Masery i ich zastosowanie
Wstęp :
Z koncepcjo budowy mikrofalowego wzmacniacza i generatora kwantowego , działającego na zasadzie wymuszonej emisji promieniowania , wystąpił w 1951 r . C.H. Townes . Jego projekt dotyczył masera gazowego z wiązką amoniaku . Wraz ze J.P. Gordonem i H.J. Zeigerem , Townes wykonał i uruchomił w latach 1954 - 1955 maser amoniakalny pracujący w układzie generatora , który wykonano jako wzorzec częstotliwości . Maser amoniakalny był pierwszym urządzeniem kwantowym , w którym wykorzystano zjawisko wymuszonej emisji promieniowania do celów generacji w zakresie mikrofalowym .
Podstawy fizyczne :
Jak wiadomo ogólnie , elektrony w atomach mogą posiadać tylko skończone energie , przy czym przejście elektronu z jednego poziomu na drugi towarzyszy absorpcja lub emisja kwantu energii w postaci fali elektromagnetycznej .
E = h*f
Kwant promieniowania zewnętrznego o energii równej różnicy poziomów energetycznych ( hf = E2 - E1 ) pada na atom . Pod wpływem bodźca zewnętrznego wzbudzony atom powraca do stanu podstawowego emitując przy tym nowy kwant o tej samej energii hf i , co za tym idzie , o tej samej częstotliwości co kwant poprzedni . Ten sposób emisji nazywa się wymuszoną emisją promieniowania i to właśnie zjawisko leży u podstaw działania wzmacniaczy i generatorów kwantowych tj. maserów i laserów . W procesie emisji wymuszonej jeden kwant promieniowania , posiadający odpowiednią energię , wyzwala przy zderzeniu z atomem wzbudzonym nowy kwant . Zamiast więc jednego kwantu wchodzącego do układu mamy na jego wyjściu dwa jednakowe kwanty . Oznacza to wzmocnienie promieniowania . Prawdopodobieństwo wystąpienia tego procesu jest proporcjonalne do ilości kwantów na wejściu układu tj. do gęstości promieniowania wymuszającego , co jest istotne dla wzmacniacza .Aby więc uzyskać działanie wzmacniające (lub przy sprzężeniu zwrotnym generację ) w układzie o skwantowanych poziomach energetycznych należy podnieść ten układ na wyższy poziom energetyczny za pomocą dostarczenia w odpowiedni sposób energii ( co nazywa się pompowaniem ) W tych warunkach doprowadzona słaba fala elektromagnetyczna wymusza emisje promieniowania , na skutek czego ulega ona odpowiedniemu wzmocnieniu ( do energii fali wejściowej zostaje dodana energii kwantów wypromieniowanych przez wzbudzone atomy lub cząstki układu ) . Promieniowanie wymuszone cechuje bardzo ważna właściwość polegająca na zgodności częstotliwości , fazy i kierunku z promieniowaniem wymuszającym . W wyniku tego na wyjściu układu można otrzymać promieniowanie spójne , charakterystyczne dla fal radiowych .
Maser amoniakalny .
Zasada działania :
W maserze tym układ kwantowy stanowi wiązka molekularna amoniaku .
Wykorzystuje się tu dwa poziomy energetyczne , jakie może przyjmować cząstka amoniaku . Przejściu molekuł z jednego poziomu do drugiego towarzyszy absorpcja lub emisja kwantu promieniowania o częstotliwości rezonansowej przejścia 23870.129MHz . Należy podkreślić konieczność spełnienia warunku ilościowej przewagi obsadzenia wyższego poziomu energetycznego nad niższym , gdyż dopiero ta przewaga decyduje o akcji maserowej , a nie sama tylko obecność w układzie elementów wzbudzonych . Ponieważ przy oddziaływaniu promieniowania elektromagnetycznego na kład istnieje takie samo prawdopodobieństwo wystąpienia aktów emisji wymuszonej co aktów absorpcji . Wszystko więc zależy od liczby stosunku napotkanych na drodze promieniowania elementów wzbudzonych i niewzbudzonych . Jeśli te ostatnie są w większości , układ pochłonie promieniowanie ( przewaga aktów absorpcji ) . Przy równym obsadzeniu poziomów układ jest neutralny ( akty emisji i absorpcji równoważą się ) . Dopiero w warunkach przewagi elementów wzbudzonych układ staje się emitujący ( przewaga aktów emisji ) i jest zdolny do wzmacniania doprowadzonej do jego wejścia fali elektromagnetycznej .
Energetyczne ukształtowanie układu kwantowego masera może się odbyć jedynie przez zakłócenie normalnego rozkładu energetycznego elementów .
Normalnie bowiem liczby elementów znajdujących się na coraz wyższych poziomach energetycznych są coraz mniejsze . Dużą rolę gra temperatura układu , wpływając w istotny sposób na liczbę N elementów obsadzających poszczególne poziomy energetyczne E . Ze wzrostem temperatury obsadzenie wyższych poziomów wzrasta , dorównując teoretycznie , przy nieskończenie wysokiej temperaturze , obsadzeniu poziomów niższych , ale nigdy go w warunkach równowagi termodynamicznej nie przewyższając .
