Hvorfor er atomklokker mest nøyaktige? Atomklokke: En enhet for å måle tiden til satellitt- og navigasjonssystemer.

Svært nøyaktige atomklokker som gjør en feil på ett sekund hvert 300 millioner år. Denne klokken, som erstattet en eldre modell som hadde en feil på ett sekund hvert hundre million år, setter nå standarden for amerikansk sivil tid. Lenta.ru bestemte seg for å huske historien om opprettelsen av atomklokker.

Første atom

For å lage en klokke er det nok å bruke hvilken som helst batch prosess. Og historien om utseendet til tidsmålingsinstrumenter er delvis historien om fremveksten av enten nye energikilder eller nye oscillerende systemer brukt i klokker. Den enkleste klokken er sannsynligvis solklokken: for dens drift trenger du bare solen og et objekt som kaster en skygge. Ulempene med denne metoden for tidsbestemmelse er åpenbare. Vann og timeglass er heller ikke bedre: de egner seg kun for å måle relativt korte tidsperioder.

Den eldste mekaniske klokken ble funnet i 1901 nær øya Antikythera på et sunket skip i Egeerhavet. De inneholder rundt 30 bronsegir i en trekasse som måler 33 x 18 x 10 centimeter og stammer fra omtrent det hundre år før Kristus.

I nesten to tusen år var mekaniske klokker de mest nøyaktige og pålitelige. Fremkomsten i 1657 av Christian Huygens klassiske verk «Pendelklokken» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica»), som beskrev en tidsholder med en pendel som et oscillerende system, var sannsynligvis høydepunktet i historien om utviklingen av mekaniske instrumenter av en slik type.

Imidlertid brukte astronomer og sjømenn fortsatt stjernehimmelen og kartene for å bestemme deres plassering og nøyaktige tid. Den første elektriske klokken ble oppfunnet i 1814 av Francis Ronalds. Imidlertid var den første slike enheten unøyaktig på grunn av følsomhet for temperaturendringer.

Den videre historien til klokker er forbundet med bruken av forskjellige oscillerende systemer i enheter. Introdusert i 1927 av Bell Laboratories, utnyttet kvartsklokker de piezoelektriske egenskapene til en kvartskrystall: når de ble utsatt for elektrisk strøm krystallen begynner å krympe. Moderne kvartskronometre kan være nøyaktige til innen 0,3 sekunder per måned. Men fordi kvarts er utsatt for aldring, blir klokker mindre nøyaktige over tid.

Med utviklingen av atomfysikk foreslo forskere å bruke materiepartikler som oscillerende systemer. Slik dukket de første atomklokkene ut. Ideen om muligheten for å bruke atomvibrasjoner av hydrogen for å måle tid ble foreslått tilbake i 1879 av den engelske fysikeren Lord Kelvin, men først på midten av 1900-tallet ble dette mulig.

Reproduksjon av et maleri av Hubert von Herkomer (1907)

På 1930-tallet begynte den amerikanske fysikeren og kjernemagnetisk resonanspioner Isidor Rabi å jobbe med en cesium-133 atomklokke, men krigsutbruddet hindret ham i å gjøre det. Etter krigen, i 1949, ble den første molekylære klokken som brukte ammoniakkmolekyler opprettet ved US National Standards Committee med deltagelse av Harold Lyonson. Men de første slike tidsmålingsinstrumenter var ikke like nøyaktige som moderne atomklokker.

Den relativt lave nøyaktigheten skyldtes det faktum at på grunn av interaksjonen av ammoniakkmolekyler med hverandre og med veggene i beholderen der dette stoffet var plassert, endret energien til molekylene og deres spektrallinjer utvidet. Denne effekten er veldig lik friksjon i en mekanisk klokke.

Senere, i 1955, introduserte Louis Essen fra UK National Physical Laboratory den første cesium-133 atomklokken. Denne klokken akkumulerte en feil på ett sekund over en million år. Enheten ble kalt NBS-1 og begynte å bli betraktet som en cesiumfrekvensstandard.

Det skjematiske diagrammet av en atomklokke består av en kvartsoscillator kontrollert av en diskriminator i henhold til kretsen tilbakemelding. Oscillatoren utnytter de piezoelektriske egenskapene til kvarts, mens diskriminatoren bruker atomenes energetiske vibrasjoner slik at vibrasjonene til kvartsen spores av signaler fra overganger fra ulike energinivåer i atomene eller molekylene. Mellom generatoren og diskriminatoren er det en kompensator som er innstilt på frekvensen av atomvibrasjoner og sammenligner den med vibrasjonsfrekvensen til krystallen.

