Hvorfor er atomure de mest nøjagtige? Atomur: En enhed til at måle tiden for satellit- og navigationssystemer.

Meget nøjagtige atomure, der laver en fejl på et sekund hver 300 millioner år. Dette ur, som erstattede en ældre model, der havde en fejl på et sekund hvert hundrede millioner år, sætter nu standarden for amerikansk civil tid. Lenta.ru besluttede at huske historien om skabelsen af ​​atomure.

Første atom

For at skabe et ur er det nok at bruge evt batch proces. Og historien om fremkomsten af ​​tidsmålingsinstrumenter er til dels historien om fremkomsten af ​​enten nye energikilder eller nye oscillerende systemer, der bruges i ure. Det enkleste ur er nok soluret: til dets drift behøver du kun Solen og et objekt, der kaster en skygge. Ulemperne ved denne metode til tidsbestemmelse er indlysende. Vand og timeglas er heller ikke bedre: de er kun egnede til at måle relativt korte tidsperioder.

Det ældste mekaniske ur blev fundet i 1901 nær øen Antikythera på et sunket skib i Det Ægæiske Hav. De indeholder omkring 30 bronzegear i en trækasse, der måler 33 gange 18 gange 10 centimeter og stammer fra omkring det hundrede år f.Kr.

I næsten to tusinde år var mekaniske ure de mest nøjagtige og pålidelige. Fremkomsten i 1657 af Christian Huygens klassiske værk "Pendulumuret" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica"), der beskriver en tidsholder med et pendul som et svingende system, var sandsynligvis højdepunktet i historien om udviklingen af ​​mekaniske instrumenter af en sådan type.

Imidlertid brugte astronomer og sømænd stadig stjernehimlen og kortene til at bestemme deres placering og nøjagtige tid. Det første elektriske ur blev opfundet i 1814 af Francis Ronalds. Imidlertid var den første sådan enhed unøjagtig på grund af følsomhed over for temperaturændringer.

Urets videre historie er forbundet med brugen af ​​forskellige oscillerende systemer i enheder. Kvartsure, der blev introduceret i 1927 af Bell Laboratories, udnyttede de piezoelektriske egenskaber af en kvartskrystal: når de blev udsat for elektrisk strøm krystallen begynder at krympe. Moderne kvarts kronometre kan være nøjagtige til inden for 0,3 sekunder pr. måned. Men fordi kvarts er modtagelig for ældning, bliver ure mindre præcise over tid.

Med udviklingen af ​​atomfysik foreslog videnskabsmænd at bruge stofpartikler som oscillerende systemer. Sådan opstod de første atomure. Ideen om muligheden for at bruge atomære vibrationer af brint til at måle tid blev foreslået tilbage i 1879 af den engelske fysiker Lord Kelvin, men først i midten af ​​det 20. århundrede blev dette muligt.

Gengivelse af et maleri af Hubert von Herkomer (1907)

I 1930'erne begyndte den amerikanske fysiker og kernemagnetisk resonanspioner Isidor Rabi at arbejde på et cæsium-133 atomur, men krigsudbruddet forhindrede ham i at gøre det. Efter krigen, i 1949, blev det første molekylære ur, der brugte ammoniakmolekyler, skabt ved US National Standards Committee med deltagelse af Harold Lyonson. Men de første sådanne tidsmålingsinstrumenter var ikke så nøjagtige som moderne atomure.

Den relativt lave nøjagtighed skyldtes det faktum, at på grund af interaktionen af ​​ammoniakmolekyler med hinanden og med væggene i beholderen, hvori dette stof var placeret, ændrede molekylernes energi sig, og deres spektrallinjer blev udvidet. Denne effekt minder meget om friktion i et mekanisk ur.

Senere, i 1955, introducerede Louis Essen fra UK National Physical Laboratory det første cæsium-133 atomur. Dette ur akkumulerede en fejl på et sekund over en million år. Enheden fik navnet NBS-1 og begyndte at blive betragtet som en cæsiumfrekvensstandard.

Det skematiske diagram af et atomur består af en kvartsoscillator styret af en diskriminator i henhold til kredsløbet feedback. Oscillatoren bruger kvartsens piezoelektriske egenskaber, mens diskriminatoren bruger atomernes energetiske vibrationer, således at kvartsens vibrationer følges af signaler fra overgange fra forskellige energiniveauer i atomerne eller molekylerne. Mellem generatoren og diskriminatoren er der en kompensator, der er indstillet til frekvensen af ​​atomare vibrationer og sammenligner den med krystallens vibrationsfrekvens.

