میزر چیست؟

در مقاله "لیزر چیست؟" با اصول فیزیکی و ساختار لیزرها آشنا شدید. در این مقاله شما را با میزر (Maser) آشنا می کنیم که اختراع آنها باعث شد تا دانشمندان به سراغ تولید لیزر بروند.

میزر دستگاهی است که از طریق تقویت تابش یا امواج الکترومغناطیسی (به ویژه در ناحیه مایکروویو) با استفاده از نشر القایی، تشعشعات متمرکز و همدوسی تولید می کند.

maser های مدرن می توانند برای تولید امواج الکترومغناطیسی نه تنها در فرکانس های مایکروویو، بلکه در فرکانس های رادیویی و مادون قرمز نیز طراحی شوند.

میزر ها به‌ عنوان دستگاه اندازه‌ گیری زمان (Timekeeping Device) در ساعت‌ های اتمی و تقویت‌ کننده‌ های مایکروویو بسیار کم‌ نویز در تلسکوپ‌ های رادیویی و ایستگاه‌ های زمینی ارتباطی با فضاپیماها استفاده می‌ شوند.

تاریخچه مختصری از تولید میزر اولیه

اصطلاح میزر (Maser)، مخفف تقویت امواج مایکروویو از طریق نشر القایی تابش (microwave amplification by stimulated emission of radiation) است.

از لحاظ نظری، اصول بازتاب کنندگی توسط جوزف وبر (Joseph Weber) در کنفرانسی که در ژوئن 1952 توسط مؤسسه مهندسین رادیو برگزار گردید، مورد بحث قرار گرفته بود.

در می 1952، اصول Maser توسط نیکولای باسوف و الکساندر پروخوروف از مؤسسه فیزیک لبدف در یک کنفرانس سراسری در رادیو توصیف شد.

با این وجود، اولین میزر در سال 1953، توسط Charles H. Townes، James P. Gordon و Herbert J. Zeiger در دانشگاه کلمبیا در سال 1953 ساخته شد.

آنها پرتوی از مولکول های آمونیاک برانگیخته را به داخل یک حفره تشدیدی فرستادند و در نهایت، انتشاری خودپایدار تشکیل شد، زیرا تشعشع مولکول‌ های موجود در حفره باعث تحریک تشعشعات بیشتری از منبع تجدید پیوسته مولکول‌های برانگیخته شد.

توان این میزر بسیار کم بود، در حدود ده نانووات، اما شدت انرژی آن در یک خط بسیار تیز در طیف گسیلی متمرکز شده بود. به عبارت دیگر، تشعشع بسیار یکنواخت بود و شامل یک طول موج منفرد با آلودگی کمی از طول موج های دیگر بود.

بسیاری از نظریه پردازان به Townes گفته بودند که دستگاه او نمی تواند با موفقیت کار کند. هنگامی که این کار انجام شد، محققان دیگر به سرعت آن را تکرار کردند و انواع مختلفی وارد بازار شد.

در سال 1958 Townes و Arthur L. Schawlow سیستمی را پیشنهاد کردند که در طول موج‌ های مادون قرمز و مرئی نیز می توانست کار کند، تا سال 1960 که اولین  لیزر ساخته شد.

در سال‌ های ابتدایی اختراع لیزر، عبارت میزر نوری (Optical Maser) را برای آن به کار می‌ بردند. Townes در سال 1964 موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک، به دلیل تحقیقات و کارهای تولیدی خود در مورد میزر و لیزر شد.

مبنای فیزیکی و مکانیزم کلی میزر

میزر، با تنظیم یک سری اتم یا مولکول و تحریک آنها برای تولید واکنش زنجیره ای یا تقویت فوتون ها کار می کند و اصل فیزیکی بنیادی آن، مفهوم نشر یا گسیل القایی است که برای اولین بار توسط انیشتین در سال 1917 معرفی شد.

پیش از تعریف نشر القایی، اجازه دهید به دو پدیده مرتبط اما آشنا و مربوط به تعامل بین ماده و تشعشع، یعنی پدیده های جذب و نشر نگاهی بیندازیم.

پدیده جذب

طبق اصول مکانیک کوانتومی، جذب فوتون‌ ها توسط اتم‌ ها تنها در صورتی اتفاق می‌ افتد که طول موج فوتون تابشی به اتم، متناسب با انرژی جذب ویژه آن باشد.

اگر اینطور باشد، اتم آن را "جذب" می کند (فوتون ناپدید می شود) و به حالت انرژی بالاتر می رود (الکترون های ساختاری آن برانگیخته می شوند).

