Nə üçün atom saatları ən dəqiqdir? Atom saatı: Peyk və naviqasiya sistemlərinin vaxtını ölçmək üçün cihaz.

Hər 300 milyon ildə bir saniyə səhv edən yüksək dəqiqlikli atom saatları. Hər yüz milyon ildə bir saniyə xətası olan köhnə modeli əvəz edən bu saat indi Amerika vətəndaş vaxtı üçün standartı müəyyən edir. Lenta.ru atom saatlarının yaranma tarixini xatırlatmaq qərarına gəlib.

İlk atom

Saat yaratmaq üçün hər hansı birini istifadə etmək kifayətdir toplu prosesi. Vaxt ölçmə vasitələrinin yaranma tarixi qismən ya yeni enerji mənbələrinin, ya da saatlarda istifadə edilən yeni salınım sistemlərinin yaranma tarixidir. Ən sadə saat yəqin ki, günəş saatıdır: onun işləməsi üçün yalnız Günəş və kölgə salan obyekt lazımdır. Vaxtın təyin edilməsinin bu üsulunun çatışmazlıqları göz qabağındadır. Su və qum saatları da daha yaxşı deyil: onlar yalnız nisbətən qısa müddətləri ölçmək üçün uyğundur.

Ən qədim mexaniki saat 1901-ci ildə Egey dənizində batmış gəmidə Antikitera adası yaxınlığında tapılıb. Onlar 33 ilə 18 ilə 10 santimetr ölçülü taxta qutuda təxminən 30 bürünc dişlidən ibarətdir və təxminən eramızdan əvvəl yüzüncü ilə aiddir.

Demək olar ki, iki min il ərzində mexaniki saatlar ən dəqiq və etibarlı idi. Kristian Hüygensin 1657-ci ildə klassik əsəri olan “Saat sarkaçlı saat” (“Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica”) əsərinin salınan sistem kimi sarkaçlı vaxta nəzarət cihazını təsvir etməsi, yəqin ki, apogey idi. belə tipli mexaniki alətlərin inkişaf tarixi.

Bununla belə, astronomlar və dənizçilər hələ də yerlərini və dəqiq vaxtını müəyyən etmək üçün ulduzlu səmadan və xəritələrdən istifadə edirdilər. İlk elektrik saatı 1814-cü ildə Frensis Ronalds tərəfindən icad edilmişdir. Bununla belə, ilk belə cihaz temperaturun dəyişməsinə həssas olduğu üçün qeyri-dəqiq idi.

Saatların sonrakı tarixi cihazlarda müxtəlif salınan sistemlərin istifadəsi ilə bağlıdır. 1927-ci ildə Bell Laboratories tərəfindən təqdim edilən kvars saatları kvars kristalının pyezoelektrik xüsusiyyətlərindən istifadə edirdi: elektrik cərəyanı kristal kiçilməyə başlayır. Müasir kvars xronometrləri ayda 0,3 saniyə ərzində dəqiq ola bilər. Bununla belə, kvars qocalmağa həssas olduğundan, saatlar zamanla daha az dəqiq olur.

Atom fizikasının inkişafı ilə alimlər maddə hissəciklərindən salınım sistemləri kimi istifadə etməyi təklif etdilər. İlk atom saatları belə ortaya çıxdı. Hidrogenin atom titrəyişlərindən vaxtı ölçmək üçün istifadə etmək ideyası hələ 1879-cu ildə ingilis fiziki Lord Kelvin tərəfindən irəli sürülmüşdü, lakin bu, yalnız 20-ci əsrin ortalarında mümkün olmuşdur.

Hubert von Herkomerin rəsminin reproduksiyası (1907)

1930-cu illərdə amerikalı fizik və nüvə maqnit rezonansı üzrə pioner İsidor Rabi sezium-133 atom saatı üzərində işləməyə başladı, lakin müharibənin başlaması ona buna mane oldu. Müharibədən sonra, 1949-cu ildə Harold Lyonsonun iştirakı ilə ABŞ Milli Standartlar Komitəsində ammonyak molekullarından istifadə edən ilk molekulyar saat yaradıldı. Lakin ilk belə ölçmə vasitələri müasir atom saatları qədər dəqiq deyildi.

Nisbətən aşağı dəqiqlik onunla əlaqədar idi ki, ammonyak molekullarının bir-biri ilə və bu maddənin yerləşdiyi qabın divarları ilə qarşılıqlı təsiri nəticəsində molekulların enerjisi dəyişdi və onların spektral xətləri genişləndi. Bu təsir mexaniki saatda sürtünməyə çox bənzəyir.

Daha sonra, 1955-ci ildə Böyük Britaniya Milli Fizika Laboratoriyasından Lui Essen ilk sezium-133 atom saatını təqdim etdi. Bu saat milyon il ərzində bir saniyəlik xəta topladı. Cihaz NBS-1 adını aldı və sezium tezlik standartı hesab edilməyə başladı.

Atom saatının sxematik diaqramı dövrəyə uyğun olaraq diskriminator tərəfindən idarə olunan kvars osilatorundan ibarətdir. rəy. Osilator kvarsın pyezoelektrik xüsusiyyətlərindən istifadə edir, diskriminator isə atomların enerjili vibrasiyalarından istifadə edir ki, kvarsın vibrasiyaları atomlar və ya molekullardakı müxtəlif enerji səviyyələrindən keçidlərdən gələn siqnallarla izlənilir. Generator və diskriminator arasında atom vibrasiyalarının tezliyinə uyğunlaşdırılmış və onu kristalın vibrasiya tezliyi ilə müqayisə edən bir kompensator var.

