Атомний годинник принцип роботи. Атомний годинник

Архів Статті

Які "годинники" придумали та вдосконалювали цей надзвичайно точний механізм? Чи є йому заміна? Спробуємо розібратися.

У 2012 році атомне хронометрування святкуватиме своє сорокап'ятиріччя. У 1967 році категорія часу в Міжнародній системіодиниць почала визначатися не астрономічними шкалами, а цезієвим стандартом частоти. Саме його в народі і називають атомним годинником.

Який принцип роботи атомних осциляторів? Як джерело резонансної частоти ці "пристрою" використовують квантові енергетичні рівні атомів або молекул. Квантова механікапов'язує із системою " атомне ядро- електрони" кілька дискретних енергетичних рівнів. Електромагнітне поле певної частотиможе спровокувати перехід цієї системи з низького рівняна вищий. Можливе і протилежне явище: атом може перейти з високого енергетичного рівнябільш низький з випромінюванням енергії. І тим і іншим явищем можна керувати та фіксувати ці енергетичні міжрівневі стрибки, створивши тим самим подобу коливального контуру. Резонансна частота цього контуру дорівнюватиме різниці енергій двох рівнів переходу, поділеної на постійну Планка .

Отриманий при цьому атомний осцилятор має безперечні переваги по відношенню до своїх астрономічних і механічних попередників. Резонансна частота всіх атомів обраної для осцилятора речовини буде, на відміну маятників і п'єзокристалів, однакова. Крім того, атоми з часом не зношуються та не змінюють свої властивості. Ідеальний варіантдля практично вічного та надзвичайно точного хронометра.

Вперше можливість використання міжрівневих енергетичних переходів в атомах як стандарт частоти в далекому 1879 розглянув британський фізик Вільям Томсон, більш відомий як лорд Келвін. Як джерело атомів-резонаторів він пропонував використовувати водень. Однак його дослідження носили швидше теоретичний характер. Наука на той час ще була готова до розробки атомного хронометра.

Потрібно було майже сто років, щоб ідея лорда Келвіна набула практичного втілення. Термін чималий, але й завдання було нелегким. Перетворити атоми на ідеальні маятники на практиці виявилося важче, ніж у теорії. Складність полягала у битві з так званою резонансною шириною – невеликим коливанням частоти поглинання та випромінювання енергії при переході атомів з рівня на рівень. Відношення резонансної частоти до резонансної ширини визначає якість атомного осцилятора. Очевидно, що чим більше значення резонансної ширини, тим нижча якість атомного маятника. На жаль, підвищити резонансну частоту для покращення якості неможливо. Вона стала для атомів кожної конкретної речовини. А ось зменшити резонансну ширину можна шляхом збільшення часу нагляду за атомами.

Технічно цього можна досягти наступним чином: нехай зовнішній, наприклад, кварцовий, осцилятор періодично генерує електромагнітне випромінювання, що змушує атоми речовини-донора стрибати по енергетичних рівнях. При цьому завданням налаштування атомного хронографа є максимальне наближення частоти кварцового осцилятора до резонансної частоти міжрівневого переходу атомів. Можливим це стає у разі достатньо великого періодуспостереження за коливаннями атомів та створення зворотнього зв'язку, що регулює частоту кварцу.

Щоправда, крім проблеми зниження резонансної ширини в атомному хронографі, існує безліч інших проблем. Це і доплеровський ефект - зміщення резонансної частоти внаслідок руху атомів, і взаємні зіткнення атомів, що викликають незаплановані енергетичні переходи, і навіть вплив всепроникної енергії темної матерії.

Вперше спробу практичної реалізації атомного годинника було здійснено в тридцяті роки минулого століття вченими Колумбійського університету під керівництвом майбутнього нобелівського лауреатадоктора Айсідора Рабі. Як речовина - джерело атомів-маятників Рабі запропонував використовувати ізотоп цезію 133 Cs. На жаль, роботи Рабі, які дуже зацікавили NBS, були перервані Другою світовою війною.

