Princip rada atomskog sata. atomski sat

Arhivski članci

Koji su "urari" izmislili i usavršili ovaj iznimno precizan mehanizam? Ima li zamjena za njega? Pokušajmo to shvatiti.

U 2012. atomsko mjerenje vremena proslavit će 45. godišnjicu postojanja. Godine 1967. kategorija vremena u međunarodni sustav jedinice su se počele određivati ​​ne astronomskim ljestvicama, već cezijevim frekvencijskim standardom. U običnim ljudima to nazivaju atomskim satom.

Koji je princip rada atomskih oscilatora? Kao izvor rezonantne frekvencije, ovi "uređaji" koriste kvantne energetske razine atoma ili molekula. Kvantna mehanika povezuje sa sustavom atomska jezgra- elektroni "nekoliko diskretnih energetskih razina. Elektromagnetsko polje određenu frekvenciju može izazvati prijelaz ovog sustava iz niska razina na viši. Moguća je i suprotna pojava: atom može otići s visine razina energije na niži s energetskim zračenjem. Oba se fenomena mogu kontrolirati i ovi energetski skokovi među razinama mogu se popraviti, čime se stvara privid oscilatorni krug. Rezonantna frekvencija ovog kruga bit će jednaka razlici energije između dvije prijelazne razine, podijeljenoj s Planckovom konstantom.

Dobiveni atomski oscilator ima neporecive prednosti u odnosu na svoje astronomske i mehaničke prethodnike. Rezonantna frekvencija svih atoma tvari odabranih za oscilator bit će ista, za razliku od njihala i piezokristala. Osim toga, atomi se ne troše i ne mijenjaju svoja svojstva tijekom vremena. Savršena opcija za gotovo vječni i iznimno točan kronometar.

Po prvi put mogućnost korištenja međurazinskih energetskih prijelaza u atomima kao frekvencijskog standarda razmatrao je još 1879. godine britanski fizičar William Thomson, poznatiji kao Lord Kelvin. Predložio je korištenje vodika kao izvora rezonatorskih atoma. Međutim, njegovo je istraživanje bilo više teoretski. Tadašnja znanost još nije bila spremna za razvoj atomskog kronometra.

Trebalo je gotovo stotinu godina da ideja Lorda Kelvina postane stvarnost. Bilo je to dugo, ali ni zadatak nije bio lak. Pretvaranje atoma u idealna njihala pokazalo se težim u praksi nego u teoriji. Poteškoća je bila u borbi s takozvanom rezonantnom širinom - malom fluktuacijom u frekvenciji apsorpcije i emisije energije kako se atomi kreću od razine do razine. Omjer rezonantne frekvencije i rezonantne širine određuje kvalitetu atomskog oscilatora. Očito, što je veća vrijednost rezonantne širine, slabija je kvaliteta atomskog njihala. Nažalost, nije moguće povećati rezonantnu frekvenciju kako bi se poboljšala kvaliteta. On je konstantan za atome svake pojedine tvari. Ali rezonantna širina može se smanjiti povećanjem vremena promatranja za atome.

Tehnički, to se može postići na sljedeći način: neka vanjski, na primjer, kvarcni oscilator povremeno stvara elektromagnetsko zračenje, prisiljavajući atome donorske tvari da preskaču energetske razine. U ovom slučaju, zadatak tunera atomskog kronografa je maksimalna aproksimacija frekvencije ovog kvarcnog oscilatora rezonantnoj frekvenciji međurazinskog prijelaza atoma. Postaje moguće ako dovoljno dugo razdoblje promatranje titraja atoma i stvaranje Povratne informacije, koji regulira frekvenciju kvarca.

Istina, osim problema smanjenja rezonantne širine u atomskom kronografu, postoje mnogi drugi problemi. Riječ je o Dopplerovom efektu – pomaku rezonantne frekvencije uslijed kretanja atoma, te međusobnih sudara atoma, koji uzrokuju neplanirane energetske prijelaze, pa čak i utjecaja sveprožimajuće energije tamne tvari.

Po prvi put, pokušaj praktične primjene atomskih satova napravljen je tridesetih godina prošlog stoljeća od strane znanstvenika sa Sveučilišta Columbia pod vodstvom budućnosti nobelovac dr. Izidor Rabi. Rabi je predložio korištenje izotopa cezija 133 Cs kao izvora atoma njihala. Nažalost, Rabijev rad, koji je jako zanimao NBS, prekinuo je Drugi svjetski rat.

