Waarom zijn atoomklokken het meest nauwkeurig? Atoomklok: Een apparaat voor het meten van de tijd van satelliet- en navigatiesystemen.

Zeer nauwkeurige atoomklokken die elke 300 miljoen jaar een fout van één seconde maken. Deze klok, die een ouder model verving dat elke honderd miljoen jaar een fout van één seconde had, bepaalt nu de standaard voor de Amerikaanse burgerlijke tijd. Lenta.ru besloot de geschiedenis van de creatie van atoomklokken in herinnering te brengen.

Eerste atoom

Om een ​​horloge te maken, volstaat het om er een te gebruiken batch-proces. En de geschiedenis van het verschijnen van tijdmeetinstrumenten is deels de geschiedenis van de opkomst van nieuwe energiebronnen of nieuwe oscillerende systemen die in horloges worden gebruikt. De eenvoudigste klok is waarschijnlijk de zonneklok: voor de werking ervan heb je alleen de zon nodig en een voorwerp dat schaduw werpt. De nadelen van deze methode voor het bepalen van de tijd liggen voor de hand. Water en zandlopers zijn ook niet beter: ze zijn alleen geschikt voor het meten van relatief korte tijdsperioden.

De oudste mechanische klok werd in 1901 gevonden nabij het eiland Antikythera op een gezonken schip in de Egeïsche Zee. Ze bevatten ongeveer 30 bronzen tandwielen in een houten kist van 33 bij 18 bij 10 centimeter en dateren uit ongeveer het honderdste jaar voor Christus.

Bijna tweeduizend jaar lang waren mechanische horloges het meest nauwkeurig en betrouwbaar. De verschijning in 1657 van het klassieke werk van Christian Huygens, “De slingerklok” (“Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstratiees geometrische”), waarin een tijdwaarnemingsapparaat met een slinger als oscillerend systeem wordt beschreven, was waarschijnlijk het hoogtepunt in de geschiedenis van de ontwikkeling van mechanische instrumenten van dit type.

Astronomen en zeelieden gebruikten echter nog steeds de sterrenhemel en kaarten om hun locatie en exacte tijd te bepalen. De eerste elektrische klok werd in 1814 uitgevonden door Francis Ronalds. Het eerste dergelijke apparaat was echter onnauwkeurig vanwege de gevoeligheid voor temperatuurveranderingen.

De verdere geschiedenis van horloges houdt verband met het gebruik van verschillende oscillerende systemen in apparaten. Kwartsklokken, geïntroduceerd in 1927 door Bell Laboratories, maakten gebruik van de piëzo-elektrische eigenschappen van een kwartskristal: bij blootstelling aan elektrische stroom het kristal begint te krimpen. Moderne kwartschronometers kunnen tot op 0,3 seconden per maand nauwkeurig zijn. Omdat kwarts echter onderhevig is aan veroudering, worden horloges na verloop van tijd minder nauwkeurig.

Met de ontwikkeling van de atoomfysica stelden wetenschappers voor om deeltjes materie als oscillerende systemen te gebruiken. Zo ontstonden de eerste atoomklokken. Het idee van de mogelijkheid om atomaire trillingen van waterstof te gebruiken om de tijd te meten werd in 1879 voorgesteld door de Engelse natuurkundige Lord Kelvin, maar pas tegen het midden van de 20e eeuw werd dit mogelijk.

Reproductie van een schilderij van Hubert von Herkomer (1907)

In de jaren dertig begon de Amerikaanse natuurkundige en kernmagnetische resonantie-pionier Isidor Rabi te werken aan een cesium-133-atoomklok, maar het uitbreken van de oorlog verhinderde hem dit te doen. Na de oorlog, in 1949, werd de eerste moleculaire klok die gebruik maakte van ammoniakmoleculen gecreëerd door het Amerikaanse National Standards Committee, met deelname van Harold Lyonson. Maar de eerste tijdmeetinstrumenten waren niet zo nauwkeurig als moderne atoomklokken.

De relatief lage nauwkeurigheid was te wijten aan het feit dat door de interactie van ammoniakmoleculen met elkaar en met de wanden van de container waarin deze stof zich bevond, de energie van de moleculen veranderde en hun spectraallijnen zich verbreedden. Dit effect lijkt sterk op wrijving bij een mechanisch horloge.

Later, in 1955, introduceerde Louis Essen van het Britse National Physical Laboratory de eerste cesium-133-atoomklok. Deze klok maakte gedurende een miljoen jaar een fout van één seconde. Het apparaat kreeg de naam NBS-1 en begon te worden beschouwd als een cesiumfrequentiestandaard.

Het schematische diagram van een atoomklok bestaat uit een kwartsoscillator die wordt bestuurd door een discriminator volgens het circuit feedback. De oscillator gebruikt de piëzo-elektrische eigenschappen van kwarts, terwijl de discriminator de energetische trillingen van de atomen gebruikt, zodat de trillingen van het kwarts worden gevolgd door signalen van overgangen van verschillende energieniveaus in de atomen of moleculen. Tussen de generator en de discriminator bevindt zich een compensator die is afgestemd op de frequentie van atomaire trillingen en deze vergelijkt met de trillingsfrequentie van het kristal.