Saatda istifadə olunan atomlar sabit vibrasiya təmin etməlidir. Elektromaqnit şüalanmasının hər tezliyi üçün atomlar var: kalsium, stronsium, rubidium, sezium, hidrogen. Və ya hətta ammonyak və yod molekulları.

Vaxt standartı

Atom vaxtı ölçən vasitələrin meydana çıxması ilə onlardan ikincini təyin etmək üçün universal etalon kimi istifadə etmək mümkün oldu. 1884-cü ildən dünya standartı hesab edilən Qrinviç vaxtı öz yerini atom saatlarının standartına verdi. 1967-ci ildə 12-ci Baş Çəkilər və Ölçülər Konfransının qərarı ilə bir saniyə sezium-133 atomunun əsas vəziyyətinin iki yüksək incə səviyyəsi arasında keçidə uyğun gələn 9192631770 radiasiya dövrünün müddəti kimi müəyyən edilmişdir. İkincinin bu tərifi astronomik parametrlərdən asılı deyil və planetin istənilən yerində təkrarlana bilər. Atom saatı standartında istifadə edilən Sezium-133, Yer kürəsində 100% bolluğa malik seziumun yeganə sabit izotopudur.

Atom saatı peyk naviqasiya sistemlərində də istifadə olunur; onlar dəqiq vaxtı və peyk koordinatlarını müəyyən etmək üçün lazımdır. Beləliklə, hər bir GPS peykində dörd belə saat dəsti var: iki rubidium və iki sezium, siqnalın ötürülməsinin 50 nanosaniyə dəqiqliyini təmin edir. QLONASS sisteminin Rusiya peykləri, həmçinin sezium və rubidium atom vaxtını ölçən cihazlarla, yerləşdirən Avropa Galileo geopozisiya sisteminin peykləri isə hidrogen və rubidium olanlarla təchiz edilmişdir.

Hidrogen saatlarının dəqiqliyi ən yüksəkdir. 12 saatda 0,45 nanosaniyədir. Göründüyü kimi, Galileonun belə dəqiq saatlardan istifadə etməsi bu naviqasiya sistemini artıq 2015-ci ildə, orbitdə onun 18 peykinin olacağı zaman lider edəcək.

Kompakt atom saatı

Hewlett-Packard kompakt atom saatı hazırlayan ilk şirkət oldu. 1964-cü ildə o, böyük bir çamadan ölçüsündə HP 5060A sezium cihazını yaratdı. Şirkət bu istiqaməti inkişaf etdirməyə davam etdi, lakin 2005-ci ildə atom saatlarını inkişaf etdirən bölməsini Symmetricom-a satdı.

2011-ci ildə Draper Laboratory və Sandia National Laboratories mütəxəssisləri işləyib hazırladılar və Symmetricom ilk miniatür atom saatı olan Quantum-u buraxdı. Buraxılış zamanı təxminən 15 min dollara başa gəldilər, 40 ilə 35 ilə 11 millimetr ölçülü və 35 qram ağırlığında möhürlənmiş qutuya əlavə edildi. Saatın enerji istehlakı 120 millivatdan az idi. Onlar əvvəlcə Pentaqonun sifarişi ilə hazırlanmış və GPS sistemlərindən asılı olmayaraq, məsələn, suyun və ya yerin dərinliklərində işləyən naviqasiya sistemlərinə xidmət etmək üçün nəzərdə tutulmuşdu.

Artıq 2013-cü ilin sonunda Amerika şirkəti Bathys Hawaii ilk "bilək" atom saatını təqdim etdi. Onlar əsas komponent kimi Symmetricom tərəfindən istehsal olunan SA.45s çipindən istifadə edirlər. Çipin içərisində sezium-133 olan bir kapsul var. Saatın dizaynına həmçinin fotosellər və aşağı güclü lazer daxildir. Sonuncu sezium qazının istiləşməsini təmin edir, bunun nəticəsində onun atomları bir enerji səviyyəsindən digərinə keçməyə başlayır. Zamanın ölçülməsi belə bir keçidin qeydə alınması ilə dəqiq həyata keçirilir. Yeni cihazın qiyməti təxminən 12 min dollardır.

Miniatürləşdirmə, muxtariyyət və dəqiqlik meylləri ona gətirib çıxaracaq ki, yaxın gələcəkdə bütün sahələrdə atom saatlarından istifadə edən yeni qurğular peyda olacaq. insan həyatı, ilə başlayır kosmik tədqiqat orbital peyklərdə və stansiyalarda otaq və bilək sistemlərində məişət tətbiqləri üçün.

Hansı “saat istehsalçıları” bu son dərəcə dəqiq mexanizmi icad edib təkmilləşdiriblər? Onu əvəz edən varmı? Gəlin bunu anlamağa çalışaq.

2012-ci ildə atom timekeeping qırx beşinci ildönümünü qeyd edəcək. 1967-ci ildə Beynəlxalq Vahidlər Sistemində zaman kateqoriyası astronomik şkala ilə deyil, sezium tezlik standartı ilə müəyyən edilməyə başlandı. Bunu adi insanlar atom saatı adlandırırlar.