Nakon završetka, prvenstvo u implementaciji atomskog kronografa pripalo je zaposleniku NBS-a Haroldu Lyonsu. Njegov atomski oscilator radio je na amonijaku i dao pogrešku razmjernu najbolji primjeri kvarcni rezonatori. Godine 1949. atomski satovi s amonijakom demonstrirani su široj javnosti. Unatoč prilično osrednjoj točnosti, implementirali su osnovne principe budućih generacija atomskih kronografa.

Prototip cezijevog atomskog sata koji je dobio Louis Essen pružao je točnost od 1 * 10 -9, dok je imao širinu rezonancije od samo 340 Hertza.

Nešto kasnije profesor Sveučilište Harvard Norman Ramsey je unaprijedio ideje Isidorea Rabija, smanjujući utjecaj Dopplerovog efekta na točnost mjerenja. Predložio je da se umjesto jednog dugog visokofrekventnog impulsa koji pobuđuje atome, koriste dva kratka koja se šalju u krakove valovoda na određenoj udaljenosti jedan od drugog. To je omogućilo drastično smanjenje rezonantne širine i zapravo omogućilo stvaranje atomskih oscilatora koji su za red veličine bolji od svojih kvarcnih predaka u točnosti.

Pedesetih godina prošlog stoljeća, na temelju sheme koju je predložio Norman Ramsey, u Nacionalnom fizikalnom laboratoriju (Velika Britanija), njegov zaposlenik Louis Essen radio je na atomskom oscilatoru baziranom na izotopu cezija 133 Cs koji je ranije predložio Rabi. Cezij nije odabran slučajno.

Shema hiperfinih prijelaznih razina atoma izotopa cezija-133

Vezano za grupu alkalijski metali, atome cezija iznimno je lako pobuditi da skaču s jedne energetske razine na drugu. Tako je, na primjer, snop svjetlosti lako sposoban izbaciti struju elektrona iz atomske strukture cezija. Zbog ovog svojstva cezij se široko koristi u fotodetektorima.

Uređaj klasičnog cezijevog oscilatora temeljen na Ramsey valovodu

Prvi službeni standard frekvencije cezija NBS-1

Potomak NBS-1 - oscilator NIST-7 koristio je lasersko pumpanje snopa atoma cezija

Trebalo je više od četiri godine. Uostalom, fino podešavanje atomskih satova bilo je moguće samo usporedbom s postojećim efemeridnim jedinicama vremena. Četiri godine je atomski oscilator kalibriran promatranjem rotacije Mjeseca oko Zemlje pomoću najpreciznije lunarne kamere koju je izumio William Markowitz iz Američke pomorske zvjezdarnice.

"Podešavanje" atomskih satova na lunarne efemeride provodilo se od 1955. do 1958. godine, nakon čega je uređaj službeno priznat od strane NBS-a kao frekvencijski standard. Štoviše, neviđena točnost cezijevih atomskih satova potaknula je NBS da promijeni jedinicu vremena u SI standardu. Od 1958., "trajanje od 9,192,631,770 perioda zračenja koji odgovaraju prijelazu između dvije hiperfine razine standardnog stanja atoma izotopa cezija-133" službeno je prihvaćeno kao sekunda.

Uređaj Louisa Essena nazvan je NBS-1 i smatran je prvim cezijevim frekvencijskim standardom.

Tijekom sljedećih trideset godina razvijeno je šest modifikacija NBS-1, od kojih posljednja, NIST-7, stvorena 1993. godine zamjenom magneta laserskim zamkama, pruža točnost od 5 * 10 -15 s rezonantnom širinom od samo šezdeset dva Herca.

Usporedna tablica karakteristika cezijevih frekvencijskih standarda koje koristi NBS

Standard frekvencije cezija	Vrijeme rada	Vrijeme rada kao službeni NPFS standard	Rezonantna širina	Duljina mikrovalnog vodiča	Vrijednost pogreške
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Hz	55 cm	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Hz	164 cm	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Hz	366 cm	5*10 -13
NBS-4	1965.-1990	Ne	130 Hz	52,4 cm	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Hz	374 cm	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Hz	374 cm	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Hz	155 cm	5*10 -15

NBS uređaji su stacionarni ispitni stolovi, što ih omogućuje više svrstati u standardne nego u praktične oscilatore. Ali iz čisto praktičnih razloga, Hewlett-Packard je radio u korist standarda frekvencije cezija. Godine 1964. budući računalni div stvorio je kompaktnu verziju standarda frekvencije cezija - uređaj HP 5060A.

Kalibrirani korištenjem NBS standarda, frekvencijski standardi HP 5060 stanu u tipični stalak za radio opremu i imaju komercijalni uspjeh. Zahvaljujući standardu frekvencije cezija koji je postavio Hewlett-Packard, točnost atomskih satova bez presedana postala je široka.

