میزر چیست؟
میزر Maser حروف اول عبارت: Microwave Amplification by Stimulation Emission of Radiation به معنای تقویت امواج میکروویو به وسیله گسیل تحریکی تابش، میباشد. این پدیده یکی از چشمههای نوری است که تولید آن به دمای جسم بستگی ندارد. سیستم میزرها به مانند لیزر است. میزرها در ناحیه بسیار فشرده در میان سحابی ها (که معمولا از مولکول ها تشکیل شدهاند) رخ میدهد. فضای میان ستارهای شامل گونه های کمی از مولکول ها مانند SiO و OH ، گاز اکسیژن ، گاز هیدروژن و آب میباشد.
به خاطر پراکندگی این مولکول ها ، خطوط طیف نشری آن ها بسیار ضعیف و شناسایی آن ها بسیار سخت است؛ اما با استفاده از پدیده "میزر" میتوان حتی در کهکشان های دیگر هم آن ها را شناسایی کرد.
در لیزرها تقویت امواج نوری که از فرآیند گسیل، خود به خود ایجاد میشود صورت میگیرد، ولی در میزرها تقریبا امواج میکرو ویو نظیر امواج که موج صورت میگیرد. در حالت عادی میزر درحالت های زیر اتفاق میافتد:
وقتی ابر مولکولی درمقابل یک چشمه امواج الکترومغناطیسی قرار گیرد. مانند زمانی که یک ستاره جوان پر نور در پشت آن قرار گیرد.
انواع میزر
میزرها دو گونه مهم دارند:
میزر آمونیاکی
یک مولکول آمونیاک ، میتواند در انرژی که از دو وضعیت اتم ازت نسبت به اتم های هیدروژن حاصل میشوند، اخذ کند. یعنی یک حالت این که نیتروژن در یک طرف اتم های هیدروژن قرار گیرد و حالت دیگر این که اتم نیتروژن در سمت قرینه حالت قبل نسبت به اتم های هیدروژن قرار گیرد. تاونز استدلال کرد که اگر در یک مخزن محتوی آمونیاک بتوان تعداد کافی از اتم ها را که دارای حالت انرژی بالا هستند، به وجود آورد، در این صورت فوتونی که انرژی آن برابر با اختلاف انرژی بین دو تراز است، میتواند یک اندرکنش زنجیرهای را آغاز کند که در آن گسیل القایی بر جذب غالب و یک موج تقویت شده توسط گسیل های القایی متوالی حاصل میشوند.
ساز و کار میزر آمونیاکی
ابتدا باریکه مولکول ها را از داخل متمرکز کننده الکتروستاتیکی که دارای اثر همگرا کننده برای مولکول های با حالت انرژی بالا و خاصیت واگرا کننده برای مولکول های با حالت انرژی پایین است، عبور میدهند. تحویل مستقیم مولکول های آمونیاک توسطی اتصال یک رشته از لولههای باریک به تانک حاوی گاز آمونیاک ، تحت فشار چند تور عملی میشود. خود متمرکز کننده ، از یک قفسه چهار میلهای ، هر یک به درازی 55 سانتیمتر که به فاصله یک سانتیمتر از هم قرار گرفتهاند و به عنوان الکترود کار میکنند، تشکیل یافته است. دو الکترود دو به دو به زمین وصل شدهاند و دوتای دیگر در پتانسیل 15 کیلووات نگه داشته میشوند. با این روش ساده فیزیکی برای دور کردن مولکول های با انرژی پایین، یا یک وارونی تجمع در گازی که سیستم متمرکز کننده را ترک میکند، به وجود میآید.
سپس باریکه تمرکز یافته مولکول های با انرژی بالا وارد حفرهای میشود که آن حفره در فرکانس تشدید بین حالات بالایی و پایینی مولکول آمونیاک ، یعنی 23870 مگا هرتز طرح شده است. بنابراین وقتی یک علامت کهموجی با این فرکانس وارد حفره شود، تقویت میشود. اگر به حد کافی مولکول های با انرژی بالا به داخل حفره تزریق شود، گسیل خود به خود میتواند یک اندرکنش زنجیرهای خود نگهدار آغاز کند و آن گاه میزر به عنوان یک نوسانگر عمل خواهد کرد.
کارایی میزرهای آمونیاکی
توان خروجی یک نوسانگر میزر آمونیاکی بسیار پایین و در حدود 10تا10- وات است، ولی طیف بسیار خالصی دارد. به عنوان یک تقویت کننده، این نوسانگر محدود است به یک نوار کم عرض در حدود فقط چند کیلو هرتز در پیرامون فرکانس مرکزی و البته امکان تغییر طرح برای کار در فرکانس های مختلف وجود ندارد. به همین دلیل ، میزر آمونیاکی بیشتر به عنوان یک معیار بسامد مورد استفاده است.
میزر سه ترازی
همان طور که میدانیم شرط لازم برای انجام عمل لیزر ، ایجاد وارونی تجمع بین دو تراز در یک سیستم اتمی یا مولکولی است. در مورد میزر آمونیاکی، این شرط با دور کردن فیزیکی مولکول ها با حالت انرژی پایین از سیستم حاصل شد. در حالت کلی یک چنین روشی عملی نیست و باید روش مناسب تری پیدا کرد. طرح بلومبرگن که اولین بار این نوع میزر را پیشنهاد کرد، این بود که یک سیستم سه ترازی مناسبی را انتخاب کند که در آن در نتیجه توزیع بولتزمن تجمع ترازهای انرژی از تراز پایین به تراز بالا کاهش یابد و با افزودن یونهای با بسامد دقیق ، اتم ها از ترازهای زیری به ترازهای بالا ، پمپ شوند.
با توجه به این که احتمال جذب و گسیل القایی باهم برابرند، سیستم با تجمع مساوی در ترازهای بالا و پایین به حالت پایدار در میآید با وجود این تحت این شرایط ، اگر فاصله نسبی بین سه تراز به دقت انتخاب شوند، در این صورت میتوان تجمع تراز وسطی را از تجمع پایینی بیشتر کرد. در نتیجه تجمع وارونی بین حالات وسطی و پایینی به وجود میآید و عمل لیزر ممکن میشود.
بر خلاف فوتون های نور یک فوتون کهموجی در مقایسه با انرژی حرارتی بسیار کوچک است. از این رو سه تراز انرژی بسیار نزدیک به هم و در نتیجه خیلی نزدیک به حالت پایه خواهند بود. پس در دمای اتاق تجمع آنها تقریبا باهم برابر خواهند بود. برای افزایش اختلاف جمعیت ، محیط فعال را تا دمای هلیوم مایع (چهار درجه کلوین) سرد میکنند و بدین ترتیب مطابق فرمول زیر یک اختلاف بزرگ در تجمع بین ترازها فراهم میشود.
N2/N1 = exp-(E2 - E1)/KT
ساختمان یک میزر سه ترازی
برای ساختن یک میزر سه ترازی ، لازم است مادهای که دارای سه تراز جدا از هم ، توسط گاف هم ارز با بسامدهای کهموجی باشد، پیدا کرد. بلومبرگن معتقد بود که مواد پارامغناطیس میتوانند برای این منظور مناسب باشند. این ها بلورهایی هستند که اتمها یا مولکول های آن ها در محل مغناطیس های دائمی هستند. وقتی مغناطیس درست در خلاف جهت میدان قرار گیرد، اتم یا مولکول دارای بالاترین مقدار ممکن انرژی پتانسیل است.
کاربرد
ازاین سیستم در آنتن های رادیویی برای تقویت امواج دریافت شده استفاده میشود.
