Atomóra hiba. Hogyan működnek az atomórák?

, Galileo) lehetetlen atomórák nélkül. Az atomórákat a műholdas és földi távközlési rendszerekben is használják, beleértve a mobiltelefon-bázisállomásokat, a nemzetközi és nemzeti szabványügyi irodákat, valamint az időszolgáltatásokat, amelyek időszakosan időjeleket sugároznak a rádión keresztül.

Óra készülék

Az óra több részből áll:

• kvantum diszkriminátor,
• elektronikai komplexum.

Nemzeti Frekvencia Szabvány Központok

Sok ország nemzeti idő- és frekvenciaszabvány-központokat hozott létre:

• (VNIIFTRI), Mendeleevo falu, moszkvai régió;
• (NIST), Boulder (USA, Colorado);
• National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tokió (Japán);
• Szövetségi Fizikai és Műszaki Ügynökség (Német)(PTB), Braunschweig (Németország);
• Országos Mérésügyi és Vizsgálati Laboratórium (Francia)(LNE), Párizs (Franciaország).
• UK National Physical Laboratory (NPL), London, Egyesült Királyság.

Különböző országok tudósai az atomórák fejlesztésén dolgoznak, és ezek alapján állítják ki az elsődleges idő- és frekvenciaszabványokat, az ilyen órák pontossága folyamatosan növekszik. Oroszországban kiterjedt kutatás folyik az atomórák teljesítményének javítására.

Az atomórák típusai

Nem minden atom (molekula) alkalmas az atomóra megkülönböztetésére. Olyan atomokat választanak ki, amelyek érzéketlenek a különféle külső hatásokra: mágneses, elektromos és elektromágneses mezőkre. Az elektromágneses sugárzási spektrum minden tartományában vannak ilyen atomok. Ezek a következők: kalcium, rubídium, cézium, stroncium atomok, hidrogén-, jód-, metán-, ozmium(VIII)-oxid stb. molekulák. Fő (elsődleges) frekvenciastandardnak a céziumatom hiperfinom átmenetét választottuk. Az összes többi (másodlagos) szabvány teljesítményét összehasonlítják ezzel a szabvánnyal. Az ilyen összehasonlítás érdekében jelenleg úgynevezett optikai fésűket használnak. (Angol)- széles frekvenciaspektrumú sugárzás egyenlő távolságra lévő vonalak formájában, amelyek közötti távolság az atomfrekvencia szabványhoz van kötve. Az optikai fésűket üzemmód-zárt femtoszekundumos lézer és mikrostrukturált optikai szál segítségével állítják elő, amelyben a spektrum egy oktávra bővül.

2006-ban az Amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet kutatói Jim Bergquist vezetésével egyetlen atomon működő órát fejlesztettek ki. A higanyion energiaszintjei közötti átmenetek fotonokat hoznak létre a látható tartományban, amelyek stabilitása 5-ször nagyobb, mint a cézium-133 mikrohullámú sugárzása. Az új óra alkalmazást találhat az alapvető fizikai állandók változásának az időtől való függésének vizsgálatában is. 2015 áprilisában az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete által készített atomórák voltak a legpontosabbak. A hiba mindössze egy másodperc volt 15 milliárd év alatt. Az órák egyik lehetséges alkalmazása a relativisztikus geodézia volt, melynek fő gondolata egy órahálózat gravitációs szenzorként történő alkalmazása, amely segít a Föld alakjának hihetetlenül részletes háromdimenziós mérésében.

A mindennapi életben használható kompakt atomórák (karórák, mobil eszközök) aktív fejlesztése folyamatban van. 2011 elején egy amerikai cég Symmemetricom bejelentette egy kis chip méretű cézium atomóra kereskedelmi forgalomba hozatalát. Az óra a koherens populációbefogás hatására működik. Stabilitásuk 5 10 -11 óránként, tömegük 35 g, fogyasztásuk 115 mW.

Megjegyzések

1. Új atomóra pontossági rekordot döntött (határozatlan) . Membrana (2010. február 5.). Letöltve: 2011. március 4. Archiválva: 2012. február 9.
2. A feltüntetett frekvenciák kifejezetten a precíziós kvarcrezonátorokra jellemzőek, a piezoelektromos effektus alkalmazásával elérhető legmagasabb minőségi tényezővel és frekvenciastabilitással. Általában a kvarcoszcillátorokat néhány kHz-től több száz MHz-ig terjedő frekvencián használják. ( Altshuller G. B., Elfimov N. N., Shakulin V. G. Kristályoszcillátorok: Útmutató. - M.: Rádió és Hírközlés, 1984. - S. 121, 122. - 232 p. - 27.000 példány.)
3. N. G. Basov, V. S. Letokhov. Optikai frekvencia szabványok. // UFN. - 1968. - T. 96, 12. sz.
4. Nemzeti metrológiai laboratóriumok (angol). NIST, 2011. február 3 (Letöltve: 2011. június 14.)
5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T. és munkatársai. Nagy pontosságú egyatomos optikai óra (angol) // Phys. Fordulat. Lett. . - American Physical Society, 2006. július 4. - Vol. 97. sz. 2. -

MOSZKVA, október 27. - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Mi az idő? A tudományos-fantasztikus filmek rendezői úgy vélik, hogy ez egyfajta dimenzió, amelyen keresztül lehet mozogni. A való világban az időt a tárgyak térbeli helyzete határozza meg. Elméletileg, ha az Univerzum minden részecskéjét vissza tudjuk állítani abba az állapotba és helyzetbe, amelyben egy bizonyos pillanatban volt, akkor visszautaztunk az időben.