Після її закінчення першість реалізації атомного хронографа перейшла до співробітника NBS Гарольда Лайонса. Його атомний осцилятор працював на аміаку і давав похибку, порівнянну з найкращими зразкамикварцових резонаторів У 1949 році аміачний атомний годинник був продемонстрований широкому загалу. Незважаючи на досить посередню точність, у них було реалізовано основні засади майбутніх поколінь атомних хронографів.

Отриманий Луї Ессен прототип цезієвих атомних годин забезпечував точність 1 * 10 -9 , володіючи при цьому шириною резонансу всього в 340 Герц

Трохи пізніше професор Гарвардського університетуНорман Ремсі удосконалив ідеї Айсідора Рабі, знизивши вплив на точність вимірювань доплерівського ефекту. Він запропонував замість одного тривалого високочастотного імпульсу, що збуджує атоми, використовувати два короткі, послані в плечі хвилеводу на деякій відстані один від одного. Це дозволило різко знизити резонансну ширину і фактично уможливило створення атомних осциляторів, що на порядок перевершують за точністю своїх кварцових предків.

У п'ятдесяті роки минулого століття на основі схеми, запропонованої Норманом Ремсі, у Національній фізичній лабораторії (Великобританія) її співробітник Луї Ессен вів роботу над атомним осцилятором на основі запропонованого Рабі ізотопу цезію 133 Cs. Цезій був обраний невипадково.

Схема надтонких рівнів переходу атомів ізотопу цезію-133

Відносячись до групи лужних металіватоми цезію надзвичайно просто збуджуються для стрибка між енергетичними рівнями. Приміром, пучок світла легко здатний вибити з атомної структури цезію потік електронів. Саме завдяки цій властивості цезій широко застосовується у складі фотодетекторів.

Пристрій класичного цезієвого осцилятора на основі хвилеводу Ремсі

Перший офіційний цезієвий стандарт частоти NBS-1

Нащадок NBS-1 - осцилятор NIST-7 використовував лазерне накачування променя атомів цезію

Щоб прототип Ессена став справжнім стандартом, потрібно більше чотирьох років. Адже точне налаштування атомного годинника було можливе лише шляхом порівняння з існуючими ефемеридними одиницями часу. Протягом чотирьох років атомний осцилятор калібрувався за допомогою спостережень за обертанням Місяця навколо Землі за допомогою найточнішої місячної камери, винайденої співробітником Військово-морської обсерваторії США Вільямом Марковіцем.

"Підгонка" атомного годинника за місячними ефемеридами велася з 1955 по 1958 рік, після чого пристрій було офіційно визнано NBS як стандарт частоти. Більш того, безпрецедентна точність цезієвого атомного годинника спонукала NBS змінити в стандарті SI одиницю вимірювання часу. З 1958 року в якості секунди офіційно була прийнята "тривалість 9192631770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями стандартного стану атома ізотопу цезію-133".

Пристрій Луї Ессена отримав назву NBS-1 і став вважатися першим цезієвим стандартом частоти.

За наступні тридцять років були розроблені шість модифікацій NBS-1, остання з яких - NIST-7, створена в 1993 завдяки заміні магнітів на лазерні пастки, забезпечує точність 5 * 10 -15 при резонансній ширині всього шістдесят два Герца.

Порівняльна таблиця характеристик цезієвих стандартів частоти, що використовуються NBS

Цезієвий стандарт частоти	Час функціонування	Час роботи як офіційний стандарт NPFS	Резонансна ширина	Довжина НВЧ-хвильовода	Величина похибки
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Гц	55 см	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Гц	164 см	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Гц	366 см	5*10 -13
NBS-4	1965-1990-e	ні	130 Гц	52,4 см	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Гц	374 см	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Гц	374 см	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Гц	155 см	5*10 -15

Пристрої NBS є стаціонарними стендами, що дозволяє віднести їх швидше до еталонів, ніж до осциляторів, що практично використовуються. А ось для суто практичних цілей на благо цезієвого стандарту частоти попрацювала компанія Hewlett-Packard. У 1964 році майбутній комп'ютерний гігант створив компактний варіант стандарту цезієвого частоти - пристрій HP 5060A.

