Pontos atomórák. Hogyan működnek az atomórák? Történelmi tények az órák használatáról

Az időmérő eszközök fejlesztésében új lendületet adtak az atomfizikusok.

1949-ben megépült az első atomóra, ahol a rezgések forrása nem inga vagy kvarcoszcillátor volt, hanem az elektron kvantumátmenetéhez kapcsolódó jelek egy atom két energiaszintje között.

A gyakorlatban az ilyen órák nem bizonyultak túl pontosnak, ráadásul terjedelmesek és drágák voltak, és nem használtak széles körben. Aztán úgy döntöttek, hogy a cézium kémiai elemhez fordulnak. 1955-ben pedig megjelentek az első céziumatomokon alapuló atomórák.

1967-ben döntöttek az atomi időszabványra való átállásról, mivel a Föld forgása lassul, és ennek a lassulásnak a mértéke nem állandó. Ez jelentősen megnehezítette a csillagászok és az időmérők munkáját.

A Föld jelenleg 100 évenként körülbelül 2 milliszekundum sebességgel forog.

A nap hosszának ingadozása is eléri az ezredmásodperceket. Ezért a greenwichi középidő pontossága (amelyet 1884 óta általánosan elfogadott globális szabvány) elégtelenné vált. 1967-ben megtörtént az átállás az atomi időszabványra.

Ma egy másodperc pontosan megegyezik a 9 192 631 770 sugárzási periódussal, ami megfelel a Cesium 133 atom alapállapotának két hiperfinom szintje közötti átmenetnek.

Jelenleg a koordinált világidőt használják időskálaként. Ezt a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda hozta létre a különböző országok időtároló laboratóriumaiból származó adatok, valamint a Nemzetközi Földforgási Szolgálat adatainak egyesítésével. Pontossága majdnem milliószor nagyobb, mint a csillagászati ​​greenwichi középidő.

Olyan technológiát fejlesztettek ki, amely radikálisan csökkenti az ultraprecíz atomórák méretét és költségét, ami lehetővé teszi, hogy széles körben alkalmazzák őket mobil eszközökben a legkülönfélébb célokra. A tudósoknak sikerült létrehozniuk egy rendkívül kis méretű atomi időszabványt. Az ilyen atomórák fogyasztása kevesebb, mint 0,075 W, és hibájuk nem haladja meg az egy másodpercet 300 év alatt.

Egy amerikai kutatócsoportnak sikerült létrehoznia egy ultrakompakt atomszabványt. Lehetővé vált, hogy az atomórákat közönséges AA elemekről táplálják. Rendkívül precíz, általában legalább méter magas atomórákat 1,5x1,5x4 mm-es térfogatban helyeztek el.

Egyetlen higanyionon alapuló kísérleti atomórát fejlesztettek ki az USA-ban. Ötször pontosabbak, mint a nemzetközi szabványként elfogadott cézium. A céziumórák olyan pontosak, hogy egy másodperces eltérés eléréséhez 70 millió évre van szükség, míg a higanyóráknál ez az időtartam 400 millió év.

1982-ben egy új csillagászati ​​objektum - egy ezredmásodperces pulzár - avatkozott be az Időszabvány csillagászati ​​meghatározása és az azt megnyerő atomóra közötti vitába. Ezek a jelek olyan stabilak, mint a legjobb atomórák

Tudtad?

Az első órák Oroszországban

1412-ben Moszkvában a Nagyfejedelem udvarában, az Angyali üdvözlet-templom mögött helyeztek el egy órát, amelyet Lázár szerb szerzetes készítette, aki a szerb földről származott. Sajnos ezekről az első orosz órákról nem maradt fenn leírás.

Hogyan jelent meg a csengő óra a moszkvai Kreml Szpasszkaja tornyán?

A 17. században az angol Christopher Galloway harangokat készített a Szpasszkaja toronyhoz: az órakört 17 szektorra osztották, az egyetlen óramutató állt, lefelé irányult, és a számlap valamelyik számára mutatott, de maga a számlap forgott.

Az időnek, annak ellenére, hogy a tudósok még mindig nem tudják végleg megfejteni valódi lényegét, mégis megvannak az emberiség által meghatározott mértékegységei. És egy számítási eszköz, amelyet óra. Milyen fajtáik vannak, melyek a világ legpontosabb órái? Mai anyagunkban erről lesz szó.