Atom osilatorlarının iş prinsipi nədir? Bu “cihazlar” rezonans tezliyi mənbəyi kimi atomların və ya molekulların kvant enerji səviyyələrindən istifadə edir. Kvant mexanikası bir neçə diskret enerji səviyyəsini “atom nüvəsi - elektronlar” sistemi ilə əlaqələndirir. Müəyyən bir tezlikdə bir elektromaqnit sahəsi bu sistemin keçidinə səbəb ola bilər aşağı səviyyə daha yüksək birinə. Bunun əksi də mümkündür: atom enerji yaymaqla yüksək enerji səviyyəsindən aşağı səviyyəyə keçə bilər. Hər iki fenomen idarə oluna bilər və bu enerji səviyyələri arasında atlamalar qeydə alına bilər və bununla da salınım dövrəsinə bənzəyir. Bu dövrənin rezonans tezliyi Plank sabitinə bölünən iki keçid səviyyəsi arasındakı enerji fərqinə bərabər olacaqdır.

Yaranan atom osilatoru astronomik və mexaniki sələfləri ilə müqayisədə şübhəsiz üstünlüklərə malikdir. Osilator üçün seçilmiş maddənin bütün atomlarının rezonans tezliyi sarkaçlardan və pyezokristallardan fərqli olaraq eyni olacaq. Bundan əlavə, atomlar zamanla köhnəlmir və xüsusiyyətlərini dəyişdirmir. Faktiki olaraq əbədi və son dərəcə dəqiq xronometr üçün idealdır.

İlk dəfə olaraq atomlarda səviyyələrarası enerji keçidlərindən tezlik standartı kimi istifadə etmək imkanı hələ 1879-cu ildə Lord Kelvin kimi tanınan İngilis fiziki Uilyam Tomson tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir. O, rezonator atomlarının mənbəyi kimi hidrogendən istifadə etməyi təklif etdi. Bununla belə, onun tədqiqatları daha çox nəzəri xarakter daşıyırdı. O dövrdə elm hələ atom xronometrini hazırlamağa hazır deyildi.

Lord Kelvinin ideyasının həyata keçməsi üçün təxminən yüz il lazım oldu. Uzun müddət idi, amma iş asan deyildi. Atomları ideal sarkaçlara çevirmək praktikada nəzəriyyədən daha çətin olduğu ortaya çıxdı. Çətinlik sözdə rezonans genişliyi ilə döyüşdə idi - atomlar səviyyədən səviyyəyə keçdikcə enerjinin udulma və emissiya tezliyində kiçik bir dalğalanma. Rezonans tezliyinin rezonans genişliyinə nisbəti atom osilatorunun keyfiyyətini müəyyənləşdirir. Aydındır ki, rezonans eninin dəyəri nə qədər böyük olarsa, atom sarkacının keyfiyyəti bir o qədər aşağı olar. Təəssüf ki, keyfiyyəti yaxşılaşdırmaq üçün rezonans tezliyini artırmaq mümkün deyil. Hər bir xüsusi maddənin atomları üçün sabitdir. Lakin rezonans genişliyi atomların müşahidə müddətini artırmaqla azaldıla bilər.

Texniki cəhətdən buna aşağıdakı şəkildə nail olmaq olar: xarici, məsələn, kvars, osilator vaxtaşırı olaraq donor maddənin atomlarının enerji səviyyələri arasında sıçramasına səbəb olan elektromaqnit şüalanması yaratsın. Bu halda, atom xronoqraf tənzimləyicisinin vəzifəsi bu kvars osilatorunun tezliyini atomların səviyyələrarası keçidinin rezonans tezliyinə mümkün qədər yaxınlaşdırmaqdır. Bu, atom titrəyişlərinin kifayət qədər uzun müddət ərzində müşahidə edilməsi və kvarsın tezliyini tənzimləyən əks əlaqənin yaradılması halında mümkün olur.

Düzdür, atom xronoqrafında rezonans genişliyinin azaldılması probleminə əlavə olaraq bir çox başqa problemlər də var. Bu, Doppler effektidir - atomların hərəkəti və atomların qarşılıqlı toqquşması nəticəsində rezonans tezliyinin dəyişməsi, planlaşdırılmamış enerji keçidlərinə və hətta qaranlıq maddənin yayılan enerjisinin təsirinə səbəb olur.

İlk dəfə cəhd edin praktik həyata keçirilməsi atom saatı keçən əsrin otuzuncu illərində gələcəyin rəhbərliyi altında Kolumbiya Universitetinin alimləri tərəfindən ərsəyə gətirilmişdir. Nobel mükafatçısı IŞİD Rabi Dr. Rabi, sarkaç atomlarının mənbəyi kimi sezium 133 Cs izotopundan istifadə etməyi təklif etdi. Təəssüf ki, NBS-i çox maraqlandıran Rabinin işi İkinci Dünya Müharibəsi ilə yarımçıq qaldı.

Tamamlandıqdan sonra atom xronoqrafının tətbiqində liderlik NBS əməkdaşı Harold Lyons-a keçdi. Onun atom osilatoru ammonyak üzərində işləyirdi və kvars rezonatorlarının ən yaxşı nümunələri ilə müqayisə edilə bilən bir səhv verdi. 1949-cu ildə ammonyak atom saatı geniş ictimaiyyətə nümayiş etdirildi. Kifayət qədər orta dəqiqliyə baxmayaraq, onlar atom xronoqraflarının gələcək nəsillərinin əsas prinsiplərini həyata keçirdilər.

Louis Essen tərəfindən əldə edilən sezium atom saatının prototipi yalnız 340 Hertz rezonans genişliyinə malik olmaqla 1 * 10 -9 dəqiqliyi təmin etdi.

