hidrogén rádiófrekvenciás kisülés, az első elem egy hidrogén maser belsejében.

A maser olyan eszköz, amely nagyon intenzív, koherens elektromágneses hullámnyalábot hoz létre vagy erősít, különösen a mikrohullámú régióban. Történelmileg a kifejezés a “mikrohullámú erősítés stimulált sugárzással” rövidítésből származik.”A Modern maserek azonban az elektromágneses spektrum széles részén bocsátanak ki. Károly H. Townes, aki az első maser-t kifejlesztő és építő csapatot vezette, ezért javasolta a “mikrohullámú” helyettesítését a “molekuláris” betűszóval. Amikor a masereket az optikai régióban való működésre fejlesztették ki, kezdetben optikai masereknek hívták őket, de egyre gyakoribbá vált, hogy lézerként hivatkoznak rájuk, ahol az “l” a “fényt” jelenti.”

a Maserek rendkívül éles sugárzást produkálnak alacsony belső zaj mellett, és nagy pontosságú frekvenciahivatkozásként szolgálnak. A hidrogén maser, különösen, egy “atomi frekvencia szabvány”, és hasznos, mint az egyik formája atomóra. Nagy érzékenységük miatt a masereket detektorként és elektronikus erősítőként is használják a rádióteleszkópokban. Azok a kísérletek, amelyek először észlelték a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást, maser erősítőt alkalmaztak. Ezt a sugárzást az univerzum Ősrobbanás eredetének tulajdonították.

terminológia

mint fentebb megjegyeztük, a maser-t eredetileg a “mikrohullámú erősítés stimulált sugárzással” rövidítésként javasolták az elektromágneses spektrum mikrohullámú régiójában kibocsátott eszközök leírására. A stimulált emisszió elvét azóta több eszközre és frekvenciára is kiterjesztették, ezért Charles H. Townes javasolta az eredeti rövidítés módosítását ” molekuláris amplifikáció stimulált sugárzással.”amikor a lézert kifejlesztették, Townes, Arthur Schawlow és kollégáik a Bell Labs-nál szorgalmazták az optikai maser kifejezés használatát, de ezt nagyrészt felhagyták a lézer javára, amelyet riválisuk, Gordon Gould talált ki. A modern használatban azokat az eszközöket, amelyek a röntgensugárban a spektrum infravörös részein keresztül bocsátanak ki, általában lézereknek, a mikrohullámú régióban és az alatt kibocsátó eszközöket pedig általában masereknek nevezik.

Gould eredetileg különböző neveket javasolt a spektrum minden részében kibocsátó eszközök számára, beleértve a grasereket (gamma-sugár lézerek), xaserek (röntgen lézerek), uvaserek (ultraibolya lézerek), lézerek (látható lézerek), iraserek (infravörös lézerek), masers (mikrohullámú masers), és rasers (rádiófrekvenciás masers). Ezeknek a kifejezéseknek a többsége, kivéve a masert és a lézert, soha nem ragadt meg, és elavulttá váltak, eltekintve a sci-fiben való használatuktól.

történelem

Az Egyesült Államokban A maser alapjául szolgáló alapelvekről szóló legkorábbi nyilvános előadást Joseph Weber tartotta a Rádiómérnökök Intézetének 1952.júniusi konferenciáján. Körülbelül ugyanebben az időben Nyikolaj Basov és Alekszandr Prohorov, a Lebegyev Fizikai Intézet munkatársa ismertette a maser elméleti alapjait a Szovjetunió Tudományos Akadémiája által 1952 májusában tartott Rádióspektroszkópiai All-Union konferencián. Ezt követően 1954 októberében tették közzé eredményeiket.egymástól függetlenül Charles H. Townes, J. P. Gordon és H. J. Zeiger 1953-ban építette meg az első masert a Columbia Egyetemen. A készülék stimulált emissziót használt feszültség alatt álló ammóniamolekulák áramában, hogy a mikrohullámokat 24 gigahertz frekvencián erősítsék. Townes később Arthur L. Schawlow-val dolgozott együtt az optikai maser vagy lézer elvének leírásában, amelyet először Theodore H. Maiman fejlesztett ki és mutatott be 1960-ban. Az ezen a területen végzett kutatásaikért Townes, Basov és Prokhorov 1964-ben fizikai Nobel-díjat kapott. 1965 óta a csillagászok felfedezték a maserek természetes forrásait az űrben.

általános működési elvek

amikor egy megfelelő anyag (közegnek nevezett) atomjait vagy molekuláit egy adott frekvenciájú fotonokkal bombázzák, akkor “gerjesztett” (magasabb) energiájú állapotba kerülnek, és azonos frekvenciájú fotonokat bocsátanak ki. Ebben az értelemben a maser magában foglalja a sugárzás “stimulált emisszióját”. Azáltal, hogy az erősítő közeget rezonáns üregbe (vagy üregrezonátorba) helyezzük, visszacsatolás jön létre, amely “koherens” sugárzást képes előállítani.”Az elektromágneses hullámokról azt mondják, hogy koherensek, ha ugyanazon a frekvencián, ugyanabban a fázisban terjednek, és ugyanabba az irányba mozognak. Ezzel szemben a legtöbb más forrásból származó elektromágneses hullámok különböző frekvenciatartományban vannak, különböző fázisokban vannak (egymáshoz képest), és gyakorlatilag minden irányban terjednek.