گسیل خود به خودی

الکترون های برانگیخته اتم‌ ها تمایلی ندارند که در حالت‌ های بالای انرژی باقی بمانند (این امر توسط قوانین ترمودینامیک دیکته می‌ شود)، بنابراین پس از جذب به میل خود به حالت انرژی پایین‌ تر باز می گردند.

در فرایند بازگشت، یک فوتون انرژی ساطع می‌ کنند که این پدیده را "گسیل خود به خودی" می نامند زیرا هیچ تأثیر خارجی باعث انتشار نشده است.

به طور معمول طول عمر متوسط گسیل های خود به خودی توسط اتم های برانگیخته حدود 10^-8 ثانیه است (یعنی معمولاً 10^-8 ثانیه طول می کشد تا اتم یا مولکول به حالت قبل برسد).

با این حال، گاهی اوقات، حالت هایی وجود دارد که طول عمر آنها بسیار طولانی تر است، شاید حدود 10^-3 ثانیه که به این حالات، نیمه پایدار می گویند. این سطوح نشری نیمه پایدار است که برای عملکرد یک میزر ضروری است.

نشر القایی

در این حالت فیزیکی، یک فوتون با طول موج جذب مشخصی، به سمت اتمی شلیک می شود که پیشتر، در نتیجه یک فرایند جذب در حالت انرژی بالایی قرار دارد.

اتم این فوتون جدید را جذب می کند و سپس به سرعت دو فوتون ساطع می کند تا به حالت انرژی پایین تر خود باز گردد. به لطف مکانیک کوانتومی، هر دوی این فوتون های تازه گسیل شده دارای طول موج یکسان هستند.

اساساً، میزر های ساخت بشر دستگاهی است که مجموعه ای از اتم ها یا مولکول ها را تنظیم می کند و آنها را برای ایجاد واکنش زنجیره ای یا تقویت فوتون ها تحریک می کند.

برای دریافت طول موج های مناسب و ایجاد واکنش زنجیره ای، ابتدا به محفظه ای پر از اتم ها یا مولکول های خاص انرژی پمپ یا تزریق می شود که باعث گذار  اتم ها از حالت پایه به حالت برانگیخته می شود.

در مدت زمانی کوتاه، اتم ها از طریق گذار غیر تشعشعی به حالت نیمه پایدار با عمر طولانی و با انرژی پایین تر می آیند. در این حالت نیمه پایدار، بسیاری از اتم ها در یک مکان جمع می شوند در حالی که در سطح انرژی یکسانی هستند.

پرتو میزر به روش گسیل القایی زمانی ایجاد می‌ شود که همه این اتم‌ های انباشته شده به طور همزمان گذار به حالت پایه داشته باشند و در نتیجه پرتویی از تابش مایکروویو ایجاد می‌ کنند.

از آنجایی که تمام فوتون های حاصل دارای طول موج یکسان هستند، پرتوهای میزر بسیار متمرکز و همدوس هستند. میزر ها و همتایان آنها LASER، کاربردهای عملی زیادی به خصوص در علم و پزشکی دارند.

انواع محیط فعال در میزر

بر اساس نوع محیط فعال که در آن تقویت کوانتومی و تولید امواج الکترومغناطیسی وجود دارد، میزر ها به دو گروه کلی تقسیم می شوند:

نوسانگرهای مولکولی (با استفاده از پرتوهای مولکولی)

در این نوع، محیط فعال میزر توسط یک نوع پرتو مصنوعی حاصل از مولکول های یک ماده ایجاد می شود که تنها مولکول های آن در حالت برانگیخته هستند.

پرتو حاصل از مولکول های در حالت برانگیخته، به یک حفره رزونانسی می افتد، جایی که تجمع مولکول های برانگیخته وجود دارد.

در رزوناتور یا تشدید کننده، مولکول های برانگیخته شده در حال گذار به حالت پایه، تابش های الکترومغناطیسی در محدوده طول موجی سانتی متر ساطع می کنند که به میدان تشدیدگر منتقل می شود.

تشدید کننده به گونه ای پیکربندی شده است که فرکانس تشدید رزوناتور برابر با فرکانس تابش الکترومغناطیسی ساطع شده توسط مولکول برانگیخته در طول گذار به حالت پایه باشد.

بنابراین، چنین رزوناتوری قادر است در زمان بیشتری نوسانات الکترومغناطیسی را که در فرکانس تشدید برانگیخته شده اند، حفظ کند.

برای مثال، میزرهایی که بر اساس آمونیاک و هیدروژن کار می کنند، از نوع نوسان سازهای مولکولی به شمار می آیند.

نوسان سازهای پارامغناطیسی

در این نوع از میزر، کریستال های پارامغناطیس (به عنوان مثال: کریستال یاقوت) به عنوان یک محیط فعال استفاده می شوند که در حفره قرار می گیرند.

