جزوه لیزر

میکروسکوپ الکترونی انتقال (TEM)

میکروسکوپ الکترونی انتقال (TEM)

اصل عملیاتی پایه یک TEM در شکل 3A نشان داده شده است. منبع پرتو الکترونی توسط یک تفنگ الکترونی تولید می شود. از آنجا که حرکات الکترونها میدان مغناطیسی را تولید می کنند، مسیر پرتو آنها را می توان با استفاده از لنزهای الکترومغناطیسی هدایت کرد. TEM دارای لنزان خازن، یک لنز هدف و یک لنز پروژکتور است که پرتو الکترون را هدایت می کند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

در TEM، نمونه ها معمولا با اورانیل استات رنگ می شوند، که تراکم الکترونی بالا را در نمونه تولید می کند و به ایجاد کنتراست تصویر بالاتر کمک می کند.

میکروسکوپ الکترونی اسکن (SEM)

SEM یک تکنیک اصلاح شده است که نمونه های نمونه و پروژه های با وضوح بالا را بر روی یک آشکارساز اسکن می کند. شبیه به TEM، SEM از یک تفنگ الکترون به عنوان یک منبع، یک کندانسور الکترومغناطیسی و لنزهای هدف استفاده می کند تا پرتو را هدایت کند (شکل 3b).

یک کویل اسکن اضافی در SEM به جای یک هدف استفاده می شود. سیم پیچ اسکن پرتو الکترون را در دو بعد در امتداد هواپیما کویل حرکت می دهد.

جسم تصویربرداری با فلزات سنگین مانند طلا، پلاتین یا تنگستن پوشش داده شده است. حضور فلزات سنگین بر روی سطح جسم پشتی، الکترونها را تحت تاثیر قرار می دهد. الکترونهای عقب پراکنده از طریق آشکارسازهای الکترونی جمع آوری می شوند و تصاویر با وضوح بالا با استفاده از نرم افزار ساخته می شوند.

تغییرات میکروسکوپ الکترونی و تاثیر

میکروسکوپ الکترونی در حمایت از عصر جدیدی از اکتشافات علمی، به عنوان دانش ساختارهای سلولی در زندگی گیاه و حیوانات به طور قابل توجهی افزایش یافت.

ارنست روسکا جایزه نوبل 1986 در فیزیک را برای کشف میکروسکوپ الکترونی به دست آورد. تغییرات بیشتر مانند میکروسکوپ تونل زنی اسکن (STM) و میکروسکوپ الکترونی کریوژنیک (Cryo-EM) تکنیک های تصویربرداری را پیشرفت کرده است. توسعه این دومین جایزه نوبل شیمی در سال 2017 را به دست آورد.

دوگانگی موج ذره

در سال 1924، فیزیکدان فرانسوی لوئیس د بوگلی، دوگانگی ذرات موج را تئوری کرد. دوگانگی موج موج نشان می دهد که همه چیز هر دو رفتار ذرات و رفتاری را نشان می دهد.

در سال 1927، دوگانگی ذرات موج به صورت آزمایشی با استفاده از پرتوهای الکترونی به عنوان یک منبع برای پراش تایید شد. هنگامی که یک پرتو الکترونها، که ذرات شارژ شده اند، از طریق یک شکاف هدایت می شوند، یک الگوی پراکندگی بر روی یک صفحه نمایش داده شد. اما پراکندگی پدیده ای است که فقط برای امواج اتفاق می افتد. از طریق این آزمایش، رفتار الکترونهایی دوگانه الکترونها نشان داده شد. بنابراین، اثبات تئوری د بوگلی و به دست آوردن جایزه نوبل فیزیک در سال 1929.

اختراع میکروسکوپ الکترونی

در سال 1933، فیزیکدان آلمانی Ernst Ruska اولین میکروسکوپ الکترونی را ساخت. الکترون ها دارای طول موج بسیار پایین تر از فوتون هستند که ذرات نور هستند. حد پراکندگی ناشی از طول موج نور هنگام استفاده از الکترونها به جای آن، برداشته می شود.

پراش پرتوهای الکترون با لنزهای مغناطیسی جمع آوری می شود، زیرا الکترونها ذرات شارژ می شوند. تصاویر تشکیل شده با میکروسکوپ الکترونی 1000 برابر با رزولوشن از میکروسکوپ های نوری است.