Ismereteink tehát egyelőre lehetővé teszik az idő meghatározását a világban végbemenő mechanikai változások függvényében. Például a Föld egy teljes forgása a tengelye körül egy napot, a Nap körül pedig egy évet határoz meg. De az embereknek szükségük van arra, hogy a napot kisebb és világosan meghatározott szegmensekre osszák fel – órákra, percekre, másodpercekre.

Ezen egységek megszámlálásához az emberek speciális eszközöket - órákat - találtak ki. Történetük évszázados, és a technológiával együtt az időmérés pontosságával szemben támasztott követelmények is nőnek. Ha a mindennapi életben remekül boldogulunk a mechanikus és elektronikus órákkal, akkor a tudomány sokkal precízebb műszereket igényel.

Az időszámítás alapja egy bizonyos megismételhető esemény, amikor egy objektum egy szigorúan meghatározott idő elteltével visszatér eredeti állapotába. Például egy mechanikus órában a fogaskerekek forognak (vagy az inga leng), és egy homokórában eljön a pillanat, amikor az összes homokszem az edény aljára esik.

Természetesen a modern elektronikus és mechanikus órák sokkal pontosabbak, mint elődeik - víz, homok és napelem. Néhány terület azonban még pontosabb mechanizmusokat igényel. És az emberek létrehoztak egy órát, amely az atom belsejében zajló folyamatok alapján működött.

Mint tudják, az atom atommagból és elektronfelhőből áll. Az elektronok különböző energiaszinteken helyezkednek el. Minél távolabb van egy elektron az atommagtól, annál több energiája van. Képzelj el egy kutyát, amely erős, de nyújtható pórázzal acélgerendára van kötve. Minél távolabb akar távolodni, annál szorosabbra kell húznia a pórázt. Természetesen egy erős, nagy kutya tovább tud mozogni, mint egy kicsi és gyenge.

© AP Photo/Focke Strangmann

© AP Photo/Focke Strangmann

Alacsonyabb szintre haladva egy elektron energiát bocsát ki, magasabb szintre haladva pedig energiát vesz fel. Az "ugráló" elektronok elektromágneses sugárzással szabályozhatók, amely energiaforrás. A sugárzásnak van egy bizonyos frekvenciája. Ez az érték az oszcilláció periódusának inverze, vagyis az az idő, amely szükséges ahhoz, hogy egy „zárt” mozgást végző objektum visszatérjen eredeti állapotába.

Az atomórák kalciumot, hidrogént, tuliumot, stronciumot, rubídiumot, tóriumot, jódot és metánt, leggyakrabban céziumot használnak. A cézium-133 alapú atomóra elektronjai az egyik energiaszintről a másikra való átmenet során 9 192 631 770 Hz frekvenciájú elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. Erre a számra oszlik a másodperc ebben a természetes órában. Az 1967-ben, az Általános Súly- és Mértékkonferencián hivatalosan elfogadott meghatározás szerint a cézium-133 atomot az idő mérésének szabványaként ismerik el. A második pontossága meghatározza a fizikai mennyiségek más alapegységeinek, például voltoknak vagy wattoknak a hitelességét, amelyek az idő függvényében határozódnak meg.

Egy ultraprecíz óra így működik: a cézium-133-at felmelegítik, és néhány atom elhagyja a főanyagot, majd áthalad egy mágneses mezőn, ami kiküszöböli a kívánt energiaállapotú atomokat. A kiválasztott atomok az elektromágneses sugárzás frekvenciájához közeli frekvenciájú mágneses mezőn haladnak át, amikor egy elektron a cézium-133-ban egyik szintről a másikra halad át. A mező hatására az atomok energiaállapotot változtatnak, és egy detektorra esnek, amely rögzíti azt a pillanatot, amikor a legnagyobb számú atom lesz a kívánt energiaállapotú. Ezután az elektromágneses tér frekvenciaértéke bekerül a frekvenciaosztóba, amely a másodperc elosztásával határozza meg mértékegységét. Az eredmény egy „új másodperc”, amelyet a minimális időegység szabványának tekintünk.

© Illusztráció: RIA Novosti. Alina Polyanina

Az atomórák a ma létező legpontosabb időmérő műszerek, és a modern technológia fejlődésével és egyre összetettebbé válásával egyre fontosabbá válnak.

Működés elve

Az atomórák nem a radioaktív bomlásnak köszönhetően tartják a pontos időt, ahogy a nevük is sugallja, hanem az atommagok és az őket körülvevő elektronok rezgéseinek segítségével. Gyakoriságukat az atommag tömege, a gravitáció és a pozitív töltésű atommag és az elektronok közötti elektrosztatikus „kiegyensúlyozó” határozza meg. Ez nem egészen felel meg a szokásos óraszerkezetnek. Az atomórák megbízhatóbb időmegőrzők, mivel rezgésük nem változik a környezeti tényezőktől, például a páratartalomtól, a hőmérséklettől vagy a nyomástól függően.