Відкалібровані з використанням еталонів NBS, частотні стандарти HP 5060 вміщалися в типову стійку радіообладнання та мали комерційний успіх. Саме завдяки цезієвому стандарту частоти, заданому в Hewlett-Packard, безпрецедентна точність атомного годинника пішла в широкі маси.

Hewlett-Packard 5060A.

В результаті стали можливі такі речі, як супутникове телебачення та зв'язок, глобальні системинавігації та служби синхронізації часу інформаційних мереж. Застосування доведеної до промислового зразка технології атомного хронографа знайшлося багато. При цьому Hewlett-Packard не зупинялися на досягнутому і постійно покращують якість цезієвих стандартів та їх масо-габаритні показники.

Сімейство атомних годинників компанії Hewlett-Packard

У 2005 році підрозділ Hewlett-Packard, що відповідає за розробку атомного годинника, було продано компанії Simmetricom.

Поряд з цезієм, запаси якого в природі дуже обмежені, а попит на нього в різних технологічних галузяхнадзвичайно великий, як речовина-донор використовувався рубідій, за властивостями дуже близький до цезію.

Здавалося б, існуюча схема атомного годинника доведена до досконалості. Тим часом вона мала прикрий недолік, усунення якого стало можливим у другому поколінні стандартів цезієвих частоти, іменованих цезієвими фонтанами.

Фонтани часу та оптична патока

Незважаючи на високу точність атомного хронометра NIST-7, що використовує лазерне детектування стану атомів цезію, його схема не відрізняється від схем перших варіантів цезієвих стандартів частоти.

А конструктивним недоліком всіх цих схем і те, що контролювати швидкість поширення променя з атомів цезію, які у хвилеводі, принципово неможливо. І це при тому, що швидкість руху атомів цезію при кімнатній температурі – сто метрів за секунду. Дуже швидко.

Саме тому всі модифікації цезієвих стандартів – це пошук балансу між розмірами хвилеводу, що встигає впливати на швидкі атоми цезію у двох точках, та точністю детектування результатів цього впливу. Чим менший хвилевід, тим важче встигнути зробити послідовні електромагнітні імпульси, що впливають на ті самі атоми.

А якщо знайти спосіб знизити швидкість руху атомів цезію? Саме цією думкою перейнявся студент Масачусетського технологічного інститутуДжеролд Захаріус, який вивчав наприкінці сорокових років минулого століття вплив сили тяжіння на поведінку атомів. Пізніше, залучений до розробки варіанта цезієвого стандарту частоти Atomichron, Захаріус запропонував ідею цезієвого фонтану - способу, що дозволяє знизити швидкість руху атомів цезію до одного сантиметра в секунду і позбутися двоколінного хвилеводу традиційних атомних осциляторів.

Ідея Захаріуса була простою. Що, якщо запускати атоми цезію всередині осцилятора вертикально? Тоді одні й самі атоми двічі проходитимуть через детектор: вперше під час подорожі вгору, а другий - вниз, куди вони спрямуються під впливом сили тяжіння. При цьому рух атомів вниз буде суттєво повільнішим за їх зліт, адже за час подорожі у фонтані вони підбадьорюють енергію. На жаль, у п'ятдесяті роки минулого сторіччя реалізувати свої ідеї Захаріус не зміг. В його експериментальних установкахатоми, що рухалися вгору, взаємодіяли з падаючими вниз, що збивало точність детектування.

До ідеї Захаріуса повернулися лише у вісімдесяті роки. Вчені Стенфордського університету під керівництвом Стівена Чу знайшли спосіб реалізації фонтану Захаріуса з використанням методу, названого ними "оптична патока".

У цезієвому фонтані Чу хмара атомів цезію, що вистрілюються вгору, попередньо охолоджується системою з трьох пар протилежно спрямованих лазерів, що мають резонансну частоту трохи нижче за оптичний резонанс атомів цезію.

Схема цезієвого фонтану із оптичною патокою.

Охолоджені лазерами атоми цезію починають рухатися повільно, немов крізь патоку. Їхня швидкість падає до трьох метрів за секунду. Зменшення швидкості атомів дає дослідникам можливість більш точного детектування стану (погодьтеся, значно простіше розглянути номери машини, що рухається зі швидкістю один кілометр на годину, ніж машини, що рухається зі швидкістю сто кілометрів на годину).

