Miks on aatomkellad kõige täpsemad? Aatomkell: seade satelliidi- ja navigatsioonisüsteemide aja mõõtmiseks.

Väga täpsed aatomkellad, mis teevad ühe sekundilise vea iga 300 miljoni aasta järel. See kell, mis asendas vanema mudeli, mille viga oli üks sekund iga saja miljoni aasta tagant, seab nüüd Ameerika tsiviilaja standardi. Lenta.ru otsustas meenutada aatomkellade loomise ajalugu.

Esimene aatom

Kella loomiseks piisab, kui kasutada ükskõik millist partiiprotsess. Ja ajamõõteriistade ilmumise ajalugu on osaliselt kas uute energiaallikate või uute kellades kasutatavate võnkesüsteemide tekkimise ajalugu. Lihtsaim kell on ilmselt päikesekell: selle tööks on vaja ainult Päikest ja objekti, mis heidab varju. Selle aja määramise meetodi puudused on ilmsed. Parem pole ka vesi ja liivakellad: need sobivad vaid suhteliselt lühikeste ajavahemike mõõtmiseks.

Vanim mehaaniline kell leiti 1901. aastal Antikythera saare lähedalt Egeuse meres uppunud laevalt. Need sisaldavad umbes 30 pronksist hammasratast puidust korpuses mõõtmetega 33 x 18 x 10 sentimeetrit ja pärinevad umbes sajandast aastast eKr.

Peaaegu kaks tuhat aastat olid mehaanilised kellad kõige täpsemad ja usaldusväärsemad. Arvatavasti oli apogeeks 1657. aastal ilmunud Christian Huygensi klassikaline teos “Pendelkell” (“Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica”), mis kirjeldab pendliga ajamõõtmisseadet võnkesüsteemina. seda tüüpi mehaaniliste instrumentide väljatöötamise ajalugu.

Kuid astronoomid ja meremehed kasutasid oma asukoha ja täpse aja määramiseks endiselt tähistaevast ja kaarte. Esimese elektrikella leiutas 1814. aastal Francis Ronalds. Kuid esimene selline seade oli temperatuurimuutuste tundlikkuse tõttu ebatäpne.

Kellade edasine ajalugu on seotud erinevate võnkesüsteemide kasutamisega seadmetes. 1927. aastal Bell Laboratories tutvustatud kvartskellad kasutasid kvartskristalli piesoelektrilisi omadusi: kokkupuutel elektrivool kristall hakkab kahanema. Kaasaegsete kvartskronomeetrite täpsus on 0,3 sekundit kuus. Kuna aga kvarts on vastuvõtlik vananemisele, muutuvad kellad aja jooksul vähem täpseks.

Aatomifüüsika arenguga tegid teadlased ettepaneku kasutada aineosakesi võnkesüsteemidena. Nii tekkisid esimesed aatomkellad. Idee võimalusest kasutada aja mõõtmiseks vesiniku aatomvõnkumisi pakkus välja juba 1879. aastal inglise füüsik Lord Kelvin, kuid alles 20. sajandi keskpaigaks sai see võimalikuks.

Hubert von Herkomeri maali reproduktsioon (1907)

1930. aastatel alustas Ameerika füüsik ja tuumamagnetresonantsi pioneer Isidor Rabi tööd tseesium-133 aatomkella kallal, kuid sõja puhkemine takistas tal seda teha. Pärast sõda, 1949. aastal, loodi USA riiklikus standardikomitees Harold Lyonsoni osalusel esimene ammoniaagi molekule kasutav molekulaarkell. Kuid esimesed sellised ajamõõteriistad ei olnud nii täpsed kui tänapäevased aatomkellad.

Suhteliselt madal täpsus tulenes sellest, et ammoniaagi molekulide vastastikmõjul üksteisega ja anuma seintega, milles see aine paiknes, muutus molekulide energia ja laienesid spektrijooned. See efekt on väga sarnane mehaanilise kella hõõrdumisele.

Hiljem, 1955. aastal, tutvustas Louis Essen Ühendkuningriigi riiklikust füüsikalaborist esimest tseesium-133 aatomkella. See kell kogus miljoni aasta jooksul ühe sekundi vea. Seade sai nimeks NBS-1 ja seda hakati pidama tseesiumi sagedusstandardiks.

Aatomkella skemaatiline diagramm koosneb kvartsostsillaatorist, mida juhib vastavalt vooluringile diskriminaator tagasisidet. Ostsillaator kasutab ära kvartsi piesoelektrilisi omadusi, samas kui diskriminaator kasutab aatomite energeetilist vibratsiooni, nii et kvartsi vibratsiooni jälgitakse signaalide abil, mis pärinevad aatomite või molekulide erinevatelt energiatasemetelt. Generaatori ja diskriminaatori vahel on kompensaator, mis on häälestatud aatomivõnke sagedusele ja võrdleb seda kristalli vibratsiooni sagedusega.