Az atomórák evolúciója

Az évek során a tudósok rájöttek, hogy az atomok rezonanciafrekvenciái az elektromágneses sugárzás elnyelésére és kibocsátására vonatkozó képességükhöz kapcsolódnak. Az 1930-as és 1940-es években olyan nagyfrekvenciás kommunikációs és radarberendezéseket fejlesztettek ki, amelyek az atomok és molekulák rezonanciafrekvenciájával kapcsolódtak. Ez hozzájárult az óra ötletéhez.

Az első példányokat 1949-ben a National Institute of Standards and Technology (NIST) építette. Rezgésforrásként ammóniát használtak. Azonban nem voltak sokkal pontosabbak a meglévő időszabványnál, és a következő generációban céziumot használtak.

Új szabvány

Az időmérés pontosságának változása olyan nagy volt, hogy 1967-ben az Általános Súly- és Mértékkonferencia az SI másodpercet egy céziumatom 9 192 631 770 rezgéseként határozta meg a rezonanciafrekvenciáján. Ez azt jelentette, hogy az idő már nem függött össze a Föld mozgásával. A világ legstabilabb atomóráját 1968-ban hozták létre, és az 1990-es évekig a NIST időmérő rendszer részeként használták.

Javító autó

Az egyik legújabb fejlesztés ezen a területen a lézeres hűtés. Ez javította a jel-zaj arányt és csökkentette az órajel bizonytalanságát. Ennek a hűtőrendszernek és a céziumórák javítására használt egyéb berendezéseknek a befogadásához akkora hely kellene, mint egy vasúti kocsi, bár a kereskedelmi változatok elférnének egy bőröndben. Az egyik ilyen laboratóriumi létesítmény a Colorado állambeli Boulderben tartja az időt, és a Föld legpontosabb órája. Napi 2 nanoszekundumot vagy 1,4 millió évenként 1 másodpercet tévednek.

Komplex technológia

Ez az óriási pontosság egy összetett gyártási folyamat eredménye. Először a folyékony céziumot kemencébe helyezik, és addig melegítik, amíg gázzá nem válik. A fématomok nagy sebességgel távoznak a kemencében lévő kis nyíláson keresztül. Az elektromágnesek hatására különálló, különböző energiájú nyalábokra hasadnak. A szükséges nyaláb egy U alakú lyukon halad át, és az atomokat 9 192 631 770 Hz frekvenciájú mikrohullámú energiával sugározzák be. Ennek köszönhetően izgatottak és más energiaállapotba kerülnek. A mágneses tér ezután kiszűri az atomok egyéb energiaállapotait.

A detektor reagál a céziumra, és a megfelelő frekvenciaértéknél maximumot mutat. Ez szükséges az óramechanizmust vezérlő kvarcoszcillátor konfigurálásához. Frekvenciáját elosztva 9.192.631.770-zel másodpercenként egy impulzust kapunk.

Nem csak cézium

Bár a leggyakoribb atomórák a cézium tulajdonságait használják, vannak más típusok is. Különböznek a felhasznált elemben és az energiaszint változásának meghatározására szolgáló eszközökben. Egyéb anyagok a hidrogén és a rubídium. A hidrogénatomos órák hasonlóan működnek, mint a céziumórák, de szükségük van egy speciális anyagból készült falú tartályra, amely megakadályozza, hogy az atomok túl gyorsan veszítsenek energiát. A Rubidium órák a legegyszerűbbek és a legkompaktabbak. Bennük egy rubídium gázzal töltött üvegcella megváltoztatja a fényelnyelést ultramagas frekvenciának kitéve.

Kinek van szüksége pontos időre?

Ma már rendkívül pontosan mérhető az idő, de miért fontos ez? Erre olyan rendszerekben van szükség, mint a mobiltelefonok, az internet, a GPS, a repülési programok és a digitális televíziózás. Első pillantásra ez nem egyértelmű.

A pontos idő használatára példa a csomagszinkronizálás. Telefonhívások ezrei haladnak át az átlagos kommunikációs vonalon. Ez csak azért lehetséges, mert a beszélgetés nem kerül továbbításra teljesen. A távközlési cég kis csomagokra bontja, sőt az információk egy részét kihagyja. Ezután átmennek a vonalon más beszélgetések csomagjaival együtt, és keveredés nélkül visszaállnak a másik végén. A telefonközpont órajelrendszere az információ pontos elküldésének időpontja alapján tudja meghatározni, hogy egy adott beszélgetéshez mely csomagok tartoznak.

GPS

A pontos idő másik megvalósítása a globális helymeghatározó rendszer. 24 műholdból áll, amelyek koordinátáikat és idejüket továbbítják. Bármely GPS-vevő csatlakozhat hozzájuk, és összehasonlíthatja a sugárzási időket. A különbség lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy meghatározza tartózkodási helyét. Ha ezek az órák nem lennének túl pontosak, akkor a GPS rendszer nem lenne praktikus és megbízhatatlan.

A tökéletesség határa

A technika és az atomórák fejlődésével szembetűnővé váltak az Univerzum pontatlanságai. A Föld egyenetlenül mozog, ami véletlenszerű eltéréseket okoz az évek és a napok hosszában. A múltban ezek a változások észrevétlenek maradtak volna, mert az idő mérésére szolgáló eszközök túlságosan pontatlanok voltak. A kutatók és tudósok nagy csalódására azonban az atomórák idejét módosítani kell, hogy kompenzálják a valós anomáliákat. Csodálatos eszközök, amelyek elősegítik a modern technológia fejlődését, de kiválóságuknak a természet által meghatározott korlátok szabnak határt.

