Atomska ura: Naprava za merjenje časa satelitskih in navigacijskih sistemov.

Kateri »urarji« so izumili in izpopolnili ta izjemno natančen mehanizem? Ali obstaja zamenjava zanj? Poskusimo ugotoviti.

Leta 2012 bo atomsko merjenje časa praznovalo petinštirideseto obletnico. Leta 1967 se kategorija časa v mednarodnem sistemu enot ni začela določati z astronomskimi lestvicami, temveč s cezijevim frekvenčnim standardom. To je tisto, kar navadni ljudje imenujejo atomska ura.

Kakšen je princip delovanja atomskih oscilatorjev? Te "naprave" uporabljajo kvantne energijske nivoje atomov ali molekul kot vir resonančne frekvence. Kvantna mehanika povezuje več diskretnih energijskih nivojev s sistemom "atomsko jedro - elektroni". Elektromagnetno polje določene frekvence lahko izzove prehod tega sistema z nizke ravni na višjo. Možen je tudi nasprotni pojav: atom se lahko z oddajanjem energije premakne z visoke energijske ravni na nižjo. Oba pojava je mogoče nadzorovati in te energetske mednivojske skoke je mogoče posneti, s čimer se ustvari videz nihajnega kroga. Resonančna frekvenca tega vezja bo enaka energijski razliki med obema prehodnima nivojema, deljeni s Planckovo konstanto.

Nastali atomski oscilator ima nedvomne prednosti pred svojimi astronomskimi in mehanskimi predhodniki. Resonančna frekvenca vseh atomov snovi, izbrane za oscilator, bo za razliko od nihal in piezokristalov enaka. Poleg tega se atomi sčasoma ne obrabijo in ne spremenijo svojih lastnosti. Popolna možnost za tako rekoč večen in izjemno natančen kronometer.

O možnosti uporabe mednivojskih energijskih prehodov v atomih kot frekvenčnem standardu je leta 1879 prvič razmišljal britanski fizik William Thomson, bolj znan kot Lord Kelvin. Predlagal je uporabo vodika kot vira resonatorskih atomov. Vendar je bilo njegovo raziskovanje bolj teoretično. Takratna znanost še ni bila pripravljena na razvoj atomskega kronometra.

Skoraj sto let je trajalo, da se je ideja Lorda Kelvina uresničila. Bilo je dolgo, a naloga ni bila lahka. Pretvorba atomov v idealna nihala se je v praksi izkazala za težje kot v teoriji. Težava je bila v boju s tako imenovano resonančno širino - majhnim nihanjem v frekvenci absorpcije in oddajanja energije, ko se atomi premikajo od nivoja do nivoja. Razmerje med resonančno frekvenco in resonančno širino določa kakovost atomskega oscilatorja. Očitno, kaj večjo vrednost resonančna širina, manjša je kakovost atomskega nihala. Na žalost ni mogoče povečati resonančne frekvence za izboljšanje kakovosti. Konstantna je za atome vsake posamezne snovi. Toda resonančno širino lahko zmanjšamo s povečanjem časa opazovanja atomov.

Tehnično je to mogoče doseči na naslednji način: pustite, da zunanji, na primer kvarčni oscilator periodično ustvarja elektromagnetno sevanje, zaradi česar atomi donorske snovi skačejo po energijskih nivojih. V tem primeru je naloga uglaševalca atomskega kronografa, da frekvenco tega kvarčnega oscilatorja čim bolj približa resonančni frekvenci mednivojskega prehoda atomov. To postane mogoče v primeru dovolj dolgega obdobja opazovanja atomskih nihanja in stvarjenja povratne informacije, uravnavanje frekvence kvarca.

Res je, poleg problema zmanjšanja resonančne širine v atomskem kronografu obstaja še veliko drugih težav. To je Dopplerjev učinek – premik resonančne frekvence zaradi gibanja atomov, medsebojni trki atomov, ki povzročajo nenačrtovane energijske prehode, in celo vpliv prodorne energije temne snovi.

Prvič poskusite praktično izvajanje atomske ure so se v tridesetih letih prejšnjega stoletja lotili znanstveniki na univerzi Columbia pod vodstvom bodočega nobelovca dr. Isidorja Rabija. Rabi je predlagal uporabo cezijevega izotopa 133 Cs kot vira atomov nihala. Na žalost je Rabijevo delo, ki je NBS zelo zanimalo, prekinila druga svetovna vojna.

