Miks on aatomkellad kõige täpsemad? Lühike aatomiajamõõtevahendite ilmumise ajalugu

Väga täpsed aatomkellad, mis teevad ühe sekundilise vea iga 300 miljoni aasta järel. See kell, mis asendas vanema mudeli, mille viga oli üks sekund iga saja miljoni aasta tagant, seab nüüd Ameerika tsiviilaja standardi. Lenta.ru otsustas meenutada aatomkellade loomise ajalugu.

Esimene aatom

Kella loomiseks piisab mis tahes perioodilise protsessi kasutamisest. Ja ajamõõteriistade ilmumise ajalugu on osaliselt kas uute energiaallikate või uute energiaallikate tekkimise ajalugu. võnkesüsteemid, kasutatakse kellades. Lihtsaim kell on ilmselt päikesekell: selle tööks on vaja ainult Päikest ja objekti, mis heidab varju. Selle aja määramise meetodi puudused on ilmsed. Parem pole ka vesi ja liivakellad: need sobivad vaid suhteliselt lühikeste ajavahemike mõõtmiseks.

Vanim mehaaniline kell leiti 1901. aastal Antikythera saare lähedalt Egeuse meres uppunud laevalt. Need sisaldavad umbes 30 pronksist hammasratast puidust korpuses, mille mõõtmed on 33 x 18 x 10 sentimeetrit ja mis pärinevad umbes sajandast aastast eKr.

Peaaegu kaks tuhat aastat olid mehaanilised kellad kõige täpsemad ja usaldusväärsemad. Arvatavasti oli apogeeks 1657. aastal ilmunud Christian Huygensi klassikaline teos “Pendelkell” (“Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica”), mis kirjeldab pendliga ajamõõtmisseadet võnkesüsteemina. seda tüüpi mehaaniliste instrumentide väljatöötamise ajalugu.

Kuid astronoomid ja meremehed kasutasid oma asukoha ja täpse aja määramiseks endiselt tähistaevast ja kaarte. Esimese elektrikella leiutas 1814. aastal Francis Ronalds. Kuid esimene selline seade oli temperatuurimuutuste tundlikkuse tõttu ebatäpne.

Kellade edasine ajalugu on seotud erinevate võnkesüsteemide kasutamisega seadmetes. 1927. aastal Bell Laboratories tutvustatud kvartskellad kasutasid kvartskristalli piesoelektrilisi omadusi: kokkupuutel elektrivool kristall hakkab kahanema. Kaasaegsete kvartskronomeetrite täpsus on 0,3 sekundit kuus. Kuna kvarts on aga vastuvõtlik vananemisele, muutuvad kellad aja jooksul vähem täpseks.

Arenguga aatomifüüsika Teadlased on teinud ettepaneku kasutada aineosakesi võnkesüsteemidena. Nii tekkisid esimesed aatomkellad. Idee kasutada vesiniku aatomvõnkumisi aja mõõtmiseks pakuti välja juba 1879. aastal Inglise füüsik Lord Kelvin sai see aga võimalikuks alles 20. sajandi keskpaigaks.

Hubert von Herkomeri maali reproduktsioon (1907)

1930. aastatel alustas Ameerika füüsik ja tuumamagnetresonantsi pioneer Isidor Rabi tööd tseesium-133 aatomkella kallal, kuid sõja puhkemine takistas tal seda teha. Pärast sõda, 1949. aastal, loodi USA riiklikus standardikomitees Harold Lyonsoni osalusel esimene ammoniaagi molekule kasutav molekulaarkell. Kuid esimesed sellised ajamõõteriistad ei olnud nii täpsed kui tänapäevased aatomkellad.

Suhteliselt madal täpsus tulenes sellest, et ammoniaagi molekulide vastastikmõjul üksteisega ja anuma seintega, milles see aine paiknes, muutus molekulide energia ja laienesid spektrijooned. See efekt on väga sarnane hõõrdumisele mehaaniline kell.

Hiljem, 1955. aastal, tutvustas Louis Essen Ühendkuningriigi riiklikust füüsikalaborist esimest tseesium-133 aatomkella. See kell kogus miljoni aasta jooksul ühe sekundi vea. Seade sai nimeks NBS-1 ja seda hakati pidama tseesiumi sagedusstandardiks.

Skemaatiline diagramm aatomkell koosneb kvartsostsillaatorist, mida juhib diskriminaator vastavalt vooluringile tagasisidet. Ostsillaator kasutab kvartsi piesoelektrilisi omadusi, diskriminaator aga aatomite energeetilisi vibratsioone, nii et kvartsi vibratsiooni jälgitakse signaalide abil, mis pärinevad aatomite või molekulide erinevatelt energiatasemetelt. Generaatori ja diskriminaatori vahel on kompensaator, mis on häälestatud aatomivõnke sagedusele ja võrdleb seda kristalli vibratsiooni sagedusega.

Kellas kasutatavad aatomid peavad pakkuma stabiilseid vibratsioone. Iga elektromagnetilise kiirguse sageduse jaoks on aatomid: kaltsium, strontsium, rubiidium, tseesium, vesinik. Või isegi ammoniaagi ja joodi molekulid.