Mely „órakészítők” találták ki és tökéletesítették ezt a rendkívül precíz mechanizmust? Van helyette? Próbáljuk meg kitalálni.

2012-ben ünnepli fennállásának negyvenötödik évfordulóját az atomidőmérő. 1967-ben a Nemzetközi Mértékegységrendszerben az idő kategóriáját nem csillagászati ​​skálákkal kezdték meghatározni, hanem a céziumfrekvencia-szabvány szerint. Ezt hívják a köznép atomórának.

Mi az atomoszcillátorok működési elve? Ezek az „eszközök” atomok vagy molekulák kvantumenergia-szintjét használják a rezonanciafrekvencia forrásaként. A kvantummechanika több különálló energiaszintet kapcsol össze az „atommag-elektronok” rendszerrel. Egy bizonyos frekvenciájú elektromágneses mező kiválthatja ennek a rendszernek az alacsony szintről a magasabb szintre való átmenetét. Lehetséges az ellenkező jelenség is: egy atom energia kibocsátásával magas energiaszintről alacsonyabb szintre léphet. Mindkét jelenség szabályozható, és ezek az energiaszintek közötti ugrások rögzíthetők, ezáltal egy oszcillációs áramkör látszatát keltve. Ennek az áramkörnek a rezonanciafrekvenciája egyenlő lesz a két átmeneti szint közötti energiakülönbséggel osztva a Planck-állandóval.

Az így létrejött atomoszcillátornak kétségtelen előnyei vannak csillagászati ​​és mechanikai elődeihez képest. Az oszcillátorhoz kiválasztott anyag összes atomjának rezonanciafrekvenciája az ingáktól és a piezokristályoktól eltérően azonos lesz. Ezenkívül az atomok nem kopnak el, és nem változtatják meg tulajdonságaikat az idő múlásával. Ideális egy gyakorlatilag örökkévaló és rendkívül precíz kronométerhez.

Először 1879-ben fontolgatta William Thomson brit fizikus, ismertebb nevén Lord Kelvin, az atomok szintközi energiaátmeneteinek frekvenciaszabványként való alkalmazásának lehetőségét. Javasolta a hidrogén használatát rezonátor atomok forrásaként. Kutatásai azonban inkább elméleti jellegűek voltak. A tudomány akkoriban még nem állt készen egy atomkronométer kifejlesztésére.

Majdnem száz évbe telt, mire Lord Kelvin ötlete megvalósult. Hosszú volt, de a feladat nem volt könnyű. Az atomok ideális ingákká alakítása a gyakorlatban nehezebbnek bizonyult, mint az elméletben. A nehézség az úgynevezett rezonanciaszélességgel való küzdelemben rejlett – az energia abszorpciós és kibocsátási gyakoriságának kis ingadozása, ahogy az atomok szintről szintre mozognak. A rezonanciafrekvencia és a rezonanciaszélesség aránya határozza meg az atomoszcillátor minőségét. Nyilvánvaló, hogy minél nagyobb a rezonancia szélessége, annál gyengébb az atominga minősége. Sajnos a rezonanciafrekvencia növelése a minőség javítása érdekében nem lehetséges. Az egyes anyagok atomjaira nézve állandó. De a rezonancia szélessége csökkenthető az atomok megfigyelési idejének növelésével.

Technikailag ez a következőképpen érhető el: hagyjuk, hogy egy külső, például kvarc oszcillátor időszakonként elektromágneses sugárzást generáljon, aminek hatására a donor anyag atomjai energiaszinteken átugranak. Ebben az esetben az atomkronográf hangoló feladata, hogy ennek a kvarcoszcillátornak a frekvenciáját a lehető legközelebb hozza az atomok szintközi átmenetének rezonanciafrekvenciájához. Ez az atomi rezgések kellően hosszú megfigyelése és a kvarc frekvenciáját szabályozó visszacsatolás létrehozása esetén válik lehetővé.

Igaz, az atomkronográf rezonanciaszélességének csökkentésével kapcsolatos probléma mellett sok más probléma is felmerül. Ez a Doppler-effektus - a rezonanciafrekvencia eltolódása az atomok mozgása és az atomok kölcsönös ütközése miatt, ami nem tervezett energiaátmeneteket, sőt a sötét anyag átható energiájának befolyását okozza.

Az első kísérletet az atomórák gyakorlati megvalósítására a múlt század harmincas éveiben tették a Columbia Egyetem tudósai a leendő Nobel-díjas Dr. Isidor Rabi vezetésével. Rabi a cézium 133 Cs izotóp használatát javasolta ingaatomok forrásaként. Sajnos Rabi munkáját, amely az NBS-t nagyon érdekelte, a második világháború megszakította.

Ennek elkészülte után az atomkronográf kivitelezésében a vezető szerepet Harold Lyons, az NBS alkalmazottja kapta. Atomoszcillátora ammóniával működött, és a kvarcrezonátorok legjobb példáihoz hasonló hibát adott. 1949-ben az ammóniás atomórát bemutatták a nagyközönségnek. A meglehetősen közepes pontosság ellenére megvalósították az atomkronográfok jövő generációinak alapelveit.