Куля з охолоджених атомів цезію запускається приблизно на метр, шляхом проходячи хвилевід, через який на атоми впливає електромагнітне поле резонансної частоти. І детектор системи фіксує зміну стану атомів уперше. Досягши "стелі", охолоджені атоми починають падати завдяки силі тяжкості і проходять хвилевод вдруге. на зворотним шляхомдетектор знову фіксує їхній стан. Оскільки атоми рухаються надзвичайно повільно, їх політ у вигляді досить щільної хмари легко контролювати, а значить, у фонтані не буде одночасно летять вгору і вниз атомів.

Установка Чу на основі цезієвого фонтану була прийнята NBS як стандарт частоти в 1998 році і отримала назву NIST-F1. Її похибка становила 4*10 -16 , отже, NIST-F1 була точніше попередника NIST-7.

Фактично NIST-F1 була досягнута межа точності вимірювань стану атомів цезію. Але вчені на цій перемозі не зупинились. Вони вирішили усунути похибку, яку вносить у роботу атомного годинника випромінювання абсолютно чорного тіла - результат взаємодії атомів цезію з тепловим випромінюванням корпусу установки, в якій вони рухаються. У новому атомному хронографі NIST-F2 цезієвий фонтан розміщувався в кріогенній камері, зводячи випромінювання абсолютно чорного тіла практично до нуля. Похибка NIST-F2 дорівнює неймовірній величині 3 * 10-17.

Графік зменшення похибки варіантів цезієвих стандартів частоти

В даний час атомні частини на основі цезієвих фонтанів дають людству найточніший еталон часу, щодо якого б'ється пульс нашої техногенної цивілізації. Завдяки інженерним хитрощам імпульсні водневі мазери, які охолоджують атоми цезію в стаціонарних варіантах NIST-F1 та NIST-F2, були замінені на звичайний лазерний промінь, що працює в парі з магнітооптичною системою. Це дозволило створити компактні та дуже стійкі до зовнішнім впливамваріанти стандартів NIST-Fx, здатні працювати в космічних апаратах. Дуже образно названі "Aerospace Cold Atom Clock", ці стандарти частоти встановлені в супутниках таких навігаційних систем, як GPS, що і забезпечує їх приголомшливу синхронізацію для вирішення завдання точного обчисленнякоординат приймачів GPS, які використовуються у наших гаджетах.

Компактний варіант атомного годинника на основі цезієвого фонтану, званий "Aerospace Cold Atom Clock", використовується в супутниках системи GPS

Обчислення еталонного часу виконується "ансамблем" з десяти NIST-F2, розташованих у різних дослідних центрах, що співпрацюють з NBS. Точне значення атомної секунди виходить колегіально, тим самим усуваються різні похибки і вплив людського фактора.

Однак не виключено, що одного разу цезієвий стандарт частоти сприйматиметься нашими нащадками як дуже грубий механізм вимірювання часу, подібно до того, як нині ми поблажливо дивимося на рухи маятника в механічному підлоговому годиннику наших предків.

Науковий світ облетіла сенсація – з нашого Всесвіту… випаровується час! Поки що це лише гіпотеза іспанських астрофізиків. Але те, що протягом Землі і в космосі відрізняється, вченими вже доведено. Час під впливом гравітації протікає повільніше, прискорюючись при віддаленні планети. Завдання синхронізувати земний і космічний час виконують водневі стандарти частоти, які ще називають «атомним годинником».

Перше атомний часз'явилося разом із виникненням космонавтики, атомний годинник з'явився в середині 20-х років. Зараз атомний годинник став повсякденною річчюними щодня користується кожен з нас: з їх допомогою працює цифровий зв'язок, ГЛОНАС, навігація, транспорт.

Власники мобільних телефонівнавряд чи замислюються про те, яка складна робота в космосі проводиться для жорсткої синхронізації за часом, адже йдеться лише про мільйонні частки секунди.

Еталон точного часу зберігається в Підмосков'ї, Науковий інститутфізико-технічних та радіо-технічних вимірювань. Усього таких годинників у світі – 450.

