en hydrogen radiofrekvens utslipp, det første elementet inne i en hydrogen maser.en maser er en enhet som produserer eller forsterker en svært intens, sammenhengende stråle av elektromagnetiske bølger, spesielt i mikrobølgeområdet. Historisk kom begrepet fra akronymet » Mikrobølgeforsterkning ved Stimulert Utslipp Av Stråling.»Moderne masere avgir imidlertid over en bred del av det elektromagnetiske spektret. Charles H. Townes, som ledet teamet som utviklet og bygget den første maser, foreslo derfor å erstatte «mikrobølgeovn » med» molekylær » i akronymet. Når masere ble utviklet for å operere i den optiske regionen, de ble opprinnelig kalt optiske masere, men det har blitt mer vanlig å referere til dem som lasere, der » l «står for» lys.»

Masere produserer ekstremt skarp stråling med lav intern støy, og de tjener som høy presisjon frekvensreferanser. Hydrogenmaser er spesielt en «atomfrekvensstandard» og er nyttig som en form for atomur. På grunn av sin høye følsomhet brukes masere også som detektorer og elektroniske forsterkere i radioteleskoper. Forsøkene som først oppdaget den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen brukte en maser-forsterker. Denne strålingen har blitt tilskrevet Universets Big Bang-opprinnelse.

Terminologi

som nevnt ovenfor ble maser opprinnelig foreslått som et akronym for «mikrobølgeforsterkning ved stimulert utslipp av stråling» for å beskrive enheter som sendes ut i mikrobølgeområdet i det elektromagnetiske spektret. Prinsippet om stimulert utslipp har siden blitt utvidet til flere enheter og frekvenser, Og Så Charles H. Townes foreslo å endre det opprinnelige akronymet til «molecular amplification by stimulated emission of radiation.»Da laseren ble utviklet, Presset Townes, Arthur Schawlow og deres kolleger Ved Bell Labs bruken av begrepet optisk maser, men dette ble i stor grad forlatt til fordel for laser, laget av deres rival Gordon Gould. I moderne bruk, enheter som avgir I X – ray gjennom infrarøde deler av spekteret er vanligvis kalt lasere, og enheter som avgir i mikrobølgeovn regionen og nedenfor er ofte kalt masere.Gould foreslo opprinnelig forskjellige navn for enheter som avgir i hver del av spekteret, inkludert grasere (gammastrålelasere), xasere (røntgenlasere), uvasere (ultrafiolette lasere), lasere (synlige lasere), irasere (infrarøde lasere), masere (mikrobølge masere) og rasere (radiofrekvensmasere). De fleste av disse begrepene, med unntak av maser og laser, aldri fanget på og har blitt foreldet, bortsett fra deres bruk i science fiction.

Historie

I Usa ble Den tidligste offentlige forelesningen om prinsippene bak maser gitt Av Joseph Weber på Juni 1952-konferansen Av Institute Of Radio Engineers. Rundt samme tid beskrev Nikolay Basov og Alexander Prokhorov fra Lebedev-Instituttet For Fysikk det teoretiske grunnlaget for maser på En All-Union-Konferanse om Radiospektroskopi holdt Av USSR Academy Of Sciences I Mai 1952. De publiserte senere sine resultater i oktober 1954.Uavhengig bygde Charles H. Townes, J. P. Gordon og H. J. Zeiger Den første maser ved Columbia University i 1953. Enheten brukte stimulert utslipp i en strøm av energiserte ammoniakkmolekyler for å produsere forsterkning av mikrobølger med en frekvens på 24 gigahertz. Townes jobbet senere Med Arthur L. Schawlow for å beskrive prinsippet om den optiske maser, eller laser, som først ble utviklet og demonstrert Av Theodore H. Maiman i 1960. For deres forskning på dette feltet Ble Townes, Basov Og Prokhorov tildelt Nobelprisen I Fysikk i 1964. Siden 1965 har astronomer oppdaget naturlige kilder til masere i rommet.

Generelle operasjonsprinsipper

når atomer eller molekyler av et passende stoff (kalt et medium) bombarderes med fotoner av en bestemt frekvens, går de inn i en «spent» (høyere) energitilstand og avgir fotoner av samme frekvens. I denne forstand innebærer maser «stimulert utslipp» av stråling. Ved å sette forsterkende medium i en resonans hulrom (eller hulrom resonator), er tilbakemelding opprettet som kan produsere stråling som er » sammenhengende.»Elektromagnetiske bølger sies å være sammenhengende når de forplantes med samme frekvens i samme fase, og de beveger seg i samme retning. I kontrast har elektromagnetiske bølger fra de fleste andre kilder en rekke forskjellige frekvenser, de er i forskjellige faser (i forhold til hverandre), og de forplantes i praktisk talt alle retninger.Radiobølger som sendes ut av en maser har nesten samme frekvens, og overføringen over lange avstander er svært effektiv. I den første maser som ble utviklet, var mediet i resonanshulen ammoniakkgass. I dette tilfellet oscillerte ammoniakkmolekylene ved en bestemt frekvens mellom to energitilstander. Mer nylig har en rubinmaser blitt utviklet, der en rubinkrystall er plassert i resonanshulen. Den doble edelgassmaseren er et eksempel på et ikke-polært medium i en maser.

