Принцип на работа на атомния часовник. атомен часовник

Архивни статии

Кои "часовникари" са измислили и усъвършенствали този изключително прецизен механизъм? Има ли го заместник? Нека се опитаме да го разберем.

През 2012 г. атомното отчитане на времето ще отпразнува своята 45-та годишнина. През 1967 г. категорията време в международна системаединиците започнаха да се определят не от астрономически скали, а от честотния стандарт на цезия. Обикновените хора го наричат ​​атомен часовник.

Какъв е принципът на действие на атомните осцилатори? Като източник на резонансна честота, тези "устройства" използват квантовите енергийни нива на атоми или молекули. Квантова механикасе свързва със системата атомно ядро- електрони "няколко дискретни енергийни нива. Електромагнитно поле определена честотаможе да провокира преминаването на тази система от ниско нивокъм по-висок. Възможно е и обратното явление: един атом може да излезе от високо енергийно нивокъм по-нисък с енергийно излъчване. И двете явления могат да бъдат контролирани и тези енергийни скокове между нивата могат да бъдат фиксирани, като по този начин се създава прилика колебателна верига. Резонансната честота на тази верига ще бъде равна на енергийната разлика между двете преходни нива, разделена на константата на Планк.

Полученият атомен осцилатор има неоспорими предимства пред своите астрономически и механични предшественици. Резонансната честота на всички атоми на веществото, избрано за осцилатора, ще бъде една и съща, за разлика от махалата и пиезокристалите. Освен това атомите не се износват и не променят свойствата си с времето. Перфектен вариантза почти вечен и изключително точен хронометър.

За първи път възможността за използване на междустепенните енергийни преходи в атомите като честотен стандарт е разгледана през 1879 г. от британския физик Уилям Томсън, по-известен като лорд Келвин. Той предложи използването на водород като източник на резонаторни атоми. Неговите изследвания обаче бяха повече теоретичен. Науката от онова време все още не беше готова да разработи атомен хронометър.

Отне почти сто години, за да се превърне идеята на лорд Келвин в реалност. Беше много време, но и задачата не беше лесна. Превръщането на атомите в идеални махала се оказа по-трудно на практика, отколкото на теория. Трудността беше в битката с така наречената резонансна ширина - малка флуктуация в честотата на поглъщане и излъчване на енергия, докато атомите се движат от ниво на ниво. Съотношението на резонансната честота към резонансната ширина определя качеството на атомния осцилатор. Очевидно, колкото по-голяма е стойността на резонансната ширина, толкова по-ниско е качеството на атомното махало. За съжаление, не е възможно да се увеличи резонансната честота, за да се подобри качеството. Тя е постоянна за атомите на всяко конкретно вещество. Но резонансната ширина може да бъде намалена чрез увеличаване на времето за наблюдение на атомите.

Технически това може да се постигне по следния начин: нека външен, например кварцов, осцилатор периодично генерира електромагнитно излъчване, принуждавайки атомите на донорното вещество да прескачат енергийни нива. В този случай задачата на тунера на атомния хронограф е максималното приближаване на честотата на този кварцов осцилатор до резонансната честота на междустепенния преход на атомите. Става възможно, ако достатъчно дълъг периоднаблюдаване на вибрациите на атомите и създаване обратна връзка, който регулира честотата на кварца.

Вярно е, че освен проблема с намаляването на резонансната ширина в атомен хронограф, има много други проблеми. Това е ефектът на Доплер - промяна в резонансната честота поради движението на атомите и взаимните сблъсъци на атомите, причиняващи непланирани енергийни преходи и дори влиянието на всепроникващата енергия на тъмната материя.

За първи път опит за практическо прилагане на атомни часовници е направен през тридесетте години на миналия век от учени от Колумбийския университет под ръководството на бъдещето Нобелов лауреатД-р Изидор Раби. Раби предложи да се използва изотопът на цезий 133 Cs като източник на атоми на махалото. За съжаление, работата на Раби, която силно заинтересува NBS, е прекъсната от Втората световна война.

