Maser

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Zobacz też: miejscowość Maser we Włoszech.
Pierwszy prototyp masera i wynalazca Ch. Townes. Dysza amoniaku i sekcja wzbudzania znajduje się po lewej stronie, cztery mosiężne pręty w środku to kwadrupolowy selektor cząsteczek, rezonator (mały prostopadłościan) znajduje się po prawej stronie. Mikrofale 24 GHz wychodzą z rezonatora przez pionowy falowód. Na dole są pompy próżniowe.
Maser wodorowy

Maser (od ang. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie mikrofal poprzez wymuszoną emisję promieniowania) – urządzenie wytwarzające lub wzmacniające mikrofale przez zjawisko emisji wymuszonej w atomach lub cząsteczkach. Może wytwarzać wiązkę spójnych fal.

Maser to urządzenie o zasadzie działania identycznej jak laser, ale emitujące promieniowanie w zakresie mikrofal. Masery są używane jako urządzenia mierzące czas (generator wzorcowy) w zegarach atomowych i selektywne i niskoszumowe wzmacniacze mikrofalowe w radioteleskopach i stacjach naziemnych komunikacji kosmicznej.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Zainteresowania wykorzystaniem emisji wymuszonej substancji datuje się na lata 30 XX w[1]. Korzyści jakie odniesiono z użycia podczas II wojny światowej promieniowania mikrofalowego w radarach, skutkowało licznymi pracami po zakończeniu wojny nad wytwarzaniem, wzmacnianiem i detekcją mikrofal. Pierwszy publiczny opis możliwości budowy urządzenia wytwarzającego mikrofale w ośrodku w którym wytworzy się inwersję obsadzeń przedstawił Joseph Weber[2] w Ottawie w 1952 r. podczas konferencji poświęconej lampom elektronowym[3]. Koncepcję uzyskania inwersji obsadzeń w gazowym amoniaku opracował Charles Townes w 1952 roku. Townes wraz z zespołem w New York’s Columbia University, informacje o konstrukcji masera publikuje w 1953 roku. Pierwszy na świecie maser rozpoczął działanie w 1954 r[4].

Ośrodkiem czynnym masera był gazowy amoniak, którego cząsteczka ma metatrwały stan wzbudzony, z którego przejście do podstawowego odpowiada emisji promieniowania o częstotliwości 23 900 MHz. Cząsteczka w stanie podstawowym ma większy moment dipolowy niż w stanie wzbudzonym. W układzie próżniowym przepływał amoniak w układzie składającym się kolejno z sekcji: wzbudzania, separacji i emisji. Energia wzbudzenia tego stanu jest znacznie mniejsza od energii cząstek w temperaturze pokojowej. Amoniak zawierający cząsteczki wzbudzone i w stanie podstawowym przechodził do separatora, którym były cztery pręty naelektryzowane w układzie kwadrupola. Cząsteczki niewzbudzone są wciągane w pole elektrostatyczne, które w układzie kwadrupolowym jest najsłabsze w środku, a silniejsze między elektrodami, w wyniku czego cząstki niewzbudzone wypadają z wiązki amoniaku. W wyniku separacji uzyskiwano gaz, w którym była inwersja obsadzeń, czyli w stanie wzbudzonym było więcej cząsteczek niż w stanie podstawowym. W stanie inwersji liczba emisji wymuszonych jest większa od absorpcji promieniowania[5].

Rezonator jest układem dwóch równoległych płytek w odległości takiej by promieniowanie o wzbudzanej częstotliwości rezonowało w nim. Jedna z płytek ma otwór którym wydostaje się wytwarzane promieniowanie. Pierwszy maser wytwarzał promieniowanie o częstotliwości 23,87 GHz (długość fali 1,25 cm), promieniowanie było spójne i miało bardzo mały szum w porównaniu do wytwarzanego w lampach mikrofalowych[1].

Rosjanie Nikołaj Basow i Aleksandr Prochorow doszli do tego samego pomysłu co Townes mniej więcej w tym samym czasie. Dążyli do poprawienia właściwości spektroskopów mikrofalowych, zauważyli, że stosując maser uzyskują lepszy stosunek sygnału do szumu niż w tradycyjnych wzmacniaczach[1].

Nicolaas Bloembergen usprawnia maser Townesa, a w 1956 roku konstruuje maser działający w ciele stałym z trójpoziomowym układem wzbudzania[6].

