vetyradiotaajuuspurkaus, ensimmäinen alkuaine vetymaserin sisällä.

maser on laite, joka tuottaa tai vahvistaa erittäin voimakasta, koherenttia sähkömagneettisten aaltojen sädettä erityisesti mikroaaltoalueella. Historiallisesti termi tuli lyhenteestä ” Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.”Nykyaikaiset maserit säteilevät kuitenkin suuren osan sähkömagneettisesta spektristä. Tri Charles H. Townes, joka johti ensimmäisen maserin kehittänyttä ja rakentanutta tiimiä, ehdottikin ”microwave” – sanan korvaamista lyhenteellä ”molecular”. Kun masereita kehitettiin toimimaan optisella alueella, niitä kutsuttiin aluksi optisiksi masereiksi, mutta on yleistynyt viitata niihin lasereina, missä ”l” tarkoittaa ”valoa.”

Maserit tuottavat erittäin terävää säteilyä, jossa on alhainen sisäinen kohina, ja ne toimivat korkean tarkkuuden taajuuden referensseinä. Erityisesti vetymasseri on ”atomitaajuusstandardi”, ja se on käyttökelpoinen yhtenä atomikellon muotona. Suuren herkkyytensä vuoksi masereita käytetään myös ilmaisimina ja elektronisina vahvistimina radioteleskoopeissa. Kokeissa, joissa kosminen taustasäteily havaittiin ensimmäisen kerran, käytettiin maser-vahvistinta. Tämän säteilyn on katsottu johtuvan maailmankaikkeuden Alkuräjähdyksestä.

terminologia

kuten edellä todettiin, maseria ehdotettiin alun perin lyhenteeksi sanoista ”microwave amplification by stimulated Emission of radiation” kuvaamaan sähkömagneettisen spektrin mikroaaltoalueella säteileviä laitteita. Stimuloidun emission periaatetta on sittemmin laajennettu koskemaan useampia laitteita ja taajuuksia, ja niinpä Charles H. Townes ehdotti alkuperäisen lyhenteen muuttamista muotoon ”molecular amplification by stimulated Emission of radiation.”

kun laseria kehitettiin, Townes, Arthur Schawlow ja heidän kollegansa Bell Labsissa ajoivat optisen maser-termin käyttöä, mutta tästä luovuttiin pitkälti kilpailijansa Gordon Gouldin keksimän laserin hyväksi. Nykyaikaisessa käytössä laitteita, jotka säteilevät röntgensäteessä spektrin infrapunaosuuksien kautta, kutsutaan tyypillisesti lasereiksi, ja laitteita, jotka säteilevät mikroaaltoalueella ja sen alapuolella, kutsutaan yleisesti masereiksi.

Gould ehdotti alun perin erillisiä nimiä laitteille, jotka lähettävät spektrin jokaisessa osassa, mukaan lukien graserit (gammasäteilylaserit), xaserit (röntgenlaserit), uvaserit (ultraviolettilaserit), laserit (näkyvät laserit), iraserit (infrapunalaserit), maserit (mikroaaltolaserit) ja raserit (radiotaajuuslaserit). Useimmat näistä termeistä, maseria ja laseria lukuun ottamatta, eivät koskaan tarttuneet ja ovat vanhentuneet, lukuun ottamatta niiden käyttöä tieteiskirjallisuudessa.

historia

Yhdysvalloissa varhaisimman yleisöluennon maserin taustalla olevista periaatteista piti Joseph Weber kesäkuussa 1952 Institute of Radio Engineersin konferenssissa. Samoihin aikoihin Nikolai Basov ja Alexander Prokhorov, Lebedev Institute of Physics kuvattu teoreettisen perustan maser on All-Unionin konferenssissa Radio-spektroskopia järjestetään Neuvostoliiton tiedeakatemian toukokuussa 1952. He julkaisivat tuloksensa lokakuussa 1954.

