Isidore Rabi, isang propesor ng physics sa Columbia University, ay nagmungkahi ng isang hindi pa nakikitang proyekto: isang orasan na gumagana sa prinsipyo ng isang atomic beam ng magnetic resonance. Nangyari ito noong 1945, at noong 1949 ay inilabas ng National Bureau of Standards ang unang gumaganang prototype. Binabasa nito ang mga vibrations ng molekula ng ammonia. Ang Cesium ay pumasok sa negosyo sa ibang pagkakataon: ang modelo ng NBS-1 ay lumitaw lamang noong 1952.

Ang National Physical Laboratory sa England ay lumikha ng unang cesium beam clock noong 1955. Makalipas ang mahigit sampung taon, noong General Conference on Weights and Measures, isang mas advanced na orasan ang ipinakita, batay din sa mga vibrations sa cesium atom. Ang modelo ng NBS-4 ay ginamit hanggang 1990.

Mga uri ng panonood

Sa ngayon, may tatlong uri ng mga atomic na orasan na gumagana sa halos parehong prinsipyo. Ang cesium clock, ang pinakatumpak, ay naghihiwalay sa cesium atom na may magnetic field. Ang pinakasimpleng atomic na orasan, ang rubidium clock, ay gumagamit ng rubidium gas na nakapaloob sa isang glass bulb. At, sa wakas, ang mga hydrogen atomic na orasan ay kumukuha ng mga atomo ng hydrogen na nakasara sa isang shell ng isang espesyal na materyal bilang isang reference point - hindi nito pinapayagan ang mga atom na mabilis na mawalan ng enerhiya.

Anong oras na ngayon

Noong 1999, iminungkahi ng US National Institute of Standards and Technology (NIST) ang isang mas advanced na bersyon ng atomic clock. Ang modelo ng NIST-F1 ay may error na isang segundo lamang sa loob ng dalawampung milyong taon.

Pinaka Tumpak

Ngunit ang mga NIST physicist ay hindi tumigil doon. Nagpasya ang mga siyentipiko na bumuo ng isang bagong kronomiter, sa oras na ito batay sa mga atomo ng strontium. Gumagana ang bagong relo sa 60% ng nakaraang modelo, na nangangahulugang nawawala ito ng isang segundo hindi sa dalawampung milyong taon, ngunit sa halos limang bilyon.

Pagsusukat ng oras

Tinukoy ng isang internasyonal na kasunduan ang tanging eksaktong dalas para sa resonance ng isang cesium particle. Ito ay 9,192,631,770 hertz - ang paghahati ng output signal sa numerong ito ay nagbibigay ng eksaktong isang cycle bawat segundo.

Napansin mo na ba na ang iyong orasan sa bahay ay nagpapakita ng iba't ibang oras? At paano maunawaan kung alin sa lahat ng mga pagpipilian ang tama? Malalaman natin ang mga sagot sa lahat ng mga tanong na ito sa pamamagitan ng masusing pag-aaral sa prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga atomic na orasan.

Atomic clock: paglalarawan at prinsipyo ng pagpapatakbo

Unawain muna natin kung ano ang mekanismo ng isang atomic clock. Ang atomic clock ay isang device na sumusukat ng oras, ngunit ginagamit nito ang sarili nitong mga vibrations bilang periodicity ng proseso, at lahat ng bagay ay nangyayari sa atomic at molekular na antas. Kaya ang katumpakan.

Ligtas na sabihin na ang mga atomic na orasan ay ang pinakatumpak! Ito ay salamat sa kanila na ang Internet at GPS navigation function sa mundo, alam namin ang eksaktong lokasyon ng mga planeta sa solar system. Ang error ng device na ito ay napakaliit na maaari naming kumpiyansa na sabihin na ang mga ito ay world-class! Salamat sa mga atomic na orasan, nagaganap ang buong pag-synchronize ng mundo, alam kung saan matatagpuan ang ilang mga pagbabago.

Sino ang nag-imbento, sino ang lumikha, at sino rin ang nakaisip ng himalang relo na ito?

Bumalik sa unang bahagi ng apatnapu't ng ikadalawampu siglo, ito ay kilala tungkol sa atomic beam ng magnetic resonance. Sa una, ang aplikasyon nito ay hindi nag-aalala sa mga relo sa anumang paraan - ito ay isang teorya lamang. Ngunit noong 1945, iminungkahi ni Isidor Rabi na lumikha ng isang aparato, ang konsepto na kung saan ay gumagana sila batay sa pamamaraan sa itaas. Ngunit inayos ang mga ito sa paraang nagpakita sila ng hindi tumpak na mga resulta. At noong 1949, ipinaalam ng National Bureau of Standards sa buong mundo ang tungkol sa paglikha ng unang atomic na orasan, na batay sa mga molekular na compound ng ammonia, at noong 1952, ang mga teknolohiya ay pinagkadalubhasaan upang lumikha ng isang prototype batay sa mga atomo ng cesium.