Melyik a világ legpontosabb órája?

Atominak tekintik őket - apró hibáik vannak, amelyek milliárd évenként csak másodperceket érhetnek el. A 2., nem kevésbé megtisztelő dobogó egy hónap lemaradással, vagy csak 10-15 másodperccel rohannak előre. De a mechanikus órák nem a legpontosabbak a világon. Folyamatosan kell őket indítani és beindítani, és itt teljesen más sorrendben vannak a hibák.

A világ legpontosabb atomórája

Ahogy már elhangzott, az idő minőségi mérésére szolgáló atomi műszerek olyan aprólékosak, hogy az általuk adott hibák összehasonlíthatók bolygónk átmérőjének méréseivel minden mikrorészecskéig. Kétségtelen, hogy az átlagembernek a mindennapi életben egyáltalán nincs szüksége ilyen precíz mechanizmusokra. Ezeket használják tudományos kutatók különféle kísérletek elvégzésére, ahol extrém számításokra van szükség. Lehetőséget biztosítanak az emberek számára, hogy teszteljék az „idő lefolyását” a földkerekség különböző területein, vagy olyan kísérleteket végezzenek, amelyek megerősítik az általános relativitáselméletet, valamint más fizikai elméleteket és hipotéziseket.

Párizsi szabvány

Melyik a világ legpontosabb órája? Általánosan elfogadott, hogy párizsiak, az Időintézethez tartoznak. Ez az eszköz az úgynevezett időszabvány, az emberek szerte a világon ellenőrzik. Egyébként valójában nem egészen hasonlít a szó hagyományos értelmében vett „sétálókra”, hanem egy nagyon precíz, legbonyolultabb felépítésű eszközre hasonlít, amely kvantumelven alapul, és a fő gondolat a a téridő számítása részecskerezgésekkel, 1000 évre mindössze 1 másodperces hibával.

Még pontosabban

Melyik ma a világ legpontosabb órája? A jelenlegi valóságban a tudósok egy olyan eszközt találtak fel, amely 100 ezerszer pontosabb a párizsi szabványnál. Hibája egy másodperc 3,7 milliárd év alatt! A technológia fejlesztéséért amerikai fizikusok egy csoportja a felelős. Ez már a kvantumlogikára épített időeszközök második változata, ahol az információfeldolgozást hasonló módszerrel végzik, mint pl.

Kutatási segítség

A legújabb kvantumeszközök nemcsak olyan mennyiségek mérésében állítanak fel új mércét, mint az idő, hanem sok országban segítik a kutatókat olyan kérdések megoldásában, amelyek olyan fizikai állandókkal kapcsolatosak, mint a fénysugár sebessége vákuumban vagy a Planck-állandó. A mérések növekvő pontossága előnyös a tudósok számára, akik azt remélik, hogy nyomon tudják követni a gravitáció okozta idődilatációt. Az Egyesült Államok egyik technológiai vállalata pedig azt tervezi, hogy akár tömeggyártású kvantumórákat is piacra dobna mindennapi használatra. Igaz, mekkora lesz az elsődleges költségük?

Működési elve

Az atomórákat szokás kvantumóráknak is nevezni, mert molekuláris szinten zajló folyamatok alapján működnek. A nagy pontosságú eszközök létrehozásához nem akármilyen atomokat veszünk: általában kalcium és jód, cézium és rubídium, valamint hidrogénmolekulák felhasználása a jellemző. Jelenleg az ittibériumon alapuló időszámítás legpontosabb mechanizmusait az amerikaiak hozták létre. A berendezés működésében több mint 10 ezer atom vesz részt, ami kiváló pontosságot biztosít. A korábbi rekorderek egyébként „csak” 100 milliós másodpercenkénti hibájuk volt, ami ugyebár szintén jelentős időszak.

Precíziós kvarc...