След завършването му първенството в реализацията на атомния хронограф премина към служителя на NBS Харолд Лайънс. Неговият атомен осцилатор работеше с амоняк и даде грешка, съизмерима с най-добрите примерикварцови резонатори. През 1949 г. амонячните атомни часовници са демонстрирани на широката публика. Въпреки доста посредствената точност, те внедриха основните принципи на бъдещите поколения атомни хронографи.

Прототипът на цезиевия атомен часовник, получен от Луис Есен, осигурява точност от 1 * 10 -9, като същевременно има резонансна ширина от само 340 херца.

Малко по-късно проф Харвардски университетНорман Рамзи подобри идеите на Изидор Раби, като намали влиянието на ефекта на Доплер върху точността на измерванията. Той предложи вместо един дълъг високочестотен импулс, възбуждащ атомите, да се използват два къси, изпратени към рамената на вълновода на известно разстояние един от друг. Това направи възможно драстично намаляване на резонансната ширина и всъщност направи възможно създаването на атомни осцилатори, които са с порядък по-добри от своите кварцови предци по отношение на точността.

През 50-те години на миналия век, въз основа на схемата, предложена от Норман Рамзи, в Националната физическа лаборатория (Великобритания) нейният служител Луис Есен работи върху атомен осцилатор, базиран на цезиевия изотоп 133 Cs, предложен по-рано от Раби. Цезият не е избран случайно.

Схема на нивата на свръхфин преход на атомите на изотопа цезий-133

Свързани с групата алкални метали, цезиевите атоми се възбуждат изключително лесно да прескачат между енергийни нива. Така, например, лъч светлина е лесно способен да избие поток от електрони от атомната структура на цезия. Благодарение на това свойство цезият се използва широко във фотодетекторите.

Устройството на класически цезиев осцилатор, базирано на вълновода на Рамзи

Първи официален цезиев честотен стандарт NBS-1

Потомък на NBS-1 - осцилаторът NIST-7 използва лазерно изпомпване на лъч от цезиеви атоми

Отне повече от Четири години. В крайна сметка фината настройка на атомните часовници беше възможна само чрез сравнение със съществуващите ефемеридни единици за време. В продължение на четири години атомният осцилатор беше калибриран чрез наблюдение на въртенето на Луната около Земята с помощта на най-точната лунна камера, изобретена от Уилям Марковиц от Военноморската обсерватория на САЩ.

„Настройването“ на атомните часовници към лунните ефемериди е извършено от 1955 до 1958 г., след което устройството е официално признато от NBS за честотен стандарт. Нещо повече, безпрецедентната точност на цезиевите атомни часовници подтикна NBS да промени единицата време в стандарта SI. От 1958 г. "продължителността на 9 192 631 770 периода на излъчване, съответстваща на прехода между две свръхфини нива на стандартното състояние на атома на изотопа на цезий-133", е официално приета като секунда.

Устройството на Луис Есен е наречено NBS-1 и е смятано за първия цезиев честотен стандарт.

През следващите тридесет години бяха разработени шест модификации на NBS-1, последната от които, NIST-7, създадена през 1993 г. чрез замяна на магнити с лазерни капани, осигурява точност от 5 * 10 -15 с резонансна ширина само шестдесет и два херца.

Сравнителна таблица на характеристиките на цезиевите честотни стандарти, използвани от NBS

Цезиев честотен стандарт	Време на работа	Работно време като официален NPFS стандарт	Резонансна ширина	Дължина на микровълновия водач	Стойност на грешката
НБС-1	1952-1962	1959-1960	300 Hz	55 см	1*10 -11
НБС-2	1959-1965	1960-1963	110 Hz	164 см	8*10 -12
НБС-3	1959-1970	1963-1970	48 Hz	366 см	5*10 -13
НБС-4	1965-1990-те години	Не	130 Hz	52,4 см	3*10 -13
НБС-5	1966-1974	1972-1974	45 Hz	374 см	2*10 -13
НБС-6	1974-1993	1975-1993	26 Hz	374 см	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Hz	155 см	5*10 -15

Устройствата NBS са стационарни тестови стендове, което дава възможност да се класифицират повече като стандарти, отколкото като практически използвани осцилатори. Но за чисто практически цели Hewlett-Packard работи в полза на цезиевия честотен стандарт. През 1964 г. бъдещият компютърен гигант създава компактна версия на цезиевия честотен стандарт - устройството HP 5060A.