بر خلاف حفره در نوسانگر مولکولی، نوسانگر پارامغناطیسی تشدید کننده دارای دو فرکانس تشدید است: فرکانس تابش پمپ و بهره فرکانس.

گذار مولکول های کریستال به حالت برانگیخته، از طریق جذب تابش الکترومغناطیسی در یک طول موج پمپاژ کمتر از طول موج بهره توسط کریستال صورت می گیرد.

به طور کلی نوسان سازها و تقویت کننده های پارامغناطیس، قابلیت تولید میزر های در طول موج های 1 تا 100 سانتی متر را دارند.

مهمترین ویژگی ژنراتورهای پارامغناطیسی سطح نویز بسیار کم (در حدود 100 برابر کمتر) نسبت به تقویت کننده هایی است که بر اساس اصول دیگر کار می کنند.

انواع میزر

امروزه با پیشرفت تکنولوژی، انواع مختلفی از میزر وجود دارد که هر نوع، ویژگی ها و کاربردهای منحصر به فرد خود را دارد. برخی از این انواع عبارت اند از:

میزر پرتو اتمی

نوعی است که از پرتوی از اتم های خنثی به عنوان محیط تقویت کننده استفاده می کند و اولین بار در سال 1955 توسط Gordon و Zeiger  پیشنهاد شد.

میزر آمونیاک

اولین دستگاه میزر آمونیاکی در سال 1953 توسط Charles H. Townes و همکارانش در دانشگاه کلمبیا ساخته شد. در این دستگاه از گسیل القایی جریانی از مولکول های آمونیاک پر انرژی استفاده می شد تا امواج مایکروویو با فرکانس حدوداً 24.0 گیگاهرتز تولید شود.

در شماتیک بالا، نازل آمونیاک در سمت چپ جعبه قرار دارد، چهار میله برنجی در مرکز انتخابگر حالت چهار قطبی هستند و حفره تشدید در سمت راست قرار دارد.

میزر های آمونیاکی به عنوان تقویت کننده های مایکروویو بسیار کم نویز در تلسکوپ های رادیویی و ایستگاه های زمینی ارتباطی استفاده می شوند.

میزر هیدروژن

میزر هیدروژن که به عنوان استاندارد فرکانس هیدروژن نیز شناخته می شود، نوع خاصی است که از خواص ذاتی اتم هیدروژن برای استفاده به عنوان مرجع فرکانس دقیق استفاده می کند.

میزر های هیدروژن دستگاه های بسیار پیچیده ای هستند که به طور کلی در دو نوع فعال و غیرفعال قابل تشخیص هستند.

در هر دو نوع، یک لامپ کوچک ذخیره‌ سازی هیدروژن مولکولی، H2، مقدار کنترل‌ شده‌ ای از گاز را به داخل لامپ تخلیه می‌ کند. مولکول های موجود در لامپ تخلیه، توسط یک قوس یا تخلیه الکتریکی به اتم های هیدروژن مجزا تفکیک می شوند.

سپس، هیدروژن اتمیزه شده از یک کولیماتور و سپس یک انتخابگر حالت مغناطیسی عبور می کند و به یک حباب ذخیره می رسد که به نوبه خود داخل یک حفره مایکروویو ساخته شده از یک استوانه سرامیکی با روکش نقره یا مسی قرار دارد.

این حفره با فرکانس رزونانس 1.420 گیگاهرتز تنظیم شده است. یک میدان مغناطیسی استاتیک ضعیف به موازات محور حفره اعمال می شود تا سطوح فرعی  زیمن مغناطیسی را تحریک نماید.

برای کاهش تأثیر تغییر میدان های مغناطیسی خارجی بر فرکانس خط گذار و سازگاری با تداخل های الکترومغناطیسی، حفره توسط چندین لایه احاطه شده است.

در میزر هیدروژن نوع فعال، حفره به خودی خود نوسان می کند و این امر به چگالی بالایی از اتم هیدروژن در حفره نیاز دارد. با این حال، پایداری فرکانس کوتاه مدت و بلندمدت بهتری دارد.

در میزر هیدروژن نوع غیرفعال، حفره از فرکانس خارجی 1.420 گیگاهرتز تغذیه می شود که برای تولید حداکثر خروجی در حفره تنظیم شده است.

این فرکانس خارجی این اجازه را می دهد تا از چگالی اتم هیدروژن کمتر و فاکتور کیفیت حفره کمتر استفاده شود که هزینه را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.

سخن پایانی

در این مقاله سعی بر آن شد که تعریف دقیقی از میزر و ساختار عملکردی آن ارائه گردد. در ادامه نیز برخی از انواع میزر شرح داده شد. امیدواریم که مفید بوده باشد.

منابع و مراجع

MASER TO LASERS: A REVIEW

Wikipedia