Maser - Maser

Første prototype ammoniakkmaser og oppfinner Charles H. Townes . Ammoniakkdysen er til venstre i esken, de fire messingstavene i midten er firpolstilstandsvelgeren , og resonanshulen er til høyre. 24 GHz -mikrobølgene som går ut gjennom den vertikale bølgelederen Townes justerer. Nederst er vakuumpumpene.
En hydrogenradiofrekvensutladning, det første elementet inne i en hydrogenmaser (se beskrivelse nedenfor)

En maser ( / m z ər / , et akronym for mikrobølgeforsterkning ved stimulert emisjon av stråling ) er en enhet som produserer koherente elektromagnetiske bølger gjennom amplifikasjon ved stimulert emisjon . Den første maser ble bygget av Charles H. Townes , James P. Gordon og Herbert J. Zeiger ved Columbia University i 1953. Townes, Nikolay Basov og Alexander Prokhorov ble tildelt Nobelprisen i fysikk fra 1964 for teoretisk arbeid som førte til maser. Masere anvendes som tidtakingsinnretning i atomklokkene , og som svært lavt støynivå mikrobølgeforsterkere i radio teleskoper og dype plass romfartøy kommunikasjon bakkestasjoner.

Moderne masere kan være konstruert for å generere elektromagnetiske bølger ved ikke bare mikrobølgefrekvenser , men også radio og infrarød frekvenser. Av denne grunn foreslo Charles Townes å erstatte "mikrobølgeovn" med ordet "molekylær" som det første ordet i forkortelsen maser .

Den laser arbeider etter samme prinsipp som den maser, men gir høyere frekvens koherent stråling i det synlige bølgelengder. Maser var forløperen til laseren, inspirerende teoretisk arbeid av Townes og Arthur Leonard Schawlow som førte til oppfinnelsen av laseren i 1960 av Theodore Maiman . Da den koherente optiske oscillatoren først ble forestilt i 1957, ble den opprinnelig kalt "optisk maser". Dette ble til slutt endret til laser for "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Gordon Gould får æren for å ha opprettet dette akronymet i 1957.

Historie

De teoretiske prinsippene for drift av en maser ble først beskrevet av Joseph Weber fra University of Maryland, College Park på Electron Tube Research Conference i juni 1952 i Ottawa , med et sammendrag publisert i juni 1953 Transactions of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices, og samtidig av Nikolay Basov og Alexander Prokhorov fra Lebedev Institute of Physics på en All-Union Conference on Radio-Spectroscopy holdt av USSR Academy of Sciences i mai 1952, som deretter ble utgitt i oktober 1954.

Uavhengig, Charles Hard Townes , James P. Gordon og HJ Zeiger bygde den første ammoniakkmaser ved Columbia University i 1953. Denne enheten brukte stimulert utslipp i en strøm av energiserte ammoniakkmolekyler for å produsere forsterkning av mikrobølger med en frekvens på omtrent 24,0 gigahertz . Townes jobbet senere med Arthur L. Schawlow for å beskrive prinsippet om den optiske laseren , eller laseren , som Theodore H. Maiman skapte den første arbeidsmodellen i 1960.

For sin forskning innen stimulert utslipp ble Townes, Basov og Prokhorov tildelt Nobelprisen i fysikk i 1964.

Teknologi

Maser er basert på prinsippet om stimulert utslipp foreslått av Albert Einstein i 1917. Når atomer har blitt indusert til en eksitert energitilstand, kan de forsterke stråling med en frekvens som er spesiell for elementet eller molekylet som brukes som masingsmedium (ligner det som forekommer i lasermediet i en laser).

Ved å sette et slikt forsterkende medium i et resonanshulrom , opprettes tilbakemeldinger som kan produsere koherent stråling .

Noen vanlige typer

  • Atomic beam masers
  • Gassmasere
    • Rubidium maser
    • Flytende fargestoff og kjemisk laser
  • Solid state masers
  • Dobbel edelgassmaser (Den doble edelgassen til et maskeringsmedium som er upolar .)

Utviklingen fra det 21. århundre

I 2012 utviklet et forskerteam fra National Physical Laboratory og Imperial College London en solid-state maser som opererte ved romtemperatur ved å bruke optisk pumpet, pentacen- dopet p-Terphenyl som forsterkermedium. Den produserte pulser av maser -utslipp som varte i noen hundre mikrosekunder.

I 2018 demonstrerte et forskerteam fra Imperial College London og University College London kontinuerlig bølger-maser-oscillasjon ved bruk av syntetiske diamanter som inneholdt nitrogenfeil .

Bruker

Masers fungerer som frekvensreferanser med høy presisjon . Disse "atomfrekvensstandardene" er en av mange former for atomur . Masere ble også brukt som støy med lite støy i mikrobølgeovn i radioteleskoper , selv om disse i stor grad er blitt erstattet av forsterkere basert på FET .

I løpet av begynnelsen av 1960-årene utviklet Jet Propulsion Laboratory en maser for å gi ultralav forsterkning av S-bånds mikrobølgesignaler mottatt fra dype romprober. Denne laseren brukte dypt nedkjølt helium for å avkjøle forsterkeren til en temperatur på 4  kelvin . Forsterkning ble oppnådd ved å spennende en rubinkam med en 12,0 gigahertz klystron . I de første årene tok det dager å slappe av og fjerne urenheter fra hydrogenlinjene. Kjøling var en to-trinns prosess med en stor Linde-enhet på bakken, og en krysshodekompressor inne i antennen. Den siste injeksjonen var ved 21 MPa (3000 psi) gjennom en 150 mikrometer (0,006 tommer) mikrometer-justerbar inngang til kammeret. Hele systemet støy temperatur ser på kald sky (2,7  Kelvin i den mikrobølgebåndet) var 17 kelvin. Dette ga en så lav støy at Mariner IV romsonde kunne sende stillbilder fra Mars tilbake til jorden, selv om utgangseffekten til radiosenderen bare var 15  watt , og dermed var den totale mottatte signaleffekten bare −169  desibel med i forhold til en milliwatt  (dBm).

