Maser - Maser

Första prototypen ammoniakmaser och uppfinnare Charles H. Townes . Ammoniakmunstycket är till vänster i lådan, de fyra mässingsstavarna i mitten är fyrpolstillståndsväljaren och resonanshålan är till höger. 24 GHz -mikrovågor som går ut genom den vertikala vågledaren Townes justerar. I botten finns vakuumpumparna.
En väteradiofrekvensurladdning, det första elementet inuti en vätgasmaser (se beskrivning nedan)

En maser ( / m z ər / , en akronym för mikrovågsugn förstärkning genom stimulerad emission av strålning ) är en enhet som alstrar koherenta elektromagnetiska vågor genom amplifiering genom stimulerad emission . Den första maser byggdes av Charles H. Townes , James P. Gordon och Herbert J. Zeiger vid Columbia University 1953. Townes, Nikolay Basov och Alexander Prokhorov tilldelades 1964 Nobelpriset i fysik för teoretiskt arbete som ledde till maser. Masrar används som tidtagning anordningen i atomur , och såsom extremt lågt brus mikrovågsugn förstärkare i radioteleskop och djupa utrymme rymdfarkoster kommunikationsmarkstationer.

Moderna masrar kan utformas för att generera elektromagnetiska vågor på inte bara mikrovågsugn frekvenser utan även radio- och infraröda frekvenser. Av denna anledning föreslog Charles Townes att ersätta "mikrovågsugn" med ordet "molekylär" som det första ordet i förkortningen maser .

Den laser fungerar genom samma princip som den maser, men ger högre frekvens koherent strålning vid synliga våglängder. Maser var föregångaren till lasern, inspirerande teoretiskt arbete av Townes och Arthur Leonard Schawlow som ledde till uppfinningen av lasern 1960 av Theodore Maiman . När den koherenta optiska oscillatorn först tänktes 1957 kallades den ursprungligen "optisk maser". Detta ändrades slutligen till laser för "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Gordon Gould krediteras med att ha skapat denna akronym 1957.

Historia

De teoretiska principerna för drift av en maser beskrevs först av Joseph Weber från University of Maryland, College Park vid Electron Tube Research Conference i juni 1952 i Ottawa , med en sammanfattning som publicerades i juni 1953 Transactions of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices, och samtidigt av Nikolay Basov och Alexander Prokhorov från Lebedev Institute of Physics vid en All-Union Conference on Radio-Spectroscopy som hölls av Sovjetunionens vetenskapsakademi i maj 1952, publicerades senare i oktober 1954.

Oberoende, Charles Hard Townes , James P. Gordon och HJ Zeiger byggde den första ammoniakmaser vid Columbia University 1953. Denna enhet använde stimulerad emission i en ström av energiserade ammoniakmolekyler för att producera förstärkning av mikrovågor med en frekvens av cirka 24,0 gigahertz . Townes senare arbetat med Arthur L. Schawlow att beskriva principen om optisk maser , eller laser , av vilka Theodore H. Maiman skapade den första arbetsmodellen 1960.

För sin forskning inom området stimulerad utsläpp tilldelades Townes, Basov och Prokhorov Nobelpriset i fysik 1964.

Teknologi

Maser är baserad på principen för stimulerad utsläpp som föreslogs av Albert Einstein 1917. När atomer har inducerats till ett upphetsat energiläge kan de förstärka strålning med en frekvens som är speciell för elementet eller molekylen som används som maskeringsmedium (liknande vad förekommer i lasermediet i en laser).

Genom att placera ett sådant förstärkningsmedium i en resonanshålighet skapas återkoppling som kan producera koherent strålning .

Några vanliga typer

  • Atomic beam masers
  • Gasmasers
    • Rubidium maser
    • Flytande färgämne och kemisk laser
  • Solid state masers
  • Dubbel ädelgasmaser (Den dubbla ädelgasen från ett maskeringsmedium som är opolär .)

2000-talets utveckling

Under 2012 utvecklade ett forskargrupp från National Physical Laboratory och Imperial College London en solid-state maser som fungerade vid rumstemperatur genom att använda optiskt pumpade, pentacen- dopade p-Terphenyl som förstärkarmedium. Det producerade pulser av maseremission som varade i några hundra mikrosekunder.

År 2018 visade ett forskargrupp från Imperial College London och University College London kontinuerlig vågmaser-oscillation med syntetiska diamanter som innehåller kvävefel .

Användningsområden

Masers fungerar som frekvensreferenser med hög precision . Dessa "atomfrekvensstandarder" är en av de många formerna av atomur . Masers användes också som lågbrusande mikrovågsförstärkare i radioteleskop , även om dessa i stor utsträckning har ersatts av förstärkare baserade på FET .

Under början av 1960-talet utvecklade Jet Propulsion Laboratory en maser för att ge ultraljudförstärkning av S-band mikrovågssignaler mottagna från djupa rymdsonder. Denna maser använde djupt nedkyld helium för att kyla förstärkaren till en temperatur på 4  kelvin . Förstärkning uppnåddes genom att spänna en rubinkam med en 12,0 gigahertz klystron . Under de första åren tog det dagar att kyla och ta bort föroreningar från väteledningarna. Kylning var en tvåstegsprocess med en stor Linde-enhet på marken och en tvärhuvudkompressor i antennen. Den sista injektionen var vid 21 MPa (3000 psi) genom en 150 μm (0,006 tum) mikrometerjusterbar ingång till kammaren. Hela systemets bullertemperatur när man tittar på kall himmel (2,7  kelvin i mikrovågsbandet) var 17 kelvin. Detta gav en så låg ljudnivå att rymdproben Mariner IV kunde skicka stillbilder från Mars tillbaka till jorden trots att utmatningseffekten för dess radiosändare var bara 15  watt , och därmed var den totala signaleffekten som mottogs endast −169  decibel med avseende en milliwatt  (dBm).

