F.PHYSICIST
4th July 2011, 01:21 PM
ميزر چيست؟
(http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.hupaa.com%2Fpa ge.php%3Fid%3D4761)
http://www.hupaa.com/upload/thumb/thumb_6972689.jpg (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.hupaa.com%2Fpa ge.php%3Fid%3D4761) (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.hupaa.com%2Fpa ge.php%3Fid%3D4761)
(http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.hupaa.com%2Fpa ge.php%3Fid%3D4761)
ريشه لغوي
ميزر Maser حروف اول عبارت: Microwave Amplification by Stimulation Emission of Radiation به معناي تقويت امواج ميكروويو بوسيله تحصيل تحريكي تابش ، مي‌باشد. اين پديده يكي از چشمه‌هاي نوري است كه توليد آن به دماي جسم بستگي ندارد (Non Thermal radiation). سيستم ميزرها به مانند ليزر است. ميزرها در ناحيه بسيار فشرده در ميان سحابيها (كه معمولا از مولكولها تشكيل شده‌اند) رخ مي‌دهد. فضاي ميان ستاره‌اي شامل گونه هاي كمي از مولكولها مانند SiO و OH ، گاز اكسيژن ، گاز هيدروژن و آب مي‌باشد.
بخاطر پراكندگي اين مولكولها ، خطوط طيف نشري آنها بسيار ضعيف و شناسايي آنها بسيار سخت است؛ اما با استفاده از پديده "ميزر" مي‌توان حتي در كهكشانهاي ديگر هم آنها را شناسايي كرد.
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 كه در طي جنگ روي امواج 1.25 سانتيمتري كار مي‌كرد، مشاهده كرد كه در بخار آمونياك ، جذب شديدي صورت مي‌گيرد. وي با اتكا به كارهاي پورسل Pvrecell و پوند Pound در 1320/1951 كه برخي اثرهاي دماي منفي را مورد مشاهده قرار داده بودند، به اين فكر افتاد كه ممكن است مولكول آمونياك خود به عنوان يك منبع كهموج عمل كند.
مسير رشد و تحول
بعد از كشف تا ونز در 1320/1951 و كارهاي وسيعتر روي اين مساله سرانجام در اواخر سال 1332/1953 گوردون Gordon ، زايگر Zeiger و تاونز در دانشگاه كلمبيا با استفاده از اين اصل وسيله‌اي ساختند و نامش را ميزر گذاشتند. جستجو براي پيدا كردن يك ميزر قابل تنظيم پر قدرت و با عرض نوار پهن سبب شد كه بلومبرگن Bloembergan در 1335/1956 ميزر سه ترازي را پيشنهاد كند. اولين وسيله‌اي كه بر اين اساس كار مي‌كرد در سال 1335/1956 توسط اسكوويل Scovil ، فر Feher و سيديل Seidel در آزمايشگاههاي تلفن بل ساخته شد. در اين ليزر ، يون گادولينيوم Gadolinium بصورت سولفات اتيل گادولينيوم بكار گرفته شد. اين ماده تا 1.2 درجه كلوين سرد و در يك بسامد 17500 مگاهرتز با يك ميدان اعمالي 2850 اورستد پمپ گرديد. عمل ميزر در بسامد 9060 مگا هرتز حاصل شد.
سال بعد در 1336/1957 مك ورتر McWhorter و ميير Meyer در آزمايشگاه لينكلن در سازمان تحقيقات فني ماساچوسف ، يونهاي كروم را بصورت سيانيدكوبالت پتاسيم و نوسان و تقويت را بدست آوردند. اين وسيله در دماي 1.25 كلوين عمل مي‌كرد و عرض نواري چندين صد كيلو هرتز حاصل شده بود.
فرق ليزر و ميزر چيست؟
ميزر زماني رخ مي‌دهد كه مولكولهاي يك ابر مولكولي در حالت برانگيخته باشند. تفاوت ليزر و ميزر درهمين جا است، چون در ليزرها اتم گازي در حالت برانگيخته شده است. در حالي كه در ميزر مولكول برانگيخته مي‌شود و مي‌خواهد به حالت پايه برگردد به همين منظور همان مقدار انرژِي را كه گرفته بصورت فوتون پس مي‌دهد. اين موج الكترومغناطيس كه ازبين مولكولهاي برانگيخته ديگر عبورمي كند، اولا سرعت برگشتن به حالت پايه مولكولهاي ديگر را افزايش مي‌دهد، دوما با موج الكترومغناطيس ديگر مولكولها هم فاز بوده بنابراين تداخل سازنده خواهند داشت و دامنه موجي كه از سحابي بيرون بيايد چند برابر مي‌شود. به همين ترتيب شدت تابش موج الكترومغناطيس افزايش مي‌يابد.