A mindennapi használatra szánt háztartási „sétálók” kiválasztásakor természetesen a nukleáris eszközöket nem szabad figyelembe venni. A háztartási órák közül manapság a világ legpontosabb karórái a kvarcórák, amelyek számos előnnyel is rendelkeznek a mechanikusokkal szemben: nem igényelnek tekercselést, és kristályokkal dolgoznak. A futási hibáik átlagosan 15 másodpercet tesznek ki havonta (a mechanikai hibák általában napi ennyi időt késhetnek). És sok szakértő szerint a világ legpontosabb kvarc karórája a Citizen cég - „Chronomaster”. Évente mindössze 5 másodperces hibájuk lehet. A költségeket tekintve meglehetősen drágák - körülbelül 4 ezer euró. A képzeletbeli Longines dobogó második fokán (évente 10 másodperc). Már sokkal olcsóbbak - körülbelül 1000 euró.

...és mechanikus

A legtöbb mechanikus műszer általában nem különösebben pontos. Az egyik készülék azonban még büszkélkedhet. A 20. században készült óra hatalmas, 14 ezer elemből álló mechanizmussal rendelkezik. Összetett kialakításuknak, valamint meglehetősen lassú működésüknek köszönhetően mérési hibáik 600 évente másodpercek.

Tavaly, 2012-ben volt negyvenöt éve annak, hogy az emberiség úgy döntött, hogy az atomi időmérőt használja az idő minél pontosabb mérésére. 1967-ben a nemzetközi időkategória megszűnt csillagászati ​​skálákkal meghatározni - ezeket a cézium frekvenciaszabvány váltotta fel. Ő kapta a ma népszerű nevet - atomóra. Az általuk meghatározható pontos idő elhanyagolható, egy másodperces hibája hárommillió évenként, ami lehetővé teszi, hogy a világ bármely sarkában időstandardként használják őket.

Egy kis történelem

Az atomi rezgések használatának gondolatát az idő ultrapontos mérésére először 1879-ben fogalmazta meg William Thomson brit fizikus. Ez a tudós javasolta a hidrogén használatát rezonátor atomok kibocsátójaként. Az ötlet gyakorlati megvalósítására csak a 40-es években próbálkoztak először. huszadik század. A világ első működő atomórája 1955-ben jelent meg Nagy-Britanniában. Alkotójuk a brit kísérleti fizikus, Dr. Louis Essen volt. Ezek az órák a cézium-133 atomok rezgése alapján működtek, és nekik köszönhetően a tudósok végre a korábbinál sokkal nagyobb pontossággal mérhették az időt. Essen első eszköze száz évenként legfeljebb egy másodperces hibát engedett meg, de ezt követően sokszorosára nőtt, és a másodpercenkénti hiba csak 2-300 millió év alatt halmozódhat fel.

Atomóra: működési elv

Hogyan működik ez az okos „készülék”? Az atomórák kvantumszintű molekulákat vagy atomokat használnak rezonanciafrekvencia-generátorként. kapcsolatot létesít az „atommag – elektron” rendszer és több különálló energiaszint között. Ha egy ilyen rendszert szigorúan meghatározott gyakorisággal befolyásolnak, akkor ennek a rendszernek az átmenete alacsony szintről magas szintre történik. Fordított folyamat is lehetséges: egy atom átmenete magasabb szintről alacsonyabb szintre, energiakibocsátással együtt. Ezek a jelenségek szabályozhatók, és minden energiaugrás rögzíthető olyasmivel, mint egy rezgőkör (más néven atomoszcillátor). Rezonanciafrekvenciája megfelel a szomszédos atomi átmeneti szintek közötti energiakülönbségnek, osztva a Planck-állandóval.

Egy ilyen oszcillációs áramkörnek tagadhatatlan előnyei vannak mechanikai és csillagászati ​​elődeihez képest. Egy ilyen atomoszcillátor esetében bármely anyag atomjainak rezonanciafrekvenciája azonos lesz, ami nem mondható el az ingákról és a piezokristályokról. Ezenkívül az atomok nem változtatják meg tulajdonságaikat az idő múlásával és nem kopnak el. Ezért az atomórák rendkívül pontos és gyakorlatilag örökké tartó kronométerek.

