Atomóra. A jövő nanotechnológiáinak fejlesztése és alkalmazása: jelenlegi legújabb nanotechnológiák az orvostudományban és a gyártásban

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

Működési elv

Az atomórák nem a radioaktív bomlás miatt tartják a pontos időt, ahogy a nevük is sugallja, hanem az atommagok és az őket körülvevő elektronok rezgései alapján. 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 időmérők, mivel az oszcillációjuk 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 hevítik, 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 edényre, 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 az idő rendkívüli pontossággal mérhető, 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 precíz 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 időmérő eszközök túlságosan pontatlanok voltak. A kutatók és tudósok nagy csalódására azonban az atomórák idejét módosítani kell, hogy kompenzálják a valós anomáliákat. Csodálatos eszközök, amelyek a modern technológiát fejlesztik, de kiválóságuknak a természet által szabott korlátok szabnak határt.

Egy szenzáció terjedt el a tudományos világban – az idő elpárolgott Univerzumunkból! Eddig ez csak spanyol asztrofizikusok hipotézise. De azt, hogy az idő áramlása a Földön és a térben más és más, azt már a tudósok is bebizonyították. Az idő a gravitáció hatására lassabban telik, a bolygótól távolodva felgyorsul. A földi és a kozmikus idő szinkronizálásának feladatát a hidrogénfrekvencia-szabványok végzik, amelyeket „atomóráknak” is neveznek.

Az első atomidő az űrhajósok megjelenésével együtt a 20-as évek közepén jelent meg. Napjainkra az atomórák mindennapossá váltak, mindannyian mindennap használjuk őket: a digitális kommunikáció, a GLONASS, a navigáció és a közlekedés működik.

A mobiltelefon-tulajdonosok szinte nem is gondolnak arra, hogy milyen bonyolult munkát végeznek a térben a szigorú időszinkronizálás érdekében, és csak a másodperc milliomod részeiről beszélünk.

A pontos időszabványt a moszkvai régióban, a Fizikai-Műszaki és Rádiótechnikai Mérések Tudományos Intézetében tárolják. 450 ilyen óra van a világon.

Oroszországnak és az USA-nak monopóliuma van az atomórákkal kapcsolatban, de az USA-ban az órák a cézium, a környezetre nagyon káros radioaktív fém, Oroszországban pedig a hidrogén bázison, egy biztonságosabb, tartósabb anyagon működnek.

Ennek az órának nincs számlapja vagy mutatói: úgy néz ki, mint egy nagy hordó ritka és értékes fémekkel, tele a legfejlettebb technológiákkal - nagy pontosságú mérőműszerekkel és atomi szabványokkal rendelkező berendezésekkel. Létrehozásuk folyamata nagyon hosszú, összetett és abszolút sterilitás körülményei között zajlik.

Az orosz műholdra telepített óra már 4 éve tanulmányozza a sötét energiát. Emberi mércével mérve sok millió év alatt 1 másodperccel veszítenek a pontosságukból.

Hamarosan atomórákat helyeznek el a Spektr-M-en, egy űrobszervatóriumon, amely látni fogja a csillagok és az exobolygók keletkezését, és a galaxisunk közepén lévő fekete lyuk peremén túlra is. A tudósok szerint a szörnyű gravitáció miatt itt olyan lassan telik az idő, hogy szinte megáll.

tvroscosmos

Atomóra 2016. január 27

A világ első, beépített atomidő-szabványos zsebórájának szülőhelye nem Svájc vagy még csak nem is Japán lesz. Létrehozásuk ötlete Nagy-Britannia szívében, a londoni Hoptroff márkánál keletkezett

Az atomórák, vagy ahogyan „kvantumóráknak” is nevezik, olyan eszközök, amelyek az atomok vagy molekulák szintjén végbemenő folyamatokhoz kapcsolódó természetes rezgések segítségével mérik az időt. Richard Hoptroff úgy döntött, itt az ideje, hogy a modern urak, akik érdeklődnek az ultratechnológiás eszközök iránt, lecseréljék mechanikus zsebórájukat valami extravagánsabbra és különlegesebbre, amely a modern városi trendeknek is megfelel.