در ليزرها تقويت امواج نوري كه از فرآيند گسيل ، خود به خود ايجاد مي‌شود صورت مي‌گيرد، ولي در ليزرها تقريبا امواج ميكرو ويو نظير امواج كهموج صورت مي‌گيرد. در حالت عادي ميزر درحالتهاي زير اتفاق مي‌افتد:
وقتي ابر مولكولي درمقابل يك چشمه امواج الكترومغناطيسي قرار گيرد. مانند زماني كه يك ستاره جوان پر نور در پشت آن قرار گيرد.
وقتي ابرهاي بزرگ (H2(GMC با آنها برخورد كند.
انواع ميزر
ميزرها دو گونه مهم دارند:
ميزر آمونياكي
يك مولكول آمونياك ، مطابق شكل زير مي‌تواند در انرژي كه از دو وضعيت اتم ازت نسبت به اتمهاي هيدروژن حاصل مي‌شوند، اخذ كند. يعني يك حالت اين كه نيتروژن در يك طرف اتمهاي هيدروژن قرار گيرد و حالت ديگر اين كه اتم نيتروژن در سمت قرينه حالت قبل نسبت به اتمهاي هيدروژن قرار گيرد. تاونز استدلال كرد كه اگر در يك مخزن محتوي آمونياك بتوان به تعداد كافي از اتمها را كه داراي حالت انرژي بالا هستند، بوجود آورد، در اين صورت فوتوني كه انرژي ان برابر با اختلاف انرژي بين دو ترازاست، مي‌تواند يك اندركنش زنجيره‌اي را آغاز كند كه در آن گسيل القايي بر جذب غالب و يك موج تقويت شده توسط گسيلهاي القايي متوالي حاصل مي‌شوند.
ساز و كار ميزر آمونياكي
ابتدا باريكه مولكولها را از داخل متمركز كننده الكتروستاتيكي كه داراي اثر همگرا كننده براي مولكولهاي با حالت انرژي بالا و خاصيت واگرا كننده براي مولكولهاي با حالت انرژي پايين است، عبور مي‌دهند. تحويل مستقيم مولكولهاي آمونياك توسطي اتصال يك رشته از لوله‌هاي باريك به تانك حاوي گاز آمونياك ، تحت فشار چند تور عملي مي‌شود. خود متمركز كننده ، از يك قفسه چهار ميله‌اي ، هر يك به درازي 55 سانتيمتر كه به فاصله يك سانتيمتر از هم قرار گرفته‌اند و به عنوان الكترود كار مي‌كنند، تشكيل يافته است. دو الكترود دو به دو به زمين وصل شده‌اند و دوتاي ديگر در پتانسيل 15 كيلووات نگه داشته مي‌شوند. با اين روش ساده فيزيكي براي دور كردن مولكولهاي با انرژي پايين ، يا يك واروني تجمع در گازي كه سيستم متمركز كننده را ترك مي‌كند، بوجود مي‌آيد.
سپس باريكه تمركز يافته مولكولهاي با انرژي بالا وارد حفره‌اي مي‌شود كه آن حفره در فركانس تشديد بين حالات بالايي و پاييني مولكول آمونياك ، يعني 23870 مگا هرتز طرح شده است. بنابراين وقتي يك علامت كهموجي با اين فركانس وارد حفره شود، تقويت مي‌شود. اگر به حد كافي مولكولهاي با انرژي بالا به داخل حفره تزريق شود، گسيل خود به خود مي‌تواند يك اندركنش زنجيره‌اي خود نگهدار آغاز كند و آنگاه ميزر به عنوان يك نوسانگر عمل خواهد كرد.
كارايي ميزرهاي آمونياكي
توان خروجي يك نوسانگر ميزر آمونياكي بسيار پايين و در حدود 1010- وات است، ولي طيف بسيار خالصي دارد. به عنوان يك تقويت كننده ، اين نوسانگر محدود است به يك نوار كم عرض در حدود فقط چند كيلو هرتز در پيرامون فركانس مركزي و البته امكان تغيير طرح براي كار در فركانسهاي مختلف وجود ندارد. به همين دليل ، ميزر آمونياكي بيشتر به عنوان يك معيار بسامد مورد استفاده است.
