Bài giảng Máy phát lượng tử_maser các loại radar

MÁY PHÁT LƯỢNG TỬ_MASERMASER là tên viết tắt của cụm từ Microwave Amplification by Stimulation Emission of Radiation và có nghĩa là "Khuếch đại sóng vi ba bằng phát xạ kích thích". Nguyên lý bức xạ cưỡng bức là nền tảng hoạt động của MASER. MASER và LASER có cơ chế hoạt động giống nhau, chỉ khác là MASER hoạt động với tần số photon ở vùng vi sóng còn LASER hoạt động trong phổ cực tím, ánh sáng hay hồng ngoại.LỊCH SỬNăm 1900, Max Planck chứng minh năng lượng của sóng điện từ không liên tục mà là những phần tử rời rạc với mức năng lượng tương ứng với tần số của sóng.Năm 1916, A.Einstein đưa ra lý thuyết của bức xạ cưỡng bức: Nếu chiếu những nguyên tử bằng một sóng điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon phát ra sẽ có cùng một bước sóng. Max PlanckAlbert EinsteinTownes (trái) và Gordon (phải) và maser amoniac tại đại học Colombia- Năm 1951 giáo sư Charles Townes trường Đại học Columbia, New York chú ý đến sự khuếch đại của vi sóng.- Năm 1953, ông cùng hai sinh viên tốt nghiệp J.P.Gordon và H.J.Zeiger thực hiện thí nghiệm mang tên MASER và đã thành công, tuy nhiên MASER đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục và phải chi phí khá tốn kém.LỊCH SỬProkhorov, Townes và BasovLỊCH SỬCùng thời gian này, 2 nhà khoa học Xô Viết là N.Batsov và A.Prokhorov cũng phát minh ra máy khếch đại vi sóng phóng tia liên tục dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng. Nó phóng ra tia liên tục không cho các điện tử xuống mức năng lượng cơ bản nên vẫn giữ tần suất. Ba nhà khoa học nhận giải Nobel vật lý lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến tạo ra máy dao động và phóng đại trên thuyết maser-laser 1964.KĨ THUẬT MASER- Có nhiều loại MASER. Tóm tắt thành 2 loại: MASER chất khí và MASER chất rắn, chưa có lý thuyết về MASER chất lỏng. Trong mỗi loại có nhiều loại nhỏ hơn. VD: MASER chất rắn có nhiều loại khác nhau như 2 mức rắn và 3 mức khuếch tán.Khi hoạt động, nhiều loại MASER sử dụng heli lỏng để làm lạnh nhiệt độ xuống dưới 4K=>làm giảm tiếng ồn tạo ra bởi sự rung động của electron, hạt nhân và các hạt khác. Có một số chất hóa học có khả năng khuếch tán. Trong đó có nước, bazơ, amoniac, metanol, formon, monoxit silic và ion hiđrô. Các MASER khí trơ là ví dụ cho môi trường khuếch tán không phân cực.PHÂN LOẠI MASERMASERMASER nhân tạoMASER tự nhiênMASER NHÂN TẠOCác chuỗi nguyên tử hoặc phân tử được kích thích để hình thành nên phản ứng dây chuyền.- Ban đầu đưa dòng điện vào một khoang chứa đầy các nguyên tử hoặc phân tử: Quá trình phát xạ xảy ra: các nguyên tử từ trạng thái ban đầu được đẩy lên trạng thái kích thích, rồi từ trạng thái kích thích ngắn chuyển sang trạng thái không ổn định dài. Các nguyên tử này được tích lũy ở cùng một vị trí và có cùng một trạng thái. Dòng MASER, phát xạ kích thích, xuất hiện khi tất cả các nguyên tử tích lũy đó đồng thời tạo một bước chuyển pha, rơi xuống trạng thái ban đầu và giải phóng năng lượng với bước sóng của bức xạ sóng vi ba. MASER NHÂN TẠODòng bức xạ này sẽ tương tác với các nguyên tử còn chưa rơi khác, kích thích chúng giải phóng thêm photon cùng pha, cùng tần số và cùng hướng bay, dẫn đến phản ứng dây chuyền.Vòng tròn màu đỏ lớn là một phân tử ở trạng thái kích thích năng lượng cao của quá trình chuyển đổi maser.Vòng tròn nhỏ màu xanh: phân tử ở mức thấp hơn (mức cơ bản).