Квантовый генератор

Использование

Квантовые генераторы служат высокими ссылками частоты точности. Эти «атомные стандарты частоты» являются одной из многих форм атомных часов. Они часто используются в качестве малошумящих микроволновых усилителей в радио-телескопах. Квантовые генераторы используются несколькими странами в качестве оружия направленной энергии.

Водородный квантовый генератор

, самый важный тип квантового генератора — водородный квантовый генератор, который в настоящее время используется в качестве атомного стандарта частоты. Вместе с другими видами атомных часов, они помогают составить Международное атомное время («Temps Atomique International» или «TAI» на французском языке). Это — международные временные рамки, скоординированные Международным бюро Весов и Мер.

Норман Рэмси и его коллеги сначала забеременели квантового генератора как стандарт выбора времени. Более свежие квантовые генераторы практически идентичны своему оригинальному проекту. Колебания квантового генератора полагаются на стимулируемую эмиссию между двумя гиперпрекрасными энергетическими уровнями атомного водорода. Вот краткое описание того, как они работают:

  • Во-первых, луч атомного водорода произведен. Это сделано, представив газ при низком давлении на высокочастотный выброс радиоволны (см. картину на этой странице).
  • Следующий шаг — «государственный выбор» — чтобы получить некоторую стимулируемую эмиссию, необходимо создать инверсию населения атомов. Это сделано в пути, который очень подобен известному Строгому-Gerlach эксперименту. После прохождения через апертуру и магнитное поле, многие атомы в луче оставляют в верхнем энергетическом уровне излучающего когерентный свет перехода. От этого государства атомы могут распасться к более низкому государству и испустить некоторую микроволновую радиацию.
  • Высокий фактор Q (фактор качества) впадина микроволновой печи ограничивает микроволновые печи и неоднократно повторно вводит их в луч атома. Стимулируемая эмиссия усиливает микроволновые печи на каждом, проходят через луч. Эта комбинация увеличения и обратной связи — то, что определяет все генераторы. Резонирующая частота микроволновой впадины настроена на частоту гиперпрекрасного энергетического перехода водорода: 1 420 405 752 герц.
  • Небольшая часть сигнала в микроволновой впадине соединена в коаксиальный кабель и затем послана в последовательный радиоприемник.
  • Микроволновый сигнал, выходящий из квантового генератора, очень слаб (несколько picowatts). Частота сигнала фиксирована и чрезвычайно стабильна. Последовательный приемник используется, чтобы усилить сигнал и изменить частоту. Это сделано, используя серию запертых фазой петель и высокоэффективного кварцевого генератора.

История

Теоретические принципы, описывающие эксплуатацию квантового генератора, были сначала описаны Николаем Басовым и Александром Прохоровым от Института Лебедева Физики на Всесоюзной Конференции по Радио-Спектроскопии, проводимой Академией наук СССР в мае 1952. Результаты были впоследствии изданы в октябре 1954.

Предшественник квантового генератора был водородным устройством, построенным и проверенным физиками Теодором В. Айонеску и Вэзилом Миху в 1946.

Независимо, Чарльз Х. Таунс, Джеймс П. Гордон и Х. Дж. Зейджер построили первый квантовый генератор аммиака в Колумбийском университете в 1953. Это устройство использовало стимулируемую эмиссию в потоке энергичных молекул аммиака, чтобы произвести увеличение микроволновых печей в частоте приблизительно 24,0 гигагерцев. Таунс позже работал с Артуром Л. Шавлоу, чтобы описать принцип оптического квантового генератора или лазера, которого Теодор Х. Мэймен создал первую рабочую модель в 1960.

Для их исследования в области стимулируемой эмиссии Таунсу, Басову и Прохорову присудили Нобелевский приз в Физике в 1964.

Терминология

Квантовый генератор значения слова изменился немного начиная с его введения. Первоначально акроним был универсально дан как «микроволновое увеличение стимулируемой эмиссией радиации», которая описала устройства, которые испустили в микроволновой области электромагнитного спектра.