De atomen die in de klok worden gebruikt, moeten voor stabiele trillingen zorgen. Voor elke frequentie van elektromagnetische straling zijn er atomen: calcium, strontium, rubidium, cesium, waterstof. Of zelfs moleculen ammoniak en jodium.

Tijd standaard

Met de komst van instrumenten voor het meten van de atoomtijd werd het mogelijk om ze te gebruiken als universele standaard voor het bepalen van de seconde. Sinds 1884 heeft Greenwich Time, beschouwd als de wereldstandaard, plaatsgemaakt voor de standaard van atoomklokken. In 1967 werd bij besluit van de 12e Algemene Conferentie van Maten en Gewichten één seconde gedefinieerd als de duur van 9192631770 stralingsperioden die overeenkomen met de overgang tussen twee hyperfijne niveaus van de grondtoestand van het cesium-133-atoom. Deze definitie van de tweede is niet afhankelijk van astronomische parameters en kan overal op de planeet worden gereproduceerd. Cesium-133, gebruikt in de atoomklokstandaard, is de enige stabiele isotoop van cesium met 100% overvloed op aarde.

Atoomklok worden ook gebruikt in satellietnavigatiesystemen; ze zijn nodig om de exacte tijd en satellietcoördinaten te bepalen. Elke GPS-satelliet heeft dus vier sets van dergelijke klokken: twee rubidium en twee cesium, die een signaaloverdrachtnauwkeurigheid van 50 nanoseconden garanderen. De Russische satellieten van het GLONASS-systeem zijn ook uitgerust met cesium- en rubidium-atomaire tijdmeetinstrumenten, en de satellieten van het in gebruik nemende Europese Galileo-geopositioneringssysteem zijn uitgerust met waterstof- en rubidium-instrumenten.

De nauwkeurigheid van waterstofklokken is het hoogst. Het is 0,45 nanoseconden in 12 uur. Blijkbaar zal Galileo's gebruik van dergelijke nauwkeurige klokken dit navigatiesysteem al in 2015 tot een leider maken, wanneer er 18 van zijn satellieten in een baan om de aarde zullen zijn.

Compacte atoomklok

Hewlett-Packard werd het eerste bedrijf dat een compacte atoomklok ontwikkelde. In 1964 creëerde ze het HP 5060A cesiumapparaat, zo groot als een grote koffer. Het bedrijf bleef deze richting ontwikkelen, maar in 2005 verkocht het zijn divisie die atoomklokken ontwikkelde aan Symmetricom.

In 2011 ontwikkelden specialisten van Draper Laboratory en Sandia National Laboratories de eerste miniatuur-atoomklok, Quantum, en bracht Symmetricom deze uit. Op het moment van uitgave kostten ze ongeveer 15.000 dollar, zaten ze in een afgesloten doos van 40 bij 35 bij 11 millimeter en wogen ze 35 gram. Het stroomverbruik van de klok was minder dan 120 milliwatt. Ze werden oorspronkelijk ontwikkeld in opdracht van het Pentagon en waren bedoeld voor navigatiesystemen die onafhankelijk van GPS-systemen werkten, bijvoorbeeld diep onder water of op de grond.

Al eind 2013 introduceerde het Amerikaanse bedrijf Bathys Hawaii de eerste ‘pols’-atoomklok. Ze gebruiken de SA.45s-chip van Symmetricom als hoofdcomponent. In de chip zit een capsule met cesium-133. Het ontwerp van het horloge omvat ook fotocellen en een laser met laag vermogen. Dit laatste zorgt voor de verwarming van cesiumgas, waardoor de atomen van het ene energieniveau naar het andere beginnen te bewegen. Door een dergelijke overgang vast te leggen, wordt de tijd nauwkeurig gemeten. De kosten van een nieuw apparaat bedragen ongeveer 12 duizend dollar.

Trends in de richting van miniaturisering, autonomie en precisie zullen ertoe leiden dat in de nabije toekomst op alle gebieden nieuwe apparaten zullen verschijnen die gebruik maken van atoomklokken. menselijk leven, beginnend met ruimte Onderzoek op orbitale satellieten en stations tot huishoudelijke toepassingen in kamer- en polssystemen.

Welke “horlogemakers” hebben dit uiterst nauwkeurige mechanisme uitgevonden en geperfectioneerd? Is er een vervanger voor hem? Laten we proberen het uit te zoeken.

In 2012 viert de atoomtijdwaarneming zijn vijfenveertigste verjaardag. In 1967 begon de categorie van tijd in het Internationale Stelsel van Eenheden niet te worden bepaald door astronomische schalen, maar door de cesiumfrequentiestandaard. Dit is wat de gewone mensen de atoomklok noemen.