Bir az sonra Harvard Universitetinin professoru Norman Ramsey Doppler effektinin ölçmələrin dəqiqliyinə təsirini azaltmaqla Isidor Rabinin fikirlərini təkmilləşdirdi. O, bir uzun yüksək tezlikli impuls həyəcan verici atomların əvəzinə, bir-birindən müəyyən məsafədə dalğa ötürücüsünün qollarına göndərilən iki qısa atomdan istifadə etməyi təklif etdi. Bu, rezonans genişliyini kəskin şəkildə azaltmağa imkan verdi və faktiki olaraq kvars əcdadlarından daha yüksək dəqiqlik sırası olan atom osilatorlarını yaratmağa imkan verdi.

Ötən əsrin 50-ci illərində Norman Ramsinin təklif etdiyi sxem əsasında Milli Fizika Laboratoriyasında (Böyük Britaniya) onun əməkdaşı Lui Essen əvvəllər Rabinin təklif etdiyi sezium 133 Cs izotopuna əsaslanan atom osilatoru üzərində işləyirdi. Sezium təsadüfən seçilməyib.

Sezium-133 izotopunun atomlarının hiper incə keçid səviyyələrinin sxemi

Qələvi metallar qrupuna aid olan sezium atomları enerji səviyyələri arasında sıçrayış etmək üçün çox asanlıqla həyəcanlanırlar. Məsələn, bir işıq şüası seziumun atom quruluşundan elektron axını asanlıqla çıxara bilər. Məhz bu xüsusiyyətinə görə seziumdan fotodetektorlarda geniş istifadə olunur.

Ramsey dalğa qurğusuna əsaslanan klassik sezium osilatorunun dizaynı

İlk rəsmi sezium tezlik standartı NBS-1

NBS-1-in nəsli - NIST-7 osilatoru sezium atomlarının şüasının lazerlə vurulmasından istifadə etdi.

Essen prototipinin əsl standarta çevrilməsi üçün daha çox vaxt lazım idi dörd il. Axı, atom saatlarının dəqiq tənzimlənməsi yalnız mövcud efemer zaman vahidləri ilə müqayisədə mümkün idi. Dörd il ərzində ABŞ Hərbi Dəniz Qüvvələri Rəsədxanasından William Markowitz tərəfindən ixtira edilmiş dəqiq Ay kamerasından istifadə edərək Ayın Yer ətrafında fırlanmasını müşahidə edərək atom osilatoru kalibrləndi.

Atom saatlarının Ay efemerinə "tənzimlənməsi" 1955-ci ildən 1958-ci ilə qədər həyata keçirilmişdir, bundan sonra cihaz NBS tərəfindən tezlik standartı kimi rəsmi olaraq tanınıb. Üstəlik, sezium atom saatlarının görünməmiş dəqiqliyi NBS-ni SI standartında vaxt vahidini dəyişməyə sövq etdi. 1958-ci ildən ikincisi rəsmi olaraq "sezium-133 izotopunun bir atomunun standart vəziyyətinin iki hiper incə səviyyəsi arasında keçidə uyğun gələn 9.192.631.770 radiasiya dövrünün müddəti" kimi qəbul edilmişdir.

Louis Essenin cihazı NBS-1 adlandırıldı və ilk sezium tezlik standartı hesab edildi.

Sonrakı otuz il ərzində NBS-1-in altı modifikasiyası hazırlanmışdır, onlardan sonuncusu 1993-cü ildə maqnitləri lazer tələləri ilə əvəz etməklə yaradılmış NIST-7 yalnız altmış rezonans genişliyi ilə 5 * 10 -15 dəqiqliyi təmin edir. - iki Hertz.

NBS tərəfindən istifadə edilən sezium tezlik standartlarının xüsusiyyətlərinin müqayisə cədvəli

NBS cihazları stasionar stendlərdir ki, bu da onları praktiki olaraq istifadə olunan osilatorlardan daha çox standartlar kimi təsnif etməyə imkan verir. Lakin sırf praktik məqsədlər üçün Hewlett-Packard sezium tezlik standartının xeyrinə işləyirdi. 1964-cü ildə gələcək kompüter nəhəngi sezium tezlik standartının kompakt versiyasını - HP 5060A cihazını yaratdı.

NBS standartlarından istifadə etməklə kalibrlənmiş HP 5060 tezlik standartları tipik radio avadanlığı rafına uyğun gəlir və kommersiya uğuru qazanır. Məhz Hewlett-Packard tərəfindən müəyyən edilmiş sezium tezliyi standartı sayəsində atom saatlarının görünməmiş dəqiqliyi geniş yayıldı.

Hewlett-Packard 5060A.

Nəticədə, peyk televiziyası və rabitə, qlobal naviqasiya sistemləri və informasiya şəbəkəsinin vaxt sinxronizasiyası xidmətləri mümkün oldu. Sənayeləşdirilmiş atom xronoqraf texnologiyası üçün çoxlu tətbiqlər olmuşdur. Eyni zamanda, Hewlett-Packard bununla da dayanmadı və sezium standartlarının keyfiyyətini, onların çəkisini və ölçülərini daim təkmilləşdirir.

Hewlett-Packard atom saatları ailəsi

2005-ci ildə Hewlett-Packard-ın atom saatı bölməsi Simmetricom-a satıldı.

Təbiətdə ehtiyatları çox məhdud olan, müxtəlif texnoloji sahələrdə ona tələbat son dərəcə yüksək olan seziumla yanaşı, donor maddə kimi xassələri seziuma çox yaxın olan rubidiumdan da istifadə olunurdu.