Калибрирани с помощта на стандарти NBS, честотните стандарти HP 5060 се побират в типична стойка за радио оборудване и имат търговски успех. Благодарение на цезиевия стандарт за честота, определен от Hewlett-Packard, безпрецедентната точност на атомните часовници отиде в масите.

Hewlett-Packard 5060A.

В резултат на това неща като сателитна телевизия и комуникации станаха възможни, глобални системиНавигационни и информационни мрежови услуги за синхронизиране на времето. Имаше много приложения на технологията на атомния хронограф, доведени до индустриален дизайн. В същото време Hewlett-Packard не спря дотук и постоянно подобрява качеството на цезиевите стандарти и техните показатели за тегло и размер.

Семейство атомни часовници Hewlett-Packard

През 2005 г. подразделението за атомни часовници на Hewlett-Packard беше продадено на Simmetricom.

Заедно с цезия, чиито запаси в природата са много ограничени, а търсенето му в различни технологични областиизключително голям, като донорно вещество е използван рубидий, свойствата му са много близки до цезия.

Изглежда, че съществуващата схема на атомните часовници е доведена до съвършенство. Междувременно той имаше неприятен недостатък, чието премахване стана възможно във второто поколение цезиеви честотни стандарти, наречени цезиеви фонтани.

Фонтани от време и оптична меласа

Въпреки най-високата точност на атомния хронометър NIST-7, който използва лазерно откриване на състоянието на цезиевите атоми, неговата схема не се различава фундаментално от схемите на първите версии на цезиевите честотни стандарти.

И проектният недостатък на всички тези схеми е, че е фундаментално невъзможно да се контролира скоростта на разпространение на лъч от цезиеви атоми, движещ се във вълновод. И това въпреки факта, че скоростта на движение на цезиевите атоми при стайна температура е сто метра в секунда. Доста бързо.

Ето защо всички модификации на цезиевите стандарти са търсене на баланс между размера на вълновода, който има време да въздейства върху бързи цезиеви атоми в две точки, и точността на откриване на резултатите от този ефект. Колкото по-малък е вълноводът, толкова по-трудно е да се направят последователни електромагнитни импулси, засягащи едни и същи атоми.

Но какво ще стане, ако намерим начин да намалим скоростта на движение на цезиевите атоми? Това беше мисълта на студента от Масачузетс Технологичен институтДжеролд Закариус, който изучава влиянието на гравитацията върху поведението на атомите в края на четиридесетте години на миналия век. По-късно, участвайки в разработването на вариант на цезиевия честотен стандарт Atomichron, Захарий предлага идеята за цезиев фонтан - метод за намаляване на скоростта на цезиевите атоми до един сантиметър в секунда и премахване на двураменния вълновод на традиционните атомни осцилатори.

Идеята на Захарий беше проста. Ами ако пуснете цезиеви атоми вътре в осцилатора вертикално? След това едни и същи атоми ще преминат през детектора два пъти: първия път, когато пътуват нагоре, и вторият път надолу, където ще се втурнат под въздействието на гравитацията. В същото време движението надолу на атомите ще бъде много по-бавно от тяхното излитане, тъй като по време на пътуването във фонтана те ще губят енергия. За съжаление, през петдесетте години на миналия век Захарий не можа да реализира идеите си. В неговия експериментални съоръженияатомите, които се движат нагоре, взаимодействат с тези, които падат надолу, което намалява точността на откриване.

Идеята за Захарий се завръща едва през осемдесетте години. Учени от Станфордския университет, ръководени от Стивън Чу, са намерили начин да внедрят фонтана Захариус, използвайки техника, която наричат ​​"оптична меласа".

В цезиевия фонтан Chu облак от цезиеви атоми, изстрелян нагоре, е предварително охладен от система от три двойки противоположно насочени лазери с резонансна честота точно под оптичния резонанс на цезиевите атоми.

Диаграма на цезиев фонтан с оптична меласа.