Kellas kasutatavad aatomid peavad pakkuma stabiilseid vibratsioone. Iga elektromagnetilise kiirguse sageduse jaoks on aatomid: kaltsium, strontsium, rubiidium, tseesium, vesinik. Või isegi ammoniaagi ja joodi molekulid.

Ajastandard

Aatomaja mõõtmisseadmete tulekuga sai võimalikuks kasutada neid universaalse standardina teise määramiseks. Alates 1884. aastast on maailma standardiks peetud Greenwichi aeg andnud teed aatomkellade standardile. 1967. aastal määrati 12. kaalude ja mõõtude peakonverentsi otsusega üks sekund 9192631770 kiirgusperioodi kestuseks, mis vastab üleminekule tseesium-133 aatomi põhioleku kahe ülipeen taseme vahel. See teise määratlus ei sõltu astronoomilistest parameetritest ja seda saab reprodutseerida kõikjal planeedil. Aatomkella standardis kasutatav tseesium-133 on ainus stabiilne tseesiumi isotoop, mille sisaldus Maal on 100%.

Aatomkell kasutatakse ka satelliitnavigatsioonisüsteemides; need on vajalikud täpse aja ja satelliidi koordinaatide määramiseks. Seega on igal GPS-satelliidil neli komplekti selliseid kellasid: kaks rubiidium- ja kaks tseesiumkella, mis tagavad signaali edastamise täpsuse 50 nanosekundit. Samuti on GLONASS süsteemi Venemaa satelliidid varustatud tseesiumi ja rubiidiumi aatomi ajamõõtmisseadmetega ning kasutuselevõtva Euroopa Galileo geopositsioneerimissüsteemi satelliidid vesiniku ja rubiidiumiga.

Vesinikkellade täpsus on kõrgeim. 12 tunni jooksul on see 0,45 nanosekundit. Ilmselt muudab Galileo nii täpsete kellade kasutamine selle navigatsioonisüsteemi liidriks juba 2015. aastal, mil orbiidil on 18 selle satelliiti.

Kompaktne aatomkell

Hewlett-Packardist sai esimene ettevõte, kes töötas välja kompaktse aatomkella. 1964. aastal lõi ta tseesiumiseadme HP 5060A, mis on suure kohvri suurune. Ettevõte jätkas selle suuna arendamist, kuid 2005. aastal müüs ta oma aatomkellasid arendava divisjoni Symmetricomile.

2011. aastal töötasid Draper Laboratory ja Sandia National Laboratories spetsialistid välja ning Symmetricom andis välja esimese miniatuurse aatomkella Quantum. Väljalaskmise ajal maksid need umbes 15 tuhat dollarit, olid suletud 40 x 35 x 11 mm mõõtmetega suletud korpusesse ja kaalusid 35 grammi. Kella voolutarve jäi alla 120 millivati. Algselt töötati need välja Pentagoni tellimusel ja need olid ette nähtud GPS-süsteemidest sõltumatult töötavate navigatsioonisüsteemide teenindamiseks, näiteks sügaval vee all või maa all.

Juba 2013. aasta lõpus tutvustas Ameerika ettevõte Bathys Hawaii esimest “randme” aatomkella. Põhikomponendina kasutavad nad Symmetricomi toodetud SA.45s kiipi. Kiibi sees on kapsel tseesium-133-ga. Kella disainis on ka fotoelemendid ja väikese võimsusega laser. Viimane tagab tseesiumgaasi kuumutamise, mille tulemusena hakkavad selle aatomid liikuma ühelt energiatasemelt teisele. Aja mõõtmine toimub täpselt sellise ülemineku registreerimisega. Uue seadme maksumus on umbes 12 tuhat dollarit.

Miniaturiseerimise, autonoomia ja täpsuse suundumused viivad selleni, et lähitulevikus ilmuvad kõikidesse piirkondadesse uued aatomkellaga seadmed inimelu, alustades kosmoseuuringud orbitaalsetel satelliitidel ja jaamadel kuni majapidamisrakendusteni ruumi- ja randmesüsteemides.

Millised "kellasepad" selle ülitäpse mehhanismi leiutasid ja täiustasid? Kas talle on asendaja? Proovime selle välja mõelda.

2012. aastal tähistab tuumaajavõtt neljakümne viiendat aastapäeva. 1967. aastal hakati ajakategooriat rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis määrama mitte astronoomiliste skaalade, vaid tseesiumi sageduse standardi järgi. Seda nimetavad tavalised inimesed aatomkellaks.