Po njegovem zaključku je vodstvo pri izvedbi atomskega kronografa prešlo v roke uslužbenca NBS Harolda Lyonsa. Njegov atomski oscilator je deloval na amoniak in je dal napako, primerljivo z najboljšimi primerki kvarčnih resonatorjev. Leta 1949 je bila atomska ura z amoniakom predstavljena širši javnosti. Kljub precej povprečni natančnosti so implementirali osnovne principe prihodnjih generacij atomskih kronografov.

Prototip cezijeve atomske ure, ki jo je pridobil Louis Essen, je zagotavljal natančnost 1 * 10 -9, medtem ko je imela resonančno širino le 340 Hertzov.

Malo kasneje je profesor Harvardske univerze Norman Ramsey izboljšal ideje Isidorja Rabija in zmanjšal vpliv Dopplerjevega učinka na natančnost meritev. Predlagal je, da namesto enega dolgega visokofrekvenčnega impulza, ki vzbuja atome, uporabimo dva kratka, poslana v roke valovoda na določeni razdalji drug od drugega. To je omogočilo močno zmanjšanje resonančne širine in dejansko omogočilo ustvarjanje atomskih oscilatorjev, ki so za red velikosti boljši od svojih kvarčnih prednikov.

V petdesetih letih prejšnjega stoletja je na podlagi sheme, ki jo je predlagal Norman Ramsey, v Nacionalnem fizikalnem laboratoriju (UK) njegov uslužbenec Louis Essen delal na atomskem oscilatorju na osnovi cezijevega izotopa 133 Cs, ki ga je predhodno predlagal Rabi. Cezij ni bil izbran naključno.

Shema hiperfinih prehodnih nivojev atomov izotopa cezija-133

Atome cezija, ki spadajo v skupino alkalijskih kovin, je zelo enostavno vzbuditi, da skačejo med energijskimi nivoji. Na primer, žarek svetlobe lahko zlahka izloči tok elektronov iz atomske strukture cezija. Zaradi te lastnosti se cezij pogosto uporablja v fotodetektorjih.

Zasnova klasičnega cezijevega oscilatorja na osnovi Ramseyevega valovoda

Prvi uradni cezijev frekvenčni standard NBS-1

Potomec NBS-1 - oscilator NIST-7 je uporabljal lasersko črpanje žarka cezijevih atomov

Trajalo je več kot štiri leta, da je prototip Essen postal pravi standard. Navsezadnje je bila natančna nastavitev atomskih ur mogoča le s primerjavo z obstoječimi efemeridnimi časovnimi enotami. V štirih letih je bil atomski oscilator kalibriran z opazovanjem vrtenja Lune okoli Zemlje z uporabo natančne lunarne kamere, ki jo je izumil William Markowitz iz ameriškega mornariškega observatorija.

»Prilagoditev« atomskih ur na lunine efemeride je potekala od leta 1955 do 1958, nato pa je bila naprava uradno priznana s strani NBS kot frekvenčni standard. Še več, izjemno natančnost cezijevih atomskih ur je NBS spodbudila k spremembi enote časa v standardu SI. Od leta 1958 je bil drugi uradno sprejet kot "trajanje 9.192.631.770 obdobij sevanja, ki ustrezajo prehodu med dvema hiperfinima nivojema standardnega stanja atoma izotopa cezija-133."

Napravo Louisa Essena so poimenovali NBS-1 in je veljala za prvi cezijev frekvenčni standard.

V naslednjih tridesetih letih je bilo razvitih šest modifikacij NBS-1, od katerih zadnja, NIST-7, ustvarjena leta 1993 z zamenjavo magnetov z laserskimi pastmi, zagotavlja natančnost 5 * 10 -15 z resonančno širino le šestdeset - dva herca.

Primerjalna tabela značilnosti cezijevih frekvenčnih standardov, ki jih uporablja NBS

Naprave NBS so stacionarna stojala, kar jim omogoča, da jih uvrstimo med standarde in ne kot praktično uporabljene oscilatorje. Toda iz čisto praktičnih razlogov je Hewlett-Packard delal v korist cezijevega frekvenčnega standarda. Leta 1964 je nastal prihodnji računalniški velikan kompaktna različica cezijev frekvenčni standard - naprava HP 5060A.

Frekvenčni standardi HP 5060, kalibrirani z uporabo standardov NBS, se prilegajo v običajno stojalo za radijsko opremo in so bili komercialni uspeh. Zahvaljujoč cezijevemu frekvenčnemu standardu, ki ga je določil Hewlett-Packard, se je izjemno razširjena natančnost atomskih ur.

Hewlett-Packard 5060A.