Atomerne, der bruges i uret, skal give stabile vibrationer. For hver frekvens af elektromagnetisk stråling er der atomer: calcium, strontium, rubidium, cæsium, brint. Eller endda molekyler af ammoniak og jod.

Tidsstandard

Med fremkomsten af ​​atomare tidsmåleinstrumenter blev det muligt at bruge dem som en universel standard til bestemmelse af den anden. Siden 1884 har Greenwich Time, betragtet som verdensstandarden, givet plads til standarden for atomure. I 1967 blev et sekund defineret som varigheden af ​​9192631770 strålingsperioder svarende til overgangen mellem to hyperfine niveauer af cæsium-133-atomets grundtilstand. Denne definition af den anden afhænger ikke af astronomiske parametre og kan gengives hvor som helst på planeten. Cæsium-133, brugt i atomurstandarden, er den eneste stabile isotop af cæsium med 100% overflod på Jorden.

Atomur bruges også i satellitnavigationssystemer; de er nødvendige for at bestemme den nøjagtige tid og satellitkoordinater. Hver GPS-satellit har således fire sæt af sådanne ure: to rubidium og to cæsium, som sikrer signaltransmissionsnøjagtighed på 50 nanosekunder. De russiske satellitter i GLONASS-systemet er også udstyret med cæsium og rubidium atomare tidsmåleinstrumenter, og satellitterne i det europæiske Galileo geopositioneringssystem er udstyret med brint og rubidium.

Nøjagtigheden af ​​brint ure er den højeste. Det er 0,45 nanosekunder på 12 timer. Tilsyneladende vil Galileos brug af så præcise ure gøre dette navigationssystem til førende allerede i 2015, hvor der vil være 18 af dets satellitter i kredsløb.

Kompakt atomur

Hewlett-Packard blev det første firma til at udvikle et kompakt atomur. I 1964 skabte hun HP 5060A cæsium-enheden, på størrelse med en stor kuffert. Virksomheden fortsatte med at udvikle denne retning, men i 2005 solgte den sin afdeling, der udviklede atomure, til Symmetricom.

I 2011 udviklede specialister fra Draper Laboratory og Sandia National Laboratories, og Symmetricom udgav det første miniature atomur, Quantum. På udgivelsestidspunktet kostede de omkring 15 tusind dollars, var indesluttet i en forseglet kasse, der målte 40 gange 35 gange 11 millimeter og vejede 35 gram. Urets strømforbrug var mindre end 120 milliwatt. De blev oprindeligt udviklet efter ordre fra Pentagon og var beregnet til at betjene navigationssystemer, der fungerede uafhængigt af GPS-systemer, for eksempel dybt under vand eller jorden.

Allerede i slutningen af ​​2013 introducerede det amerikanske firma Bathys Hawaii det første "håndleds" atomur. De bruger SA.45s-chippen fremstillet af Symmetricom som hovedkomponent. Inde i chippen er der en kapsel med cæsium-133. Urets design omfatter også fotoceller og en laveffektlaser. Sidstnævnte sikrer opvarmning af cæsiumgas, som et resultat af hvilket dets atomer begynder at bevæge sig fra et energiniveau til et andet. Målingen af ​​tid udføres præcist ved at registrere en sådan overgang. Omkostningerne ved en ny enhed er omkring 12 tusind dollars.

Tendenser i retning af miniaturisering, autonomi og præcision vil føre til, at der i den nærmeste fremtid vil dukke nye enheder med atomure op på alle områder menneskeliv, begyndende med rumforskning på orbitale satellitter og stationer til husholdningsapplikationer i rum- og håndledssystemer.

Hvilke "urmagere" opfandt og perfektionerede denne ekstremt præcise mekanisme? Er der en erstatning for ham? Lad os prøve at finde ud af det.

I 2012 vil atomtidtagning fejre sit 45-års jubilæum. I 1967 begyndte kategorien af ​​tid i det internationale system af enheder ikke at blive bestemt af astronomiske skalaer, men af ​​cæsiumfrekvensstandarden. Det er, hvad almindelige mennesker kalder atomuret.

Hvad er funktionsprincippet for atomoscillatorer? Disse "enheder" bruger kvanteenerginiveauer af atomer eller molekyler som en kilde til resonansfrekvens. Kvantemekanik forbinder flere diskrete energiniveauer med "atomkernen - elektroner"-systemet. Et elektromagnetisk felt af en bestemt frekvens kan fremkalde en overgang af dette system fra lavt niveau til en højere. Det modsatte fænomen er også muligt: ​​Et atom kan bevæge sig fra et højt energiniveau til et lavere ved at udsende energi. Begge fænomener kan kontrolleres, og disse energi-mellemniveauspring kan registreres, hvorved der skabes et udseende af et oscillerende kredsløb. Resonansfrekvensen af ​​dette kredsløb vil være lig med energiforskellen mellem de to overgangsniveauer divideret med Plancks konstant.

Den resulterende atomoscillator har utvivlsomme fordele i forhold til sine astronomiske og mekaniske forgængere. Resonansfrekvensen af ​​alle atomer i det stof, der er valgt til oscillatoren, vil i modsætning til penduler og piezokrystaller være den samme. Derudover slides atomer ikke eller ændrer deres egenskaber over tid. Ideel til et næsten evigt og ekstremt præcist kronometer.

For første gang blev muligheden for at bruge interlevel-energiovergange i atomer som en frekvensstandard overvejet tilbage i 1879 af den britiske fysiker William Thomson, bedre kendt som Lord Kelvin. Han foreslog at bruge brint som en kilde til resonatoratomer. Imidlertid var hans forskning temmelig teoretisk af natur. Videnskaben på det tidspunkt var endnu ikke klar til at udvikle et atomkronometer.

Det tog næsten hundrede år for Lord Kelvins idé at blive realiseret. Det var lang tid, men opgaven var ikke let. At omdanne atomer til ideelle penduler viste sig at være vanskeligere i praksis end i teorien. Vanskeligheden lå i kampen med den såkaldte resonansbredde - en lille udsving i frekvensen af ​​absorption og udsendelse af energi, når atomer bevæger sig fra niveau til niveau. Forholdet mellem resonansfrekvensen og resonansbredden bestemmer kvaliteten af ​​atomoscillatoren. Det er klart, at jo større værdien af ​​resonansbredden er, jo lavere er kvaliteten af ​​atompendulet. Desværre er det ikke muligt at øge resonansfrekvensen for at forbedre kvaliteten. Den er konstant for atomerne i hvert enkelt stof. Men resonansbredden kan reduceres ved at øge observationstiden for atomer.

Teknisk kan dette opnås på følgende måde: Lad en ekstern, for eksempel kvarts, oscillator periodisk generere elektromagnetisk stråling, hvilket får donorstoffets atomer til at hoppe over energiniveauer. I dette tilfælde er opgaven for den atomare kronograftuner at bringe frekvensen af ​​denne kvartsoscillator så tæt som muligt på resonansfrekvensen for atomernes interniveauovergang. Dette bliver muligt i tilfælde af en tilstrækkelig lang periode med observation af atomare vibrationer og skabelsen af ​​feedback, der regulerer frekvensen af ​​kvarts.

Sandt nok, ud over problemet med at reducere resonansbredden i en atomkronograf, er der en masse andre problemer. Dette er Doppler-effekten - et skift i resonansfrekvensen på grund af bevægelser af atomer og gensidige kollisioner af atomer, hvilket forårsager uplanlagte energiovergange og endda påvirkningen af ​​den gennemtrængende energi af mørkt stof.

Første gangs forsøg praktisk implementering atomuret blev udført i trediverne af forrige århundrede af videnskabsmænd ved Columbia University under ledelse af fremtiden nobelpristager Dr. Isidor Rabi. Rabi foreslog at bruge cæsiumisotopen 133 Cs som en kilde til pendulatomer. Desværre blev Rabis arbejde, som i høj grad interesserede NBS, afbrudt af Anden Verdenskrig.

Efter dens færdiggørelse overgik ledelsen i implementeringen af ​​atomkronografen til NBS-medarbejder Harold Lyons. Hans atomoscillator kørte på ammoniak og gav en fejl, der kan sammenlignes med de bedste eksempler på kvartsresonatorer. I 1949 blev ammoniak-atomuret demonstreret for den brede offentlighed. På trods af den ret middelmådige nøjagtighed implementerede de de grundlæggende principper for fremtidige generationer af atomkronografer.

Prototypen af ​​et cæsium atomur opnået af Louis Essen gav en nøjagtighed på 1 * 10 -9, mens den havde en resonansbredde på kun 340 Hertz

Lidt senere forbedrede Harvard University professor Norman Ramsey Isidor Rabis ideer, hvilket reducerede Doppler-effektens indvirkning på målingernes nøjagtighed. Han foreslog, i stedet for en lang højfrekvent puls, spændende atomer, at bruge to korte sendt til armene på bølgelederen i en vis afstand fra hinanden. Dette gjorde det muligt kraftigt at reducere resonansbredden og gjorde det faktisk muligt at skabe atomoscillatorer, der er en størrelsesorden overlegen i nøjagtighed i forhold til deres kvarts-forfædre.

I halvtredserne af det sidste århundrede, baseret på skemaet foreslået af Norman Ramsey, ved National Physical Laboratory (UK), arbejdede dens medarbejder Louis Essen på en atomoscillator baseret på cæsiumisotopen 133 Cs tidligere foreslået af Rabi. Cæsium blev ikke valgt tilfældigt.

Skema over hyperfine overgangsniveauer af atomer i cæsium-133 isotopen

Tilhører gruppen af ​​alkalimetaller, cæsiumatomer er ekstremt let ophidsede til at hoppe mellem energiniveauer. For eksempel kan en lysstråle nemt slå en strøm af elektroner ud fra cæsium-atomstrukturen. Det er på grund af denne egenskab, at cæsium er meget udbredt i fotodetektorer.

Design af en klassisk cæsiumoscillator baseret på en Ramsey-bølgeleder

Første officielle cæsiumfrekvensstandard NBS-1

Efterkommer af NBS-1 - NIST-7-oscillatoren brugte laserpumpning af en stråle af cæsiumatomer

For at Essen-prototypen skulle blive en sand standard, krævede det mere end fire år. Når alt kommer til alt, var præcis justering af atomure kun mulig ved sammenligning med eksisterende efemeriske tidsenheder. I løbet af fire år blev atomoscillatoren kalibreret ved at observere Månens rotation rundt om Jorden ved hjælp af et præcisionsmånekamera opfundet af US Naval Observatorys William Markowitz.

"Justeringen" af atomure til måneephemeris blev udført fra 1955 til 1958, hvorefter enheden blev officielt anerkendt af NBS som en frekvensstandard. Desuden fik den hidtil usete nøjagtighed af cæsium-atomure NBS til at ændre tidsenheden i SI-standarden. Siden 1958 er den anden officielt blevet vedtaget som "varigheden af ​​9.192.631.770 perioder med stråling svarende til overgangen mellem to hyperfine niveauer af standardtilstanden for et atom i cæsium-133-isotopen."

Louis Essens enhed fik navnet NBS-1 og blev betragtet som den første cæsiumfrekvensstandard.

I løbet af de næste tredive år blev seks modifikationer af NBS-1 udviklet, hvoraf den seneste, NIST-7, skabt i 1993 ved at erstatte magneter med laserfælder, giver en nøjagtighed på 5 * 10 -15 med en resonansbredde på kun tres. -to Hertz.

Sammenligningstabel over karakteristika for cæsiumfrekvensstandarder, der anvendes af NBS

NBS-enheder er stationære standere, hvilket gør det muligt at klassificere dem som standarder frem for praktisk brugte oscillatorer. Men af ​​rent praktiske formål arbejdede Hewlett-Packard til fordel for cæsiumfrekvensstandarden. I 1964 skabte den fremtidige computergigant en kompakt version af cæsiumfrekvensstandarden - HP 5060A-enheden.

Kalibreret ved hjælp af NBS-standarder passer HP 5060-frekvensstandarderne ind i et typisk radioudstyrsstativ og var en kommerciel succes. Det var takket være cæsiumfrekvensstandarden sat af Hewlett-Packard, at den hidtil usete nøjagtighed af atomure blev udbredt.

Hewlett-Packard 5060A.

Som et resultat blev sådanne ting som satellit-tv og kommunikation, globale navigationssystemer og informationsnetværks tidssynkroniseringstjenester mulige. Der har været mange anvendelser for den industrialiserede atomare kronografteknologi. Samtidig stoppede Hewlett-Packard ikke der og forbedrer konstant kvaliteten af ​​cæsiumstandarder og deres vægt og dimensioner.

Hewlett-Packard familie af atomure

I 2005 blev Hewlett-Packards atomur division solgt til Simmetricom.

Sammen med cæsium, hvis reserver i naturen er meget begrænsede, og efterspørgslen efter det på en række teknologiske områder er ekstremt høj, blev rubidium, hvis egenskaber er meget tæt på cæsium, brugt som donorstof.

Det ser ud til, at eksisterende ordning atomure er blevet bragt til perfektion. I mellemtiden havde det en irriterende ulempe, hvis eliminering blev mulig i anden generation af cæsiumfrekvensstandarder, kaldet cæsiumfontæner.

