el efecto máser y sus aplicaciones en la metrología j. mauricio lópez r. división de tiempo y...
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El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología
J. Mauricio López R.División de Tiempo y Frecuencia
CONTENIDO
1. El efecto Máser
2. Realización de Máseres de hidrógeno
0. Introducción
3. Cualidades metrológicas de Máseres de hidrógeno
4. Aplicaciones en Metrología
5. Conclusiones
INTRODUCCION
The Nobel Prize in Physics 1989
"for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks"
"for the development of the ion trap technique"
Norman F. Ramsey Hans G. Dehmelt Wolfgang Paul
1/2 of the prize 1/4 of the prize 1/4 of the prize
USA USA Federal Republic of Germany
Harvard University Cambridge, MA, USA
University of Washington Seattle, WA, USA
University of Bonn Bonn, Federal Republic of Germany
b.1915 b.1922 b.1913d.1993
MASER
mplification by
mission of
adiation
timulated
icrowave
1958 invensión del láser
Charles H. Townes
Arthur L. Schawlow
Bell Labs
Bell Labs
“Infrared and optical Masers”, Phys. Rev. , 1958
EL EFECTO MASER
Emisión espontánea
Sistema cuántico de dos estados
Ea
Eb
Emisión espontánea
Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión espontánea
Eb
Ea
h1
Esp
acio
Tiempo
ba EhE 1
Emisión estimulada
Sistema cuántico de dos estados
Albert Einstein
Ea
Eb
Emisión estimulada
Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión estumilada
Esp
acio
Tiempo
Eb
h1
Ea
h1
h1
11 2 hEhE ab
Efecto Láser
Estado de vida corta
Estado metaestable
Estado baseE1
E2
E3
Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser
Bombeo óptico
Decaimiento rápido
Efecto Láser
Estado de vida corta
Estado metaestable
Estado baseE1
E2
E3
Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser
Luz láser
Efecto Láser
Reacción en cadena -Amplificador de luz-
Estado base
Estado excitado
Fotón
Elementos básicos de un
= Cavidad Resonante + Medio de Ganancia
Interfase +
Máser
Máser
Ene
rgía
Estados base
Estados del He Estados del Ne
E2
E1
E3
Colisiones He-Ne
Estado Metaestable
Bombeo
(descarga eléctrica) Decaimiento rápido
Luz láser 632.8 nm
0 eV
20 eV
18 eV
Niveles de energía en el Láser de helio-neón
F=2
F=1
F=1
F=0
F=1
F=0
F=1
F=01S
2S
2P
P 1/2
P 3/2
121.6 nm
10.969 GHz
1.0578 GHz
1.420 GHz
59.19 MHz
177.6 MHz
23.7 MHz
Interacción eléctrica
Estructura fina Estructura hiperfina
Niveles de energía en el Máser de hidrógeno
Niveles de energía involucrados en el efecto Maser en el hidrógeno
REALIZACIÓN DE MÁSERES DE HIDRÓGENO
Blindaje magnético
Bobina
Cavidad de microondas Bulbo de hidrógeno
Antena
Haz de átomos de hidrógeno
Depósito de Hidrógeno
Selector de estados cuánticos
Arquitectura básica de un Máser de hidrógeno
Cámara de vacío
27 cm
27 c
m
TE011
F=1
F=0
0%0%
25%25%
0%
F=1
F=0
0%25%
25%
F=1
F=0
0%0%
0%25%
Selección de estados cuánticos
F=1
F=0
25%25%
25%25%
Mezclador Amplificador
Detector de fase
Sintetizador
250
5 MHz Frecuencia patrón
1.420 405 752 GHz
1.4GHz20.405 752 MHz
20.405 752 MHz
VCXO
5 MHz
Electrónica de un Máser Activo de hidrógeno
Lazo de amarre
Arquitectura real de un Máser Activo de hidrógeno (KVARZ)
Máser activo de hidrógeno
Máser pasivo de hidrógeno
Maser Actido de hidrógeno modeo CH1-75A con “Auto tunning Cavity System”.
Vista interna del Maser activo CH1-75A. Puede observarse la electrónica en la puerta y el sistema físico cubierto por el blindaje magnético en
forma de cilíndro
La parte mas baja del sistema físico de maser CH1-75A se muestra en esta fotografía. La parte cilindrica contiene la bomba iónica. Los elemntos adiconales
son usados para disociar las moléculas de hidrógeno.
El pequeño cilíndro oscuro en la parte baja de la fotografía es el depósito de hidrógeno
Sobre la bomba de vacío y el depósito de hidrógeno se encuentra una serie de blindages magnéticos anidados en forma de cilindros. En la fotografía se muestra
solamente la parte baja del blindage magnético.
En esta fotografía se muestra otro ángulo de la parte baja del blindaje magnético. En el disco de radio menor va montada la cavidad resonante.
Cavidad resonante. Esta cavidad está fabricada en un vidrio especial que tiene un coeficiente de expación (como función de la temperatura) extremadamenmte bajo. Para la fabricación de esta cavidad se usan
herramientas con filos de diamante.
En esta fotografía se muestra el bulbo que contiene a los átomos de hidrógeno que son usados para producir el efecto Máser. El bulbo tiene una
película interna (recubrimiento) muy delgada de teflón con el objeto de redicir los efectos sistemáticos por colisiones.
CUALIDADES METROLOGICAS DE MÁSERES DE HIDRÓGENO
Lo
g ( y
())
Log (), segundos
-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
1 día 1 mes
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16Maser de hidrógeno
Rubidio
Cuarzo
Cesio
Comparación de la estabilidad de un Máser de Hidrógeno con otros patrones de frecuencia
Diferencia de fase entre dos Máseres activos de hidrógeno
Diferencia de fasePendiente removida
Estabilidad relativa de frecuencia
APLICACIÓN EN LA GENERACIÓN DE ESCALAS DE TIEMPO
1 2 3 n...
BIPM
n-1 “independent” measurements
n clocks
CENAM´s clock ensemble of the ETP-1
M2
2d Master Clock (Hydrogen Maser)
1
...
Master clock
2
x21
3
x31
n
xn1
x23=x21-x31
jjiiiiij xxxx ,12,11, ...
)(...)()( 1,1,11,21,11,11, jjiiii xxxxxx
)( 1,1
1
1,
1
1,
k
j
ikk
j
ikkk xxx
i j
Lo
g ( y
())
Log (), segundos
0 | 2 3 4 5 6 7 8 9 7.0
1 día 1 mes
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16
Estabilidad proyectada del UTC(CNM)
Máser de hidrógeno
ETP-1
UTC
UTC(CNM)
Mauricio López R.
+ 52 (442) 211 0543
El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología