Nə üçün atom saatları ən dəqiqdir? Atom saatı: peyk və naviqasiya sistemlərinin vaxtını ölçmək üçün cihaz.

Keçən il, 2012-ci ildə, bəşəriyyətin vaxtı mümkün qədər dəqiq ölçmək üçün atom saatlarından istifadə etmək qərarına gəlməsindən qırx beş il keçdi. 1967-ci ildə Beynəlxalq vaxt kateqoriyası astronomik şkalalarla müəyyən olunmağı dayandırdı - onlar sezium tezlik standartı ilə əvəz olundu. İndi məşhur adı - atom saatlarını alan o idi. Onların müəyyən etməyə imkan verdiyi dəqiq vaxtın üç milyon ildə bir saniyəlik əhəmiyyətsiz bir səhvi var ki, bu da onları dünyanın istənilən nöqtəsində vaxt etalon kimi istifadə etməyə imkan verir.

Bir az tarix

Atom titrəyişlərinin vaxtın ultradəqiq ölçülməsi üçün istifadəsi ideyası ilk dəfə 1879-cu ildə İngilis fiziki William Tomson tərəfindən ifadə edilmişdir. Rezonator atomlarının emitenti rolunda bu alim hidrogenin istifadəsini təklif etdi. İdeyanı həyata keçirmək üçün ilk cəhdlər yalnız 1940-cı illərdə edildi. iyirminci əsr. Dünyanın ilk işləyən atom saatı isə 1955-ci ildə Böyük Britaniyada peyda olub. Onların yaradıcısı ingilis eksperimental fizik Dr.Luis Essen idi. Bu saat sezium-133 atomlarının titrəyişləri əsasında işləyirdi və onların sayəsində elm adamları nəhayət, vaxtı əvvəlkindən çox daha dəqiqliklə ölçə bildilər. Essenin ilk cihazı hər yüz ildə bir saniyədən çox olmayan xətaya yol verdi, lakin sonradan bu, dəfələrlə artdı və saniyədə səhv yalnız 2-3 yüz milyonlarla il ərzində toplana bilər.

Atom saatı: necə işləyir

Bu dahiyanə “cihaz” necə işləyir? Rezonans tezliyi generatoru kimi atom saatları kvant səviyyəsində molekullardan və ya atomlardan istifadə edir. bir neçə diskret enerji səviyyəsi ilə "atom nüvəsi - elektronlar" sistemi arasında əlaqə qurur. Əgər belə bir sistem ciddi şəkildə müəyyən edilmiş tezliklə təsirlənirsə, bu sistemin aşağı səviyyədən yüksək səviyyəyə keçidi baş verəcəkdir. Əks proses də mümkündür: bir atomun enerji emissiyası ilə müşayiət olunan daha yüksək səviyyədən aşağı səviyyəyə keçidi. Bu hadisələr bir salınım dövrəsi kimi bir şey yaratmaqla bütün enerji atlamalarını idarə etmək və qeyd etmək olar (ona atom osilatoru da deyilir). Onun rezonans tezliyi Plank sabitinə bölünən qonşu atom keçid səviyyələri arasındakı enerji fərqinə uyğun olacaq.

Belə salınan dövrə mexaniki və astronomik sələfləri ilə müqayisədə danılmaz üstünlüklərə malikdir. Belə bir atom osilatoru üçün hər hansı bir maddənin atomlarının rezonans tezliyi eyni olacaq, bunu sarkaçlar və pyezokristallar haqqında demək olmaz. Bundan əlavə, atomlar zamanla xassələrini dəyişmir və köhnəlmir. Buna görə də, atom saatları son dərəcə dəqiq və demək olar ki, əbədi xronometrdir.

Dəqiq vaxt və müasir texnologiyalar

Telekommunikasiya şəbəkələri, peyk rabitəsi, GPS, NTP serverləri, birjada elektron əməliyyatlar, onlayn auksionlar, internet vasitəsilə biletlərin alınması proseduru - bütün bunlar və bir çox başqa hadisələr həyatımızda çoxdan möhkəm şəkildə qurulub. Ancaq bəşəriyyət atom saatını icad etməsəydi, bütün bunlar sadəcə baş verməzdi. İstənilən səhvləri, gecikmələri və gecikmələri minimuma endirməyə imkan verən dəqiq vaxt, sinxronizasiya insana heç vaxt çox olmayan bu əvəzsiz əvəzolunmaz resursdan maksimum istifadə etməyə imkan verir.

atom saatı

Kvars saatlarının dəqiqliyini onların qısamüddətli dayanıqlığı nöqteyi-nəzərindən qiymətləndirsək, demək lazımdır ki, bu dəqiqlik sarkaçlı saatlardan qat-qat yüksəkdir, lakin bu, uzun müddət ərzində daha yüksək sürət sabitliyini göstərir. ölçmələr. Kvars saatlarında nizamsızlıq kvarsın daxili strukturunun dəyişməsi və elektron sistemlərin qeyri-sabitliyi nəticəsində yaranır.