Kilder af tid og optisk melasse

På trods af den højeste nøjagtighed af NIST-7-atomkronometeret, som bruger laserdetektion af cæsiumatomers tilstand, er dets design ikke fundamentalt forskelligt fra designs af de første versioner af cæsiumfrekvensstandarder.

En designmæssig ulempe ved alle disse skemaer er, at det er fundamentalt umuligt at kontrollere udbredelseshastigheden af ​​en stråle af cæsiumatomer, der bevæger sig i en bølgeleder. Og dette på trods af, at bevægelseshastigheden af ​​cæsiumatomer ved stuetemperatur er hundrede meter i sekundet. Meget hurtigt.

Det er derfor, at alle modifikationer af cæsiumstandarder er en søgen efter en balance mellem størrelsen af ​​bølgelederen, som har tid til at påvirke hurtige cæsiumatomer på to punkter, og nøjagtigheden af ​​at detektere resultaterne af denne påvirkning. Jo mindre bølgelederen er, jo sværere er det at lave successive elektromagnetiske impulser, der påvirker de samme atomer.

Hvad hvis vi finder en måde at reducere hastigheden af ​​cæsiumatomer? Det var denne idé, der optog MIT-studerende Jerold Zacharius, som studerede tyngdekraftens indflydelse på atomers adfærd i slutningen af ​​fyrrerne af forrige århundrede. Senere, involveret i udviklingen af ​​en variant af cæsiumfrekvensstandarden Atomichron, foreslog Zacharius ideen om et cæsiumfontæne - en metode til at reducere hastigheden af ​​cæsiumatomer til en centimeter i sekundet og slippe af med den dobbeltarmede bølgeleder af traditionelle atomoscillatorer.

Zacharius' idé var enkel. Hvad hvis du affyrede cæsiumatomer lodret inde i en oscillator? Så vil de samme atomer passere gennem detektoren to gange: én gang, mens de rejser op, og igen ned, hvor de vil skynde sig under påvirkning af tyngdekraften. I dette tilfælde vil atomernes nedadgående bevægelse være betydeligt langsommere end deres start, fordi de under deres rejse i springvandet vil miste energi. Desværre var Zacharius i 50'erne af forrige århundrede ikke i stand til at realisere sine ideer. I hans eksperimentelle opsætning interagerede atomer, der bevægede sig opad, med dem, der faldt nedad, hvilket forvirrede nøjagtigheden af ​​detektionen.

Ideen om Zacharius blev først vendt tilbage i firserne. Forskere ved Stanford University, ledet af Steven Chu, har fundet en måde at realisere Zacharius-fontænen ved hjælp af en metode, de kalder "optisk melasse."

I Chu cæsiumfontænen bliver en sky af cæsiumatomer affyret opad forkølet af et system af tre par modrettede lasere, der har en resonansfrekvens lige under cæsiumatomernes optiske resonans.

Skema af en cæsiumfontæne med optisk melasse.

De laserkølede cæsiumatomer begynder at bevæge sig langsomt, som gennem melasse. Deres hastighed falder til tre meter i sekundet. At reducere atomernes hastighed giver forskerne mulighed for mere præcist at detektere tilstande (du må indrømme, at det er meget lettere at se nummerpladerne på en bil, der bevæger sig med en hastighed på en kilometer i timen, end en bil, der bevæger sig med en hastighed på hundrede kilometer i timen).

En kugle af afkølede cæsiumatomer sendes opad omkring en meter og passerer en bølgeleder undervejs, hvorigennem atomerne udsættes for et elektromagnetisk felt med en resonansfrekvens. Og systemets detektor registrerer ændringen i atomernes tilstand for første gang. Efter at have nået "loftet", begynder de afkølede atomer at falde på grund af tyngdekraften og passere gennem bølgelederen en anden gang. På vej tilbage registrerer detektoren igen deres tilstand. Da atomerne bevæger sig ekstremt langsomt, er deres flugt i form af en ret tæt sky let at kontrollere, hvilket betyder, at der i springvandet ikke vil være atomer, der flyver op og ned på samme tid.

Chus cæsiumfontæneanlæg blev vedtaget af NBS som en frekvensstandard i 1998 og fik navnet NIST-F1. Dens fejl var 4 * 10 -16, hvilket betyder, at NIST-F1 var mere nøjagtig end sin forgænger NIST-7.