Охлаждани от лазери, цезиевите атоми започват да се движат бавно, сякаш през меласа. Скоростта им пада до три метра в секунда. Намаляването на скоростта на атомите дава на изследователите възможност за по-точно откриване на състоянието (трябва да се съгласите, че е много по-лесно да се вземат предвид номерата на автомобил, движещ се със скорост от един километър в час, отколкото кола, движеща се със скорост от сто километри в час).

Топка от охладени цезиеви атоми се изстрелва нагоре около метър, преминавайки през вълновод по пътя, през който електромагнитно поле с резонансна честота действа върху атомите. А детекторът на системата за първи път улавя промяната в състоянието на атомите. Достигайки "тавана", охладените атоми започват да падат поради гравитацията и преминават през вълновода за втори път. На път назаддетекторът отново улавя състоянието им. Тъй като атомите се движат изключително бавно, техният полет под формата на доста плътен облак е лесен за контролиране, което означава, че във фонтана няма да има атоми, летящи нагоре и надолу едновременно.

Настройката на цезиевия фонтан на Чу беше приета от NBS като честотен стандарт през 1998 г. и наречена NIST-F1. Неговата грешка беше 4 * 10 -16, което означава, че NIST-F1 е по-точен от своя предшественик NIST-7.

Всъщност NIST-F1 достигна границата на точност при измерване на състоянието на цезиевите атоми. Но учените не спират до тази победа. Те решиха да премахнат грешката, въведена в работата на атомните часовници от излъчването на напълно черно тяло - резултат от взаимодействието на атомите на цезия с топлинното излъчване на тялото на инсталацията, в която се движат. В новия атомен хронограф NIST-F2, цезиев фонтан е поставен в криогенна камера, намалявайки радиацията на черното тяло почти до нула. Допустимата грешка на NIST-F2 е невероятните 3*10 -17.

Графика на намаляване на грешката на варианти на цезиеви честотни стандарти

В момента атомните часовници, базирани на цезиеви фонтани, дават на човечеството най-точния стандарт за време, спрямо който бие пулсът на нашата техногенна цивилизация. Благодарение на инженерните трикове импулсните водородни мазери, които охлаждат цезиевите атоми в стационарните версии на NIST-F1 и NIST-F2, са заменени с конвенционален лазерен лъч, съчетан с магнитооптична система. Това направи възможно създаването на компактен и много стабилен външни влиянияверсии на стандартите NIST-Fx, в които може да работи космически кораб. По-скоро образно наречени „Аерокосмически студен атомен часовник“, тези честотни стандарти са зададени в сателитите на навигационни системи като GPS, което им осигурява невероятна синхронизация за решаване на проблема точно изчислениекоординати на GPS приемници, използвани в нашите джаджи.

Компактна версия на атомния часовник с цезиев фонтан, наречен "Aerospace Cold Atom Clock", се използва в GPS сателитите.

Изчисляването на референтното време се извършва от "ансамбъл" от десет NIST-F2, разположени в различни изследователски центровесътрудничество с НБС. Точната стойност на атомната секунда се получава колективно и по този начин се елиминират различни грешки и влиянието на човешкия фактор.

Възможно е обаче един ден цезиевият честотен стандарт да се възприема от нашите потомци като много груб механизъм за измерване на времето, точно както сега снизходително гледаме на движенията на махалото в механичните часовници на нашите предци.

Сензация обиколи научния свят - времето се изпарява от нашата Вселена! Засега това е само хипотеза на испански астрофизици. Но фактът, че течението на времето на Земята и в космоса е различно, вече е доказано от учените. Времето тече по-бавно под въздействието на гравитацията, като се ускорява, докато се отдалечавате от планетата. Задачата за синхронизиране на земното и космическото време се изпълнява от водородни честотни стандарти, които се наричат ​​още "атомни часовници".

Първо атомно времесе появяват заедно с появата на астронавтиката, атомните часовници се появяват в средата на 20-те години на миналия век. Сега станаха атомни часовници обикновено нещо, всеки от нас ги използва всеки ден: с тяхна помощ работи цифрови комуникации, ГЛОНАС, навигация, транспорт.