Ajastandard

Aatomaja mõõtmisseadmete tulekuga sai võimalikuks kasutada neid universaalse standardina teise määramiseks. Alates 1884. aastast on maailma standardiks peetud Greenwichi aeg andnud teed aatomkellade standardile. 1967. aastal määratleti 12. kaalude ja mõõtude peakonverentsi otsusega üks sekund kui 9192631770 kiirgusperioodi kestus, mis vastab üleminekule tseesium-133 aatomi põhioleku kahe ülipeen taseme vahel. See teise määratlus ei sõltu astronoomilistest parameetritest ja seda saab reprodutseerida kõikjal planeedil. Aatomkella standardis kasutatav tseesium-133 on ainus stabiilne tseesiumi isotoop, mille sisaldus Maal on 100%.

Aatomkellasid kasutatakse ka satelliitnavigatsioonisüsteemides; need on vajalikud täpse aja ja satelliidi koordinaatide määramiseks. Seega on igal GPS-satelliidil neli komplekti selliseid kellasid: kaks rubiidium- ja kaks tseesiumkella, mis tagavad signaali edastamise täpsuse 50 nanosekundit. Samuti on GLONASS süsteemi Venemaa satelliidid varustatud tseesiumi ja rubiidiumi aatomi ajamõõtmisseadmetega ning kasutuselevõtva Euroopa Galileo geopositsioneerimissüsteemi satelliidid vesiniku ja rubiidiumiga.

Vesinikkellade täpsus on kõrgeim. 12 tunni jooksul on see 0,45 nanosekundit. Ilmselt kasutas Galileo selliseid täpne kell muudab selle navigatsioonisüsteemi liidriks juba 2015. aastal, mil orbiidil on 18 selle satelliiti.

Kompaktne aatomkell

Hewlett-Packardist sai esimene ettevõte, kes töötas välja kompaktse aatomkella. 1964. aastal lõi ta tseesiumiseadme HP 5060A, mis on suure kohvri suurune. Ettevõte jätkas selle suuna arendamist, kuid 2005. aastal müüs ta oma aatomkellasid arendava divisjoni Symmetricomile.

2011. aastal töötasid Draper Laboratory ja Sandia National Laboratories spetsialistid välja ning Symmetricom andis välja esimese miniatuurse aatomkella Quantum. Väljalaskmise ajal maksid need umbes 15 tuhat dollarit, olid suletud 40 x 35 x 11 mm mõõtmetega suletud korpusesse ja kaalusid 35 grammi. Kella voolutarve jäi alla 120 millivati. Algselt töötati need välja Pentagoni tellimusel ja need olid ette nähtud GPS-süsteemidest sõltumatult töötavate navigatsioonisüsteemide teenindamiseks, näiteks sügaval vee all või maa all.

Juba 2013. aasta lõpus Ameerika firma Bathys Hawaii tutvustas esimest atomaarset käekella. Põhikomponendina kasutavad nad Symmetricomi toodetud SA.45s kiipi. Kiibi sees on kapsel tseesium-133-ga. Kella disainis on ka fotoelemendid ja väikese võimsusega laser. Viimane tagab tseesiumgaasi kuumutamise, mille tulemusena hakkavad selle aatomid liikuma ühelt energiatasemelt teisele. Aja mõõtmine toimub täpselt sellise ülemineku registreerimisega. Uue seadme maksumus on umbes 12 tuhat dollarit.

Miniaturiseerimise, autonoomia ja täpsuse suundumused viivad selleni, et lähitulevikus ilmuvad uued aatomkellaga seadmed kõikidesse inimelu valdkondadesse, alates orbitaalsatelliitide ja jaamade kosmoseuuringutest kuni majapidamisrakendusteni ruumi- ja randmesüsteemides.

Sageli kuuleme fraasi, et aatomkellad näitavad alati täpne aeg. Kuid nende nime järgi on raske aru saada, miks aatomkellad on kõige täpsemad või kuidas need töötavad.

See, et nimi sisaldab sõna "aatom", ei tähenda, et kell kujutab endast ohtu elule, isegi kui mõtted aatompomm või tuumaelektrijaam. IN sel juhul me lihtsalt räägime sellest, kuidas kell töötab. Kui tavalises mehaanilises kellas sooritavad võnkuvaid liigutusi hammasrattad ja nende liigutusi loetakse, siis aatomkellas loetakse aatomite sees olevate elektronide võnkumisi. Toimimispõhimõtte paremaks mõistmiseks meenutagem elementaarosakeste füüsikat.

Kõik ained meie maailmas koosnevad aatomitest. Aatomid koosnevad prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Prootonid ja neutronid ühinevad üksteisega, moodustades tuuma, mida nimetatakse ka nukleoniks. Tuuma ümber liiguvad elektronid, mis võivad olla erinevatel energiatasemetel. Kõige huvitavam on see, et energia neelamisel või vabastamisel võib elektron liikuda oma energiatasemelt kõrgemale või madalamale. Elektron võib saada energiat elektromagnetkiirgusest, neelates või kiirgades iga üleminekuga teatud sagedusega elektromagnetkiirgust.