Atomene som brukes i klokken skal gi stabile vibrasjoner. For hver frekvens av elektromagnetisk stråling er det atomer: kalsium, strontium, rubidium, cesium, hydrogen. Eller til og med molekyler av ammoniakk og jod.

Tidsstandard

Med bruken av atomiske tidsmåleinstrumenter ble det mulig å bruke dem som en universell standard for å bestemme den andre. Siden 1884 har Greenwich Time, regnet som verdensstandarden, viket for standarden for atomklokker. I 1967, ved avgjørelse fra den 12. generalkonferansen for vekter og mål, ble ett sekund definert som varigheten av 9192631770 perioder med stråling tilsvarende overgangen mellom to hyperfine nivåer av grunntilstanden til cesium-133-atomet. Denne definisjonen av den andre er ikke avhengig av astronomiske parametere og kan reproduseres hvor som helst på planeten. Cesium-133, brukt i atomklokkestandarden, er den eneste stabile isotopen av cesium med 100 % overflod på jorden.

Atomklokke brukes også i satellittnavigasjonssystemer; de er nødvendige for å bestemme nøyaktig tid og satellittkoordinater. Dermed har hver GPS-satellitt fire sett med slike klokker: to rubidium og to cesium, som sikrer signaloverføringsnøyaktighet på 50 nanosekunder. De russiske satellittene til GLONASS-systemet er også utstyrt med cesium- og rubidium-atomtidsmålingsinstrumenter, og satellittene til det utplasserende europeiske Galileo-geoposisjoneringssystemet er utstyrt med hydrogen- og rubidium-.

Nøyaktigheten til hydrogenklokker er høyest. Det er 0,45 nanosekunder på 12 timer. Tilsynelatende vil Galileos bruk av så nøyaktige klokker gjøre dette navigasjonssystemet til en leder allerede i 2015, da det vil være 18 av satellittene i bane.

Kompakt atomklokke

Hewlett-Packard ble det første selskapet som utviklet en kompakt atomklokke. I 1964 skapte hun HP 5060A cesium-enheten, på størrelse med en stor koffert. Selskapet fortsatte å utvikle denne retningen, men solgte i 2005 sin avdeling for utvikling av atomklokker til Symmetricom.

I 2011 utviklet spesialister fra Draper Laboratory og Sandia National Laboratories, og Symmetricom ga ut den første atomklokken i miniatyr, Quantum. På utgivelsestidspunktet kostet de omtrent 15 tusen dollar, var innelukket i en forseglet boks som målte 40 x 35 x 11 millimeter og veide 35 gram. Strømforbruket til klokken var mindre enn 120 milliwatt. De ble opprinnelig utviklet etter ordre fra Pentagon og var ment å betjene navigasjonssystemer som opererer uavhengig av GPS-systemer, for eksempel dypt under vann eller bakken.

Allerede på slutten av 2013 introduserte det amerikanske selskapet Bathys Hawaii den første "håndledds" atomklokken. De bruker SA.45s-brikken produsert av Symmetricom som hovedkomponent. Inne i brikken er det en kapsel med cesium-133. Klokkens design inkluderer også fotoceller og en laveffektlaser. Sistnevnte sikrer oppvarming av cesiumgass, som et resultat av at atomene begynner å bevege seg fra ett energinivå til et annet. Målingen av tid utføres nøyaktig ved å registrere en slik overgang. Kostnaden for en ny enhet er omtrent 12 tusen dollar.

Trender mot miniatyrisering, autonomi og presisjon vil føre til at det i nær fremtid vil dukke opp nye enheter som bruker atomklokker på alle områder menneskelig liv, begynner med romforskning på orbitale satellitter og stasjoner til husholdningsapplikasjoner i rom- og håndleddsystemer.

Hvilke "urmakere" oppfant og perfeksjonerte denne ekstremt presise mekanismen? Finnes det en erstatning for ham? La oss prøve å finne ut av det.

I 2012 vil atomtidtaking feire sitt førtifemårsjubileum. I 1967 begynte tidskategorien i International System of Units å bli bestemt ikke av astronomiske skalaer, men av cesiumfrekvensstandarden. Dette er hva vanlige folk kaller atomklokken.