Hewlett-Packard 5060A.

Kao rezultat toga, stvari kao što su satelitska televizija i komunikacije postale su moguće, globalni sustavi usluge sinkronizacije vremena navigacijske i informacijske mreže. Bilo je mnogo primjena tehnologije atomskog kronografa dovedene do industrijskog dizajna. Istodobno, Hewlett-Packard tu nije stao i neprestano poboljšava kvalitetu cezijevih standarda i njihovih pokazatelja težine i veličine.

Hewlett-Packard obitelj atomskih satova

Godine 2005. Hewlett-Packardov odjel za atomske satove prodan je Simmetricomu.

Uz cezij, čije su rezerve u prirodi vrlo ograničene, a potražnja za njim je raznolika tehnološka polja izuzetno velika, rubidij je korišten kao donorska tvar, njegova svojstva su vrlo bliska ceziju.

Čini se da je postojeća shema atomskih satova dovedena do savršenstva. U međuvremenu, imao je nesretni nedostatak, čije je uklanjanje postalo moguće u drugoj generaciji cezijevih frekvencijskih standarda, nazvanih cezijeve fontane.

Fontane vremena i optička melasa

Unatoč najvećoj točnosti atomskog kronometra NIST-7, koji koristi lasersku detekciju stanja atoma cezija, njegova se shema bitno ne razlikuje od shema prvih inačica cezijevih frekvencijskih standarda.

Nedostatak dizajna svih ovih shema je da je fundamentalno nemoguće kontrolirati brzinu širenja snopa atoma cezija koji se kreće u valovodu. I to unatoč činjenici da je brzina kretanja atoma cezija na sobnoj temperaturi sto metara u sekundi. Vrlo brzo.

Zato su sve modifikacije cezijevih standarda potraga za ravnotežom između veličine valovoda, koji ima vremena djelovati na brze atome cezija u dvije točke, i točnosti detektiranja rezultata tog učinka. Što je valovod manji, to je teže napraviti uzastopne elektromagnetske impulse koji utječu na iste atome.

Ali što ako pronađemo način da smanjimo brzinu kretanja atoma cezija? To je mislio student Massachusettsa Institut tehnologije Jerrold Zacharius, koji je proučavao utjecaj gravitacije na ponašanje atoma u kasnim četrdesetim godinama prošlog stoljeća. Kasnije, uključen u razvoj varijante cezijevog frekvencijskog standarda Atomichron, Zacharius je predložio ideju cezijeve fontane - metode za smanjenje brzine atoma cezija na jedan centimetar u sekundi i rješavanje dvokrakog valovoda. tradicionalnih atomskih oscilatora.

Zachariusova ideja bila je jednostavna. Što ako stavite atome cezija unutar oscilatora okomito? Tada će isti atomi dva puta proći kroz detektor: prvi put putujući prema gore, a drugi put prema dolje, gdje će jurnuti pod utjecajem gravitacije. Pritom će kretanje atoma prema dolje biti puno sporije od njihovog uzlijetanja, jer će tijekom putovanja u fontani gubiti energiju. Nažalost, pedesetih godina prošlog stoljeća Zacharius nije mogao ostvariti svoje ideje. U njegovom eksperimentalne ustanove atomi koji su se kretali prema gore bili su u interakciji s onima koji su padali, što je smanjilo točnost detekcije.

Ideja o Zachariju vratila se tek osamdesetih. Znanstvenici sa Sveučilišta Stanford, predvođeni Stevenom Chuom, pronašli su način implementacije Zachariusove fontane koristeći tehniku ​​koju nazivaju "optička melasa".

U Chu cezijevoj fontani, oblak atoma cezija ispaljen prema gore prethodno se hladi sustavom od tri para suprotno usmjerenih lasera koji imaju rezonantnu frekvenciju neposredno ispod optičke rezonancije atoma cezija.

Dijagram cezijeve fontane s optičkom melasom.

Ohlađeni laserima, atomi cezija počinju se polako kretati, kao kroz melasu. Njihova brzina pada na tri metra u sekundi. Smanjenje brzine atoma daje istraživačima priliku točnije detektirati stanje (morate se složiti, puno je lakše uzeti u obzir brojeve automobila koji se kreće brzinom od jednog kilometra na sat nego automobila koji se kreće brzinom od sto kilometara na sat).