Собственици мобилни телефониедва ли се замисля колко сложна работа в космоса се извършва за тясна синхронизация на времето, а все пак говорим само за милионни от секундата.

Точният стандарт за време се съхранява в района на Москва, в научен институтфизико-технически и радиотехнически измервания. В света има 450 такива часовника.

Монополистът върху атомните часовници е Русия и Съединените щати, но в Съединените щати часовниците са базирани на цезий - радиоактивен метал, много вреден за околната среда, а в Русия - на базата на водород - по-безопасен издръжлив материал.

Този часовник е без циферблат и стрелки: прилича на голяма бъчва, изработена от редки и ценни метали, пълна с най-съвременни технологии - високопрецизни измервателни уреди и оборудване с атомни стандарти. Процесът на тяхното създаване е много дълъг, сложен и протича в условия на абсолютна стерилност.

В продължение на 4 години часовникът, инсталиран на руския сателит, се изучава тъмна енергия. По човешки стандарти те губят точност с 1 секунда за много милиони години.

Съвсем скоро на Спектр-М ще бъдат инсталирани атомни часовници - космическа обсерватория, който ще види как се формират звездите и екзопланетите, погледнете през ръба Черна дупкав центъра на нашата галактика. Според учените поради чудовищната гравитация тук времето тече толкова бавно, че почти спира.

tvroscosmos

Често чуваме фразата, че атомните часовници винаги показват точно време. Но от името им е трудно да се разбере защо атомните часовници са най-точни или как работят.

Фактът, че името съдържа думата "атомен", изобщо не означава, че часовникът е опасен за живота, дори ако мислите за него веднага идват на ум. атомна бомбаили атомна електроцентрала. AT този случайние просто говорим за това как работи часовникът. Ако в обикновена механичен часовниквибрационните движения се извършват от зъбни колела и техните движения се броят, след това в атомните часовници се броят вибрациите на електроните вътре в атомите. За да разберем по-добре принципа на действие, нека си припомним физиката на елементарните частици.

Всички вещества в нашия свят са изградени от атоми. Атомите са изградени от протони, неутрони и електрони. Протоните и неутроните се комбинират помежду си, за да образуват ядро, което също се нарича нуклон. Електроните се движат около ядрото, което може да бъде на различни енергийни нива. Най-интересното е, че при поглъщане или отдаване на енергия електронът може да премине от енергийното си ниво към по-високо или по-ниско. Електронът може да получи енергия от електромагнитно излъчване чрез абсорбиране или излъчване на електромагнитно излъчване с определена честота при всеки преход.

Най-често има часовници, в които се променят атомите на елемента Цезий -133. Ако за 1 секунда махалото конвенционални часовнициангажира 1 трептящо движение, след това електроните в атомните часовницибазирани на цезий-133, при преминаване от едно енергийно ниво на друго те излъчват електромагнитно излъчване с честота 9192631770 Hz. Оказва се, че една секунда се дели точно на толкова интервали, ако се смята в атомните часовници. Тази стойност е официално приета от международната общност през 1967 г. Представете си огромен циферблат, където няма 60, а 9192631770 деления, които са само 1 секунда. Не е изненадващо, че атомните часовници са толкова точни и имат редица предимства: атомите не стареят, не се износват и честотата на трептене винаги ще бъде една и съща за един химичен елемент, благодарение на което е възможно едновременно сравняване , например показанията на атомните часовници далеч в космоса и на Земята, не се страхуват от грешки.

Благодарение на атомните часовници човечеството на практика успя да тества правилността на теорията на относителността и да се увери в това, отколкото на Земята. Атомните часовници са инсталирани на много спътници и космически кораби, използват се за телекомуникационни нужди, за мобилни комуникации, сравняват точното време на цялата планета. Без преувеличение, благодарение на изобретяването на атомния часовник човечеството успя да навлезе в ерата на високите технологии.

Как работят атомните часовници?

Цезий-133 се нагрява чрез изпаряване на цезиеви атоми, които преминават през магнитно поле, където се избират атоми с желаните енергийни състояния.

