Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Көрінбейтін спектрде когерентті ЭМ толқындарды тудыратын құрылғы.
Device for producing coherent EM waves in the sub visible spectrum
Мазер – стимуляцияланған эмиссия арқылы күшейту арқылы когерентті электромагниттік толқындарды (микротолқындарды) тудыратын құрылғы. Бұл термин «стимуляцияланған сәулелену арқылы микротолқынды күшейту» деген аббревиатура болып табылады. Алғаш рет Жозеф Вебер ұсынған, алғашқы мазер 1953 жылы Колумбия университетінде Чарльз Х. Таунс, Джеймс П. Гордон және Герберт Дж. Зейгерлер жасаған. Таунс, Николай Басов және Александр Прохоров мазерге әкелген теориялық еңбектері үшін 1964 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. Мазерлер атомдық сағаттарда уақытты өлшеу құрылғысы ретінде, радио телескоптарда және терең ғарыш кемелерінің байланыс жер станцияларында өте төмен шулы микротолқынды күшейткіштер ретінде қолданылады. Қазіргі заманғы мазерлер микротолқынды, радио және инфрақызыл жиіліктерде электромагниттік толқындарды тудыруға бейімделген. Осы себепті Таунс «мазер» аббревиатурасының бірінші сөзі «микротолқынды» дегенінен «молекулалық» деп өзгертілуін ұсынды. Лазер мазердің ұстанымдарымен жұмыс істейді, бірақ көрінетін толқын ұзындығында жоғары жиілікті когерентті сәулеленуді тудырады. Мазер лазерге бастапқы қадам болды, ол 1960 жылы Теодор Мейманның лазерді ойлап табуына әкелген Таунс және Артур Леонард Шаулоудың теориялық жұмыстарына түрткіс берді. Когерентті оптикалық осциллятор алғаш рет 1957 жылы ойлап табылғанда, бастапқыда «оптикалық мазер» деп аталды. Кейіннен бұл «стимуляцияланған сәулелену арқылы жарықты күшейту» үшін лазер деп өзгертілді. Гордон Гулд 1957 жылы осы аббревиатураны жасаған.
A maser is a device that produces coherent electromagnetic waves (microwaves), through amplification by stimulated emission. The term is an acronym for microwave amplification by stimulated emission of radiation. First suggested by Joseph Weber, the first maser was built by Charles H. Townes, James P. Gordon, and Herbert J. Zeiger at Columbia University in 1953. Townes, Nikolay Basov and Alexander Prokhorov were awarded the 1964 Nobel Prize in Physics for theoretical work leading to the maser. Masers are used as the timekeeping device in atomic clocks, and as extremely low noise microwave amplifiers in radio telescopes and deep space spacecraft communication ground stations. Modern masers can be designed to generate electromagnetic waves at microwave frequencies and radio and infrared frequencies. For this reason, Townes suggested replacing "microwave" with "molecular" as the first word in the acronym "maser". The laser works by the same principle as the maser, but produces higher frequency coherent radiation at visible wavelengths. The maser was the precursor to the laser, inspiring theoretical work by Townes and Arthur Leonard Schawlow that led to the invention of the laser in 1960 by Theodore Maiman. When the coherent optical oscillator was first imagined in 1957, it was originally called the "optical maser". This was ultimately changed to laser, for "light amplification by stimulated emission of radiation". Gordon Gould is credited with creating this acronym in 1957.