Mis on aatomostsillaatorite tööpõhimõte? Need "seadmed" kasutavad resonantssageduse allikana aatomite või molekulide kvantenergia taset. Kvantmehaanika ühendab mitu diskreetset energiataset süsteemiga "aatomituum - elektronid". Teatud sagedusega elektromagnetväli võib provotseerida selle süsteemi üleminekut madal tase kõrgemale. Võimalik on ka vastupidine nähtus: aatom võib energiat kiirgades liikuda kõrgelt energiatasemelt madalamale. Mõlemat nähtust saab kontrollida ja neid energiatasemetevahelisi hüppeid salvestada, luues seeläbi võnkeahela tunde. Selle ahela resonantssagedus võrdub kahe üleminekutaseme energia erinevusega, mis on jagatud Plancki konstandiga.

Saadud aatomostsillaatoril on oma astronoomiliste ja mehaaniliste eelkäijatega võrreldes vaieldamatuid eeliseid. Erinevalt pendlitest ja piesokristallidest on ostsillaatoriks valitud aine kõigi aatomite resonantssagedus sama. Lisaks ei kulu aatomid aja jooksul ega muuda oma omadusi. Ideaalne praktiliselt igavese ja ülitäpse kronomeetri jaoks.

Esimest korda kaalus võimalust kasutada aatomite tasanditevahelisi energiasiirdeid sagedusstandardina juba 1879. aastal Briti füüsik William Thomson, paremini tuntud kui Lord Kelvin. Ta tegi ettepaneku kasutada resonaatoriaatomite allikana vesinikku. Tema uurimustöö oli aga pigem teoreetiline. Teadus ei olnud tol ajal veel valmis aatomkronomeetri väljatöötamiseks.

Lord Kelvini idee teostuseni kulus peaaegu sada aastat. See oli pikk aeg, kuid ülesanne polnud kerge. Aatomite muutmine ideaalseteks pendliteks osutus praktikas keerulisemaks kui teoorias. Raskus seisnes võitluses nn resonantslaiusega - energia neeldumise ja emissiooni sageduse väike kõikumine, kui aatomid liiguvad tasemelt teisele. Resonantssageduse ja resonantsi laiuse suhe määrab aatomi ostsillaatori kvaliteedi. Ilmselgelt, mida suurem on resonantsi laiuse väärtus, seda madalam on aatomipendli kvaliteet. Kahjuks ei ole võimalik kvaliteedi parandamiseks resonantssagedust tõsta. See on konstantne iga konkreetse aine aatomite jaoks. Kuid resonantsi laiust saab vähendada, suurendades aatomite vaatlusaega.

Tehniliselt on seda võimalik saavutada järgmiselt: lasta välisel, näiteks kvarts-ostsillaatoril perioodiliselt tekitada elektromagnetkiirgust, mis paneb doonoraine aatomid hüppama üle energiataseme. Sel juhul on aatomikronograafi tuuneri ülesanne viia selle kvartsostsillaatori sagedus võimalikult lähedale aatomite tasanditevahelise ülemineku resonantssagedusele. See saab võimalikuks piisavalt pika aatomivõnke vaatlusperioodi ja kvartsi sagedust reguleeriva tagasiside loomise korral.

Tõsi, lisaks aatomkronograafi resonantslaiuse vähendamise probleemile on palju muid probleeme. See on Doppleri efekt - resonantssageduse nihe aatomite liikumisest ja aatomite vastastikustest kokkupõrgetest, mis põhjustab planeerimata energiasiirdeid ja isegi tumeaine läbiva energia mõju.

Esimest korda proovige praktiline rakendamine aatomkella võtsid eelmise sajandi kolmekümnendatel kasutusele Columbia ülikooli teadlased tuleviku juhtimisel Nobeli preemia laureaat Dr Isidor Rabi. Rabi tegi ettepaneku kasutada pendli aatomite allikana tseesiumi isotoopi 133 Cs. Kahjuks katkestas Rabi töö, mis NBS-ile suurt huvi pakkus, Teine maailmasõda.

Pärast selle valmimist läks aatomkronograafi juurutamise juhtroll NBS-i töötajale Harold Lyonsile. Tema aatomostsillaator töötas ammoniaagiga ja andis vea, mis on võrreldav kvartsresonaatorite parimate näidetega. 1949. aastal demonstreeriti ammoniaagi aatomkella laiemale avalikkusele. Hoolimata üsna keskpärasest täpsusest rakendasid nad aatomikronograafide tulevaste põlvkondade põhiprintsiipe.

Louis Esseni saadud tseesiumi aatomkella prototüüp andis täpsuse 1 * 10 -9, samas kui resonantsi laius oli vaid 340 hertsi

Veidi hiljem täiustas Harvardi ülikooli professor Norman Ramsey Isidor Rabi ideid, vähendades Doppleri efekti mõju mõõtmiste täpsusele. Ta tegi ettepaneku ühe pika kõrgsagedusliku impulsiga erutava aatomi asemel kasutada kahte lühikest, mis saadetakse lainejuhi harudesse, mis asuvad üksteisest teatud kaugusel. See võimaldas järsult vähendada resonantsi laiust ja tegelikult võimaldas luua aatomostsillaatoreid, mis on suurusjärgu võrra paremad kui nende kvartsist esivanemad.