Posledično so postale možne stvari, kot so satelitska televizija in komunikacije, globalni navigacijski sistemi in storitve časovne sinhronizacije informacijskega omrežja. Tehnologija industrializiranega atomskega kronografa je bila veliko uporabna. Hkrati se Hewlett-Packard ni ustavil pri tem in nenehno izboljšuje kakovost cezijevih standardov ter njihovo težo in dimenzije.

Družina atomskih ur Hewlett-Packard

Leta 2005 je bil Hewlett-Packardov oddelek za atomske ure prodan podjetju Simmetricom.

Poleg cezija, katerega zaloge v naravi so zelo omejene, povpraševanje po njem na različnih tehnoloških področjih pa izjemno veliko, je bil kot donorska snov uporabljen rubidij, katerega lastnosti so zelo blizu ceziju.

Zdi se, da je bila obstoječa shema atomske ure pripeljana do popolnosti. Imel pa je motečo pomanjkljivost, katere odprava je postala mogoča v drugi generaciji cezijevih frekvenčnih standardov, imenovanih cezijeve fontane.

Fontane časa in optične melase

Kljub najvišja natančnost atomski kronometer NIST-7, ki uporablja lasersko detekcijo stanja atomov cezija, se njegovo vezje bistveno ne razlikuje od vezij prvih različic cezijevih frekvenčnih standardov.

Konstrukcijska pomanjkljivost vseh teh shem je v tem, da je načeloma nemogoče nadzorovati hitrost širjenja žarka cezijevih atomov, ki se premikajo po valovodu. In to kljub dejstvu, da je hitrost gibanja atomov cezija pri sobni temperaturi sto metrov na sekundo. Zelo hitro.

Zato so vse modifikacije cezijevih standardov iskanje ravnotežja med velikostjo valovoda, ki ima čas za vpliv na hitre atome cezija na dveh točkah, in natančnostjo zaznavanja rezultatov tega vpliva. Manjši kot je valovod, težje je ustvariti zaporedne elektromagnetne impulze, ki vplivajo na iste atome.

Kaj če najdemo način za zmanjšanje hitrosti atomov cezija? Prav ta ideja je prevzela študenta MIT Jerolda Zachariusa, ki je v poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja preučeval vpliv gravitacije na obnašanje atomov. Kasneje, ko je sodeloval pri razvoju različice cezijevega frekvenčnega standarda Atomichron, je Zacharius predlagal idejo o cezijevem vodnjaku - metodi za zmanjšanje hitrosti atomov cezija na en centimeter na sekundo in znebitev dvojnega valovoda. tradicionalnih atomskih oscilatorjev.

Zaharijeva ideja je bila preprosta. Kaj pa, če bi izstrelili atome cezija navpično znotraj oscilatorja? Nato bodo isti atomi šli skozi detektor dvakrat: enkrat med potovanjem navzgor in drugič navzdol, kamor bodo hiteli pod vplivom gravitacije. V tem primeru bo gibanje atomov navzdol bistveno počasnejše od njihovega vzleta, saj bodo med potovanjem v vodnjaku izgubljali energijo. Na žalost v petdesetih letih prejšnjega stoletja Zahariju ni uspelo uresničiti svojih zamisli. V njegovi eksperimentalni postavitvi so atomi, ki so se premikali navzgor, vplivali na tiste, ki so padali navzdol, kar je zmotilo natančnost zaznavanja.

Ideja o Zahariju se je vrnila šele v osemdesetih. Znanstveniki na Univerzi Stanford pod vodstvom Stevena Chuja so našli način za realizacijo Zaharijevega vodnjaka z metodo, ki jo imenujejo "optična melasa".

V Chu cezijevem vodnjaku je oblak cezijevih atomov, izstreljen navzgor, predhodno ohlajen s sistemom treh parov nasprotno usmerjenih laserjev, ki imajo resonančno frekvenco tik pod optično resonanco cezijevih atomov.

Shema cezijeve fontane z optično melaso.

Lasersko hlajeni atomi cezija se začnejo premikati počasi, kot skozi melaso. Njihova hitrost pade na tri metre na sekundo. Zmanjšanje hitrosti atomov daje raziskovalcem možnost natančnejšega zaznavanja stanj (priznati morate, da je veliko lažje videti registrske tablice avtomobila, ki se premika s hitrostjo enega kilometra na uro, kot avtomobila, ki se premika s hitrostjo sto kilometrov na uro).

