usta - Maser

İlk prototip amonyak maser ve mucit Charles H. Townes . Amonyak nozulu kutuda solda, merkezdeki dört pirinç çubuk dört kutuplu durum seçicidir ve rezonans boşluğu sağdadır. 24 GHz mikrodalgalar, Townes'ın ayarladığı dikey dalga kılavuzundan çıkıyor . Altta vakum pompaları var.
Bir hidrojen maserinin içindeki ilk element olan bir hidrojen radyo frekansı deşarjı (aşağıdaki açıklamaya bakın)

Bir maser ( / m z ər / için bir kısaltmadır radyasyonun uyanlmış emisyonunun mikrodalga amplifikasyonu ) üreten bir cihaz olup , tutarlı elektromanyetik dalgalar ile amplifikasyonu ile uyarılmış ışıma . İlk usta, 1953'te Columbia Üniversitesi'nde Charles H. Townes , James P. Gordon ve Herbert J. Zeiger tarafından inşa edildi . Ustaya yol açan teorik çalışmaları nedeniyle Townes, Nikolay Basov ve Alexander Prokhorov 1964 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü . Maser'ler, atomik saatlerde zaman tutma cihazı olarak ve radyo teleskoplarında ve derin uzay uzay aracı iletişim yer istasyonlarında son derece düşük gürültülü mikrodalga amplifikatörleri olarak kullanılır .

Modern ustalar, yalnızca mikrodalga frekanslarında değil, aynı zamanda radyo ve kızılötesi frekanslarında da elektromanyetik dalgalar üretecek şekilde tasarlanabilir . Bu nedenle Charles Townes, maser kısaltmasındaki ilk kelime olarak "mikrodalga"nın "moleküler" kelimesiyle değiştirilmesini önerdi .

Lazer maser olarak aynı prensip ile çalışır, ancak daha yüksek bir frekans üreten koherent radyasyonu görünür dalga boyu. Maser, lazerin öncüsüydü ve Townes ve Arthur Leonard Schawlow'un 1960 yılında Theodore Maiman tarafından lazerin icadına yol açan teorik çalışmalara ilham verdi . Tutarlı optik osilatör 1957'de ilk kez hayal edildiğinde, başlangıçta "optik usta" olarak adlandırıldı. Bu sonuçta "Radyasyonun Uyarılmış Emisyonuyla Işık Amplifikasyonu" için lazer olarak değiştirildi . Gordon Gould , 1957'de bu kısaltmayı yaratmasıyla tanınır.

Tarih

Bir maser çalışmasını düzenleyen teorik ilkeler ilk tarafından tarif edildi Joseph Weber ait Maryland Üniversitesi, College Park içinde Haziran 1952'de Elektron Tüp Araştırma Konferansı'nda Ottawa Radyo Mühendisleri Enstitüsü Haziran 1953 İşlemler yayınlanan bir özeti ile birlikte Elektron Cihazları Profesyonel Grubu ve eş zamanlı olarak Lebedev Fizik Enstitüsü'nden Nikolay Basov ve Alexander Prokhorov tarafından Mayıs 1952'de SSCB Bilimler Akademisi tarafından düzenlenen ve daha sonra Ekim 1954'te yayınlanan Radyo-Spektroskopi Üzerine Bir All-Union Konferansında .

Bağımsız olarak, Charles Hard Townes , James P. Gordon ve HJ Zeiger , 1953'te Columbia Üniversitesi'nde ilk amonyak maserini yaptı . Bu cihaz , yaklaşık 24.0 gigahertz frekansında mikrodalgaların amplifikasyonunu üretmek için enerjilendirilmiş amonyak molekülleri akışında uyarılmış emisyon kullandı . Townes daha sonra , Theodore H. Maiman'ın 1960 yılında ilk çalışma modelini yarattığı optik maser veya lazer ilkesini tanımlamak için Arthur L. Schawlow ile birlikte çalıştı .

Uyarılmış emisyon alanındaki araştırmaları için Townes, Basov ve Prokhorov, 1964'te Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü .

teknoloji

Maser, 1917'de Albert Einstein tarafından önerilen uyarılmış emisyon ilkesine dayanmaktadır. Atomlar uyarılmış bir enerji durumuna indüklendiklerinde, kütleleme ortamı olarak kullanılan element veya moleküle özgü bir frekansta radyasyonu yükseltebilirler (buna benzer). lazerde lazer ortamında oluşur).

