Maser - Maser

A többi felhasználást lásd a Maser (egyértelműsítés) részben .
Az első prototípus ammónia maszter és feltaláló, Charles H. Townes . Az ammónia fúvóka a doboz bal oldalán, a négy sárgaréz rúd a négypólus állapotválasztó, a rezonáns üreg pedig a jobb oldalon található. A 24 GHz -es mikrohullámok kilépnek a függőleges Townes hullámvezetőn keresztül . Alul a vákuumszivattyúk.
Hidrogén rádiófrekvenciás kisülés, a hidrogénmaser első eleme (lásd az alábbi leírást)

A Maser ( / m eɪ z ər / , egy betűszó mikrohullámú amplifikáció által indukált emisszióval ) egy olyan eszköz, amely termel koherens elektromágneses hullámok révén amplifikáció által indukált emisszióval . Az első mestert Charles H. Townes , James P. Gordon és Herbert J. Zeiger építtette a Columbia Egyetemen 1953 -ban. Townes, Nikolay Basov és Alexander Prokhorov 1964 -ben fizikai Nobel -díjat kapott a mesterhez vezető elméleti munkáért. A masereket időmérő eszközként használják az atomórákban , és rendkívül alacsony zajszintű mikrohullámú erősítőkként a rádióteleszkópokban és a mély űreszközök kommunikációs földi állomásain.

Modern masers lehet kialakítva, hogy az elektromágneses hullámok , hogy nem csak a mikrohullámú frekvenciákon , hanem a rádió és az infravörös frekvenciák. Ezért Charles Townes azt javasolta, hogy a "mikrohullámú" helyettesítsék a "molekuláris" szóval a maser rövidítés első szavaként .

A lézer ugyanazon az elven működik, mint a maser, de látható hullámhosszon nagyobb frekvenciájú koherens sugárzást állít elő . A mester a lézer előfutára volt, Townes és Arthur Leonard Schawlow inspiráló elméleti munkája, amely Theodore Maiman 1960 -as találmányához vezetett . Amikor a koherens optikai oszcillátort először 1957 -ben elképzelték, eredetileg "optikai maser" -nek nevezték. Ezt végül lézerre változtatták "Fényerősítés a sugárzás stimulálása által". Gordon Gould nevéhez fűződik e rövidítés megalkotása 1957 -ben.

Történelem

A maser működését szabályozó elméleti elveket először Joseph Weber , a Marylandi Egyetem College Park munkatársa írta le az Electron Tube Research Conference konferencián, 1952 júniusában Ottawában , az 1953 júniusi Transactions of the Institute of Radio Engineers című összefoglalóval. szakmai csoport Electron Devices, és egyidejűleg Nikolay Basov és Alexander Prohorov származó Lebegyev Fizikai Intézet egy All-Union Konferencia Radio-spektroszkópia által tartott Szovjetunió Tudományos Akadémia a 1952. május követően megjelent 1954 októberében.

Függetlenül, Charles Hard Townes , James P. Gordon és HJ Zeiger 1953 -ban építették meg az első ammóniamaszkot a Columbia Egyetemen . Ez az eszköz stimulált emissziót használt energiával táplált ammóniamolekula -áramban, hogy előállítsa a mikrohullámok erősítését körülbelül 24,0 gigahertzes frekvencián . Townes később Arthur L. Schawlow -val dolgozott együtt az optikai maser , vagyis a lézer elvének leírásában , amelynek Theodore H. Maiman 1960 -ban megalkotta az első működő modelljét.

Az stimulált emisszió területén végzett kutatásaikért Townes, Basov és Prokhorov 1964 -ben fizikai Nobel -díjat kapott .

Technológia

A maser a stimulált emisszió elvén alapul, amelyet Albert Einstein 1917 -ben javasolt . Amikor az atomokat gerjesztett energiaállapotba indukálták, akkor a sugárzást olyan frekvencián tudják felerősíteni, amely a masszáló közegként használt elemhez vagy molekulához tartozik (hasonlóan ahhoz, amit lézerben a lézeres közegben fordul elő).

Azáltal, hogy egy ilyen erősítő közeget egy rezonáns üregbe tesz , visszacsatolás jön létre, amely koherens sugárzást képes előállítani .