Vätgasmaser

En vätgasmaser.

Vätgasmaser används som en atomfrekvensstandard . Tillsammans med andra typer av atomur, hjälper dessa till att utgöra International Atomic Time -standarden ("Temps Atomique International" eller "TAI" på franska). Detta är den internationella tidsskalan som samordnas av International Bureau of Weights and Measures . Norman Ramsey och hans kollegor först först tänkt på maser som en timing standard. Nyare masers är praktiskt taget identiska med deras ursprungliga design. Maser oscillationer beroende av stimulerad emission mellan två hyperfina energinivåer i atom väte . Här är en kort beskrivning av hur de fungerar:

  • Först produceras en stråle av atomväte. Detta görs genom att gasen under lågt tryck utsätts för en högfrekvent radiovågsurladdning (se bilden på denna sida).
  • Nästa steg är "tillståndsval" - för att få stimulerat utsläpp är det nödvändigt att skapa en befolkningsinversion av atomerna. Detta görs på ett sätt som är mycket likt experimentet Stern - Gerlach . Efter att ha passerat genom en bländare och ett magnetfält är många av atomerna i strålen kvar i den övre energinivån för lasergången. Från detta tillstånd kan atomerna förfalla till lägre tillstånd och avge viss mikrovågsstrålning.
  • En hög Q -faktor (kvalitetsfaktor) mikrovågshålighet begränsar mikrovågorna och injicerar dem upprepade gånger i atomstrålen. Den stimulerade emissionen förstärker mikrovågorna vid varje pass genom strålen. Denna kombination av förstärkning och återkoppling är det som definierar alla oscillatorer . Den resonansfrekvens hos mikrovågskaviteten är avstämd till frekvensen hos den hyperfina energiövergången av väte: 1420405752 hertz .
  • En liten bråkdel av signalen i mikrovågsutrymmet kopplas till en koaxialkabel och skickas sedan till en koherent radiomottagare .
  • Mikrovågssignalen som kommer ut från maser är mycket svag (några pikowatt ). Signalens frekvens är fast och extremt stabil. Den koherenta mottagaren används för att förstärka signalen och ändra frekvensen. Detta görs med hjälp av en serie faslåsta slingor och en högpresterande kvartsoscillator .

Astrofysiska masers

Maserliknande stimulerad utsläpp har också observerats i naturen från interstellära rymden , och det kallas ofta "superradiant emission" för att skilja det från laboratoriemasörer. Sådan emission observeras från molekyler, såsom vatten (H 2 O), hydroxyl -radikaler ( • OH ), metanol (CH 3 OH), formaldehyd (HCHO) och kiselmonoxid (SiO). Vattenmolekyler i stjärnbildande regioner kan genomgå en befolkningsinversion och avge strålning vid cirka 22,0  GHz , vilket skapar den ljusaste spektrallinjen i radiouniversumet. Vissa vattenmaskiner avger också strålning från en rotationsövergång med en frekvens av 96 GHz.

Extremt kraftfulla masers, associerade med aktiva galaktiska kärnor , är kända som megamasers och är upp till en miljon gånger mer kraftfulla än stjärnmaskiner.

Terminologi

Betydelsen av termen maser har förändrats något sedan dess introduktion. Ursprungligen gavs akronymen universellt som "mikrovågsförstärkning genom stimulerad strålningsemission", som beskrev anordningar som sändes ut i mikrovågsområdet i det elektromagnetiska spektrumet .

Principen och konceptet för stimulerat utsläpp har sedan utökats till fler enheter och frekvenser. Således modifieras den ursprungliga akronymen ibland, som föreslagits av Charles H. Townes, till " molekylär amplifiering genom stimulerad strålning." Vissa har hävdat att Townes ansträngningar att förlänga förkortningen på detta sätt främst motiverades av önskan att öka betydelsen av hans uppfinning och hans rykte i det vetenskapliga samfundet.

När lasern utvecklades drev Townes och Schawlow och deras kollegor på Bell Labs användningen av termen optisk maser , men detta övergavs till stor del till förmån för laser , myntat av deras rival Gordon Gould. I modern användning kallas enheter som avger i röntgenstrålen genom infraröda delar av spektrumet vanligtvis lasrar , och enheter som avger i mikrovågsregionen och nedan kallas vanligen masers , oavsett om de avger mikrovågor eller andra frekvenser.

Gould föreslog ursprungligen distinkta namn för enheter som avger i varje del av spektrumet, inklusive gripare ( gammastrålningslasare ), xasers (röntgenstrålare), uvasrar ( ultravioletta lasrar), lasrar ( synliga lasrar), irasers ( infraröda lasrar), masers (mikrovågs masers) och rasers ( RF masers). De flesta av dessa termer har dock aldrig kommit igång, och alla har nu blivit (förutom i science fiction) föråldrade förutom maser och laser .

I populärkulturen

I Godzilla- serien använder de japanska självförsvaret (JSDF) ofta fiktiva maser-stridsvagnar i ett meningslöst försök att försvara Japan från Godzilla och andra Kaiju .

Se även

Referenser

Vidare läsning

  • JR Singer, Masers , John Whiley and Sons Inc., 1959.
  • J. Vanier, C. Audoin, The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards , Adam Hilger, Bristol, 1989.

externa länkar