След това избраните атоми преминават през магнитно поле с честота близка до 9192631770 Hz, което създава кварцов осцилатор. Под въздействието на полето цезиевите атоми отново променят енергийните си състояния и попадат върху детектора, който фиксира кога най-голямото числопадащите атоми ще имат "правилното" енергийно състояние. Максимална сумаатоми с променено енергийно състояние показва, че честотата на микровълновото поле е избрана правилно и след това стойността му се подава в електронно устройство - честотен делител, който, намалявайки честотата с цял брой пъти, получава числото 1, който е референтният втори.

Така че цезиевите атоми се използват, за да се провери дали честотата е правилна магнитно полегенериран от кристалния осцилатор, като помага да се поддържа постоянен.

Интересно е: въпреки че съществуващите днес атомни часовници са безпрецедентно точни и могат да работят без грешки в продължение на милиони години, физиците няма да спрат дотук. Използване на различни атоми химически елементи, те непрекъснато работят за подобряване на точността на атомните часовници. От най-новите изобретения - атомни часовници на стронций, които са три пъти по-точни от своя цезиев аналог. Ще им отнеме 15 милиарда години, за да изостанат само със секунда – време, по-дълго от възрастта на нашата Вселена...

Ако намерите грешка, моля, маркирайте част от текста и щракнете Ctrl+Enter.

Атомните часовници са най-точните инструменти за измерване на времето, които съществуват днес, и стават все по-популярни. по-голяма стойностс развитие и усложнение модерни технологии.

Принцип на действие

Атомните часовници не поддържат точно време благодарение на радиоактивно разпадане, както може да изглежда от името им, но използвайки вибрации на ядрата и заобикалящите ги електрони. Честотата им се определя от масата на ядрото, гравитацията и електростатичния "балансьор" между положително зареденото ядро ​​и електроните. Не отговаря съвсем на обичайния часовников механизъм. Атомните часовници са по-надеждни часовници, защото техните колебания не се променят в зависимост от такива фактори. околен святкато влажност, температура или налягане.

Еволюцията на атомните часовници

През годините учените са разбрали, че атомите имат резонансни честоти, свързани със способността на всеки от тях да абсорбира и излъчва електромагнитно лъчение. През 30-те и 40-те години на миналия век е разработено високочестотно комуникационно и радарно оборудване, което може да взаимодейства с резонансните честоти на атомите и молекулите. Това допринесе за идеята за часовника.

Първите екземпляри са произведени през 1949 г Национален институтстандарти и технологии (NIST). Като източник на вибрации се използва амоняк. Те обаче не бяха много по-точни от съществуващия стандарт за време и цезият беше използван в следващото поколение.

нов стандарт

Промяната в точността на времето беше толкова голяма, че през 1967 г. Генералната конференция по мерки и теглилки определи SI секундата като 9 192 631 770 вибрации на цезиев атом при неговата резонансна честота. Това означаваше, че времето вече не е свързано с движението на Земята. Най-стабилният атомен часовник в света е създаден през 1968 г. и е използван като част от референтната система за време NIST до 90-те години.

Автомобил за подобрение

Един от скорошни постиженияв тази зона е лазерно охлаждане. Това подобри съотношението сигнал/шум и намали несигурността в тактовия сигнал. Тази охладителна система и друго оборудване, използвано за подобряване на цезиевия часовник, ще изискват пространство с размерите на железопътен вагон, въпреки че търговските опции могат да се поберат в куфар. Една от тези лабораторни инсталации поддържа времето в Боулдър, Колорадо, и е най-голямата точен часовникНа земята. Те грешат само с 2 наносекунди на ден, или 1 s за 1,4 милиона години.

Усъвършенствана технология

Тази огромна точност е резултат от комплекс технологичен процес. Първо, течният цезий се поставя в пещ и се нагрява, докато се превърне в газ. Металните атоми излизат с висока скорост през малък отвор в пещта. Електромагнитите ги карат да се разделят на отделни лъчи с различна енергия. Необходимият лъч преминава през U-образния отвор и атомите са изложени на микровълнова енергия с честота 9.192.631.770 Hz. Поради това те са възбудени и преминават в различно енергийно състояние. След това магнитното поле филтрира другите енергийни състояния на атомите.