Тарих
Мазердің жұмысын басқаратын теориялық принциптерді алғаш рет Мэриленд университетінің, Колледж Парк қаласындағы Джозеф Вебері 1952 жылғы маусымда Оттавада өткен Электрондық түтіктерді зерттеу конференциясында сипаттады, ал 1953 жылғы маусымда Радиоинженерлер институтының электрондық құрылғылар кәсіби тобының мәмілелерінде және бір мезгілде Лебедев физика институтынан Николай Басов пен Александр Прохоров 1952 жылғы мамырда КСРО Ғылым академиясы өткізген Радио спектроскопиясы жөніндегі Бүкіл Одақтық конференцияда жариялады, бұл 1954 жылғы қазанда жарық көрді. Сол сияқты, Чарльз Хард Таунс, Джеймс П. Гордон және Х. Дж. Зейгер 1953 жылы Колумбия университетінде алғашқы аммиак мазерін дербес құрастырды. Бұл құрылғыда 24,0 гигагерц шамасындағы жиілікте микротолқындарды күшейту үшін энергияланған аммиак молекулаларының ағынындағы мәжбүрлі шығарылым пайдаланылды. Кейіннен Таунс Артур Л. Шаулоупен бірлесіп оптикалық мазер, яғни лазердің принципін сипаттады, ал оның алғашқы жұмыс істейтін үлгісін Теодор Х. Мейман 1960 жылы жасады. Мәжбүрлі шығарылым саласындағы зерттеулері үшін Таунс, Басов және Прохоров 1964 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.
The theoretical principles governing the operation of a maser were first described by Joseph Weber of the University of Maryland, College Park at the Electron Tube Research Conference in June 1952 in Ottawa, with a summary published in the June 1953 Transactions of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices, and simultaneously by Nikolay Basov and Alexander Prokhorov from Lebedev Institute of Physics, at an All Union Conference on Radio Spectroscopy held by the USSR Academy of Sciences in May 1952, published in October 1954. Independently, Charles Hard Townes, James P. Gordon, and H. J. Zeiger built the first ammonia maser at Columbia University in 1953. This device used stimulated emission in a stream of energized ammonia molecules to produce amplification of microwaves at a frequency of about 24.0 gigahertz. Townes later worked with Arthur L. Schawlow to describe the principle of the optical maser, or laser, of which Theodore H. Maiman created the first working model in 1960. For their research in the field of stimulated emission, Townes, Basov and Prokhorov were awarded the Nobel Prize in Physics in 1964.
Технология
Мазер 1917 жылы Альберт Эйнштейн ұсынған күшті шығарылым принципіне негізделген. Атомдар қозған энергия күйіне келтірілген кезде, олар мазерлік орта ретінде қолданылатын элементтің немесе молекуланың өзіндік жиілігінде сәулеленуді күшейте алады (лазердегі лазерлік ортада болатынға ұқсас). Мұндай күшейткіш ортаны резонанстық қуысқа орналастыру арқылы, үйлесімді сәуле тудыру үшін кері байланыс жасалады.
The maser is based on the principle of stimulated emission proposed by Albert Einstein in 1917. When atoms have been induced into an excited energy state, they can amplify radiation at a frequency particular to the element or molecule used as the masing medium (similar to what occurs in the lasing medium in a laser). By putting such an amplifying medium in a resonant cavity, feedback is created that can produce coherent radiation.
ХХІ ғасырдағы өзгерістер
2012 жылы Ұлттық физикалық зертхана мен Лондон Императорлық колледжінің зерттеу тобы күшейткіш орта ретінде оптикалық сорғыланған, пентацен қосылған p-Терфенилді пайдалану арқылы бөлме температурасында жұмыс істейтін қатты күйдегі мазерді жасады. Ол бірнеше жүз микросекундқа созылған мазерлік импульстарды тудырды. 2018 жылы Лондон Императорлық колледжі мен Лондон университетінің зерттеу тобы азоттың бос орындары бар синтетикалық алмастарды пайдаланып үздіксіз толқынды мазер осцилляциясын көрсетті.
In 2012, a research team from the National Physical Laboratory and Imperial College London developed a solid state maser that operated at room temperature by using optically pumped, pentacene doped p Terphenyl as the amplifier medium. It produced pulses of maser emission lasting for a few hundred microseconds. In 2018, a research team from Imperial College London and University College London demonstrated continuous wave maser oscillation using synthetic diamonds containing nitrogen vacancy defects.