Tezlik sabitliyinin pozulmasının əsas mənbəyi osilatorun tezliyini sinxronlaşdıran kvars kristalının qocalmasıdır. Düzdür, ölçmələr göstərdi ki, kristalın qocalması tezliyin artması ilə müşayiət olunur, böyük dalğalanmalar və kəskin dəyişikliklər olmadan davam edir. Rəğmən. bu, yaşlanma, kvars saatının düzgün işləməsini pozur və sabit, dəyişməz tezlik reaksiyasına malik bir osilatoru olan başqa bir cihaz tərəfindən müntəzəm monitorinq ehtiyacını diktə edir.

İkinci Dünya Müharibəsindən sonra mikrodalğalı spektroskopiyanın sürətli inkişafı uyğun spektral xətlərə uyğun tezliklər vasitəsilə vaxtı dəqiq ölçmək sahəsində yeni imkanlar açdı. Tezlik standartları sayıla bilən bu tezliklər kvant generatorundan zaman standartı kimi istifadə etmək fikrinə gətirib çıxardı.

Bu qərar xronometriya tarixində tarixi dönüş idi, çünki bu, əvvəllər qüvvədə olan astronomik zaman vahidinin yeni kvant zaman vahidi ilə əvəz edilməsi demək idi. Bu yeni vaxt vahidi müəyyən xüsusi seçilmiş maddələrin molekullarının enerji səviyyələri arasında dəqiq müəyyən edilmiş keçidlərin şüalanma dövrü kimi təqdim edilmişdir. Müharibədən sonrakı ilk illərdə bu problemin intensiv tədqiqindən sonra çox aşağı təzyiqlərdə maye ammonyakda mikrodalğalı enerjinin idarə olunan udulması prinsipi ilə işləyən qurğu qurmaq mümkün oldu. Bununla belə, udma elementi ilə təchiz olunmuş cihazla aparılan ilk təcrübələr gözlənilən nəticəni vermədi, çünki molekulların qarşılıqlı toqquşması nəticəsində yaranan udma xəttinin genişlənməsi kvant keçidinin özünün tezliyini müəyyən etməyi çətinləşdirdi. Yalnız SSRİ-də sərbəst uçan ammonyak molekullarının dar şüa üsulu ilə A.M. Proxorov və N.G. Basov və ABŞ-da Kolumbiya Universitetindən Towns molekulların qarşılıqlı toqquşma ehtimalını əhəmiyyətli dərəcədə azaltmağa və spektral xəttin genişlənməsini praktiki olaraq aradan qaldırmağa müvəffəq oldular. Bu şəraitdə ammonyak molekulları artıq atom generatoru rolunu oynaya bilərdi. Bir burun vasitəsilə vakuum məkanına daxil olan dar bir molekul şüası, molekulların ayrılmasının baş verdiyi qeyri-bərabər elektrostatik sahədən keçir. Daha yüksək kvant vəziyyətində olan molekullar 23,870,128,825 Hz sabit tezlikdə elektromaqnit enerjisi yaydıqları tənzimlənən rezonatora göndərildi. Sonra bu tezlik atom saatı dövrəsinə daxil olan kvars osilatorunun tezliyi ilə müqayisə edilir. İlk kvant generatoru, ammonyak maseri (Stimulated Emission of Radiasiya ilə Mikrodalğalı Gücləndirmə) bu prinsip əsasında qurulmuşdur.

N.G. Basov, A.M. Proxorov və Taunes bu işlərinə görə 1964-cü ildə fizika üzrə Nobel mükafatı aldılar.

Ammonyak maserlərinin tezlik sabitliyi İsveçrə, Yaponiya, Almaniya, Böyük Britaniya, Fransa və nəhayət, Çexoslovakiya alimləri tərəfindən də öyrənilmişdir. 1968-1979-cu illər ərzində. Çexoslovakiya Elmlər Akademiyasının Radiotexnika və Elektronika İnstitutunda Çexoslovakiya istehsalı olan atom saatlarında dəqiq vaxtı saxlamaq üçün tezlik standartı kimi xidmət edən bir neçə ammonyak maserləri tikilib sınaq istismarına verildi. Onlar saniyənin 20 milyonda bir günlük sürət dəyişikliyinə uyğun gələn 10-10 nizamlı tezlik sabitliyinə nail oldular.

Hazırda atom tezliyi və vaxt standartları əsasən iki əsas məqsəd üçün istifadə olunur - vaxtın ölçülməsi və əsas tezlik standartlarının kalibrlənməsi və idarə edilməsi üçün. Hər iki halda kvars saat generatorunun tezliyi atom standartının tezliyi ilə müqayisə edilir.

Vaxtı ölçərkən atom standartının tezliyi və kristal saat generatorunun tezliyi müntəzəm olaraq müqayisə edilir və aşkar edilmiş sapmalardan xətti interpolyasiya və orta vaxt korreksiyası müəyyən edilir. Həqiqi vaxt daha sonra kvars saatının oxunuşlarının cəmindən və bu orta vaxt korreksiyasından əldə edilir. Bu halda, interpolyasiya nəticəsində yaranan xəta kvars saat kristalının qocalmasının xarakteri ilə müəyyən edilir.

Bütün min ildə cəmi 1 s xəta ilə atom vaxtı standartları ilə əldə edilən müstəsna nəticələr, 1967-ci ilin oktyabrında Parisdə keçirilən Çəkilər və Ölçülər üzrə XIII Baş Konfransda ölçü vahidinin yeni tərifinin verilməsinə səbəb oldu. vaxt verildi - bir atom saniyəsi, indi sezium-133 atomunun radiasiyasının 9,192,631,770 salınımı olaraq təyin olundu.

Yuxarıda qeyd etdiyimiz kimi, kvars kristalının qocalması ilə kvars osilatorunun rəqs tezliyi tədricən artır və kvars və atom osilatorunun tezlikləri arasındakı fərq davamlı olaraq artır. Kristalın yaşlanma əyrisi düzgündürsə, onda kvars dalğalanmalarını yalnız dövri olaraq, ən azı bir neçə gün fasilələrlə düzəltmək kifayətdir. Beləliklə, atom osilatorunun kvars saat sisteminə daimi qoşulması lazım deyil, bu, müdaxilə edən təsirlərin ölçmə sisteminə daxil olması məhdud olduğundan çox sərfəlidir.

1958-ci ildə Brüsseldə keçirilən Ümumdünya Sərgisində nümayiş etdirilən iki ammonyak molekulyar osilatorlu İsveçrə atom saatı sutkada saniyənin yüz mində bir dəqiqliyinə nail oldu ki, bu da dəqiq sarkaçlı saatların dəqiqliyini min dəfə üstələyir. Bu dəqiqlik artıq yer oxunun fırlanma sürətində dövri qeyri-sabitlikləri öyrənməyə imkan verir. Şəkildəki qrafik. Xronometrik alətlərin tarixi inkişafının və vaxtın ölçülməsi üsullarının təkmilləşdirilməsinin təsviri olan 39, demək olar ki, möcüzəvi şəkildə vaxtın ölçülməsinin dəqiqliyinin bir neçə əsr ərzində necə artdığını göstərir. Təkcə son 300 ildə bu dəqiqlik 100 000 dəfədən çox artmışdır.

düyü. 39. 1930-1950-ci illərdə xronometrik alətlərin dəqiqliyi

Kimyaçı Robert Vilhelm Bunsen (1811-1899) ilk dəfə sezium kəşf etdi, onun atomları düzgün seçilmiş şəraitdə təxminən 9192 MHz tezliyi olan elektromaqnit şüalarını udmaq qabiliyyətinə malikdir. Bu xüsusiyyət Sherwood və McCracken tərəfindən ilk sezium şüa rezonatorunu yaratmaq üçün istifadə edilmişdir. İngiltərədəki Milli Fizika Laboratoriyasında işləyən L.Essen öz səylərini tezliklərin və vaxtı ölçmək üçün sezium rezonatorundan praktiki istifadəyə yönəldib. "United States Navel Observatory" astronomik qrupu ilə əməkdaşlıq edərək o, artıq 1955-1958-ci illərdə. seziumun kvant keçid tezliyini 9,192,631,770 Hz-də təyin etdi və onu efemer ikincinin o vaxtkı mövcud tərifi ilə əlaqələndirdi, bu da daha sonra, yuxarıda göstərildiyi kimi, zaman vahidinin yeni tərifinin yaradılmasına səbəb oldu. Aşağıdakı sezium rezonatorları Ottavada Kanada Milli Tədqiqat Şurasında, Neuşateldəki Suisse de Rechers Horlogeres laboratoriyasında və digərləri layihələndirilmişdir. Massaçusetsdəki Walden".