Hydrogenmaser

En hydrogenmaser.

Hydrogenmaser brukes som en atomfrekvensstandard . Sammen med andre typer atomur hjelper disse med å utgjøre standarden International Atomic Time ("Temps Atomique International" eller "TAI" på fransk). Dette er den internasjonale tidsskalaen koordinert av International Bureau of Weights and Measures . Norman Ramsey og hans kolleger oppfattet først maser som en timingstandard. Nyere masere er praktisk talt identiske med deres opprinnelige design. Maser svingninger er avhengige av stimulert emisjon mellom to hyperfine energinivåer av atomært hydrogen . Her er en kort beskrivelse av hvordan de fungerer:

  • Først produseres en bjelke med atomisk hydrogen. Dette gjøres ved å sende gassen ved lavt trykk til en høyfrekvent radiobølgeutladning (se bildet på denne siden).
  • Det neste trinnet er "tilstandsvalg" - for å få stimulert utslipp er det nødvendig å lage en populasjonsinversjon av atomene. Dette gjøres på en måte som er veldig lik Stern - Gerlach -eksperimentet . Etter å ha passert gjennom en blender og et magnetfelt, blir mange av atomene i strålen igjen i det øvre energinivået i laserovergangen. Fra denne tilstanden kan atomene forfalle til lavere tilstand og avgi litt mikrobølgestråling.
  • En høy Q -faktor (kvalitetsfaktor) mikrobølgehulrum begrenser mikrobølgene og injiserer dem gjentatte ganger i atomstrålen. Den stimulerte utslipp forsterker mikrobølgene ved hver passering gjennom strålen. Denne kombinasjonen av forsterkning og tilbakemelding er det som definerer alle oscillatorer . Den resonansfrekvens av den mikrobølgehulrom er avstemt til frekvensen av den hyperfine energi overgang fra hydrogen: 1420405752 hertz .
  • En liten brøkdel av signalet i mikrobølgeovnen er koblet til en koaksialkabel og deretter sendt til en koherent radiomottaker .
  • Mikrobølgesignalet som kommer ut av maser er veldig svakt (noen få pikowatt ). Frekvensen til signalet er fast og ekstremt stabil. Den koherente mottakeren brukes til å forsterke signalet og endre frekvensen. Dette gjøres ved hjelp av en serie av faselåste sløyfer og en høy ytelse kvartsoscillator .

Astrofysiske masere

Maser-lignende stimulert utslipp har også blitt observert i naturen fra interstellare rom , og det kalles ofte "superradiant emisjon" for å skille det fra laboratoriemasere. Slik emisjon observeres fra molekyler, så som vann (H 2 O), hydroksyl- radikalene ( • OH ), metanol (CH 3 OH), formaldehyd (HCHO) og silisiummonoksid (SiO). Vannmolekyler i stjerne -dannende regioner kan gjennomgå en populasjonsinversjon og sender ut stråling ved ca. 22,0  GHz , noe som skaper den lyseste spektrallinje i radio universet. Noen vannmasere sender også ut stråling fra en rotasjonsovergang med en frekvens på 96 GHz.

Ekstremt kraftige masere, assosiert med aktive galaktiske kjerner , er kjent som megamasere og er opptil en million ganger kraftigere enn stjernemasere.

Terminologi

Betydningen av begrepet maser har endret seg noe siden introduksjonen. Opprinnelig ble akronymet universelt gitt som "mikrobølge amplifikasjon ved stimulert stråling", som beskrev enheter som sendes ut i mikrobølgeområdet i det elektromagnetiske spekteret .

Prinsippet og konseptet med stimulert utslipp har siden blitt utvidet til flere enheter og frekvenser. Dermed blir det opprinnelige akronymet noen ganger modifisert, som foreslått av Charles H. Townes, til " molekylær forsterkning ved stimulert stråling." Noen har hevdet at Townes innsats for å utvide forkortelsen på denne måten først og fremst var motivert av ønsket om å øke betydningen av oppfinnelsen hans, og hans rykte i det vitenskapelige samfunnet.

Da laseren ble utviklet, presset Townes og Schawlow og deres kolleger på Bell Labs bruken av begrepet optisk maser , men dette ble stort sett forlatt til fordel for laser , myntet av sin rival Gordon Gould. I moderne bruk kalles enheter som sender ut i røntgenstrålen gjennom infrarøde deler av spekteret vanligvis lasere , og enheter som sender ut i mikrobølgeområdet og under, kalles vanligvis masere , uavhengig av om de sender ut mikrobølger eller andre frekvenser.

Gould foreslo opprinnelig forskjellige navn på enheter som avgir i hver del av spekteret, inkludert fangere ( gammastråler ), xasere (røntgenlasere), uvasere ( ultrafiolette lasere), lasere ( synlige lasere), irasere ( infrarøde lasere), masers (mikrobølge masere) og rasers ( RF masers). De fleste av disse begrepene tok imidlertid aldri fatt, og alle har nå blitt (bortsett fra i science fiction) foreldet bortsett fra maser og laser .

I populærkulturen

I Godzilla- serien bruker de japanske selvforsvarsstyrkene (JSDF) ofte fiktive masertanker i en meningsløs innsats for å forsvare Japan fra Godzilla og andre Kaiju .

Se også

Referanser

Videre lesning

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

Eksterne linker