分子振盪器

分子振盪器的略圖如圖1所示。分子束(通常為氨分子)由分子源l飛出，沿電容器2的軸線穿過，電容器通常是由四個極棒相同地接到高壓電源的正極和負極所組成的。能夠輻射的分子和吸收無線電波的分子就在這個電容器的場中分開。 ^[2] 

當把氨分子放在電場中時，它的能級就發生遷移。達時隨着電場強度的增大，我們感興趣的高能級的能量便增加一些，而低能級的能量卻降低了。因為任何系統都力圖趨向最小位能狀態，所以處於低能狀態的那些氨分子。就有被拉入強電場區域的趨勢。在那裏它們的能量降低了。相反的，處於高能狀態的活化分子，有跑到沒有場的區域的趨勢。在這種四極電容器中，電場是沿着接近軸線的方向減弱的。因此活化分子向電容器軸線上集中，其餘的分子則偏到外圍去。以後活化分子進入調諧於分子譜線頻率(對氨來説λ=12.6毫米)的空腔諧振器3，容器中的空氣要抽盡。 ^[2] 

達時器件可能有兩種工作狀態：放大狀態和振盪狀態。諧振器中的活化氨分子束與=12.6毫米的輸入電磁波的相互作用，使得各分子將多餘的能量交給電磁波，從而使電磁波能量加強。當活化分子束交給諧振器的能量足夠大時，就能補償諧振器壁上的能量耗損和送給有效負載的能量。這時諧振器中能激勵出電磁振盪。 ^[2] 

分子振盪器的特點是頻率的最大穩定度（

）大大超過了普通的晶體振盪器。但由分子振盪器所得到的功率是極小的，一般不超過10¹⁰分之幾瓦。分子放大器的噪聲電平非常低，放大係數可能到10-20分貝。 ^[2] 

氨(NH₃)分子形如一個菱錐體，氮原子處於頂點，如圖2所示。由於氮原子相對於氫原子所取的位置不同，氨分子有兩個能態。如果在一個盛有氨的容器中有足夠多的原子處於高能態，則一個能量等於兩能量差的光子就能觸發一個連鎖反應，其中受激輻射超過吸收，從而由相繼發生的受激輻射產生一個放大的波。對於氨的情況，將給出頻率為23870MHz(即λ=1.25cm)的波。

概述圖為一氨分子放大器結構的示意圖。從一個盛有壓強為幾百帕的氨氣的容器接出一組細管子直接供應氨分子。然後，分子束經過一個靜電聚焦器。此靜電聚焦器的作用是使高能態的分子會聚，而使低能態的分子發散。聚焦器本身是一個由四根長55cm，彼此相距1cm的棍構成的籠子。這些棍用作電極，兩個相對電極接地，兩其他兩個保持有15kV的電壓。用這樣一種簡單的方法可以除去低能態分子，使得在離開聚焦系統的氣體中實現粒子反轉。然後聚焦了的高能分子進入諧振腔。該諧振腔的諧振頻率應等於氨分子高、低能態間的能量差對應的頻率，即23870MHz。因此，假如有這個頻率的微波信號饋入此腔，則它只能激發向下的躍遷，因而得到放大。假如有足夠多的高能分子注入腔中，則自發輻射能引起一自持連續反應，這時氨分子放大器成為振盪器。 ^[3] 

氨分子振盪器的輸出功率十分低，大約只有10^-10W，但具有特別高的光譜純度（在一分鐘內，線寬為5Hz，或是工作頻率的10^-10）。作為放大器，它受到窄帶寬的限制，帶寬在中心頻率附近僅數千赫。此外，該裝置不能調諧到不同頻率上工作。由於這些原因，氨分子振盪器宜用作頻率標準。