(a) photon bước sóng l (màu xanh lá cây) kích thích các phân tử trong trạng thái cao. (b) phân tử đầu tiên bức xạ cảm ứng sinh ra hai photon có bước sóng l.(c) các photon gây bức xạ cảm ứng hai phân tử tiếp theo, kết quả cho bốn photon bước sóng l.(d) quá trình tiếp tục và các photon tăng gấp đôi số lượng.MASER NHÂN TẠOMáy phát lượng tử gồm: một buồng cộng hưởng và môi trường có khả năng khuếch đại sóng ngắn hoặc ánh sáng.Nếu sự khuếch đại trong môi trường đủ lớn bù vào sự mất mát năng lượng trên đường đi thì sự bức xạ cảm ứng sẽ tăng lên cho đến khi năng lượng đủ lớn và thoát ra ngoài.Maser nhân tạo đầu tiên dùng chùm tia phân tử NH3 (amôniắc). Phân tử NH3 có cấu tạo gồm 3 nguyên tử Hyđrô nằm ở đáy hình chóp (tứ diện) và nguyên tử N ở đỉnh.MASER NHÂN TẠOKhi không bị kích thích nguyên tử Nitơ không dao động, phân tử trở thành bất đối xứng và momen lưỡng cực khác không. Trạng thái cơ bản này ứng với năng lượng W1NHHHMASER NHÂN TẠO Khi bị kích thích phân tử có nguyên tử N dao động dọc theo trục vuông góc với đáy. Lúc này momen lưỡng cực điện bằng 0 ứng với trạng thái năng lượng W2.NHHHNHHH234CAB++BMASER NHÂN TẠOBộ nguồn phát phân tử A. Toàn hệ thống có chân không 1mm Hg.Chùm phân tử NH3 qua lưới 2 vào tụ điện tử cực B. Các phân tử bị kích thích tập trung vào trục của tụ. Các phân tử không bị kích thích bị lệch về phía các bản cực và sau đó bị hút ra ngoài theo đường 3.MASER NHÂN TẠO+ Sau tụ điện B chùm phân tử đi vào hộp cộng hưởng C được thiết kế và điều chỉnh để độ dài ứng với tần số: + Trong hộp C: số nguyên tử bị kích thích lớn hơn nhiều so với số nguyên tử ở trạng thái cơ bản=>trạng thái nghịch đảo.+ Khi mật độ năng lượng được khuếch đại đạt ngưỡng sóng đơn sắc được dẫn ra ngoài theo ống dẫn sóng.21MASER TỰ NHIÊNMaser tự nhiên hình thành ở các vì sao trong vũ trụ. Ví dụ, các phân tử nước ở vùng đang hình thành sao, sau khi trải qua quá trình nghịch chuyển, bức xạ với tần số 22 GHz, tạo ra các đường phổ được cho là sáng nhất trong số các sóng radio đến từ vũ trụ.MASER TỰ NHIÊNHình 1: Thiên hà Messier 82 có hình dạng một điếu xì gà ở cách trái đất 12 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Đại Hùng. Trung tâm thiên hà Messier 82 là một môi trường rất xáo động, phun ra nhiều khí và bụi. Đây cũng là nơi mà sự sản sinh ra hàng nghìn ngôi sao có khả năng bùng lên từng đợt (Hình NASA-ESA). MASER TỰ NHIÊNThiên thể MaserMASER TỰ NHIÊN- Một bức xạ MASER của phân tử hydroxyl OH (vạch phổ rất hẹp có đỉnh cao) được phát hiện trên bước sóng 18cm (tần số 1667 MHz) ở vùng trung tâm thiên hà Messier 82. - Trục tung: cường độ của bức xạ.