Böyle bir yükseltici ortamı bir rezonans boşluğuna koyarak , tutarlı radyasyon üretebilen geri besleme yaratılır .

Bazı yaygın türler

21. yüzyıl gelişmeleri

2012 yılında, Ulusal Fizik Laboratuvarı ve Imperial College London'dan bir araştırma ekibi , amplifikatör ortamı olarak optik olarak pompalanmış, pentasen katkılı p-Terfenil kullanarak oda sıcaklığında çalışan bir katı hal ustası geliştirdi . Birkaç yüz mikrosaniye süren maser emisyon darbeleri üretti.

2018'de Imperial College London ve University College London'dan bir araştırma ekibi, nitrojen boşluğu kusurları içeren sentetik elmaslar kullanarak sürekli dalga maser salınımını gösterdi .

kullanır

Masers, yüksek hassasiyetli frekans referansları olarak hizmet eder . Bu "atomik frekans standartları", atomik saatlerin birçok biçiminden biridir . Maserleri olarak da kullanıldı düşük gürültü mikrodalga yükselteçler içinde radyo teleskoplar bu ölçüde dayalı yükselteçler yerini almış olsa da, FET .

1960'ların başlarında, Jet Propulsion Laboratory , derin uzay sondalarından alınan S-bandı mikrodalga sinyallerinin ultra düşük gürültülü amplifikasyonunu sağlamak için bir maser geliştirdi . Bu usta, amplifikatörü 4 kelvin sıcaklığa kadar soğutmak için derinlemesine soğutulmuş helyum kullandı  . Amplifikasyon, bir 12.0 gigahertz klistron ile bir yakut tarağını heyecanlandırarak sağlandı . İlk yıllarda, hidrojen hatlarından yabancı maddeleri soğutmak ve uzaklaştırmak günler aldı. Soğutma, yerde büyük bir Linde ünitesi ve anten içinde bir çapraz kafa kompresörü ile iki aşamalı bir işlemdi. Son enjeksiyon, hazneye 150 um (0,006 inç) mikrometre ile ayarlanabilir bir giriş yoluyla 21 MPa'da (3.000 psi) idi. Soğuk gökyüzüne bakıldığında tüm sistem gürültü sıcaklığı ( mikrodalga bandında 2,7  kelvin ) 17 kelvin idi. Bu öyle bir düşük gürültü rakam verdi Mariner IV uzay sondası hala fotoğraf gönderebilir Mars için arka Dünya'nın kendi çıkış gücü olsa bile radyo vericisi sadece 15 idi  watt ve dolayısıyla toplam sinyal güçtü alınan tek -169  desibel ile bir saygı miliwatt  (dBm).

hidrojen ustası

Bir hidrojen ustası.

Hidrojen maseri atomik frekans standardı olarak kullanılır . Diğer atomik saat türleri ile birlikte, bunlar Uluslararası Atomik Saat standardını oluşturmaya yardımcı olur (Fransızca "Temps Atomique International" veya "TAI"). Bu, Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu tarafından koordine edilen uluslararası zaman ölçeğidir . Norman Ramsey ve meslektaşları, ilk önce ustayı bir zamanlama standardı olarak tasarladılar. Daha yeni ustalar, orijinal tasarımlarıyla pratik olarak aynıdır. Maser salınımları , atomik hidrojenin iki aşırı ince enerji seviyesi arasındaki uyarılmış emisyona dayanır . İşte nasıl çalıştıklarının kısa bir açıklaması:

  • İlk olarak, bir atomik hidrojen ışını üretilir. Bu, gazın düşük basınçta yüksek frekanslı radyo dalgası deşarjına gönderilmesiyle yapılır (bu sayfadaki resme bakın).
  • Bir sonraki adım, "durum seçimi"dir - uyarılmış bir emisyon elde etmek için , atomların popülasyon ters çevrilmesini oluşturmak gerekir . Bu, Stern-Gerlach deneyine çok benzer bir şekilde yapılır . Bir açıklıktan ve bir manyetik alandan geçtikten sonra, ışındaki atomların çoğu kalıcı geçişin üst enerji seviyesinde kalır. Bu durumdan, atomlar daha düşük duruma bozunabilir ve bir miktar mikrodalga radyasyonu yayabilir.
  • Yüksek bir Q faktörü (kalite faktörü) mikrodalga boşluğu , mikrodalgaları sınırlar ve onları tekrar tekrar atom ışınına yeniden enjekte eder. Uyarılmış emisyon, ışın boyunca her geçişte mikrodalgaları yükseltir. Bu amplifikasyon ve geri besleme kombinasyonu , tüm osilatörleri tanımlayan şeydir . Rezonans frekansı mikrodalga boşluğunun aşırı ince frekansına ayarlanır enerji geçiş 1420405752: hidrojen hertz .
  • Mikrodalga boşluğundaki sinyalin küçük bir kısmı koaksiyel bir kabloya bağlanır ve daha sonra uyumlu bir radyo alıcısına gönderilir .
  • Maserden gelen mikrodalga sinyali çok zayıf (birkaç pikawatt ). Sinyalin frekansı sabittir ve son derece kararlıdır. Uyumlu alıcı, sinyali yükseltmek ve frekansı değiştirmek için kullanılır. Bu, bir dizi faz kilitli döngü ve yüksek performanslı bir kuvars osilatör kullanılarak yapılır .