Детекторът реагира на цезий и показва максимум при правилно значениечестоти. Това е необходимо за настройка на кристалния осцилатор, който управлява тактовия механизъм. Разделянето на неговата честота на 9.192.631.770 дава един импулс в секунда.

Не само цезий

Въпреки че най-често срещаните атомни часовници използват свойствата на цезия, има и други видове. Те се различават по прилагания елемент и средствата за определяне на промяната в енергийното ниво. Други материали са водород и рубидий. Водородните атомни часовници функционират като цезиевите часовници, но изискват контейнер със стени, направени от специален материал, който не позволява на атомите да губят енергия твърде бързо. Часовниците с рубидий са най-простите и компактни. В тях стъклена клетка, пълна с газообразен рубидий, променя абсорбцията на светлина, когато е изложена на микровълнова честота.

Кой се нуждае от точно време?

Днес времето може да се брои с изключителна точност, но защо е важно това? Това е необходимо в системи като мобилни телефони, интернет, GPS, авиационни програми и цифрова телевизия. На пръв поглед това не е очевидно.

Пример за това как се използва точното време е синхронизирането на пакети. През средна линиякомуникациите преминават през хиляди телефонни обаждания. Това е възможно само защото разговорът не се предава изцяло. Телекомът го разделя на малки пакети и дори пропуска част от информацията. След това те преминават през линията заедно с пакети от други разговори и се възстановяват в другия край без смесване. Системата за часовник на телефонната централа може да определи кои пакети принадлежат към даден разговор по точния час на изпращане на информацията.

GPS

Друга реализация на точното време е системата за глобално позициониране. Състои се от 24 сателита, които предават своите координати и време. Всеки GPS приемник може да се свърже с тях и да сравни времената на излъчване. Разликата позволява на потребителя да определи тяхното местоположение. Ако тези часовници не бяха много точни, тогава GPS системата би била непрактична и ненадеждна.

Границата на съвършенството

С развитието на технологиите и атомните часовници неточностите на Вселената станаха забележими. Земята се движи неравномерно, което води до случайни колебания в продължителността на годините и дните. В миналото тези промени биха останали незабелязани, защото инструментите за отчитане на времето бяха твърде неточни. Въпреки това, за голямо ужас на изследователи и учени, времето на атомните часовници трябва да бъде коригирано, за да компенсира аномалиите. реалния свят. Те са удивителни инструменти за напредък на съвременните технологии, но тяхното съвършенство е ограничено от границите, поставени от самата природа.

Първо, часовникът използва човечеството като средство за програмен контрол на времето.

Второ, днес измерването на времето също е най-точният вид измерване от всички проведени: точността на измерването на времето сега се определя от невероятна грешка от порядъка на 110-11%, или 1 s на 300 хиляди години.

И са постигнали такава точност модерни хоракогато започнаха да използват атоми, които в резултат на своите трептения са регулатор на атомния часовник. Атомите на цезия са в двата, от които се нуждаем, енергийни състояния(+) и (-). Електромагнитно излъчванес честота 9 192 631 770 херца се образува при преминаване на атомите от състояние (+) към (-), създавайки точен постоянен периодичен процес - регулатор на кода на атомния часовник.

За да работят точно атомните часовници, цезият трябва да се изпари в пещ, в резултат на което атомите му се изхвърлят. Зад пещта има сортиращ магнит, който има капацитет на атоми в състояние (+), а в него, поради облъчване в микровълново поле, атомите преминават в състояние (-). Вторият магнит насочва атомите, които са променили състоянието (+) на (-), към приемащото устройство. Много атоми, които са променили състоянието си, се получават само ако честотата на микровълновия излъчвател съвпада точно с честотата на вибрациите на цезий 9 192 631 770 херца. В противен случай броят на атомите (-) в приемника намалява.

Уредите постоянно следят и регулират постоянството на честотата 9 192 631 770 херца. И така, мечтата на дизайнерите на часовници се сбъдна, беше открит абсолютно постоянен периодичен процес: честота от 9 192 631 770 херца, която регулира хода на атомните часовници.

Днес, като резултат международно споразумение, секунда се дефинира като период на излъчване, умножен по 9 192 631 770, съответстващ на прехода между две свръхфини структурни ниваосновното състояние на атома цезий (изотоп цезий-133).