دو نوع عمده میکروسکوپ الکترونی وجود دارد:

 میکروسکوپ الکترونی انتقال (TEM) و میکروسکوپ الکترونی اسکن (SEM).

میکروسکوپ الکترونی

شکل 2: (الف) تصویری از یک تصویر پس از استفاده از لنز برای ضبط نور پراکنده شکل گرفته است. (ب) هنگامی که شکاف یا شیء کوچکتر می شود، تصویر شکل می گیرد تار شدن. (ج) نور لیزر آبی که در طول موج پایین تر از نور قرمز پایین تر از نور قرمز به علت پراش کمتر است.

هنگامی که شکاف کوچکتر می شود، پراکندگی افزایش می یابد. اشعه های نور بیشتر از طریق شکاف عبور می کنند. همانطور که در شکل 2b دیده می شود، اشعه های نور کمتر پراکنده توسط لنز دستگیر شده اند و تصویر تار می شود.

ارنست کارل اب، دانشمند نوری آلمان، قدرت حل و فصل میکروسکوپ نوری را در سال 1873 فرم کرد. معادله Abbe رابطه بین طول موج نور، اموال لنز، و اندازه جسم را می توان با میکروسکوپ نوری تصویربرداری کرد .

 بسته به طول موج نور، حداکثر اندازه نمونه که می توان تصویر برداری کرد، 200-250 نانومتر است.

در طیف قابل مشاهده نور، نور قرمز حداکثر پراش را به دلیل طول موج طولانی تر نشان می دهد. نور طولانی مدت طول موج بیشتر از نور طول موج کوتاه تر است. این نتایج در تصاویر تشکیل شده با نور قرمز که دبریر از تصاویر تشکیل شده با استفاده از نور UV یا آبی رنگ شده است، همانطور که در شکل 2b و 2C دیده می شود.

محدودیت تحمیل شده توسط پراش نور، میکروسکوپ های نوری را از توانایی تولید تصاویر با وضوح بالا از نمونه های بسیار کوچک محدود می کند.

پراش نور

شکل 1: تصویر پراش نور

با قرار دادن یک لنز محدب یا یک هدف در مسیر پرتو پراکنده، تصویر شکاف یا یک شی، می توان شکل داد (شکل 2a). برای یک تصویر تیز و واضح شکل گرفته، لنز باید قادر به گرفتن تمام پرتوهای پراکنده نور باشد. اگر لنز قادر به ضبط تمام نور پراکنده نباشد، تصویر تار می شود.

پراش نور

پراش عبارت است از خمش نور در حین عبور از دهانه یا اطراف لبه یک جسم. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، هنگامی که نور از یک روزنه عبور می کند، به دلیل پراش پخش می شود. اگر الگوی پراش بر روی صفحه نمایش داده شود، خطوط روشن و تیره تشکیل می شوند. این خطوط روشن و تاریک حداکثر و حداقل نقاط پرتوهای نور هستند که پس از طی مسافت از شکاف تا صفحه به هم می رسند.

چگونه میکروسکوپ الکترونی کار می کند؟

میکروسکوپ الکترونی (EM) یک روش تجربی است که برای ضبط تصاویر با وضوح بالا از نمونه های میکروسکوپی استفاده می شود. این یک تکنیک قدرتمند برای مطالعه ساختار دقیق نمونه های بیولوژیکی مانند بافت ها و سلول ها است.

میکروسکوپ های الکترونی در محدودیت های میکروسکوپ های نور بهبود می یابند. از لحاظ تاریخی، میکروسکوپ های نور برای اندازه گیری و مطالعه ساختار نمونه های ارگانیک استفاده شد. یکی از معایب عمده میکروسکوپ های نوری پدیده پراش نور است. پراش نور محدودیتی در مورد چگونگی به وضوح یک نمونه میکروسکوپی را می توان تصویر کرد.