Pontos idő és modern technológia

Távközlési hálózatok, műholdas kommunikáció, GPS, NTP-szerverek, elektronikus tranzakciók a tőzsdén, internetes aukciók, az interneten keresztüli jegyvásárlás eljárása - mindezek és sok más jelenség már régóta szilárdan beépült életünkbe. De ha az emberiség nem találta volna fel az atomórákat, mindez egyszerűen nem történt volna meg. A pontos idő, a szinkronizálás, amellyel minimálisra csökkentheti a hibákat, késéseket és késéseket, lehetővé teszi az ember számára, hogy a legtöbbet hozza ki ebből a felbecsülhetetlen értékű, pótolhatatlan erőforrásból, amelyből soha nincs túl sok.

Atomóra

Ha a kvarcórák pontosságát a rövid távú stabilitásuk szempontjából értékeljük, akkor el kell mondani, hogy ez a pontosság jóval nagyobb, mint az ingaóráké, amelyek azonban hosszabb távú mérések során nagyobb stabilitást mutatnak. A kvarcórákban a szabálytalan mozgást a kvarc belső szerkezetének megváltozása és az elektronikus rendszerek instabilitása okozza.

A frekvencia instabilitás fő forrása az oszcillátor frekvenciáját szinkronizáló kvarckristály öregedése. Igaz, a mérések kimutatták, hogy a kristály öregedése, amihez a frekvencia növekedése társul, nagy ingadozások és hirtelen változások nélkül megy végbe. Annak ellenére. Ez az öregedés rontja a kvarcóra megfelelő működését, és megköveteli, hogy egy másik, stabil, változatlan frekvencia-válaszú oszcillátorral rendelkező készülék rendszeresen ellenőrizze.

A mikrohullámú spektroszkópia második világháború utáni rohamos fejlődése új lehetőségeket nyitott az idő pontos mérésére a megfelelő spektrumvonalaknak megfelelő frekvenciákon keresztül. Ezek a frekvenciák, amelyek frekvenciaszabványnak tekinthetők, vezettek ahhoz az ötlethez, hogy kvantumoszcillátort használjanak időszabványként.

Ez a döntés történelmi fordulat volt a kronometria történetében, hiszen a korábban érvényes csillagászati ​​időegységet egy új kvantumegységre cserélte. Ezt az új időegységet néhány speciálisan kiválasztott anyag molekuláinak energiaszintjei közötti, pontosan meghatározott átmenetek sugárzási periódusaként vezették be. A probléma korai háború utáni évek intenzív kutatása után sikerült egy olyan készüléket építeni, amely a mikrohullámú energia szabályozott elnyelésének elvén működött folyékony ammóniában nagyon alacsony nyomáson. Az abszorpciós elemmel felszerelt készülékkel végzett első kísérletek azonban nem hozták a várt eredményeket, mivel a molekulák kölcsönös ütközései által okozott abszorpciós vonal tágulása megnehezítette magának a kvantumátmenet frekvenciájának meghatározását. Csak a szabadon repülő ammónia molekulák keskeny nyalábjának módszerével a Szovjetunióban A.M. Prohorov és N.G. Basovnak és az USA-ban Townesnak a Columbia Egyetemről sikerült jelentősen csökkentenie a molekulák kölcsönös ütközésének valószínűségét, és gyakorlatilag kiküszöbölni a spektrumvonal kiszélesedését. Ilyen körülmények között az ammónia molekulák már az atomgenerátor szerepét is betölthetik. Egy keskeny molekulanyaláb, amely egy fúvókán keresztül a vákuumtérbe kerül, egy nem egyenletes elektrosztatikus mezőn halad keresztül, amelyben a molekulák szétválnak. A magasabb kvantumállapotú molekulákat egy hangolt rezonátorhoz irányították, ahol állandó, 23 870 128 825 Hz frekvencián bocsátottak ki elektromágneses energiát. Ezt a frekvenciát azután összehasonlítják az atomóra áramkörébe tartozó kvarcoszcillátor frekvenciájával. Erre az elvre épült az első kvantumgenerátor, az ammónia maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

N.G. Basov, A.M. Prohorov és Townes 1964-ben fizikai Nobel-díjat kapott ezért a munkájáért.