Krogla ohlajenih cezijevih atomov se izstreli približno meter navzgor, pri tem pa gre mimo valovoda, skozi katerega so atomi izpostavljeni elektromagnetnemu polju resonančne frekvence. In detektor sistema prvič zabeleži spremembo stanja atomov. Ko dosežejo "zgornjo mejo", ohlajeni atomi začnejo padati zaradi gravitacije in gredo skozi valovod drugič. Na poti nazaj detektor ponovno zabeleži njihovo stanje. Ker se atomi premikajo izredno počasi, je njihov let v obliki dokaj gostega oblaka enostavno nadzorovati, kar pomeni, da v fontani ne bodo atomi, ki bi hkrati leteli gor in dol.

Chujev objekt s cezijevo fontano je leta 1998 sprejel NBS kot frekvenčni standard in ga poimenoval NIST-F1. Njegova napaka je bila 4 * 10 -16, kar pomeni, da je bil NIST-F1 natančnejši od svojega predhodnika NIST-7.

Pravzaprav je NIST-F1 dosegel mejo natančnosti pri merjenju stanja atomov cezija. Toda znanstveniki se niso ustavili pri tej zmagi. Odločili so se odpraviti napako, ki jo v delovanje atomskih ur vnaša sevanje črnega telesa – rezultat interakcije atomov cezija s toplotnim sevanjem telesa instalacije, v kateri se gibljejo. Novi atomski kronograf NIST-F2 je postavil cezijevo fontano v kriogeno komoro in zmanjšal sevanje črnega telesa skoraj na nič. Napaka NIST-F2 je neverjetnih 3*10 -17.

Graf zmanjšanja napak standardnih možnosti cezijeve frekvence

Atomske ure, ki temeljijo na cezijevih fontanah, trenutno zagotavljajo človeštvu najbolj natančen standard časa, glede na katerega bije utrip naše tehnogene civilizacije. Zahvaljujoč inženirskim trikom so pulzni vodikovi maserji, ki hladijo atome cezija v stacionarnih različicah NIST-F1 in NIST-F2, zamenjali običajni laserski žarek, ki deluje v tandemu z magnetno-optičnim sistemom. To je omogočilo ustvarjanje kompaktnih in zelo stabilnih struktur. zunanji vplivi različice standardov NIST-Fx, ki lahko delujejo v vesoljskih plovilih. Precej domiselno imenovani "Aerospace Cold Atom Clock" so ti frekvenčni standardi nameščeni v satelitih navigacijskih sistemov, kot je GPS, kar zagotavlja njihovo neverjetno sinhronizacijo za rešitev problema zelo natančnega izračuna koordinat sprejemnikov GPS, ki se uporabljajo v naših napravah.

Kompaktna različica atomske ure s cezijevim vodnjakom, imenovana "Aerospace Cold Atom Clock", se uporablja v satelitih GPS

Izračun referenčnega časa izvaja "skupina" desetih NIST-F2, ki se nahajajo v različnih raziskovalnih centrih, ki sodelujejo z NBS. Točno vrednost atomske sekunde dobimo skupno, s čimer izločimo različne napake in vpliv človeškega faktorja.

Vendar pa je možno, da bodo nekoč cezijev frekvenčni standard naši zanamci dojemali kot zelo surov mehanizem za merjenje časa, tako kot zdaj prizanesljivo gledamo na premike nihala v mehanskih starih urah naših prednikov.

, Galileo) so nemogoče brez atomskih ur. Atomske ure se uporabljajo tudi v satelitskih in prizemnih telekomunikacijskih sistemih, vključno z baznimi postajami mobilne komunikacije, mednarodni in nacionalni biroji za standardizacijo ter časovne službe, ki redno oddajajo časovne signale po radiu.

Naprava za uro

Ura je sestavljena iz več delov:

• kvantni diskriminator,
• kompleks elektronike.

Nacionalni centri za standarde frekvenc

Številne države so ustanovile nacionalne centre za standarde časa in frekvence:

• (VNIIFTRI), vas Mendeleevo, Moskovska regija;
• (NIST), Boulder (ZDA, Kolorado);
• Nacionalni inštitut za napredno industrijsko znanost in tehnologijo (AIST), Tokio (Japonska);
• Zvezna fizična in tehnična agencija (nemščina)(PTB), Braunschweig (Nemčija);
• Nacionalni laboratorij za meroslovje in preizkušanje (francosko)(LNE), Pariz (Francija).
• UK National Physical Laboratory (NPL), London, Združeno kraljestvo.

Znanstveniki različne države delajo na izboljšanju atomskih ur in na njih temeljijo na primarnih standardih časa in frekvence; V Rusiji potekajo obsežne raziskave, namenjene izboljšanju delovanja atomskih ur.

Vrste atomskih ur

Vsak atom (molekula) ni primeren kot diskriminator za atomsko uro. Izbrani so atomi, ki so neobčutljivi na različne zunanje vplive: magnetna, električna in elektromagnetna polja. Takšni atomi so v vsakem območju spektra elektromagnetnega sevanja. To so: atomi kalcija, rubidija, cezija, stroncija, molekule vodika, joda, metana, osmijevega (VIII) oksida itd. Kot glavni (primarni) frekvenčni standard je bil izbran hiperfini prehod atoma cezija. Učinkovitost vseh drugih (sekundarnih) standardov se primerja s tem standardom. Za takšno primerjavo se trenutno uporabljajo tako imenovani optični glavniki. (Angleščina)- sevanje s širokim frekvenčnim spektrom v obliki ekvidistančnih linij, katerih razdalja je vezana na atomski frekvenčni standard. Optični glavniki so izdelani z uporabo femtosekundnega laserja z zaklenjenim načinom in mikrostrukturiranih optičnih vlaken, v katerih je spekter razširjen na eno oktavo.

Leta 2006 so raziskovalci ameriškega nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo pod vodstvom Jima Bergquista razvili uro, ki deluje na en atom. Pri prehodu med ravni energijeŽivosrebrov ion ustvarja fotone v vidnem območju s 5-krat večjo stabilnostjo kot mikrovalovno sevanje cezija-133. Nova ura bi lahko našla uporabo tudi v študijah odvisnosti sprememb osnovnih fizikalnih konstant od časa. Od aprila 2015 so bile najbolj natančne atomske ure tiste, ki jih je ustvaril Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo ZDA. Napaka je bila le ena sekunda v 15 milijardah let. Ena od možnih aplikacij ur je bila relativistična geodezija, katere glavna ideja je uporaba mreže ur kot gravitacijskih senzorjev, ki bodo pomagali izvajati neverjetno podrobne tridimenzionalne meritve oblike Zemlje.

Aktiven razvoj kompaktnih atomskih ur za uporabo v Vsakdanje življenje(ročne ure, mobilne naprave). Začetek leta 2011 Ameriško podjetje Symmetricom napovedal komercialno izdajo cezijeve atomske ure velikosti majhnega čipa. Ura deluje na podlagi učinka koherentnega zajema populacije. Njihova stabilnost je 5 10 -11 na uro, teža 35 g, poraba energije 115 mW.

Opombe

1. Postavljen nov rekord točnosti atomske ure (nedoločeno) . Membrana (5. februar 2010). Pridobljeno 4. marca 2011. Arhivirano 9. februarja 2012.
2. Navedene frekvence so značilne posebej za natančne kvarčne resonatorje, z najvišjim faktorjem kakovosti in stabilnostjo frekvence, ki jih je mogoče doseči pri uporabi piezoelektričnega učinka. Na splošno se kvarčni oscilatorji uporabljajo pri frekvencah od nekaj kHz do nekaj sto MHz. ( Altshuller G. B., Elfimov N. N., Šakulin V. G. Kristalni oscilatorji: referenčni vodnik. - M.: Radio in komunikacije, 1984. - S. 121, 122. - 232 str. - 27.000 izvodov.)
3. N. G. Basov, V. S. Letohov. Optični frekvenčni standardi. // UFN. - 1968. - T. 96, št. 12.
4. Nacionalni meroslovni laboratoriji (angleščina). NIST, 3. februar 2011 (Pridobljeno 14. junija 2011)
5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Enoatomska optična ura z visoko natančnostjo // Phys. Rev. Lett. . - American Physical Society, 4. julij 2006. - Vol. 97, št. 2. -

Zelo natančne atomske ure, ki naredijo napako za eno sekundo vsakih 300 milijonov let. Ta ura, ki je zamenjala stari model, ki je dovoljeval napako ene sekunde v sto milijonih let, zdaj postavlja standard za ameriški civilni čas. Lenta.ru se je odločila spomniti zgodovine nastanka atomskih ur.

Prvi atom

Za ustvarjanje ure je dovolj, da uporabite kateri koli periodični postopek. In zgodovina pojava instrumentov za merjenje časa je delno zgodovina pojava novih virov energije ali novih oscilacijskih sistemov, ki se uporabljajo v urah. Najpreprostejša ura je verjetno sončna ura: za njeno delovanje potrebujete le Sonce in predmet, ki meče senco. Slabosti tega načina določanja časa so očitne. Tudi vodne in peščene ure niso nič boljše: primerne so le za merjenje razmeroma kratkih časovnih obdobij.

Najstarejšo mehansko uro so leta 1901 našli v bližini otoka Antikitera na potopljeni ladji v Egejskem morju. Vsebujejo okoli 30 bronastih zobnikov v lesenem ohišju, ki meri 33 krat 18 krat 10 centimetrov in so iz približno stotega leta pr.

Skoraj dva tisoč let so bile mehanske ure najbolj natančne in zanesljive. Pojav klasičnega dela Christiana Huygensa "Ura z nihalom" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica") leta 1657, ki opisuje napravo za merjenje časa z nihalom kot nihajočim sistemom, je bil verjetno vrhunec v zgodovina razvoja tovrstnih mehanskih instrumentov.

Vendar pa so astronomi in pomorščaki še vedno uporabljali zvezdno nebo in zemljevide, da bi določili svojo lokacijo in točen čas. Prvo električno uro je leta 1814 izumil Francis Ronalds. Vendar pa je bila prva taka naprava nenatančna zaradi občutljivosti na temperaturne spremembe.

Nadaljnja zgodovina ur je povezana z uporabo različnih nihajnih sistemov v napravah. Leta 1927 so ga predstavili zaposleni v Bell Labsu kvarčna ura uporabil piezoelektrične lastnosti kremenčevega kristala: ko je bil izpostavljen električni tok kristal se začne krčiti. Sodobni kvarčni kronometri so lahko natančni do 0,3 sekunde na mesec. Ker pa je kremen dovzeten za staranje, postanejo ure sčasoma manj natančne.

Z razvojem atomske fizike so znanstveniki predlagali uporabo delcev snovi kot oscilacijskih sistemov. Tako so se pojavile prve atomske ure. Zamisel o možnosti uporabe atomskih nihanj vodika za merjenje časa je že leta 1879 predlagal angleški fizik Lord Kelvin, vendar je to postalo mogoče šele sredi 20. stoletja.

Reprodukcija slike Huberta von Herkomerja (1907)

V tridesetih letih 20. stoletja je ameriški fizik in pionir jedrske magnetne resonance Isidor Rabi začel delati na atomski uri s cezijem-133, a mu je izbruh vojne pri tem preprečil. Po vojni, leta 1949, je bila v ameriškem odboru za nacionalne standarde s sodelovanjem Harolda Lyonsona izdelana prva molekularna ura z uporabo molekul amoniaka. Toda prvi tovrstni instrumenti za merjenje časa niso bili tako natančni kot sodobne atomske ure.

Relativno nizka natančnost je bila posledica dejstva, da se je zaradi interakcije molekul amoniaka med seboj in s stenami posode, v kateri je bila ta snov, spremenila energija molekul in razširile njihove spektralne črte. Ta učinek je zelo podoben trenju pri mehanski uri.

Kasneje, leta 1955, je Louis Essen iz Nacionalnega fizikalnega laboratorija Združenega kraljestva predstavil prvo atomsko uro s cezijem-133. Ta ura je v milijonih letih nabrala napako ene sekunde. Napravo so poimenovali NBS-1 in začela veljati za cezijev frekvenčni standard.

Shematski diagram Atomska ura je sestavljena iz kvarčnega oscilatorja, ki ga krmili diskriminator z uporabo povratnega vezja. Oscilator izkorišča piezoelektrične lastnosti kremena, medtem ko diskriminator uporablja energijske vibracije atomov, tako da vibracijam kremena sledijo signali iz prehodov iz različnih energijskih ravni v atomih ali molekulah. Med generatorjem in diskriminatorjem je kompenzator, ki je uglašen na frekvenco nihanja atomov in jo primerja s frekvenco nihanja kristala.

Atomi, uporabljeni v uri, morajo zagotavljati stabilne vibracije. Za vsako frekvenco elektromagnetnega sevanja obstajajo atomi: kalcij, stroncij, rubidij, cezij, vodik. Ali celo molekule amoniaka in joda.

Časovni standard

S pojavom atomskih instrumentov za merjenje časa jih je postalo mogoče uporabiti kot univerzalni standard za določanje sekunde. Od leta 1884 se je greenwiški čas, ki velja za svetovni standard, umaknil standardu atomskih ur. Leta 1967 je bila s sklepom 12. generalne konference za uteži in mere ena sekunda opredeljena kot trajanje 9192631770 obdobij sevanja, ki ustrezajo prehodu med dvema hiperfinima nivojema osnovnega stanja atoma cezija-133. Ta definicija sekunde ni odvisna od astronomskih parametrov in jo je mogoče reproducirati kjer koli na planetu. Cezij-133, ki se uporablja v standardu atomske ure, je edini stabilni izotop cezija s 100-odstotno prisotnostjo na Zemlji.

Atomske ure se uporabljajo tudi v satelitskih navigacijskih sistemih; potrebni so za določitev točnega časa in satelitskih koordinat. Tako ima vsak satelit GPS štiri sklope takih ur: dve rubidijevi in ​​dve cezijevi, ki zagotavljata natančnost prenosa signala 50 nanosekund. Ruski sateliti sistema GLONASS so opremljeni tudi s cezijevimi in rubidijevimi atomskimi merilniki časa, sateliti evropskega sistema za geopozicioniranje Galileo pa z vodikovimi in rubidijevimi.

Natančnost vodikovih ur je največja. To je 0,45 nanosekunde v 12 urah. Očitno bo Galileo z uporabo tako natančnih ur ta navigacijski sistem naredil vodilnega že leta 2015, ko bo v orbiti 18 njegovih satelitov.

Kompaktna atomska ura

Hewlett-Packard je postal prvo podjetje, ki je razvilo kompaktno atomsko uro. Leta 1964 je ustvarila cezijevo napravo HP 5060A, velikosti velikega kovčka. Podjetje je še naprej razvijalo to smer, vendar je leta 2005 svoj oddelek za razvoj atomskih ur prodalo podjetju Symmetricom.

Leta 2011 so strokovnjaki iz Draper Laboratory in Sandia National Laboratories razvili in Symmetricom izdal prvo miniaturno atomsko uro Quantum. Ob izidu so stali približno 15 tisoč dolarjev, zaprti so bili v zapečateni škatli velikosti 40 x 35 x 11 milimetrov in tehtali 35 gramov. Poraba energije ure je bila manjša od 120 milivatov. Prvotno so bili razviti po naročilu Pentagona in naj bi služili navigacijskim sistemom, ki delujejo neodvisno od sistemov GPS, na primer globoko pod vodo ali zemljo.

Ameriško podjetje Bathys Hawaii je že konec leta 2013 predstavilo prvo "zapestno" atomsko uro. Kot glavno komponento uporabljajo čip SA.45s proizvajalca Symmetricom. V notranjosti čipa je kapsula s cezijem-133. Zasnova ure vključuje tudi fotocelice in laser nizke moči. Slednji zagotavlja segrevanje cezijevega plina, zaradi česar se njegovi atomi začnejo premikati z ene energetske ravni na drugo. Merjenje časa se natančno izvaja z beleženjem takega prehoda. Cena nove naprave je približno 12 tisoč dolarjev.

Trendi miniaturizacije, avtonomije in natančnosti bodo pripeljali do dejstva, da se bodo v bližnji prihodnosti nove naprave, ki uporabljajo atomske ure, pojavile na vseh področjih človeškega življenja, od vesoljskih raziskav na orbitalnih satelitih in postajah do gospodinjskih aplikacij v sobnih in zapestnih sistemih.

V 21. stoletju se satelitska navigacija hitro razvija. Določite lahko položaj vseh predmetov, ki so kakorkoli povezani s sateliti mobilni telefon, avto oz vesoljska ladja. Toda nič od tega ne bi bilo mogoče doseči brez atomskih ur.
Te ure se uporabljajo tudi v različnih telekomunikacijah, na primer v mobilnih komunikacijah. To je najbolj natančna ura, ki je kdajkoli bila, je in bo. Brez njih internet ne bi bil sinhroniziran, ne bi poznali razdalje do drugih planetov in zvezd itd.
V urah na sekundo je vzetih 9.192.631.770 obdobij elektromagnetnega sevanja, ki je nastalo med prehodom med dvema energijskima nivojema atoma cezija-133. Take ure imenujemo cezijeve ure. Toda to je le ena od treh vrst atomskih ur. Obstajajo tudi vodikove in rubidijeve ure. Najpogosteje pa se uporabljajo cezijeve ure, zato se ne bomo zadrževali na drugih vrstah.

Princip delovanja cezijeve atomske ure

Laser segreje atome cezijevega izotopa in pri tem vgrajeni resonator registrira vse prehode atomov. In kot smo že omenili, se po doseženih 9.192.631.770 prehodih šteje ena sekunda.

Laser, vgrajen v ohišje ure, segreva atome izotopa cezija. V tem času resonator beleži število prehodov atomov na novo energijsko raven. Ko je dosežena določena frekvenca, in sicer 9.192.631.770 prehodov (Hz), se sekunda šteje na podlagi mednarodni sistem SI.

Uporaba v satelitski navigaciji

Postopek določanja natančne lokacije predmeta s pomočjo satelita je zelo težaven. Pri tem sodeluje več satelitov, in sicer več kot 4 na sprejemnik (na primer GPS navigator v avtomobilu).