Wat is het werkingsprincipe van atomaire oscillatoren? Deze ‘apparaten’ gebruiken kwantumenergieniveaus van atomen of moleculen als bron van resonantiefrequentie. De kwantummechanica verbindt verschillende afzonderlijke energieniveaus met het “atoomkern-elektronen”-systeem. Een elektromagnetisch veld van een bepaalde frequentie kan een overgang van dit systeem uitlokken laag niveau naar een hogere. Het tegenovergestelde fenomeen is ook mogelijk: een atoom kan van een hoog energieniveau naar een lager energieniveau gaan door energie uit te zenden. Beide verschijnselen kunnen worden gecontroleerd en deze sprongen tussen de energieniveaus kunnen worden geregistreerd, waardoor de gelijkenis van een oscillerend circuit ontstaat. De resonantiefrequentie van dit circuit zal gelijk zijn aan het energieverschil tussen de twee overgangsniveaus gedeeld door de constante van Planck.

De resulterende atomaire oscillator heeft ongetwijfeld voordelen ten opzichte van zijn astronomische en mechanische voorgangers. De resonantiefrequentie van alle atomen van de voor de oscillator gekozen substantie zal, in tegenstelling tot slingers en piëzokristallen, hetzelfde zijn. Bovendien verslijten atomen niet en veranderen hun eigenschappen niet in de loop van de tijd. Ideaal voor een vrijwel eeuwige en uiterst nauwkeurige chronometer.

Voor het eerst werd in 1879 de mogelijkheid overwogen om energietransities tussen niveaus in atomen als frequentiestandaard te gebruiken door de Britse natuurkundige William Thomson, beter bekend als Lord Kelvin. Hij stelde voor waterstof te gebruiken als bron van resonatoratomen. Zijn onderzoek was echter nogal theoretisch van aard. De wetenschap was destijds nog niet klaar om een ​​atomaire chronometer te ontwikkelen.

Het duurde bijna honderd jaar voordat Lord Kelvins idee werkelijkheid werd. Het heeft lang geduurd, maar de taak was niet gemakkelijk. Het transformeren van atomen in ideale slingers bleek in de praktijk lastiger dan in theorie. De moeilijkheid lag in de strijd met de zogenaamde resonante breedte: een kleine fluctuatie in de frequentie van absorptie en emissie van energie terwijl atomen van niveau naar niveau bewegen. De verhouding tussen de resonantiefrequentie en de resonantiebreedte bepaalt de kwaliteit van de atomaire oscillator. Het is duidelijk dat hoe groter de waarde van de resonantiebreedte is, hoe lager de kwaliteit van de atoomslinger. Helaas is het niet mogelijk om de resonantiefrequentie te verhogen om de kwaliteit te verbeteren. Het is constant voor de atomen van elke specifieke stof. Maar de resonantiebreedte kan worden verkleind door de observatietijd van atomen te vergroten.

Technisch gezien kan dit als volgt worden bereikt: laat een externe, bijvoorbeeld kwarts, oscillator periodiek elektromagnetische straling opwekken, waardoor de atomen van de donorstof over energieniveaus heen springen. In dit geval is het de taak van de atomaire chronograaftuner om de frequentie van deze kwartsoscillator zo dicht mogelijk bij de resonantiefrequentie van de interniveau-overgang van atomen te brengen. Dit wordt mogelijk in het geval van een voldoende lange periode van observatie van atomaire trillingen en het creëren van feedback die de frequentie van kwarts regelt.

Toegegeven, naast het probleem van het verkleinen van de resonantiebreedte in een atomaire chronograaf zijn er nog veel andere problemen. Dit is het Doppler-effect: een verschuiving in de resonantiefrequentie als gevolg van de beweging van atomen en onderlinge botsingen van atomen, waardoor ongeplande energietransities en zelfs de invloed van de doordringende energie van donkere materie worden veroorzaakt.

Eerste keer proberen praktische uitvoering De atoomklok werd in de jaren dertig van de vorige eeuw ondernomen door wetenschappers van Columbia University onder leiding van de toekomst Nobel laureaat Dr. Isidor Rabi. Rabi stelde voor om de cesiumisotoop 133 Cs te gebruiken als bron van slingeratomen. Helaas werd Rabi's werk, dat de NBS enorm interesseerde, onderbroken door de Tweede Wereldoorlog.

Na voltooiing ging de leiding bij de implementatie van de atoomchronograaf over op NBS-medewerker Harold Lyons. Zijn atomaire oscillator werkte op ammoniak en gaf een fout die vergelijkbaar was met de beste voorbeelden van kwartsresonatoren. In 1949 werd de ammoniak-atoomklok aan het grote publiek gedemonstreerd. Ondanks de nogal middelmatige nauwkeurigheid implementeerden ze de basisprincipes van toekomstige generaties atoomchronografen.