itsenäisesti Charles H. Townes, J. P. Gordon ja H. J. Zeiger rakensivat ensimmäisen maserin Columbian yliopistoon vuonna 1953. Laite käytti stimuloitua emissiota viritetyssä ammoniakkimolekyylien virrassa tuottamaan mikroaaltojen vahvistusta 24 gigahertsin taajuudella. Townes työskenteli myöhemmin Arthur L. Schawlow ’ n kanssa kuvatakseen optisen maserin eli laserin periaatteen, jonka kehitti ja demonstroi ensimmäisenä Theodore H. Maiman vuonna 1960. Tämän alan tutkimuksistaan Townes, Basov ja Prokhorov saivat Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1964. Vuodesta 1965 tähtitieteilijät ovat löytäneet avaruudesta luonnollisia masereiden lähteitä.

yleiset toimintaperiaatteet

kun sopivan aineen (väliaineen) atomeja tai molekyylejä pommitetaan tietyn taajuisilla fotoneilla, ne menevät ”virittyneeseen” (korkeampaan) energiatilaan ja emittoivat saman taajuisia fotoneja. Tässä mielessä maser tarkoittaa säteilyn ”stimuloitua emissiota”. Laittamalla vahvistinväliaine resonanssionteloon (tai onteloresonaattoriin) syntyy palautetta, joka voi tuottaa ”koherenttia säteilyä.”Sähkömagneettisten aaltojen sanotaan olevan koherentteja, kun ne etenevät samalla taajuudella samassa vaiheessa, ja ne liikkuvat samaan suuntaan. Sen sijaan useimpien muiden lähteiden sähkömagneettisilla aalloilla on eri taajuuksia, ne ovat eri vaiheissa (suhteessa toisiinsa), ja ne leviävät käytännössä kaikkiin suuntiin.

maserin lähettämillä radioaalloilla on lähes sama taajuus ja niiden siirto pitkillä etäisyyksillä on erittäin tehokasta. Ensimmäisessä kehitetyssä maserissa resonanssiontelon väliaineena oli ammoniakkikaasu. Tällöin ammoniakin molekyylit värähtelevät tietyllä taajuudella kahden energiatilan välillä. Viime aikoina on kehitetty rubiinimaser, jossa rubiinikide asetetaan resonanssionteloon. Kaksois-jalokaasumaseeri on esimerkki ei-polaarisesta väliaineesta maserissa.

maserityypit

joitakin yleisiä maserityyppejä on lueteltu alla. Nimet viittaavat resonanssiontelossa olevaan väliaineeseen.

Atomisuihkumaserit

• Ammoniakkimaserit
• Vetymaserit

Kaasumaserit

• Rubidiummaserit

Solid State masers

• Ruby maser.

Vetymaseeri

Vetymaseeri.

nykyään tärkein maserityyppi on vetymaser, joka antaa terävän ja jatkuvan värähtelevän signaalin. Se perustuu atomivedyssä tapahtuviin siirtymiin, jotka tapahtuvat 1421 megahertsin taajuudella. Tätä maseria käytetään atomitaajuusstandardina. Yhdessä muiden atomikellojen kanssa ne muodostavat ”Temps Atomique Internationalin” eli TAIN. Tämä on kansainvälinen aikaskaala, jota koordinoi Bureau International des Poids et Mesures eli BIPM.

Norman Ramsey kollegoineen tajusi laitteen ensimmäisenä. Nykyiset maserit ovat identtisiä alkuperäisen mallin kanssa. Maser-värähtely perustuu stimuloituun emissioon atomivedyn kahden hyperfiinitason välillä.

miten se toimii

Seuraavassa on lyhyt kuvaus siitä, miten vetymasseri toimii.

• ensin syntyy atomivetyä sisältävä säde, joka altistaa vetykaasun matalapaineessa radiotaajuiselle purkaukselle. (Katso oikealla olevan kaavion alalaidassa olevaa laatikkoa.)

• seuraava vaihe tunnetaan nimellä ”valtion valinta.”Jonkin stimuloidun emission saamiseksi on välttämätöntä luoda atomeille populaationversio – toisin sanoen useimpien atomien on oltava jännittyneessä energiatilassa (eikä matalammassa energiatilassa). Tämä tehdään samalla tavalla kuin kuuluisa Stern-Gerlach kokeilu. Läpäistyään aukon ja magneettikentän monet säteen atomeista jäävät lasing-siirtymän ylempään energiatasoon. Tästä tilasta atomit voivat hajota alempaan energiatilaan ja lähettää jonkin verran mikroaaltosäteilyä.