Gdy w 1958 roku Schawlow i Townes opublikowali propozycję optycznego masera (lasera), z trójpoziomowym układem wzbudzania, Bloembergen stwierdził, że zdawał sobie sprawę z możliwości wytworzenia maserów optycznych, ale nie miał ani laboratorium ani doświadczenia w optyce[6].

W 1964 roku Ch. Townes wraz z N Basowwem i Aleksandrem Prochorowem otrzymał Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki za fundamentalne prace w dziedzinie elektroniki kwantowej, które doprowadziły do skonstruowania oscylatorów i wzmacniaczy bazujących na zasadzie działania masera i lasera[7].

Typy maserów[edytuj | edytuj kod]

Zasadniczo podział maserów jest identyczny jak podział laserów. Różnice wynikają głównie z różnic w energii kwantów emitowanego promieniowania. W przypadku maserów jest to energia mniejsza od energii drgań termicznych w temperaturze pokojowej.

Niektóre typy maserów:

  • maser z wiązką atomową (cząsteczkową, cząstkową) – w maserach tych czynnikiem roboczym jest wiązka atomów, cząsteczek lub cząstek. Po wzbudzeniu przechodzą przez separator pozostawiający w wiązce jedynie cząstki wzbudzone.
    • amoniakalny,
    • wodorowy,
    • na swobodnych elektronach
  • gazowe – czynnikiem roboczym jest gaz
    • rubinowy
    • barwnikowy i chemiczny
  • krystaliczne – czynnikiem w którym zachodzi akcja laserowa jest monokryształ,

Maser wodorowy[edytuj | edytuj kod]

Maser wodorowy został opracowany w 1960 roku przez amerykańskiego fizyka Normana Ramseya i jego współpracowników. W 1989 roku Ramsey otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki między innymi za prace nad maserami.

W atomie wodoru w stanie podstawowym spin elektronu może być ustawiony zgodnie (równolegle) lub przeciwnie (antyrównolegle) do spinu protonu w jądrze atomowym, tworząc strukturę nadsubtelną w poziomach energetycznych wodoru. Między tymi stanami istnieje niewielka różnica energii około 10 -5 eV. Przejście między tymi poziomami odpowiada fali elektromagnetycznej o częstotliwości 1,42 GHz (długości 21 cm). Przejście to jest znane z radioastronomii jako linia wodoru 21 cm i jest stosowana do wykrywania międzygwiezdnego wodoru atomowego.

W maserze wodorowym fale radiowe rozbijają cząsteczki wodoru na atomy, które uformowane w wiązkę przechodzą przez separatorator magnetyczny rozdzielający atomy ze względu na ich moment magnetyczny. Do kwarcowej komory pokrytej od wewnątrz teflonem w której zachodzi akcja laserowa trafiają wzbudzone atomy wodoru, konstrukcja ścian komory ma zapobiec przejścia wodoru do stanu podstawowego w wyniku zderzenia z jej ścianami. Komora jest otoczona wnęką mikrofalową, dostrojoną rezonansowo do częstotliwości przejścia między dwoma nadsubtelnymi stanami wodoru. Promieniowanie mikrofalowe rezonujące we wnęce rezonansowej jest wzmacniane i wywołuje emisje wtórne mikrofal o tej samej częstotliwości.

Wnęka masera może emitować mikrofale tylko w wyniku emisji wymuszonej zachodzącej w niej, wówczas maser nazywa aktywnym. Wnęka może też być zasilana falami mikrofalowymi z zewnętrznego generatora synchronizowanego z promieniowaniem komory, wówczas maser określany jest jako pasywny. Maser pasywny ma mniejsze wymagania co do ilości i stanu wzbudzenia wodoru, przez co jest znacznie łatwiejszy w konstrukcji.

