El efecto Máser y sus aplicaciones en la Metrología

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

2. 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

3. INTRODUCCION

4. 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

5. icrowave MASER mplification by timulated mission of adiation

6. 1958 invensión del láser “Infrared and optical Masers”, Phys. Rev. , 1958 Charles H. Townes Bell Labs Arthur L. Schawlow Bell Labs

7. EL EFECTO MASER

8. Eb Ea Emisión espontánea Sistema cuántico de dos estados

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

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

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

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

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

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

15. 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

16. Niveles de energía involucrados en el efecto Maser en el hidrógeno 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 F=1 1S 1.420 GHz F=0 Interacción eléctrica Estructura fina Estructura hiperfina

17. REALIZACIÓN DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

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

19. 0% 25% F=1 0% F=0 0% 0% 25% F=1 25% F=0 0% 25% 25% 25% F=1 25% F=1 25% F=0 25% 0% F=0 0% Selección de estados cuánticos

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

21. Arquitectura real de un Máser Activo de hidrógeno (KVARZ)

22. Máser pasivo de hidrógeno Máser activo de hidrógeno

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

24. 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

25. 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.

26. El pequeño cilíndro oscuro en la parte baja de la fotografía es el depósito de hidrógeno

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. CUALIDADES METROLOGICAS DE MÁSERES DE HIDRÓGENO

32. 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

33. Diferencia de fase entre dos Máseres activos de hidrógeno

34. Diferencia de fase Pendiente removida

35. Estabilidad relativa de frecuencia

36. APLICACIÓN EN LA GENERACIÓN DE ESCALAS DE TIEMPO

37. 1 2 3 n n clocks M2 BIPM 2d Master Clock (Hydrogen Maser) n-1 “independent” measurements ... CENAM´s clock ensemble of the ETP-1

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

39. Estabilidad proyectada del UTC(CNM) Máser de hidrógeno ETP-1 UTC UTC(CNM) -9 -10 -11 Log (y()) -12 -13 -14 -15 -16 0 | 2 3 4 5 6 7 8 9 7.0 Log (), segundos 1 día 1 mes

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