A Louis Essen által előállított cézium atomóra prototípusa 1 * 10 -9 pontosságot biztosított, miközben a rezonancia szélessége mindössze 340 Hertz

Kicsit később a Harvard Egyetem professzora, Norman Ramsey javította Isidor Rabi elképzeléseit, csökkentve a Doppler-effektus hatását a mérések pontosságára. Azt javasolta, hogy egy hosszú, nagyfrekvenciás impulzusú gerjesztő atom helyett két rövidet használjanak, amelyeket a hullámvezető karjaira küldenek egymástól bizonyos távolságra. Ez lehetővé tette a rezonancia szélességének éles csökkentését, és valójában lehetővé tette olyan atomoszcillátorok létrehozását, amelyek pontossága nagyságrenddel jobb, mint kvarc őseik.

A múlt század ötvenes éveiben a Norman Ramsey által javasolt séma alapján a National Physical Laboratory-ban (Egyesült Királyság) annak alkalmazottja, Louis Essen a Rabi által korábban javasolt 133 Cs cézium-izotópon alapuló atomoszcillátoron dolgozott. A céziumot nem véletlenül választották.

A cézium-133 izotóp atomjainak hiperfinom átmeneti szintjeinek vázlata

Az alkálifémek csoportjába tartozó céziumatomok rendkívül könnyen gerjeszthetők az energiaszintek közötti ugrásra. Például egy fénysugár könnyen kiütheti az elektronok áramlását a cézium atomszerkezetéből. Ennek a tulajdonságának köszönhető, hogy a céziumot széles körben használják fotodetektorokban.

Klasszikus cézium oszcillátor tervezése Ramsey hullámvezető alapján

Az első hivatalos cézium frekvenciaszabvány NBS-1

Az NBS-1 leszármazottja - a NIST-7 oszcillátor cézium atomnyalábot lézerrel pumpált

Több mint négy évbe telt, mire az esseni prototípus valódi szabvány lett. Végül is az atomórák pontos beállítása csak a meglévő efemerisz időegységekkel volt lehetséges. Négy év alatt az atomoszcillátort úgy kalibrálták, hogy megfigyelték a Hold forgását a Föld körül egy precíziós holdkamerával, amelyet az amerikai haditengerészeti obszervatórium William Markowitz feltalált.

Az atomórák Hold efemeriszhez való "igazítását" 1955 és 1958 között végezték, ezt követően az NBS hivatalosan is elismerte az eszközt frekvenciaszabványként. Ezenkívül a cézium atomórák példátlan pontossága arra késztette az NBS-t, hogy változtassa meg az időegységet az SI szabványban. 1958 óta a második hivatalosan „9 192 631 770 sugárzási periódus időtartama, amely megfelel a cézium-133 izotóp atomjának standard állapotának két hiperfinom szintje közötti átmenetnek”.

Louis Essen készüléke az NBS-1 nevet kapta, és az első céziumfrekvencia-szabványnak számított.

A következő harminc évben az NBS-1 hat módosítását fejlesztették ki, amelyek közül a legújabb, a NIST-7, amelyet 1993-ban hoztak létre a mágnesek lézercsapdákkal való helyettesítésével, 5 * 10 -15 pontosságot biztosít, mindössze hatvan rezonanciaszélességgel. - két Hertz.

Az NBS által használt céziumfrekvencia-szabványok jellemzőinek összehasonlító táblázata

Az NBS készülékek helyhez kötött állványok, ami lehetővé teszi, hogy a gyakorlatban használt oszcillátorok helyett szabványokba sorolják őket. De pusztán gyakorlati célokra a Hewlett-Packard a cézium frekvenciaszabvány érdekében dolgozott. 1964-ben a leendő számítógép-óriás elkészítette a cézium frekvenciaszabvány kompakt változatát - a HP 5060A eszközt.

Az NBS szabványokkal kalibrált HP 5060 frekvenciaszabványok egy tipikus rádióberendezés-állványba illeszkedtek, és kereskedelmi sikert arattak. A Hewlett-Packard által felállított cézium frekvenciaszabványnak köszönhető, hogy az atomórák példátlan pontossága terjedt el.

Hewlett-Packard 5060A.

Ennek eredményeként olyan dolgok váltak lehetővé, mint a műholdas televízió és kommunikáció, a globális navigációs rendszerek és az információs hálózati időszinkronizálási szolgáltatások. Az iparosodott atomi kronográf technológiának számos alkalmazása volt. Ugyanakkor a Hewlett-Packard nem állt meg itt, és folyamatosan javítja a cézium szabványok minőségét, valamint súlyát és méreteit.

Hewlett-Packard atomóracsalád

2005-ben a Hewlett-Packard atomórás részlegét eladták a Simmetricomnak.

A cézium mellett, amelynek természeti készletei nagyon korlátozottak, és a technológiai területeken rendkívül nagy a kereslet, a rubídiumot, amelynek tulajdonságai nagyon közel állnak a céziumhoz, donoranyagként használták.

Úgy tűnik, hogy a meglévő atomóra-sémát tökéletesítették. Mindeközben volt egy bosszantó hátránya, aminek kiküszöbölése a céziumfrekvencia-szabványok második generációjában, az úgynevezett céziumszökőkutakban vált lehetővé.

