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Wasserstoff-Maser-Uhr

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Datei:Hydrogen maser.jpg
Wasserstoff-Maser

Eine Wasserstoff-Maser-Uhr ist ein Maser-Typ, der die spezifischen Eigenschaften des Wasserstoff-Atoms verwendet, um als hochgenaues Frequenznormal z. B. in Atomuhren zu dienen. Es wird zwischen aktiven und passiven Wasserstoff-Masern unterschieden.

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 {{#if:trim|1.420.405.751,7667 Hertz (Hz)}} bzw. ca. 1420,4057 MHz.<ref>{{#if:2010-05-14|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20100514130647/http://www.tf.nist.gov/general/enc-h.htm%7C{{#if:Time and Frequency from A to Z: H|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20100514130647/http://www.tf.nist.gov/general/enc-h.htm}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Time and Frequency from A to Z: H}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:Hydrogen Maser| Hydrogen Maser{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel=Hydrogen Maser}}}}}}|{{#if:http://www.tf.nist.gov/general/enc-h.htm%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7Cja}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Time and Frequency from A to Z: H}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.tf.nist.gov/general/enc-h.htm}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Time and Frequency from A to Z: H}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Hydrogen MaserjaNational Institute of Standards and Technologyhttps://web.archive.org/web/20100514130647/http://www.tf.nist.gov/general/enc-h.htm{{#if: 2026-03-24 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Genau der gleiche Mechanismus ist für das Entstehen der 21-cm-Linie in der Radioastronomie verantwortlich, bei der interstellarer Wasserstoff die Strahlungsquelle ist.

Funktionsweise

Sowohl beim aktiven als auch beim passiven Typ 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 eine Auswahlvorrichtung für den magnetischen Zustand. Dabei werden die Atome nach dem gewünschten Zustand gefiltert und in den Speicherkolben weitergeleitet. Der Speicherkolben besteht aus Quarz und misst ungefähr 20 cm in der Höhe 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.<ref name="iMaser3000">{{#if:2017-02-02|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20170202000124/https://www.t4science.com/products/imaser3000/%7C{{#if:iMaser 3000|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20170202000124/https://www.t4science.com/products/imaser3000/}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=iMaser 3000}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.t4science.com/products/imaser3000/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7Cja}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=iMaser 3000}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.t4science.com/products/imaser3000/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=iMaser 3000}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:jaT4Science2016https://web.archive.org/web/20170202000124/https://www.t4science.com/products/imaser3000/{{#if: 2026-03-24 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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       | #default= Der Wert des Parameters {{#if: webciteID | webciteID | ID }} muss entweder ein Zeitstempel der Form YYYYMMDDHHMMSS oder ein Schüsselwert mit 9 Zeichen oder eine 16-stellige Zahl sein!Vorlage:Webarchiv/Wartung/webcitation{{#if:  || }}
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  }} USNO (englisch)</ref> Ein schwaches, statisches Magnetfeld einer Magnetspule wird parallel zur Zylinderachse angelegt, um die magnetischen Zeeman-Niveaus aufzuspalten.<ref>{{#if:{{#ifexpr:{{#if:US|0|1}} or {{#if:5838206|0|1}}|1}}|Fehlender Parameter {{#if:US||„Land“{{#if:5838206|| und }}}}{{#if:5838206||„V-Nr“}}|}}{{#if: {{#invoke:Expr|TemplateBooland}}|{{#ifeq:|Patentanmeldung|Patentanmeldung|{{#ifeq:|Gebrauchsmuster|Gebrauchsmuster|Patent}}}}  {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}|US5838206|{{#switch: {{{DB}}}

| DEPATIS =US5838206 | WIPO = US5838206 | Google = US5838206 | #default =US5838206 }}}}{{#if:|:|.}}{{#if:| {{{Titel}}}.}}{{#if:| Angemeldet am {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:|,}}}}{{#if:|{{#if:| veröffentlicht am | Veröffentlicht am }}{{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:|,}}}}{{#if:| Anmelder: {{{Anmelder}}}{{#if:|,}}}}{{#if:| Erfinder: {{{Erfinder}}}}}{{#if:| ({{{Kommentar}}})}}{{#if:|.}}}}{{#invoke:TemplatePar|match |template= Vorlage:Patent |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Patent}} |format= |preview=@@@ |1=Land= ABC+ |2=V-Nr= /^[0-9A-Z]+$/ |3=Titel= * |4=Erfinder= * |5=Anmelder= * |6=A-Datum= * |7=V-Datum= * |8=Typ= ASCII |9=Code= ASCII |10=Kommentar= * |11=KeinLink= ASCII |12=DB=ASCII }}</ref> Um den Einfluss externer magnetischer Felder auf die Frequenz zu unterdrücken, ist der Resonator von mehreren Abschirm-Lagen umgeben.<ref name="iMaser3000" />

Aktiver Wasserstoff-Maser

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.<ref name="iMaser3000" /> Der aktive Maser ist komplexer und teurer, hat aber eine bessere Kurzzeit- und Langzeitfrequenzstabilität. Das Modell CH1 75 der PTF z. B. hat bei einer Leistungsaufnahme von etwa 100 W eine Masse von 90 kg. Seine Langzeitfrequenzgenauigkeit ist etwa ±0,5 × 10−15 in fünf Jahren. Das Modell iMaser 3000 hat eine bessere Kurzzeitstabilität von 6 × 10−14 bei einer Sekunde und ein sehr niedriges Phasenrauschen von −132 dBc/Hz bei 1 Hz bei einer 5-MHz-Referenz.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|: }}{{#if:|{{#if:Spectratime, Spectracom & T4Science Overview|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Spectratime, Spectracom & T4Science Overview}}]{{#if:PDF| (PDF)}}{{#if:| {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel=}}}}}}|{{#if:https://www.epfl.ch/labs/lastro/wp-content/uploads/2019/09/2018june_Spectratime_T4Science_overview.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Spectratime, Spectracom & T4Science Overview}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.epfl.ch/labs/lastro/wp-content/uploads/2019/09/2018june_Spectratime_T4Science_overview.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Spectratime, Spectracom & T4Science Overview}}}}]}}{{#if:PDF| (PDF{{#if:OroliaEPFL2018-06{{#if: 2026-03-24 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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            }} 
       }}
  }} (PDF; englisch)</ref> Durch Netzwerktechnologie kann eine neue Generation aktiver Maser leicht überwacht, gesteuert und gewartet werden.<ref name="iMaser3000" />

Passiver Wasserstoff-Maser

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 bei einer Leistungsaufnahme von etwa 90 W eine Masse von 55 kg. Seine Langzeitfrequenzstabilität ist mit ±1500 × 10−15 pro Jahr sehr viel schlechter als die des aktiven Masers.<ref> <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20131030142114

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  }} (PDF; englisch)</ref>

Literatur

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Einzelnachweise

<references> <ref name="ETFF2005"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> </references>