Het prototype van een cesium-atoomklok, verkregen door Louis Essen, leverde een nauwkeurigheid van 1 * 10 -9 op, terwijl het een resonantiebreedte had van slechts 340 Hertz

Even later verbeterde Norman Ramsey, professor aan de Harvard Universiteit, de ideeën van Isidor Rabi, waardoor de impact van het Doppler-effect op de nauwkeurigheid van metingen werd verminderd. Hij stelde voor om, in plaats van één lange hoogfrequente puls die atomen opwekt, twee korte te gebruiken die op enige afstand van elkaar naar de armen van de golfgeleider worden gestuurd. Dit maakte het mogelijk om de resonantiebreedte scherp te verkleinen en maakte het feitelijk mogelijk om atomaire oscillatoren te creëren die qua nauwkeurigheid een orde van grootte superieur zijn aan hun kwartsvoorouders.

In de jaren vijftig van de vorige eeuw werkte medewerker Louis Essen, gebaseerd op het door Norman Ramsey voorgestelde schema van het National Physical Laboratory (VK), aan een atomaire oscillator gebaseerd op de cesiumisotoop 133 Cs die eerder door Rabi was voorgesteld. Cesium is niet toevallig gekozen.

Schema van hyperfijne overgangsniveaus van atomen van de cesium-133-isotoop

Cesiumatomen behoren tot de groep van alkalimetalen en zijn extreem gemakkelijk opgewonden om tussen energieniveaus te springen. Een lichtstraal kan bijvoorbeeld gemakkelijk een stroom elektronen uit de atomaire structuur van cesium uitschakelen. Het is vanwege deze eigenschap dat cesium veel wordt gebruikt in fotodetectoren.

Ontwerp van een klassieke cesiumoscillator op basis van een Ramsey-golfgeleider

Eerste officiële cesiumfrequentiestandaard NBS-1

Afstammeling van NBS-1 - de NIST-7-oscillator gebruikte laserpompen van een straal cesiumatomen

Voordat het Essen-prototype een echte standaard werd, was er meer dan nodig vier jaar. Een nauwkeurige aanpassing van atoomklokken was immers alleen mogelijk door vergelijking met bestaande efemeride tijdseenheden. In de loop van vier jaar werd de atomaire oscillator gekalibreerd door de rotatie van de maan rond de aarde te observeren met behulp van een precisiemaancamera, uitgevonden door William Markowitz van het US Naval Observatory.

De "aanpassing" van atoomklokken aan maan-efemeride werd uitgevoerd van 1955 tot 1958, waarna het apparaat officieel door de NBS werd erkend als frequentiestandaard. Bovendien was de ongekende nauwkeurigheid van cesium-atoomklokken voor NBS aanleiding om de tijdseenheid in de SI-standaard te wijzigen. Sinds 1958 is de tweede officieel aangenomen als “de duur van 9.192.631.770 stralingsperioden die overeenkomen met de overgang tussen twee hyperfijnniveaus van de standaardtoestand van een atoom van de cesium-133-isotoop.”

Het apparaat van Louis Essen heette NBS-1 en werd beschouwd als de eerste cesiumfrequentiestandaard.

In de daaropvolgende dertig jaar werden zes modificaties van NBS-1 ontwikkeld, waarvan de laatste, NIST-7, gemaakt in 1993 door magneten te vervangen door laservallen, een nauwkeurigheid biedt van 5 * 10 -15 met een resonantiebreedte van slechts zestig -twee Hertz.

Vergelijkingstabel met kenmerken van cesiumfrequentiestandaarden gebruikt door NBS

NBS-apparaten zijn stationaire standaards, waardoor ze kunnen worden geclassificeerd als standaarden in plaats van als praktisch gebruikte oscillatoren. Maar voor puur praktische doeleinden werkte Hewlett-Packard ten behoeve van de cesiumfrequentiestandaard. In 1964 creëerde de toekomstige computergigant een compacte versie van de cesiumfrequentiestandaard: het HP 5060A-apparaat.

De HP 5060-frequentiestandaarden, gekalibreerd volgens NBS-standaarden, passen in een typisch radioapparatuurrek en waren een commercieel succes. Het was dankzij de cesiumfrequentiestandaard van Hewlett-Packard dat de ongekende nauwkeurigheid van atoomklokken wijdverspreid werd.

Hewlett-Packard 5060A.

Als gevolg hiervan werden zaken als satelliettelevisie en -communicatie, mondiale navigatiesystemen en tijdsynchronisatiediensten voor informatienetwerken mogelijk. Er zijn veel toepassingen geweest voor de geïndustrialiseerde atomaire chronograaftechnologie. Tegelijkertijd bleef Hewlett-Packard daar niet bij en verbetert voortdurend de kwaliteit van de cesiumstandaarden en hun gewicht en afmetingen.

Hewlett-Packard-familie van atoomklokken

In 2005 werd de atoomklokdivisie van Hewlett-Packard verkocht aan Simmetricom.

Samen met cesium, waarvan de reserves in de natuur zeer beperkt zijn en de vraag ernaar op verschillende technologische gebieden extreem hoog is, werd rubidium, waarvan de eigenschappen zeer dicht bij cesium liggen, als donorstof gebruikt.

Het lijkt erop dat, bestaande regeling atoomklokken zijn tot in de perfectie gebracht. Ondertussen had het een vervelend nadeel, waarvan de eliminatie mogelijk werd in de tweede generatie cesiumfrequentiestandaarden, de zogenaamde cesiumfonteinen.

