up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله ميزر PDF
QR code - ميزر

ميزر

ريشه لغوي
ميزر Maser حروف اول عبارت: Microwave Amplification by Stimulation Emission of Radiation به معناي تقويت امواج ميکروويو بوسيله تحصيل تحريکي تابش ، مي‌باشد. اين پديده يکي از چشمه‌هاي نوري است که توليد آن به دماي جسم بستگي ندارد (Non Thermal radiation). سيستم ميزرها به مانند ليزر است. ميزرها در ناحيه بسيار فشرده در ميان سحابيها (که معمولا از مولکولها تشکيل شده‌اند) رخ مي‌دهد. فضاي ميان ستاره‌اي شامل گونه هاي کمي از مولکولها مانند SiO و OH ، گاز اکسيژن ، گاز هيدروژن و آب مي‌باشد.
بخاطر پراکندگي اين مولکولها ، خطوط طيف نشري آنها بسيار ضعيف و شناسايي آنها بسيار سخت است؛ اما با استفاده از پديده ميزر مي‌توان حتي در کهکشانهاي ديگر هم آنها را شناسايي کرد.
تاريخچه
در مدت زمان جنگ جهاني دوم ، تلاشهاي فراواني در گسترش طول موج مورد استفاده در رادار به طرف ناحيه سانتي و ميليمتر انجام شد. تاونز که در طي جنگ روي امواج 1.25 سانتيمتري کار مي‌کرد، مشاهده کرد که در بخار آمونياک ، جذب شديدي صورت مي‌گيرد. وي با اتکا به کارهاي پورسل Pvrecell و پوند Pound در 1320 1951 که برخي اثرهاي دماي منفي را مورد مشاهده قرار داده بودند، به اين فکر افتاد که ممکن است مولکول آمونياک خود به عنوان يک منبع کهموج عمل کند.
مسير رشد و تحول
بعد از کشف تا ونز در 1320 1951 و کارهاي وسيعتر روي اين مساله سرانجام در اواخر سال 1332 1953 گوردون Gordon ، زايگر Zeiger و تاونز در دانشگاه کلمبيا با استفاده از اين اصل وسيله‌اي ساختند و نامش را ميزر گذاشتند. جستجو براي پيدا کردن يک ميزر قابل تنظيم پر قدرت و با عرض نوار پهن سبب شد که بلومبرگن Bloembergan در 1335 1956 ميزر سه ترازي را پيشنهاد کند. اولين وسيله‌اي که بر اين اساس کار مي‌کرد در سال 1335 1956 توسط اسکوويل Scovil ، فر Feher و سيديل Seidel در آزمايشگاههاي تلفن بل ساخته شد. در اين ليزر ، يون گادولينيوم Gadolinium بصورت سولفات اتيل گادولينيوم بکار گرفته شد. اين ماده تا 1.2 درجه کلوين سرد و در يک بسامد 17500 مگاهرتز با يک ميدان اعمالي 2850 اورستد پمپ گرديد. عمل ميزر در بسامد 9060 مگا هرتز حاصل شد.
سال بعد در 1336 1957 مک ورتر McWhorter و ميير Meyer در آزمايشگاه لينکلن در سازمان تحقيقات فني ماساچوسف ، يونهاي کروم را بصورت سيانيدکوبالت پتاسيم و نوسان و تقويت را بدست آوردند. اين وسيله در دماي 1.25 کلوين عمل مي‌کرد و عرض نواري چندين صد کيلو هرتز حاصل شده بود.
فرق ليزر و ميزر چيست؟
ميزر زماني رخ مي‌دهد که مولکولهاي يک ابر مولکولي در حالت برانگيخته باشند. تفاوت ليزر و ميزر درهمين جا است، چون در ليزرها اتم گازي در حالت برانگيخته شده است. در حالي که در ميزر مولکول برانگيخته مي‌شود و مي‌خواهد به حالت پايه برگردد به همين منظور همان مقدار انرژِي را که گرفته بصورت فوتون پس مي‌دهد. اين موج الکترومغناطيس که ازبين مولکولهاي برانگيخته ديگر عبورمي کند، اولا سرعت برگشتن به حالت پايه مولکولهاي ديگر را افزايش مي‌دهد، دوما با موج الکترومغناطيس ديگر مولکولها هم فاز بوده بنابراين تداخل سازنده خواهند داشت و دامنه موجي که از سحابي بيرون بيايد چند برابر مي‌شود. به همين ترتيب شدت تابش موج الکترومغناطيس افزايش مي‌يابد.
