परमाणु घड़ियाँ सबसे सटीक क्यों होती हैं? परमाणु घड़ी: उपग्रह और नेविगेशन सिस्टम के समय को मापने के लिए एक उपकरण।

पिछले साल, 2012, पैंतालीस साल हो गए थे जब मानवता ने समय को यथासंभव सटीक रूप से मापने के लिए परमाणु टाइमकीपिंग का उपयोग करने का निर्णय लिया था। 1967 में, समय की अंतर्राष्ट्रीय श्रेणी को खगोलीय पैमानों द्वारा निर्धारित करना बंद कर दिया गया - उन्हें सीज़ियम आवृत्ति मानक द्वारा बदल दिया गया। यह वह था जिसे अब लोकप्रिय नाम मिला - परमाणु घड़ियाँ। सटीक समय जो वे आपको निर्धारित करने की अनुमति देते हैं, तीन मिलियन वर्षों में एक सेकंड की एक नगण्य त्रुटि है, जो उन्हें दुनिया के किसी भी कोने में समय मानक के रूप में उपयोग करने की अनुमति देती है।

इतिहास का हिस्सा

अति-सटीक समय मापन के लिए परमाणु कंपनों का उपयोग करने का विचार पहली बार 1879 में ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी विलियम थॉमसन द्वारा व्यक्त किया गया था। गुंजयमान परमाणुओं के उत्सर्जक की भूमिका में, इस वैज्ञानिक ने हाइड्रोजन के उपयोग का प्रस्ताव रखा। इस विचार को व्यवहार में लाने का पहला प्रयास केवल 1940 के दशक में किया गया था। बीसवीं सदी। और दुनिया की पहली काम करने वाली परमाणु घड़ी 1955 में यूके में दिखाई दी। उनके निर्माता ब्रिटिश प्रायोगिक भौतिक विज्ञानी डॉ. लुई एसेन थे। यह घड़ी सीज़ियम -133 परमाणुओं के कंपन के आधार पर काम करती थी, और उनके लिए धन्यवाद, वैज्ञानिक अंततः पहले की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ समय को मापने में सक्षम थे। एसेन के पहले उपकरण ने हर सौ वर्षों में एक सेकंड से अधिक की त्रुटि की अनुमति नहीं दी, लेकिन बाद में यह कई गुना बढ़ गया और प्रति सेकंड त्रुटि केवल 2-3 सैकड़ों लाखों वर्षों में जमा हो सकती है।

परमाणु घड़ी: यह कैसे काम करती है

यह सरल "डिवाइस" कैसे काम करता है? गुंजयमान आवृत्ति जनरेटर के रूप में, परमाणु घड़ियां क्वांटम स्तर पर अणुओं या परमाणुओं का उपयोग करती हैं। कई असतत ऊर्जा स्तरों के साथ "परमाणु नाभिक - इलेक्ट्रॉनों" प्रणाली के बीच एक संबंध स्थापित करता है। यदि ऐसी प्रणाली सख्ती से निर्दिष्ट आवृत्ति से प्रभावित होती है, तो इस प्रणाली का निम्न स्तर से उच्च स्तर तक संक्रमण होगा। रिवर्स प्रक्रिया भी संभव है: ऊर्जा के उत्सर्जन के साथ-साथ उच्च स्तर से निचले स्तर पर परमाणु का संक्रमण। इन घटनाओं को एक थरथरानवाला सर्किट (इसे एक परमाणु थरथरानवाला भी कहा जाता है) की तरह कुछ बनाकर सभी ऊर्जा कूद को नियंत्रित और रिकॉर्ड किया जा सकता है। इसकी गुंजयमान आवृत्ति प्लैंक के स्थिरांक से विभाजित पड़ोसी परमाणु संक्रमण स्तरों के बीच ऊर्जा अंतर के अनुरूप होगी।

इस तरह के एक ऑसिलेटरी सर्किट के यांत्रिक और खगोलीय पूर्ववर्तियों पर निर्विवाद फायदे हैं। ऐसे ही एक परमाणु थरथरानवाला के लिए, किसी भी पदार्थ के परमाणुओं की गुंजयमान आवृत्ति समान होगी, जिसे पेंडुलम और पीजोक्रिस्टल के बारे में नहीं कहा जा सकता है। इसके अलावा, परमाणु समय के साथ अपने गुणों को नहीं बदलते हैं और खराब नहीं होते हैं। इसलिए, परमाणु घड़ियाँ अत्यंत सटीक और लगभग शाश्वत कालक्रम हैं।