- Trục hoành: tốc độ của những đám khí trong thiên hà.MASER TỰ NHIÊN- Khi các cực của O, H thẳng hàng chuyển thành đối nhau thì phát ra photon. Các cực thẳng hàng(trạng thái năng lượng cao)Các cực đối nhau(trạng thái năng lượng thấp)- Bức xạ MASER trong thiên hà Messier 82 là một trong hai bức xạ MASER rất mạnh được phát hiện đầu tiên ở hẳn bên ngoài dải Ngân hà. ỨNG DỤNG MASERDòng Maser rất tập trung và liền mạch, nên nó được sử dụng rộng rãi trong khoa học và kỹ thuật:- Lò vi sóng khuếch đại bằng bức xạ cảm ứng.- Kính thiên văn maser.- Thiết bị chống bạo động trong quân sự cho phép phát hiện và phá hủy mìn, đạn, pháo nằm rải rác trên chiến trường sau mỗi trận đánh.- Trong y học: mổ ỨNG DỤNG MASER- Đồng hồ nguyên tử đầu được hỗ trợ bởi MASER khuếch đại lò vi sóng phát xạ kích thích của bức xạ KHÁI NIỆM RADARRadar là thuật ngữ viết tắt của cụm từ Radio Detection and Ranging (dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến) hay Radio Angle Detection and Ranging (dò tìm và định vị góc bằng sóng vô tuyến) . Đây là một phương tiện dùng sóng vô tuyến điện để phát hiện và định vị mục tiêu.Tên này là do Hải quân Mỹ đặt ra trong đại chiến thế giới lần thứ hai, tuy chưa đủ nghĩa nhưng đã trở nên thông dụng trên toàn thế giới.RADARAltair – Ăng ten radar tầm xa được sử dụng để phát hiện vàtheo dõi các đối tượng không gian. Radar quân sự của Israel là điển hình của loại radar được sử dụng để kiểm soát không lưu.MỘT VÀI HÌNH ẢNH VỀ RADARLỊCH SỬ CỦA RADANăm 1865 nhà bác học Macxoen đã dự đoán ra lý thuyết về sóng điện từ.Năm 1887 đã phát minh ra sóng điện từ bằng thực nghiệm do nhà bác học Henry Hetz. Ngày 7 tháng 5 năm 1895 nhà bác học Nga Popop đã phát minh ra dụng cụ có thể thu và ghi lại các hiện tượng phóng điện trong không gian ở cách xa 30m .Tháng 3/1896 Popop đã gởi đi bức vô tuyến điện tin đầu tiên trong lịch sở khoa học gồm mấy chữ “Henry Hetz”.Người ta đã coi phát hiện ra vô tuyến điện là phát minh to lớn của loài người và lấy ngày 7/5/1895 là ngày phát minh ra vô tuyến điện. LỊCH SỬ CỦA RADANăm 1897 trong khi tiến hành thí ngiệm về liên lạc vô tuyến điện Popop đã phát hiện ra sự phản xạ của của sóng điện từ và đã ứng dụng để kiểm tra tàu bè, xác định vị trí mục tiêu dẫn đường định hướng cho tàu trong đêm hoặc có sương mù. Tuy nhiên trên thế giới đến những năm 1925 trở đi thì Radar bắt đầu phát triển rộng rãi . Năm 1925 ở Mỹ dùng Radar để nghiên cứu tầng điện ly. Năm 1935 Radar phát xung đầu tiên của Nga bắt đầu phát sóng. LỊCH SỬ CỦA RADA Đến năm 1938 Radar của Nga đã phát hiện mục tiêu ở xa 100-200km. Do tính ưu việt của Radar nên nhiều nước đã tập trung nghiên cứu và phát triển Radar. Ở Đức năm 1936 đài Radar phát sóng met đầu tiên ra đời. Ở Pháp năm 1935 chế tạo ra Radar làm việc ở bước sóng 16cm. Kỹ thuật Radar phát triển rất nhanh chóng. Lúc đầu chỉ là Radar sống met tiếp theo là Radar sóng dm, cm cự ly phát hiện đã lên rất nhiều. Nhiều loại ra phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau đã ra đời, Radar làm nhiệm vụ thám không, Radar cảnh giới, Radar dẫn đường... Ở