ميزر سه ترازي
همانطور كه مي‌دانيم شرط لازم براي انجام عمل ليزر ، ايجاد واروني تجمع بين دو تراز در يك سيستم اتمي يا مولكولي است. در مورد ميزر آمونياكي ، اين شرط با دور كردن فيزيكي مولكولها با حالت انرژي پايين از سيستم حاصل شد. در حالت كلي يك چنين روشي عملي نيست و بايد روش مناسبتري پيدا كرد. طرح بلومبرگن Bloembergen كه اولين بار اين نوع ميزر را پيشنهاد كرد، اين بود كه يك سيستم سه ترازي مناسبي را انتخاب كند كه در آن در نتيجه توزيع بولتزمن تجمع ترازهاي انرژي از تراز پايين به تراز بالا كاهش يابد و با افزودن يونهاي با بسامد دقيق ، اتمها از ترازهاي زيري به ترازهاي بالا ، پمپ شوند.
با توجه به اينكه 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 كرد. در نتيجه تجمع واروني بين حالات وسطي و پاييني بوجود مي‌آيد و عمل ليزر ممكن مي‌شود.
بر خلاف فوتونهاي نور يك فوتون كهموجي در مقايسه با انرژي حرارتي بسيار كوچك است. از اين رو سه تراز انرژي بسيار نزديك به هم و در نتيجه خيلي نزديك 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 كلوين) سرد مي‌كنند و بدين ترتيب مطابق فرمول زير يك اختلاف بزرگ در تجمع بين ترازها فراهم مي‌شود.
(N2/N1 = exp-(E2 - E1)/KT
ساختمان يك ميزر سه ترازي
براي ساختن يك ميزر سه ترازي ، لازم است ماده‌اي كه داراي سه تراز جدا از هم ، توسط گاف هم ارز با بسامدهاي كهموجي باشد، پيدا كرد. بلومبرگن معتقد بود كه مواد پارامغناطيس مي‌توانند براي اين منظور مناسب باشند. اينها بلورهايي هستند كه اتمها يا مولكولهاي آنها در محل مغناطيسهاي دائمي هستند. وقتي مغناطيس درست در خلاف جهت ميدان قرار گيرد، اتم يا مولكول داراي بالاترين مقدار ممكن انرژي پتانسيل است.
كاربرد
ازاين سيستم در آنتنهاي راديويي براي تقويت امواج دريافت شده استفاده مي‌شود.
منبع: رشد
(http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.hupaa.com%2Fpa ge.php%3Fid%3D4761)
http://www.hupaa.com/upload/thumb/thumb_6972689.jpg (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.hupaa.com%2Fpa ge.php%3Fid%3D4761) (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.hupaa.com%2Fpa ge.php%3Fid%3D4761)
(http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fwww.hupaa.com%2Fpa ge.php%3Fid%3D4761)
ريشه لغوي
ميزر Maser حروف اول عبارت: Microwave Amplification by Stimulation Emission of Radiation به معناي تقويت امواج ميكروويو بوسيله تحصيل تحريكي تابش ، مي‌باشد. اين پديده يكي از چشمه‌هاي نوري است كه توليد آن به دماي جسم بستگي ندارد (Non Thermal radiation). سيستم ميزرها به مانند ليزر است. ميزرها در ناحيه بسيار فشرده در ميان سحابيها (كه معمولا از مولكولها تشكيل شده‌اند) رخ مي‌دهد. فضاي ميان ستاره‌اي شامل گونه هاي كمي از مولكولها مانند SiO و OH ، گاز اكسيژن ، گاز هيدروژن و آب مي‌باشد.
بخاطر پراكندگي اين مولكولها ، خطوط طيف نشري آنها بسيار ضعيف و شناسايي آنها بسيار سخت است؛ اما با استفاده از پديده "ميزر" مي‌توان حتي در كهكشانهاي ديگر هم آنها را شناسايي كرد.
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 كه در طي جنگ روي امواج 1.25 سانتيمتري كار مي‌كرد، مشاهده كرد كه در بخار آمونياك ، جذب شديدي صورت مي‌گيرد. وي با اتكا به كارهاي پورسل Pvrecell و پوند Pound در 1320/1951 كه برخي اثرهاي دماي منفي را مورد مشاهده قرار داده بودند، به اين فكر افتاد كه ممكن است مولكول آمونياك خود به عنوان يك منبع كهموج عمل كند.