Möödunud sajandi viiekümnendatel töötas Norman Ramsey pakutud skeemi järgi riiklikus füüsikalaboris (Ühendkuningriik) selle töötaja Louis Essen aatomi ostsillaatori kallal, mis põhines tseesiumi isotoobil 133 Cs, mille oli varem välja pakkunud Rabi. Tseesiumit ei valitud juhuslikult.

Tseesium-133 isotoobi aatomite ülipeente üleminekutasemete skeem

Leelismetallide rühma kuuluvad tseesiumiaatomid erutuvad ülimalt kergesti energiatasemete vahel hüppama. Näiteks võib valguskiir tseesiumi aatomistruktuurist kergesti välja lüüa elektronide voo. Tänu sellele omadusele kasutatakse tseesiumi laialdaselt fotodetektorites.

Klassikalise tseesiumostsillaatori disain, mis põhineb Ramsey lainejuhil

Esimene ametlik tseesiumi sagedusstandard NBS-1

NBS-1 järeltulija – NIST-7 ostsillaator kasutas tseesiumiaatomite kiirte laserpumpamist

Esseni prototüübi tõeliseks standardiks saamiseks kulus rohkem kui neli aastat. Lõppude lõpuks oli aatomkellade täpne reguleerimine võimalik ainult olemasolevate efemeriidi ajaühikutega võrreldes. Nelja aasta jooksul kalibreeriti aatomiostsillaatorit, jälgides Kuu pöörlemist ümber Maa, kasutades täppis-kuukaamerat, mille leiutas USA mereväe vaatluskeskuse William Markowitz.

Aatomkellade "kohandamine" Kuu efemeriidile viidi läbi aastatel 1955–1958, misjärel tunnustas NBS seadet ametlikult sagedusstandardina. Veelgi enam, tseesiumi aatomkellade enneolematu täpsus sundis NBS-i muutma SI-standardis ajaühikut. Alates 1958. aastast on teine ​​ametlikult vastu võetud kui "9 192 631 770 kiirgusperioodi kestus, mis vastab üleminekule tseesium-133 isotoobi aatomi standardoleku kahe ülipeen taseme vahel".

Louis Esseni seade sai nimeks NBS-1 ja seda peeti esimeseks tseesiumi sagedusstandardiks.

Järgmise kolmekümne aasta jooksul töötati välja kuus NBS-1 modifikatsiooni, millest viimane, NIST-7, mis loodi 1993. aastal, asendades magnetid laserlõksudega, tagab täpsuse 5 * 10 -15 ja resonantslaiusega vaid kuuskümmend. - kaks hertsi.

NBS-i poolt kasutatavate tseesiumi sagedusstandardite karakteristikute võrdlustabel

NBS-seadmed on statsionaarsed alused, mis võimaldab neid klassifitseerida pigem standarditeks kui praktiliselt kasutatavateks ostsillaatoriteks. Kuid puhtalt praktilistel eesmärkidel töötas Hewlett-Packard tseesiumi sagedusstandardi kasuks. 1964. aastal lõi tulevane arvutihiiglane tseesiumi sagedusstandardi kompaktse versiooni - seadme HP 5060A.

NBS-standardite abil kalibreeritud HP 5060 sagedusstandardid sobivad tüüpilise raadioseadmete riiuliga ja olid äriliselt edukad. Just tänu Hewlett-Packardi seatud tseesiumi sagedusstandardile sai aatomkellade enneolematu täpsus laialt levinud.

Hewlett-Packard 5060A.

Selle tulemusena said võimalikuks sellised asjad nagu satelliittelevisioon ja -side, globaalsed navigatsioonisüsteemid ja infovõrgu aja sünkroonimisteenused. Tööstusliku aatomi kronograafi tehnoloogia jaoks on olnud palju rakendusi. Samas ei piirdunud Hewlett-Packard sellega ning parandab pidevalt tseesiumistandardite kvaliteeti ning nende kaalu ja mõõtmeid.

Hewlett-Packardi aatomkellade perekond

2005. aastal müüdi Hewlett-Packardi aatomkellade osakond Simmetricomile.

Koos tseesiumiga, mille varud looduses on väga piiratud ja nõudlus selle järele erinevates tehnoloogiavaldkondades äärmiselt suur, kasutati doonorainena rubiidiumi, mille omadused on väga lähedased tseesiumile.

Näib, et olemasolev skeem aatomkellad on viidud täiuslikkuseni. Vahepeal oli sellel tüütu puudus, mille kõrvaldamine sai võimalikuks teise põlvkonna tseesiumi sagedusstandardites, mida nimetatakse tseesiumipurskkaevudeks.