Az idő és az optikai melasz szökőkútjai

A céziumatomok állapotának lézeres detektálását alkalmazó NIST-7 atomkronométer legnagyobb pontossága ellenére kialakítása alapvetően nem különbözik a céziumfrekvencia-szabványok első verzióinak terveitől.

Mindezen sémák tervezési hátránya, hogy alapvetően lehetetlen szabályozni a hullámvezetőben mozgó céziumatomok nyalábjának terjedési sebességét. És ez annak ellenére, hogy a céziumatomok mozgási sebessége szobahőmérsékleten száz méter másodpercenként. Nagyon gyorsan.

Éppen ezért a céziumszabványok minden módosítása egyensúlyt keres a hullámvezető mérete között, amelynek két ponton van ideje befolyásolni a gyors céziumatomokat, és ennek a hatásnak az eredményeinek pontossága között. Minél kisebb a hullámvezető, annál nehezebb egymást követő elektromágneses impulzusokat létrehozni, amelyek ugyanazokat az atomokat érintik.

Mi van, ha megtaláljuk a módját a céziumatomok sebességének csökkentésére? Ez a gondolat foglalkoztatta Jerold Zacharius MIT-hallgatót, aki a gravitációnak az atomok viselkedésére gyakorolt ​​hatását tanulmányozta a múlt század negyvenes éveinek végén. Később, az Atomichron céziumfrekvencia-szabvány egy változatának kifejlesztésében, Zacharius felvetette a cézium-szökőkút ötletét - egy módszert, amellyel a céziumatomok sebességét másodpercenként egy centiméterre csökkenthető, és megszabadulhat a kétkarú hullámvezetőtől. hagyományos atomoszcillátorok.

Zacharius ötlete egyszerű volt. Mi lenne, ha cézium atomokat lőnél ki függőlegesen egy oszcillátor belsejébe? Ezután ugyanazok az atomok kétszer haladnak át a detektoron: egyszer felfelé, majd lefelé, ahol a gravitáció hatására rohannak meg. Ebben az esetben az atomok lefelé mozgása lényegesen lassabb lesz, mint felszállásuk, mert a szökőkútban való utazásuk során energiát veszítenek. Sajnos a múlt század ötvenes éveiben Zacharius nem tudta megvalósítani elképzeléseit. Kísérleti elrendezésében a felfelé mozgó atomok kölcsönhatásba léptek a lefelé eső atomokkal, ami megzavarta a detektálás pontosságát.

Zacharius ötlete csak a nyolcvanas években tért vissza. A Stanford Egyetem tudósai Steven Chu vezetésével megtalálták a módját a Zacharius-kút megvalósításának egy általuk "optikai melasznak" nevezett módszerrel.

A Chu cézium szökőkútban a céziumatomok felfelé irányuló felhőjét egy három pár ellentétes irányú lézerből álló rendszer előhűti, amelyek rezonanciafrekvenciája közvetlenül a céziumatomok optikai rezonanciája alatt van.

Optikai melaszos cézium-szökőkút vázlata.

A lézerrel hűtött céziumatomok lassan mozogni kezdenek, mintha a melaszán keresztül haladnának. Sebességük másodpercenként három méterre csökken. Az atomok sebességének csökkentése lehetőséget ad a kutatóknak az állapotok pontosabb észlelésére (el kell ismerni, sokkal könnyebben látni egy kilométer per órás sebességgel haladó autó rendszámát, mint egy százas sebességgel haladó autót kilométer per óra).

A lehűtött céziumatomokból álló golyót körülbelül egy méterrel felfelé indítják, és egy hullámvezetőn haladnak keresztül, amelyen keresztül az atomok rezonanciafrekvenciájú elektromágneses térnek vannak kitéve. A rendszer detektora pedig először rögzíti az atomok állapotának változását. A „mennyezet” elérése után a lehűlt atomok a gravitáció hatására esni kezdenek, és másodszor is áthaladnak a hullámvezetőn. A visszaúton a detektor ismét rögzíti az állapotukat. Mivel az atomok rendkívül lassan mozognak, repülésük meglehetősen sűrű felhő formájában könnyen irányítható, ami azt jelenti, hogy a szökőkútban nem fognak egyszerre fel-le repülni az atomok.

Chu cézium szökőkútját az NBS 1998-ban frekvenciaszabványként fogadta el, és a NIST-F1 nevet kapta. A hibája 4 * 10 -16 volt, ami azt jelenti, hogy a NIST-F1 pontosabb volt, mint elődje, a NIST-7.

Valójában a NIST-F1 elérte a pontosság határát a céziumatomok állapotának mérésében. A tudósok azonban nem álltak meg ennél a győzelemnél. Úgy döntöttek, hogy kiküszöbölik azt a hibát, amelyet a fekete test sugárzása okoz az atomórák működésében - a céziumatomok kölcsönhatása a berendezés testének hősugárzásával, amelyben mozognak. Az új NIST-F2 atomkronográf céziumszökőkutat helyezett el egy kriogén kamrában, így a feketetestek sugárzását majdnem nullára csökkentette. A NIST-F2 hiba hihetetlen 3*10 -17.