تظاهرات رله ارتباطات لیزر (LCRD)

شکل 1: تصویر مأموریت راه اندازی ناسا برای تست ارتباطات فضای نوری با تظاهرات رله ارتباطات لیزر (LCRD) ارتباط بین ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) و کنترل ماموریت مبتنی بر زمین با استفاده از لیزر

چگونه LCRD کار می کند

LCRD مجهز به دو پایانه نوری است. یک ترمینال برای دریافت داده ها از یک وسیله نقلیه مبتنی بر فضایی طراحی شده است. داده ها سپس بر روی پرتوهای لیزر کدگذاری می شوند. ترمینال دوم داده های رمزگذاری شده را از LCRD به دانشمندان در ایستگاه های زمین انتقال می دهد.

یک تصویر ساده از ماموریت LCRD در شکل 1 نشان داده شده است. این مشابه با اشاره به اشاره گر لیزری در یک علامت روی دیوار است. اشاره گر دومین ترمینال در LCRD خواهد بود، و علامت روی دیوار، کنترل ماموریت مبتنی بر زمین خواهد بود.

LCRD یکی از ماهواره های وزارت دفاع ایالات متحده است. مدار ژئوسنیک LCRD بیش از 35،000 کیلومتر بالاتر از زمین است. لیزرهای IR با قدرت بالا برای رسیدن به انتقال از فضا به زمین توسعه داده شده است.

اولین آزمایشگاه مدار LCRD، ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) خواهد بود، جایی که فضانوردان زندگی می کنند و فعالیت های مختلف تحقیقاتی را انجام می دهند.

تست های اولیه قابلیت های ارتباطی نوری LCRD، اطلاعاتی را از دانشمندان به همکاران ISS به همکاران مبتنی بر زمین منتقل می کند. LCRD داده های نمونه ای مانند چشم انداز سطوح سیاره ای یا تصاویر ماهواره ای را به زمین منتقل می کند.

مزایای دیگر ارتباطات فضایی مبتنی بر لیزر

سیستم های ارتباطی مبتنی بر لیزر مزایای بیشتری نسبت به سیستم های مبتنی بر RF متعارف ارائه می دهند. به عنوان مثال، سیستم های مبتنی بر لیزر سبک تر از سیستم های RF سنتی هستند. وزن کمتر باعث می شود آنها برای راه اندازی کمتر هزینه کنند.

ابعاد سیستم لیزر نیز در مقایسه با تکنولوژی ارتباطات RF بسیار فشرده تر است. اندازه کوچکتر اجازه می دهد فضای بیشتری برای دیگر دستگاه های علمی و ابزارهای علمی.

فناوری ارتباطات نوری نیاز به قدرت کمتری دارد. نیازهای قدرت پایین تر فشار کمتری بر باتری ها و طول عمر عملیاتی را افزایش می دهد.

چشم انداز سیستم های ارتباطی فضای نوری

انتظار می رود ماموریت LCRD پایه دانش برای ارتباطات لیزر نوری را ایجاد کند. یک بار در مدار، LCRD دو سال انجام آزمایش های انجام شده توسط ناسا و محققان در صنعت و دانشگاه ها را صرف می کند.

نقص های عملیاتی در طول ماموریت آزمایش و اصلاح می شود. هنگامی که قابلیت های LCRD بیشتر ثابت شده است، ارتباطات لیزر را می توان بر روی ماموریت های فضایی بیشتری اجرا کرد و در نهایت تبدیل به حالت استاندارد برای انتقال داده شد.

تظاهرات رله ارتباطات لیزر (LCRD)

امواج رادیوفرکوسی برای برقراری ارتباط در مأموریت های فضایی، از جمله فرود ماه معروف در سال 1969 استفاده شده است.

LCRD از نور لیزر مادون قرمز (IR) برای انتقال داده ها استفاده خواهد کرد. امواج نور IR و امواج RF فرم های تابش الکترومغناطیسی هستند. طول موج هر دو امواج در بخش های مختلف طیف الکترومغناطیسی دروغ می گویند. داده ها بر روی این سیگنال های الکترومغناطیسی رمزگذاری شده و به دستورات مأموریت مبتنی بر زمین منتقل می شوند.

بخش IR از طیف الکترومغناطیسی در فرکانس بسیار بالاتر از امواج RF است. این تفاوت مهندسان را قادر می سازد تا اطلاعات بیشتری را به هر انتقال ذخیره کنند که به زمین ارسال می شود. داده های بیشتر به اطلاعات بیشتر منتقل می شود، منجر به تجزیه و تحلیل سریعتر داده های تحقیقاتی می شود.