Deyəsən, mövcud sxem atom saatları mükəmməlliyə gətirildi. Bu arada, onun zəhlətökən bir çatışmazlığı var idi, onun aradan qaldırılması sezium fəvvarələri adlanan ikinci nəsil sezium tezlik standartlarında mümkün oldu.

Zaman fəvvarələri və optik bəkməz

Sezium atomlarının vəziyyətinin lazerlə aşkarlanmasından istifadə edən NIST-7 atom xronometrinin ən yüksək dəqiqliyinə baxmayaraq, onun dizaynı sezium tezlik standartlarının ilk versiyalarının dizaynlarından əsaslı şəkildə fərqlənmir.

Bütün bu sxemlərin konstruktiv çatışmazlığı ondan ibarətdir ki, dalğa bələdçisində hərəkət edən sezium atomları şüasının yayılma sürətinə nəzarət etmək prinsipcə mümkün deyil. Və bu, sezium atomlarının otaq temperaturunda hərəkət sürətinin saniyədə yüz metr olmasına baxmayaraq. Çox tez.

Buna görə sezium standartlarının bütün dəyişiklikləri iki nöqtədə sürətli sezium atomlarına təsir göstərməyə vaxtı olan dalğa ötürücüsünün ölçüsü ilə bu təsirin nəticələrinin aşkarlanmasının dəqiqliyi arasında tarazlıq axtarışıdır. Dalğa ötürücü nə qədər kiçik olsa, eyni atomlara təsir edən ardıcıl elektromaqnit impulsları etmək bir o qədər çətindir.

Sezium atomlarının sürətini azaltmağın bir yolunu tapsaq nə olacaq? Keçən əsrin qırxıncı illərinin sonlarında cazibə qüvvəsinin atomların davranışına təsirini tədqiq edən MIT tələbəsi Jerold Zacharius bu fikirlə məşğul idi. Daha sonra, Sezium tezlik standartı Atomikronun bir variantının hazırlanmasında iştirak edən Zaxarius sezium fəvvarəsi ideyasını təklif etdi - sezium atomlarının sürətini saniyədə bir santimetrə qədər azaltmaq və iki qollu dalğa ötürücüsünü aradan qaldırmaq üçün bir üsul Ənənəvi atom osilatorları.

Zaxarinin fikri sadə idi. Bir osilatorun içərisində sezium atomlarını şaquli olaraq atəşə tutsanız nə edərdiniz? Sonra eyni atomlar detektordan iki dəfə keçəcək: bir dəfə yuxarı qalxarkən, ikincisi isə cazibə qüvvəsinin təsiri ilə aşağıya doğru qaçacaqlar. Bu halda, atomların aşağıya doğru hərəkəti onların uçuşundan əhəmiyyətli dərəcədə yavaş olacaq, çünki fəvvarədə səyahət zamanı onlar enerji itirəcəklər. Təəssüf ki, keçən əsrin əllinci illərində Zəkəriyyə öz ideyalarını həyata keçirə bilmədi. Onun eksperimental qurğusunda yuxarıya doğru hərəkət edən atomlar aşağı düşənlərlə qarşılıqlı əlaqədə olur, bu da aşkarlamanın dəqiqliyini çaşdırırdı.

Zəkərinin ideyası yalnız səksəninci illərdə geri qaytarıldı. Stiven Çunun rəhbərlik etdiyi Stanford Universitetinin alimləri “optik bəkməz” adlandırdıqları üsulla Zaxari fəvvarəsini həyata keçirməyin yolunu tapıblar.

Çu sezium fəvvarəsində yuxarıya doğru atılan sezium atomlarının buludu sezium atomlarının optik rezonansından bir qədər aşağı rezonans tezliyinə malik olan üç cüt əks istiqamətli lazerlər sistemi ilə əvvəlcədən soyudulur.

Optik bəkməz ilə sezium fəvvarəsinin sxemi.

Lazerlə soyudulmuş sezium atomları, sanki bəkməzdən keçərək yavaş-yavaş hərəkət etməyə başlayır. Onların sürəti saniyədə üç metrə enir. Atomların sürətinin azaldılması tədqiqatçılara vəziyyətləri daha dəqiq aşkar etmək imkanı verir (etiraf etməlisiniz ki, saatda bir kilometr sürətlə hərəkət edən avtomobilin nömrələrini görmək yüz sürətlə hərəkət edən avtomobildən daha asandır. km/saat).

Soyudulmuş sezium atomlarından ibarət bir top, atomların rezonans tezliyinin elektromaqnit sahəsinə məruz qaldığı yol boyunca dalğa ötürücüsünü keçərək, təxminən bir metr yuxarıya atılır. Sistemin detektoru isə ilk dəfə olaraq atomların vəziyyətinin dəyişməsini qeyd edir. "Tavana" çatdıqdan sonra soyudulmuş atomlar cazibə qüvvəsi səbəbindən düşməyə başlayır və ikinci dəfə dalğa ötürücüsündən keçir. Geri qayıdarkən detektor onların vəziyyətini yenidən qeydə alır. Atomlar son dərəcə yavaş hərəkət etdikləri üçün onların kifayət qədər sıx bulud şəklində uçuşunu idarə etmək asandır, yəni fəvvarədə eyni anda yuxarı və aşağı uçan atomlar olmayacaq.

Chu'nun sezium fəvvarə qurğusu 1998-ci ildə NBS tərəfindən tezlik standartı kimi qəbul edilmiş və NIST-F1 adlandırılmışdır. Onun xətası 4 * 10 -16 idi, yəni NIST-F1 sələfi NIST-7-dən daha dəqiq idi.