Kõige sagedamini on kellad, milles elemendi tseesium-133 aatomeid kasutatakse muutmiseks. Kui 1 sekundiga pendel tavaline kell teeb 1 võnkuva liikumise, siis elektronid aatomkellades tseesium-133 baasil kiirgavad nad ühelt energiatasemelt teisele üleminekul elektromagnetkiirgust sagedusega 9192631770 Hz. Selgub, et üks sekund jaguneb täpselt selliseks arvuks intervallideks, kui see arvutada aatomkellades. See väärtus võeti ametlikult vastu rahvusvaheline üldsus aastal 1967. Kujutage ette tohutut numbrilauda, ​​millel on mitte 60, vaid 9192631770 jaotust, mis moodustavad vaid 1 sekundi. Pole üllatav, et aatomkellad on nii täpsed ja neil on mitmeid eeliseid: aatomid ei vanane, ei kulu ja võnkesagedus on ühe keemilise elemendi puhul alati sama, tänu millele on võimalik sünkroonselt võrrelda näiteks aatomkellade näitu kaugel kosmoses ja Maal, kartmata vigu.

Tänu aatomkelladele sai inimkond praktikas testida relatiivsusteooria õigsust ja veenduda, et see on parem kui Maal. Aatomkellad on paigaldatud paljudele satelliitidele ja kosmoselaev, neid kasutatakse telekommunikatsiooni vajadusteks mobiilside, kasutatakse neid kogu planeedi täpse aja võrdlemiseks. Liialdamata sai inimkond astuda kõrgtehnoloogia ajastusse just tänu aatomkellade leiutamisele.

Kuidas aatomkellad töötavad?

Tseesium-133 kuumutatakse tseesiumi aatomite aurustamisega, mis juhitakse läbi magnetvälja, kus valitakse soovitud energiaolekuga aatomid.

Seejärel läbivad valitud aatomid 9192631770 Hz lähedase sagedusega magnetvälja, mille tekitab kvartsostsillaator. Välja mõjul muudavad tseesiumi aatomid taas energia olekuid ja langevad detektorile, mis salvestab suurim arv sissetulevatel aatomitel on "õige" energia olek. Maksimaalne summa muudetud energiaolekuga aatomid näitab, et mikrolainevälja sagedus on õigesti valitud ja seejärel sisestatakse selle väärtus elektroonilisse seadmesse - sagedusjagurisse, mis sagedust täisarvu kordades vähendades saab numbri 1, mis on viide teine.

Seega kasutatakse sageduse õigsuse kontrollimiseks tseesiumi aatomeid magnetväli, mille loob kristallostsillaator, aidates hoida seda konstantsel väärtusel.

See on huvitav: Kuigi praegused aatomkellad on enneolematult täpsed ja võivad vigadeta töötada miljoneid aastaid, ei kavatse füüsikud sellega peatuda. Erinevate keemiliste elementide aatomeid kasutades töötavad nad pidevalt aatomkellade täpsuse parandamise nimel. Viimaste leiutiste hulgas on aatomkell strontsium, mis on kolm korda täpsemad kui nende tseesiumi vaste. Vaid sekundiga mahajäämiseks vajavad nad 15 miljardit aastat – aega, mis ületab meie universumi vanuse...

Kui leiate vea, tõstke esile mõni tekstiosa ja klõpsake Ctrl+Enter.

Uue tõuke aja mõõtmise seadmete väljatöötamisel andsid aatomifüüsikud.

1949. aastal ehitati esimene aatomkell, kus võnkumiste allikaks ei olnud pendel ega kvartsostsillaator, vaid signaalid, mis olid seotud elektroni kvantüleminekuga aatomi kahe energiataseme vahel.

Praktikas osutusid sellised kellad mitte eriti täpseks, pealegi olid need mahukad ja kallid ning neid ei kasutatud laialdaselt. Siis otsustati ühendust võtta keemiline element- tseesium. Ja 1955. aastal ilmusid esimesed tseesiumiaatomitel põhinevad aatomkellad.

1967. aastal otsustati üle minna aatomi ajastandardile, kuna Maa pöörlemine aeglustub ja selle aeglustumise ulatus ei ole konstantne. See muutis astronoomide ja ajamõõtjate töö palju raskemaks.

Maa pöörleb praegu kiirusega umbes 2 millisekundit 100 aasta kohta.

Ka päeva pikkuse kõikumised ulatuvad tuhandikuteni. Seetõttu on Greenwichi aja täpsus (üldtunnustatud ülemaailmse standardina alates 1884. aastast) muutunud ebapiisavaks. 1967. aastal toimus üleminek aatomi ajastandardile.

Tänapäeval on sekund ajavahemik, mis on täpselt võrdne 9 192 631 770 kiirgusperioodiga, mis vastab üleminekule tseesium 133 aatomi põhioleku kahe ülipeen taseme vahel.

Praegu kasutatakse ajaskaalana koordineeritud universaalaega. Selle moodustab Rahvusvaheline Kaalude ja Mõõtude Büroo, ühendades erinevate riikide ajasalvestuslaborite andmeid, aga ka Rahvusvahelise Maa pöörlemisteenistuse andmeid. Selle täpsus on peaaegu miljon korda suurem kui astronoomiline Greenwichi aeg.