Монополістами на атомний годинник є Росія і США, але в США годинник працює на основі цезію. радіоактивного металу, дуже шкідливого для екології, а в Росії – на основі водню – безпечнішого довговічного матеріалу.

Цей годинник не має циферблату і стрілок: вони схожі на велику бочку з рідкісних і цінних металів, наповнену найпередовішими технологіями – високоточними вимірювальними приладами та апаратурою з атомними стандартами. Процес їх створення дуже довгий, складний і відбувається за умов абсолютної стерильності.

Вже 4 роки годинник, встановлений на російському супутнику, вивчає темну енергію. За людськими стандартами вони втрачають точність на 1 секунду за багато мільйонів років.

Незабаром атомний годинник встановить на Спектр-М – космічну обсерваторію, яка побачить як формуються зірки та екзопланети, зазирне за краєчок чорної діркиу центрі нашої Галактики. На думку вчених, через жахливу гравітацію час протікає тут настільки повільно, що майже зупиняється.

tvroscosmos

Часто ми чуємо фразу, що атомний годинник завжди показує точний час. Але з їхньої назви складно зрозуміти, чому атомний годинник найточніший або як він влаштований.

Те, що в назві є слово «атомні» зовсім не означає, що годинник є небезпекою для життя, навіть якщо в голову відразу ж приходять думки про атомної бомбиабо атомної електростанції. У даному випадкуми лише говоримо про принцип роботи годинника. Якщо у звичайних механічний годинникколивальні рухи здійснюють шестерні і ведеться підрахунок їх рухів, то в атомному годиннику ведеться підрахунок коливань електронів усередині атомів. Щоб краще зрозуміти принцип роботи, згадаймо фізику елементарних частинок.

Усі речовини у світі складаються з атомів. Атоми складаються з протонів, нейтронів і електронів. Протони і нейтрони поєднуються один з одним у ядро, яке також називають нуклоном. Навколо ядра рухаються електрони, які можуть бути на різних енергетичних рівнях. Найцікавіше, що при поглинанні чи віддачі енергії, електрон може переходити зі свого енергетичного рівня більш високий чи низький. Електрон може отримувати енергію з електромагнітного випромінювання, при кожному переході поглинаючи або випромінюючи електромагнітне випромінювання певної частоти.

Найчастіше зустрічається годинник, в якому для зміни використовують атоми елемента Цезій -133. Якщо за 1 секунду маятник звичайних годинздійснює 1 коливальний рух, то електрони в атомному годинникуна основі Цезію-133 при переході з одного енергетичного рівня на інший випромінюють електромагнітне випромінювання з частотою 9192631770 Гц. Виходить, саме на таку кількість проміжків ділиться одна секунда, якщо її розраховувати в атомному годиннику. Ця величина була офіційно прийнята міжнародним співтовариством у 1967 році. Уявіть величезний циферблат, де знаходиться не 60, а 91 926 317 70 поділів, які становлять всього 1 секунду. Не дивно, що атомний годинник такий точний і має цілу низку переваг: атоми не схильні до старіння, не зношуються, а частота коливання буде завжди однаковою для одного хімічного елемента, завдяки чому можна синхронно порівнювати, наприклад, показання атомного годинника далеко в космосі і на Землі, не боячись похибок.

Завдяки атомним годинникам людство практично змогло перевірити правильність теорії відносності і переконатися, що , ніж Землі. Атомний годинник встановлений на багатьох супутниках і космічних апаратах, він використовується для телекомунікаційних потреб, для мобільного зв'язку, по ньому порівнюють точний час на всій планеті. Без перебільшення, саме завдяки винаходу атомного годинника людство змогло увійти в епоху високих технологій.

Як працює атомний годинник?

Цезій-133 нагрівають, випаровуючи атоми цезію, що проходить через магнітне поле, де відбираються атоми з потрібним енергетичним станом.

Потім відібрані атоми проходять через магнітне поле з частотою близькою до 9192631770 Гц, яке створює кварцовий генератор. Під впливом поля атоми цезію знову змінюють енергетичні стани і потрапляють на детектор, який фіксує, коли найбільша кількістьатомів, що потрапляють, матиме «правильний» енергетичний стан. Максимальна кількістьатомів зі зміненим енергетичним станом свідчить, що частота мікрохвильового поля підібрано правильно, і потім її значення подається в електронний пристрій – дільник частоти, який, зменшуючи частоту в ціле число разів, отримує число 1, яке є еталонною секундою.