Əslində, NIST-F1 sezium atomlarının vəziyyətini ölçməkdə dəqiqlik həddinə çatdı. Lakin alimlər bu qələbədə dayanmadılar. Qara cisim radiasiyasının atom saatlarının işinə gətirdiyi səhvi - sezium atomlarının hərəkət etdikləri qurğunun bədəninin istilik şüalanması ilə qarşılıqlı təsirinin nəticəsini aradan qaldırmaq qərarına gəldilər. Yeni NIST-F2 atom xronoqrafı qara cisim radiasiyasını demək olar ki, sıfıra endirərək, kriogen kameraya sezium fontanını yerləşdirdi. NIST-F2 səhvi inanılmaz 3*10 -17-dir.

Sezium tezliyinin standart variantlarının səhvinin azaldılması qrafiki

Hazırda sezium fəvvarələrinə əsaslanan atom saatları bəşəriyyətə texnogen sivilizasiyamızın nəbzinin vurduğu ən dəqiq zaman standartını təqdim edir. Mühəndislik fəndləri sayəsində NIST-F1 və NIST-F2-nin stasionar versiyalarında sezium atomlarını soyudan impulslu hidrogen maserləri maqnito-optik sistemlə tandemdə işləyən adi lazer şüası ilə əvəz olundu. Bu, kompakt və çox sabit strukturlar yaratmağa imkan verdi. xarici təsirlər kosmik gəmilərdə işləyə bilən NIST-Fx standartlarının variantları. Olduqca təxəyyüllə "Aerospace Cold Atom Clock" adlanan bu tezlik standartları GPS kimi naviqasiya sistemlərinin peyklərində quraşdırılmışdır ki, bu da qadcetlərimizdə istifadə olunan GPS qəbuledicilərinin koordinatlarının çox dəqiq hesablanması problemini həll etmək üçün onların heyrətamiz sinxronizasiyasını təmin edir.

Sezium fəvvarəsi atom saatının "Aerospace Cold Atom Clock" adlı kompakt versiyası GPS peyklərində istifadə olunur.

Vaxt istinadının hesablanması NBS ilə əməkdaşlıq edən müxtəlif tədqiqat mərkəzlərində yerləşən on NIST-F2-dən ibarət "ansamblı" tərəfindən həyata keçirilir. Atom saniyəsinin dəqiq dəyəri kollektiv şəkildə əldə edilir və bununla da müxtəlif səhvləri və insan amilinin təsirini aradan qaldırır.

Bununla belə, ola bilsin ki, bir gün sezium tezlik standartı bizim nəsillərimiz tərəfindən vaxtı ölçmək üçün çox kobud mexanizm kimi qəbul edilsin, necə ki, biz indi əcdadlarımızın mexaniki baba saatlarında sarkacın hərəkətlərinə laqeydliklə baxırıq.

Elmi dünyada bir sensasiya yayıldı - vaxt bizim Kainatdan buxarlanır! Hələlik bu, yalnız ispan astrofiziklərinin fərziyyəsidir. Amma Yerdə və kosmosda zaman axınının fərqli olması alimlər tərəfindən artıq sübut olunub. Zaman cazibə qüvvəsinin təsiri altında daha yavaş axır, planetdən uzaqlaşdıqca sürətlənir. Yer üzündəki və sinxronizasiya vəzifəsi kosmik vaxt hidrogen tezliyi standartlarını yerinə yetirirlər, bunlara "atom saatları" da deyilir.

İlk atom vaxtı astronavtikanın yaranması ilə birlikdə meydana çıxdı, atom saatları 20-ci illərin ortalarında meydana çıxdı. İndi atom saatları gündəlik bir şeyə çevrilib, hər birimiz onlardan hər gün istifadə edirik: rəqəmsal rabitə, QLONASS, naviqasiya və nəqliyyat onların köməyi ilə işləyir.

Cib telefonlarının sahibləri çətin vaxtın ciddi sinxronizasiyası üçün kosmosda hansı mürəkkəb işlərin aparıldığını düşünmürlər və biz saniyənin yalnız milyonda biri haqqında danışırıq.

Dəqiq vaxt standartı Moskva vilayətində saxlanılır Elmi İnstitutu fiziki-texniki və radiotexniki ölçmələr. Dünyada 450 belə saat var.

Rusiya və ABŞ atom saatlarında monopoliyaya malikdir, lakin ABŞ-da saatlar ətraf mühitə çox zərərli olan radioaktiv metal olan sezium, Rusiyada isə daha təhlükəsiz, davamlı material olan hidrogen əsasında işləyir.

Bu saatın siferbatı və ya əlləri yoxdur: o, nadir və qiymətli metallardan ibarət böyük çəlləyə bənzəyir, ən qabaqcıl texnologiyalar - yüksək dəqiqlikli ölçmə cihazları və atom standartlarına malik avadanlıqlarla doldurulur. Onların yaradılması prosesi çox uzun, mürəkkəbdir və mütləq sterillik şəraitində baş verir.

Artıq 4 ildir ki, Rusiya peykində quraşdırılan saat qaranlıq enerjini öyrənir. İnsan standartlarına görə, onlar milyonlarla il ərzində dəqiqliyini 1 saniyə itirirlər.