On välja töötatud tehnoloogia, mis vähendab radikaalselt ülitäpsete aatomkellade suurust ja maksumust, mis võimaldab neid laialdaselt kasutada mobiilseadmed ise erinevatel eesmärkidel. Teadlased suutsid luua üliväikese aatomi ajastandardi. Sellised aatomkellad tarbivad vähem kui 0,075 W ja nende viga ei ületa 1 sekundit 300 aasta jooksul.

Uurimisrühm USA-l õnnestus luua ülikompaktne aatomistandard. Sai võimalikuks toita aatomkellasid tavapärastest kelladest. AA patareid. Ülitäpsed, tavaliselt vähemalt meetri kõrgused aatomkellad paigutati 1,5x1,5x4 mm suurusesse ruumalasse.

USA-s on välja töötatud eksperimentaalne aatomkell, mis põhineb ühel elavhõbeda ioonil. Need on viis korda täpsemad kui tseesium, mida aktsepteeritakse rahvusvaheline standard. Tseesiumkellad on nii täpsed, et sekundilise lahknevuse saavutamiseks kulub 70 miljonit aastat, elavhõbedakelladel aga 400 miljonit aastat.

1982. aastal sekkus vaidlusse ajastandardi astronoomilise määratluse ja selle võitnud aatomkella vahel uus astronoomiline objekt – millisekundiline pulsar. Need signaalid on sama stabiilsed kui parimad aatomkellad

Kas sa teadsid?

Esimesed kellad Venemaal

1412. aastal pandi Moskvas Suurvürsti õuele Kuulutuse kiriku taha kell, mille valmistas Serbia maalt pärit serbia munk Lazar. Kahjuks pole nende esimeste Venemaa kellade kirjeldust säilinud.

________

Kuidas ilmus kellahelin Moskva Kremli Spasskaja torni?

17. sajandil valmistas inglane Christopher Galloway Spasskaja torni kellamänge: tunniring oli jagatud 17 sektoriks, kella ainus osuti oli paigal, oli suunatud allapoole ja näitas sihverplaadil mingit numbrit, kuid sihverplaat ise pöörles.

Arhiiviartikleid

Millised "kellasepad" selle ülitäpse mehhanismi leiutasid ja täiustasid? Kas talle on asendaja? Proovime selle välja mõelda.

2012. aastal tähistab tuumaajavõtt neljakümne viiendat aastapäeva. 1967. aastal hakati ajakategooriat rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis määrama mitte astronoomiliste skaalade, vaid tseesiumi sageduse standardi järgi. Seda nimetavad tavalised inimesed aatomkellaks.

Mis on aatomostsillaatorite tööpõhimõte? Need "seadmed" kasutavad resonantssageduse allikana aatomite või molekulide kvantenergia taset. Kvantmehaanika on seotud süsteemiga " aatomituum- elektronid" mitu diskreetset energiataset. Teatud sagedusega elektromagnetväli võib esile kutsuda selle süsteemi ülemineku madal tase kõrgemale. Võimalik on ka vastupidine nähtus: aatom võib energiat kiirgades liikuda kõrgelt energiatasemelt madalamale. Mõlemat nähtust saab kontrollida ja neid energiatasemetevahelisi hüppeid salvestada, luues seeläbi sarnasuse võnkeahel. Selle ahela resonantssagedus võrdub kahe üleminekutaseme energia erinevusega, mis on jagatud Plancki konstandiga.

Saadud aatomostsillaatoril on oma astronoomiliste ja mehaaniliste eelkäijatega võrreldes vaieldamatuid eeliseid. Erinevalt pendlitest ja piesokristallidest on ostsillaatoriks valitud aine kõigi aatomite resonantssagedus sama. Lisaks ei kulu aatomid aja jooksul ega muuda oma omadusi. Ideaalne praktiliselt igavese ja ülitäpse kronomeetri jaoks.

Esimest korda kaalus võimalust kasutada aatomite tasanditevahelisi energiasiirdeid sagedusstandardina juba 1879. aastal Briti füüsik William Thomson, paremini tuntud kui Lord Kelvin. Ta tegi ettepaneku kasutada resonaatoriaatomite allikana vesinikku. Tema uurimustöö oli aga pigem teoreetiline. Teadus ei olnud tol ajal veel valmis aatomkronomeetri väljatöötamiseks.

Lord Kelvini idee teostuseni kulus peaaegu sada aastat. See oli pikk aeg, kuid ülesanne polnud kerge. Aatomite muutmine ideaalseteks pendliteks osutus praktikas keerulisemaks kui teoorias. Raskus seisnes võitluses nn resonantslaiusega - energia neeldumise ja emissiooni sageduse väike kõikumine, kui aatomid liiguvad tasemelt teisele. Resonantssageduse ja resonantsi laiuse suhe määrab aatomi ostsillaatori kvaliteedi. Ilmselgelt, mida suurem on resonantsi laiuse väärtus, seda madalam on aatomipendli kvaliteet. Kahjuks ei ole võimalik kvaliteedi parandamiseks resonantssagedust tõsta. See on konstantne iga konkreetse aine aatomite jaoks. Kuid resonantsi laiust saab vähendada, suurendades aatomite vaatlusaega.