Fonteinen van de tijd en optische melasse

Ondanks de hoogste nauwkeurigheid van de NIST-7 atomaire chronometer, die gebruik maakt van laserdetectie van de toestand van cesiumatomen, verschilt het ontwerp niet fundamenteel van de ontwerpen van de eerste versies van cesiumfrequentiestandaarden.

Een ontwerpnadeel van al deze schema's is dat het fundamenteel onmogelijk is om de voortplantingssnelheid van een bundel cesiumatomen die in een golfgeleider beweegt te controleren. En dit ondanks het feit dat de bewegingssnelheid van cesiumatomen bij kamertemperatuur honderd meter per seconde bedraagt. Heel snel.

Dat is de reden waarom alle wijzigingen van cesiumstandaarden een zoektocht zijn naar een evenwicht tussen de grootte van de golfgeleider, die de tijd heeft om snelle cesiumatomen op twee punten te beïnvloeden, en de nauwkeurigheid van het detecteren van de resultaten van deze invloed. Hoe kleiner de golfgeleider, hoe moeilijker het is om opeenvolgende elektromagnetische pulsen te maken die dezelfde atomen beïnvloeden.

Wat als we een manier vinden om de snelheid van cesiumatomen te verminderen? Het was dit idee dat MIT-student Jerol Zacharius bezighield, die eind jaren veertig van de vorige eeuw de invloed van de zwaartekracht op het gedrag van atomen bestudeerde. Later, betrokken bij de ontwikkeling van een variant van de cesiumfrequentiestandaard Atomichron, stelde Zacharius het idee voor van een cesiumfontein - een methode om de snelheid van cesiumatomen terug te brengen tot één centimeter per seconde en zich te ontdoen van de dubbelarmige golfgeleider van traditionele atomaire oscillatoren.

Het idee van Zacharius was eenvoudig. Wat als je cesiumatomen verticaal in een oscillator zou afvuren? Dan zullen dezelfde atomen twee keer door de detector gaan: één keer tijdens hun reis naar boven, en opnieuw naar beneden, waar ze zich onder invloed van de zwaartekracht zullen haasten. In dit geval zal de neerwaartse beweging van atomen aanzienlijk langzamer zijn dan hun start, omdat ze tijdens hun reis in de fontein energie zullen verliezen. Helaas kon Zacharius in de jaren vijftig van de vorige eeuw zijn ideeën niet verwezenlijken. In zijn experimentele opstelling hadden atomen die naar boven bewogen een wisselwerking met atomen die naar beneden vielen, wat de nauwkeurigheid van de detectie in de war bracht.

Het idee van Zacharius kwam pas in de jaren tachtig terug. Wetenschappers van Stanford University, onder leiding van Steven Chu, hebben een manier gevonden om de Zacharius-fontein te realiseren met behulp van een methode die zij 'optische melasse' noemen.

In de Chu-cesiumfontein wordt een wolk van omhooggeschoten cesiumatomen voorgekoeld door een systeem van drie paar tegengestelde lasers met een resonantiefrequentie net onder de optische resonantie van de cesiumatomen.

Schema van een cesiumfontein met optische melasse.

De lasergekoelde cesiumatomen beginnen langzaam te bewegen, alsof ze door melasse gaan. Hun snelheid daalt tot drie meter per seconde. Het verminderen van de snelheid van atomen geeft onderzoekers de mogelijkheid om toestanden nauwkeuriger te detecteren (je moet toegeven dat het veel gemakkelijker is om de kentekenplaten van een auto te zien die met een snelheid van één kilometer per uur rijdt dan van een auto die met een snelheid van honderd kilometer per uur rijdt). kilometers per uur).

Een bal van gekoelde cesiumatomen wordt ongeveer een meter omhoog gelanceerd en passeert onderweg een golfgeleider, waardoor de atomen worden blootgesteld aan een elektromagnetisch veld met een resonantiefrequentie. En de detector van het systeem registreert voor het eerst de verandering in de toestand van atomen. Nadat ze het “plafond” hebben bereikt, beginnen de afgekoelde atomen door de zwaartekracht te vallen en gaan ze voor de tweede keer door de golfgeleider. Op de terugweg registreert de detector opnieuw hun toestand. Omdat de atomen extreem langzaam bewegen, is hun vlucht in de vorm van een vrij dichte wolk gemakkelijk te controleren, wat betekent dat er in de fontein niet tegelijkertijd atomen op en neer zullen vliegen.

De cesiumfonteinfaciliteit van Chu werd in 1998 door de NBS als frequentiestandaard aangenomen en kreeg de naam NIST-F1. De fout was 4 * 10 -16, wat betekent dat NIST-F1 nauwkeuriger was dan zijn voorganger NIST-7.