Lopta ohlađenih atoma cezija lansira se oko metar uvis, prolazeći usput valovodom kroz koji elektromagnetsko polje rezonantne frekvencije djeluje na atome. A detektor sustava po prvi put bilježi promjenu stanja atoma. Dosegnuvši "plafon", ohlađeni atomi počinju padati zbog gravitacije i drugi put prolaze kroz valovod. Na put natrag detektor ponovno bilježi njihovo stanje. Budući da se atomi kreću izuzetno sporo, njihov let u obliku prilično gustog oblaka je lako kontrolirati, što znači da u fontani neće biti atoma koji će u isto vrijeme letjeti gore-dolje.

NBS je 1998. prihvatio Chuovu postavu cezijeve fontane kao frekvencijski standard i nazvao ju je NIST-F1. Njegova je pogreška bila 4 * 10 -16, što znači da je NIST-F1 bio precizniji od svog prethodnika NIST-7.

Zapravo, NIST-F1 je dosegao granicu točnosti u mjerenju stanja atoma cezija. Ali znanstvenici se nisu zaustavili na ovoj pobjedi. Odlučili su otkloniti grešku koju u rad atomskih satova unosi zračenje potpuno crnog tijela - rezultat interakcije atoma cezija s toplinskim zračenjem tijela instalacije u kojoj se kreću. U novom atomskom kronografu NIST-F2, fontana cezija postavljena je u kriogenu komoru, smanjujući zračenje crnog tijela gotovo na nulu. NIST-F2 margina pogreške je nevjerojatnih 3*10 -17.

Graf smanjenja pogreške varijanti cezijevih frekvencijskih standarda

Trenutno, atomski satovi temeljeni na cezijevim fontanama daju čovječanstvu najtočniji standard vremena, u odnosu na koji otkucava puls naše tehnogene civilizacije. Zahvaljujući inženjerskim trikovima, pulsirajući vodikovi maseri koji hlade atome cezija u stacionarnim verzijama NIST-F1 i NIST-F2 zamijenjeni su konvencionalnim laserskim snopom uparenim s magneto-optičkim sustavom. To je omogućilo stvaranje kompaktnog i vrlo stabilnog vanjski utjecaji verzije standarda NIST-Fx koje mogu raditi svemirska letjelica. Prilično slikovito nazvan "sat hladnog atoma u zrakoplovstvu", ovi standardi frekvencije postavljeni su u satelitima navigacijskih sustava kao što je GPS, što im pruža nevjerojatnu sinkronizaciju za rješavanje problema točan izračun koordinate GPS prijemnika koji se koriste u našim gadgetima.

Kompaktna verzija atomskog sata s cezijevom fontanom nazvana "Aerospace Cold Atom Clock" koristi se u GPS satelitima.

Izračun referentnog vremena izvodi "ansambl" od deset NIST-F2 smještenih u različitim istraživački centri surađuje s NBS-om. Zbirno se dobiva točna vrijednost atomske sekunde i time se eliminiraju razne pogreške i utjecaj ljudskog faktora.

Međutim, moguće je da će jednoga dana cezijev frekvencijski standard naši potomci doživljavati kao vrlo grubi mehanizam za mjerenje vremena, baš kao što sada snishodljivo gledamo na kretanje njihala u mehaničkim starinskim satovima naših predaka.

Znanstvenim svijetom proširila se senzacija - vrijeme isparava iz našeg svemira! Zasad je to samo hipoteza španjolskih astrofizičara. No, da je protok vremena na Zemlji iu svemiru različit, znanstvenici su već dokazali. Vrijeme teče sporije pod utjecajem gravitacije, ubrzavajući se kako se udaljavate od planeta. Zadaću sinkronizacije zemaljskog i kozmičkog vremena obavljaju vodikovi frekvencijski standardi, koji se nazivaju i "atomski satovi".

Prvi atomsko vrijeme pojavili zajedno s pojavom astronautike, atomski satovi pojavili su se sredinom 1920-ih. Sada su atomski satovi postali obična stvar, svatko od nas ih koristi svaki dan: uz njihovu pomoć, djeluje digitalne komunikacije, GLONAS, navigacija, transport.

Vlasnici Mobiteli gotovo da i ne razmišljamo o tome koliko se složenog rada u svemiru provodi za tijesnu vremensku sinkronizaciju, a ipak govorimo o samo milijuntim djelićima sekunde.

Standard točnog vremena pohranjen je u moskovskoj regiji, u znanstveni institut fizikalno-tehnička i radio-tehnička mjerenja. U svijetu postoji 450 takvih satova.