सटीक समय और आधुनिक तकनीक

दूरसंचार नेटवर्क, उपग्रह संचार, जीपीएस, एनटीपी सर्वर, स्टॉक एक्सचेंज पर इलेक्ट्रॉनिक लेनदेन, ऑनलाइन नीलामी, इंटरनेट के माध्यम से टिकट खरीदने की प्रक्रिया - ये सभी और कई अन्य घटनाएं लंबे समय से हमारे जीवन में मजबूती से स्थापित हैं। लेकिन अगर मानवता ने परमाणु घड़ी का आविष्कार नहीं किया होता, तो यह सब नहीं होता। सटीक समय, सिंक्रनाइज़ेशन जिसके साथ आप किसी भी त्रुटि, देरी और देरी को कम कर सकते हैं, एक व्यक्ति को इस अमूल्य अपरिवर्तनीय संसाधन का अधिकतम लाभ उठाने में सक्षम बनाता है, जो कभी भी बहुत अधिक नहीं होता है।

परमाणु घड़ी

यदि हम क्वार्ट्ज घड़ियों की सटीकता का मूल्यांकन उनकी अल्पकालिक स्थिरता के दृष्टिकोण से करते हैं, तो यह कहा जाना चाहिए कि यह सटीकता पेंडुलम घड़ियों की तुलना में बहुत अधिक है, हालांकि, लंबी अवधि के दौरान उच्च दर स्थिरता दिखाती है। माप। क्वार्ट्ज घड़ियों में, अनियमितता क्वार्ट्ज की आंतरिक संरचना में परिवर्तन और इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम की अस्थिरता के कारण होती है।

आवृत्ति स्थिरता के उल्लंघन का मुख्य स्रोत क्वार्ट्ज क्रिस्टल की उम्र बढ़ना है, जो थरथरानवाला की आवृत्ति को सिंक्रनाइज़ करता है। सच है, मापों से पता चला है कि क्रिस्टल की उम्र बढ़ने, आवृत्ति में वृद्धि के साथ, बड़े उतार-चढ़ाव और अचानक परिवर्तन के बिना आगे बढ़ती है। बावजूद। यह, उम्र बढ़ने, एक क्वार्ट्ज घड़ी के सही संचालन को बाधित करता है और एक स्थिर, अपरिवर्तित आवृत्ति प्रतिक्रिया वाले थरथरानवाला के साथ किसी अन्य डिवाइस द्वारा नियमित निगरानी की आवश्यकता को निर्धारित करता है।

द्वितीय विश्व युद्ध के बाद माइक्रोवेव स्पेक्ट्रोस्कोपी के तेजी से विकास ने उपयुक्त वर्णक्रमीय रेखाओं के अनुरूप आवृत्तियों के माध्यम से सटीक समय माप के क्षेत्र में नई संभावनाएं खोलीं। इन आवृत्तियों, जिन्हें आवृत्ति मानक माना जा सकता है, ने क्वांटम जनरेटर को समय मानक के रूप में उपयोग करने का विचार किया।

यह निर्णय कालक्रम के इतिहास में एक ऐतिहासिक मोड़ था, क्योंकि इसका मतलब था कि पहले से मान्य खगोलीय समय इकाई को एक नई क्वांटम समय इकाई के साथ बदलना। समय की इस नई इकाई को कुछ विशेष रूप से चयनित पदार्थों के अणुओं के ऊर्जा स्तरों के बीच सटीक रूप से परिभाषित संक्रमणों के विकिरण की अवधि के रूप में पेश किया गया था। युद्ध के बाद के पहले वर्षों में इस समस्या के गहन अध्ययन के बाद, बहुत कम दबाव पर तरल अमोनिया में माइक्रोवेव ऊर्जा के नियंत्रित अवशोषण के सिद्धांत पर काम करने वाले उपकरण का निर्माण करना संभव था। हालांकि, एक अवशोषण तत्व से लैस डिवाइस के साथ पहले प्रयोगों ने अपेक्षित परिणाम नहीं दिए, क्योंकि अणुओं के आपसी टकराव के कारण अवशोषण रेखा के विस्तार ने क्वांटम संक्रमण की आवृत्ति को निर्धारित करना मुश्किल बना दिया। केवल यूएसएसआर ए.एम. में स्वतंत्र रूप से उड़ने वाले अमोनिया अणुओं की एक संकीर्ण बीम की विधि द्वारा। प्रोखोरोव और एन.जी. बसोव, और यूएसए में कोलंबिया विश्वविद्यालय के टाउन अणुओं के आपसी टकराव की संभावना को काफी कम करने और वर्णक्रमीय रेखा के विस्तार को व्यावहारिक रूप से समाप्त करने में कामयाब रहे। इन परिस्थितियों में, अमोनिया अणु पहले से ही एक परमाणु जनरेटर की भूमिका निभा सकते हैं। अणुओं का एक संकीर्ण बीम, एक नोजल के माध्यम से एक निर्वात स्थान में प्रवेश करता है, एक अमानवीय इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र से गुजरता है जिसमें अणुओं का पृथक्करण होता है। उच्च क्वांटम अवस्था में अणुओं को ट्यून किए गए गुंजयमान यंत्र में भेजा जाता है, जहां वे 23,870,128,825 हर्ट्ज की निरंतर आवृत्ति पर विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का उत्सर्जन करते हैं। इस आवृत्ति की तुलना परमाणु घड़ी सर्किट में शामिल क्वार्ट्ज थरथरानवाला की आवृत्ति से की जाती है। पहला क्वांटम जनरेटर, अमोनिया मेसर (माइक्रोवेव एम्प्लीफिकेशन बाय स्टिम्युलेटेड एमिशन ऑफ रेडिएशन), इसी सिद्धांत पर बनाया गया था।

एनजी बसोव, ए.एम. इन कार्यों के लिए प्रोखोरोव और टाउन्स को 1964 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला।

अमोनिया मासर्स की आवृत्ति स्थिरता का अध्ययन स्विट्जरलैंड, जापान, जर्मनी, ग्रेट ब्रिटेन, फ्रांस और अंतिम लेकिन कम से कम चेकोस्लोवाकिया के वैज्ञानिकों द्वारा भी किया गया था। 1968-1979 की अवधि के दौरान। चेकोस्लोवाक एकेडमी ऑफ साइंसेज के रेडियो इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स संस्थान में, कई अमोनिया मेसर बनाए गए और परीक्षण संचालन में लगाए गए, जो चेकोस्लोवाक-निर्मित परमाणु घड़ियों में सटीक समय रखने के लिए आवृत्ति मानकों के रूप में कार्य करते थे। उन्होंने 10-10 के क्रम की आवृत्ति स्थिरता हासिल की, जो एक सेकंड के 20 मिलियनवें दैनिक दर परिवर्तन से मेल खाती है।

वर्तमान में, परमाणु आवृत्ति और समय मानकों का उपयोग मुख्य रूप से दो मुख्य उद्देश्यों के लिए किया जाता है - समय मापने के लिए और बुनियादी आवृत्ति मानकों को कैलिब्रेट करने और नियंत्रित करने के लिए। दोनों ही मामलों में, क्वार्ट्ज घड़ी जनरेटर की आवृत्ति की तुलना परमाणु मानक की आवृत्ति से की जाती है।

समय को मापते समय, परमाणु मानक की आवृत्ति और क्रिस्टल घड़ी जनरेटर की आवृत्ति की नियमित रूप से तुलना की जाती है, और रैखिक प्रक्षेप और औसत समय सुधार का पता लगाए गए विचलन से निर्धारित किया जाता है। सही समय तब क्वार्ट्ज घड़ी की रीडिंग और इस औसत समय सुधार के योग से प्राप्त होता है। इस मामले में, प्रक्षेप से उत्पन्न त्रुटि क्वार्ट्ज घड़ी क्रिस्टल की उम्र बढ़ने की प्रकृति से निर्धारित होती है।

परमाणु समय मानकों के साथ प्राप्त असाधारण परिणाम, पूरे हजार वर्षों में केवल 1 एस की त्रुटि के साथ, यही कारण था कि अक्टूबर 1967 में पेरिस में आयोजित वजन और माप पर तेरहवें आम सम्मेलन में, इकाई की एक नई परिभाषा समय दिया गया था - एक परमाणु सेकंड, जिसे अब सीज़ियम -133 परमाणु के विकिरण के 9,192,631,770 दोलनों के रूप में परिभाषित किया गया था।

जैसा कि हमने ऊपर बताया, क्वार्ट्ज क्रिस्टल की उम्र बढ़ने के साथ, क्वार्ट्ज थरथरानवाला की दोलन आवृत्ति धीरे-धीरे बढ़ जाती है और क्वार्ट्ज और परमाणु थरथरानवाला की आवृत्तियों के बीच का अंतर लगातार बढ़ता जाता है। यदि क्रिस्टल उम्र बढ़ने की अवस्था सही है, तो क्वार्ट्ज के उतार-चढ़ाव को केवल समय-समय पर ठीक करने के लिए पर्याप्त है, कम से कम कई दिनों के अंतराल पर। इस प्रकार, परमाणु थरथरानवाला को क्वार्ट्ज घड़ी प्रणाली से स्थायी रूप से जुड़ा नहीं होना चाहिए, जो कि बहुत फायदेमंद है क्योंकि माप प्रणाली में हस्तक्षेप करने वाले प्रभावों का प्रवेश सीमित है।

1958 में ब्रुसेल्स में विश्व प्रदर्शनी में प्रदर्शित दो अमोनिया आणविक थरथरानवाला के साथ स्विस परमाणु घड़ी ने प्रति दिन एक सौ हजारवें हिस्से की सटीकता हासिल की, जो सटीक पेंडुलम घड़ियों की सटीकता से लगभग एक हजार गुना अधिक है। यह सटीकता पहले से ही पृथ्वी की धुरी के घूर्णन की गति में आवधिक अस्थिरताओं का अध्ययन करना संभव बनाती है। अंजीर में ग्राफ। 39, जो कि, जैसा कि था, कालानुक्रमिक उपकरणों के ऐतिहासिक विकास और समय मापने के तरीकों में सुधार की एक छवि है, यह दर्शाता है कि कैसे, लगभग चमत्कारिक रूप से, कई शताब्दियों में समय माप की सटीकता में वृद्धि हुई है। केवल पिछले 300 वर्षों में, इस सटीकता में 100,000 गुना से अधिक की वृद्धि हुई है।

चावल। 39. 1930 से 1950 की अवधि में कालानुक्रमिक उपकरणों की शुद्धता

रसायनज्ञ रॉबर्ट विल्हेम बन्सन (1811-1899) ने सबसे पहले सीज़ियम की खोज की थी, जिसके परमाणु, ठीक से चुनी गई परिस्थितियों में, लगभग 9192 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ विद्युत चुम्बकीय विकिरण को अवशोषित करने में सक्षम हैं। इस संपत्ति का उपयोग शेरवुड और मैकक्रैकन द्वारा पहला सीज़ियम बीम रेज़ोनेटर बनाने के लिए किया गया था। इसके तुरंत बाद, एल। एसेन, जो इंग्लैंड में राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला में काम करते हैं, ने अपने प्रयासों को आवृत्तियों और समय को मापने के लिए सीज़ियम रेज़ोनेटर के व्यावहारिक उपयोग के लिए निर्देशित किया। 1955-1958 में पहले से ही खगोलीय समूह "यूनाइटेड स्टेट्स नेवल ऑब्जर्वेटरी" के सहयोग से। 9,192,631,770 हर्ट्ज पर सीज़ियम की क्वांटम संक्रमण आवृत्ति निर्धारित की और इसे इफेमेरिस सेकेंड की तत्कालीन वर्तमान परिभाषा के साथ जोड़ा, जो बहुत बाद में, जैसा कि ऊपर बताया गया है, समय की इकाई की एक नई परिभाषा की स्थापना के लिए प्रेरित किया। निम्नलिखित सीज़ियम गुंजयमान यंत्र ओटावा में कनाडा के राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद में, न्यूचैटल में सुइस डे रेचेर्स हॉर्लॉगरेस प्रयोगशाला में, और अन्य में डिजाइन किए गए थे। वाल्डेन" मैसाचुसेट्स में।

परमाणु घड़ियों की जटिलता से पता चलता है कि परमाणु थरथरानवाला का उपयोग केवल प्रयोगशाला समय माप के क्षेत्र में संभव है, जो बड़े माप उपकरणों का उपयोग करके किया जाता है। दरअसल, हाल तक यही होता आया है। हालाँकि, लघुकरण ने भी इस क्षेत्र में प्रवेश किया है। प्रसिद्ध जापानी कंपनी Seiko-Httori, जो क्रिस्टल ऑसिलेटर्स के साथ जटिल क्रोनोग्रफ़ का निर्माण करती है, ने पहली कलाई परमाणु घड़ी की पेशकश की, जिसे फिर से अमेरिकी कंपनी मैकडॉनेल डगलस एस्ट्रोनॉटिक्स कंपनी के सहयोग से बनाया गया। यह फर्म एक लघु ईंधन सेल भी बनाती है, जो उल्लिखित घड़ियों के लिए ऊर्जा स्रोत है। इस तत्व में विद्युत ऊर्जा 13 के आकार के साथ है? 6.4 मिमी रेडियोआइसोटोप प्रोमेथियम-147 का उत्पादन करता है; इस तत्व का सेवा जीवन पांच वर्ष है। टैंटलम और स्टेनलेस स्टील से बना वॉच केस पर्यावरण में उत्सर्जित तत्व की बीटा किरणों से पर्याप्त सुरक्षा प्रदान करता है।

खगोलीय मापन, अंतरिक्ष में ग्रहों की गति का अध्ययन, और विभिन्न रेडियो खगोलीय जांच अब सटीक समय के ज्ञान के बिना अपरिहार्य हैं। क्वार्ट्ज या परमाणु घड़ियों से ऐसे मामलों में आवश्यक सटीकता एक सेकंड के दस लाखवें हिस्से के भीतर उतार-चढ़ाव करती है। समय की जानकारी की बढ़ती सटीकता के साथ, घड़ी तुल्यकालन की समस्याएं बढ़ गईं। छोटी और लंबी तरंगों पर रेडियो-संचारित समय संकेतों की एक बार संतोषजनक विधि 0.001 सेकेंड से अधिक सटीकता के साथ दो निकट दूरी वाले क्रोनोमेट्रिक उपकरणों को सिंक्रनाइज़ करने के लिए अपर्याप्त रूप से सटीक साबित हुई, और अब सटीकता की यह डिग्री भी अब संतोषजनक नहीं है।

संभावित समाधानों में से एक - तुलनात्मक माप के स्थान पर सहायक घड़ियों का परिवहन - इलेक्ट्रॉनिक तत्वों के लघुकरण द्वारा दिया गया था। 60 के दशक की शुरुआत में, विशेष क्वार्ट्ज और परमाणु घड़ियों का निर्माण किया गया था जिन्हें विमान द्वारा ले जाया जा सकता था। उन्हें खगोलीय प्रयोगशालाओं के बीच ले जाया जा सकता है और अभी भी एक सेकंड के दस लाखवें हिस्से की सटीकता के साथ समय की जानकारी प्रदान करता है। इसलिए, उदाहरण के लिए, जब 1967 में कैलिफोर्निया की कंपनी हेवलेट-पैकार्ड द्वारा निर्मित एक लघु सीज़ियम घड़ी का अंतरमहाद्वीपीय परिवहन किया गया, तो यह उपकरण दुनिया की 53 प्रयोगशालाओं (यह चेकोस्लोवाकिया में भी था) से होकर गुजरा, और इसकी मदद से स्थानीय घड़ियों के पाठ्यक्रम को 0.1 µs (0.0000001 s) की सटीकता के साथ सिंक्रनाइज़ किया गया था।

संचार उपग्रहों का उपयोग माइक्रोसेकंड समय की तुलना के लिए भी किया जा सकता है। 1962 में, ग्रेट ब्रिटेन और संयुक्त राज्य अमेरिका ने टेलीस्टार उपग्रह के माध्यम से एक समय संकेत प्रेषित करके इस पद्धति का उपयोग किया। हालांकि, कम लागत पर अधिक अनुकूल परिणाम टेलीविजन प्रौद्योगिकी का उपयोग करके संकेतों को प्रेषित करके प्राप्त किए गए हैं।

टेलीविज़न सिंक्रोनाइज़िंग पल्स का उपयोग करके सटीक समय और आवृत्ति संचारित करने की यह विधि चेकोस्लोवाक वैज्ञानिक संस्थानों में विकसित और विकसित की गई थी। यहां समय के बारे में जानकारी का एक सहायक वाहक वीडियो दालों को सिंक्रनाइज़ कर रहा है, जो किसी भी तरह से एक टेलीविजन कार्यक्रम के प्रसारण को बाधित नहीं करता है। इस मामले में, टेलीविजन छवि संकेत में किसी भी अतिरिक्त दालों को पेश करने की आवश्यकता नहीं है।

इस पद्धति का उपयोग करने की शर्त यह है कि एक ही टीवी कार्यक्रम की तुलना की जा रही घड़ियों के स्थानों पर प्राप्त की जा सकती है। तुलना की गई घड़ियों को कुछ मिलीसेकंड की सटीकता के लिए पूर्व-समायोजित किया जाता है, और फिर माप सभी माप स्टेशनों पर एक साथ किया जाना चाहिए। इसके अलावा, एक सामान्य स्रोत से घड़ी की दालों के प्रसारण के लिए आवश्यक समय में अंतर को जानना आवश्यक है, जो कि एक टेलीविजन सिंक्रोनाइज़र है, तुलनात्मक घड़ियों के स्थान पर रिसीवर के लिए।