Hva er driftsprinsippet til atomoscillatorer? Disse "enhetene" bruker kvanteenerginivåer av atomer eller molekyler som en kilde til resonansfrekvens. Kvantemekanikk forbinder flere diskrete energinivåer med "atomkjernen - elektroner" -systemet. Et elektromagnetisk felt av en viss frekvens kan provosere en overgang av dette systemet fra lavt nivå til en høyere. Det motsatte fenomenet er også mulig: et atom kan bevege seg fra et høyt energinivå til et lavere ved å sende ut energi. Begge fenomenene kan kontrolleres og disse energimellomnivåhoppene kan registreres, og skaper derved et utseende av en oscillerende krets. Resonansfrekvensen til denne kretsen vil være lik energiforskjellen mellom de to overgangsnivåene delt på Plancks konstant.

Den resulterende atomoscillatoren har utvilsomt fordeler i forhold til sine astronomiske og mekaniske forgjengere. Resonansfrekvensen til alle atomene i stoffet valgt for oscillatoren vil, i motsetning til pendler og piezokrystaller, være den samme. I tillegg slites ikke atomer ut eller endrer egenskaper over tid. Ideell for et praktisk talt evig og ekstremt presist kronometer.

For første gang ble muligheten for å bruke energioverganger mellom nivåer i atomer som en frekvensstandard vurdert tilbake i 1879 av den britiske fysikeren William Thomson, bedre kjent som Lord Kelvin. Han foreslo å bruke hydrogen som en kilde til resonatoratomer. Imidlertid var forskningen hans ganske teoretisk av natur. Vitenskapen på den tiden var ennå ikke klar til å utvikle et atomkronometer.

Det tok nesten hundre år før Lord Kelvins idé ble realisert. Det var lenge, men oppgaven var ikke lett. Å transformere atomer til ideelle pendler viste seg å være vanskeligere i praksis enn i teorien. Vanskeligheten lå i kampen med den såkalte resonansbredden – en liten fluktuasjon i frekvensen av absorpsjon og emisjon av energi når atomer beveger seg fra nivå til nivå. Forholdet mellom resonansfrekvensen og resonansbredden bestemmer kvaliteten på atomoscillatoren. Jo større verdien av resonansbredden er, desto lavere er kvaliteten på atompendelen. Dessverre er det ikke mulig å øke resonansfrekvensen for å forbedre kvaliteten. Den er konstant for atomene til hvert enkelt stoff. Men resonansbredden kan reduseres ved å øke tiden for observasjon av atomer.

Teknisk kan dette oppnås som følger: la en ekstern, for eksempel kvarts, oscillator periodisk generere elektromagnetisk stråling, som får atomene til donorstoffet til å hoppe over energinivåer. I dette tilfellet er oppgaven til atomkronograftuneren å bringe frekvensen til denne kvartsoscillatoren så nær som mulig resonansfrekvensen til atomovergangen mellom nivåer. Dette blir mulig i tilfelle av en tilstrekkelig lang periode med observasjon av atomvibrasjoner og opprettelse av tilbakemelding som regulerer frekvensen av kvarts.

Sant nok, i tillegg til problemet med å redusere resonansbredden i en atomkronograf, er det mange andre problemer. Dette er Doppler-effekten - et skifte i resonansfrekvensen på grunn av bevegelse av atomer, og gjensidige kollisjoner av atomer, forårsaker uplanlagte energioverganger, og til og med påvirkningen av den gjennomgripende energien til mørk materie.

Første gangs forsøk praktisk gjennomføring atomur ble utført på 30-tallet av forrige århundre av forskere ved Columbia University under ledelse av fremtiden Nobelprisvinner Dr. Isidor Rabi. Rabi foreslo å bruke cesiumisotopen 133 Cs som en kilde til pendelatomer. Dessverre ble Rabis arbeid, som interesserte NBS sterkt, avbrutt av andre verdenskrig.

Etter fullføringen gikk ledelsen i implementeringen av atomkronografen over til NBS-ansatt Harold Lyons. Atomoscillatoren hans kjørte på ammoniakk og ga en feil som kan sammenlignes med de beste eksemplene på kvartsresonatorer. I 1949 ble ammoniakk-atomuret demonstrert for allmennheten. Til tross for den ganske middelmådige nøyaktigheten, implementerte de de grunnleggende prinsippene for fremtidige generasjoner av atomkronografer.

Prototypen til en cesium atomklokke oppnådd av Louis Essen ga en nøyaktighet på 1 * 10 -9, mens den hadde en resonansbredde på bare 340 Hertz

Litt senere forbedret Harvard University-professor Norman Ramsey Isidor Rabis ideer, og reduserte virkningen av Doppler-effekten på nøyaktigheten av målinger. Han foreslo, i stedet for en lang høyfrekvent puls, spennende atomer, å bruke to korte som ble sendt til armene til bølgelederen i en viss avstand fra hverandre. Dette gjorde det mulig å redusere resonansbredden kraftig og gjorde det faktisk mulig å lage atomoscillatorer som er en størrelsesorden overlegen i nøyaktighet i forhold til deres kvarts-forfedre.