Tehniliselt on seda võimalik saavutada järgmisel viisil: lase välisel, näiteks kvarts-ostsillaatoril perioodiliselt tekitada elektromagnetkiirgust, mis paneb doonoraine aatomid hüppama läbi energiatasemete. Sel juhul on aatomikronograafi tuuneri ülesanne viia selle kvartsostsillaatori sagedus võimalikult lähedale aatomite tasanditevahelise ülemineku resonantssagedusele. See saab võimalikuks piisavalt pika aatomivõnke vaatlusperioodi ja kvartsi sagedust reguleeriva tagasiside loomise korral.

Tõsi, lisaks aatomkronograafi resonantslaiuse vähendamise probleemile on palju muid probleeme. See on Doppleri efekt - resonantssageduse nihe aatomite liikumisest ja aatomite vastastikustest kokkupõrgetest, mis põhjustab planeerimata energiasiirdeid ja isegi tumeaine läbiva energia mõju.

Esimese katse aatomkellade praktiliseks rakendamiseks tegid eelmise sajandi kolmekümnendatel Columbia ülikooli teadlased tuleviku juhtimisel. Nobeli preemia laureaat Dr Isidor Rabi. Rabi tegi ettepaneku kasutada pendli aatomite allikana tseesiumi isotoopi 133 Cs. Kahjuks katkestas Rabi töö, mis NBS-ile suurt huvi pakkus, Teine maailmasõda.

Pärast selle valmimist läks aatomkronograafi juurutamise juhtroll NBS-i töötajale Harold Lyonsile. Tema aatomostsillaator töötas ammoniaagil ja andis sellega proportsionaalse vea parimad näited kvartsresonaatorid. 1949. aastal demonstreeriti ammoniaagi aatomkella üldsusele. Hoolimata üsna keskpärasest täpsusest rakendasid nad aatomikronograafide tulevaste põlvkondade põhiprintsiipe.

Louis Esseni saadud tseesiumi aatomkella prototüüp andis täpsuse 1 * 10 -9, samas kui resonantsi laius oli vaid 340 hertsi

Veidi hiljem, professor Harvardi ülikool Norman Ramsey täiustas Isidor Rabi ideid, vähendades mõju Doppleri efekti mõõtmiste täpsusele. Ta tegi ettepaneku ühe pika kõrgsagedusliku impulsiga erutava aatomi asemel kasutada kahte lühikest, mis saadetakse lainejuhi harudesse, mis on üksteisest mingil kaugusel. See võimaldas järsult vähendada resonantslaiust ja tegelikult tehtud võimalik loomine aatomostsillaatorid, mille täpsus on nende kvartsist esivanematest suurusjärgus parem.

Möödunud sajandi viiekümnendatel töötas Norman Ramsey pakutud skeemi järgi riiklikus füüsikalaboris (Ühendkuningriik) selle töötaja Louis Essen aatomi ostsillaatori kallal, mis põhines tseesiumi isotoobil 133 Cs, mille oli varem välja pakkunud Rabi. Tseesiumit ei valitud juhuslikult.

Tseesium-133 isotoobi aatomite ülipeente üleminekutasemete skeem

Leelismetallide rühma kuuluvad tseesiumiaatomid erutuvad ülimalt kergesti energiatasemete vahel hüppama. Näiteks võib valguskiir tseesiumi aatomistruktuurist kergesti välja lüüa elektronide voo. Tänu sellele omadusele kasutatakse tseesiumi laialdaselt fotodetektorites.

Klassikalise tseesiumostsillaatori disain, mis põhineb Ramsey lainejuhil

Esimene ametlik tseesiumi sagedusstandard NBS-1

NBS-1 järeltulija – NIST-7 ostsillaator kasutas tseesiumiaatomite kiirte laserpumpamist

Esseni prototüübi tõeliseks standardiks saamine võttis rohkem kui neli aastat. Lõppude lõpuks oli aatomkellade täpne reguleerimine võimalik ainult olemasolevate efemeriidi ajaühikutega võrreldes. Nelja aasta jooksul kalibreeriti aatomiostsillaatorit, jälgides Kuu pöörlemist ümber Maa, kasutades täppis-kuukaamerat, mille leiutas USA mereväe vaatluskeskuse William Markowitz.

Aatomkellade "kohandamine" Kuu efemeriidile viidi läbi aastatel 1955–1958, misjärel tunnustas NBS seadet ametlikult sagedusstandardina. Veelgi enam, tseesiumi aatomkellade enneolematu täpsus sundis NBS-i muutma SI-standardis ajaühikut. Alates 1958. aastast on teine ​​ametlikult vastu võetud kui "9 192 631 770 kiirgusperioodi kestus, mis vastab üleminekule tseesium-133 isotoobi aatomi standardoleku kahe ülipeen taseme vahel".

Louis Esseni seade sai nimeks NBS-1 ja seda peeti esimeseks tseesiumi sagedusstandardiks.

Järgmise kolmekümne aasta jooksul töötati välja kuus NBS-1 modifikatsiooni, millest viimane, NIST-7, mis loodi 1993. aastal, asendades magnetid laserlõksudega, tagab täpsuse 5 * 10 -15 ja resonantslaiusega vaid kuuskümmend. - kaks hertsi.