Atom saatlarının mürəkkəbliyi onu deməyə əsas verir ki, atom osilatorlarından istifadə yalnız böyük ölçü cihazlarından istifadə etməklə aparılan laboratoriya vaxtının ölçülməsi sahəsində mümkündür. Əslində bu yaxınlara qədər belə olub. Bununla belə, miniatürləşmə də bu sahəyə nüfuz etmişdir. Kristal osilatorlarla mürəkkəb xronoqraflar istehsal edən məşhur Yaponiya şirkəti Seiko-Hattori, yenə Amerikanın McDonnell Douglas Astronautics Company şirkəti ilə əməkdaşlıqda hazırlanmış ilk qol atom saatını təklif etdi. Bu firma həmçinin qeyd olunan saatlar üçün enerji mənbəyi olan miniatür yanacaq elementi istehsal edir. 13 ölçüsü ilə bu elementdə elektrik enerjisi? 6,4 mm radioizotop prometium-147 istehsal edir; Bu elementin xidmət müddəti beş ildir. Tantal və paslanmayan poladdan hazırlanmış saat korpusu elementin ətraf mühitə yayılan beta şüalarından kifayət qədər qorunur.

Astronomik ölçmələr, planetlərin kosmosda hərəkətinin öyrənilməsi və müxtəlif radioastronomik tədqiqatlar indi dəqiq vaxtdan xəbərsiz zəruridir. Bu cür hallarda kvars və ya atom saatlarından tələb olunan dəqiqlik saniyənin milyonda biri daxilində dəyişir. Verilən vaxt məlumatının artan dəqiqliyi ilə saat sinxronizasiyası problemləri artdı. Qısa və uzun dalğalarda radio ilə ötürülən vaxt siqnallarının bir vaxtlar qənaətbəxş üsulu 0,001 s-dən çox dəqiqliklə iki yaxın məsafədə yerləşən xronometrik alətləri sinxronlaşdırmaq üçün kifayət qədər dəqiq olmadığını sübut etdi və indi hətta bu dəqiqlik dərəcəsi artıq qənaətbəxş deyil.

Mümkün həllərdən biri - köməkçi saatların müqayisəli ölçmə yerinə daşınması - elektron elementlərin miniatürləşdirilməsi ilə təmin edildi. 60-cı illərin əvvəllərində təyyarə ilə daşına bilən xüsusi kvars və atom saatları quruldu. Onlar astronomik laboratoriyalar arasında daşına bilirdilər və eyni zamanda saniyənin milyonda biri qədər dəqiqliklə zaman məlumatı verirdilər. Belə ki, məsələn, 1967-ci ildə Kaliforniyanın Hewlett-Packard şirkətinin istehsalı olan miniatür sezium saatının qitələrarası daşınması həyata keçirilərkən bu cihaz dünyanın 53 laboratoriyasından keçdi (o da Çexoslovakiyada idi) və onun köməyi ilə yerli saatların kursu 0,1 µs (0,0000001 s) dəqiqliklə sinxronlaşdırıldı.

Rabitə peykləri mikrosaniyəlik vaxtı müqayisə etmək üçün də istifadə edilə bilər. 1962-ci ildə Böyük Britaniya və Amerika Birləşmiş Ştatları Telestar peyki vasitəsilə vaxt siqnalı ötürməklə bu üsuldan istifadə etdilər. Bununla belə, televiziya texnologiyasından istifadə edərək siqnalların ötürülməsi ilə daha aşağı qiymətə daha əlverişli nəticələr əldə edilmişdir.

Televiziya sinxronizasiya edən impulslardan istifadə edərək dəqiq vaxt və tezliyi ötürmək üçün bu üsul Çexoslovakiyanın elmi müəssisələrində hazırlanmış və inkişaf etdirilmişdir. Burada vaxt haqqında məlumatın köməkçi daşıyıcısı heç bir şəkildə televiziya proqramının ötürülməsini pozan video impulsları sinxronlaşdırır. Bu halda, televiziya görüntü siqnalına hər hansı əlavə impulslar daxil etməyə ehtiyac yoxdur.

Bu metoddan istifadənin şərti ondan ibarətdir ki, eyni televiziya proqramını müqayisə olunan saatların yerlərində qəbul etmək olar. Müqayisə edilmiş saatlar bir neçə millisaniyəlik dəqiqliyə əvvəlcədən tənzimlənir və bundan sonra ölçmə bütün ölçmə məntəqələrində eyni vaxtda aparılmalıdır. Bundan əlavə, müqayisə olunan saatların yerləşdiyi yerdə televizor sinxronizatoru olan ümumi mənbədən saat impulslarının qəbuledicilərə ötürülməsi üçün tələb olunan vaxt fərqini bilmək lazımdır.