Таким чином, атоми цезію використовуються для перевірки правильності частоти. магнітного поля, що створюється кварцовим генератором, допомагаючи підтримувати її в постійному значенні.

Це цікаво: хоча існуючі на сьогоднішній момент атомний годинник безпрецедентно точно і можуть мільйони років йти без похибок, фізики не збираються зупинятися на досягнутому. Використовуючи атоми різних хімічних елементів, вони постійно працюють над підвищенням точності атомного годинника. З останніх винаходів - атомний годинник на стронції, які в три рази точніше за їх цезієвий аналог. Щоб відстати всього на секунду їм знадобиться 15 млрд. років – час, що перевищує вік нашого Всесвіту.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Атомний годинник є найбільш точними приладами для вимірювання часу, які існують сьогодні, і набувають все більше значенняз розвитком та ускладненням сучасних технологій.

Принцип роботи

Атомний годинник точний час відраховує не завдяки радіоактивного розпаду, як може здатися за їх назвою, а використовуючи коливання ядер і навколишніх електронів. Їх частоту визначає маса ядра, гравітація та електростатичний «балансир» між позитивно зарядженим ядром та електронами. Це не зовсім відповідає звичайному годинниковому механізму. Атомний годинник є більш надійними зберігачами часу, тому що їх коливання не змінюються в залежності від таких факторів. довкілляяк вологість, температура або тиск.

Еволюція атомного годинника

За багато років вчені зрозуміли, що атоми мають резонансні частоти, пов'язані зі здатністю кожного поглинати і випускати електромагнітне випромінювання. У 1930-х та 1940-х роках було розроблено обладнання для високочастотного зв'язку та РЛС, яке могло взаємодіяти з частотами резонансу атомів та молекул. Це сприяло виникненню ідеї годинника.

Перші екземпляри були побудовані у 1949 році Національним інститутомстандартів та технологій (NIST). Як джерело вібрації у яких використовувався аміак. Однак вони виявилися не набагато точнішими за існуючий стандарт часу, і в наступному поколінні був застосований цезій.

Новий стандарт

Зміна точності вимірювання часу виявилася настільки великою, що в 1967 році Генеральна конференція з мір і ваг визначила секунду SI як 9192631770 коливань атома цезію на його резонансній частоті. Це означало, що час більше не був пов'язаний із рухом Землі. Найбільш стабільний атомний годинник у світі був створений у 1968 році і використовувався як частина системи відліку часу NIST аж до 1990-х років.

Вагон удосконалень

Одним із останніх досягненьу цій галузі є лазерне охолодження. Це покращило ставлення сигнал - шум і скоротило невизначеність у тактовому сигналі. Для розміщення цієї системи охолодження та іншого обладнання, що використовується для поліпшення цезієвого годинника, потрібно місце розміром із залізничний вагон, хоча комерційні варіанти можуть поміститися в валізі. Одна з таких лабораторних установок відраховує час у Боулдері, штат Колорадо, і є найбільшими. точним годинникомна землі. Вони помиляються лише на 2 наносекунди на день або на 1 с в 1,4 млн років.

Складна технологія

Така величезна точність є результатом складного технологічного процесу. Перш за все рідкий цезій поміщають у піч і нагрівають доти, доки він не перетвориться на газ. Атоми металу на високій швидкості виходять через невеликий отвір у печі. Електромагніти змушують їх розділитись на окремі пучки з різними енергіями. Необхідний промінь проходить через U-подібний отвір, і атоми піддаються опроміненню енергією мікрохвильового випромінювання частотою 9192631770 Гц. Завдяки цьому вони порушуються та переходять в інший енергетичний стан. Потім магнітне поле відфільтровує інші енергетичні стани атомів.

Детектор реагує на цезій і показує максимум при правильному значеннічастоти. Це необхідно для налаштування кварцового генератора, що керує механізмом тактування. Розподіл його частоти на 9192631770 і дає один імпульс в секунду.