På 50-tallet av forrige århundre, basert på ordningen foreslått av Norman Ramsey, ved National Physical Laboratory (UK), arbeidet dens ansatte Louis Essen på en atomoscillator basert på cesiumisotopen 133 Cs tidligere foreslått av Rabi. Cesium ble ikke valgt ved en tilfeldighet.

Skjema for hyperfine overgangsnivåer av atomer i cesium-133 isotopen

Tilhører gruppen av alkalimetaller, er cesiumatomer ekstremt lett begeistret for å hoppe mellom energinivåer. For eksempel kan en lysstråle lett slå ut en strøm av elektroner fra cesium-atomstrukturen. Det er på grunn av denne egenskapen at cesium er mye brukt i fotodetektorer.

Design av en klassisk cesiumoscillator basert på en Ramsey-bølgeleder

Første offisielle cesiumfrekvensstandard NBS-1

Etterkommer av NBS-1 - NIST-7-oscillatoren brukte laserpumping av en stråle av cesiumatomer

For at Essen-prototypen skulle bli en sann standard, tok det mer enn fire år. Tross alt var presis justering av atomklokker bare mulig ved sammenligning med eksisterende ephemeris-tidsenheter. I løpet av fire år ble atomoscillatoren kalibrert ved å observere Månens rotasjon rundt jorden ved hjelp av et presisjons månekamera oppfunnet av William Markowitz fra US Naval Observatory.

"Justeringen" av atomklokker til måneephemeris ble utført fra 1955 til 1958, hvoretter enheten ble offisielt anerkjent av NBS som en frekvensstandard. Dessuten fikk den enestående nøyaktigheten til cesium-atomklokker NBS til å endre tidsenheten i SI-standarden. Siden 1958 har den andre offisielt blitt adoptert som "varigheten av 9.192.631.770 perioder med stråling som tilsvarer overgangen mellom to hyperfine nivåer av standardtilstanden til et atom i cesium-133-isotopen."

Louis Essens enhet ble kalt NBS-1 og ble ansett som den første cesiumfrekvensstandarden.

I løpet av de neste tretti årene ble seks modifikasjoner av NBS-1 utviklet, hvorav den siste, NIST-7, opprettet i 1993 ved å erstatte magneter med laserfeller, gir en nøyaktighet på 5 * 10 -15 med en resonansbredde på bare seksti -to hertz.

Sammenligningstabell over karakteristikker for cesiumfrekvensstandarder brukt av NBS

NBS-enheter er stasjonære stativer, som gjør at de kan klassifiseres som standarder i stedet for praktisk brukte oscillatorer. Men for rent praktiske formål arbeidet Hewlett-Packard til fordel for cesiumfrekvensstandarden. I 1964 skapte den fremtidige datagiganten en kompakt versjon av cesium-frekvensstandarden - HP 5060A-enheten.

Kalibrert ved hjelp av NBS-standarder, passet HP 5060-frekvensstandardene inn i et typisk radioutstyrsstativ og var en kommersiell suksess. Det var takket være cesium-frekvensstandarden satt av Hewlett-Packard at den enestående nøyaktigheten til atomklokker ble utbredt.

Hewlett-Packard 5060A.

Som et resultat ble slike ting som satellitt-TV og kommunikasjon, globale navigasjonssystemer og tidssynkroniseringstjenester for informasjonsnettverk mulig. Det har vært mange bruksområder for den industrialiserte atomkronografteknologien. Samtidig stoppet ikke Hewlett-Packard der og forbedrer stadig kvaliteten på cesiumstandarder og deres vekt og dimensjoner.

Hewlett-Packard-familien av atomklokker

I 2005 ble Hewlett-Packards atomklokkeavdeling solgt til Simmetricom.

Sammen med cesium, hvis reserver i naturen er svært begrensede, og etterspørselen etter det på en rekke teknologiske felt er ekstremt høy, ble rubidium, hvis egenskaper er svært nær cesium, brukt som donorstoff.

Det ser ut til at eksisterende ordning atomklokker har blitt brakt til perfeksjon. I mellomtiden hadde den en irriterende ulempe, eliminering av denne ble mulig i andre generasjon av cesium-frekvensstandarder, kalt cesiumfontener.