Қолданылуы
Мазерлер жоғары дәлдікті жиіліктердің эталоны ретінде қолданылады. Бұл "атомдық жиілік стандарттары" атомдық сағаттардың көптеген түрлерінің бірі болып табылады. Мазерлер радио телескоптарда аз шулы микротолқынды күшейткіштер ретінде де пайдаланылды, бірақ қазіргі кезде олар негізінен ФЭТ-ке (FET) негізделген күшейткіштермен алмастырылды. 1960 жылдардың басында, Jet Propulsion Laboratory (Жет Пропульшн Лабораториясы) алыс ғарыштан S диапазонындағы микротолқынды сигналдарды күшейту үшін өте төмен шулы мазерді жасады. Бұл мазерде күшейткішті 4 Кельвин температурасына дейін салқындату үшін тереңдетілген суытылған гелий қолданылды. Күшейту 12,0 гигагерцтік клистронмен рубин кристаллын қоздыру арқылы жүзеге асырылды. Бастапқы жылдары сутек желісін салқындату және одан қоспаларды кетіруге бірнеше күн кетті. Салқындату екі сатылы процесс болды: үлкен Linde (Линде) блогы жерде орналасты, ал антеннаның ішінде поршеньдік компрессор болды. Соңғы инъекция микрометрлік реттегіш кіріс арқылы камераға жасалды. Жүйенің жалпы шу температурасы суық аспанға қарағанда (микротолқынды диапазонда 2,7 Кельвин) 17 Кельвинге тең болды. Бұл Mariner IV (Маринер IV) ғарыш зондының Марстан Жерге суреттерді жіберуіне мүмкіндік берді, тіпті оның радио хабар таратушының қуаты 15 Ватт болса да, сондықтан алынған сигналдың жалпы қуаты тек -169 децибелге (dBm) тең болды.
Masers serve as high precision frequency references. These "atomic frequency standards" are one of the many forms of atomic clocks. Masers were also used as low noise microwave amplifiers in radio telescopes, though these have largely been replaced by amplifiers based on FETs. During the early 1960s, the Jet Propulsion Laboratory developed a maser to provide ultra low noise amplification of S band microwave signals received from deep space probes. This maser used deeply refrigerated helium to chill the amplifier down to a temperature of 4 kelvin. Amplification was achieved by exciting a ruby comb with a 12.0 gigahertz klystron. In the early years, it took days to chill and remove the impurities from the hydrogen lines. Refrigeration was a two stage process, with a large Linde unit on the ground, and a crosshead compressor within the antenna. The final injection was at through a micrometer adjustable entry to the chamber. The whole system noise temperature looking at cold sky (2.7 kelvin in the microwave band) was 17 kelvin. This gave such a low noise figure that the Mariner IV space probe could send still pictures from Mars back to the Earth, even though the output power of its radio transmitter was only 15 watts, and hence the total signal power received was only −169 decibels with respect to a milliwatt (dBm).
Астрофизикалық мазерлер
Мазер сияқты ынталандырылған эмиссия жұлдызаралық кеңістіктен табиғатта да байқалды және оны зертханалық мазерлерден ажырату үшін көбінесе "суперсәулелік эмиссия" деп атайды. Мұндай эмиссия су (H2O), гидроксил радикалдары (•OH), метанол (CH3OH), формальдегид (HCHO), кремний монооксиді (SiO) және карбoдимид (HNCNH) сияқты молекулалардан байқалады. Жұлдыз пайда болатын аймақтардағы су молекулалары популяциялық инверсияға ұшырап, шамамен 22,0 ГГц жиілікте сәуле шығаруы мүмкін, бұл радио әлемдегі ең жарқын спектрлік сызықты құрайды. Кейбір су мазерлері 96 ГГц жиілігіндегі айналмалы өтуден сәуле шығарады. Галактикалық белсенді ядролармен байланысты өте қуатты мазерлер мегамазерлер деп аталады және жұлдыздық мазерлерден миллион есе қуаттырақ.