Svájcból, Japánból, Németországból, Nagy-Britanniából, Franciaországból és nem utolsósorban Csehszlovákiából származó tudósok is vizsgálták az ammóniás maserek gyakoriságának stabilitását. Az 1968-1979 közötti időszakban. A Csehszlovák Tudományos Akadémia Rádiótechnikai és Elektronikai Intézetében több ammónia-maser készült és került próbaüzembe, amelyek a csehszlovák gyártású atomórákban a pontos idő tárolásának frekvenciaszabványaiként szolgáltak. 10-10 nagyságrendű frekvenciastabilitást értek el, ami napi 20 milliomod másodperces ingadozásnak felel meg.

Jelenleg az atomfrekvencia- és időszabványokat főként két fő célra használják - az idő mérésére, valamint az alapfrekvencia-standardok kalibrálására és ellenőrzésére. Mindkét esetben a kvarc óragenerátor frekvenciáját összehasonlítjuk az atomi standard frekvenciájával.

Az időmérés során rendszeresen összehasonlítják az atomstandard frekvenciáját és a kristályóragenerátor frekvenciáját, és az azonosított eltérések alapján meghatározzák a lineáris interpolációt és az átlagos időkorrekciót. A valódi időt ezután a kvarcóra leolvasásának és ennek az átlagos időkorrekciónak az összegéből kapjuk. Ebben az esetben az interpolációból származó hibát a kvarc órakristály öregedésének jellege határozza meg.

Az atomi időszabványokkal elért kivételes eredmények, mindössze 1 s/ezer év hibával, volt az oka annak, hogy az 1967 októberében Párizsban megtartott tizenharmadik általános súly- és mértékkonferencián az időegység új meghatározása született. - egy atomi másodperc, amelyet most egy cézium-133 atom sugárzásának 9 192 631 770 rezgéseként határoztak meg.

Ahogy fentebb jeleztük, a kvarckristály öregedésével a kvarc oszcillátor rezgési frekvenciája fokozatosan növekszik, és folyamatosan növekszik a kvarc és az atomoszcillátor frekvenciái közötti különbség. Ha a kristály öregedési görbéje helyes, akkor elegendő a kvarc rezgését csak időszakonként, legalább néhány napos időközönként korrigálni. Ily módon az atomoszcillátort nem kell tartósan a kvarcórarendszerhez csatlakoztatni, ami nagyon előnyös, mivel a zavaró hatások behatolása a mérőrendszerbe korlátozott.

Az 1958-as brüsszeli világkiállításon bemutatott, két ammónia molekuláris oszcillátorral felszerelt svájci atomóra napi százezredmásodperc pontosságot ért el, ami körülbelül ezerszer pontosabb a precíz ingaóráknál. Ez a pontosság már lehetővé teszi a Föld tengelyének forgási sebességének periodikus instabilitásának tanulmányozását. Grafikon az ábrán. A 39. ábra, amely a kronometrikus műszerek történeti fejlődésének és az időmérési módszerek továbbfejlesztésének egyfajta ábrázolása, azt mutatja be, hogy évszázadok alatt, szinte csodával határos módon, hogyan nőtt az időmérés pontossága. Csak az elmúlt 300 évben ez a pontosság több mint 100 000-szeresére nőtt.

Rizs. 39. A kronometrikus műszerek pontossága az 1930-1950 közötti időszakban.

Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) vegyész fedezte fel elsőként a céziumot, amelynek atomjai megfelelően kiválasztott körülmények között képesek elnyelni a körülbelül 9192 MHz frekvenciájú elektromágneses sugárzást. Ezt a tulajdonságot használta Sherwood és McCracken az első céziumsugár-rezonátor létrehozásához. Nem sokkal ezután az angliai National Physical Laboratory-ban dolgozó L. Essen erőfeszítéseit a céziumrezonátor gyakorlati alkalmazására irányította a frekvenciák és az idő mérésére. Az Egyesült Államok Nevel Observatory nevű csillagászati ​​csoportjával együttműködve már 1955-1958. meghatározta a cézium kvantumátmenetének frekvenciáját 9 192 631 770 Hz-en, és összekapcsolta az efemeriszmásodperc akkori definíciójával, ami jóval később, mint fentebb említettük, az időegység új meghatározásához vezetett. A következő céziumrezonátorokat a Kanadai Nemzeti Kutatási Tanácsnál, Ottawában, a Swiss des Researches Horlogeres laboratóriumában, Neuchâtelben stb. készítették el. Az első kereskedelmi típusú iparilag gyártott atomórát 1956-ban dobta piacra Atomichron néven a Amerikai National Company Walden cég Massachusettsben.