Monopol nad atomskim satovima imaju Rusija i Sjedinjene Države, ali u Sjedinjenim Državama satovi se temelje na ceziju - radioaktivni metal, vrlo štetan za okoliš, au Rusiji - na temelju vodika - sigurniji izdržljivi materijal.

Ovaj sat nema brojčanik i kazaljke: izgleda poput velike bačve od rijetkih i vrijednih metala, ispunjene najnaprednijim tehnologijama - visokopreciznim mjernim instrumentima i opremom s atomskim etalonima. Proces njihovog nastanka vrlo je dug, složen i odvija se u uvjetima apsolutne sterilnosti.

Četiri godine proučava sat instaliran na ruskom satelitu tamna energija. Prema ljudskim standardima, oni gube točnost za 1 sekundu u mnogo milijuna godina.

Uskoro će na Spektr-M biti postavljeni atomski satovi - svemirski opservatorij, koji će vidjeti kako nastaju zvijezde i egzoplanete, pogledati preko ruba Crna rupa u središtu naše galaksije. Prema znanstvenicima, zbog monstruozne gravitacije vrijeme ovdje teče toliko sporo da gotovo staje.

tvroscosmos

Često čujemo frazu da atomski satovi uvijek pokazuju točno vrijeme. Ali iz njihova imena teško je shvatiti zašto su atomski satovi najprecizniji ili kako funkcioniraju.

Činjenica da naziv sadrži riječ "atomski" uopće ne znači da sat predstavlja opasnost po život, čak i ako vam odmah na pamet padaju misli o tome. atomska bomba ili nuklearna elektrana. NA ovaj slučaj samo pričamo o tome kako sat radi. Ako je u običnom mehanički sat vibracijske kretnje čine zupčanici i broje se njihovi kretnje, zatim se u atomskim satovima broje vibracije elektrona unutar atoma. Da bismo bolje razumjeli princip rada, prisjetimo se fizike elementarnih čestica.

Sve tvari u našem svijetu sastoje se od atoma. Atomi se sastoje od protona, neutrona i elektrona. Protoni i neutroni međusobno se spajaju u jezgru, koja se također naziva nukleon. Oko jezgre se kreću elektroni koji mogu biti na različitim energetskim razinama. Najzanimljivije je to što se elektron pri apsorpciji ili odavanju energije može pomaknuti sa svoje energetske razine na višu ili nižu. Elektron može primiti energiju iz elektromagnetskog zračenja apsorbirajući ili emitirajući elektromagnetsko zračenje određene frekvencije pri svakom prijelazu.

Najčešće postoje satovi u kojima se mijenjaju atomi elementa cezija -133. Ako u 1 sekundi njihalo konvencionalni satovi obvezuje se 1 oscilirajuće kretanje, zatim elektroni u atomskim satovima na bazi cezija-133, kada se kreću s jedne energetske razine na drugu, emitiraju elektromagnetsko zračenje frekvencije 9192631770 Hz. Ispada da je jedna sekunda podijeljena na upravo toliki broj intervala, ako se računa u atomskim satovima. Ovu je vrijednost međunarodna zajednica službeno usvojila 1967. godine. Zamislite ogroman brojčanik, gdje nema 60, već 9192631770 podjela, što je samo 1 sekunda. Ne čudi što su atomski satovi tako točni i imaju niz prednosti: atomi ne stare, ne troše se, a frekvencija osciliranja uvijek će biti ista za jedan kemijski element, zahvaljujući čemu je moguće istovremeno uspoređivati , na primjer, očitavanja atomskih satova daleko u svemiru i na Zemlji, ne bojeći se pogrešaka.

Zahvaljujući atomskim satovima, čovječanstvo je u praksi moglo provjeriti ispravnost teorije relativnosti i u to se uvjeriti, nego na Zemlji. Atomski satovi ugrađeni su na mnoge satelite i svemirske letjelice, koriste se za telekomunikacijske potrebe, za mobilne komunikacije, uspoređuju točno vrijeme na cijelom planetu. Bez pretjerivanja, upravo je zahvaljujući izumu atomskog sata čovječanstvo uspjelo ući u eru visoke tehnologije.

Kako rade atomski satovi?

Cezij-133 se zagrijava isparavanjem atoma cezija, koji prolaze kroz magnetsko polje, gdje se odabiru atomi sa željenim energetskim stanjima.