A maser által kibocsátott rádióhullámok frekvenciája közel azonos, és nagy távolságokra történő átvitelük rendkívül hatékony. Az első kifejlesztendő maserben a rezonáns üregben lévő közeg ammóniagáz volt. Ebben az esetben az ammónia molekulái egy bizonyos frekvencián oszcilláltak két energiaállapot között. Újabban egy rubin masert fejlesztettek ki, amelyben egy rubin kristályt helyeznek a rezonáns üregbe. A kettős nemesgáz-maser egy példa egy nem poláros közegre egy maserben.

típusú masers

néhány gyakori típusú masers alább. A nevek jelzik a rezonáns üregben lévő közeget.

Atomsugaras Maser

• ammónia maser
• hidrogén maser

gáz masers

• rubídium maser

szilárdtest masers

• Ruby maser.

hidrogén maser

hidrogén maser.

ma a legfontosabb maser típus a hidrogén maser, amely éles és állandó oszcilláló jelet ad. Az atomi hidrogén átmenetein alapul, amelyek 1421 megahertz frekvencián fordulnak elő. Ezt a masert atomfrekvenciás szabványként használják. Más típusú atomórákkal együtt alkotják a” Temps Atomique International ” – t vagy a TAI-t. Ez a nemzetközi időskála, amelyet a Bureau International des Poids et Mesures vagy BIPM koordinál.

Norman Ramsey és kollégái voltak, akik először felismerték ezt az eszközt. A mai maserek megegyeznek az eredeti kialakítással. A maser oszcilláció az atomi hidrogén két hiperfinom szintje közötti stimulált emisszióra támaszkodik.

hogyan működik

az alábbiakban röviden ismertetjük, hogyan működik a hidrogén-maser.

• először atomi hidrogénnyalábot állítanak elő úgy, hogy alacsony nyomású hidrogéngázt rádiófrekvenciás kisülésnek tesznek ki. (Lásd a jobb oldali ábra alján található négyzetet.)

• a következő lépés az úgynevezett ” állapot kiválasztása.”Ahhoz, hogy valamilyen stimulált emissziót kapjunk, létre kell hozni az atomok populációs inverzióját—vagyis az atomok többségének gerjesztett energiaállapotban kell lennie (nem pedig alacsonyabb energiaállapotban). Ez a híres Stern-Gerlach kísérlethez hasonló módon történik. Miután áthaladt egy nyíláson és egy mágneses mezőn, a nyaláb sok atomja a lasing átmenet felső energiaszintjén marad. Ebből az állapotból az atomok alacsonyabb energiájú állapotba bomlanak, és mikrohullámú sugárzást bocsátanak ki.

• egy kiváló minőségű tényező mikrohullámú üreg korlátozza a mikrohullámokat, és ismételten visszahelyezi őket az atomnyalábba. A stimulált emisszió felerősíti a mikrohullámokat a sugár minden egyes áthaladásán. Az erősítés és a visszacsatolás ezen kombinációja határozza meg az összes oszcillátort. A mikrohullámú üreg rezonáns frekvenciája 1420 405 751,768 Hz, amely pontosan a hidrogén hiperfinom szerkezetére van hangolva.

• a mikrohullámú üregben lévő jel egy kis részét koaxiális kábelbe kapcsolják, és egy koherens vevőhöz továbbítják.

• a mikrohullámú jel jön ki a maser nagyon gyenge teljesítmény (néhány picowatt (pW)). A jel frekvenciája rögzített, de rendkívül stabil. A koherens Vevőt a jel erősítésére és a frekvencia megváltoztatására használják. Ez egy sor fáziszárt hurok és egy nagy teljesítményű kvarc oszcillátor segítségével történik.

Asztrofizikai maserek

stimulált mikrohullámú és rádióhullám-kibocsátást figyeltek meg a csillagászatban, és ezt általában “maszkolásnak” nevezik, még akkor is, ha nincs olyan rezonáns visszacsatolás, amely egy igazi maserhez szükséges lenne. Technikailag a stimulált emisszió ezen formáját szuperradiáns emissziónak nevezik, és szorosan kapcsolódik a lasinghoz és a maszkoláshoz. Ilyen emisszió figyelhető meg olyan molekulákból, mint a víz (H2O), hidroxilgyökök (OH), metanol (CH3OH), formaldehid (CH2O) és szilícium-monoxid (Sio).

Maser-szerű stimulált emisszió is előfordul a természetben a csillagközi térben. A csillagképző régiókban a vízmolekulák populációs inverzión mennek keresztül, és 22 GHz-es sugárzást bocsátanak ki, ami a rádióuniverzum legfényesebb spektrális vonalát hozza létre. Néhány vízmaszkoló sugárzást bocsát ki rezgési módból is 96 GHz-en.

Lásd még

• ammónia
• elektromágneses spektrum
• hidrogén
• lézer
• fény
• mikrohullámú
• Optika

Megjegyzések

• Keating, Michael P. 2002. Geometriai, fizikai és vizuális Optika. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• énekes, J. R. 1959. Masers. New York: Wiley.
• Taylor, Nick. 2000. Lézer: a feltaláló, a Nobel-díjas és a harmincéves szabadalmi háború. New York: Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J. és C. Audoin. 1989. Az Atomfrekvencia-szabványok Kvantumfizikája. Philadelphia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.