Maser like stimulated emission has also been observed in nature from interstellar space, and it is frequently called "superradiant emission" to distinguish it from laboratory masers. Such emission is observed from molecules such as water (H2O), hydroxyl radicals (•OH), methanol (CH3OH), formaldehyde (HCHO), silicon monoxide (SiO), and carbodiimide (HNCNH). Water molecules in star forming regions can undergo a population inversion and emit radiation at about 22.0 GHz, creating the brightest spectral line in the radio universe. Some water masers also emit radiation from a rotational transition at a frequency of 96 GHz. Extremely powerful masers, associated with active galactic nuclei, are known as megamasers and are up to a million times more powerful than stellar masers.
Терминология
Мазер терминінің мағынасы оның енгізілуінен бастап сәл өзгерді. Бастапқыда акронимнің мағынасы баршаға белгілі болған «стимуляцияланған сәуле шығару арқылы микротолқынды күшейту» деп түсіндірілді, бұл электромагниттік спектрдің микротолқынды аймағында сәуле шығаратын құрылғыларды сипаттады. Стимуляцияланған эмиссия принципі мен тұжырымы кейіннен көптеген құрылғылар мен жиіліктерге қолданылды. Осылайша, бастапқы аббревиатура кейде өзгертіледі, бұл туралы Чарльз Х. Таунз айтқан.
The meaning of the term maser has changed slightly since its introduction. Initially the acronym was universally given as "microwave amplification by stimulated emission of radiation", which described devices which emitted in the microwave region of the electromagnetic spectrum. The principle and concept of stimulated emission has since been extended to more devices and frequencies. Thus, the original acronym is sometimes modified, as suggested by Charles H. Townes,
Лазер жасалған кезде Таунз бен Шаулоу және олардың Белл Лабораториясындағы әріптестері «оптикалық мазер» терминін қолдануға ұсыныс жасады, бірақ бұл көбінесе олардың бәсекелесі Гордон Гулдтың енгізген «лазер» терминіне ұшырады. Қазіргі уақытта спектрдің рентген сәулесінен инфрақызыл бөлігіне дейінгі диапазонда сәуле шығаратын құрылғылар лазерлер деп аталады, ал микротолқынды аймақта және одан төмен жиілікте сәуле шығаратын құрылғылар, микротолқынды немесе басқа жиілікті шығарса да, мазерлер деп аталады. Гулд бастапқыда спектрдің әр бөлігінде сәуле шығаратын құрылғылар үшін жеке атауларды ұсынды, олардың ішінде гразерлер (гамма сәулелі лазерлер), хазерлер (х-сәулелі лазерлер), увазерлер (күлді сәулелі лазерлер), лазерлер (көрінетін лазерлер), иразерлер (инфрақызыл лазерлер), мазерлер (микротолқынды мазерлер) және резерлер (РҚ мазерлер) бар. Алайда, осы терминдердің көпшілігі қабылдамады және қазірдің күніне (ғылыми фантастикадан басқа) мазер мен лазерден басқа барлығы қолданыстан шықты.
When the laser was developed, Townes and Schawlow and their colleagues at Bell Labs pushed the use of the term optical maser, but this was largely abandoned in favor of laser, coined by their rival Gordon Gould. In modern usage, devices that emit in the X ray through infrared portions of the spectrum are typically called lasers, and devices that emit in the microwave region and below are commonly called masers, regardless of whether they emit microwaves or other frequencies. Gould originally proposed distinct names for devices that emit in each portion of the spectrum, including grasers (gamma ray lasers), xasers (x ray lasers), uvasers (ultraviolet lasers), lasers (visible lasers), irasers (infrared lasers), masers (microwave masers), and rasers (RF masers). Most of these terms never caught on, however, and all have now become (apart from in science fiction) obsolete except for maser and laser.