A céziumfrekvenciás standard opciók hibacsökkentési grafikonja

Jelenleg a cézium-szökőkutakra épülő atomórák biztosítják az emberiség számára a legpontosabb időmércét, amelyhez képest technogén civilizációnk pulzusa üt. A mérnöki trükköknek köszönhetően a NIST-F1 és NIST-F2 stacionárius változataiban a céziumatomokat hűtő impulzusos hidrogénmasereket egy hagyományos lézersugár váltotta fel, amely párhuzamosan működik magneto-optikai rendszerrel. Ez lehetővé tette a NIST-Fx szabványok kompakt és rendkívül ellenálló, űrhajókban használható változatainak létrehozását. Meglehetősen ötletesen "Aerospace Cold Atom Clock" néven emlegetett frekvenciaszabványok olyan navigációs rendszerek műholdjaiba vannak telepítve, mint például a GPS, amely biztosítja azok csodálatos szinkronizálását, hogy megoldja a kütyüinkben használt GPS-vevők koordinátáinak nagyon pontos kiszámításának problémáját.

A cézium-szökőkút atomóra kompakt változatát, az úgynevezett "Aerospace Cold Atom Clock"-ot használják a GPS-műholdakban.

Az időreferencia számítását egy tíz NIST-F2-ből álló "együttes" végzi, amelyek az NBS-szel együttműködő különböző kutatóközpontokban helyezkednek el. Az atomi másodperc pontos értékét együttesen kapjuk meg, ezáltal kiküszöböljük a különféle hibákat és az emberi tényező befolyását.

Lehetséges azonban, hogy egy napon leszármazottaink a céziumfrekvencia-szabványt egy nagyon durva időmérési mechanizmusnak fogják fel, ahogy most leereszkedően szemléljük őseink mechanikus nagyapa óráiban az inga mozgását.

Észrevette már, hogy a házában lévő órái eltérő időt mutatnak? És honnan tudja, hogy az összes lehetőség közül melyik a helyes? Mindezekre a kérdésekre megtudjuk a választ az atomórák működési elvének alapos tanulmányozása során.

Atomóra: leírás és működési elv

Először is értsük meg, mi az atomóra mechanizmusa. Az atomóra egy olyan eszköz, amellyel az időt mérik, de a saját rezgéseit használja a folyamat periodicitásaként, és minden atomi és molekuláris szinten történik. Ezért ilyen pontosság.

Nyugodtan állíthatjuk, hogy az atomórák a legpontosabbak! Nekik köszönhető, hogy a világban működik az internet és a GPS-navigáció, pontosan tudjuk a bolygók elhelyezkedését a Naprendszerben. Ennek a készüléknek a hibája olyan minimális, hogy bátran kijelenthetjük, hogy világszínvonalúak! Az atomórának köszönhetően a teljes világszinkronizálás megtörténik, hogy bizonyos változások hol helyezkednek el.

Ki találta fel, ki alkotta, és ki találta ki ezt a csodaórát?

A huszadik század negyvenes éveinek elején ismerték a mágneses rezonancia atomnyalábját. Alkalmazásának eleinte semmi köze nem volt az órákhoz – ez csak elmélet volt. De már 1945-ben Isidor Rabi egy olyan eszköz létrehozását javasolta, amelynek koncepciója az volt, hogy a fent leírt technika alapján működnek. De úgy tervezték őket, hogy nem mutattak pontos eredményeket. És már 1949-ben a Nemzeti Szabványügyi Hivatal értesítette az egész világot az első atomóra megalkotásáról, amely ammónia molekuláris vegyületein alapult, és már 1952-ben elsajátították a céziumatomokon alapuló prototípus létrehozására szolgáló technológiákat.

Az ammónia- és céziumatomok hallatán felmerül a kérdés: radioaktív-e ez a csodálatos óra? A válasz egyértelmű – nem! Nincs bennük atomi bomlás.

Manapság sok olyan anyag létezik, amelyből atomórákat készítenek. Ez például a szilícium, a kvarc, az alumínium és még az ezüst is.

Hogyan működik a készülék?

Nézzük meg, hogyan néz ki és hogyan működik az atomenergiás óra. Ehhez ajánljuk munkájuk leírását:

Az óra megfelelő működéséhez sem inga, sem kvarcoszcillátor nem szükséges. Olyan jeleket használnak, amelyek egyetlen elektron kvantumátmenetéből származnak az atom két energiaszintje között. Ennek eredményeként képesek vagyunk megfigyelni egy elektromágneses hullámot. Más szavakkal, gyakori ingadozásokat és rendkívül magas szintű rendszerstabilitást kapunk. Az új felfedezéseknek köszönhetően minden évben modernizálódnak a folyamatok. Nem sokkal ezelőtt a National Institute of Standards and Technology (NIST) szakemberei lettek rekorderek, és ezzel abszolút világrekordot döntöttek. Az atomóra (stroncium alapú) pontosságát a minimális eltérésre tudták hozni, nevezetesen: 15 milliárd év alatt egy másodperc ketyeg. Igen, igen, nem így gondoltad, pontosan ez az a kor, amely jelenleg az Univerzumunkhoz van rendelve. Ez egy kolosszális felfedezés! Végül is a stroncium játszotta a legfontosabb szerepet ezen a lemezen. A „kullancs” analógja volt a térrácsában mozgó stroncium atomok, amelyeket a tudósok lézerrel hoztak létre. Mint mindig a tudományban, elméletben minden elbűvölőnek és már javítottnak tűnik, de egy ilyen rendszer instabilitása a gyakorlatban kevésbé örömtelinek bizonyulhat. A céziumkészülék éppen instabilitása miatt vált világszerte népszerűvé.