NBS-i poolt kasutatavate tseesiumi sagedusstandardite karakteristikute võrdlustabel

Tseesiumi sagedusstandard	Tööaeg	Aeg oli ametlik NPFS-standard	Resonantsi laius	Mikrolaineahju lainejuhi pikkus	Vea väärtus
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Hz	55 cm	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Hz	164 cm	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Hz	366 cm	5*10 -13
NBS-4	1965-1990ndad	Ei	130 Hz	52,4 cm	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Hz	374 cm	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Hz	374 cm	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Hz	155 cm	5*10 -15

NBS-seadmed on statsionaarsed alused, mis võimaldab neid klassifitseerida pigem standarditeks kui praktiliselt kasutatavateks ostsillaatoriteks. Kuid puhtalt praktilistel eesmärkidel töötas Hewlett-Packard tseesiumi sagedusstandardi kasuks. 1964. aastal lõi tulevane arvutihiiglane tseesiumi sagedusstandardi kompaktse versiooni - seadme HP 5060A.

NBS-standardite abil kalibreeritud HP 5060 sagedusstandardid sobivad tüüpilise raadioseadmete riiuliga ja olid äriliselt edukad. Just tänu Hewlett-Packardi seatud tseesiumi sagedusstandardile sai aatomkellade enneolematu täpsus laialt levinud.

Hewlett-Packard 5060A.

Selle tulemusena said võimalikuks sellised asjad nagu satelliittelevisioon ja side, globaalsed süsteemid navigatsiooni- ja aja sünkroonimisteenused infovõrgustikud. Avaldused toodud aadressile tööstuslik disain Saadaval oli palju aatomikronograafi tehnoloogiat. Samas ei piirdunud Hewlett-Packard sellega ning parandab pidevalt tseesiumistandardite kvaliteeti ning nende kaalu ja mõõtmeid.

Hewlett-Packardi aatomkellade perekond

2005. aastal müüdi Hewlett-Packardi aatomkellade osakond Simmetricomile.

Koos tseesiumiga, mille varud looduses on väga piiratud ja nõudlus selle järele erinevates tehnoloogiavaldkondades äärmiselt suur, kasutati doonorainena rubiidiumi, mille omadused on väga lähedased tseesiumile.

Näib, et olemasolev aatomkellaskeem on viidud täiuslikkuseni. Vahepeal oli sellel tüütu puudus, mille kõrvaldamine sai võimalikuks tseesiumi sagedusstandardite teise põlvkonna, mida nimetatakse tseesiumipurskkaevudeks.

Aja ja optilise melassi purskkaevud

Vaatamata sellele kõrgeim täpsus NIST-7 aatomkronomeeter, mis kasutab tseesiumiaatomite oleku lasertuvastust, selle vooluahel ei erine põhimõtteliselt tseesiumi sagedusstandardite esimeste versioonide ahelatest.

Kõigi nende skeemide disaini puuduseks on see, et lainejuhis liikuva tseesiumiaatomite kiire levimiskiirust on põhimõtteliselt võimatu kontrollida. Ja seda hoolimata asjaolust, et tseesiumiaatomite liikumiskiirus toatemperatuuril on sada meetrit sekundis. Väga kiiresti.

Seetõttu on kõik tseesiumistandardite modifikatsioonid tasakaalu otsimine lainejuhi suuruse, millel on aega kahes punktis kiireid tseesiumiaatomeid mõjutada, ja selle mõju tulemuste tuvastamise täpsuse vahel. Mida väiksem on lainejuht, seda keerulisem on seeriaviisiks tegemine elektromagnetilised impulsid, mis mõjutavad samu aatomeid.

Mis siis, kui leiame viisi tseesiumiaatomite kiiruse vähendamiseks? Just see idee tekitas muret MIT-i üliõpilasele Jerold Zachariusele, kes uuris gravitatsiooni mõju aatomite käitumisele eelmise sajandi neljakümnendate lõpus. Hiljem, osaledes tseesiumi sagedusstandardi Atomichroni variandi väljatöötamises, pakkus Zacharius välja tseesiumi purskkaevu idee - meetodi tseesiumi aatomite kiiruse vähendamiseks ühe sentimeetrini sekundis ja kaheharulisest lainejuhist vabanemiseks. traditsioonilistest aatomostsillaatoritest.

Zachariuse idee oli lihtne. Mis siis, kui laseksite tseesiumi aatomeid vertikaalselt ostsillaatori sisse? Seejärel läbivad samad aatomid detektorit kaks korda: üks kord üles ja uuesti alla liikudes, kus nad gravitatsiooni mõjul sööstavad. Sel juhul on aatomite allapoole liikumine oluliselt aeglasem kui õhkutõus, sest purskkaevus reisi ajal kaotavad nad energiat. Kahjuks ei suutnud Zacharius eelmise sajandi viiekümnendatel oma ideid realiseerida. Tema eksperimentaalses seadistuses suhtlesid ülespoole liikuvad aatomid alla langevatega, mis segas tuvastamise täpsust.

Sakariuse idee naasis alles kaheksakümnendatel. Stanfordi ülikooli teadlased eesotsas Steven Chuga on leidnud viisi Zachariuse purskkaevu realiseerimiseks, kasutades meetodit, mida nad nimetavad "optiliseks melassiks".

Chu tseesiumi purskkaevus jahutatakse ülespoole suunatud tseesiumiaatomite pilve kolme paari vastassuunas laserite süsteemiga, mille resonantssagedus on tseesiumiaatomite optilisest resonantsist veidi madalam.