Aja ja optilise melassi purskkaevud

Hoolimata tseesiumiaatomite oleku lasertuvastust kasutava NIST-7 aatomkronomeetri suurimast täpsusest, ei erine selle konstruktsioon põhimõtteliselt tseesiumi sagedusstandardite esimeste versioonide konstruktsioonidest.

Kõigi nende skeemide disaini puuduseks on see, et lainejuhis liikuva tseesiumiaatomite kiire levimiskiirust on põhimõtteliselt võimatu kontrollida. Ja seda hoolimata asjaolust, et tseesiumiaatomite liikumiskiirus toatemperatuuril on sada meetrit sekundis. Väga kiiresti.

Seetõttu on kõik tseesiumistandardite modifikatsioonid tasakaalu otsimine lainejuhi suuruse, millel on aega kahes punktis kiireid tseesiumiaatomeid mõjutada, ja selle mõju tulemuste tuvastamise täpsuse vahel. Mida väiksem on lainejuht, seda keerulisem on tekitada järjestikuseid elektromagnetimpulsse, mis mõjutavad samu aatomeid.

Mis siis, kui leiame viisi tseesiumiaatomite kiiruse vähendamiseks? Just see idee tekitas muret MIT-i üliõpilasele Jerold Zachariusele, kes uuris gravitatsiooni mõju aatomite käitumisele eelmise sajandi neljakümnendate lõpus. Hiljem, osaledes tseesiumi sagedusstandardi Atomichroni variandi väljatöötamises, pakkus Zacharius välja tseesiumi purskkaevu idee - meetodi tseesiumi aatomite kiiruse vähendamiseks ühe sentimeetrini sekundis ja kaheharulisest lainejuhist vabanemiseks. traditsioonilistest aatomostsillaatoritest.

Zachariuse idee oli lihtne. Mis siis, kui laseksite tseesiumi aatomeid vertikaalselt ostsillaatori sees? Seejärel läbivad samad aatomid detektorit kaks korda: üks kord üles ja uuesti alla liikudes, kus nad gravitatsiooni mõjul sööstavad. Sel juhul on aatomite allapoole liikumine oluliselt aeglasem kui õhkutõus, sest purskkaevus reisi ajal kaotavad nad energiat. Kahjuks ei suutnud Zacharius eelmise sajandi viiekümnendatel oma ideid realiseerida. Tema eksperimentaalses seadistuses suhtlesid ülespoole liikuvad aatomid alla langevatega, mis segas tuvastamise täpsust.

Sakariuse idee naasis alles kaheksakümnendatel. Stanfordi ülikooli teadlased eesotsas Steven Chuga on leidnud viisi Zachariuse purskkaevu realiseerimiseks, kasutades meetodit, mida nad nimetavad "optiliseks melassiks".

Chu tseesiumi purskkaevus jahutatakse ülespoole suunatud tseesiumiaatomite pilve kolme paari vastassuunas laserite süsteemiga, mille resonantssagedus on tseesiumiaatomite optilisest resonantsist veidi madalam.

Optilise melassiga tseesiumpurskkaevu skeem.

Laserjahutusega tseesiumi aatomid hakkavad aeglaselt liikuma, justkui läbi melassi. Nende kiirus langeb kolme meetrini sekundis. Aatomite kiiruse vähendamine annab teadlastele võimaluse olekuid täpsemalt tuvastada (peab tunnistama, kilomeetrise tunnikiirusega liikuva auto numbrimärke on palju lihtsam näha kui sajakiirusel liikuval autol kilomeetrit tunnis).

Jahutatud tseesiumiaatomitest koosnev pall lastakse umbes meetri kaugusel ülespoole, läbides teel lainejuhi, mille kaudu aatomid puutuvad kokku resonantssagedusega elektromagnetväljaga. Ja süsteemi detektor registreerib esimest korda aatomite oleku muutuse. Pärast “lae” saavutamist hakkavad jahutatud aatomid gravitatsiooni mõjul langema ja läbivad lainejuhi teist korda. Tagasiteel registreerib detektor taas nende seisundi. Kuna aatomid liiguvad üliaeglaselt, on nende lendu üsna tiheda pilvena lihtne kontrollida, mis tähendab, et purskkaevus ei lenda korraga üles-alla aatomeid.

NBS võttis Chu tseesiumipurskkaevu sagedusstandardina kasutusele 1998. aastal ja sai nimeks NIST-F1. Selle viga oli 4 * 10 -16, mis tähendab, et NIST-F1 oli täpsem kui tema eelkäija NIST-7.

