een waterstofradiofrequentie-ontlading, het eerste element in een waterstofmaser.

een maser is een apparaat dat een zeer intense, coherente bundel van elektromagnetische golven produceert of versterkt, met name in het microgolfgebied. Historisch gezien kwam de term van het acroniem “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.”Moderne masers zenden echter over een breed deel van het elektromagnetische spectrum uit. Charles H. Townes, die het team leidde dat de eerste maser ontwikkelde en bouwde, stelde daarom voor om “microwave” te vervangen door” molecular ” in het acroniem. Toen masers werden ontwikkeld om te werken in het optische gebied, werden ze aanvankelijk optische masers genoemd, maar het is meer gebruikelijk om naar hen te verwijzen als lasers, waar “l” staat voor “licht.”

Masers produceren extreem scherpe straling met een laag inwendig geluid en dienen als zeer nauwkeurige frequentieverwijzingen. De waterstofmaser, in het bijzonder, is een “atomaire frequentie standaard” en is nuttig als een vorm van atoomklok. Gezien hun hoge gevoeligheid worden masers ook gebruikt als detectoren en elektronische versterkers in radiotelescopen. De experimenten die de kosmische achtergrondstraling voor het eerst detecteerden, gebruikten een maserversterker. Deze straling wordt toegeschreven aan de oerknal oorsprong van het heelal.

terminologie

zoals hierboven vermeld, werd maser aanvankelijk voorgesteld als een acroniem voor “microwave amplification by stimulated emission of radiation”, om apparaten te beschrijven die in het microgolfgebied van het elektromagnetische spectrum worden uitgezonden. Het principe van gestimuleerde emissie is sindsdien uitgebreid tot meer apparaten en frequenties, en zo stelde Charles H. Townes voor het oorspronkelijke acroniem te wijzigen in “moleculaire versterking door gestimuleerde emissie van straling.toen de laser werd ontwikkeld, drongen Townes, Arthur Schawlow en hun collega ‘ s van Bell Labs aan op het gebruik van de term optische maser, maar dit werd grotendeels opgegeven ten gunste van laser, bedacht door hun rivaal Gordon Gould. In modern gebruik, worden apparaten die in de Röntgenstraal door infrarode delen van het spectrum uitzenden typisch lasers genoemd, en apparaten die in het microgolfgebied en hieronder uitzenden worden algemeen genoemd masers.Gould stelde oorspronkelijk verschillende namen voor voor apparaten die in elk deel van het spectrum uitzenden, waaronder grasers (gamma-ray lasers), xasers (x-ray lasers), uvasers (ultraviolet lasers), lasers (zichtbare lasers), irasers (infrarood lasers), masers (microgolfmasers) en rasers (radiofrequentiemasers). De meeste van deze termen, behalve maser en laser, zijn nooit gebruikt en verouderd, afgezien van hun gebruik in science fiction.in de Verenigde Staten werd de eerste openbare lezing over de principes die ten grondslag liggen aan de maser gegeven door Joseph Weber op de conferentie van het Institute of Radio Engineers in juni 1952. Rond dezelfde tijd, Nikolaj Basov en Alexander Prokhorov van het Lebedev Instituut voor Natuurkunde beschreven de theoretische basis voor de maser op een All-Union conferentie over Radio-spectroscopie gehouden door de USSR Academy of Sciences in mei 1952. Vervolgens publiceerden zij hun resultaten in oktober 1954.in 1953 bouwden Charles H. Townes, J. P. Gordon en H. J. Zeiger de eerste maser aan de Columbia University. Het apparaat gebruikte gestimuleerde emissie in een stroom van onder spanning staande ammoniakmoleculen om microgolven te versterken met een frequentie van 24 gigahertz. Townes werkte later samen met Arthur L. Schawlow om het principe van de optische maser of laser te beschrijven, die voor het eerst werd ontwikkeld en gedemonstreerd door Theodore H. Maiman in 1960. Voor hun onderzoek op dit gebied kregen Townes, Basov en Prochorov in 1964 de Nobelprijs voor de natuurkunde. Sinds 1965 hebben astronomen natuurlijke bronnen van masers in de ruimte ontdekt.

Algemene werkingsprincipes

wanneer atomen of moleculen van een geschikte stof (een medium genoemd) worden gebombardeerd met fotonen van een bepaalde frequentie, gaan ze in een “opgewekte” (hogere) energietoestand en geven ze fotonen van dezelfde frequentie uit. In deze zin omvat de maser “gestimuleerde emissie” van straling. Door het versterkende medium in een resonante holte (of holte resonator) te plaatsen, wordt feedback gecreëerd die straling kan produceren die “coherent is.”Elektromagnetische golven worden gezegd coherent te zijn wanneer ze worden gepropageerd op dezelfde frequentie in dezelfde fase, en ze bewegen in dezelfde richting. Daarentegen hebben elektromagnetische golven van de meeste andere bronnen een bereik van verschillende frequenties, ze bevinden zich in verschillende fasen (ten opzichte van elkaar), en ze worden verspreid in vrijwel alle richtingen.

radiogolven die door een maser worden uitgezonden, hebben bijna dezelfde frequentie en hun transmissie over lange afstanden is zeer efficiënt. In de eerste te ontwikkelen maser was het medium in de resonantholte ammoniakgas. In dit geval schommelden de ammoniakmoleculen met een bepaalde frequentie tussen twee energietoestanden. Meer recent is een robijn maser ontwikkeld, waarin een robijn kristal wordt geplaatst in de resonant holte. De dual noble gas maser is een voorbeeld van een niet-polair medium in een maser.

soorten masers

enkele veel voorkomende soorten masers worden hieronder vermeld. De namen geven het medium aan dat aanwezig is in de resonante holte.