Most nézzük meg, miből áll egy ilyen eszköz. A főbb részletek itt a következők:

• kvantumdiszkriminátor;
• kvarc generátor;
• elektronika.

A kvarcoszcillátor hasonló az önoszcillátorhoz, de a rezonáns elem előállításához egy kvarckristály piezoelektromos módusait használja.

Kvantum diszkriminátorral és kvarcoszcillátorral, frekvenciájuk hatására ezeket összehasonlítják, és ha eltérést észlel, a visszacsatoló áramkör megköveteli, hogy a kvarcoszcillátor a kívánt értékre állítsa be, és növelje a stabilitást és a pontosságot. Ennek eredményeként a kimeneten a pontos értéket látjuk a tárcsán, így a pontos időt.

A korai modellek meglehetősen nagy méretűek voltak, de 2013 októberében a Bathys Hawaii cég egy miniatűr atomos karóra kibocsátásával keltett feltűnést. Eleinte mindenki viccnek fogta fel ezt a kijelentést, de hamar kiderült, hogy ez valóban igaz, és az is Cesium 133 atomforrás alapján működik A készülék biztonságát az biztosítja, hogy a radioaktív elem gáz formájában van egy speciális kapszulában.

Az atomórák témakörében sok embert érdekel az áramforrás kérdése. Akkumulátorként lítium-ion akkumulátort használnak. De sajnos még nem tudni, meddig bírja egy ilyen akkumulátor.

A BathysHawaii órája valóban az első atomos karóra volt. Korábban is voltak már ismert esetek egy viszonylag hordozható eszköz kiadására, de sajnos nem volt atomi áramforrása, csak vezeték nélküli rádión keresztül volt szinkronizálva egy valódi dimenziós órával. Érdemes megemlíteni egy ilyen kütyü költségét is. Az örömet 12 ezer amerikai dollárra értékelték. Nyilvánvaló volt, hogy ilyen áron az óra nem fog nagy népszerűségre szert tenni, de a cég nem törekedett erre, mert nagyon korlátozott tételben adta ki.

Többféle atomórát ismerünk. Kialakításukban és elveikben nincs jelentős különbség, de azért vannak eltérések. Tehát a legfontosabbak a változások megtalálásának eszközei és azok elemei. A következő típusú órákat lehet megkülönböztetni:

1. Hidrogén. Lényegük abban rejlik, hogy a hidrogénatomok a szükséges energiaszinten vannak megtámasztva, de a falak speciális anyagból készülnek. Ennek alapján arra a következtetésre jutunk, hogy a hidrogénatomok nagyon gyorsan elveszítik energiaállapotukat.
2. Cézium. Cézium gerendákon alapulnak. Érdemes megjegyezni, hogy ezek az órák a legpontosabbak.
3. Rubídium. Ezek a legegyszerűbbek és nagyon kompaktak.

Mint korábban említettük, az atomórák nagyon drága eszköz. Így a Hoptroff 10-es zsebóra a játékok új generációjának fényes képviselője. Egy ilyen stílusos és nagyon precíz kiegészítő ára 78 ezer dollár. Mindössze 12 példány készült. Ennek a készüléknek a mechanizmusa nagyfrekvenciás oszcillációs rendszert használ, amely GPS-jellel is fel van szerelve.

A cég nem állt meg itt, és az óra tizedik verziójában azt a módszert kívánja alkalmazni, hogy a mechanizmust arany tokba helyezik, amelyet egy népszerű 3D nyomtatóra nyomtatnak majd. Azt még nem számolták ki, hogy pontosan mennyi aranyat használnak majd a tok ezen verziójához, de ennek a remekműnek a becsült kiskereskedelmi ára már ismert - körülbelül 50 ezer font volt. És ez nem a végső ár, bár figyelembe veszi az összes kutatási mennyiséget, valamint magának a kütyünek az újszerűségét és egyediségét.

Történelmi tények az órák használatáról

Hogyan beszélhetünk atomórákról anélkül, hogy megemlítenénk a velük és általában az idővel kapcsolatos legérdekesebb tényeket:

1. Tudtad, hogy a legrégebbi napórát az ókori Egyiptomban találták?
2. Az atomórák hibája minimális - mindössze 1 másodperc 6 millió évenként.
3. Mindenki tudja, hogy egy percben 60 másodperc van. De kevesen foglalkoztak azzal, hogy hány ezredmásodperc van egy másodpercben? És nem sok és nem kevés van belőlük – ezer!
4. Minden turista, aki ellátogathatott Londonba, mindig a saját szemével akarta látni a Big Bent. De sajnos kevesen tudják, hogy a Big Ben egyáltalán nem torony, hanem egy hatalmas, 13 tonnás harang neve, amely a torony belsejében szólal meg.
5. Elgondolkozott már azon, hogy óráink mutatói miért balról jobbra, vagy ahogy szoktuk mondani, az óramutató járásával megegyező irányba haladnak? Ez a tény közvetlenül összefügg azzal, ahogyan az árnyék mozog a napórán.
6. A legelső karórákat 1812-ben találták fel. A Breguet alapítója készítette őket a nápolyi királynő számára.
7. Az első világháború előtt a karórák csak női kiegészítőnek számítottak, de hamarosan kényelmük miatt a lakosság férfi része is ezt választotta.