مسير رشد و تحول
بعد از كشف تا ونز در 1320/1951 و كارهاي وسيعتر روي اين مساله سرانجام در اواخر سال 1332/1953 گوردون Gordon ، زايگر Zeiger و تاونز در دانشگاه كلمبيا با استفاده از اين اصل وسيله‌اي ساختند و نامش را ميزر گذاشتند. جستجو براي پيدا كردن يك ميزر قابل تنظيم پر قدرت و با عرض نوار پهن سبب شد كه بلومبرگن Bloembergan در 1335/1956 ميزر سه ترازي را پيشنهاد كند. اولين وسيله‌اي كه بر اين اساس كار مي‌كرد در سال 1335/1956 توسط اسكوويل Scovil ، فر Feher و سيديل Seidel در آزمايشگاههاي تلفن بل ساخته شد. در اين ليزر ، يون گادولينيوم Gadolinium بصورت سولفات اتيل گادولينيوم بكار گرفته شد. اين ماده تا 1.2 درجه كلوين سرد و در يك بسامد 17500 مگاهرتز با يك ميدان اعمالي 2850 اورستد پمپ گرديد. عمل ميزر در بسامد 9060 مگا هرتز حاصل شد.
سال بعد در 1336/1957 مك ورتر McWhorter و ميير Meyer در آزمايشگاه لينكلن در سازمان تحقيقات فني ماساچوسف ، يونهاي كروم را بصورت سيانيدكوبالت پتاسيم و نوسان و تقويت را بدست آوردند. اين وسيله در دماي 1.25 كلوين عمل مي‌كرد و عرض نواري چندين صد كيلو هرتز حاصل شده بود.
فرق ليزر و ميزر چيست؟
ميزر زماني رخ مي‌دهد كه مولكولهاي يك ابر مولكولي در حالت برانگيخته باشند. تفاوت ليزر و ميزر درهمين جا است، چون در ليزرها اتم گازي در حالت برانگيخته شده است. در حالي كه در ميزر مولكول برانگيخته مي‌شود و مي‌خواهد به حالت پايه برگردد به همين منظور همان مقدار انرژِي را كه گرفته بصورت فوتون پس مي‌دهد. اين موج الكترومغناطيس كه ازبين مولكولهاي برانگيخته ديگر عبورمي كند، اولا سرعت برگشتن به حالت پايه مولكولهاي ديگر را افزايش مي‌دهد، دوما با موج الكترومغناطيس ديگر مولكولها هم فاز بوده بنابراين تداخل سازنده خواهند داشت و دامنه موجي كه از سحابي بيرون بيايد چند برابر مي‌شود. به همين ترتيب شدت تابش موج الكترومغناطيس افزايش مي‌يابد.
در ليزرها تقويت امواج نوري كه از فرآيند گسيل ، خود به خود ايجاد مي‌شود صورت مي‌گيرد، ولي در ليزرها تقريبا امواج ميكرو ويو نظير امواج كهموج صورت مي‌گيرد. در حالت عادي ميزر درحالتهاي زير اتفاق مي‌افتد:
وقتي ابر مولكولي درمقابل يك چشمه امواج الكترومغناطيسي قرار گيرد. مانند زماني كه يك ستاره جوان پر نور در پشت آن قرار گيرد.
وقتي ابرهاي بزرگ (H2(GMC با آنها برخورد كند.
انواع ميزر
ميزرها دو گونه مهم دارند:
ميزر آمونياكي
يك مولكول آمونياك ، مطابق شكل زير مي‌تواند در انرژي كه از دو وضعيت اتم ازت نسبت به اتمهاي هيدروژن حاصل مي‌شوند، اخذ كند. يعني يك حالت اين كه نيتروژن در يك طرف اتمهاي هيدروژن قرار گيرد و حالت ديگر اين كه اتم نيتروژن در سمت قرينه حالت قبل نسبت به اتمهاي هيدروژن قرار گيرد. تاونز استدلال كرد كه اگر در يك مخزن محتوي آمونياك بتوان به تعداد كافي از اتمها را كه داراي حالت انرژي بالا هستند، بوجود آورد، در اين صورت فوتوني كه انرژي ان برابر با اختلاف انرژي بين دو ترازاست، مي‌تواند يك اندركنش زنجيره‌اي را آغاز كند كه در آن گسيل القايي بر جذب غالب و يك موج تقويت شده توسط گسيلهاي القايي متوالي حاصل مي‌شوند.