Az atomórák bonyolultsága azt sugallja, hogy az atomoszcillátorok alkalmazása csak a nagyméretű mérőeszközökkel végzett laboratóriumi időmérés területén lehetséges. Valójában ez a helyzet egészen a közelmúltig. A miniatürizálás azonban erre a területre is behatolt. A híres japán Seiko-Hattori cég, amely összetett kronográfokat gyárt kristályoszcillátorokkal, felajánlotta az első atomos karórát, amely ismét az amerikai McDonnell Douglas Astronautics Company céggel együttműködésben készült. Ez a cég egy miniatűr üzemanyagcellát is gyárt, amely az említett órák energiaforrása. Elektromos energia ebben az elemben 13? 6,4 mm prométhium-147 radioizotópot termel; Ennek az elemnek az élettartama öt év. A tantálból és rozsdamentes acélból készült óraház elegendő védelmet nyújt az elem környezetbe kibocsátott béta sugarai ellen.

A csillagászati ​​mérések, a bolygók térbeli mozgásának vizsgálata és a különféle rádiócsillagászati ​​tanulmányok ma már nem nélkülözhetik a pontos idő ismeretét. A kvarc- vagy atomóráktól megkövetelt pontosság ilyen esetekben a másodperc milliomod részein belül változik. A szolgáltatott időinformációk pontosságának növekedésével az óraszinkronizálás problémái nőttek. Az egykor teljesen kielégítő módszer a rövid és hosszú hullámokon rádiósugárzott időjelek továbbítására nem bizonyult kellően pontosnak ahhoz, hogy két egymáshoz közel elhelyezkedő időmérő eszközt 0,001 s-nál nagyobb pontossággal szinkronizáljon, és ma már ez a pontossági fok sem hosszabb ideig kielégítő.

Az egyik lehetséges megoldást - segédórák szállítását az összehasonlító mérések helyszínére - az elektronikai elemek miniatürizálása jelentette. A 60-as évek elején speciális kvarc- és atomórákat építettek, amelyeket repülőgépeken is szállíthattak. Csillagászati ​​laboratóriumok között szállíthatták őket, és egyben a másodperc milliomod része pontosságú időinformációt adtak. Például amikor 1967-ben a kaliforniai Hewlett-Packard cég által gyártott miniatűr céziumórákat interkontinentálisan szállították, ez a készülék 53 laboratóriumon ment keresztül szerte a világon (Csehszlovákiában is volt), és segítségével a helyi órákat pontosan szinkronizálták. 0,1 µs (0,0000001 s).

A kommunikációs műholdak mikroszekundumos időbeli összehasonlításra is használhatók. 1962-ben ezt a módszert alkalmazta Nagy-Britannia és az Amerikai Egyesült Államok is úgy, hogy a Telestar műholdon keresztül időjelet továbbítottak. Alacsonyabb költségek mellett azonban jóval kedvezőbb eredményeket értek el a televíziós technikával történő jeltovábbítással.

A pontos idő és frekvencia televíziós óraimpulzusokkal történő továbbításának ezt a módszerét csehszlovák tudományos intézményekben fejlesztették ki és fejlesztették ki. Az időinformáció segédhordozója itt a szinkronizáló videoimpulzusok, amelyek semmilyen módon nem zavarják a televíziós műsor továbbítását. Ebben az esetben nincs szükség további impulzusok bevezetésére a televíziós képjelbe.

A módszer alkalmazásának feltétele, hogy az összehasonlított órák helyein ugyanaz a televízióműsor fogható legyen. Az összehasonlítandó órákat néhány ezredmásodperces pontossággal előre beállítják, majd a mérést az összes mérőállomáson egyszerre kell elvégezni. Ezenkívül ismerni kell azt az időkülönbséget, amely szükséges ahhoz, hogy egy közös forrásból, azaz egy televíziós szinkronizálóból szinkronizáló impulzusokat továbbítsanak a vevőkhöz az összehasonlított órák helyén.