За да измерите точното време, можете също да използвате вибрации на други атоми и молекули, като атоми на калций, рубидий, цезий, стронций, водородни молекули, йод, метан и т.н. Въпреки това, излъчването на цезиевия атом се разпознава като честотен стандарт. За да се сравнят вибрациите на различни атоми със стандарт (цезий), е създаден титаниево-сапфирен лазер, който генерира широк честотен диапазон в диапазона от 400 до 1000 nm.

Първият създател на кварцови и атомни часовници е английски физик експериментатор Есен Луис (1908-1997). През 1955 г. той създава първия стандарт за атомна честота (време) върху лъч цезиеви атоми. В резултат на тази работа 3 години по-късно (1958 г.) се появява времева услуга, базирана на атомния честотен стандарт.

В СССР академик Николай Генадиевич Басов представи своите идеи за създаване на атомни часовници.

Така, атомен часовник,един от точни типовечасовник - устройство за измерване на времето, където собствените трептения на атоми или молекули се използват като махало. Стабилността на атомните часовници е най-добрата сред всички съществуващи типовечаса, което е залог най-висока точност. Генераторът на атомен часовник произвежда повече от 32 768 импулса в секунда, за разлика от конвенционалните часовници. Трептенията на атомите не зависят от температурата на въздуха, вибрациите, влажността и много други външни фактори.

AT модерен святКогато навигацията е просто незаменима, атомните часовници са станали незаменими помощници. Те са в състояние да локализират космически кораб, сателит, балистична ракета, самолет, подводница, кола автоматично чрез сателит.

Така през последните 50 години атомните часовници или по-точно цезиевите часовници се смятат за най-точни. Те отдавна се използват от службите за измерване на времето, а сигнали за времето се излъчват и от някои радиостанции.

Устройството на атомния часовник се състои от 3 части:

квантов дискриминатор,

кварцов осцилатор,

комплекс по електроника.

Кварцовият осцилатор генерира честота (5 или 10 MHz). Осцилаторът е RC радиогенератор, в който пиезоелектричните режими на кварцов кристал се използват като резонансен елемент, където се сравняват атомите, които са променили състоянието (+) на (-).За да се увеличи стабилността, неговата честота е постоянно в сравнение с вибрациите на квантовия дискриминатор (атоми или молекули). Когато се появи разлика в трептенията, електрониката настройва честотата на кварцовия осцилатор на нулево ниво, като по този начин подобрява стабилността и точността на часовника до желаното ниво.

В съвременния свят атомни часовници могат да бъдат направени във всяка страна по света за употреба Ежедневието. Те са много малки на размер и красиви. Размерът на най-новата новост на атомните часовници е не повече от кибритена кутияи ниската им консумация на енергия - под 1 Watt. И това не е границата, може би в бъдеще технически прогресдостига до мобилни телефони. Междувременно компактни атомни часовници се инсталират само на стратегически ракети, за да се увеличи многократно точността на навигацията.

Днес мъжки и дамски атомни часовници за всеки вкус и бюджет могат да бъдат закупени в онлайн магазини.

През 2011 г. най-малкият атомен часовник в света е създаден от Symmetricom и Националната лаборатория Sandia. Този часовник е 100 пъти по-компактен от предишните налични в търговската мрежа версии. Размерът на атомния хронометър не е по-голям от кибритена кутия. За да работи, той се нуждае от 100 mW мощност, което е 100 пъти по-малко от предшествениците му.

Възможно е да се намали размерът на часовника чрез инсталиране на механизъм, който работи на принципа на определяне на честотата вместо пружини и зъбни колела. електромагнитни вълниизлъчвани от цезиеви атоми под действието на лазерен лъч с незначителна мощност.

Такива часовници се използват в навигацията, както и в работата на миньори, водолази, където е необходимо точно да се синхронизира времето с колегите на повърхността, както и услуги за точно време, тъй като грешката на атомните часовници е по-малка от 0,000001 фракции от секунда на ден. Цената на рекордно големия малък атомен часовник Symmetricom беше около 1500 долара.