Optilise melassiga tseesiumpurskkaevu skeem.

Laserjahutusega tseesiumi aatomid hakkavad aeglaselt liikuma, justkui läbi melassi. Nende kiirus langeb kolme meetrini sekundis. Aatomite kiiruse vähendamine annab teadlastele võimaluse olekuid täpsemalt tuvastada (peab tunnistama, et kilomeetrise tunnikiirusega liikuva auto numbrimärke on palju lihtsam näha kui sajakiirusel liikuval autol kilomeetrit tunnis).

Jahutatud tseesiumiaatomitest koosnev pall lastakse umbes meetri kaugusel ülespoole, läbides teel lainejuhi, mille kaudu aatomid puutuvad kokku resonantssagedusega elektromagnetväljaga. Ja süsteemi detektor registreerib esimest korda aatomite oleku muutuse. Pärast “lae” saavutamist hakkavad jahutatud aatomid gravitatsiooni mõjul langema ja läbivad lainejuhi teist korda. Tagasiteel registreerib detektor taas nende seisundi. Kuna aatomid liiguvad üliaeglaselt, on nende lendu üsna tiheda pilvena lihtne kontrollida, mis tähendab, et purskkaevus ei lenda korraga üles-alla aatomeid.

NBS võttis Chu tseesiumipurskkaevu sagedusstandardina kasutusele 1998. aastal ja sai nimeks NIST-F1. Selle viga oli 4 * 10 -16, mis tähendab, et NIST-F1 oli täpsem kui tema eelkäija NIST-7.

Tegelikult saavutas NIST-F1 tseesiumiaatomite oleku mõõtmise täpsuse piiri. Kuid teadlased ei peatunud selle võidu juures. Nad otsustasid kõrvaldada vea, mille musta keha kiirgus aatomkellade töösse toob - tseesiumiaatomite ja selle käitise keha soojuskiirguse koostoime tulemus, milles nad liiguvad. Uus NIST-F2 aatomkronograaf paigutas tseesiumipurskkaevu krüogeensesse kambrisse, vähendades musta keha kiirgust peaaegu nullini. NIST-F2 viga on uskumatu 3*10 -17.

Tseesiumi sageduse standardvariantide vea vähendamise graafik

Praegu tagavad tseesiumipurskkaevudel põhinevad aatomisagedused inimkonnale kõige täpsema ajastandardi, mille suhtes meie planeedi pulss lööb. tehnogeenne tsivilisatsioon. Tänu tehnilistele nippidele asendati NIST-F1 ja NIST-F2 statsionaarsetes versioonides tseesiumiaatomeid jahutavad impulssvesinikmaserid tavapärase laserkiirega, mis töötab paralleelselt magneto-optilise süsteemiga. See võimaldas luua NIST-Fx standardite kompaktseid ja väga vastupidavaid versioone, mida saab kasutada kosmosesõidukites. Üsna fantaasiarikkalt nimega "Aerospace Cold Atom Clock" on need sagedusstandardid paigaldatud selliste navigatsioonisüsteemide nagu GPS satelliitidesse, mis tagab nende hämmastava sünkroonimise, et lahendada meie vidinates kasutatavate GPS-vastuvõtjate koordinaatide väga täpse arvutamise probleem.

GPS-satelliitides kasutatakse tseesiumi purskkaevu aatomkella kompaktset versiooni, mida nimetatakse "Aerospace Cold Atom Clockiks".

Aja võrdlusarvutuse teostab kümnest NIST-F2-st koosnev "ansambel", mis asub erinevates NBS-iga koostööd tegevates uurimiskeskustes. Täpne väärtus aatomi sekund saadakse kollektiivselt ja seeläbi välistatakse erinevad vead ja inimfaktori mõju.

Siiski on võimalik, et ühel päeval tajuvad meie järeltulijad tseesiumi sageduse etaloni väga jämeda aja mõõtmise mehhanismina, nii nagu me praegu vaatame alandlikult pendli liikumist oma esivanemate mehaanilistes vanaisakellades.

Aatomkellad on tänapäeval kõige täpsemad ajamõõtmisvahendid, mida kasutatakse üha enam kõrgem väärtus arengu ja keerukusega kaasaegsed tehnoloogiad.

Toimimispõhimõte

Aatomkellad hoiavad täpset aega mitte tänu radioaktiivsele lagunemisele, nagu nende nimi viitab, vaid tuumade ja neid ümbritsevate elektronide vibratsiooni abil. Nende sageduse määravad tuuma mass, gravitatsioon ja positiivselt laetud tuuma ja elektronide vaheline elektrostaatiline "balansseerija". See ei vasta päris tavalisele kellamehhanismile. Aatomkellad on usaldusväärsemad ajahoidjad, kuna nende võnkumised sellistest teguritest sõltuvalt ei muutu keskkond, nagu niiskus, temperatuur või rõhk.

Aatomkellade evolutsioon

Aastate jooksul on teadlased mõistnud, et aatomitel on resonantssagedused, mis on seotud igaühe võimega elektromagnetkiirgust absorbeerida ja emiteerida. 1930. ja 1940. aastatel töötati välja kõrgsageduslikud side- ja radariseadmed, mis võisid liidestada aatomite ja molekulide resonantssagedustega. See aitas kaasa kella ideele.