In feite bereikte NIST-F1 de grens van nauwkeurigheid bij het meten van de toestand van cesiumatomen. Maar wetenschappers stopten niet bij deze overwinning. Ze besloten de fout te elimineren die straling van zwarte lichamen introduceert in de werking van atoomklokken - het resultaat van de interactie van cesiumatomen met de thermische straling van het lichaam van de installatie waarin ze bewegen. De nieuwe NIST-F2 atoomchronograaf plaatste een cesiumfontein in een cryogene kamer, waardoor de straling van zwarte lichamen tot bijna nul werd teruggebracht. De NIST-F2-fout is een ongelooflijke 3*10 -17.

Grafiek van foutreductie van standaardopties voor cesiumfrequentie

Momenteel bieden atoomklokken gebaseerd op cesiumfonteinen de mensheid de meest nauwkeurige tijdstandaard, ten opzichte waarvan de hartslag van onze technogene beschaving klopt. Dankzij technische trucs werden de gepulseerde waterstofmasers die cesiumatomen afkoelen in de stationaire versies van NIST-F1 en NIST-F2 vervangen door een conventionele laserstraal die samenwerkte met een magneto-optisch systeem. Dit maakte het mogelijk om compacte en zeer stabiele constructies te creëren. externe invloeden varianten van NIST-Fx-standaarden die in ruimtevaartuigen kunnen werken. Deze frequentiestandaarden, heel fantasierijk "Aerospace Cold Atom Clock" genoemd, worden geïnstalleerd in de satellieten van navigatiesystemen zoals GPS, wat zorgt voor hun verbazingwekkende synchronisatie om het probleem van de zeer nauwkeurige berekening van de coördinaten van de GPS-ontvangers die in onze gadgets worden gebruikt op te lossen.

Een compacte versie van de atoomklok van de cesiumfontein, genaamd de "Aerospace Cold Atom Clock", wordt gebruikt in GPS-satellieten

De tijdreferentieberekening wordt uitgevoerd door een "ensemble" van tien NIST-F2's, gevestigd in verschillende onderzoekscentra die samenwerken met de NBS. De exacte waarde van de atoomseconde wordt collectief verkregen, waardoor verschillende fouten en de invloed van de menselijke factor worden geëlimineerd.

Het is echter mogelijk dat op een dag de cesiumfrequentiestandaard door onze nakomelingen zal worden ervaren als een zeer grof mechanisme om de tijd te meten, net zoals we nu neerbuigend kijken naar de bewegingen van de slinger in de mechanische staande klokken van onze voorouders.

Er heeft zich een sensatie verspreid over de wetenschappelijke wereld: de tijd verdampt uit ons universum! Tot nu toe is dit slechts een hypothese van Spaanse astrofysici. Maar het feit dat de tijdstroom op aarde en in de ruimte anders is, is al door wetenschappers bewezen. De tijd stroomt langzamer onder invloed van de zwaartekracht en versnelt naarmate deze zich van de planeet verwijdert. De taak van het synchroniseren van het aardse en kosmische tijd waterstoffrequentienormen uit te voeren, ook wel “atoomklokken” genoemd.

De eerste atoomtijd verscheen samen met de opkomst van de ruimtevaart; atoomklokken verschenen halverwege de jaren twintig. Tegenwoordig zijn atoomklokken een alledaags iets geworden; ieder van ons gebruikt ze elke dag: digitale communicatie, GLONASS, navigatie en transport werken met hun hulp.

Eigenaren van mobiele telefoons denken nauwelijks na over het complexe werk dat in de ruimte wordt uitgevoerd voor strikte tijdsynchronisatie, en we hebben het over slechts miljoensten van een seconde.

De exacte tijdstandaard wordt opgeslagen in de regio Moskou, in Wetenschappelijk Instituut fysisch-technische en radiotechnische metingen. Er zijn 450 van dergelijke horloges in de wereld.

Rusland en de VS hebben monopolies op atoomklokken, maar in de VS werken klokken op basis van cesium, een radioactief metaal dat zeer schadelijk is voor het milieu, en in Rusland op basis van waterstof, een veiliger, duurzaam materiaal.

Dit horloge heeft geen wijzerplaat of wijzers: het ziet eruit als een groot vat zeldzame en waardevolle metalen, gevuld met de meest geavanceerde technologieën: uiterst nauwkeurige meetinstrumenten en apparatuur met atomaire standaarden. Het proces van hun creatie is erg lang, complex en vindt plaats in omstandigheden van absolute onvruchtbaarheid.

De klok die op de Russische satelliet is geïnstalleerd, bestudeert al vier jaar donkere energie. Naar menselijke maatstaven verliezen ze gedurende vele miljoenen jaren hun nauwkeurigheid met 1 seconde.

Zeer binnenkort zullen er atoomklokken worden geïnstalleerd op Spektr-M – een ruimteobservatorium dat zal zien hoe sterren en exoplaneten worden gevormd, en verder kijken dan de rand zwart gat in het centrum van onze Melkweg. Volgens wetenschappers stroomt de tijd hier vanwege de monsterlijke zwaartekracht zo langzaam dat hij bijna stopt.

tvroskosmos

Ten eerste gebruikt de mensheid klokken als middel om de programmatijd te controleren.