Tegelikult saavutas NIST-F1 tseesiumiaatomite oleku mõõtmise täpsuse piiri. Kuid teadlased ei peatunud selle võidu juures. Nad otsustasid kõrvaldada vea, mille musta keha kiirgus aatomkellade töösse toob - tseesiumiaatomite ja selle käitise keha soojuskiirguse koostoime tulemus, milles nad liiguvad. Uus NIST-F2 aatomkronograaf paigutas tseesiumipurskkaevu krüogeensesse kambrisse, vähendades musta keha kiirgust peaaegu nullini. NIST-F2 viga on uskumatu 3 * 10 -17.

Tseesiumi sageduse standardvariantide vea vähendamise graafik

Praegu annavad tseesiumipurskkaevudel põhinevad aatomkellad inimkonnale kõige täpsema ajastandardi, mille suhtes meie tehnogeense tsivilisatsiooni pulss lööb. Tänu tehnilistele nippidele asendati NIST-F1 ja NIST-F2 statsionaarsetes versioonides tseesiumiaatomeid jahutavad impulssvesinikmaserid tavapärase laserkiirega, mis töötab paralleelselt magneto-optilise süsteemiga. See võimaldas luua kompaktseid ja väga stabiilseid struktuure. välismõjud NIST-Fx standardite variandid, mis võivad töötada kosmosesõidukites. Üsna fantaasiarikkalt nimega "Aerospace Cold Atom Clock" on need sagedusstandardid paigaldatud selliste navigatsioonisüsteemide nagu GPS satelliitidesse, mis tagab nende hämmastava sünkroonimise, et lahendada meie vidinates kasutatavate GPS-vastuvõtjate koordinaatide väga täpse arvutamise probleem.

GPS-satelliitides kasutatakse tseesiumi purskkaevu aatomkella kompaktset versiooni, mida nimetatakse "Aerospace Cold Atom Clockiks".

Aja võrdlusarvutuse teostab kümnest NIST-F2-st koosnev "ansambel", mis asub erinevates NBS-iga koostööd tegevates uurimiskeskustes. Aatomsekundi täpne väärtus saadakse kollektiivselt, välistades sellega erinevad vead ja inimfaktori mõju.

Siiski on võimalik, et ühel päeval tajuvad meie järeltulijad tseesiumi sageduse etaloni väga jämeda aja mõõtmise mehhanismina, nii nagu me praegu vaatame alandlikult pendli liikumist oma esivanemate mehaanilistes vanaisakellades.

Teadusmaailmas on levinud sensatsioon – aeg haihtub meie universumist! Siiani on see ainult Hispaania astrofüüsikute hüpotees. Kuid seda, et aja kulg Maal ja ruumis on erinev, on teadlased juba tõestanud. Aeg voolab gravitatsiooni mõjul aeglasemalt, planeedist eemaldudes kiireneb. Ülesanne sünkroniseerida maise ja kosmiline aeg täitma vesiniku sagedusstandardeid, mida nimetatakse ka "aatomkelladeks".

Esimene aatomiaeg ilmus koos astronautika tekkega 20. aastate keskel. Tänapäeval on aatomkellad muutunud igapäevaseks kasutuseks: digitaalne side, GLONASS, navigatsioon ja transport toimivad nende abiga.

Vaevalt mõtlevad mobiiltelefonide omanikud sellele, millist keerulist tööd ruumis aja rangeks sünkroonimiseks tehakse, ja me räägime vaid sekundi miljondikest.

Täpne ajastandard on salvestatud Moskva regioonis Teaduslik Instituut füüsikalis-tehnilised ja raadiotehnilised mõõtmised. Maailmas on 450 sellist kella.

Venemaal ja USA-l on aatomkellade monopolid, kuid USA-s töötavad kellad tseesiumi baasil, mis on väga keskkonnakahjulik radioaktiivne metall, Venemaal aga vesiniku baasil ohutum, vastupidavam materjal.

Sellel kellal ei ole sihverplaati ega näpunäiteid: see näeb välja nagu haruldaste ja väärtuslike metallide suur tünn, mis on täidetud kõige arenenuma tehnoloogiaga - ülitäpsed mõõteriistad ja aatomistandarditega seadmed. Nende loomise protsess on väga pikk, keeruline ja toimub absoluutse steriilsuse tingimustes.

Venemaa satelliidile paigaldatud kell on juba 4 aastat uurinud tumeenergiat. Inimstandardite järgi kaotavad nad paljude miljonite aastate jooksul 1 sekundi võrra täpsust.

Varsti paigaldatakse aatomkellad Spektr-M-ile - kosmoseobservatooriumile, mis näeb, kuidas tekivad tähed ja eksoplaneet, ning vaatab servast kaugemale. must auk meie galaktika keskel. Teadlaste sõnul voolab aeg siin koletu gravitatsiooni tõttu nii aeglaselt, et peaaegu peatub.

tvroskosmos

Esiteks kasutab inimkond kellasid programmi aja juhtimise vahendina.