Принцип и понятие стимулируемой эмиссии были с тех пор расширены на большее количество устройств и частот. Таким образом оригинальный акроним иногда изменяется, как предложил Чарльз Х. Таунс, к «молекулярному увеличению стимулируемой эмиссией радиации»

Некоторые утверждали, что усилия Таунса расширить акроним таким образом были прежде всего мотивированы желанием увеличить важность его изобретения и его репутации в научном сообществе

Когда лазер был разработан, Таунс и Шавлоу, и их коллеги в Bell Labs выдвинули использование термина оптический квантовый генератор, но это было в основном оставлено в пользу лазера, выдуманного их конкурентом Гордоном Гульдом. В современном использовании устройства, которые испускают в рентгене через инфракрасные части спектра, как правило, называют лазерами, и устройства, которые испускают в микроволновом регионе и ниже обычно называют квантовыми генераторами, независимо от того, испускают ли они микроволновые печи или другие частоты.

Гульд первоначально предложил отличные названия устройств, которые испускают в каждой части спектра, включая grasers (лазеры гамма-луча), xasers (лазеры рентгена), uvasers (ультрафиолетовые лазеры), лазеры (видимые лазеры), инфракрасные лазеры (инфракрасные лазеры), квантовые генераторы (микроволновые квантовые генераторы), и гонщики (квантовые генераторы RF). Большинство этих условий никогда не завоевывало популярность, однако, и все теперь стали (кроме в научной фантастике) устаревшими за исключением квантового генератора и лазера.

В течение начала 1960-х Лаборатория реактивного движения разработала квантовый генератор, чтобы обеспечить ультрамалошумящее увеличение сигналов микроволновой печи S-группы, полученных от исследований открытого космоса. Этот квантовый генератор использовал глубоко охлажденный водород, чтобы охладить усилитель вниз к температуре четырех kelvin. Увеличение было достигнуто возбуждением рубиновая гребенка с клистроном на 12,0 гигагерцев. В первые годы потребовались дни, чтобы охладить, и удалить примеси из, водородные линии. Охлаждение было двухэтапным процессом с большим отделением Linde на земле и компрессором крейцкопфа в пределах антенны. Заключительная инъекция была в 3 000 фунтов за квадратный дюйм через шесть тысячными частями дюйма, приспосабливаемого микрометра, вход в палату. Целая системная температура шума, смотрящая на холодное небо (2.7 kelvins в микроволновой группе), была 17 kelvins. Это дало такому низкому шумовому числу, что Моряк, которого IV космических зондов могли послать фотоснимкам из Марса назад к Земле даже при том, что выходная мощность ее радио-передатчика составляла только 15 ватт, и следовательно полная полученная власть сигнала, был только-169 децибелов относительно милливатта (dBm).

Технология

Квантовый генератор основан на принципе стимулируемой эмиссии, предложенной Альбертом Эйнштейном в 1917. Когда атомы были вызваны во взволнованное энергетическое государство, они могут усилить радиацию в надлежащей частоте.

Помещая такую среду усиления в резонирующую впадину, обратная связь создана, который может произвести последовательную радиацию.

Некоторые общие типы квантовых генераторов

  • Атомные квантовые генераторы луча
  • Квантовый генератор аммиака
  • Свободный электронный квантовый генератор
  • Газовые квантовые генераторы
  • Квантовый генератор рубидия
  • Квантовые генераторы твердого состояния
  • Рубиновый квантовый генератор
  • Квантовый генератор железного сапфира способов Галереи шепота
  • Двойной благородный газовый квантовый генератор (Двойной благородный газ среды сосредоточения, которая неполярна.)

События двадцать первого века

В 2012 исследовательская группа из Национальной Физической Лаборатории и Имперского колледжа Лондона развила способ заставить квантовый генератор твердого состояния работать при комнатных температурах при помощи pentacene-легированного p-Terphenyl как среда усилителя. Это развитие могло привести к возобновлению технологии квантового генератора в широкий диапазон заявлений, включая коммуникации и исследование космоса.