Ten tweede is het meten van tijd tegenwoordig het meest nauwkeurige type meting van allemaal: de nauwkeurigheid van tijdmeting wordt nu bepaald door een ongelooflijke fout in de orde van grootte van 1,10-11%, oftewel 1 seconde in 300.000 jaar.

En we hebben zo'n nauwkeurigheid bereikt moderne mensen toen ze begonnen te gebruiken atomen, die, als gevolg van hun oscillaties, de regelaar van de atoomklok zijn. Cesiumatomen bevinden zich in twee energietoestanden die we nodig hebben (+) en (-). Elektromagnetische straling met een frequentie van 9.192.631.770 hertz wordt geproduceerd wanneer atomen van de (+) toestand naar de (-) toestand veranderen, waardoor een nauwkeurig, constant periodiek proces ontstaat: de regelaar van de atoomklokcode.

Om atoomklokken nauwkeurig te laten werken, moet cesium in een oven worden verdampt, een proces waarbij de atomen vrijkomen. Achter de oven bevindt zich een sorteermagneet, die de capaciteit heeft van atomen in de (+) toestand, en daarin gaan de atomen, door bestraling in het microgolfveld, in de (-) toestand. De tweede magneet stuurt de atomen die van status zijn veranderd (+) naar (-) naar het ontvangende apparaat. Veel atomen die van toestand zijn veranderd, worden alleen verkregen als de frequentie van de microgolfzender exact samenvalt met de cesiumtrillingsfrequentie van 9.192.631.770 hertz. Anders neemt het aantal atomen (-) in het ontvangende apparaat af.

De apparaten bewaken en regelen voortdurend de constante frequentie van 9.192.631.770 hertz. Dit betekent dat de droom van horlogeontwerpers is uitgekomen, er is een absoluut constant periodiek proces gevonden: een frequentie van 9.192.631.770 hertz, die de loop van atoomklokken regelt.

Tegenwoordig wordt, als resultaat van internationale overeenstemming, een seconde gedefinieerd als de stralingsperiode vermenigvuldigd met 9.192.631.770, wat overeenkomt met de overgang tussen twee hyperfijne structurele niveaus van de grondtoestand van het cesiumatoom (isotoop cesium-133).

Om de precieze tijd te meten, kun je ook trillingen van andere atomen en moleculen gebruiken, zoals atomen van calcium, rubidium, cesium, strontium, waterstofmoleculen, jodium, methaan, enz. De straling van het cesiumatoom wordt echter herkend als de frequentie standaard. Om de trillingen van verschillende atomen met een standaard (cesium) te vergelijken, werd een titanium-saffierlaser gemaakt die een breed scala aan frequenties genereert in het bereik van 400 tot 1000 nm.

De eerste maker van kwarts- en atoomklokken was een Engelse experimentele natuurkundige Essen Lewis (1908-1997). In 1955 creëerde hij de eerste atomaire frequentie (tijd) standaard met behulp van een bundel cesiumatomen. Als resultaat van dit werk ontstond drie jaar later (1958) een tijddienst gebaseerd op de atoomfrequentiestandaard.

In de USSR bracht academicus Nikolai Gennadievich Basov zijn ideeën voor het creëren van een atoomklok naar voren.

Dus, atoomklok, Een van de precieze soorten klokken is een apparaat om de tijd te meten, waarbij de natuurlijke trillingen van atomen of moleculen als slinger worden gebruikt. De stabiliteit van atoomklokken is de beste van allemaal bestaande typen horloges, wat de sleutel is tot de hoogste nauwkeurigheid. De atoomklokgenerator produceert ruim 32.768 pulsen per seconde, in tegenstelling tot conventionele klokken. Atoomtrillingen zijn niet afhankelijk van luchttemperatuur, trillingen, vochtigheid en vele andere externe factoren.

IN moderne wereld Toen navigatie simpelweg niet meer mogelijk was, werden atoomklokken onmisbare assistenten. Ze zijn in staat om de locatie van een ruimteschip, satelliet, ballistische raket, vliegtuig, onderzeeër en auto automatisch te bepalen via satellietcommunicatie.

De afgelopen vijftig jaar werden atoomklokken, of beter gezegd cesiumklokken, dus als de meest nauwkeurige beschouwd. Ze worden al lang gebruikt door tijddiensten en tijdsignalen worden ook door sommige radiostations uitgezonden.

Het atoomklokapparaat bestaat uit 3 onderdelen:

kwantumdiscriminator,

kwartsoscillator,

elektronica complex.

De kwartsoscillator genereert een frequentie (5 of 10 MHz). De oscillator is een RC-radiogenerator, die gebruik maakt van de piëzo-elektrische modi van een kwartskristal als resonerend element, waarbij atomen die van toestand zijn veranderd (+) naar (-) worden vergeleken. Om de stabiliteit te vergroten, wordt de frequentie ervan voortdurend vergeleken met de oscillaties van een kwantumdiscriminator (atomen of moleculen). Wanneer er een verschil in oscillatie optreedt, stelt de elektronica de frequentie van de kwartsoscillator terug naar nul, waardoor de stabiliteit en nauwkeurigheid van het horloge naar het gewenste niveau wordt verhoogd.