Teiseks on aja mõõtmine tänapäeval kõige täpsem mõõtmisviis kõigist: aja mõõtmise täpsuse määrab nüüd uskumatu viga suurusjärgus 1·10-11% ehk 1 s 300 tuhande aasta jooksul.

Ja me saavutasime sellise täpsuse kaasaegsed inimesed kui nad hakkasid kasutama aatomid, mis oma võnkumiste tulemusena on aatomkella regulaatoriks. Tseesiumi aatomid on kahes energiaseisundis, mida vajame (+) ja (-). Elektromagnetkiirgus sagedusega 9 192 631 770 hertsi tekib aatomite üleminekul (+) olekust (-) olekusse, luues täpse, konstantse perioodilise protsessi - aatomkella koodi regulaatori.

Selleks, et aatomkellad töötaksid täpselt, tuleb tseesium ahjus aurustada – see protsess vabastab selle aatomid. Ahju taga on sorteerimismagnet, mille aatomite mahutavus on (+) olekus ja selles lähevad mikrolaineväljas kiiritamise tõttu aatomid (-) olekusse. Teine magnet suunab aatomid, mis on muutnud olekut (+) (-) vastuvõtvasse seadmesse. Paljud oma olekut muutnud aatomid saadakse ainult siis, kui mikrolainekiirguse sagedus langeb täpselt kokku tseesiumi vibratsioonisagedusega 9 192 631 770 hertsi. Vastasel juhul väheneb aatomite arv (-) vastuvõtuseadmes.

Seadmed jälgivad ja reguleerivad pidevalt konstantset sagedust 9 192 631 770 hertsi. See tähendab, et kelladisainerite unistus on täitunud, leitud on absoluutselt pidev perioodiline protsess: sagedus 9 192 631 770 hertsi, mis reguleerib aatomkellade kulgu.

Tänapäeval on rahvusvahelise kokkuleppe tulemusena defineeritud sekundit kui kiirgusperioodi, mis on korrutatud 9 192 631 770-ga, mis vastab üleminekule tseesiumi aatomi (isotoop tseesium-133) põhioleku kahe ülipeen struktuuritaseme vahel.

Täpse aja mõõtmiseks võite kasutada ka teiste aatomite ja molekulide, näiteks kaltsiumi-, rubiidiumi-, tseesiumi-, strontsiumiaatomite, vesiniku molekulide, joodi, metaani jne aatomite vibratsiooni. Sagedusena tunnustatakse aga tseesiumiaatomi kiirgust. standard. Erinevate aatomite vibratsiooni võrdlemiseks standardiga (tseesiumiga) loodi titaan-safiirlaser, mis genereerib laia sagedusvahemikku vahemikus 400-1000 nm.

Esimene kvarts- ja aatomkellade looja oli inglise eksperimentaalfüüsik Essen Lewis (1908-1997). 1955. aastal lõi ta tseesiumi aatomite kiirte abil esimese aatomisageduse (aja) standardi. Selle töö tulemusena tekkis 3 aastat hiljem (1958) aatomisageduse standardil põhinev ajateenistus.

NSV Liidus esitas akadeemik Nikolai Gennadievitš Basov oma ideed aatomkella loomiseks.

Niisiis, aatomkell,Üks täpsemaid kellatüüpe on aja mõõtmise seade, kus pendlina kasutatakse aatomite või molekulide loomulikke vibratsioone. Aatomkellade stabiilsus on kõigist parim olemasolevad tüübid kellad, mis on suurima täpsuse võti. Aatomkella generaator toodab erinevalt tavapärastest kelladest rohkem kui 32 768 impulssi sekundis. Aatomivõnked ei sõltu õhutemperatuurist, vibratsioonist, niiskusest ja paljudest muudest välisteguritest.

IN kaasaegne maailm, mil ilma navigeerimist lihtsalt ei saa, said aatomkellad asendamatud abilised. Nad on võimelised satelliitside kaudu automaatselt määrama kosmoselaeva, satelliidi, ballistilise raketi, lennuki, allveelaeva, auto asukoha.

Seega on viimased 50 aastat peetud kõige täpsemateks aatomkellasid, õigemini tseesiumkellasid. Neid on ajateenistused juba ammu kasutanud ja ajasignaale edastavad ka mõned raadiojaamad.

Aatomkella seade koosneb kolmest osast:

kvant-diskriminaator,

kvartsostsillaator,

elektroonikakompleks.

Kvartsostsillaator genereerib sagedust (5 või 10 MHz). Ostsillaator on RC-raadiogeneraator, mis kasutab resonantselemendina kvartskristalli piesoelektrilisi režiime, kus võrreldakse oleku (+) muutnud aatomeid (-) Stabiilsuse suurendamiseks võrreldakse selle sagedust pidevalt võnkumistega kvantdiskriminaator (aatomid või molekulid) . Võnkumise erinevuse ilmnemisel reguleerib elektroonika kvartsostsillaatori sageduse nulli, suurendades sellega kella stabiilsust ja täpsust soovitud tasemele.

