стрелка от време Computerra как се създава атомен часовник

Какво "часовникари" изобретил и усъвършенствал тази изключително прецизен механизъм? Има ли замяна с него? Опитайте се да разберете.

Какъв е принципът на атомните осцилатори? Като източник на резонансната честота на "устройство" се използва квантови енергийни нива на атоми или молекули. Квантовата механика се свързва с "атомното ядро ​​- електрони" няколко дискретни нива на енергия. Електромагнитното поле на определена честота може да предизвика преминаване на системата от ниско ниво за високо. обратна явление атом може да се движи от високо енергийно ниво на по-ниска енергия лъчение. А тези и други явления могат да бъдат контролирани, за да улови и interlevel тях енергия удари, като по този начин се създава подобие на колебание на веригата. Най-резонансната честота на тази верига ще бъде равна на разликата в енергиите между двете нива на преход, разделена на постоянна Планк.

Получената Това атомен осцилатор е безспорен предимства по отношение на техните механични и астрономически предшественици. Резонансната честота на избрания атома осцилатор вещество ще, за разлика от махала и пиезоелектрически кристали, идентични. В допълнение, атомите не се износват и не променят свойствата си с течение на времето. Идеален за почти постоянна и изключително точен прибор.

Възможността за използване на енергийните преходи между нивото на атома като стандартна честота обратно през 1879 г. смята британския физик Уилям Томсън, по-известен като Лорд Келвин. Като източник на резонатори атома той предлага да се използва водород. Все пак, изследванията си, бяха повече теоретични. Науката в момента все още не е готова да се развива атомната хронометър.

Отне почти сто години с идеята за Лорд Келвин е намерил практическо изражение. Срок значителна, но също така задача не беше лесно. Включете атома в идеални махала на практика се оказва, че е по-трудно, отколкото на теория. Проблемът е борбата с т.нар резонанс широчина - ниско поглъщане на енергия честота на вибрациите и емисия при прехода от атоми от ниво на ниво. Съотношението на резонансната честота на ширината на резонанс, и определя качеството на атомната осцилатор. Очевидно е, че колкото по-голяма от стойността на широчината на резонанс, толкова по-ниско качество на атомната махалото. За съжаление, не е възможно да се увеличи резонансната честота за подобряване на качеството. Това е постоянна за всеки от атомите на дадено вещество. Но вие можете да се намали ширината на резонанса чрез увеличаване на времето за наблюдаване на атомите.

Технически, това може да стане, както следва: Нека външността, като кварц, осцилатора периодично генерира електромагнитно лъчение, принуждавайки вещество донорни атоми за прескача нива на енергия. Когато тази задача тунер атомен хронограф е максималната честота на сближаване на кварцов генератор на резонансната честота interlevel преход атома. Това става възможно, в случай на достатъчно дълъг период на наблюдение от атомарни вибрации и да се създаде обратна връзка за регулиране кварц честота.

Въпреки това, в допълнение към проблема за намаляване на ширината на резонанса в атомната хронограф, има много други проблеми. Това е ефект на Доплер - промяната в резонансна честота се дължи на движението на атомите и взаимното сблъсък на атоми, което води до непланирани енергийни преходи, а дори и на влиянието на тъмната материя всепроникващата енергия.

Първият опит на практическото прилагане на атомен часовник е направен през трийсетте години на миналия век, учените от Колумбийския университет под ръководството на бъдещия носител на Нобелова награда д-р Айседора Раби. Тъй като веществото - източник махала атоми Rabi предложени за използване Cs цезиев 133 изотоп. За съжаление, работата на Раби, много интересно на NBS, бяха прекъснати от Втората световна война.

След дипломирането шампионат прилагане атомната хронограф предава на служителя NBS Харолд Лион. Неговото атомно осцилатор с използване на амоняк и даде грешка, съизмерими с най-добрите образци на кварцови резонатори. През 1949 г., амоняк атомен часовник се демонстрира на обществеността. Въпреки по-скоро посредствени точността, те са изпълнени основните принципи на бъдещите поколения ядрени хронографи.

Получената прототип Lui Essenom цезиев атомен часовник осигурява точност на 1 х 10 -9. докато притежава всички ширината на резонанс на 340 херца

Малко по-късно, Харвардския университет професор Норман Рамзи усъвършенства идеите Айседора Раби, намаляване на въздействието върху точността на измерване ефекта на Доплер. Той предположи, че вместо един дълъг RF импулс, който вълнува атомите използва две къси изпратено до раменете на вълна на известно разстояние един от друг. Възможно е да се доведе до рязко намаляване на ширината на резонанса, а в действителност е направила възможно създаването на атомно осцилатор, един порядък по-добър от точността на техните предци кварц.