در ليزرها تقويت امواج نوري که از فرآيند گسيل ، خود به خود ايجاد مي‌شود صورت مي‌گيرد، ولي در ليزرها تقريبا امواج ميکرو ويو نظير امواج کهموج صورت مي‌گيرد. در حالت عادي ميزر درحالتهاي زير اتفاق مي‌افتد:
1. وقتي ابر مولکولي درمقابل يک چشمه امواج الکترومغناطيسي قرار گيرد. مانند زماني که يک ستاره جوان پر نور در پشت آن قرار گيرد.
2. وقتي ابرهاي بزرگ (H2(GMC با آنها برخورد کند.
انواع ميزر
ميزرها دو گونه مهم دارند:
ميزر آمونياکي
يک مولکول آمونياک ، مطابق شکل زير مي‌تواند در انرژي که از دو وضعيت اتم ازت نسبت به اتمهاي هيدروژن حاصل مي‌شوند، اخذ کند. يعني يک حالت اين که نيتروژن در يک طرف اتمهاي هيدروژن قرار گيرد و حالت ديگر اين که اتم نيتروژن در سمت قرينه حالت قبل نسبت به اتمهاي هيدروژن قرار گيرد. تاونز استدلال کرد که اگر در يک مخزن محتوي آمونياک بتوان به تعداد کافي از اتمها را که داراي حالت انرژي بالا هستند، بوجود آورد، در اين صورت فوتوني که انرژي ان برابر با اختلاف انرژي بين دو ترازاست، مي‌تواند يک اندرکنش زنجيره‌اي را آغاز کند که در آن گسيل القايي بر جذب غالب و يک موج تقويت شده توسط گسيلهاي القايي متوالي حاصل مي‌شوند.
ساز و کار ميزر آمونياکي
ابتدا باريکه مولکولها را از داخل متمرکز کننده الکتروستاتيکي که داراي اثر همگرا کننده براي مولکولهاي با حالت انرژي بالا و خاصيت واگرا کننده براي مولکولهاي با حالت انرژي پايين است، عبور مي‌دهند. تحويل مستقيم مولکولهاي آمونياک توسطي اتصال يک رشته از لوله‌هاي باريک به تانک حاوي گاز آمونياک ، تحت فشار چند تور عملي مي‌شود. خود متمرکز کننده ، از يک قفسه چهار ميله‌اي ، هر يک به درازي 55 سانتيمتر که به فاصله يک سانتيمتر از هم قرار گرفته‌اند و به عنوان الکترود کار مي‌کنند، تشکيل يافته است. دو الکترود دو به دو به زمين وصل شده‌اند و دوتاي ديگر در پتانسيل 15 کيلووات نگه داشته مي‌شوند. با اين روش ساده فيزيکي براي دور کردن مولکولهاي با انرژي پايين ، يا يک واروني تجمع در گازي که سيستم متمرکز کننده را ترک مي‌کند، بوجود مي‌آيد.
سپس باريکه تمرکز يافته مولکولهاي با انرژي بالا وارد حفره‌اي مي‌شود که آن حفره در فرکانس تشديد بين حالات بالايي و پاييني مولکول آمونياک ، يعني 23870 مگا هرتز طرح شده است. بنابراين وقتي يک علامت کهموجي با اين فرکانس وارد حفره شود، تقويت مي‌شود. اگر به حد کافي مولکولهاي با انرژي بالا به داخل حفره تزريق شود، گسيل خود به خود مي‌تواند يک اندرکنش زنجيره‌اي خود نگهدار آغاز کند و آنگاه ميزر به عنوان يک نوسانگر عمل خواهد کرد.
کارايي ميزرهاي آمونياکي
توان خروجي يک نوسانگر ميزر آمونياکي بسيار پايين و در حدود 1010- وات است، ولي طيف بسيار خالصي دارد. به عنوان يک تقويت کننده ، اين نوسانگر محدود است به يک نوار کم عرض در حدود فقط چند کيلو هرتز در پيرامون فرکانس مرکزي و البته امکان تغيير طرح براي کار در فرکانسهاي مختلف وجود ندارد. به همين دليل ، ميزر آمونياکي بيشتر به عنوان يک معيار بسامد مورد استفاده است.