In de moderne wereld kunnen atoomklokken in elk land ter wereld worden vervaardigd voor gebruik in Alledaagse leven. Ze zijn erg klein van formaat en mooi. De nieuwste atoomklok is niet groter dan een luciferdoosje en heeft een laag stroomverbruik van minder dan 1 watt. En dit is niet de limiet, misschien zal de technische vooruitgang in de toekomst mobiele telefoons bereiken. In de tussentijd worden compacte atoomklokken alleen op strategische raketten geïnstalleerd om de navigatienauwkeurigheid vele malen te vergroten.

Tegenwoordig kunnen atomaire horloges voor heren en dames voor elke smaak en elk budget in online winkels worden gekocht.

In 2011 werd 's werelds kleinste atoomklok gemaakt door specialisten van Symmetricom en Sandia National Laboratories. Dit horloge is 100 keer compacter dan eerdere, in de handel verkrijgbare versies. De grootte van een atoomchronometer is niet groter dan een luciferdoosje. Om te werken heeft hij slechts 100 mW aan vermogen nodig - dit is 100 keer minder vergeleken met zijn voorgangers.

Het was mogelijk om de afmetingen van het horloge te verkleinen door in plaats van veren en tandwielen een mechanisme te installeren dat werkt volgens het principe van het bepalen van de frequentie van elektromagnetische golven die worden uitgezonden door cesiumatomen onder invloed van laserstraal verwaarloosbaar vermogen.

Dergelijke klokken worden gebruikt bij de navigatie, maar ook bij het werk van mijnwerkers en duikers, waarbij het nodig is om de tijd nauwkeurig te synchroniseren met collega's aan de oppervlakte, evenals bij nauwkeurige tijddiensten, omdat de fout van atoomklokken minder dan 0,000001 fracties bedraagt. van een seconde per dag. De kosten van de kleine atoomklok Symmetricom bedroegen ongeveer $ 1.500.

In de 21e eeuw ontwikkelt satellietnavigatie zich in een snel tempo. U kunt de positie bepalen van alle objecten die op de een of andere manier verbonden zijn met satellieten mobiele telefoon, auto of ruimteschip. Maar dit alles zou niet kunnen worden bereikt zonder atoomklokken.
Ook worden deze horloges gebruikt in diverse telecommunicatie, bijvoorbeeld mobiele communicatie.Dit is het meest nauwkeurige horloge dat ooit was, is en zal zijn. Zonder hen zou het internet niet gesynchroniseerd zijn, zouden we de afstand tot andere planeten en sterren niet kennen, enz.
In uren per seconde worden 9.192.631.770 perioden van elektromagnetische straling opgenomen, die ontstonden tijdens de overgang tussen twee energieniveaus van het cesium-133-atoom. Dergelijke klokken worden cesiumklokken genoemd. Maar dit is slechts een van de drie soorten atoomklokken. Er zijn ook waterstof- en rubidiumhorloges. Cesiumklokken worden echter het vaakst gebruikt, dus we zullen niet bij andere typen stilstaan.

Werkingsprincipe van een cesium-atoomklok

De laser verwarmt de atomen van de cesiumisotoop en op dit moment registreert de ingebouwde resonator alle overgangen van de atomen. En zoals eerder vermeld, wordt na het bereiken van 9.192.631.770 overgangen één seconde geteld.

Een in de horlogekast ingebouwde laser verwarmt de atomen van de cesiumisotoop. Op dit moment registreert de resonator het aantal overgangen van atomen naar een nieuw energieniveau. Wanneer een bepaalde frequentie wordt bereikt, namelijk 9.192.631.770 overgangen (Hz), wordt de seconde geteld op basis van het internationale SI-systeem.

Gebruik bij satellietnavigatie

Het proces van het bepalen van de exacte locatie van een object met behulp van een satelliet is erg moeilijk. Hierbij zijn meerdere satellieten betrokken, namelijk ruim 4 per ontvanger (bijvoorbeeld een GPS-navigator in een auto).

Elke satelliet bevat een zeer nauwkeurige atoomklok, een satellietradiozender en een digitale codegenerator. De radiozender stuurt een digitale code en informatie over de satelliet naar de aarde, namelijk orbitale parameters, model, enz.

De klok bepaalt hoe lang het duurde voordat deze code de ontvanger bereikte. Dus als we de voortplantingssnelheid van radiogolven kennen, wordt de afstand tot de ontvanger op aarde berekend. Maar daarvoor is één satelliet niet genoeg. Moderne GPS-ontvangers kunnen signalen van 12 satellieten tegelijk ontvangen, waardoor je de locatie van een object kunt bepalen met een nauwkeurigheid van maximaal 4 meter. Overigens is het vermeldenswaard dat GPS-navigatiesystemen vereisen geen abonnementskosten.