Ang pagdinig tungkol sa mga atomo ng ammonia at cesium, ang tanong ay bumangon, ngunit ang mga kahanga-hangang orasan ba ay radioactive? Ang sagot ay malinaw - hindi! Wala silang atomic decay.

Sa ngayon, maraming mga materyales kung saan ginawa ang mga atomic na orasan. Halimbawa, ito ay silikon, kuwarts, aluminyo at kahit pilak.

Paano gumagana ang device?

Tingnan natin kung paano tumingin at gumagana ang mga orasan na pinapagana ng nuclear. Upang gawin ito, nag-aalok kami ng isang paglalarawan ng kanilang trabaho:

Para sa tamang paggana ng partikular na orasan na ito, hindi kailangan ng pendulum, ni isang quartz oscillator. Gumagamit sila ng mga signal na lumabas dahil sa quantum transition ng isang electron sa pagitan ng dalawang antas ng enerhiya ng isang atom. Bilang resulta, napagmamasdan natin ang isang electromagnetic wave. Sa madaling salita, nakakakuha tayo ng madalas na pagbabagu-bago at isang napakataas na antas ng katatagan ng system. Bawat taon, dahil sa mga bagong pagtuklas, ang mga proseso ay na-moderno. Hindi pa katagal, ang mga espesyalista ng The National Institute fStandardsand Technology (NIST) ay naging mga kampeon, na nagtatakda ng isang ganap na rekord sa mundo. Nagawa nilang dalhin ang katumpakan ng atomic clock (batay sa strontium) sa pinakamababang paglihis, ibig sabihin: sa loob ng 15 bilyong taon, isang segundo na tumatakbo. Oo, oo, sa tingin mo ay hindi ito ang edad na itinatalaga ngayon sa ating Uniberso. Ito ay isang malaking pagtuklas! Pagkatapos ng lahat, ito ay strontium na gumaganap ng pinakamahalagang papel sa rekord na ito. Ang gumagalaw na mga atomo ng strontium sa spatial na sala-sala nito, na nilikha ng mga siyentipiko gamit ang isang laser, ay kumilos bilang isang analogue ng "ticking". Tulad ng nakasanayan sa agham, sa teorya ang lahat ay tila kaakit-akit at napabuti na, ngunit ang kawalang-tatag ng naturang sistema ay maaaring maging hindi gaanong kagalakan sa pagsasanay. Ito ay dahil sa kawalang-tatag nito na ang cesium-based na aparato ay nakakuha ng katanyagan sa buong mundo.

Ngayon isaalang-alang kung ano ang binubuo ng naturang aparato. Ang mga pangunahing detalye dito ay:

• quantum discriminator;
• generator ng kuwarts;
• electronics.

Ang isang quartz oscillator ay isang uri ng self-oscillator, ngunit upang makabuo ng isang resonant na elemento, ito ay gumagamit ng piezoelectric mode ng isang quartz crystal.

Ang pagkakaroon ng isang quantum discriminator at isang quartz oscillator, sa ilalim ng impluwensya ng kanilang dalas, sila ay inihambing at kapag ang isang pagkakaiba ay nakita, ang feedback circuit ay nangangailangan ng kristal na oscillator na umangkop sa kinakailangang halaga at dagdagan ang katatagan at katumpakan. Bilang resulta, sa output ay nakikita natin ang eksaktong halaga sa dial, na nangangahulugang eksaktong oras.

Ang mga naunang modelo ay medyo malaki, ngunit noong Oktubre 2013, ang BathysHawaii ay gumawa ng isang splash sa paglabas ng mga maliliit na atomic na mga relo. Sa una, lahat ay kinuha ang pahayag na ito bilang isang biro, ngunit sa lalong madaling panahon ay naging totoo ito, at sila ay gumagana sa batayan ng atomic source Cesium 133 Ang kaligtasan ng device ay sinisiguro ng katotohanan na ang radioactive element ay nakapaloob sa anyo ng gas sa isang espesyal na kapsula. Ang isang larawan ng device na ito ay nakakalat sa buong mundo.

Marami sa paksa ng mga atomic na orasan ang interesado sa isyu ng pinagmumulan ng kuryente. Ang baterya ay lithium-ion na baterya. Ngunit sayang, hindi pa alam kung gaano katagal ang naturang baterya.

Ang mga relong BathysHawaii ay tunay na unang atomic na mga relo. Noong nakaraan, ang mga kaso ng paglabas ng isang medyo portable na aparato ay kilala na, ngunit, sa kasamaang-palad, wala itong mapagkukunan ng atomic power, ngunit naka-synchronize lamang sa totoong pangkalahatang mga orasan sa pamamagitan ng wireless radio. Ito rin ay nagkakahalaga ng pagbanggit sa halaga ng naturang gadget. Ang kasiyahan ay tinatantya sa 12 thousand US dollars. Malinaw na sa ganoong presyo, ang mga relo ay hindi makakakuha ng malawak na katanyagan, ngunit ang kumpanya ay hindi nagsusumikap para dito, dahil inilabas nila ang mga ito sa isang limitadong batch.