Việt Nam Radar đầu tiên được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự. 8/1958 các lớp học đầu tiên về Radar đã được tổ chức. 1/3/1959 các đài Radar của ta được chính thức phát phát sóng trên bầu trời. 3/1959 Radar của ta phát hiện được chiếc máy bay C17 của không quân Mỹ-nguỵ xâm phạm bầu trời phía tây tỉnh Thanh Hoá. 5/8/1964 Radar phòng không đã phát hiện ra máy bay của Mỹ, Việt Nam với trí thông minh và lòng yêu nước đã biết phát huy tính năng và làm chủ các đài Radar được trang bị khiến cho kẻ thù bất ngờ và những người chế tạo ra Radar khâm phục.LỊCH SỬ CỦA RADANGUYÊN TẮC CỦA RADA Trong kỹ thuật Radar, người ta truyền đi một chùm xung vô tuyến có cường độ lớn và thu sóng phản xạ lại bằng máy thu. Bằng cách phân tích sóng phản xạ, vật phản xạ được định vị, và có thể được xác định hình dạng. Chỉ với một lượng nhỏ sóng phản xạ, tín hiệu radio có thể dễ dàng thu nhận và khuếch đại. Sóng radio có thể dễ dàng tạo ra với cường độ thích hợp, có thể phát hiện một lượng sóng cực nhỏ và sau đó khuếch đại vài lần. Vì thế Radar thích hợp để định vị vật ở khoảng cách xa mà các sự phản xạ khác như của âm thanh hay của ánh sáng là quá yếu không đủ để định vị.Tuy nhiên, sóng radio không truyền xa được trong môi trường nước, do đó, dưới mặt biển, người ta không radar để định vị mà thay vào đó là máy sonar dùng siêu âm.NGUYÊN TẮC CỦA RADAPHƯƠNG TRÌNH RADARPHƯƠNG TRÌNH RADARHIỆU ỨNG DOPPLER* Tuy nhiên, thay vì thay đổi tần số người ta thay đổi vận tốc.PHÂN CỰC Tín hiệu truyền trong RADAR: điện trường vuông góc với phương truyền, hướng của điện trường này là sự phân cực của sóng. Radar sử dụng phân cực ngang, dọc, tuyến tính và vòng tròn để phát hiện các loại khác nhau của phản xạ. Ví dụ, phân cực tròn được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng gây ra bởi mưa, phân cực tuyến tính trở lại thường chỉ ra bề mặt kim loại. Trở lại ngẫu nhiên phân cực thường chỉ ra một bề mặt fractal, chẳng hạn như đá hoặc đất và được sử dụng bởi hệ thống Radar định vị. Tầm xa: Tia radar truyền theo đường tuyến tính trong chân không. Nhưng thực sự đường hơi cong trong khí quyển do biến thiên của chỉ số khúc xạ không khí. Tín hiệu bị suy giảm bởi các phương tiện đi qua, và phân tán tia.CÁC YẾU TỐ LÀM HẠN CHẾ Phạm vi: bị giới hạn bởi một số yếu tố: Đường ngắm, phụ thuộc vào chiều cao so với mặt đất. Phạm vi (xác định bởi tần số lặp lại xung) tối đa rõ ràng. Phạm vi tối đa rõ ràng là khoảng cách xung có thể phát ra và trở lại trước khi xung tiếp theo được phát ra. Độ nhạy và công suất của tín hiệu radar phụ thuộc các đại lượng trong phương trình radar. Bao gồm các yếu tố: không gian xung quanh, kích thước (hoặc mặt cắt ngang) của mục tiêu. CÁC YẾU TỐ LÀM HẠN CHẾ Tín hiệu tiếng ồn: là một nguồn nội bộ của các biến thể ngẫu nhiên trong các tín hiệu, được tạo ra bởi tất cả các thành phần điện tử.Sự nhiễu: Hệ thống Radar phải vượt qua tín hiệu không mong muốn để chỉ tập trung vào các mục tiêu thực tế quan tâmCÁC YẾU TỐ LÀM HẠN CHẾ Vật cản trở:Đối tượng tự nhiên: mặt đất, biển, lượng mưa (tuyết, mưa, mưa đá), bão cát, động vật (đặc biệt là loài chim), nhiễu loạn khí quyển,các hiệu ứng khí quyển khác (phản xạ tầng điện ly..)Do con người tạo ra: các tòa nhà, sự cố ý đối phó radar như trấu .CÁC YẾU TỐ LÀM HẠN CHẾ CÁC LOẠI RADAR- Theo lý thuyết: Radar làm việc theo kiểu phát sóng liên tục và phát sóng xung.