Így az elegáns megjelenésű Hoptroff No. zsebatomórát bemutatták a nagyközönségnek. 10, amely nemcsak retró stílusával és fantasztikus pontosságával, hanem élettartamával is meglepheti a kütyük bőségével kifinomult modern generációt. A fejlesztők szerint, ha veled van ez az óra, legalább 5 milliárd évig a legpontosabb ember maradhatsz.

Mit lehet még érdekeset megtudni róluk...

2. fénykép.

Mindazok számára, akiket soha nem érdekeltek az ilyen órák, érdemes röviden elmagyarázni működésük elvét. Az „atomeszközben” nincs semmi, ami egy klasszikus mechanikus órára hasonlítana. A Hoptroffban sz. 10 nincsenek mechanikai alkatrészek, mint olyanok. Ehelyett az atomzsebórákat radioaktív gázzal töltött, lezárt kamrával szerelték fel, amelynek hőmérsékletét egy speciális kemence szabályozza. A pontos időmérés a következőképpen történik: a lézerek egy kémiai elem atomjait gerjesztik, ami az óra egyfajta „töltőanyaga”, a rezonátor pedig rögzíti és méri az egyes atomi átmeneteket. Ma az ilyen eszközök alapeleme a cézium. Ha felidézzük az SI mértékegységrendszerét, akkor abban a másodperc értéke a cézium-133 atomok egyik energiaszintről a másikra való átmenete során az elektromágneses sugárzás periódusainak számához kapcsolódik.

3. fénykép.

Ha az okostelefonokban az eszköz szívét processzorchipnek tekintik, akkor a Hoptroff No. 10 ezt a szerepet a referenciaidő generátor modul veszi át. A Symmetricom szállítja, és magát a chipet eredetileg a hadiiparban - pilóta nélküli légi járművekben - szánták.

A CSAC atomóra hőmérséklet-szabályozott termosztáttal van felszerelve, amely céziumgőzt tartalmazó kamrát tartalmaz. A cézium-133 atomokra gyakorolt ​​lézer hatására megindul az egyik energiaállapotból a másikba való átmenetük, amelyet mikrohullámú rezonátor segítségével mérnek. 1967 óta a Nemzetközi Mértékegységrendszer (SI) egy másodpercet 9 192 631 770 elektromágneses sugárzási periódusként határoz meg, amely a cézium-133 atom alapállapotának két hiperfinom szintje közötti átmenet során keletkezik. Ez alapján műszakilag pontosabb cézium alapú órát nehéz elképzelni. Idővel, tekintettel az időmérés legújabb fejleményeire, az ultraibolya sugárzás frekvenciáján pulzáló alumíniumionon alapuló új optikai órák pontossága (100 000-szer nagyobb, mint a céziumórák mikrohullámú frekvenciája) több százszor nagyobb lesz, mint a pontosság. atomi kronométerek. Leegyszerűsítve, a Hoptroff új zsebmodelljének No.10 futási hibája évi 0,0015 másodperc, ami 2,4 milliószor magasabb, mint a COSC szabványok.

4. fénykép.

A készülék funkcionális oldala is a fantázia küszöbén áll. Segítségével megtudhatja: idő, dátum, hét napja, év, szélesség és hosszúság különböző mennyiségekben, nyomás, páratartalom, sziderikus óra és perc, árapály előrejelzés és sok más mutató. Az óra arany színben érkezik, és a tervek szerint 3D nyomtatással készítik el a tokját a nemesfémből.

Richard Hoptrof őszintén hiszi, hogy ez a lehetőség a legelőnyösebb az agyszüleménye létrehozására. A szerkezet tervezési komponensének kismértékű megváltoztatásához egyáltalán nem a gyártósort kell átépíteni, hanem a 3D nyomtató berendezés funkcionális rugalmasságát kell ehhez felhasználni. Érdemes azonban megjegyezni, hogy a bemutatott óra prototípusa klasszikus módon készült.

5. fénykép.