Kilder av tid og optisk melasse

Til tross for den høyeste nøyaktigheten til NIST-7-atomkronometeret, som bruker laserdeteksjon av tilstanden til cesiumatomer, er designen ikke fundamentalt forskjellig fra designene til de første versjonene av cesiumfrekvensstandarder.

En designulempe med alle disse ordningene er at det er fundamentalt umulig å kontrollere forplantningshastigheten til en stråle av cesiumatomer som beveger seg i en bølgeleder. Og dette til tross for at bevegelseshastigheten til cesiumatomer ved romtemperatur er hundre meter per sekund. Svært raskt.

Det er derfor alle modifikasjoner av cesiumstandarder er et søk etter en balanse mellom størrelsen på bølgelederen, som har tid til å påvirke raske cesiumatomer på to punkter, og nøyaktigheten av å oppdage resultatene av denne påvirkningen. Jo mindre bølgelederen er, desto vanskeligere er det å lage påfølgende elektromagnetiske pulser som påvirker de samme atomene.

Hva om vi finner en måte å redusere hastigheten til cesiumatomer? Det var denne ideen som opptok MIT-student Jerold Zacharius, som studerte tyngdekraftens innflytelse på atomers oppførsel på slutten av førtitallet av forrige århundre. Senere, involvert i utviklingen av en variant av cesiumfrekvensstandarden Atomichron, foreslo Zacharius ideen om en cesiumfontene - en metode for å redusere hastigheten til cesiumatomer til en centimeter per sekund og kvitte seg med den dobbeltarmede bølgelederen av tradisjonelle atomoscillatorer.

Ideen til Zacharius var enkel. Hva om du avfyrte cesiumatomer vertikalt inne i en oscillator? Deretter vil de samme atomene passere gjennom detektoren to ganger: en gang mens de reiser opp, og igjen ned, hvor de vil skynde seg under påvirkning av tyngdekraften. I dette tilfellet vil nedadgående bevegelse av atomer være betydelig langsommere enn deres start, fordi de under reisen i fontenen vil miste energi. Dessverre, på 50-tallet av forrige århundre, var ikke Zacharius i stand til å realisere ideene sine. I hans eksperimentelle oppsett samhandlet atomer som beveget seg oppover med de som falt nedover, noe som forvirret nøyaktigheten av deteksjonen.

Ideen om Zacharius ble returnert først på åttitallet. Forskere ved Stanford University, ledet av Steven Chu, har funnet en måte å realisere Zacharius-fontenen ved å bruke en metode de kaller «optisk melasse».

I Chu cesium-fontenen blir en sky av cesiumatomer som skytes oppover forhåndskjølt av et system med tre par motrettede lasere som har en resonansfrekvens like under den optiske resonansen til cesiumatomene.

Opplegg av en cesiumfontene med optisk melasse.

De laserkjølte cesiumatomene begynner å bevege seg sakte, som gjennom melasse. Hastigheten deres synker til tre meter per sekund. Å redusere hastigheten til atomer gir forskere muligheten til mer nøyaktig å oppdage tilstander (du må innrømme at det er mye lettere å se bilskiltene til en bil som beveger seg med en hastighet på én kilometer i timen enn en bil som beveger seg med en hastighet på hundre kilometer i timen).

En kule av avkjølte cesiumatomer skytes oppover omtrent en meter, og passerer en bølgeleder underveis, gjennom hvilken atomene blir utsatt for et elektromagnetisk felt med en resonansfrekvens. Og detektoren til systemet registrerer endringen i atomenes tilstand for første gang. Etter å ha nådd "taket", begynner de avkjølte atomene å falle på grunn av tyngdekraften og passere gjennom bølgelederen en gang til. På vei tilbake registrerer detektoren igjen tilstanden deres. Siden atomene beveger seg ekstremt sakte, er flukten deres i form av en ganske tett sky lett å kontrollere, noe som betyr at det i fontenen ikke vil være atomer som flyr opp og ned samtidig.

Chus cesiumfonteneanlegg ble adoptert av NBS som en frekvensstandard i 1998 og fikk navnet NIST-F1. Feilen var 4 * 10 -16, noe som betyr at NIST-F1 var mer nøyaktig enn forgjengeren NIST-7.