Typer masere

Noen vanlige typer masere er nevnt nedenfor. Navnene indikerer mediet tilstede i resonanshulen.

Atomstråle masere

Hydrogen maser

Gass masere Rubidium masereSolid State masere

Rubin masere.

Hydrogenmaser

I Dag er den viktigste typen maser hydrogenmaser, som gir et skarpt og konstant oscillerende signal. Den er basert på overganger i atom hydrogen som forekommer med en frekvens på 1421 megahertz. Denne maser brukes som en atomfrekvensstandard. Sammen med andre typer atomklokker utgjør de «Temps Atomique International» ELLER TAI. Dette er den internasjonale tidsskalaen, som koordineres Av Bureau International des Poids et Mesures, ELLER BIPM.

Det Var Norman Ramsey og hans kolleger som først skjønte denne enheten. Dagens masere er identiske med det opprinnelige designet. Maser-oscillasjonen er avhengig av stimulert utslipp mellom to hyperfine nivåer av atom hydrogen.

Hvordan det fungerer

følgende er en kort beskrivelse av hvordan en hydrogenmaser fungerer.først produseres en stråle av atomært hydrogen ved å utsette hydrogengass ved lavt trykk for en radiofrekvensutladning. (Se boksen nederst i diagrammet til høyre.)

• det neste trinnet er kjent som » state selection.»For å få litt stimulert utslipp, er det nødvendig å skape en populasjonsinversjon av atomene—det vil si at de fleste atomer må være i den spente energitilstanden (i stedet for i en lavere energitilstand). Dette gjøres på en måte som ligner På Det berømte Stern-Gerlach-eksperimentet. Etter å ha passert gjennom en blenderåpning og et magnetfelt, er mange av atomene i strålen igjen i det øvre energinivået av lasingovergangen. Fra denne tilstanden kan atomene forfalle til lavere energitilstand og avgir noe mikrobølgestråling.

• en høy kvalitet faktor mikrobølgeovn hulrom begrenser mikrobølger og reinjects dem gjentatte ganger i atombjelken. Den stimulerte emisjonen forsterker mikrobølgene på hver passering gjennom strålen. Denne kombinasjonen av forsterkning og tilbakemelding definerer alle oscillatorer. Resonansfrekvensen til mikrobølgehulen er 1420 405 751.768 Hz, som er nøyaktig innstilt på hyperfinstrukturen av hydrogen.

• En liten brøkdel av signalet i mikrobølgehulen er koblet til en koaksialkabel og sendt til en sammenhengende mottaker.

• mikrobølgesignalet som kommer ut av maser er svært svakt i kraft (noen få picowatts (pW)). Frekvensen til signalet er fast, men ekstremt stabil. Den sammenhengende mottakeren brukes til å forsterke signalet og endre frekvensen. Dette gjøres ved hjelp av en serie faselåste løkker og en høyytelseskvartsoscillator.

Astrofysiske masere

Stimulert mikrobølge-og radiobølgeutslipp observeres i astronomi, og dette kalles vanligvis «masing», selv i fravær av resonans tilbakemelding som ville være nødvendig for en sann maser. Teknisk sett kalles denne formen for stimulert utslipp superradiant utslipp, og den er nært forbundet med lasing og masing. Slike utslipp observeres fra molekyler som vann (H2O), hydroksylradikaler (OH), metanol (CH3OH), formaldehyd (CH2O) og silisiummonoksid (SiO).

Maser-lignende stimulert utslipp forekommer også i naturen i det interstellare rom. Vannmolekyler i stjernedannende regioner kan gjennomgå en populasjonsinversjon og avgir stråling ved 22 GHz, noe som skaper den lyseste spektrallinjen i radiouniverset. Noen vannmasere avgir også stråling fra en vibrasjonsmodus ved 96 GHz.

Se også

• Ammoniakk
• Elektromagnetisk spektrum
• Hydrogen
• Laser
• Lys
• Mikrobølgeovn
• Optikk

Notater

• Keating, Michael s. 2002. Geometrisk, Fysisk Og Visuell Optikk. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• Sanger, J. R. 1959. Masers. New York: Wiley.Taylor, Nick. 2000. LASER: oppfinneren, Nobelprisvinneren og den trettiårige patentkrigen. New York :Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J., Og C. Audoin. 1989. Kvantefysikken Av Atomfrekvensstandarder. Philadelphia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.