Реферат студента п'ятого курсу З/О Антонова Олександра Михайловича
Донецький національний університет
Донецьк, 2009
Введення.
Мазер (Англ. maser) - квантовий генератор, що випромінює когерентні радіохвилі. Його назва - скорочення фрази В«Посилення мікрохвиль за допомогою вимушеного випромінювання В»(microwave amplification by stimulated emission of radiation) - було запропоновано в 1954 році американцем Ч. Таунсом, одним з його творців. Крім Таунса до відкриття безпосереднього принципу роботи квантового генератора причетні радянські вчені А. М. Прохоров, Н. Г. Басов, а також американці Дж. Вебер, Д. Гордон та Х. Цейгер. У 1964 р Прохорову, Басову та Таунсу була присуджена Нобелівська премія з фізики В«за фундаментальні роботи в області квантової електроніки, які привели до створення осциляторів і підсилювачів, заснованих на принципі лазера - мазера В». Спочатку, після винаходу, вважалося, що мазер - чисто людське творіння, однак пізніше астрономи виявили, що деякі з далеких галактик працюють як велетенські мазери. У величезних газових хмарах, розміром в мільярди кілометрів, виникають умови для генерації, а джерелом накачування служить космічне випромінювання. Мазери використовуються в техніці (зокрема, у космічній зв'язку), у фізичних дослідженнях, а також як квантові генератори стандартної частоти.
Басов Микола Геннадійович (1922 р.н.), російський фізик, один з основоположників квантової електроніки. У 1954 р. спільно з А.М.Прохоровим створив перший квантовий генератор на пучку молекул аміаку. У 1955 р. запропонував трирівневу схему для створення інверсного стану в квантових системах. У 1964 р. удостоєний Нобелівської премії з фізики за фундаментальну роботу в галузі квантової електроніки.
Прохоров Олександр Михайлович (1916 р.н.), російський фізик, один з творців квантової електроніки. У 1954 р. спільно з Н.Г.Басовим створив перший квантовий генератор на пучку молекул аміаку. У 1955-1960 рр.. працював над створенням квантових парамагнітних підсилювачів НВЧ-діапазону. У 1958 р. запропонував як резонатора квантового генератора використовувати відкритий резонатор. У 1964 р. за фундаментальні роботи в галузі квантової електроніки удостоєний Нобелівської премії з фізиці
Історію створення Мазера слід починати з 1917 р., коли Альберт Ейнштейн вперше ввів уявлення про вимушене випусканні. Це був перший крок на шляху до лазеру. Наступний крок зробив радянський фізик В.А. Фабрикант, хто вказав у 1939 р. на можливість використання вимушеного випускання для посилення електромагнітного випромінювання при його проходженні через речовину. Ідея, висловлена ​​В.А. Фабрикантом, передбачала використання мікросистем з інверсної заселеністю рівнів. Пізніше, після закінчення Великої Вітчизняної війни В.А. Фабрикант повернувся до цієї ідеї і на основі своїх досліджень подав у 1951 р. (разом з М.М. Вудинскім і Ф.А. Бутаєва) заявку на винахід способу підсилення випромінювання за допомогою вимушеного випускання. На цю заявку було видано свідоцтво, в якому під рубрикою "Предмет винаходи" записано: "Спосіб посилення електромагнітних випромінювань (ультрафіолетового, видимого, інфрачервоного і радіодіапазонів хвиль), що відрізняється тим, що посилюване випромінювання пропускають через середовище, в якому за допомогою допоміжного випромінювання або іншим шляхом створюють надлишкову порівняно з рівноважної концентрацію атомів, інших частинок або їх систем на верхніх енергетичних рівнях, відповідних збудженим станам ".