Zatim odabrani atomi prolaze kroz magnetsko polje frekvencije blizu 9192631770 Hz, koje stvara kvarcni oscilator. Pod utjecajem polja atomi cezija ponovno mijenjaju svoja energetska stanja i padaju na detektor koji fiksira kada najveći broj atomi koji padaju imat će "ispravno" energetsko stanje. Maksimalni iznos atoma s promijenjenim energetskim stanjem pokazuje da je frekvencija mikrovalnog polja pravilno odabrana, a zatim se njezina vrijednost unosi u elektronički uređaj - djelitelj frekvencije, koji smanjenjem frekvencije za cijeli broj puta dobiva broj 1, koji je referentni drugi.

Tako se atomi cezija koriste za provjeru je li frekvencija ispravna magnetsko polje generira kristalni oscilator, pomažući da se održi konstantnom.

Zanimljivo je: iako su atomski satovi koji danas postoje neviđeno precizni i mogu raditi bez grešaka milijunima godina, fizičari neće tu stati. Korištenje atoma raznih kemijski elementi, neprestano rade na poboljšanju točnosti atomskih satova. Od najnovijih izuma - uključeni atomski satovi stroncij, koji su tri puta točniji od svojih cezijevih pandana. Trebalo bi im 15 milijardi godina da zaostaju samo sekundu – vrijeme duže od starosti našeg svemira…

Ako pronađete grešku, označite dio teksta i kliknite Ctrl+Enter.

Atomski satovi najprecizniji su instrumenti za mjerenje vremena koji danas postoje i postaju sve popularniji. veću vrijednost s razvojem i komplikacijama moderne tehnologije.

Princip rada

Atomski satovi ne pokazuju točno vrijeme zahvaljujući radioaktivni raspad, kako se može činiti iz njihova imena, ali koristeći vibracije jezgri i elektrona koji ih okružuju. Njihova je frekvencija određena masom jezgre, gravitacijom i elektrostatskim "balanserom" između pozitivno nabijene jezgre i elektrona. Ne odgovara baš uobičajenom satnom mehanizmu. Atomski satovi su pouzdaniji mjerači vremena jer se njihove fluktuacije ne mijenjaju ovisno o takvim čimbenicima. okoliš poput vlage, temperature ili tlaka.

Evolucija atomskih satova

Tijekom godina znanstvenici su shvatili da atomi imaju rezonantne frekvencije povezane sa sposobnošću svakog atoma da apsorbira i emitira elektromagnetsko zračenje. U 1930-im i 1940-im razvijena je visokofrekventna komunikacijska i radarska oprema koja je mogla komunicirati s rezonantnim frekvencijama atoma i molekula. To je doprinijelo ideji sata.

Prvi primjerci proizvedeni su 1949 Zemaljski institut standarde i tehnologije (NIST). Kao izvor vibracija korišten je amonijak. Međutim, nisu bili mnogo precizniji od postojećeg vremenskog standarda, a cezij je korišten u sljedećoj generaciji.

novi standard

Promjena točnosti vremena bila je toliko velika da je 1967. Opća konferencija za utege i mjere definirala SI sekundu kao 9,192,631,770 vibracija atoma cezija na njegovoj rezonantnoj frekvenciji. To je značilo da vrijeme više nije povezano s kretanjem Zemlje. Najstabilniji atomski sat na svijetu stvoren je 1968. godine i korišten je kao dio NIST referentnog vremenskog sustava do 1990-ih.

Auto za poboljšanje

Jedan od nedavna postignuća u ovom području je lasersko hlađenje. Ovo je poboljšalo omjer signala i šuma i smanjilo nesigurnost u signalu takta. Ovaj rashladni sustav i druga oprema koja se koristi za poboljšanje cezijevog sata zahtijevali bi prostor veličine željezničkog vagona, iako komercijalne opcije mogu stati u kovčeg. Jedna od tih laboratorijskih instalacija drži vrijeme u Boulderu, Colorado, i najviše je precizan sat na tlu. Griješe samo 2 nanosekunde dnevno, ili 1 s u 1,4 milijuna godina.

Sofisticirana tehnologija

Ova golema točnost rezultat je složene tehnološki proces. Prije svega, tekući cezij se stavlja u peć i zagrijava dok se ne pretvori u plin. Atomi metala izlaze velikom brzinom kroz malu rupu u peći. Elektromagneti uzrokuju njihovo razdvajanje u zasebne zrake s različitim energijama. Potrebna zraka prolazi kroz otvor u obliku slova U, a atomi se izlažu mikrovalnoj energiji na frekvenciji od 9.192.631.770 Hz. Zbog toga su uzbuđeni i prelaze u drugo energetsko stanje. Magnetsko polje zatim filtrira druga energetska stanja atoma.

Detektor reagira na cezij i pokazuje maksimum pri ispravno značenje frekvencije. Ovo je neophodno za postavljanje kristalnog oscilatora koji upravlja taktnim mehanizmom. Dijeljenje njegove frekvencije s 9.192.631.770 daje jedan impuls u sekundi.