Faktisk nåede NIST-F1 grænsen for nøjagtighed ved måling af cæsiumatomers tilstand. Men videnskabsmænd stoppede ikke ved denne sejr. De besluttede at eliminere den fejl, som sort kropsstråling introducerer i driften af ​​atomure - resultatet af interaktionen af ​​cæsiumatomer med den termiske stråling af kroppen i den installation, hvor de bevæger sig. Den nye NIST-F2 atomkronograf placerede en cæsiumfontæne i et kryogent kammer, hvilket reducerede sort kropsstråling til næsten nul. NIST-F2 fejlen er en utrolig 3*10 -17.

Graf over fejlreduktion af standardindstillinger for cæsiumfrekvens

I øjeblikket giver atomure baseret på cæsiumfontæner menneskeheden den mest nøjagtige tidsstandard, i forhold til hvilken pulsen i vores teknogene civilisation slår. Takket være tekniske tricks blev de pulserende brintmasere, der afkøler cæsiumatomer i de stationære versioner af NIST-F1 og NIST-F2, erstattet af en konventionel laserstråle, der arbejder sammen med et magneto-optisk system. Dette gjorde det muligt at skabe kompakte og meget stabile strukturer. ydre påvirkninger varianter af NIST-Fx standarder, der kan fungere i rumfartøjer. Helt fantasifuldt kaldet "Aerospace Cold Atom Clock", er disse frekvensstandarder installeret i satellitterne i navigationssystemer såsom GPS, hvilket sikrer deres fantastiske synkronisering for at løse problemet med meget nøjagtig beregning af koordinaterne for de GPS-modtagere, der bruges i vores gadgets.

En kompakt version af cæsiumfontænen atomur, kaldet "Aerospace Cold Atom Clock", bruges i GPS-satellitter

Tidsreferenceberegningen udføres af et "ensemble" på ti NIST-F2'ere placeret på forskellige forskningscentre, der samarbejder med NBS. Den nøjagtige værdi af det atomare sekund opnås kollektivt, hvorved forskellige fejl og påvirkningen af ​​den menneskelige faktor elimineres.

Det er dog muligt, at cæsiumfrekvensstandarden en dag vil blive opfattet af vores efterkommere som en meget rå mekanisme til at måle tid, ligesom vi nu ser nedladende på pendulets bevægelser i vore forfædres mekaniske bedstefarure.

En sensation har spredt sig rundt i den videnskabelige verden - tiden fordamper fra vores univers! Indtil videre er dette kun en hypotese fra spanske astrofysikere. Men det faktum, at strømmen af ​​tid på Jorden og i rummet er anderledes, er allerede blevet bevist af videnskabsmænd. Tiden flyder langsommere under påvirkning af tyngdekraften og accelererer, når den bevæger sig væk fra planeten. Opgaven med at synkronisere det jordiske og kosmisk tid udføre brintfrekvensstandarder, som også kaldes "atomure".

Den første atomtid dukkede op sammen med fremkomsten af ​​astronautik; atomure dukkede op i midten af ​​20'erne. I dag er atomure blevet en hverdagsting; hver af os bruger dem hver dag: digital kommunikation, GLONASS, navigation og transport fungerer med deres hjælp.

Ejere af mobiltelefoner tænker næppe over, hvilket komplekst arbejde der udføres i rummet for streng tidssynkronisering, og vi taler kun om milliontedele af et sekund.

Den nøjagtige tidsstandard er gemt i Moskva-regionen, i Videnskabeligt Institut fysisk-tekniske og radiotekniske målinger. Der er 450 sådanne ure i verden.

Rusland og USA har monopol på atomure, men i USA opererer ure på basis af cæsium, et radioaktivt metal, der er meget skadeligt for miljøet, og i Rusland på basis af brint, et mere sikkert og holdbart materiale.

Dette ur har ikke en skive eller visere: det ligner en stor tønde af sjældne og værdifulde metaller, fyldt med de mest avancerede teknologier - højpræcisionsmåleinstrumenter og udstyr med atomare standarder. Processen med deres skabelse er meget lang, kompleks og finder sted under absolut sterilitet.

I 4 år nu har uret installeret på den russiske satellit studeret mørk energi. Efter menneskelige standarder mister de nøjagtigheden med 1 sekund over mange millioner år.

Meget snart vil atomure blive installeret på Spektr-M - et rumobservatorium, der vil se, hvordan stjerner og exoplaneter dannes, og se ud over kanten sort hul i midten af ​​vores galakse. Ifølge videnskabsmænd flyder tiden på grund af den monstrøse tyngdekraft så langsomt her, at den næsten stopper.

tvroskosmos

For det første bruger menneskeheden ure som et middel til program-tidsstyring.