Esimesed näited ehitas 1949. aastal National Institute of Standards and Technology (NIST). Vibratsiooniallikana kasutati ammoniaaki. Kuid need ei olnud palju täpsemad olemasolevast ajastandardist ja tseesiumi kasutati järgmises põlvkonnas.

Uus standard

Muutus aja mõõtmise täpsuses oli nii suur, et 1967. aastal defineeris kaalude ja mõõtude peakonverents SI sekundi kui tseesiumi aatomi 9 192 631 770 vibratsiooni selle resonantssagedusel. See tähendas, et aeg ei olnud enam seotud Maa liikumisega. Maailma stabiilseim aatomkell loodi 1968. aastal ja seda kasutati NIST ajamõõtmissüsteemi osana kuni 1990. aastateni.

Parendusauto

Üks viimaseid edusamme selles valdkonnas on laserjahutus. See parandas signaali-müra suhet ja vähendas kellasignaali ebakindlust. Selle jahutussüsteemi ja muude tseesiumkellade täiustamiseks kasutatavate seadmete paigutamiseks oleks vaja raudteevaguni suurust ruumi, kuigi kommertsversioonid mahuksid kohvrisse. Üks neist laboripaigaldistest hoiab aega Boulderis, Colorados ja on Maa kõige täpsem kell. Nad eksivad vaid 2 nanosekundi võrra päevas ehk 1 sekund 1,4 miljoni aasta kohta.

Keeruline tehnoloogia

See tohutu täpsus on kompleksi tulemus tehnoloogiline protsess. Esiteks asetatakse vedel tseesium ahju ja kuumutatakse, kuni see muutub gaasiks. Metalli aatomid peal suur kiirus tule läbi väikese ahjuaugu välja. Elektromagnetid põhjustavad nende jagunemist erineva energiaga kiirteks. Vajalik kiir läbib U-kujulist ava ja aatomid kiiritatakse energiaga mikrolainekiirgus sagedus 9.192.631.770 Hz. Tänu sellele on nad elevil ja liiguvad teistsugusesse energiaolekusse. Seejärel filtreerib magnetväli välja aatomite muud energiaseisundid.

Detektor reageerib tseesiumile ja näitab maksimumi õige sageduse väärtuse juures. See on vajalik kellamehhanismi juhtiva kvartsostsillaatori konfigureerimiseks. Selle sageduse jagamine 9 192 631 770-ga annab ühe impulsi sekundis.

Mitte ainult tseesium

Kuigi kõige levinumad aatomkellad kasutavad tseesiumi omadusi, on ka teisi tüüpe. Need erinevad kasutatava elemendi ja energiataseme muutuste määramise vahendite poolest. Muud materjalid on vesinik ja rubiidium. Vesiniku aatomkellad toimivad sarnaselt tseesiumkelladele, kuid nõuavad spetsiaalsest materjalist seintega anumat, mis ei lase aatomitel liiga kiiresti energiat kaotada. Rubiidiumi kellad on kõige lihtsamad ja kompaktsemad. Neis muudab rubiidiumigaasiga täidetud klaaselement ülikõrge sagedusega kokkupuutel valguse neeldumist.

Kes vajab täpset aega?

Tänapäeval saab aega mõõta ülitäpselt, kuid miks see oluline on? See on vajalik sellistes süsteemides nagu Mobiiltelefonid, Internet, GPS, lennundusprogrammid ja digitaaltelevisioon. Esmapilgul pole see ilmne.

Täpse aja kasutamise näide on pakettide sünkroonimine. Keskmist sideliini läbivad tuhanded telefonikõned. See on võimalik ainult seetõttu, et vestlust ei edastata täielikult. Telekommunikatsiooniettevõte jagab selle väikesteks pakettideks ja jätab osa teabest isegi vahele. Seejärel läbivad need liini koos teiste vestluste pakettidega ja taastatakse teises otsas ilma segamiseta. Telefonikeskjaama kellasüsteem suudab info saatmise täpse aja järgi määrata, millised paketid antud vestlusesse kuuluvad.

GPS

Teine täpse aja rakendamine on globaalne positsioneerimissüsteem. See koosneb 24 satelliidist, mis edastavad oma koordinaate ja aega. Iga GPS-vastuvõtja saab nendega ühenduse luua ja saateaegu võrrelda. Erinevus võimaldab kasutajal määrata oma asukoha. Kui need kellad ei oleks väga täpsed, oleks GPS-süsteem ebapraktiline ja ebausaldusväärne.

Täiuslikkuse piir

Tehnika ja aatomkellade arenedes muutusid Universumi ebatäpsused märgatavaks. Maa liigub ebaühtlaselt, põhjustades juhuslikke erinevusi aastate ja päevade pikkuses. Varem oleksid need muudatused jäänud märkamatuks, sest aja mõõtmise vahendid olid liiga ebatäpsed. Teadlaste ja teadlaste suureks meelehärmiks tuleb aga aatomkellade aega korrigeerida, et kompenseerida kõrvalekaldeid. päris maailm. Need on hämmastavad tööriistad, mis aitavad kaasaegset tehnoloogiat edasi arendada, kuid nende tipptaset piiravad looduse enda seatud piirid.