ساز و كار ميزر آمونياكي
ابتدا باريكه مولكولها را از داخل متمركز كننده الكتروستاتيكي كه داراي اثر همگرا كننده براي مولكولهاي با حالت انرژي بالا و خاصيت واگرا كننده براي مولكولهاي با حالت انرژي پايين است، عبور مي‌دهند. تحويل مستقيم مولكولهاي آمونياك توسطي اتصال يك رشته از لوله‌هاي باريك به تانك حاوي گاز آمونياك ، تحت فشار چند تور عملي مي‌شود. خود متمركز كننده ، از يك قفسه چهار ميله‌اي ، هر يك به درازي 55 سانتيمتر كه به فاصله يك سانتيمتر از هم قرار گرفته‌اند و به عنوان الكترود كار مي‌كنند، تشكيل يافته است. دو الكترود دو به دو به زمين وصل شده‌اند و دوتاي ديگر در پتانسيل 15 كيلووات نگه داشته مي‌شوند. با اين روش ساده فيزيكي براي دور كردن مولكولهاي با انرژي پايين ، يا يك واروني تجمع در گازي كه سيستم متمركز كننده را ترك مي‌كند، بوجود مي‌آيد.
سپس باريكه تمركز يافته مولكولهاي با انرژي بالا وارد حفره‌اي مي‌شود كه آن حفره در فركانس تشديد بين حالات بالايي و پاييني مولكول آمونياك ، يعني 23870 مگا هرتز طرح شده است. بنابراين وقتي يك علامت كهموجي با اين فركانس وارد حفره شود، تقويت مي‌شود. اگر به حد كافي مولكولهاي با انرژي بالا به داخل حفره تزريق شود، گسيل خود به خود مي‌تواند يك اندركنش زنجيره‌اي خود نگهدار آغاز كند و آنگاه ميزر به عنوان يك نوسانگر عمل خواهد كرد.
كارايي ميزرهاي آمونياكي
توان خروجي يك نوسانگر ميزر آمونياكي بسيار پايين و در حدود 1010- وات است، ولي طيف بسيار خالصي دارد. به عنوان يك تقويت كننده ، اين نوسانگر محدود است به يك نوار كم عرض در حدود فقط چند كيلو هرتز در پيرامون فركانس مركزي و البته امكان تغيير طرح براي كار در فركانسهاي مختلف وجود ندارد. به همين دليل ، ميزر آمونياكي بيشتر به عنوان يك معيار بسامد مورد استفاده است.
ميزر سه ترازي
همانطور كه مي‌دانيم شرط لازم براي انجام عمل ليزر ، ايجاد واروني تجمع بين دو تراز در يك سيستم اتمي يا مولكولي است. در مورد ميزر آمونياكي ، اين شرط با دور كردن فيزيكي مولكولها با حالت انرژي پايين از سيستم حاصل شد. در حالت كلي يك چنين روشي عملي نيست و بايد روش مناسبتري پيدا كرد. طرح بلومبرگن Bloembergen كه اولين بار اين نوع ميزر را پيشنهاد كرد، اين بود كه يك سيستم سه ترازي مناسبي را انتخاب كند كه در آن در نتيجه توزيع بولتزمن تجمع ترازهاي انرژي از تراز پايين به تراز بالا كاهش يابد و با افزودن يونهاي با بسامد دقيق ، اتمها از ترازهاي زيري به ترازهاي بالا ، پمپ شوند.
با توجه به اينكه 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 كرد. در نتيجه تجمع واروني بين حالات وسطي و پاييني بوجود مي‌آيد و عمل ليزر ممكن مي‌شود.
بر خلاف فوتونهاي نور يك فوتون كهموجي در مقايسه با انرژي حرارتي بسيار كوچك است. از اين رو سه تراز انرژي بسيار نزديك به هم و در نتيجه خيلي نزديك 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 كلوين) سرد مي‌كنند و بدين ترتيب مطابق فرمول زير يك اختلاف بزرگ در تجمع بين ترازها فراهم مي‌شود.
(N2/N1 = exp-(E2 - E1)/KT
ساختمان يك ميزر سه ترازي
براي ساختن يك ميزر سه ترازي ، لازم است ماده‌اي كه داراي سه تراز جدا از هم ، توسط گاف هم ارز با بسامدهاي كهموجي باشد، پيدا كرد. بلومبرگن معتقد بود كه مواد پارامغناطيس مي‌توانند براي اين منظور مناسب باشند. اينها بلورهايي هستند كه اتمها يا مولكولهاي آنها در محل مغناطيسهاي دائمي هستند. وقتي مغناطيس درست در خلاف جهت ميدان قرار گيرد، اتم يا مولكول داراي بالاترين مقدار ممكن انرژي پتانسيل است.
كاربرد
ازاين سيستم در آنتنهاي راديويي براي تقويت امواج دريافت شده استفاده مي‌شود.
منبع: رشد