For det andet er måling af tid i dag den mest nøjagtige type måling af alle: Nøjagtigheden af ​​tidsmåling er nu bestemt af en utrolig fejl i størrelsesordenen 1·10-11%, eller 1 s om 300 tusind år.

Og vi opnåede en sådan nøjagtighed moderne mennesker da de begyndte at bruge atomer, som som følge af deres svingninger er regulatoren af ​​atomuret. Cæsiumatomer er i to energitilstande, vi har brug for (+) og (-). Elektromagnetisk stråling med en frekvens på 9.192.631.770 hertz produceres, når atomer skifter fra (+) tilstand til (-) tilstand, hvilket skaber en præcis, konstant periodisk proces - regulatoren af ​​atomurets kode.

For at atomure kan fungere præcist, skal cæsium fordampes i en ovn, en proces, der frigiver sine atomer. Bag ovnen er der en sorteringsmagnet, som har kapacitet til atomer i (+) tilstand, og i den går atomerne på grund af bestråling i mikrobølgefeltet i (-) tilstand. Den anden magnet leder de atomer, der har ændret tilstand (+) til (-) ind i den modtagende enhed. Mange atomer, der har ændret deres tilstand, opnås kun, hvis frekvensen af ​​mikrobølgeemitteren nøjagtigt falder sammen med cæsiumvibrationsfrekvensen på 9.192.631.770 hertz. Ellers falder antallet af atomer (-) i den modtagende enhed.

Enhederne overvåger og regulerer konstant den konstante frekvens på 9.192.631.770 hertz. Det betyder, at urdesignernes drøm er gået i opfyldelse, en absolut konstant periodisk proces er fundet: en frekvens på 9.192.631.770 hertz, som regulerer atomures forløb.

I dag, som et resultat af international aftale, defineres en anden som strålingsperioden ganget med 9.192.631.770, svarende til overgangen mellem to hyperfine strukturelle niveauer af cæsiumatomets grundtilstand (isotop cæsium-133).

For at måle præcis tid kan du også bruge vibrationer af andre atomer og molekyler, såsom atomer af calcium, rubidium, cæsium, strontium, brintmolekyler, jod, metan osv. Udstrålingen fra cæsiumatomet genkendes dog som frekvensen standard. For at sammenligne vibrationerne fra forskellige atomer med en standard (cæsium) blev der skabt en titanium-safirlaser, der genererer en bred vifte af frekvenser i området fra 400 til 1000 nm.

Den første skaber af kvarts og atomure var en engelsk eksperimentel fysiker Essen Lewis (1908-1997). I 1955 skabte han den første standard for atomfrekvens (tid) ved hjælp af en stråle af cæsiumatomer. Som et resultat af dette arbejde opstod 3 år senere (1958) en tidstjeneste baseret på atomfrekvensstandarden.

I USSR fremlagde akademiker Nikolai Gennadievich Basov sine ideer til at skabe et atomur.

Så, atomur, En af de præcise typer ure er et apparat til måling af tid, hvor de naturlige vibrationer af atomer eller molekyler bruges som et pendul. Stabiliteten af ​​atomure er den bedste blandt alle eksisterende typer ure, hvilket er nøglen til den højeste nøjagtighed. Atomurgeneratoren producerer mere end 32.768 impulser i sekundet, i modsætning til konventionelle ure. Atomiske vibrationer afhænger ikke af lufttemperatur, vibrationer, fugt og mange andre eksterne faktorer.

I moderne verden, når navigation simpelthen ikke kan undværes, blev atomure uundværlige assistenter. De er i stand til automatisk at bestemme placeringen af ​​et rumskib, satellit, ballistisk missil, fly, ubåd, bil via satellitkommunikation.

Således er atomure, eller rettere cæsiumure, i de sidste 50 år blevet betragtet som de mest nøjagtige. De har længe været brugt af tidstjenester, og tidssignaler udsendes også af nogle radiostationer.

Atomuret indeholder 3 dele:

kvantediskriminator,

kvarts oscillator,

elektronik kompleks.

Kvartsoscillatoren genererer en frekvens (5 eller 10 MHz). Oscillatoren er en RC-radiogenerator, som bruger piezoelektriske tilstande af en kvartskrystal som et resonanselement, hvor atomer, der har ændret tilstand (+) til (-) sammenlignes. For at øge stabiliteten sammenlignes dens frekvens konstant med svingningerne af en kvantediskriminator (atomer eller molekyler). Når der opstår en svingningsforskel, justerer elektronikken frekvensen af ​​kvartsoscillatoren til nul og øger derved urets stabilitet og nøjagtighed til det ønskede niveau.