Ne samo cezij

Iako najčešći atomski satovi koriste svojstva cezija, postoje i druge vrste. Razlikuju se po primijenjenom elementu i načinu određivanja promjene razine energije. Ostali materijali su vodik i rubidij. Vodikovi atomski satovi funkcioniraju poput cezijevih satova, ali zahtijevaju spremnik sa stijenkama od posebnog materijala koji sprječava atome da prebrzo gube energiju. Rubidium satovi su najjednostavniji i najkompaktniji. U njima staklena ćelija ispunjena plinovitim rubidijem mijenja apsorpciju svjetlosti kada je izložena mikrovalnoj frekvenciji.

Kome treba točno vrijeme?

Danas se vrijeme može računati s iznimnom preciznošću, ali zašto je to važno? Ovo je neophodno u sustavima kao što su mobilni telefoni, internet, GPS, zrakoplovni programi i digitalna televizija. Na prvi pogled to nije očito.

Primjer kako se koristi točno vrijeme je sinkronizacija paketa. Kroz središnja linija komunikacije prolaze kroz tisuće telefonskih poziva. To je moguće samo zato što se razgovor ne prenosi u potpunosti. Telekom kompanija ga dijeli u male pakete i čak preskače neke informacije. Zatim prolaze kroz liniju zajedno s paketima drugih razgovora i vraćaju se na drugom kraju bez miješanja. Sustav sata telefonske centrale može odrediti koji paketi pripadaju određenom razgovoru prema točnom vremenu kada je informacija poslana.

GPS

Još jedna implementacija preciznog vremena je sustav globalnog pozicioniranja. Sastoji se od 24 satelita koji odašilju svoje koordinate i vrijeme. Bilo koji GPS prijemnik može se povezati s njima i usporediti vremena emitiranja. Razlika omogućuje korisniku da odredi svoju lokaciju. Da ti satovi nisu vrlo točni, onda bi GPS sustav bio nepraktičan i nepouzdan.

Granica savršenstva

S razvojem tehnologije i atomskih satova, netočnosti svemira postale su uočljive. Zemlja se kreće neravnomjerno, što dovodi do nasumičnih fluktuacija u dužini godina i dana. U prošlosti bi te promjene prošle nezapaženo jer su alati za mjerenje vremena bili previše neprecizni. Međutim, na veliku nesreću istraživača i znanstvenika, vrijeme atomskih satova mora se prilagoditi kako bi se kompenzirale anomalije. stvarni svijet. Oni su nevjerojatni alati za unaprjeđenje moderne tehnologije, ali njihovo je savršenstvo ograničeno granicama koje je postavila sama priroda.

Prvo, sat koristi čovječanstvo kao sredstvo programske kontrole vremena.

Drugo, danas je mjerenje vremena također najtočnija vrsta mjerenja od svih provedenih: točnost mjerenja vremena sada je određena nevjerojatnom pogreškom reda veličine 110-11%, ili 1 s u 300 tisuća godina.

I postigli takvu točnost moderni ljudi kada su počeli koristiti atomi, koji su, kao rezultat svojih oscilacija, regulator atomskog sata. Atomi cezija su u dva koja su nam potrebna, energetska stanja(+) i (-). Elektromagnetska radijacija s frekvencijom od 9 192 631 770 herca nastaje kada se atomi pomaknu iz stanja (+) u (-), stvarajući točan konstantan periodički proces - regulator koda atomskog sata.

Da bi atomski satovi radili točno, cezij se mora ispariti u peći, pri čemu dolazi do izbacivanja njegovih atoma. Iza peći je magnet za razvrstavanje, koji ima kapacitet atoma u (+) stanju, au njemu, zbog zračenja u mikrovalnom polju, atomi prelaze u (-) stanje. Drugi magnet usmjerava atome koji su promijenili stanje (+) u (-) na prijemni uređaj. Mnogi atomi koji su promijenili svoje stanje dobivaju se samo ako se frekvencija mikrovalnog emitera točno podudara s frekvencijom vibracija cezija od 9 192 631 770 herca. Inače se smanjuje broj atoma (-) u prijemniku.

Instrumenti stalno prate i podešavaju stalnost frekvencije 9 192 631 770 herca. Dakle, ostvario se san dizajnera satova, pronađen je apsolutno konstantan periodični proces: frekvencija od 9.192.631.770 herca, koja regulira tijek atomskih satova.