Stosunek liczby N2 cząstek znajdujących się na górnym poziomie E2 do liczby N1 cząstek znajdujących się na dolnym poziomie E1 określa wzór :
N2 / N1 = 1 - ( E2 - E1 )kT
Stosunek N2 / N1 jest mniejszy od jedności ( dla temp. Pokojowej 996 / 1000 ) . W tym stanie układ posiada własności absorpcyjne i do akcji maserowej niedojdzie Pożądany rozkład obsadzenia poziomów inwersyjnych amoniaku uzyskuje się za pomocą oddzielenia molekuł wzbudzonych od niewzbudzonych oraz wychwycenia tych ostatnich ze strumienia gazowego , pozostawiając w nim molekuły wzbudzone . Molekuły wzbudzone są doprowadzane do mikrofalowego rezonatora wnękowego nastrojonego na częstotliwość rezonansową przejścia inwersyjnego . We wnętrzu którego przechodzą na swój podstawowy poziom energetyczny , powodując pobudzenie rezonatora przez emisje kwantów promieniowania .
Budowa .
Zasadnicze części masera amoniakalnego to : źródło wiązki molekularnej , separator elektrostatyczny i rezonator mikrofalowy . Źródło stanowi zbiornik z ciekłym amoniakiem ( 0.1 - 1.0 mm Hg ) . Strumień gazowego amoniaku wylatuje ze zbiornika ze średnią prędkością cząstek rzędu kilometra na sekundę . Wiązka amoniaku wpada przez otwór w przesłonie do komory próżniowej , w której utrzymuje się niskie ciśnienie rzędu
10E-6 do 10E-5 mm Hg , oraz przelatuje w obszarze wysokiej próżni przez separator i rezonator po czym już wykorzystana ( po oddaniu energii ) zostaje usunięta na zewnątrz przez pompę dyfuzyjną .
Separator można wykonać w postaci kondensatora kwadrupolowego ( tj. czterobiegunowego ) . Składa on się z czterech elektrod ( prętów metalowych o specjalnym profilu , podłączonych przeciwległymi parami do biegunów źródła wysokiego napięcia stałego rzędu 25kV . W separatorze tym natężenie pola wzdłuż osi symetrii układu jest równe zeru , natomiast wartość jego rośnie w kierunku zewnętrznym ( w kierunku elektrod ) . Pole to (niejednorodne ) oddziałuje na pędzący środkiem strumień amoniaku , przy czym oddziaływanie pola jest różne w odniesieniu do cząsteczek wzbudzonych i niewzbudzonych . Wzbudzone molekuły amoniaku będą koncentrowane wzdłuż osi symetrii separatora , a molekuły niewzbudzone będą odchylane .
Ważną rolę w pracy masera amoniakalnego odgrywa dobra próżnia . Do jej wytworzenia i podtrzymania służą , oprócz wysoko wydajnego agregatu pompowego , specjalne zamrażarki napełnione ciekłym azotem , które wychwytują zbędne drobiny amoniaku ( amoniak zamarza w temp. -78 C a azot -196 C ) .
Właściwości i zastosowania .
Maser amoniakalny pracujący w układzie wzmacniacza jest urządzeniem bardzo czułym , ponieważ reaguje na bardzo słabe sygnały o znikomej energii rzędu 10E-16 W . Szumy są znacznie mniejsze od szumów wzmacniacza zbudowanych na przyrządach elektronowych , gdyż wiązka molekularna amoniaku nie niesie ładunku elektrycznego ( cząstka amoniaku w stanie wzbudzonym nie posiada momentu elektrycznego ) , więc bezładne ruchy cieplne molekuł nie powodują szumów . Niemniej maser amoniakalny nie znalazł zastosowania jako wzmacniacz ze względu na bardzo wąskie pasmo przenoszenia i bardzo wąski zakres przestrajania , wynoszący zaledwie kilka kilo herców , jak również z powodu ograniczonej wartości mocy wyjściowej , nie przekraczającej 10E-9 W .
Maser amoniakalny znalazł zastosowanie jako superstabilny generator mikrofalowy o długoterminowej stałości częstotliwości nie gorszej niż 10e-10 . Pozwala to na zastosowanie masera z molekularną wiązką amoniaku w charakterze niezwykle precyzyjnego wzorca częstotliwości .
Maser amoniakalny pracujący w układzie generatora jako zegar może opóźnić lub przyśpieszyć się o 1 sekundę na 300 lat . Zegar taki wykorzystywany jest tam gdzie zasadniczą rolę odgrywają bardzo dokładne pomiary odcinków czasów i związanych z tym odległości , prędkości , przyspieszeń . Jako przykład może służyć zastosowanie w systemach radionawigacyjnych i telemetrycznych w samolotach naddźwiękowych , rakietach dalekosiężnych i pojazdach kosmicznych .