Faktisk nådde NIST-F1 grensen for nøyaktighet ved måling av tilstanden til cesiumatomer. Men forskerne stoppet ikke ved denne seieren. De bestemte seg for å eliminere feilen som svart kroppsstråling introduserer i driften av atomklokker - resultatet av samspillet mellom cesiumatomer og den termiske strålingen til kroppen til installasjonen de beveger seg i. Den nye NIST-F2 atomkronografen plasserte en cesiumfontene i et kryogent kammer, og reduserte svart kroppsstråling til nesten null. NIST-F2-feilen er en utrolig 3*10 -17.

Graf over feilreduksjon av standardalternativer for cesiumfrekvens

For tiden gir atomklokker basert på cesiumfontener menneskeheten den mest nøyaktige tidsstandarden, i forhold til hvilken pulsen til vår teknogene sivilisasjon slår. Takket være tekniske triks ble de pulserende hydrogenmaserne som kjøler ned cesiumatomer i de stasjonære versjonene av NIST-F1 og NIST-F2 erstattet av en konvensjonell laserstråle som arbeider sammen med et magneto-optisk system. Dette gjorde det mulig å lage kompakte og meget stabile strukturer. ytre påvirkninger varianter av NIST-Fx-standarder som kan fungere i romfartøy. Ganske fantasifullt kalt "Aerospace Cold Atom Clock", er disse frekvensstandardene installert i satellittene til navigasjonssystemer som GPS, som sikrer deres fantastiske synkronisering for å løse problemet med svært nøyaktig beregning av koordinatene til GPS-mottakerne som brukes i gadgetene våre.

En kompakt versjon av cesiumfontenen atomklokke, kalt "Aerospace Cold Atom Clock", brukes i GPS-satellitter

Tidsreferanseberegningen utføres av et "ensemble" på ti NIST-F2-er lokalisert ved ulike forskningssentre som samarbeider med NBS. Den nøyaktige verdien av atomsekunderet oppnås kollektivt, og eliminerer dermed ulike feil og påvirkningen fra den menneskelige faktoren.

Det er imidlertid mulig at cesiumfrekvensstandarden en dag vil bli oppfattet av våre etterkommere som en veldig grov mekanisme for å måle tid, akkurat som vi nå ser nedlatende på pendelens bevegelser i de mekaniske bestefarklokkene til våre forfedre.

En sensasjon har spredt seg rundt i den vitenskapelige verden - tiden fordamper fra universet vårt! Så langt er dette bare en hypotese fra spanske astrofysikere. Men det faktum at strømmen av tid på jorden og i verdensrommet er annerledes har allerede blitt bevist av forskere. Tiden flyter langsommere under påvirkning av tyngdekraften, og akselererer når den beveger seg bort fra planeten. Oppgaven med å synkronisere det jordiske og kosmisk tid utføre hydrogenfrekvensstandarder, som også kalles "atomklokker".

Den første atomtiden dukket opp sammen med fremveksten av astronautikk; atomklokker dukket opp på midten av 20-tallet. I dag har atomklokker blitt en hverdagslig ting; hver av oss bruker dem hver dag: digital kommunikasjon, GLONASS, navigasjon og transport fungerer med deres hjelp.

Eiere av mobiltelefoner tenker nesten ikke på hvilket komplekst arbeid som utføres i verdensrommet for streng tidssynkronisering, og vi snakker bare om milliondeler av et sekund.

Den nøyaktige tidsstandarden er lagret i Moskva-regionen, i Vitenskapelig institutt fysisk-tekniske og radiotekniske målinger. Det finnes 450 slike klokker i verden.

Russland og USA har monopol på atomklokker, men i USA opererer klokkene på basis av cesium, et radioaktivt metall som er svært miljøskadelig, og i Russland, på basis av hydrogen, et sikrere og holdbart materiale.

Denne klokken har ikke urskive eller visere: den ser ut som en stor tønne med sjeldne og verdifulle metaller, fylt med de mest avanserte teknologiene - høypresisjonsmåleinstrumenter og utstyr med atomstandarder. Prosessen med deres opprettelse er veldig lang, kompleks og foregår under absolutt sterilitet.

I 4 år nå har klokken installert på den russiske satellitten studert mørk energi. Etter menneskelig standard mister de nøyaktigheten med 1 sekund over mange millioner år.

Veldig snart vil atomklokker bli installert på Spektr-M – et romobservatorium som vil se hvordan stjerner og eksoplaneter dannes, og se utover kanten svart hull i sentrum av galaksen vår. I følge forskere, på grunn av den monstrøse tyngdekraften, flyter tiden så sakte her at den nesten stopper opp.

tvroscosmos

For det første bruker menneskeheten klokker som et middel for program-tidskontroll.