- Theo độ dài sóng phát: có các loại sóng m, dm, cm, mm.- Theo vị trí đặt của Radar: có thể đặt dưới đất, trên tàu, trên máy bay. - Theo phương pháp xử lý: Radar xử lý tín hiệu tương tự, Radar xử lý tín hiệu kỹ thuật số (Radar sử dụng một ăng-ten bằng máy tính và kỹ thuật số để ghi lại hình ảnh của mình).- Theo phương pháp điều chỉnh tín hiệu: Radar sóng điện từ, hồng ngoại.CÁC LOẠI RADAR Radar chủ động Radar thụ động- Theo phương pháp định vị: Radar chủ động, nửa chủ động và thụ động.HÌNH ẢNH CỦA RADAR Radar phòng không Radar không quân- Theo chức năng và phương pháp chiến đấu: Radar phòng không, không quân, hải quân, lục quân. Trạm Radar hải quân Radar lục quânCÁC LOẠI RADAR- Theo chức năng và phương pháp chiến đấu: Radar phòng không, không quân, hải quân, lục quân.ỨNG DỤNG CỦA RADAR- Radar phát hiện ra vị trí, vận tốc của vật thể. Trong một số hệ thống tiên tiến còn xác định được hình dạng của chúng. ỨNG DỤNG CỦA RADAR Ứng dụng Radar để đo khoảng cách, diện tích địa lý, tìm và định vị ngoài khơi. • Radar cũng được sử dụng để nghiên cứu các hành tinh và tầng điện ly thuộc hệ mặt trời, phát hiện các tia sáng và các vật thể di chuyển ngoài không gian.ỨNG DỤNG CỦA RADARTrong hàng không dân dụng: • Máy bay dân dụng được trang bị các thiết bị Radar để cảnh báo chướng ngại vật, thăm dò đường đi và đưa ra độ cao chính xác. • Máy bay có thể hạ cánh trong sương mù tại các sân bay được trang bị hệ thống điều khiển mặt đất được hỗ trợ bởi Radar. Trong đó đường bay được theo dõi trên màn hình Radar. • Hệ thống Radar dẫn đường điều khiển từ xa cho máy bay được phát triển vào năm 1960. ỨNG DỤNG CỦA RADARỨng dụng trong quân sự: • Radar được sử dụng để phát hiện máy bay và tàu của đối phương. • Radar điều khiển hoả lực để tiêu diệt mục tiêu. • Radar dẫn đường cho không quân tiêm kích các mục tiêu không nhìn thấy được. Các hệ thống giám sát và dẫn đường Radar được sử dụng cho nghiên cứu khoa học và phòng thủ. • Một hệ thống Radar được xem như hệ thống cảnh báo sớm tên lửa được lắp đặt ở Thule, Greenland; Clear, Alaska; an Yorkshire, Englan• Một hệ thống Radar được xem như hệ thống dẫn đường và kiểm soát không gian – Space Detention and Tracking System (SPADATS), hoạt động cộng tác giữa Canada và Mỹ, để dẫn đường vệ tinh nhân tạo quan sát trái đất.ỨNG DỤNG CỦA RADARỨNG DỤNG CỦA RADARỨng dụng trong khí tượng: Các nhà khí tượng sử dụng RADAR để theo dõi lượng mưa, nó đã trở thành công cụ chính cho dự báo thời tiết ngắn hạn và cũng được sử dụng để xem thời tiết khắc nghiệt như cơn bão và lốc xoáy.• Đơn vị Radar thời tiết được thành lập ở Mĩ vào thập kỉ 60.CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ THEO DÕI