El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología J. Mauricio López R. División de Tiempo y Frecuencia

CONTENIDO 0. Introducción 1. El efecto Máser 2. Realización de Máseres de hidrógeno 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.1913 d.1993

MASER icrowave mplification by timulated mission of adiation

“Infrared and optical Masers”, Phys. Rev. , 1958 1958 invensión del láser “Infrared and optical Masers”, Phys. Rev. , 1958 Charles H. Townes Bell Labs Arthur L. Schawlow Bell Labs

EL EFECTO MASER

Sistema cuántico de dos estados Emisión espontánea Ea Eb Sistema cuántico de dos estados

Emisión espontánea Ea Espacio Eb h1 Tiempo Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión espontánea

Sistema cuántico de dos estados Emisión estimulada Ea Eb Albert Einstein Sistema cuántico de dos estados

Emisión estimulada Eb Ea Espacio h1 h1 Tiempo Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión estumilada

Efecto Láser E1 E2 E3 Efecto Láser E1 E2 E3 Estado de vida corta Estado metaestable Estado base E1 E2 E3 Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser Efecto Láser Estado de vida corta Estado metaestable Estado base E1 E2 E3 Bombeo óptico Decaimiento rápido Luz láser Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser

Reacción en cadena -Amplificador de luz- Efecto Láser Reacción en cadena -Amplificador de luz- Estado base Estado excitado Fotón

Elementos básicos de un Máser Máser = Cavidad Resonante + Medio de Ganancia Interfase

Niveles de energía en el Láser de helio-neón Colisiones He-Ne Estado Metaestable E3 E2 20 eV E1 18 eV Luz láser 632.8 nm Bombeo (descarga eléctrica) Energía Decaimiento rápido Estados base 0 eV Estados del He Estados del Ne

Niveles de energía en el Máser de hidrógeno F=2 P 3/2 23.7 MHz F=1 2P 10.969 GHz F=1 2S 177.6 MHz F=0 121.6 nm 1.0578 GHz F=1 P 1/2 59.19 MHz F=0 Niveles de energía involucrados en el efecto Maser en el hidrógeno F=1 1S 1.420 GHz F=0 Interacción eléctrica Estructura fina Estructura hiperfina

REALIZACIÓN DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

Arquitectura básica de un Máser de hidrógeno Cámara de vacío Cavidad de microondas Haz de átomos de hidrógeno Bulbo de hidrógeno 27 cm TE011 Selector de estados cuánticos Depósito de Hidrógeno Antena Bobina Blindaje magnético

Selección de estados cuánticos F=1 F=0 0% 25% 0% F=1 F=0 25% F=1 F=0 25% F=1 F=0 0% 25%

Electrónica de un Máser Activo de hidrógeno Mezclador Amplificador 1.420 405 752 GHz 20.405 752 MHz 1.4GHz 20.405 752 MHz  250 Sintetizador Detector de fase VCXO 5 MHz Lazo de amarre 5 MHz Frecuencia patrón

Arquitectura real de un Máser Activo de hidrógeno (KVARZ)

Máser pasivo de hidrógeno Máser activo de hidrógeno

Maser Actido de hidrógeno modeo CH1-75A con “Auto tunning Cavity System”.

Vista interna del Maser activo CH1-75A 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

Comparación de la estabilidad de un Máser de Hidrógeno con otros patrones de frecuencia -9 Cuarzo -10 -11 Rubidio Log (y()) -12 -13 Cesio -14 -15 Maser de hidrógeno -16 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 Log (), segundos 1 día 1 mes

Diferencia de fase entre dos Máseres activos de hidrógeno

Diferencia de fase Pendiente removida

Estabilidad relativa de frecuencia

APLICACIÓN EN LA GENERACIÓN DE ESCALAS DE TIEMPO

2d Master Clock (Hydrogen Maser) n-1 “independent” measurements M2 1 2 3 ... n BIPM n clocks CENAM´s clock ensemble of the ETP-1

i j x23=x21-x31 2 3 n ... x21 x31 xn1 1 Master clock

Estabilidad proyectada del UTC(CNM) -9 Máser de hidrógeno -10 ETP-1 -11 UTC Log (y()) -12 UTC(CNM) -13 -14 -15 -16 | 2 3 4 5 6 7 8 9 7.0 Log (), segundos 1 día 1 mes

El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología Mauricio López R. mauricio.lopez@cenam.mx + 52 (442) 211 0543