انتظار می رود ارتباطات نوری پهنای باند انتقال داده را با 10 تا 100 برابر بیشتر از سیستم های RF افزایش دهد. LCRD قادر به ارسال اطلاعات به زمین در 1.2 گیگابیت در هر ثانیه (شکاف) است. برای ارجاع، ارتباطات لیزر تقریبا نه روز طول می کشد تا داده ها را از مریخ انتقال دهد، که در صورت انتقال با استفاده از امواج RF، نزدیک به 9 هفته نیاز دارد.

استفاده از لیزر برای ارتباطات فضایی

استفاده از لیزر برای ارتباطات فضایی

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

ناسا ماموریت را برای تست ارتباطات فضای نوری با تظاهرات رله ارتباطات لیزر (LCRD) راه اندازی کرده است.

اکتشافات فضایی یک صنعت تحقیقاتی پر رونق است. نهادهای تحقیقاتی در تحقیق در زمینه زیست شناسی، شیمی، میکرو گرانشی و بسیاری از مناطق دیگر در فضا سرمایه گذاری می شوند. پروازهای تجاری مسافرین به فضا نیز در مراحل محاکمه خود قرار دارند. با استفاده از فعالیت های نصب در پرواز فضا، نیاز به ارتقاء روش های ارتباطی بین ایستگاه های مبتنی بر زمین و صنایع دستی فضایی وجود دارد.

نزدیک به 3400 ماهواره فعال، زمین را می پوشند. این ماهواره ها برای کاربردهای مبتنی بر زمین مانند تلفن های همراه و ناوبری GPS استفاده می شود. ماهواره ها همچنین از فرکانس های رادیویی منحصر به فرد (RF) برای انتقال داده ها استفاده می کنند. در نتیجه، پهنای باند RF کمتر برای سایر ماموریت های فضایی وجود دارد.

ناسا یک سیستم ارتباطی فضای نوری به عنوان یک جایگزین برای روش های ارتباطی مبتنی بر RF سنتی ایجاد کرده است.

ارتباطات فضایی با لیزر

ناسا، تظاهرات رله ارتباطات لیزر (LCRD) را به فضا در ماه دسامبر 2021 راه اندازی کرد. LCRD اولین سیستم ارتباطی فضایی مبتنی بر لیزر ناسا است. هدف LCRD برای آزمایش ارتباطات نوری در فضا است.

از لحاظ تاریخی، ناسا از امواج RF برای برقراری ارتباط بین وسایل نقلیه فضایی و دستورات مأموریت مبتنی بر زمین استفاده کرده است. به عنوان مثال، زمانی که نیل آرمسترانگ برای اولین بار در ماه 1969 در ماه، کلمات معروف خود را از دست داد: "این یک گام کوچک برای انسان است. یک جهش غول پیکر برای بشر "با استفاده از امواج RF منتقل شد.

کتاب دستگاه های پلاسما و عملیات

Plasma Devices and Operations مقالات و نقدهای اصلی را در زمینه فناوری، مهندسی و برنامه های کاربردی پلاسما منتشر می کند.

موضوعات تحت پوشش عبارتند از:

منابع پلاسما و دستگاه های پلاسمای پالسی

شتاب دهنده های پلاسما

دستگاه های MHD

پلاسما برای لیزر و پلاسمای القا شده با لیزر

همجوشی کنترل شده، از جمله دستگاه های آزمایشی برای تحقیقات همجوشی و طراحی راکتور همجوشی

سیستم های آهنربایی برای محصور کردن پلاسما

سیستم های گرمایش پلاسما

لیزر برای همجوشی

چرخه سوخت و فناوری خلاء برای همجوشی

اولین اجزای دیوار و پلاسما

تشخیص پلاسما

مواد ساختاری برای همجوشی

همه مقالات پژوهشی منتشر شده در دستگاه‌ها و عملیات پلاسما، بر اساس غربالگری اولیه ویرایشگر و داوری ناشناس توسط داوران خبره، تحت بررسی دقیق همتایان قرار گرفته‌اند.