For det andre, i dag er måling av tid den mest nøyaktige typen måling av alle: Nøyaktigheten av tidsmåling er nå bestemt av en utrolig feil i størrelsesorden 1·10-11%, eller 1 s på 300 tusen år.

Og vi oppnådde en slik nøyaktighet moderne mennesker når de begynte å bruke atomer, som, som et resultat av svingningene deres, er regulatoren for atomuret. Cesiumatomer er i to energitilstander vi trenger (+) og (-). Elektromagnetisk stråling med en frekvens på 9.192.631.770 hertz produseres når atomer endrer seg fra (+) tilstand til (-) tilstand, og skaper en presis, konstant periodisk prosess - regulatoren av atomklokkekoden.

For at atomklokker skal fungere nøyaktig, må cesium fordampes i en ovn, en prosess som frigjør atomene. Bak ovnen er det en sorteringsmagnet, som har kapasitet til atomer i (+) tilstand, og i den, på grunn av bestråling i mikrobølgefeltet, går atomene inn i (-) tilstand. Den andre magneten leder atomene som har endret tilstand (+) til (-) inn i mottaksenheten. Mange atomer som har endret tilstand oppnås bare hvis frekvensen til mikrobølgesenderen nøyaktig sammenfaller med cesiumvibrasjonsfrekvensen på 9.192.631.770 hertz. Ellers reduseres antall atomer (-) i mottaksenheten.

Enhetene overvåker og regulerer konstant den konstante frekvensen på 9 192 631 770 hertz. Dette betyr at drømmen til klokkedesignere har gått i oppfyllelse, en absolutt konstant periodisk prosess er funnet: en frekvens på 9 192 631 770 hertz, som regulerer atomklokkenes forløp.

I dag, som et resultat av internasjonal enighet, er en andre definert som strålingsperioden multiplisert med 9 192 631 770, tilsvarende overgangen mellom to hyperfine strukturelle nivåer av grunntilstanden til cesiumatomet (isotop cesium-133).

For å måle nøyaktig tid kan du også bruke vibrasjoner av andre atomer og molekyler, som atomer av kalsium, rubidium, cesium, strontium, hydrogenmolekyler, jod, metan osv. Imidlertid er strålingen fra cesiumatomet gjenkjent som frekvensen standard. For å sammenligne vibrasjonene til forskjellige atomer med en standard (cesium), ble det laget en titan-safirlaser som genererer et bredt spekter av frekvenser i området fra 400 til 1000 nm.

Den første skaperen av kvarts- og atomklokker var en engelsk eksperimentell fysiker Essen Lewis (1908-1997). I 1955 skapte han den første standarden for atomfrekvens (tid) ved å bruke en stråle av cesiumatomer. Som et resultat av dette arbeidet oppsto 3 år senere (1958) en tidstjeneste basert på atomfrekvensstandarden.

I USSR la akademiker Nikolai Gennadievich Basov fram ideene sine for å lage en atomklokke.

Så, atomklokke, En av de nøyaktige typene klokker er en enhet for måling av tid, der de naturlige vibrasjonene til atomer eller molekyler brukes som en pendel. Stabiliteten til atomklokker er den beste blant alle eksisterende typer klokker, som er nøkkelen til høyeste nøyaktighet. Atomklokkegeneratoren produserer mer enn 32 768 pulser per sekund, i motsetning til konvensjonelle klokker. Atomiske vibrasjoner er ikke avhengig av lufttemperatur, vibrasjoner, fuktighet og mange andre eksterne faktorer.

I moderne verden, når navigasjon rett og slett ikke kan gjøres uten, ble atomklokker uunnværlige assistenter. De er i stand til å bestemme plasseringen av et romskip, satellitt, ballistisk missil, fly, ubåt, bil automatisk via satellittkommunikasjon.

De siste 50 årene har altså atomklokker, eller rettere sagt cesiumklokker, blitt ansett som de mest nøyaktige. De har lenge vært brukt av tidstjenester, og tidssignaler sendes også av enkelte radiostasjoner.

Atomklokkeenheten inkluderer 3 deler:

kvantediskriminator,

kvarts oscillator,

elektronikkkompleks.

Kvartsoscillatoren genererer en frekvens (5 eller 10 MHz). Oscillatoren er en RC-radiogenerator, som bruker piezoelektriske moduser av en kvartskrystall som et resonanselement, hvor atomer som har endret tilstand (+) til (-) sammenlignes. For å øke stabiliteten sammenlignes dens frekvens konstant med svingningene til en kvantediskriminator (atomer eller molekyler). Når det oppstår en forskjell i oscillasjon, justerer elektronikken frekvensen til kvartsoscillatoren til null, og øker dermed stabiliteten og nøyaktigheten til klokken til ønsket nivå.