Kaasaegses maailmas saab aatomkellasid toota igas maailma riigis kasutamiseks Igapäevane elu. Nad on väga väikesed ja ilusad. Uusim aatomkell ei ole suurem kui tikutoosi ja selle energiatarve on väike, alla 1 vati. Ja see pole piir, võib-olla jõuab tehnika progress tulevikus ka mobiiltelefonideni. Vahepeal paigaldatakse kompaktsed aatomkellad ainult strateegilistele rakettidele, et suurendada navigatsioonitäpsust kordades.

Tänapäeval saab veebipoodidest osta igale maitsele ja eelarvele mõeldud meeste ja naiste aatomikellasid.

2011. aastal lõid Symmetricomi ja Sandia National Laboratories spetsialistid maailma väikseima aatomkella. See kell on 100 korda kompaktsem kui eelmised müügil olevad versioonid. Aatomkronomeetri suurus ei ole suurem kui tikutoosi. Töötamiseks vajab see vaid 100 mW võimsust – seda on eelkäijatega võrreldes 100 korda vähem.

Kella suurust oli võimalik vähendada, paigaldades vedrude ja hammasrataste asemele mehhanismi, mis töötab tseesiumiaatomite mõjul kiirgavate elektromagnetlainete sageduse määramise põhimõttel. laserkiir tühine võimsus.

Selliseid kellasid kasutatakse nii navigatsioonis kui ka kaevurite, sukeldujate töös, kus on vaja täpselt sünkroniseerida aega pinnal olevate kolleegidega, samuti täpsete ajateenistuste puhul, sest aatomkellade viga on alla 0,000001 murdosa. sekundit päevas. Rekordiliselt väikese aatomkella Symmetricomi maksumus oli umbes 1500 dollarit.

21. sajandil areneb satelliitnavigatsioon kiires tempos. Saate määrata mis tahes objektide asukoha, mis on kuidagi satelliitidega ühendatud, olgu see siis mobiiltelefon, auto või kosmoselaev. Kuid seda ei oleks võimalik saavutada ilma aatomkelladeta.
Samuti kasutatakse neid kellasid erinevates telekommunikatsioonides, näiteks mobiilside.See on kõige täpsem kell, mis kunagi oli, on ja saab olema. Ilma nendeta ei oleks internet sünkroniseeritud, me ei teaks kaugust teiste planeetide ja tähtedeni jne.
Tunnides sekundis võetakse 9 192 631 770 elektromagnetkiirguse perioodi, mis tekkisid tseesium-133 aatomi kahe energiataseme vahelisel üleminekul. Selliseid kellasid nimetatakse tseesiumkelladeks. Kuid see on vaid üks kolmest aatomkellatüübist. Samuti on vesinik- ja rubiidiumkellad. Kuid tseesiumkellasid kasutatakse kõige sagedamini, nii et me ei peatu teistel tüüpidel.

Tseesiumi aatomkella tööpõhimõte

Laser soojendab tseesiumi isotoobi aatomeid ja sel ajal registreerib sisseehitatud resonaator kõik aatomite üleminekud. Ja nagu varem mainitud, läheb pärast 9 192 631 770 üleminekuni jõudmist üks sekund.

Kella korpusesse ehitatud laser soojendab tseesiumi isotoobi aatomeid. Sel ajal registreerib resonaator aatomite üleminekute arvu uuele energiatasemele. Kui saavutatakse teatud sagedus, nimelt 9 192 631 770 üleminekut (Hz), loendatakse sekund rahvusvahelise SI-süsteemi alusel.

Kasuta satelliitnavigatsioonis

Objekti täpse asukoha määramine satelliidi abil on väga keeruline. Sellega on seotud mitu satelliiti, nimelt rohkem kui 4 vastuvõtja kohta (näiteks autos olev GPS-navigaator).

Iga satelliit sisaldab ülitäpset aatomkella, satelliitraadiosaatjat ja digitaalset koodigeneraatorit. Raadiosaatja saadab Maale digitaalse koodi ja teabe satelliidi kohta, nimelt orbiidi parameetrid, mudeli jne.

Kell määrab, kui kaua kulus selle koodi jõudmiseks vastuvõtjani. Seega, teades raadiolainete levimiskiirust, arvutatakse kaugus vastuvõtjani Maal. Kuid ühest satelliidist selleks ei piisa. Kaasaegsed GPS-vastuvõtjad suudavad korraga vastu võtta signaale 12 satelliidilt, mis võimaldab määrata objekti asukoha kuni 4 meetri täpsusega. Muide, see väärib märkimist GPS-navigaatorid ei nõua liitumistasu.