ميزر سه ترازي
همانطور که مي‌دانيم شرط لازم براي انجام عمل ليزر ، ايجاد واروني تجمع بين دو تراز در يک سيستم اتمي يا مولکولي است. در مورد ميزر آمونياکي ، اين شرط با دور کردن فيزيکي مولکولها با حالت انرژي پايين از سيستم حاصل شد. در حالت کلي يک چنين روشي عملي نيست و بايد روش مناسبتري پيدا کرد. طرح بلومبرگن Bloembergen که اولين بار اين نوع ميزر را پيشنهاد کرد، اين بود که يک سيستم سه ترازي مناسبي را انتخاب کند که در آن در نتيجه توزيع بولتزمن تجمع ترازهاي انرژي از تراز پايين به تراز بالا کاهش يابد و با افزودن يونهاي با بسامد دقيق ، اتمها از ترازهاي زيري به ترازهاي بالا ، پمپ شوند.
با توجه به اينکه احتمال جذب و گسيل القايي باهم برابرند، سيستم با تجمع مساوي در ترازهاي بالا و پايين به حالت پايدار در مي‌آيد با وجود اين تحت اين شرايط ، اگر فاصله نسبي بين سه تراز به دقت انتخاب شوند، در اين صورت مي‌توان تجمع تراز وسطي را از تجمع پاييني بيشتر کرد. در نتيجه تجمع واروني بين حالات وسطي و پاييني بوجود مي‌آيد و عمل ليزر ممکن مي‌شود.
بر خلاف فوتونهاي نور يک فوتون کهموجي در مقايسه با انرژي حرارتي بسيار کوچک است. از اين رو سه تراز انرژي بسيار نزديک به هم و در نتيجه خيلي نزديک به حالت پايه خواهند بود. پس در دماي اتاق تجمع آنها تقريبا باهم برابر خواهند بود. براي افزايش اختلاف جمعيت ، محيط فعال را تا دماي هليوم مايع (چهار درجه کلوين) سرد مي‌کنند و بدين ترتيب مطابق فرمول زير يک اختلاف بزرگ در تجمع بين ترازها فراهم مي‌شود.
(N2 N1 = exp-(E2 - E1) KT
ساختمان يک ميزر سه ترازي
براي ساختن يک ميزر سه ترازي ، لازم است ماده‌اي که داراي سه تراز جدا از هم ، توسط گاف هم ارز با بسامدهاي کهموجي باشد، پيدا کرد. بلومبرگن معتقد بود که مواد پارامغناطيس مي‌توانند براي اين منظور مناسب باشند. اينها بلورهايي هستند که اتمها يا مولکولهاي آنها در محل مغناطيسهاي دائمي هستند. وقتي مغناطيس درست در خلاف جهت ميدان قرار گيرد، اتم يا مولکول داراي بالاترين مقدار ممکن انرژي پتانسيل است.
کاربرد
ازاين سيستم در آنتنهاي راديويي براي تقويت امواج دريافت شده استفاده مي‌شود.

خط زماني پديد آمدن ليزر: گسيل گسيل القايي - 1947 آلبرت انيشتن فرآيندي را که امکان تشکيل ليزر را فراهم مي کرد، براي اولين بار پيشنهاد کرد. اين فرآيند گ ...

مقدمه عمل ليزرها بستگي به گسيل القايي دارد. که بوسيله ضريب انيشتين B21 مشخص مي شود. ميزر ‏به معني تقويت کهموج بوسيله گسيل القايي تابش است و ليزر به هم ...

حدود دو هفته از پنجاهمين سالگرد ايجاد فناوري ليزر مي گذرد و همين موضوع بهانه اي شد تا به پيشرفت هاي جديد در زمين ليزر(Laser) بپردازيم . واژه Laser مخف ...

ليزر به وسيله اي گفته مي شود که نور را به صورت پرتوهاي موازي بسيار باريکي که طول موج مشخصي دارند ساطع مي کنند. اين دستگاه از ماده اي جمع کننده يا فعال ...

دانلود نسخه PDF - ميزر