Tezliklə Spektr-M-də atom saatları quraşdırılacaq - ulduzların və ekzoplanetlərin necə əmələ gəldiyini görəcək və kənardan kənara baxacaq kosmik rəsədxana qara dəlik Qalaktikamızın mərkəzində. Alimlərin fikrincə, dəhşətli cazibə qüvvəsi səbəbindən burada zaman o qədər yavaş axır ki, az qala dayanır.

tvroskosmos

Birincisi, bəşəriyyət saatlardan proqram-zaman idarəsi vasitəsi kimi istifadə edir.

İkincisi, bu gün zamanın ölçülməsi hamıdan ən dəqiq ölçmə növüdür: vaxtın ölçülməsinin dəqiqliyi indi 1·10-11% və ya 300 min ildə 1 s sırasının inanılmaz səhvi ilə müəyyən edilir.

Və belə bir dəqiqliyə nail olduq müasir insanlar istifadə etməyə başlayanda atomlar, onların rəqsləri nəticəsində atom saatının tənzimləyicisi olan. Sezium atomları (+) və (-) ehtiyacımız olan iki enerji vəziyyətindədir. 9.192.631.770 hers tezlikli elektromaqnit şüalanması atomların (+) vəziyyətindən (-) vəziyyətinə keçməsi zamanı əmələ gəlir, dəqiq, sabit dövri proses - atom saat kodunun tənzimləyicisi yaradır.

Atom saatlarının düzgün işləməsi üçün seziumun sobada buxarlanması lazımdır, bu proses onun atomlarını buraxır. Ocağın arxasında (+) vəziyyətində atomların tutumuna malik olan çeşidləmə maqniti var və onun içərisində mikrodalğalı sahədə şüalanma səbəbindən atomlar (-) vəziyyətinə keçir. İkinci maqnit (+) vəziyyətini (-) dəyişən atomları qəbuledici qurğuya yönəldir. Vəziyyətini dəyişdirmiş bir çox atom yalnız mikrodalğalı emitterin tezliyi 9,192,631,770 herts sezium vibrasiya tezliyi ilə tam üst-üstə düşərsə əldə edilir. Əks halda, qəbuledici qurğuda atomların (-) sayı azalır.

Cihazlar 9,192,631,770 hers sabit tezliyi daim nəzarət edir və tənzimləyir. Bu o deməkdir ki, saat dizaynerlərinin arzusu gerçəkləşdi, tamamilə sabit dövri proses tapıldı: atom saatlarının gedişatını tənzimləyən 9 192 631 770 herts tezliyi.

Bu gün beynəlxalq razılaşma nəticəsində saniyə sezium atomunun əsas vəziyyətinin iki hiper incə struktur səviyyəsi arasında keçidə uyğun gələn 9 192 631 770-ə vurulan radiasiya dövrü kimi müəyyən edilir (sezium-133 izotopu).

Dəqiq vaxtı ölçmək üçün kalsium, rubidium, sezium, stronsium, hidrogen molekulları, yod, metan və s. atomları kimi digər atom və molekulların vibrasiyalarından da istifadə edə bilərsiniz. Bununla belə, sezium atomunun şüalanması tezlik kimi tanınır. standart. Müxtəlif atomların titrəyişlərini standart (sezium) ilə müqayisə etmək üçün 400-dən 1000 nm-ə qədər geniş diapazonda tezliklər yaradan titan-safir lazer yaradılmışdır.

Kvars və atom saatlarının ilk yaradıcısı ingilis eksperimental fizikidir Essen Lewis (1908-1997). 1955-ci ildə sezium atomlarının şüasından istifadə edərək ilk atom tezliyi (zaman) standartını yaratdı. Bu işin nəticəsi olaraq 3 il sonra (1958) atom tezliyi standartına əsaslanan vaxt xidməti yarandı.

SSRİ-də akademik Nikolay Gennadieviç Basov atom saatının yaradılması ideyalarını irəli sürdü.

Belə ki, atom saatı, Saatların dəqiq növlərindən biri, atomların və ya molekulların təbii vibrasiyalarının sarkaç kimi istifadə edildiyi vaxtı ölçmək üçün bir cihazdır. Atom saatlarının sabitliyi hamıdan yaxşısıdır mövcud növlərən yüksək dəqiqliyin açarı olan saatlar. Atom saat generatoru adi saatlardan fərqli olaraq saniyədə 32.768-dən çox impuls istehsal edir. Atom titrəyişləri havanın temperaturundan, vibrasiyadan, rütubətdən və bir çox başqa xarici amillərdən asılı deyildir.

IN müasir dünya, naviqasiya sadəcə olmadan edilə bilməyəndə atom saatları oldu əvəzedilməz köməkçilər. Onlar peyk rabitəsi vasitəsilə avtomatik olaraq kosmik gəminin, peykin, ballistik raketin, təyyarənin, sualtı qayığın, avtomobilin yerini müəyyənləşdirmək qabiliyyətinə malikdir.

Beləliklə, son 50 ildə atom saatları, daha doğrusu sezium saatları ən dəqiq hesab olunur. Onlardan uzun müddətdir ki, vaxt xidmətləri tərəfindən istifadə olunur və vaxt siqnalları bəzi radiostansiyalar tərəfindən də yayımlanır.

Atom saat cihazı 3 hissədən ibarətdir:

kvant diskriminatoru,

kvars osilator,

elektronika kompleksi.

Kvars osilatoru tezliyi (5 və ya 10 MHz) yaradır. Osilator rezonans elementi kimi kvars kristalının pyezoelektrik rejimlərindən istifadə edən RC radio generatorudur, burada vəziyyəti (+)-dan (-) dəyişmiş atomlar müqayisə edilir.Sabitliyi artırmaq üçün onun tezliyi daima rezonans elementinin salınımları ilə müqayisə edilir. kvant diskriminatoru (atomlar və ya molekullar). Salınmada fərq yarandıqda, elektronika kvars osilatorunun tezliyini sıfıra tənzimləyir və bununla da saatın sabitliyini və dəqiqliyini istənilən səviyyəyə qaldırır.