Az idő nagyon drága manapság, és a Hoptroff No. A 10 ennek közvetlen megerősítése. Az elõzetes információk szerint az atomeszközök elsõ tétele 12 darab lesz, ami a költségeket illeti, 1 példány ára 78 000 dollár lesz.

6. fénykép.

Richard Hoptroff, a márka ügyvezető igazgatója szerint a Hoptroff londoni telephelye kulcsszerepet játszott ennek az ötletnek a megjelenésében. „Kvarcszerkezeteinkben nagy pontosságú, GPS-jellel ellátott oszcilláló rendszert használunk. De London központjában nem olyan könnyű elkapni ezt a jelet. Egyik nap a Greenwichi Obszervatóriumban tett kirándulásom során megláttam egy Hewlett Packard atomórát, és úgy döntöttem, vásárolok magamnak valami hasonlót az interneten keresztül. És nem tudtam. Ehelyett egy Symmetricon chipről kaptam információt, és három nap gondolkodás után rájöttem, hogy tökéletes lenne zsebórának.”

A szóban forgó chip az SA.45s cézium atomóra (CSAC), amely az egyik első generációs miniatűr atomóra GPS-vevőkhöz, hátizsákos rádiókhoz és pilóta nélküli járművekhez. Szerény méretei ellenére (40 mm x 34,75 mm) még mindig nem valószínű, hogy beleférne egy karórába. Ezért a Hoptroff úgy döntött, hogy egy meglehetősen tekintélyes méretű (82 mm átmérőjű) zsebmodellel szereli fel őket.

Amellett, hogy a világ legpontosabb órája, a Hoptroff No 10 (a márka tizedik szerkezete) egyben az első arany tok is, amely 3D nyomtatási technológiával készült. A Hoptroff egyelőre nem tudja biztosan megmondani, hogy mennyi aranyra lesz szükség a tok elkészítéséhez (az első prototípus munkálatai a lap kiadásakor befejeződtek), de becslései szerint a költsége „legalább több ezer font lesz”. És figyelembe véve a termék kifejlesztéséhez szükséges kutatások mennyiségét (vegyük az árapály apály- és dagályának kiszámítását 3000 különböző port harmonikus állandóival), a végső kiskereskedelmi ára körülbelül 50 000 GBP körül várható.

A 10. számú modell arany teste, ahogy kikerül a 3D nyomtatóból és kész formában

A vásárlók automatikusan egy exkluzív klub tagjaivá válnak, és írásos fogadalmat kell aláírniuk, hogy nem használják az atomóra chipet fegyverként. „Ez a beszállítóval kötött szerződésünk egyik feltétele – magyarázza Hoptroff úr –, mivel az atomchipet eredetileg rakétairányító rendszerekben használták.” Nem sokat kell fizetni azért, hogy kifogástalan pontosságú karóránk legyen.

A Hoptroff No.10 szerencsés tulajdonosainak sokkal több áll majd rendelkezésére, mint egy nagy pontosságú óra. A modell egyben zsebnavigációs eszközként is funkcionál, lehetővé téve a hosszúság meghatározását egy tengeri mérföld pontossággal, még sok évnyi tengeren töltött év után is, egyszerű szextáns segítségével. A modell két tárcsát kap, de az egyik dizájnját továbbra is titokban tartják. A másik a számlálók örvénye, amely akár 28 komplikációt is megjelenít: az összes lehetséges kronometrikus funkciótól és naptárjelzőtől az iránytűig, hőmérőig, higrométerig (a páratartalom mérésére szolgáló eszköz), barométerig, szélesség- és hosszúságmérőkig és dagály-apályig. indikátor. És ez nem is beszélve az atomtermosztát állapotának létfontosságú mutatóiról.

A Hoptroff számos új termék gyártását tervezi, köztük George Daniels legendás Space Traveler komplikált órájának elektronikus változatát. Jelenleg azon dolgoznak, hogy a Bluetooth technológiát integrálják az órába, hogy eltárolják viselőjének személyes adatait, és lehetővé tegyék a komplikációk, például a holdfázis-jelző automatikus beállítását.

