Maser (Daniel Hedtheyer)

MASER
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
B. Sc. Daniel Hedtheyer
Vorlesung: Inkohärente Lichtquellen
Fachbereich: Physikalische Technik
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Historie
3. Wasserstoffmaser
4. Ein-Atom-Maser
5. Natürliche Maser
6. Einsatzgebiete
7. Trivia
8. Zusammenfassung
9. Quellen
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03.07.2015
1. Einleitung
MASER
Akronym für:
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Gerät zur Erzeugung bzw. Verstärkung von kohärenter
Mikrowellenstrahlung mit sehr geringer Linienbreite
Wichtiges Hilfsmittel der Radioastronomie und als
Frequenznormal
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2. Historie
1917: Stimulierte Emission durch Albert Einstein
1951: Grundidee durch Charles H. Townes
1953: Erster Ammoniak-Maser (v = 24 GHz; λ = 12,5cm)
1957: Rubin-Maser  1960: Rubin-Laser
1960: Wasserstoffmaser durch Norman Ramsey
(v =1,42 GHz; λ = 12,5cm)
2012: Festkörpermaser bei Raumtemperatur
am National Physical Laboratory in London
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3. Wasserstoffmaser - Allgemein
Verbreitetster Maser-Typ
Aufwendige und teure Maschinen
Preise im Bereich von 200.000€
Emission von sehr schmalbandiger,
kohärenter Strahlung
Sehr große Langzeitstabilität
Ausgekoppelte Strahlung kann durch
Koaxialleiter oder besser
Hohlraumleiter geführt werden
Abbildung 1: Wasserstoffmaser in Betrieb;
Quelle: www.en.wikipedia.org
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3. Wasserstoffmaser - Grundlagen
Wasserstoffmaser nutzt die Hyperfeinstruktur des atomaren
Wasserstoffs
Neutraler Wasserstoff hat 2 Einstellmöglichkeiten für die Spins
von Proton und Elektron
F=1
Spins sind parallel
F=0
Spins sind antiparallel
Übergang F = 1  F = 0
E = 5,87E-6 eV
v = 1.420.405.752 Hz
λ = 21,12 cm
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Abbildung 2: Spinzustände des neutralen Wasserstoffatoms;
Quelle: Einführung in die Astronomie; A. Hanslmeier
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3. Wasserstoffmaser - Aufbau
Molekularer Wasserstoff (H2) strömt in
Entladungsröhre
Elektrischer Lichtbogen trennt Moleküle,
sodass einzelne Wasserstoffatome vorliegen
Atome gelangen durch einen Kollimator
(eingeengter, paralleler Strahlungsverlauf)
Zustandsselektor filtert nach magnetischem
Zustand (nur freie, geladene Atome erwünscht)
Energiearme Atome werden nach außen abgelenkt
Abbildung 3: Schema des Wasserstoffmasers;
Quelle: www.en.wikipedia.org
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3. Wasserstoffmaser - Aufbau
Freie, geladene Atome gelangen in
Speicherkolben aus Quarz
Teflonbeschichtung® (PTFE) verlangsamt
Zustandsänderung der Atome durch Kollision
Auf 1,42 GHz abgestimmter
Mikrowellenresonator umgibt den
Speicherkolben (silberbeschichtete Keramik)
Aktiv: Selbstständige Oszillation im
Resonator
Passiv: Von außen stimulierte Emission
durch Mikrowellensender
Abbildung 3: Schema des Wasserstoffmasers;
Quelle: www.en.wikipedia.org
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3. Wasserstoffmaser - Technische Daten
Lebensdauer des angeregten Zustands ca. 1s
Sehr hohe Frequenzgenauigkeit von ca. 1 Hz
Zum Vergleich: HeNe-Laser 1,5 GHz
Maser der Firma PTF: CH1-75 ACTIVE HYDROGEN MASER
Maße: 68x48x56 cm
Gewicht: 90 kg
Leistungsaufnahme: ca. 100W
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3. Wasserstoffmaser - Technische Daten
Haltbarkeit der Teflonbeschichtung® von bis zu 20 Jahren
Aktiver Wasserstoffmaser: (CHI-75 ACTIVE HYDROGEN MASER)
Langzeitfrequenzgenauigkeit (>1d) im Bereich von ±3E-16
Als Uhr: Abweichung von 1s nach 105.629.959 Jahren
Passiver Wasserstoffmaser: (CH1-76 PASSIVE HYDROGEN MASER)
Langzeitfrequenzgenauigkeit (>1d) im Bereich von ±1E-14
Als Uhr: Abweichung von 1s nach 3.168.808 Jahren
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4. Ein-Atom-Maser
Grundsätzlich ähnlicher Aufbau wie Wasserstoffmaser
Nichtklassische Strahlungsquelle
Mikrowellen folgen den Gesetzen der Quantenmechanik
..und die Photonen treten in einem gleichmäßigen Abstand aus
Strahlungsquelle für Forschungsgebiete im Bereich
Quantencomputer
Stringtheorie
Schleifenquantengravitation
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5. Natürliche Maser
Mit Hilfe der Radioteleskopie wurde Anfang der 1960er Jahre
Maserstrahlung im Kosmos entdeckt
Natürliche Quellen (HI-Linie mit 21cm)
Informationen über den Aufbau der Galaxie
– Dichteverteilung, Geschwindigkeit und Temperatur von
Wasserstoffatomen im Universum
Anregung noch nicht restlos geklärt
– Anregungsprozesse durch Stöße mit interstellarem Staub
– Anregung durch Strahlung von naheliegenden Sternen
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6. Einsatzgebiete
Maser werden als hochgenaue Frequenznormale genutzt
Bsp.: Atomuhr
Wichtiges Instrument für Versuche und Messungen bei denen
kleinste Zeitintervalle von Bedeutung sind
Zeitdiskrete Teleskopie:
Langbasisinterferometrie
Laufzeitunterschiede Radarmessungen:
Kontinentaldrift
Astronomische Entfernungsmessung
Forschung im Bereich der Quantenphysik
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Abbildung 4:
Langbasisinterferometrie;
Quelle: www.de.wikipedia.org
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7. Trivia
Die interstellaren Raumsonden Pioneer 10 und 11 tragen
goldbeschichtete Aluminiumplaketten um etwaigen intelligenten
Außeridischen Informationen über die Menschheit mitzuteilen
Hyperfeinstrukturübergang
des Wasserstoffatoms als
häufigstes Element des
Universum
Wellenlänge und Frequenz
des Übergangs werden als
Maßstab der weiteren
Abbildungen genutzt
Abbildung 5: Pioneer-Plakette;
Quelle: www.de.wikipedia.org
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8. Zusammenfassung
HI-Linie (H-Eins-Linie) des neutralen Wasserstoff auch 21cm
Linie genannt
Sowohl natürlich als auch künstlich eine wichtige Maserwellenlänge
Maser dienen vor allem als Frequenznormal für zeitkritische
Anwendungen
Natürliche Maser geben Aufschluss über die
Zusammensetzung des Universums
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9. Quellen
Hanslmeier , Arnold; Einführung in die Astronomie; 3. Auflage;
Springer; 2014
Eble, Johannes Franziskus; Stabilisierung von Lasern zum
Erzeugen und Kühlen von Ionen in einer Paul-Falle;
Diplomarbeit; 2006
https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_maser
https://de.wikipedia.org/wiki/Hyperfeinstruktur
http://www.relativ-kritisch.net/forum/viewtopic.php?t=1532
CHI-75 Active Hydrogen Maser Data Sheet
CHI-76 Passive Hydrogen Maser Data Sheet
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