Müasir dünyada atom saatları istifadə üçün dünyanın istənilən ölkəsində istehsal oluna bilər Gündəlik həyat. Onlar çox kiçik ölçülü və gözəldir. Ən son atom saatı kibrit qutusundan böyük deyil və 1 vattdan az enerji sərfiyyatına malikdir. Və bu hədd deyil, bəlkə də gələcəkdə texniki tərəqqi mobil telefonlara da çatacaq. Bu arada, naviqasiya dəqiqliyini dəfələrlə artırmaq üçün kompakt atom saatları yalnız strateji raketlərdə quraşdırılır.

Bu gün hər zövqə və büdcəyə uyğun kişi və qadın atom saatlarını onlayn mağazalarda almaq olar.

2011-ci ildə dünyanın ən kiçik atom saatı Symmetricom və Sandia Milli Laboratoriyalarının mütəxəssisləri tərəfindən yaradılmışdır. Bu saat kommersiya baxımından mövcud olan əvvəlki versiyalardan 100 dəfə daha yığcamdır. Atom xronometrinin ölçüsü kibrit qutusundan böyük deyil. İşləmək üçün ona yalnız 100 mVt güc lazımdır - bu, sələfləri ilə müqayisədə 100 dəfə azdır.

Sezium atomlarının təsiri altında yaydığı elektromaqnit dalğalarının tezliyini təyin etmək prinsipi ilə işləyən mexanizmi yayların və dişli çarxların yerinə quraşdırmaqla saatın ölçüsünü azaltmaq mümkün olmuşdur. Lazer şüasıəhəmiyyətsiz güc.

Bu cür saatlar naviqasiyada, eləcə də mədənçilərin, dalğıcların işində istifadə olunur, burada səthdəki həmkarları ilə vaxtı dəqiq sinxronlaşdırmaq lazımdır, həmçinin dəqiq vaxt xidmətləri, çünki atom saatlarının xətası 0,000001 fraksiyadan azdır. gündə bir saniyə. Rekord kiçik atom saatı Symmetricom-un qiyməti təxminən 1500 dollar idi.

21-ci əsrdə peyk naviqasiyası sürətlə inkişaf edir. İstənilən şəkildə peyklərlə əlaqəli olan hər hansı bir obyektin mövqeyini təyin edə bilərsiniz mobil telefon, avtomobil və ya kosmik gəmi. Ancaq bunların heç birinə atom saatları olmadan nail olmaq mümkün deyildi.
Həmçinin, bu saatlar müxtəlif telekommunikasiyalarda istifadə olunur, məsələn, mobil rabitə.Bu, indiyə qədər olan, indi və olacaq ən dəqiq saatdır. Onlar olmasaydı, internet sinxronizasiya olunmazdı, biz başqa planetlərə və ulduzlara olan məsafəni bilməyəcəkdik və s.
Sezium-133 atomunun iki enerji səviyyəsi arasında keçid zamanı yaranan, saniyədə saatlarla 9,192,631,770 elektromaqnit şüalanması dövrü alınır. Belə saatlara sezium saatları deyilir. Ancaq bu, üç növ atom saatından yalnız biridir. Hidrogen və rubidium saatları da var. Bununla belə, sezium saatları ən çox istifadə olunur, ona görə də digər növlər üzərində dayanmayacağıq.

Sezium atom saatının iş prinsipi

Lazer sezium izotopunun atomlarını qızdırır və bu zaman daxili rezonator atomların bütün keçidlərini qeyd edir. Və daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, 9,192,631,770 keçidə çatdıqdan sonra bir saniyə sayılır.

Saat qutusuna quraşdırılmış lazer sezium izotopunun atomlarını qızdırır. Bu zaman rezonator atomların yeni enerji səviyyəsinə keçidlərinin sayını qeyd edir. Müəyyən bir tezliyə çatdıqda, yəni 9,192,631,770 keçid (Hz), ikincisi beynəlxalq SI sisteminə əsasən sayılır.

Peyk naviqasiyasında istifadə edin

Peykdən istifadə edərək obyektin dəqiq yerini müəyyən etmək prosesi çox çətindir. Bunun üçün bir neçə peyk iştirak edir, yəni hər qəbuledicidə 4-dən çox (məsələn, avtomobildə GPS naviqatoru).

Hər bir peykdə yüksək dəqiqlikli atom saatı, peyk radio vericisi və rəqəmsal kod generatoru var. Radio ötürücü rəqəmsal kodu və peyk haqqında məlumatları, yəni orbital parametrləri, modeli və s.

Saat bu kodun alıcıya çatması üçün nə qədər vaxt lazım olduğunu müəyyənləşdirir. Beləliklə, radiodalğaların yayılma sürətini bilməklə, Yer kürəsində qəbulediciyə qədər olan məsafə hesablanır. Ancaq bunun üçün bir peyk kifayət deyil. Müasir GPS qəbulediciləri eyni vaxtda 12 peykdən siqnal qəbul edə bilir ki, bu da obyektin yerini 4 metrə qədər dəqiqliklə müəyyən etməyə imkan verir. Yeri gəlmişkən, bunu da qeyd etmək yerinə düşər GPS naviqatorları abunə haqqı tələb etmir.