Masery wodorowe mogą pracować bardzo stabilnie przez lata. Czas życia stanów wzbudzonych wynosi około jednej sekundy, co powoduje bardzo wysoką dokładność częstotliwości wyjściowej; odchylenie wynosi tylko 1 Hz, dlatego masery wodorowe są używane jako precyzyjne wzorce częstotliwości w laboratoriach i zegarach atomowych. Ich doskonała stabilność częstotliwości umożliwia weryfikację ogólnych twierdzeń teorii względności, w których decydującą rolę odgrywają niewielkie różnice czasowe. W radioastronomii masery wodorowe są używane do interferometrii, gdzie wymagane jest dokładne rejestrowanie sygnałów z odległych teleskopów. Również w ocenie pomiarów radarowych w celu określenia dryfu kontynentalnego lub astronomicznych pomiarów odległości, w których muszą być zmierzone bardzo małe różnice czasowe, niezbędne są dokładne normy czasu masera wodorowego.

Każdy satelita systemu Galileo ma 4 zegary w tym dwa oparte na pasywnych maserach wodorowych i dwa rubidowe[8].

Laser na swobodnych elektronach[edytuj | edytuj kod]

Urządzeniem które może emitować spójne promieniowanie w zakresie od mikrofal do promieniowania rentgenowskiego jest laser na swobodnych elektronach, jego konstrukcje wytwarzające mikrofale nazywane są maserami. Lasery tego typu nie wykorzystują dyskretnych stanów elektronów w atomach lub cząsteczkach. Maser tego typu składa się z akceleratora elektronów rozpędzającego elektrony do prędkości bliskiej prędkości światła. Elektrony wpadają do urządzania, zwanego undulatorem, w którym panuje pole magnetyczne prostopadłe do kierunku ruchu elektronów o zmieniającym się cyklicznie zwrocie pola magnetycznego. Elektrony w polu magnetycznym zmieniają kierunek ruchu, czemu towarzyszy emisja promieniowania. Elektrony biegnące przez undulator cyklicznie zmieniają kierunek ruchu, z tak poruszającymi się elektronami oddziałuje promieniowanie przez nie emitowane. Promieniowanie synchroniczne do elektronów jest wzmacniane, tworząc wiązkę promieniowania elektromagnetycznego[9].

Budowa lasera na swobodnych elektronach jest droga, dlatego konstruuje się głównie tego typu urządzenia do emisji promieniowania rentgenowskiego. W 2018 roku na świecie w działało kilkadziesiąt laserów na swobodnych elektronach w tym utworzony w ramach porozumienia europejskiego w tym i Polski European XFEL[9].

Nazewnictwo[edytuj | edytuj kod]

W przeszłości do nazywania urządzeń działających na zasadzie lasera, lecz pracujących w innych zakresach długości fal, proponowano użycie nazw utworzonych przez analogię do skrótów MASER i LASER, różniących się jedynie pierwszą literą lub przedrostkiem, zależnym od stosowanej długości fali. Słowo laser (od ang. skrótu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) pojawiło się w nauce później niż maser za sprawą Gordona Goulda, jednego ze współodkrywców lasera. Zaproponował on również nazwy dla analogicznych urządzeń emitujących inne długości fal: UVaser dla ultrafioletu, Xaser dla promieniowania X, graser dla promieniowania gamma, raser dla częstotliwości radiowych, oraz iraser dla podczerwieni. Spośród tych pięciu neologizmów, w nauce funkcjonował przez krótki czas jedynie raser, jednak ostatecznie upowszechniły się jedynie słowa laser i maser. Obecnie urządzenia emitujące fale o częstotliwościach mniejszych niż odpowiadające podczerwieni bywają ogólnie nazywane maserami, natomiast dla podczerwieni, światła widzialnego i wyższych zakresów częstotliwości, najczęściej stosuje się nazwę laser.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. a b c John L. Heilbron: The Oxford Companion to the History of Modern Science. Oxford University Press, 2003, s. 447. ISBN 978-0-19-974376-6.
  2. Biogram Josepha Webera w angielskiej Wikipedii
  3. Mario Bertolotti: The History of the Laser. CRC Press, 2004, s. 179. ISBN 978-0-7503-0911-0.
  4. Charles Townes. [dostęp 2019-02-27].
  5. a b c Adam Faudrowicz. Masery w radioastronomii. „Postępy astronomii”, s. 4 - 11, 1963. 
  6. a b Nicolaas Bloembergen Biographical. [dostęp 2019-03-02].
  7. The Nobel Prize in Physics 1964. [dostęp 2019-02-27].
  8. Masowa awaria zegarów systemu nawigacji Galileo. [dostęp 2019-03-06].
  9. a b Polski laser na swobodnych elektronach coraz bliżej. [dostęp 2019-03-08].