Danas, kao rezultat međunarodni sporazum, sekunda se definira kao period zračenja pomnožen s 9 192 631 770, što odgovara prijelazu između dva hiperfina strukturalne razine osnovno stanje atoma cezija (izotop cezija-133).

Za mjerenje točnog vremena možete koristiti i vibracije drugih atoma i molekula, kao što su atomi kalcija, rubidija, cezija, stroncija, molekule vodika, joda, metana itd. Međutim, zračenje atoma cezija prepoznaje se kao frekvencijski standard. Kako bi se usporedile vibracije različitih atoma sa standardom (cezijem), stvoren je titan-safir laser koji generira široki frekvencijski raspon u rasponu od 400 do 1000 nm.

Prvi tvorac kvarcnih i atomskih satova bio je engleski eksperimentalni fizičar Essen Lewis (1908.-1997.). Godine 1955. stvorio je prvi atomski standard frekvencije (vremena) na snopu atoma cezija. Kao rezultat ovog rada, 3 godine kasnije (1958.) pojavila se vremenska usluga temeljena na standardu atomske frekvencije.

U SSSR-u je akademik Nikolaj Genadijevič Basov iznio svoje ideje za stvaranje atomskih satova.

Tako, atomski sat, jedan od točne vrste sat - uređaj za mjerenje vremena, gdje se kao njihalo koriste prirodne oscilacije atoma ili molekula. Stabilnost atomskih satova je najbolja od svih postojeće vrste sati, što je garancija najveća preciznost. Generator atomskog sata proizvodi više od 32.768 impulsa u sekundi, za razliku od konvencionalnih satova. Oscilacije atoma ne ovise o temperaturi zraka, vibracijama, vlažnosti i mnogim drugim vanjskim čimbenicima.

NA moderni svijet Kada je navigacija jednostavno neophodna, atomski satovi postali su neizostavni pomagači. U stanju su locirati svemirski brod, satelit, balistički projektil, zrakoplov, podmornica, automobil automatski putem satelita.

Tako se zadnjih 50 godina najpreciznijima smatraju atomski satovi, odnosno cezijevi satovi. Odavno ih koriste službe za mjerenje vremena, a vremenske signale emitiraju i neke radio postaje.

Uređaj atomskog sata sastoji se od 3 dijela:

kvantni diskriminator,

kvarcni oscilator,

kompleks elektronike.

Kvarcni oscilator generira frekvenciju (5 ili 10 MHz). Oscilator je RC radio generator, u kojem se piezoelektrični modovi kvarcnog kristala koriste kao rezonantni element, gdje se uspoređuju atomi koji su promijenili stanje (+) u (-). Da bi se povećala stabilnost, njegova frekvencija je stalno u usporedbi s vibracijama kvantnog diskriminatora (atoma ili molekule) . Kada se pojavi razlika u oscilacijama, elektronika podešava frekvenciju kvarcnog oscilatora na nulta razina, čime se poboljšava stabilnost i točnost sata na željenu razinu.

U modernom svijetu, atomski satovi mogu se izraditi u bilo kojoj zemlji svijeta za upotrebu Svakidašnjica. Vrlo su male veličine i lijepe. Veličina najnovijeg noviteta atomskih satova nije veća od kutija šibica i njihova niska potrošnja energije - manje od 1 Watt. I to nije granica, možda u budućnosti tehnički napredak dopire do mobilnih telefona. U međuvremenu, kompaktni atomski satovi postavljaju se samo na strateške projektile kako bi se višestruko povećala točnost navigacije.

Danas se u online trgovinama mogu kupiti muški i ženski atomski satovi za svaki ukus i proračun.

Godine 2011. Symmetricom i Nacionalni laboratorij Sandia izradili su najmanji atomski sat na svijetu. Ovaj je sat 100 puta kompaktniji od prethodnih komercijalno dostupnih verzija. Veličina atomskog kronometra nije veća od kutije šibica. Za rad mu je potrebno 100 mW snage, što je 100 puta manje od njegovih prethodnika.

Sat je bilo moguće smanjiti ugradnjom mehanizma koji radi na principu određivanja frekvencije umjesto opruga i zupčanika. Elektromagnetski valovi emitiraju atomi cezija pod djelovanjem laserske zrake zanemarive snage.

Ovakvi satovi koriste se u navigaciji, kao iu radu rudara, ronioca, gdje je potrebno točno uskladiti vrijeme s kolegama na površini, kao i točni servisi vremena, jer je pogreška atomskih satova manja od 0,000001 frakcija. od sekunde dnevno. Cijena rekordnog malog atomskog sata Symmetricom bila je oko 1500 dolara.