• korkealaatuisen tekijän mikroaaltoontelo sulkee mikroaallot ja siirtää ne toistuvasti atomisäteeseen. Stimuloitu emissio vahvistaa jokaisen säteen läpi kulkevan mikroaaltoja. Tämä yhdistelmä vahvistus ja palaute määrittelee kaikki oskillaattorit. Mikroaaltoaukon resonanssitaajuus on 1420 405 751,768 Hz, joka on täsmälleen viritetty vedyn hyperfiinirakenteeseen.

• pieni osa mikroaaltoontelossa olevasta signaalista kytketään koaksiaalikaapeliin ja lähetetään koherenttiin vastaanottimeen.

• maserista tulevan mikroaaltosignaalin teho on hyvin heikko (muutama pikowatti (PW)). Signaalin taajuus on kiinteä, mutta erittäin vakaa. Koherenttia vastaanotinta käytetään signaalin vahvistamiseen ja taajuuden muuttamiseen. Tämä tehdään käyttämällä sarjan vaihe-lukittu silmukoita ja korkean suorituskyvyn kvartsi oskillaattori.

Astrofysikaalisia masereita

Stimuloituja mikroaalto-ja radioaalto-emissioita havaitaan tähtitieteessä, ja Tätä kutsutaan yleensä ”masingiksi”, vaikka todelliselta maserilta vaadittavaa resonanssipalautetta ei olisikaan. Teknisesti tätä stimuloidun emission muotoa kutsutaan superradianttiemissioksi, ja se liittyy läheisesti lasingiin ja masingiin. Tällaisia päästöjä havaitaan molekyyleistä, kuten vedestä (H2O), hydroksyyliradikaaleista (OH), metanolista (CH3OH), formaldehydistä (CH2O) ja piimonoksidista (SiO).

Maser-tyyppistä stimuloitua emissiota esiintyy luonnossa myös tähtienvälisessä avaruudessa. Tähdenmuodostusalueiden vesimolekyylit voivat käydä läpi populaation inversion ja lähettää säteilyä 22 GHz: n taajuudella, jolloin syntyy radiouniversumin kirkkain spektriviiva. Jotkut vesimaserit lähettävät säteilyä myös värähtelytilasta 96 GHz taajuudella.

Katso myös

• ammoniakki
• Sähkömagneettinen spektri

vety Laser

• valo

Mikroaaltouuni Optiikka

1. 1,0 1,1 Townes, Charles H. 1964. Nobel-Luento. Nobel-Palkinto. Viitattu 19. Kesäkuuta 2008.
2. Taylor 2000, 66-70.
3. Gaurang B. Yodh ja Richard F. Wallis. 2001. Muistokirjoitukset: Joseph Weber. Fysiikka Tänään 54 (7): 74. Viitattu 19. Kesäkuuta 2008.
4. kaksijakoinen Jalokaasumaseeri. Walsworth Group. Viitattu 19. Kesäkuuta 2008.

• Keating, Michael P. 2002. Geometrinen, fyysinen ja visuaalinen Optiikka. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• laulaja, J. R. 1959. Masereita. Wiley.
• Taylor, Nick. 2000. LASER: keksijä, nobelisti ja kolmikymmenvuotinen patenttisota. New York: Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J. ja C. Audoin. 1989. Atomitaajuusstandardien Kvanttifysiikka. Philadelphia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.

lopputekstit

New World Encyclopedia kirjoittajat ja toimittajat kirjoittivat ja täydensivät Wikipedian artikkelia New World Encyclopedia-standardien mukaisesti. Tämä artikkeli noudattaa Creative Commons CC-by-sa 3.0-lisenssin (CC-by-sa) ehtoja, joita voidaan käyttää ja levittää asianmukaisesti. Tämä lisenssi voi viitata sekä New World Encyclopedia-avustajiin että Wikimedia Foundationin epäitsekkäisiin vapaaehtoisiin avustajiin. Voit mainita tämän artikkelin klikkaa tästä luettelo hyväksyttävistä vedoten muodoissa.Wikipedialaisten aikaisempien osuuksien historia on tutkijoiden luettavissa täällä:

• Maser history

tämän artikkelin historia siitä lähtien, kun se tuotiin New World Encyclopedia:

• History of ”Maser”

Huomautus: yksittäisten erikseen lisensoitujen kuvien käyttöön saatetaan soveltaa joitakin rajoituksia.