Астрофизические квантовые генераторы

Подобная квантовому генератору стимулируемая эмиссия также наблюдалась в природе от межзвездного пространства, и это часто называют «суперсияющей эмиссией», чтобы отличить его от лабораторных квантовых генераторов. Такая эмиссия наблюдается от молекул, таких как вода (HO), гидроксильные радикалы (О), метанол (CHOH), формальдегид (CHO) и кремниевая одноокись (SiO). Молекулы воды в формирующих звезду регионах могут подвергнуться инверсии населения и испустить радиацию приблизительно в 22,0 ГГц, создав самую яркую спектральную линию в радио-вселенной. Некоторые водные квантовые генераторы также испускают радиацию от вибрационного способа в частоте приблизительно 96 ГГц.

Чрезвычайно мощные квантовые генераторы, связанные с активными галактическими ядрами, известны как мегаквантовые генераторы и до миллион раз, более сильный, чем звездные квантовые генераторы.

Квантовый генератор:

Квантовый генератор – общее название источников электромагнитного излучения, работающих на основе вынужденного излучения атомов и молекул. В зависимости от того, какую длину волны излучает квантовый генератор, он может называться по-разному:

– мазер (микроволновой диапазон);

– лазер (оптический диапазон);

– разер (рентгеновский диапазон);

– газер (гамма-диапазон).

Мазер (англ. maser) – квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны). Мазер – это сокращенное название данного устройства, образованное по первым буквам слов фразы «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе с английского языка означает «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».

Лазер – это квантовый генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов. При этом под оптическим диапазоном понимается диапазон длин волн от 10-9 до 10-3 м. Свое название устройство получило от сокращения его англоязычной аббревиатуры LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), что в переводе означает «усиление света посредством вынужденного излучения».

Гамма-лазер – это квантовый генератор когерентного гамма-излучения (γ-излучения). В литературе для обозначения гамма-лазера часто также используют сокращения “гразер” или “газер” (от англ. grasergaser), являющиеся аббревиатурой английской фразы “Gamma Ray Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (“усиление гамма-излучения с помощью вынужденного излучения”).

Рентгеновский лазер (также именуется как «разер») – квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны в рентгеновском диапазоне (длина волны от ~10 до ~10−3 нм), основанный на эффекте вынужденного излучения.

Исторически первыми были созданы мазеры. Их создание открыло эру квантовой электроники. Впоследствии на принципах работы мазеров были созданы лазеры, затем разеры. Что касается газеров, тони существуют пока в виде научной идеи.

Принцип работы квантового генератора:

Принцип работы квантового генератора заключается в следующем. В стандартных условиях атомы и молекулы вещества находятся в термодинамическом равновесии друг с другом и с окружающей средой. При этом, чем выше энергия возбужденного состояния атома или молекулы, тем меньше количество атомов и молекул, находящихся в возбужденном состоянии. Для создания вынужденного излучения атомов и молекул вещества, его необходимо поместить в неравновесную среду, в которой количество возбужденных атомов или молекул больше, чем невозбужденных. Возбужденные атомы или молекулы имеют электроны на более высоких энергетических уровнях. При переходе с возбужденного состояния (уровня), т.е. с более высокого энергетического уровня, на более низкий уровень, т.е. в нормальное, стабильное, невозбужденное состояние атом или молекула испускают фотон – квант электромагнитного излучения. Однако в одних случаях имеет место спонтанное излучение, а в других – вынужденное. При вынужденном излучении возникшая электромагнитная волна распространяется в том же направлении, что и первоначальная индуцирующая волна, частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны, вынужденный поток когерентен возбуждающему.

Примечание:  Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Как возможно научиться писать тексты и зарабатывать на этом удаленно? Например, можете пройти курс «Копирайтинг от А до Я», который подойдет даже начинающим авторам.

Другие записи:

карта сайта

Коэффициент востребованности
160

Михаил Фирсов
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий