Hvorfor er atomure den mest nøjagtige? Atomisk ur: en enhed til måling af tiden for satellit- og navigationssystemer.

Tidligere, 2012, er der gået femogfyrre år siden det øjeblik, hvor menneskeheden besluttede at bruge atomær tidtagning til at måle tiden så præcist som muligt. I 1967 blev den internationale tidskategori ikke længere defineret af astronomiske skalaer - de blev erstattet af cæsiumfrekvensstandarden. Det var han, der modtog det nu populære navn - atomur. Det nøjagtige tidspunkt, som de tillader at bestemme, har en ubetydelig fejl på et sekund på tre millioner år, hvilket gør det muligt for dem at blive brugt som en tidsstandard i ethvert hjørne af verden.

En smule historie

Selve ideen om at bruge vibrationer fra atomer til ultra-præcis tidsmåling blev først foreslået tilbage i 1879 af den britiske fysiker William Thomson. I rollen som emitter af atomer-resonatorer foreslog denne videnskabsmand at bruge brint. De første forsøg på at omsætte ideen i praksis blev først gjort i 40'erne. tyvende århundrede. Og verdens første fungerende atomur dukkede op i 1955 i Storbritannien. De blev skabt af den britiske eksperimentelle fysiker Dr. Louis Essen. Dette ur arbejdede på basis af vibrationer fra atomer af cæsium-133, og takket være dem var forskerne endelig i stand til at måle tiden med meget større nøjagtighed end før. Essens første instrument tillod en fejl på ikke mere end et sekund for hvert hundrede år, men efterfølgende steg det mange gange, og fejlen per sekund kan kun løbe over 2-3 hundrede millioner år.

Atomur: hvordan det fungerer

Hvordan fungerer denne kloge "enhed"? Som en resonansfrekvensgenerator bruger atomure molekyler eller atomer på kvanteniveau. etablerer en forbindelse mellem "atomkernen - elektroner" -systemet med flere adskilte energiniveauer. Hvis et sådant system påvirkes med en strengt specificeret frekvens, overgår dette system fra et lavt niveau til et højt. Den omvendte proces er også mulig: overgangen af \u200b\u200bet atom fra et højere niveau til et lavere, ledsaget af energistråling. Disse fænomener kan overvåges og registreres alle energispring ved at skabe noget som et oscillerende kredsløb (det kaldes også en atomoscillator). Dens resonansfrekvens svarer til energiforskellen mellem nærliggende overgangsniveauer for atomer divideret med Planck-konstanten.

Et sådant oscillerende kredsløb har ubestridelige fordele i sammenligning med dets mekaniske og astronomiske forgængere. For en sådan atomoscillator vil resonansfrekvensen for atomer af ethvert stof være den samme, hvilket ikke kan siges om pendler og piezokrystaller. Derudover ændrer atomer ikke deres egenskaber over tid og slides ikke ud. Derfor er atomuret et ekstremt nøjagtigt og næsten evigt kronometer.

Præcis tid og moderne teknologi

Telekommunikationsnetværk, satellitkommunikation, GPS, NTP-servere, elektroniske transaktioner på børsen, onlineauktioner, proceduren for køb af billetter via Internettet - alle disse og mange andre fænomener er længe blevet forankret i vores liv. Men hvis menneskeheden ikke havde opfundet atomuret, ville alt dette simpelthen ikke være sket. Det nøjagtige tidspunkt, hvor synkroniseringen giver dig mulighed for at minimere eventuelle fejl, forsinkelser og forsinkelser, gør det muligt for en person at få mest muligt ud af denne uvurderlige uerstattelige ressource, som der aldrig er for meget af.

Atomisk ur

Hvis vi vurderer nøjagtigheden af \u200b\u200bkvartsure ud fra deres kortsigtede stabilitet, må det siges, at denne nøjagtighed er meget højere end for pendulure, der imidlertid viser en højere stabilitet af bevægelsen i lang tid. -målinger. I kvartsure er uregelmæssigheder forårsaget af ændringer i kvartsens interne struktur og ustabilitet i elektroniske systemer.

Den vigtigste kilde til frekvensforstyrrelse er ældning af kvartskrystallen, der synkroniserer oscillatorens frekvens. Det er sandt, at målinger har vist, at krystalens ældning ledsaget af en stigning i frekvensen fortsætter uden store udsving og pludselige ændringer. På trods af. denne aldring forstyrrer den korrekte drift af et kvartsur og dikterer behovet for regelmæssig overvågning af en anden enhed med en oscillator, der har en stabil, konstant frekvensrespons.

Den hurtige udvikling af mikrobølgespektroskopi efter Anden Verdenskrig åbnede nye muligheder for nøjagtig tidsmåling ved hjælp af frekvenser svarende til passende spektrallinjer. Disse frekvenser, som kunne betragtes som frekvensstandarder, førte til ideen om at bruge en kvantegenerator som en tidsstandard.

Denne beslutning var en historisk vending i kronometriens historie, da den betød at erstatte den tidligere eksisterende astronomiske tidsenhed med en ny kvanteenhed. Denne nye tidsenhed blev introduceret som strålingsperioden for nøjagtigt definerede overgange mellem energiniveauerne af molekylerne i nogle specielt udvalgte stoffer. Efter intensive undersøgelser af dette problem i de første efterkrigsår var det muligt at bygge en enhed, der fungerer efter princippet om kontrolleret absorption af mikrobølgeenergi i flydende ammoniak ved meget lave tryk. De første eksperimenter med en enhed udstyret med et absorptionselement gav imidlertid ikke de forventede resultater, da udvidelsen af \u200b\u200babsorptionslinjen forårsaget af gensidige kollisioner af molekyler gjorde det vanskeligt at bestemme frekvensen af \u200b\u200bselve kvanteovergangen. Kun ved metoden med en smal stråle af frit flyvende ammoniakmolekyler i USSR A.M. Prokhorov og N.G. Basov og i USA var Townes fra Columbia University i stand til at reducere sandsynligheden for gensidige kollisioner mellem molekyler og praktisk taget eliminere udvidelsen af \u200b\u200bspektrallinjen. Under disse omstændigheder kunne ammoniakmolekyler allerede spille rollen som en atomgenerator. En smal stråle af molekyler, der er optaget gennem en dyse i et vakuumrum, passerer gennem et inhomogent elektrostatisk felt, hvor molekyler adskilles. Molekyler i højere kvantetilstand blev sendt til en tunet resonator, hvor de udsender elektromagnetisk energi med en konstant frekvens på 23.870.128.825 Hz. Denne frekvens sammenlignes derefter med frekvensen af \u200b\u200ben kvartsoscillator i atomuret. Dette princip blev brugt til at bygge den første kvantegenerator - en ammoniakmaser (mikrobølgeforstærkning ved stimuleret strålingsemission).

N.G. Basov, A.M. Prokhorov og Townes modtog Nobelprisen i fysik i 1964 for dette arbejde.

Forskere fra Schweiz, Japan, Tyskland, Storbritannien, Frankrig og sidst men ikke mindst Tjekkoslovakiet studerede også hyppigheden af \u200b\u200bammoniakmasere. I perioden 1968-1979. Ved Institut for Radioteknik og Elektronik fra det tjekkoslovakiske videnskabsakademi blev flere ammoniakmasere bygget og sat i prøvefunktion, hvilket fungerede som frekvensstandarder til lagring af den nøjagtige tid i atomure fremstillet i Tjekkoslovakiet. De opnåede en frekvensstabilitet i størrelsesordenen 10-10, hvilket svarer til daglige variationer i løbet af 20 ppm i et sekund.

I øjeblikket anvendes atomfrekvens- og tidsstandarder hovedsageligt til to hovedformål - til at måle tid og til at kalibrere og kontrollere de vigtigste frekvensstandarder. I begge tilfælde sammenlignes kvartsurgeneratorens frekvens med atomstandardens frekvens.

Ved måling af tid sammenlignes frekvensen af \u200b\u200batomstandarden og krystalurgeneratorens frekvens regelmæssigt, og de detekterede afvigelser bruges til at bestemme den lineære interpolation og den gennemsnitlige tidskorrektion. Den sande tid opnås derefter fra summen af \u200b\u200baflæsningerne af kvartsuret og denne gennemsnitlige tidskorrektion. I dette tilfælde bestemmes fejlen som følge af interpolering af arten af \u200b\u200bældningen af \u200b\u200bkrystalet i et kvartsur.

De usædvanlige resultater opnået med atomare tidsstandarder med en fejl på kun 1 sek i hele tusind år var grunden til, at den trettende generalkonference om vægte og målinger, der blev afholdt i Paris i oktober 1967, omdefinerede tidsenheden. - atom andet, som nu blev defineret som 9 192 631 770 svingninger af strålingen af \u200b\u200bcæsium-133-atomet.

Som vi antydede ovenfor, med ældning af en kvartskrystal, øges frekvensen af \u200b\u200boscillatorens svingninger gradvist, og forskellen mellem kvartsets og atomoscillatorernes frekvenser stiger kontinuerligt. Hvis krystalaldringskurven er korrekt, er det tilstrækkeligt kun at korrigere kvartsvibrationerne med jævne mellemrum, i det mindste med flere dages mellemrum. Atomoscillatoren er således muligvis ikke permanent forbundet med kvartsur-systemet, hvilket er meget gavnligt, da indtrængen af \u200b\u200binterfererende påvirkninger i målesystemet er begrænset.

Det schweiziske atomur med to ammoniakmolekylære oscillatorer, demonstreret på verdensudstillingen i Bruxelles i 1958, opnåede en nøjagtighed på hundrede tusindedel af et sekund om dagen, hvilket overstiger nøjagtigheden af \u200b\u200bet nøjagtigt pendulur med tusind gange. Denne nøjagtighed gør det allerede muligt at studere de periodiske ustabiliteter af jordens akses rotationshastighed. Grafen i fig. 39, som så at sige er et billede af den historiske udvikling af kronometriske enheder og forbedringen af \u200b\u200bmetoder til måling af tid, viser, hvordan nøjagtigheden af \u200b\u200btidsmåling næsten mirakuløst er steget gennem flere århundreder. Alene i de sidste 300 år er denne nøjagtighed steget mere end 100.000 gange.

Fig. 39. Nøjagtigheden af \u200b\u200bde kronometriske instrumenter i perioden fra 1930 til 1950

Kemiker Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) var den første til at opdage cæsium, hvis atomer under korrekt valgte betingelser er i stand til at absorbere elektromagnetisk stråling med en frekvens på ca. 9192 MHz. Denne ejendom blev brugt af Sherwood og McCracken til at skabe den første cæsiumstråleresonator. Den praktiske anvendelse af cæsiumresonatoren til måling af frekvenser og tid blev hurtigt efterfulgt af L. Essen, der arbejder på National Physics Laboratory i England. I samarbejde med den astronomiske gruppe "United States Naval Observatory" var han allerede i 1955-1958. fastslog hyppigheden af \u200b\u200bkvantumovergangen af \u200b\u200bcæsium ved 9 192 631 770 Hz og forbandt den med den daværende nuværende definition af kortvarigt sekund, hvilket meget senere, som angivet ovenfor, førte til etableringen af \u200b\u200ben ny definition af tidsenheden. Følgende cæsium resonatorer blev designet på National Research Council of Canada i Ottawa, på det schweiziske de Rechers Horlojeres laboratorium i Neuchâtel osv. Den første kommercielle type industrielt atomur blev markedsført i 1956 under navnet Atomichron af den amerikanske firma National Company Walden "i Massachusetts.