A No.10 első példányai jövőre jelennek meg, de egyelőre a cég keresi a megfelelő partnereket a kereskedők körében. „Természetesen megpróbálhatnánk online eladni, de ez egy prémium modell, ezért továbbra is a kezében kell tartania, hogy igazán értékelje. Ez azt jelenti, hogy továbbra is igénybe kell vennünk a kiskereskedők szolgáltatásait, és készen állunk a tárgyalások megkezdésére” – zárja Hoptroff úr.

És még Az eredeti cikk a honlapon található InfoGlaz.rf Link a cikkhez, amelyből ez a másolat készült -

A 21. században a műholdas navigáció gyors ütemben fejlődik. Meghatározhatja minden olyan objektum helyzetét, amely valamilyen módon kapcsolódik műholdakhoz, legyen az mobiltelefon, autó vagy űrhajó. De mindezt nem lehetne elérni atomórák nélkül.
Ezeket az órákat különféle távközlésben is használják, például a mobilkommunikációban. Ez a legpontosabb óra, ami valaha volt, van és lesz. Nélkülük nem lenne szinkronizálva az internet, nem tudnánk a távolságot más bolygóktól és csillagoktól stb.
Másodpercenkénti órákban 9 192 631 770 elektromágneses sugárzási periódus keletkezik, amely a cézium-133 atom két energiaszintje közötti átmenet során keletkezett. Az ilyen órákat céziumóráknak nevezik. De ez csak egy a három típusú atomóra közül. Vannak hidrogén és rubídium órák is. Leggyakrabban azonban céziumórákat használnak, ezért nem fogunk kitérni a többi típusra.

A cézium atomóra működési elve

A lézer felmelegíti a cézium izotóp atomjait, és ekkor a beépített rezonátor regisztrálja az atomok összes átmenetét. És ahogy korábban említettük, a 9 192 631 770 átmenet elérése után egy másodpercet számol a rendszer.

Az óraházba épített lézer melegíti fel a cézium izotóp atomjait. Ekkor a rezonátor rögzíti az atomok új energiaszintre való átmeneteinek számát. Amikor elér egy bizonyos frekvenciát, nevezetesen 9 192 631 770 átmenetet (Hz), a másodikat a nemzetközi SI rendszer alapján számolja.

Használja a műholdas navigációban

Egy objektum pontos helyének műhold segítségével történő meghatározása nagyon nehéz. Ebben több műhold is részt vesz, mégpedig vevőnként több mint 4 (például egy GPS-navigátor egy autóban).

Mindegyik műhold tartalmaz egy nagy pontosságú atomórát, egy műholdas rádióadót és egy digitális kódgenerátort. A rádióadó digitális kódot és információt küld a Földre a műholdról, nevezetesen a pályaparamétereket, modellt stb.

Az óra határozza meg, hogy mennyi idő alatt jutott el ez a kód a vevőhöz. Így a rádióhullámok terjedési sebességének ismeretében kiszámítják a vevő távolságát a Földön. De ehhez egy műhold nem elég. A modern GPS-vevők egyidejűleg 12 műhold jelét képesek fogadni, ami lehetővé teszi egy objektum helyének akár 4 méteres pontossággal történő meghatározását. Egyébként érdemes megjegyezni, hogy a GPS-navigátorok nem igényelnek előfizetési díjat.

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-szintjeit 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. Az ellenkező jelenség is lehetséges: 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 a 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 készüléket.

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 széles körben elterjedt.

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, hogy sokkal könnyebben látni egy kilométer per órás sebességgel haladó autó rendszámát, mint egy százas sebességgel haladó autót kilométer per óra).

A lehűtött céziumatomokból álló golyó körülbelül egy méterrel felfelé indul, és egy hullámvezetőn halad keresztül, amelyen keresztül az atomok rezonáns frekvenciájú 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 fekete test sugárzását majdnem nullára csökkentette. A NIST-F2 hiba hihetetlen 3*10 -17.

A céziumfrekvenciás standard változatok 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.