Не лише цезій

Хоча найбільш поширені атомні годинники використовують властивості цезію, є й інші їх типи. Вони відрізняються застосовуваним елементом та засобами визначення зміни енергетичного рівня. Іншими матеріалами є водень та рубідій. Атомний годинник на водні функціонує подібно до цезієвих, але вимагає ємності зі стінками з особливого матеріалу, що перешкоджає занадто швидкій втраті атомами енергії. Рубідієвий годинник найбільш простий і компактний. Вони скляний осередок, заповнена газоподібним рубідієм, змінює поглинання світла при вплив надвисокої частоти.

Кому потрібен точний час?

Сьогодні час можна відраховувати з особливою точністю, але чому це важливо? Це необхідно у таких системах, як мобільні телефони, інтернет, GPS, авіаційні програми та цифрове телебачення. На перший погляд, це не очевидно.

Приклад того, як використовується точний час – синхронізація пакетів. Через середню лініюзв'язки відбуваються тисячі телефонних дзвінків. Це можливе лише тому, що розмова не передається повністю. Телекомунікаційна компанія поділяє його на дрібні пакети і навіть пропускає частину інформації. Потім вони проходять через лінію разом із пакетами інших розмов і на іншому кінці відновлюються, не змішуючись. Система тактування телефонної станції може визначати, які пакети належать цій розмові, за точним часом відправлення інформації.

GPS

Інший реалізацією точного часу є система глобального позиціонування. Вона складається з 24 супутників, які передають свої координати та час. Будь-який GPS-приймач може з'єднатися з ними і порівняти час трансляції. Різниця дозволяє користувачеві визначити своє місцезнаходження. Якби цей годинник був не дуже точним, то система GPS була б непрактичною і ненадійною.

Межа досконалості

З розвитком технологій та атомного годинника стали помітні неточності Всесвіту. Земля рухається нерівномірно, що призводить до випадкових коливань тривалості років і днів. У минулому ці зміни залишилися б непоміченими, оскільки інструменти для вимірювання часу були неточними. Проте, на превелике розчарування дослідників і вчених, час атомного годинника доводиться коригувати для компенсації аномалій. реального світу. Вони є дивовижними інструментами, що сприяють просуванню сучасних технологій, але їхня досконалість обмежена межами, встановленими самою природою.

По-перше, годинник використовує людство як засоби програмно-часового управління.

По-друге, у наші дні вимір часу є і найточнішим видом вимірів із усіх проведених: точність виміру часу визначається зараз неймовірно похибкою порядку 1 · 10-11%, або 1 с за 300 тис. років.

А досягли такої точності сучасні люди, коли почали використовувати атоми, які в результаті своїх коливань є регулятором перебігу атомного годинника. Атоми цезію знаходяться у двох, необхідних нам, енергетичних станах(+) та (-). Електромагнітне випромінюванняз частотою 9192631770 герц утворюється, коли атоми переходять зі стану (+) в (-), створюючи точний постійний періодичний процес - регулятор коду атомного годинника.

Для того, щоб атомний годинник працював точно цезій, необхідно випарувати в печі, в результаті цього процесу викидаються його атоми. Позаду печі знаходиться сортуючий магніт, який має пропускну здатність атомів у стані (+), а в ньому за рахунок опромінення в мікрохвильовому полі атоми переходять у стан (-). Другий магніт направляє атоми, що змінили стан (+) на (-) приймальний пристрій. Багато атомів, що змінили свій стан, виходить лише в тому випадку, якщо частота мікрохвильового випромінювача точно збігається з частотою коливань цезію 9192631770 герц. Інакше, кількість атомів (-) у приймальному пристрої зменшується.

Прилади постійно відстежують і регулюють сталість частоти 9192631770 герц. Отже, здійснилася мрія годинникових конструкторів, знайдено абсолютно постійний періодичний процес: частота 9 192 631 770 герц, що регулює перебіг атомного годинника.