Kompleksiteten af \u200b\u200batomure antyder, at brugen af \u200b\u200batomoscillatorer kun er mulig inden for laboratoriemåling af tid udført ved hjælp af store måleinstrumenter. I virkeligheden var dette tilfældet indtil for nylig. Men miniaturisering er også trængt ind i dette område. Det velkendte japanske firma "Seiko-Hattori", der producerer komplekse kronografer med krystaloscillatorer, foreslog det første atomur, der igen blev fremstillet i samarbejde med det amerikanske firma "McDonnell Douglas Astronautics Company". Dette firma producerer også en miniature brændselscelle, som er energikilden til de førnævnte ure. Den elektriske energi i dette element er 13? 6,4 mm producerer radioisotopen promethium-147; levetiden for dette element er fem år. Urkassen, lavet af tantal og rustfrit stål, giver tilstrækkelig beskyttelse mod elementets beta-stråler, der udsendes i miljøet.

Astronomiske målinger, studiet af bevægelse af planeter i rummet og forskellige radioastronomiforskninger kan ikke gøre uden at vide det nøjagtige tidspunkt. Den krævede præcision af et kvarts- eller atomur i sådanne tilfælde er i intervallet milliontedele af et sekund. Med den stigende nøjagtighed af den leverede tidsinformation voksede problemerne med ursynkronisering. Den en gang helt tilfredsstillende metode til radiotidssignaler på korte og lange bølger viste sig at være utilstrækkelig nøjagtig til at synkronisere to kronometriske instrumenter placeret tæt på hinanden med en nøjagtighed større end 0,001 s, og nu er denne grad af nøjagtighed allerede utilfredsstillende.

En af de mulige løsninger - transport af hjælpeure til stedet for sammenlignende målinger - blev leveret af miniaturisering af elektroniske elementer. I begyndelsen af \u200b\u200b60'erne blev der bygget specielle kvarts- og atomure, der kunne transporteres med fly. De kunne transporteres mellem astronomiske laboratorier, og samtidig gav de information om tiden med en nøjagtighed på en milliontedel af et sekund. Så for eksempel, når den interkontinentale transport af miniaturecesiumure fremstillet af det californiske firma "Hewlett-Packard" i 1967 blev gennemført, passerede denne enhed gennem 53 laboratorier i verden (det var også i Tjekkoslovakiet) og med sin hjælp forløbet af det lokale ur blev synkroniseret med nøjagtighed 0,1 μs (0,0000001 s).

Kommunikationssatellitter kan også bruges til sammenligning af mikrosekunder. I 1962 blev denne metode brugt af Storbritannien og Amerikas Forenede Stater ved at transmittere tidssignalet via Telestar-satellitten. Imidlertid har transmission af signaler ved hjælp af tv-teknologi givet langt mere gunstige resultater til en lavere pris.

Denne metode til transmission af nøjagtig tid og frekvens ved hjælp af synkroniserede tv-impulser blev udviklet og udviklet i tjekkoslovakiske videnskabelige institutioner. En hjælpebærer af information om tiden her synkroniserer videopulser, som på ingen måde forstyrrer transmissionen af \u200b\u200bet tv-program. I dette tilfælde er der ikke behov for at indføre yderligere impulser i tv-billedsignalet.

En betingelse for at bruge denne metode er evnen til at modtage det samme tv-program på placeringen af \u200b\u200bde sammenlignede ure. De sammenlignede timer justeres foreløbigt til en nøjagtighed på flere millisekunder, og målingen skal derefter udføres på alle målestationer samtidigt. Derudover er det nødvendigt at kende den tidsforskel, der kræves til transmission af synkroniseringsimpulser fra en fælles kilde, som er en fjernsynsynkronisering, til modtagere på stedet for de sammenlignede ure.