През петдесетте години на миналия век въз основа на схемата, предложен от Норман Рамзи, Националната физическа лаборатория (Великобритания), колежката си Луис Есен ръководи работата по атомната осцилатор въз основа на предварително предложената изотоп цезий Раби 133 Cs. Цезий е избрана случайно.

Схема свръхфини нива на преход на цезий-133 изотопни атоми

Принадлежащи към групата на алкалните метали, цезиев атома изключително просто задвижвани да скочи между енергийните нива. Например, един светлинен лъч е лесно могат да изчисти цезиев атомна структура с електронен поток. Това е благодарение на този имот, цезий е широко използвани като част от фото детектори.

Устройство класически цезиев осцилатор, основан вълна Ramsey

Стандартните НБС-1 първата официална цезий честотни

Потомък NBS-1 - осцилатор NIST-7 използва лазерен лъч изпомпване на цезий атоми

Есен в прототипа се превърна в истински стандарт, отне повече от четири години. След фина настройка на атомен часовник бе възможно единствено чрез сравнение със съществуващите време ефемеридата единици. През четирите години на атомната осцилатор се калибрира чрез наблюдение на въртенето на Луната около Земята с точен лунен камера, изобретен от служител на Военноморската обсерватория на САЩ Уилям Марковиц на.

"Fit" атомен часовник на лунната ефемеридата е проведено 1955-1958, след което устройството е официално призната от НБС като стандартна честота. Освен това, безпрецедентен точността на цезий атомен часовник spodvigla NBS промяна в стандартната SI единицата за измерване на времето. От 1958 г., в секунда официално приет "продължителност на 9,192,631,770 периода на излъчването при преход между две свръхфини нива на стандартната състояние изотопи цезий-133 атом."

Устройство Lui Essena получи NBS-1 продукт и се счита за първата честота цезиев стандарт.

Сравнителна таблица на цезий честотни характеристики стандарти, НБС

Цезий стандартна честота лъч

НБС щандове са стационарни устройства, които могат да бъдат приписани на техните стандарти повече, отколкото да се използват на практика осцилатори. Но за чисто практически цели в полза на стандарта на цезия честота работил компания Hewlett-Packard. През 1964 г. бъдещият компютър гигант създаде компактна версия на стандарта на цезия честота - устройство HP 5060A.

Калибрира чрез стандартите на НБС, HP 5060 честотни стандарти поберат в типична стойка радиосъоръжения и са имали търговски успех. Това се дължи на цезий честота стандарт, определен в Hewlett-Packard, безпрецедентна прецизност атомен часовник отиде на масите.

В резултат на това стана възможно такива неща като сателитна телевизия и комуникации, глобални навигационни системи и информационни мрежи, услугата на синхронизация на времето. Заявленията откарвани до промишлен дизайн на атомната хронограф технология намерени много. В Hewlett-Packard не спира и постоянно подобряване на качеството на стандартите на цезий и теглото им и цялостното представяне.

Семейството на атомните часовници компания Hewlett-Packard

Заедно с цезиев, резервите на които са ограничени в природата, и търсенето на това в различни технологични области е изключително големи, като агенти на донора използвани рубидий, за свойствата много подобни на цезий.

Тя ще изглежда, че съществуващата схема на атомните часовници до съвършенство. В същото време, тя имаше един нещастен недостатък, чието отстраняване е било възможно през второто поколение на стандартите за цезий честота, по-нататък цезий фонтани.

време фонтани и оптични меласа

Въпреки високата точност атомни хронометри NIST-7, като се използва лазер състояние откриване на цезий атоми, не е коренно различни електрически схеми на цезиев честотни стандарти първото изпълнение.

Конструктивен недостатък на всички тези схеми е, че за да се контролира скоростта на разпространение на лъча на цезий атоми, движещи се в вълновода, е фундаментално невъзможно. Това въпреки факта, че скоростта на атомите цезий при стайна температура - сто метра в секунда. Много бързо.

Ето защо, за всички изменения на цезий стандарти - търсене на баланс между размера на вълна има време да работи по-бързо цезий атоми в две точки, и точността на откриване на резултатите от това влияние. По-малкият вълновод, толкова по-трудно време да последователни електромагнитни импулси, действащи от същите атоми.

И какво, ако се намери начин да се намали скоростта на движение на цезий атоми? Именно тази мисъл притеснявани студент Masachussetskogo технологичен институт Джеролд Захария. Учи в края на четиридесетте години на миналия век влиянието на гравитацията върху поведението на атоми. По-късно, привлечени от развитието на варианти Atomichron цезиев честота стандарт. Захария предложи идеята за цезий фонтан - метод, който позволява да се намали скоростта на движение на цезий атоми сантиметър в секунда и да се отървете от dvuhkolennogo вълноводни традиционните атомни осцилатори.

Захария идея е проста. Какво става, ако се движат цезий атоми вертикално вътре осцилатор? След това същите атоми, ще преминат през детектора два пъти: веднъж, когато пътуват нагоре, а вторият - надолу, където те се втурват от гравитацията. Движението на атомите е надолу много по-бавно свалят, защото по време на пътуването във фонтана те podrasteryal енергия. За съжаление, през петдесетте години на миналия век, за да реализират своите идеи Захариас не можеше. В своите експериментални настройки атоми се движат нагоре взаимодействали с падане, което принуди надолу точност откриване.

Идеята на Захария се върна само през осемдесетте години. Учени от Станфордския университет под ръководството на Стивън Чу намерили начин за изпълнение на Захария фонтан помощта на метод, те наричат ​​"оптични меласа".

цезиев фонтан Chu облак цезий атоми изстрелва, е предварително охладена чрез система от три двойки противоположно пред лазери, имащи резонансната честота малко под резонанс оптични цезий атоми.

Схема цезиев фонтан оптични меласа.

Охладени лазери цезий атоми започват да се движи бавно, като през меласа. Скоростта им пада до три метра в секунда. Намаляване на скоростта на атомите дава възможност да се усъвършенства състояние откриване (виж, много по-лесно да се види регистрационния номер, движейки се със скорост от един километър в час, отколкото машина се движи със скорост от сто километра в час) изследователи.

Балон охладени атоми на цезий започнали около един метър, пътят минава през вълна, чрез които атомите да се отрази на електромагнитното поле на резонансната честота. А системата за детектор открие промяна на състоянието на атомите за първи път. Достигането на "тавана" охладени атоми започнат да падат в резултат на гравитацията и тествани вълновод за втори път. По пътя обратно отново детектор улавя тяхното състояние. От атоми се движат много бавно, техният полет по достатъчно плътен облак лесно да се контролира, и следователно няма да във фонтана, докато лети нагоре и надолу атоми.

В действителност, NIST-F1 е постигната в състояние на грешка на измерване на цезий атоми. Но учените от тази победа не спират. Те взеха решение да се елиминира грешката, което прави работата на атомен часовник абсолютно черно тяло радиация - в резултат на взаимодействието на цезий атоми с единична обвивка топлинна радиация, в който те се движат. нова атомна хронограф NIST-F2 цезиев фонтана беше поставен в криогенна камера, намаляване на абсолютно черно тяло радиация до почти нула. Точност NIST-F2 е невероятна стойност 3 * 10 -17.

Графика намали цезиев грешка честотни стандарти изпълнение на

В момента атомната част въз основа на фонтани цезий даде на човечеството с точно време, в сравнение с който бие пулса на нашата технологична цивилизация. Чрез инженерни приспособления натоварени водородни masers, които се охлажда цезий атома в стационарни изпълнения NIST-F1 и F2 NIST-, са заменени с конвенционален лазерен лъч работи заедно с магнито-оптичен система. Възможно е да се създаде компактен и изключително устойчив на външни влияния версии NIST-Fx стандарт, могат да работят в космически летателни апарати. По-скоро образно го нарече "Aerospace Студената Atom Clock", честотата на тези стандарти, установени в системите за спътникова навигация, като например GPS, който гарантира тяхната невероятна графика за решаване на проблема много точно да се изчисли координатите на GPS приемника, използван в нашите джаджи.

Компактна версия на атомните часовници, базирани на цезий чешма, наречена "Aerospace Студената Atom Clock", се използва в GPS спътниците

Изчисляване на референтната време се извършва "ансамбъл" от десет NIST-F2, разположени в различни изследователски центрове, които работят с НБС. Точната стойност на втора атомна получава колективно, и по този начин се елиминират различни грешки, и човешкия фактор.

Въпреки това е възможно, че след като стандарт цезий честота ще се възприемат от нашите потомци като механизъм много грубо измерване на времето, точно както днес ние с нетърпение снизходително по отношение на движението на махалото в механичен часовник етаж на нашите предци.

Вижте също: История на Основния. Как да си направим часовник, който няма да се отклонявам? В стария път смята от движението на небесните тела, а след това излезе с една система от махала, но те не са съвършени.