Néhány gyakori típus

  • Atomsugaras maserek
  • Gázmesterek
    • Rubidium maser
    • Folyékony festék és vegyi lézer
  • Szilárdtest maserek
  • Kettős nemesgáz -maser (A poláros pépesítő közeg kettős nemesgáza .)

21. századi fejlemények

2012-ben a National Physical Laboratory és az Imperial College London kutatócsoportja kifejlesztett egy szilárdtest- maszert , amely szobahőmérsékleten működött, és erősítő közegként optikailag szivattyúzott, pentacénnel adalékolt p-terfenilt használt. Néhány száz mikroszekundumig tartó maser emissziós impulzusokat produkált.

2018- ban a londoni Imperial College és a University College London kutatócsoportja folyamatos hullámos rezgést mutatott be nitrogénhiányos hibákat tartalmazó szintetikus gyémántok felhasználásával .

Felhasználások

A Masers nagy pontosságú frekvencia -referenciaként szolgál . Ezek az "atomfrekvencia -szabványok" egyike az atomórák számos formájának . A Masereket alacsony zajú mikrohullámú erősítőként is használták a rádióteleszkópokban , bár ezeket nagyrészt FET-eken alapuló erősítőkkel helyettesítették .

Az 1960-as évek elején a Jet Propulsion Laboratory kifejlesztett egy masert, amely ultra-alacsony zajszintű erősítést biztosít a mély űrszondákból kapott S-sávú mikrohullámú jelekhez. Ez a maser mélyhűtött héliummal hűtötte le az erősítőt 4 kelvin hőmérsékletre  . Az erősítést egy rubin fésűvel 12,0 gigahertzes klystron segítségével végeztük . Az első években napokba telt, amíg lehűtötték és eltávolították a szennyeződéseket a hidrogénvezetékekről. A hűtés kétlépcsős folyamat volt, egy nagy Linde egységgel a földön, és egy keresztfejű kompresszorral az antennán belül. A végső injekció 21 MPa (3000 psi) volt a 150 μm (0,006 in) mikrométerrel állítható bejutáson keresztül a kamrába. Az egész rendszer zajhőmérséklete a hideg égboltot nézve (2,7  kelvin a mikrohullámú sávban) 17 kelvin volt. Ez olyan alacsony zajszintű adatot adott, hogy a Mariner IV űrszonda állóképeket küldhetett vissza a Marsról a Földre, annak ellenére, hogy rádióadójának kimeneti teljesítménye mindössze 15  watt volt , és így a kapott teljes jelteljesítmény mindössze –169  decibel volt tiszteletben egy milliwatt  (dBm).

Hidrogén maser

Fő cikk: Hidrogén maser
Hidrogénmaser.

A hidrogénmasert atomfrekvencia -szabványként használják . Más típusú atomórákkal együtt ezek segítik a Nemzetközi Atomi Idő szabvány létrehozását ("Temps Atomique International" vagy "TAI" franciául). Ez a Nemzetközi Súly- és Mértékegység által koordinált nemzetközi időskála . Norman Ramsey és kollégái először a mesterről fogták fel az időzítési szabványt. Az újabb mesterek gyakorlatilag megegyeznek eredeti kialakításukkal. A Maser rezgések az atomi hidrogén két hiperfinom energiaszintje közötti stimulált emisszióra épülnek . Íme egy rövid leírás a működésükről:

  • Először atomhidrogén -nyalábot állítanak elő. Ez úgy történik, hogy a gázt alacsony nyomáson nagyfrekvenciás rádióhullám- kisülésnek vetik alá (lásd az ezen az oldalon található képet).
  • A következő lépés az "állapotválasztás" - ahhoz, hogy valamilyen stimulált emissziót kapjunk, létre kell hozni az atomok populációinverzióját . Ez a Stern – Gerlach kísérlethez nagyon hasonló módon történik . A nyíláson és a mágneses mezőn való áthaladás után a sugárban található atomok nagy része a lézeres átmenet felső energiaszintjén marad. Ebből az állapotból az atomok az alsó állapotba bomlanak, és mikrohullámú sugárzást bocsáthatnak ki.
  • A magas Q -tényező (minőségi tényező) mikrohullámú üreg korlátozza a mikrohullámokat, és ismételten beinjektálja őket az atomnyalábba. A stimulált sugárzás felerősíti a mikrohullámokat a sugár minden egyes áthaladásakor. Ez az erősítés és visszacsatolás kombinációja határozza meg az összes oszcillátort . A mikrohullámú üreg rezonanciafrekvenciája a hidrogén hiperfinom energiaátmenetének frekvenciájára van hangolva : 1 420 405 752 hertz .
  • A jel kis része a mikrohullámú üregben egy koaxiális kábelbe van kapcsolva, majd egy koherens rádióvevőbe kerül .
  • A maserből érkező mikrohullámú jel nagyon gyenge (néhány picowatt ). A jel frekvenciája rögzített és rendkívül stabil. A koherens vevőt a jel erősítésére és a frekvencia megváltoztatására használják. Ez egy sor fáziszárolt hurok és egy nagy teljesítményű kvarc oszcillátor segítségével történik .