Vsak satelit vsebuje visoko natančno atomsko uro, satelitski radijski oddajnik in generator digitalne kode. Radijski oddajnik pošlje na Zemljo digitalno kodo in podatke o satelitu, in sicer orbitalne parametre, model itd.

Ura določa, koliko časa je trajalo, da je ta koda prispela do sprejemnika. Tako se ob poznavanju hitrosti širjenja radijskih valov izračuna razdalja do sprejemnika na Zemlji. Toda en satelit za to ni dovolj. Sodobni GPS sprejemniki lahko sprejemajo signale iz 12 satelitov hkrati, kar vam omogoča, da določite lokacijo predmeta z natančnostjo do 4 metrov. Mimogrede, velja omeniti, da GPS navigatorji ne zahtevajo naročnine.

Nov zagon razvoju naprav za merjenje časa so dali atomski fiziki.

Leta 1949 je bila izdelana prva atomska ura, kjer vir nihanj ni bilo nihalo ali kvarčni oscilator, temveč signali, povezani s kvantnim prehodom elektrona med dvema energijskima nivojema atoma.

V praksi se je izkazalo, da takšne ure niso preveč natančne, poleg tega so bile obsežne in drage ter niso bile široko uporabljene. Potem je bilo odločeno za stik kemični element- cezij. In leta 1955 so se pojavile prve atomske ure na osnovi atomov cezija.

Leta 1967 je bilo odločeno preiti na atomski časovni standard, saj se vrtenje Zemlje upočasnjuje in velikost te upočasnitve ni konstantna. To je močno otežilo delo astronomov in merilcev časa.

Zemlja se trenutno vrti s hitrostjo približno 2 milisekundi na 100 let.

Nihanja v dolžini dneva dosegajo tudi tisočinke sekunde. Zato je točnost Greenwiškega srednjega časa (splošno sprejetega kot svetovnega standarda od leta 1884) postala nezadostna. Leta 1967 je prišlo do prehoda na atomski časovni standard.

Danes je sekunda časovno obdobje, natančno enako 9.192.631.770 obdobjem sevanja, kar ustreza prehodu med dvema hiperfinima nivojema osnovnega stanja atoma cezija 133.

Trenutno se kot časovna lestvica uporablja univerzalni koordinirani čas. Oblikuje ga Mednarodni urad za uteži in mere z združevanjem podatkov iz laboratorijev za shranjevanje časa. različne države, kot tudi podatke Mednarodne službe za vrtenje Zemlje. Njegova natančnost je skoraj milijonkrat večja od astronomskega Greenwiškega srednjega časa.

Razvita je bila tehnologija, ki bo radikalno zmanjšala velikost in ceno ultra natančnih atomskih ur, kar bo omogočilo njihovo široko uporabo v mobilne naprave za različne namene. Znanstvenikom je uspelo ustvariti atomski časovni standard ultra majhne velikosti. Takšne atomske ure porabijo manj kot 0,075 W in imajo napako največ eno sekundo v 300 letih.

Ameriški raziskovalni skupini je uspelo ustvariti ultra kompakten atomski standard. Postalo je mogoče napajati atomske ure iz navadnih AA baterij. Ultra natančne atomske ure, običajno vsaj meter visoke, so postavili v prostornino 1,5x1,5x4 mm.

V ZDA so razvili eksperimentalno atomsko uro, ki temelji na enem ionu živega srebra. So petkrat natančnejši od cezija, ki je sprejet kot mednarodni standard. Cezijeve ure so tako natančne, da bo za razliko ene sekunde potrebnih 70 milijonov let, pri živosrebrovih pa bo ta doba 400 milijonov let.

Leta 1982 je v spor med astronomsko definicijo časovnega standarda in atomsko uro, ki je zmagala, posegel nov astronomski objekt - milisekundni pulzar. Ti signali so stabilni kot najboljše atomske ure

Ali si vedel?

Prve ure v Rusiji

Leta 1412 so v Moskvi na dvorišču velikega kneza za cerkvijo Marijinega oznanjenja postavili uro, ki jo je izdelal Lazar, srbski menih, ki je prišel iz srbske zemlje. Na žalost ni ohranjen noben opis teh prvih ur v Rusiji.

Kako se je ura z zvončkom pojavila na stolpu Spasskaya v moskovskem Kremlju?

V 17. stoletju je Anglež Christopher Galloway izdelal zvončke za stolp Spasskaya: urni krog je bil razdeljen na 17 sektorjev, edina kazalka ure je bila mirna, usmerjena navzdol in kazala na neko številko na številčnici, sama številčnica pa se je vrtela.