Atomic beam Maser

• Ammonia maser
• waterstof maser

Gas Maser

• Rubidium maser

vaste stof Maser

• Ruby maser.

Waterstofmaser

een waterstofmaser.

tegenwoordig is het belangrijkste type maser de waterstofmaser, die een scherp en constant Oscillerend signaal geeft. Het is gebaseerd op overgangen in atomaire waterstof die optreden met een frequentie van 1421 megahertz. Deze maser wordt gebruikt als atomaire frequentie standaard. Samen met andere typen atoomklokken vormen ze de “Temps Atomique International” of TAI. Dit is de internationale tijdschaal, die wordt gecoördineerd door het Bureau International des Poids et Mesures, ofwel BIPM.het was Norman Ramsey en zijn collega ‘ s die dit apparaat voor het eerst realiseerden. De masers van vandaag zijn identiek aan het oorspronkelijke ontwerp. De maser-oscillatie berust op gestimuleerde emissie tussen twee hyperfijne niveaus van atomaire waterstof.

hoe het werkt

Hieronder volgt een korte beschrijving van hoe een waterstofmaser werkt.

• eerst wordt een bundel atomaire waterstof geproduceerd door waterstofgas bij lage druk bloot te stellen aan een radiofrequente ontlading. (Zie het kader aan de onderkant van het diagram aan de rechterkant.)

• de volgende stap staat bekend als ” state selection.”Om wat gestimuleerde emissie te krijgen, is het noodzakelijk om een populatie—inversie van de atomen te creëren-dat wil zeggen, de meeste atomen MOETEN in de opgewekte energietoestand zijn (in plaats van in een lagere energietoestand). Dit gebeurt op een manier die vergelijkbaar is met het beroemde Stern-Gerlach experiment. Na het passeren van een opening en een magnetisch veld, worden veel van de atomen in de bundel achtergelaten in het bovenste energieniveau van de lasertransitie. Vanuit deze toestand kunnen de atomen vervallen tot de lagere energietoestand en wat microgolfstraling uitzenden.

• Een microgolfholte van hoge kwaliteit beperkt de microgolven en injecteert ze herhaaldelijk in de atoomstraal. De gestimuleerde emissie versterkt de microgolven op elke doorgang door de bundel. Deze combinatie van versterking en feedback definieert alle oscillatoren. De resonantiefrequentie van de microgolfholte is 1420 405 751.768 Hz, die precies is afgestemd op de hyperfijne structuur van waterstof.

• een klein deel van het signaal in de microgolfholte wordt gekoppeld aan een coaxkabel en naar een coherente ontvanger gestuurd.

• het microgolfsignaal dat uit de maser komt, heeft een zeer zwak vermogen (enkele picowatt (pW)). De frequentie van het signaal is vast maar extreem stabiel. De coherente ontvanger wordt gebruikt om het signaal te versterken en de frequentie te veranderen. Dit wordt gedaan met behulp van een reeks fase-vergrendelde lussen en een hoogwaardige kwarts oscillator.

astrofysische masers

gestimuleerde microgolf-en radiogolfemissie wordt waargenomen in de astronomie, en dit wordt meestal “masing” genoemd, zelfs bij afwezigheid van de resonante feedback die nodig zou zijn voor een echte maser. Technisch, wordt deze vorm van gestimuleerde emissie genoemd superradiantemissie, en het wordt nauw geassocieerd met laseren en masing. Een dergelijke emissie wordt waargenomen door moleculen zoals water (H2O), hydroxylradicalen (OH), methanol (CH3OH), formaldehyde (CH2O) en siliciummonoxide (SiO).

Maserachtige gestimuleerde emissie komt ook voor in de natuur in de interstellaire ruimte. Watermoleculen in stervormende gebieden kunnen een populatie-inversie ondergaan en straling uitzenden op 22 GHz, waardoor de helderste spectraallijn in het radio-universum ontstaat. Sommige watermasers zenden ook straling uit vanuit een trillingsmodus op 96 GHz.

zie ook

• ammoniak
• elektromagnetisch spectrum
• waterstof
• Laser
• licht
• magnetron
• optica

Notes

• Keating, Michael P. 2002. Geometrische, fysieke en visuele optica. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• Singer, J. R. 1959. Masers. New York: Wiley.
• Taylor, Nick. 2000. LASER: de uitvinder, de Nobelprijswinnaar en de dertigjarige patentoorlog. New York: Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J., en C. Audoin. 1989. De kwantumfysica van atomaire Frequentiestandaarden. Philadelphia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.