg und hat eine Leistung von ca. 100 W. Seine Langzeitfrequenzgenauigkeit ist etwa ±5×10^-16 in fünf Jahren. Das Modell iMaser 3000 hat eine besserte Kurzzeit-Stabilität von 1,2×10^-13 bei einer Sekunde und ein sehr niedriges Phasenrauschen von -130 dBc/Hz bei 1 Hz bei einer 5 MHz Referenz.^[3] Die intrinsische Frequenzdrift liegt mit 7×10^-16 pro Tag auch ohne automatische Abstimmung des Hohlraums niedrig.^[6] Bei Benutzung als Uhr ist das eine Abweichung von 1 Sekunde in 63 Millionen Jahren.^[7] Durch Netzwerktechnologie kann eine neue Generation aktiver Maser leicht überwacht, gesteuert und gewartet werden.^[3]

Beim passiven Wasserstoffmaser wird in den Hohlraum von einer externen Quelle eine Frequenz von 1420 MHz eingestrahlt. Die externe Quelle wird auf maximale Resonanz abgestimmt. Dies erlaubt eine niedrigere Wasserstoffatom-Dichte und eine geringere Qualität des Resonators und dadurch geringere Kosten. Das Modell CH1 76 der PTF hat die Masse 55 kg bei einer Leistung von 90 W. Seine Langzeitfrequenzstabilität ist mit ±1,5×10^-12 pro Jahr sehr viel schlechter als die des aktiven Masers.^[8]

Referenzen

1. ↑ Time and Frequency from A to Z: H. Physics Laboratory. National Institute of Standards and Technology. Abgerufen am 6. April 2010. (englisch)
2. ↑ Symmetricom MHM 2010 Data Sheet (englisch)
3. ↑ ^{a b c d e} iMaser 3000. Abgerufen am 8. April 2010. (englisch)
4. ↑ USNO, Hydrogen Masers (englisch)
5. ↑ U.S. Patent 5,838,206
6. ↑ Laurent-Guy Bernier, Swiss Federal Office of Metrology and Accreditation: Predictability of a Hydrogen Maser Time Scale. 19th European Time and Frequency Forum Besançon [1] März 2005, S. 438-441 (http://www.t4science.com/blog/hydrogen-maser-time-scale-predictability-paper/, abgerufen am 8. Mai 2010). (englisch)
7. ↑ CHI-75 Active Hydrogen Maser Data Sheet (englisch)
8. ↑ CHI-76 Passive Hydrogen Maser Data Sheet (englisch)

Literatur

• A. Bauch; Theodor W. Hänsch, S. Leschiutta, A.J. Wallard (Hrsg.): Metrology and Fundamental Constants. Course ⅭⅬⅩⅥ, IOS Press, Amsterdam 2007, ISBN 978-1-58603-784-0, Atomic frequency standards, properties and applications, S. 303-308, LCCN 2007-934139 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche, abgerufen am 8. April 2010). (englisch)