Сьогодні, в результаті міжнародної угоди, секунда визначається як період випромінювання помножений на 9192631770, відповідний переходу між двома гіпертонкими структурними рівнямиосновного стану атома цезію (ізотопу цезію-133)

Для вимірювання точного часу можна використовувати також коливання інших атомів і молекул, таких як атоми кальцію, рубідія, цезію, стронцію, молекул водню, йоду, метану і т. д. Однак, стандартом частоти визнано випромінювання атома цезію. Для того щоб здійснити порівняння коливань різних атомів зі стандартом (цезію) створено титан-сапфіровий лазер, що генерує широкий діапазон частот від 400 до 1000 нм.

Першим творцем кварцового та атомного годинника був англійський фізик-експериментатор. Ессен Льюїс (1908-1997). У 1955 р. він створив перший атомний стандарт частоти (часу) на пучку атомів цезію. Як наслідок цієї роботи через 3 роки (1958) виникла служба часу, заснована на атомному стандарті частоти.

У СРСР свої ідеї щодо створення атомного годинника висував академік Микола Геннадійович Басов.

Отже, атомний годинник,один з точних типівгодинника - пристрій для вимірювання часу, де в якості маятника використовуються власні коливання атомів або молекул. Стабільність атомного годинника є найкращою серед усіх існуючих типівгодинника, що є заставою найвищої точності. Генератор атомного годинника видає в секунду більш ніж 32 768 імпульсу на відміну від звичайного годинника. Коливання атомів не залежать від температури повітря, вібрацій, вологості та багатьох інших зовнішніх факторів.

У сучасному світі, Коли без навігації просто не обійтися, атомний годинник став незамінним помічником. Вони здатні визначити місцезнаходження космічного корабля, супутника, балістичної ракети, літак, підводний човен, автомобіль автоматично по супутниковому зв'язку.

Таким чином, останні 50 років атомний годинник, а точніше цезієвий, вважається найточнішим. Вони вже давно використовуються службами точного часу, а також сигнали тимчасові транслюються деякими радіостанціями.

Пристрій атомного годинника включає 3 частини:

квантовий дискримінатор,

кварцовий осцилятор,

Комплекс електроніки.

Кварцовий осцилятор генерує частоту (5 МГц або 10 МГц). Осцилятор являє собою RC-радіогенератор, у якого як резонансний елемент використовуються п'єзоелектричні моди кварцового кристала, де і відбувається порівняння атомів, що змінили стан (+) на (-) Для підвищення стабільності його частота постійно порівнюється з коливаннями квантового дискримінатора (атомів або молекул) . При появі різниці в коливаннях електроніка підлаштовує частоту кварцового осцилятора до нульового рівня, тим самим підвищуючи стабільність і точність годинника до потрібного рівня.

У сучасному світі атомний годинник може бути виготовлений у будь-якій країні світу для використання їх у повсякденному житті. Вони дуже невеликі за своїми розмірами та красиві. Розмір останньої новинки атомного годинника не більше сірникової коробкита їх низьке енергоспоживання – менше 1 Ватт. І це не межа, можливо, у майбутньому технічний прогресдосягне мобільних телефонів. А поки що компактний атомний годинник встановлює лише настратегічні ракети для підвищення точності навігації в багато разів.

Сьогодні чоловічий і жіночий атомний годинник на будь-який смак і гаманець можна купити в Інтернет магазинах.

У 2011 році найменший у світі атомний годинник створили фахівці компанії Symmetricom та Національної лабораторії Сандія. Цей годинник, у 100 разів компактніший, ніж попередні комерційно доступні версії. За величиною атомний хронометр - не більше сірникової коробки. Для роботи йому достатньо потужності 100 мВт — це у 100 разів менше, ніж попередники.

Зменшити розмір годинника вдалося, встановивши замість пружин і шестерень механізм, що діє за принципом визначення частоти. електромагнітних хвиль, випромінюваних атомами цезію під дією лазерного променя нікчемної потужності

Такий годинник застосовується в навігації, а також у роботі шахтарів, водолазів, там, де необхідно точно синхронізувати час із колегами на поверхні, а також службами точного часу, адже помилка атомного годинника становить менше 0,000001 частки секунди на добу. Вартість рекордно малих атомних годинників Symmetricom склала близько 1500 доларів.