Asztrofizikai mesterek

Fő cikk: Asztrofizikai mester

A Maser-szerű stimulált emissziót a természetben is megfigyelték a csillagközi térből , és gyakran "szuperradiáns emissziónak" nevezik, hogy megkülönböztessük a laboratóriumi mesterektől. Az ilyen kibocsátási tapasztalunk a molekulák, mint például a víz (H 2 O), hidroxil- gyökök ( • OH ), metanol (CH 3 OH), formaldehidet (HCHO), és szilícium-monoxid (SiO). A csillagképző régiók vízmolekulái populációinverzión eshetnek át, és sugárzást bocsáthatnak ki körülbelül 22,0 GHz -en  , ami a rádióuniverzum legfényesebb spektrális vonalát hozza létre . Néhány víz masers is bocsátanak ki sugárzást forgási átmenet egy frekvencia 96 GHz.

A rendkívül erőteljes mastereket, amelyek aktív galaktikus magokkal társulnak , megamestereknek nevezik, és akár milliószor erősebbek, mint a csillagmesterek.

Terminológia

A maser kifejezés jelentése kissé megváltozott bevezetése óta. Kezdetben a betűszót univerzálisan "mikrohullámú erősítésnek stimulált sugárzás -kibocsátással" adták, amely az elektromágneses spektrum mikrohullámú tartományában kibocsátott eszközöket írta le .

A stimulált emisszió elvét és fogalmát azóta több eszközre és frekvenciára is kiterjesztették. Így az eredeti rövidítést néha Charles H. Townes javaslata szerint módosítják " molekuláris amplifikációra stimulált sugárzás -kibocsátással". Néhányan azt állították, hogy Townes azon igyekezetét, hogy ily módon meghosszabbítsa a betűszót, elsősorban az a vágy motiválta, hogy növelje találmányának fontosságát, és hírnevét a tudományos közösségben.

Amikor a lézert kifejlesztették, Townes és Schawlow és kollégáik a Bell Labsban szorgalmazták az optikai maser kifejezés használatát , de ezt nagyrészt elhagyták a rivális Gordon Gould által megalkotott lézer javára . A modern használatban azokat az eszközöket, amelyeket a spektrum infravörös részein keresztül bocsátanak ki a röntgensugárzásba , tipikusan lézereknek , a mikrohullámú tartományban és alatta sugárzó eszközöket pedig általában masereknek nevezik , függetlenül attól, hogy mikrohullámokat vagy más frekvenciákat bocsátanak ki.

Gould eredetileg különböző elnevezéseket javasolt a spektrum minden részében kibocsátó eszközökre, beleértve a csiszolókat ( gamma- lézerek), a xasereket (röntgen-lézerek), az uvasereket ( ultraibolya lézerek), a lézereket ( látható lézereket), a radírokat ( infravörös lézerek), masers (mikrohullámú masers) és rasers ( RF masers). Ezeknek a kifejezéseknek a nagy része azonban soha nem fogott meg, és mára (a sci -fi -n kívül) mindegyik elavult, kivéve a masert és a lézert .

A népi kultúrában

A Godzilla franchise-ban a Japán Önvédelmi Erők (JSDF) gyakran használnak kitalált harckocsikat hiábavaló erőfeszítések során, hogy megvédjék Japánt Godzilla és más Kaiju ellen .

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

  • JR Singer, Masers , John Whiley és Sons Inc., 1959.
  • J. Vanier, C. Audoin, The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards , Adam Hilger, Bristol, 1989.

Külső linkek