I den moderne verden kan atomklokker produseres i alle land i verden for bruk i Hverdagen. De er veldig små i størrelse og vakre. Den nyeste atomklokken er ikke større enn en fyrstikkeske og har lavt strømforbruk på mindre enn 1 watt. Og dette er ikke grensen, kanskje i fremtiden vil teknisk fremgang nå mobiltelefoner. I mellomtiden er kompakte atomklokker kun installert på strategiske missiler for å øke navigasjonsnøyaktigheten mange ganger.

I dag kan herre- og dameklokker for enhver smak og budsjett kjøpes i nettbutikker.

I 2011 ble verdens minste atomklokke laget av spesialister fra Symmetricom og Sandia National Laboratories. Denne klokken er 100 ganger mer kompakt enn tidligere kommersielt tilgjengelige versjoner. Størrelsen på et atomkronometer er ikke større enn en fyrstikkeske. For å fungere trenger den bare 100 mW strøm - dette er 100 ganger mindre sammenlignet med forgjengerne.

Det var mulig å redusere størrelsen på klokken ved å installere i stedet for fjærer og gir en mekanisme som opererer etter prinsippet om å bestemme frekvensen av elektromagnetiske bølger som sendes ut av cesiumatomer under påvirkning av laser stråle ubetydelig kraft.

Slike klokker brukes i navigasjon, så vel som i arbeidet til gruvearbeidere, dykkere, der det er nødvendig å nøyaktig synkronisere tid med kolleger på overflaten, samt presise tidstjenester, fordi feilen til atomklokker er mindre enn 0,000001 brøker et sekund per dag. Kostnaden for den rekordlite atomklokken Symmetricom var rundt 1500 dollar.

I det 21. århundre utvikler satellittnavigasjon seg i et raskt tempo. Du kan bestemme posisjonen til alle objekter som på en eller annen måte er forbundet med satellitter, det være seg mobiltelefon, bil eller romskip. Men ingenting av dette kunne oppnås uten atomklokker.
Dessuten brukes disse klokkene i ulike telekommunikasjoner, for eksempel, mobil kommunikasjon.Dette er den mest nøyaktige klokken som noen gang har vært, er og kommer til å bli. Uten dem ville ikke Internett vært synkronisert, vi ville ikke vite avstanden til andre planeter og stjerner osv.
I timer per sekund tas det 9.192.631.770 perioder med elektromagnetisk stråling, som oppsto under overgangen mellom to energinivåer til cesium-133-atomet. Slike klokker kalles cesiumklokker. Men dette er bare en av tre typer atomklokker. Det finnes også hydrogen- og rubidium-klokker. Imidlertid brukes cesiumklokker oftest, så vi vil ikke dvele ved andre typer.

Driftsprinsipp for en cesium atomklokke

Laseren varmer opp atomene til cesiumisotopen og på dette tidspunktet registrerer den innebygde resonatoren alle overganger til atomene. Og, som nevnt tidligere, etter å ha nådd 9.192.631.770 overganger, telles ett sekund.

En laser innebygd i urkassen varmer opp atomene i cesiumisotopen. På dette tidspunktet registrerer resonatoren antall overganger av atomer til et nytt energinivå. Når en viss frekvens er nådd, nemlig 9.192.631.770 overganger (Hz), telles den andre basert på det internasjonale SI-systemet.

Bruk i satellittnavigasjon

Prosessen med å bestemme den nøyaktige plasseringen av et objekt ved hjelp av en satellitt er svært vanskelig. Flere satellitter er involvert i dette, nemlig mer enn 4 per mottaker (for eksempel en GPS-navigator i en bil).

Hver satellitt inneholder en atomklokke med høy presisjon, en satellittradiosender og en digital kodegenerator. Radiosenderen sender en digital kode og informasjon om satellitten til jorden, nemlig baneparametere, modell osv.

Klokken bestemmer hvor lang tid det tok før denne koden nådde mottakeren. Når man kjenner forplantningshastigheten til radiobølger, beregnes avstanden til mottakeren på jorden. Men én satellitt er ikke nok for dette. Moderne GPS-mottakere kan motta signaler fra 12 satellitter samtidig, noe som lar deg bestemme plasseringen av et objekt med en nøyaktighet på opptil 4 meter. Det er forresten verdt å merke seg det GPS-navigatorer krever ikke abonnementsavgift.