Astrofizik ustaları

Maser benzeri uyarılmış emisyon, doğada yıldızlararası uzaydan da gözlemlenmiştir ve onu laboratuvar ustalarından ayırt etmek için sıklıkla "süper ışıma" olarak adlandırılır. Bu tür emisyon, su (H 2 O), hidroksil radikalleri ( •OH ), metanol (CH 3 OH), formaldehit (HCHO) ve silikon monoksit (SiO) gibi moleküllerden gözlenir . Yıldız oluşturan bölgelerdeki su molekülleri, bir popülasyon tersine çevrilebilir ve yaklaşık 22.0 GHz'de radyasyon yayabilir  , bu da radyo evrenindeki en parlak tayf çizgisini oluşturur . Bazı su maserleri da radyasyonu yayar dönme geçiş bir de frekans 96 GHz.

Aktif galaktik çekirdeklerle ilişkili son derece güçlü ustalar , mega ustalar olarak bilinir ve yıldız ustalarından bir milyon kat daha güçlüdür.

terminoloji

Maser teriminin anlamı , tanıtılmasından bu yana biraz değişti. Başlangıçta kısaltma evrensel olarak elektromanyetik spektrumun mikrodalga bölgesinde yayılan cihazları tanımlayan "uyarılmış radyasyon emisyonu ile mikrodalga amplifikasyonu" olarak verildi .

Uyarılmış emisyon ilkesi ve konsepti o zamandan beri daha fazla cihaz ve frekansa genişletildi. Bu nedenle, orijinal kısaltma bazen, Charles H. Townes tarafından önerildiği gibi, " uyarılmış radyasyon emisyonu ile moleküler amplifikasyon " olarak değiştirilir . Bazıları, Townes'ın kısaltmayı bu şekilde genişletme çabalarının, öncelikle buluşunun önemini ve bilim camiasındaki itibarını artırma arzusundan kaynaklandığını iddia etti.

Lazer geliştirildiğinde, Townes ve Schawlow ve Bell Laboratuarlarındaki meslektaşları optik maser teriminin kullanımını zorladı , ancak bu, rakipleri Gordon Gould tarafından icat edilen lazer lehine büyük ölçüde terk edildi . Modern kullanımda, spektrumun kızılötesi kısımları aracılığıyla X-ışını yayan cihazlara tipik olarak lazerler denir ve mikrodalga bölgesinde ve altında yayılan cihazlara, mikrodalga veya diğer frekanslar yaymalarına bakılmaksızın genel olarak maserler denir .

Gould, başlangıçta, graserler ( gama ışını lazerleri), xasers (x-ışını lazerleri), uvaserler ( ultraviyole lazerler), lazerler ( görünür lazerler), irasers ( kızılötesi lazerler), dahil olmak üzere spektrumun her bölümünde yayan cihazlar için farklı isimler önerdi. maserleri (mikrodalga maserleri) ve rasers ( RF maserleri). Bununla birlikte, bu terimlerin çoğu hiçbir zaman anlaşılmadı ve artık maser ve lazer hariç tümü (bilimkurgu dışında) modası geçmiş oldu .

popüler kültürde

In Godzilla serisinin, Japon Öz Savunma Kuvvetleri (JSDF) sıklıkla savunmak için beyhude çaba içinde kurgusal mazer tankları kullanmak Japonya Godzilla ve diğerinden Kaiju .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • JR Singer, Masers , John Whiley ve Sons Inc., 1959.
  • J. Vanier, C. Audoin, Atomik Frekans Standartlarının Kuantum Fiziği , Adam Hilger, Bristol, 1989.

Dış bağlantılar