I den moderne verden kan atomure fremstilles i ethvert land i verden til brug i Hverdagen. De er meget små i størrelsen og smukke. Det nyeste atomur er ikke større end en tændstikæske og har et lavt strømforbrug på mindre end 1 watt. Og dette er ikke grænsen, måske i fremtiden vil tekniske fremskridt nå mobiltelefoner. I mellemtiden er kompakte atomure kun installeret på strategiske missiler for at øge navigationsnøjagtigheden mange gange.

I dag kan man købe atomure til mænd og kvinder for enhver smag og pengepung i netbutikker.

I 2011 blev verdens mindste atomur skabt af specialister fra Symmetricom og Sandia National Laboratories. Dette ur er 100 gange mere kompakt end tidligere kommercielt tilgængelige versioner. Størrelsen af ​​et atomkronometer er ikke større end en tændstikæske. For at fungere har den kun brug for 100 mW strøm - det er 100 gange mindre sammenlignet med sine forgængere.

Det var muligt at reducere størrelsen af ​​uret ved at installere en mekanisme i stedet for fjedre og gear, der fungerer efter princippet om at bestemme frekvensen af ​​elektromagnetiske bølger udsendt af cæsiumatomer under påvirkning af Laser stråle ubetydelig magt.

Sådanne ure bruges i navigation såvel som i arbejdet med minearbejdere, dykkere, hvor det er nødvendigt at synkronisere tid nøjagtigt med kolleger på overfladen, såvel som præcise tidstjenester, fordi fejlen i atomure er mindre end 0,000001 fraktioner et sekund om dagen. Omkostningerne til det rekordlille atomur Symmetricom var omkring $1.500.

I det 21. århundrede udvikler satellitnavigation sig i et hastigt tempo. Du kan bestemme positionen af ​​ethvert objekt, der på en eller anden måde er forbundet med satellitter, det være sig mobiltelefon, bil eller rumskib. Men intet af dette kunne opnås uden atomure.
Disse ure bruges også i forskellige telekommunikationer, f.eks. mobil kommunikation.Dette er det mest nøjagtige ur, der nogensinde har været, er og vil blive. Uden dem ville internettet ikke være synkroniseret, vi ville ikke kende afstanden til andre planeter og stjerner osv.
I timer i sekundet tages 9.192.631.770 perioder med elektromagnetisk stråling, som opstod under overgangen mellem to energiniveauer af cæsium-133-atomet. Sådanne ure kaldes cæsiumure. Men dette er kun en af ​​tre typer atomure. Der er også brint og rubidium ure. Cæsiumure bruges dog oftest, så vi vil ikke dvæle ved andre typer.

Funktionsprincip for et cæsium atomur

Laseren opvarmer cæsiumisotopens atomer og på dette tidspunkt registrerer den indbyggede resonator alle overgange af atomerne. Og som tidligere nævnt, efter at have nået 9.192.631.770 overgange, tælles et sekund.

En laser indbygget i urkassen opvarmer atomerne i cæsiumisotopen. På dette tidspunkt registrerer resonatoren antallet af overgange af atomer til et nyt energiniveau. Når en bestemt frekvens er nået, nemlig 9.192.631.770 overgange (Hz), tælles den anden baseret på det internationale SI-system.

Brug i satellitnavigation

Processen med at bestemme den nøjagtige placering af et objekt ved hjælp af en satellit er meget vanskelig. Flere satellitter er involveret i dette, nemlig mere end 4 per modtager (f.eks. en GPS-navigator i en bil).

Hver satellit indeholder et atomur med høj præcision, en satellitradiosender og en digital kodegenerator. Radiosenderen sender en digital kode og information om satellitten til Jorden, nemlig orbitalparametre, model mv.

Uret bestemmer, hvor lang tid det tog for denne kode at nå frem til modtageren. Ved at kende radiobølgernes udbredelseshastighed beregnes afstanden til modtageren på Jorden. Men én satellit er ikke nok til dette. Moderne GPS-modtagere kan modtage signaler fra 12 satellitter samtidigt, hvilket giver dig mulighed for at bestemme placeringen af ​​et objekt med en nøjagtighed på op til 4 meter. Det er i øvrigt værd at bemærke GPS-navigatorer kræver ikke et abonnementsgebyr.