Спочатку цей спосіб посилення випромінювання виявився реалізованим в радіодіапазоні, а точніше в діапазоні надвисоких частот (НВЧ діапазоні). У травні 1952 р. на загальносоюзної конференції з радіоспектроскопії радянські фізики (нині академіки) Н.Г. Басов і А.М. Прохоров зробили доповідь про принципову можливість створення підсилювача випромінювання в НВЧ діапазоні. Вони назвали його "молекулярним генератором" (Передбачалося використовувати пучок молекул аміаку). Практично одночасно пропозицію про використання вимушеного випускання для посилення і генерування міліметрових хвиль було висловлено в Колумбійському університеті в США американським фізиком Ч. Таунсом. У 1954 р. молекулярний генератор, названий незабаром мазери, став реальністю. Він був розроблений і створений незалежно і одночасно в двох точках земної кулі - в Фізичному інституті імені П.М. Лебедєва Академії наук СРСР (групою під керівництвом Н.Г. Басова та А.М. Прохорова) і в Колумбійському університеті в США (групою під керівництвом Ч. Таунса). У наслідку від терміна "мазер" і відбувся термін "лазер" в результаті заміни букви "М" (початкова літера слова Microwave - мікрохвильової) буквою "L" (початкова літера слова Light - світло). В основі роботи як мазера, так і лазера лежить один і той же принцип - принцип, сформульований в 1951 р. В.А. Фабрикантом. Поява Мазера означало, що народився новий напрям в науці і техніці. Спочатку його назвали квантовою радіофізикою, а пізніше стали називати квантової електронікою.
Принцип роботи мазерів має багато спільного з роботою лазерів. Головний процес - вимушене випромінювання збуджених молекул - протікає на відміну від лазерного не в оптичному діапазоні, а в діапазоні НВЧ. Схематично мазер показаний на рис. 1. Пучок молекул аміаку з джерела 1 влітає в селектор 2, в якому відбувається поділ молекул.
Рис. 1 - Принцип пристрою мазера.
В якості селектора здебільшого застосовують так званий квадрупольний конденсатор, який складається з чотирьох паралельних металевих стрижнів з різнойменним зарядом, створюваним напругою 20-30 кВ (рис. 2). Всередині виникає неоднорідне електричне поле, причому на поздовжньої (вздовж стрижнів) осі симетрії конденсатора поле відсутнє. В молекулярному пучку, поступающем в конденсатор, частина молекул знаходиться в збудженому стані, а інша частина в збудженому. Збуджені молекули мають електрони на більш високих енергетичних рівнях.
Рис. 2 - Взаємне розташування стрижнів в квадрупольного конденсаторі.
Електричне поле квадрупольного конденсатора діє на молекули так, що порушені молекули збираються на осі конденсатора, а непорушення відхиляються від осі. В результаті з квадрупольного конденсатора в об'ємний резонатор 3 потрапляє пучок збуджених молекул. Об'ємний резонатор являє собою коливальну систему у вигляді деякої площини, обмеженою провідними стінками. Такий резонатор в залежності від розмірів володіє зазвичай кількома резонансними частотами. У квантовому генераторі резонатор налаштований на частоту, відповідну переходу збуджених молекул в основне, збудженому стані. Тоді потік молекул, в яких здійснюється такий перехід, випромінює електромагнітні хвилі, збуджуючі і підтримуючі коливання в резонаторі. Енергія цих коливань відбирається через вивід 4 резонатора.
Молекулярний генератор на аміаку створює коливання з частотою 23, 87 ГГц, що відповідає довжині хвилі приблизно 1, 25 см. Потужність такого генератора дуже мала і складає Вт Головна особливість молекулярного генератора на аміаку - висока стабільність частоти. Відносна нестабільність частоти за кілька годин роботи не перевищує. Подібний генератор може бути використаний в якості стандарту частоти.
Ще більш високу стабільність частоти має генератор на пучку атомів водню. Він відрізняється від генератора на аміаку тим, що для селекції порушених і збудженому атомів використовується неоднорідне магнітне поле, а не електричне. Це пояснюється наявністю у атомів водню деякої намагніченості. Неоднорідне магнітне поле притискає до осі збуджені атоми водню і відхиляє від осі непорушення. Тому в об'ємний резонатор влітають збуджені атоми водню і, повертаючись всередині резонатора в збудженому стані, генерують електромагнітні хвилі довжиною 21 см. На таку хвилю налаштований об'ємний резонатор. Відносна нестабільність частоти водневого ге...
