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水素メーザー（水素周波数標準とも呼ばれる）は、水素原子の固有の特性を利用して高精度な周波数基準として機能する、特殊なタイプのメーザーである。
これは元々チャールズ・H・タウンズによって考案され、 1960年にノーマン・ラムジー・ジュニア、ダニエル・クレップナー、H・マーク・ゴールデンバーグによって初めて実現された。 [ 1 ] [ 2 ]
水素原子の陽子と電子はどちらもスピンを持っています。両方のスピンが揃っているときは原子のエネルギーが高く、反対方向にあるときはエネルギーが低くなります。電子のスピンを反転させるのに必要なエネルギーは、周波数の無線周波数光子のエネルギーに相当します。1.420 405 751 768 GHz [ 3 ]および水素スペクトルの「線」として検出される波長21 cm 。
区別すべきタイプはアクティブとパッシブの2種類である。どちらのタイプでも、分子状水素（H₂）の小さな貯蔵ボトルを使用する。2.制御された量のガスを放電バルブに漏洩させる。放電バルブ内で分子は電気アークによって個々の水素原子に解離される。この水素原子はコリメータ、を通過して蓄積バルブに入る。蓄積バルブはおおよそ 高さ20cm 直径10cmで、内部にテフロン（PTFE ）コーティングを施した石英製で、バルブ表面への吸着、化学反応、原子状態の摂動が大幅に低減されます。バルブとの一貫した相互作用により、振動の質が向上します。この耐久性のあるPTFEとバルブコーティング技術により、20年以上の寿命が実現します。[ 4 ]
蓄熱電球は、精密に加工された銅または銀メッキされたセラミック円筒で作られたマイクロ波空洞の中にあります。この空洞は、 原子の共鳴周波数は1.420 GHzです。 [ 5 ]磁気ゼーマン準位の縮退を解消するために、ソレノイドによってキャビティ軸に平行に弱い静磁場が印加されます。[ 6 ]遷移線周波数に対する外部磁場の変化の影響を減らし、電磁干渉に耐性を持たせるために、キャビティは複数の入れ子状のシールド層で囲まれています。[ 4 ]
アクティブ水素メーザーでは、キャビティが自発的に発振します。そのため、キャビティにはより高い水素原子密度と高い品質係数が必要です。銀メッキセラミック製の高度なマイクロ波キャビティを使用すると、ゲイン係数を大幅に高めることができ、その結果、水素原子密度を低く抑えることができます。 [ 4 ]アクティブメーザーはより複雑で高価ですが、短期および長期の周波数安定性に優れています。
受動型水素メーザーでは、空洞は外部から給電される。周波数は1.420GHzです 。外部周波数は、共振器内で最大の出力が得られるように調整されています。これにより、水素原子密度と共振器品質係数を低く抑えることができ、コスト削減につながります。
蓄積バルブは
高さ約20cmの石英バルブで、内部は原子の分子への再結合率を制御するためにテフロンでコーティングされています。石英バルブは、 21cm水素線
の1.420GHz周波数のマイクロ波共振器として機能する精密加工された純銅シリンダー内にあります
。原子が共振器に入ると、放射している他の原子を見つけ、同期します。原子は「互いに会話を始め」、聞こえてくるものを反響させます。これにより、非常にコヒーレントな振動が生成されます。これが水晶発振器の位相ロック信号です。これらすべては、電源、温度制御、磁気シールドを備えたキャビネットに収められています。