Alam natin ang ilang uri ng mga atomic na orasan. Walang makabuluhang pagkakaiba sa kanilang disenyo at prinsipyo, ngunit mayroon pa ring ilang pagkakaiba. Kaya, ang mga pangunahing ay nasa paraan ng paghahanap ng mga pagbabago at ang kanilang mga elemento. Ang mga sumusunod na uri ng mga relo ay maaaring makilala:

1. hydrogen. Ang kanilang kakanyahan ay nakasalalay sa katotohanan na ang mga atomo ng hydrogen ay sinusuportahan sa tamang antas ng enerhiya, ngunit ang mga dingding ay gawa sa isang espesyal na materyal. Batay dito, napagpasyahan namin na ang mga atomo ng hydrogen na napakabilis na nawawala ang kanilang estado ng enerhiya.
2. cesium. Ang batayan para sa kanila ay mga cesium beam. Kapansin-pansin na ang mga relo na ito ang pinakatumpak.
3. rubidium. Ang mga ito ay ang pinakasimpleng at napaka-compact.

Gaya ng nabanggit kanina, ang mga atomic na orasan ay isang napakamahal na gadget. Kaya, ang pocket watch na Hoptroff No. 10 ay isang maliwanag na kinatawan ng isang bagong henerasyon ng mga laruan. Ang presyo ng tulad ng isang naka-istilong at napaka-tumpak na accessory ay 78 libong dolyar. 12 kopya lamang ang inilabas. Ang mekanismo ng device na ito ay gumagamit ng high-frequency oscillatory system, na nilagyan din ng GPS signal.

Ang kumpanya ay hindi tumigil doon at ito ay nasa ikasampung bersyon ng relo na nais nitong ilapat ang paraan ng paglalagay ng mekanismo sa isang gold case, na ipi-print sa isang sikat na 3D printer. Hindi pa eksaktong kinakalkula kung gaano karaming ginto ang gagamitin para sa naturang bersyon ng kaso, ngunit ang tinantyang presyo ng tingi ng obra maestra na ito ay kilala na - ito ay umabot sa halos 50 libong pounds sterling. At hindi ito ang pangwakas na presyo, kahit na isinasaalang-alang nito ang lahat ng dami ng pananaliksik, pati na rin ang pagiging bago at pagiging natatangi ng gadget mismo.

Mga makasaysayang katotohanan tungkol sa paggamit ng mga relo

Paano, kapag pinag-uusapan ang tungkol sa mga atomic na orasan, hindi sa banggitin ang mga pinaka-kagiliw-giliw na katotohanan na nauugnay sa kanila at oras sa pangkalahatan:

1. Alam mo ba na ang pinakamatandang sundial ay natagpuan sa sinaunang Egypt?
2. Ang pagkakamali ng mga atomic na orasan ay minimal - ito ay 1 segundo lamang para sa 6 na milyong taon.
3. Alam ng lahat na mayroong 60 segundo sa isang minuto. Ngunit kakaunting tao ang nakaalam kung gaano karaming millisecond ang nasa isang segundo? At hindi sila marami at hindi kakaunti - isang libo!
4. Bawat turista na nakabisita sa London ay siguradong gustong makita ng sariling mga mata ang Big Ben. Ngunit sa kasamaang palad, hindi alam ng maraming tao na ang Big Ben ay hindi isang tore, ngunit ang pangalan ng isang malaking kampana na may bigat na 13 tonelada at mga singsing sa loob ng tore.
5. Naisip mo na ba kung bakit ang mga kamay ng ating mga orasan ay eksakto mula kaliwa hanggang kanan, o kung paano natin sinasabi ang "clockwise"? Ang katotohanang ito ay direktang nauugnay sa kung paano gumagalaw ang anino sa sundial.
6. Ang pinakaunang wristwatch ay naimbento noong kamakailang 1812. Ginawa sila ng tagapagtatag ng Breguet para sa Reyna ng Naples.
7. Bago ang Unang Digmaang Pandaigdig, ang mga relo ng pulso ay itinuturing na isang accessory lamang ng kababaihan, ngunit sa lalong madaling panahon, dahil sa kanilang kaginhawahan, pinili din sila ng lalaki na bahagi ng populasyon.

I-archive ang mga Artikulo

Anong mga "tagagawa ng relo" ang nag-imbento at nagperpekto sa lubhang tumpak na paggalaw na ito? May kapalit ba siya? Subukan nating malaman ito.

Sa 2012, ipagdiriwang ng atomic timekeeping ang ika-45 anibersaryo nito. Noong 1967, ang kategorya ng oras sa International System of Units ay nagsimulang matukoy hindi sa pamamagitan ng astronomical scales, ngunit sa pamamagitan ng cesium frequency standard. Ito ay sa mga karaniwang tao na tinatawag nila itong isang atomic na orasan.

Ano ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga atomic oscillator? Bilang pinagmumulan ng resonant frequency, ginagamit ng mga "device" na ito ang mga antas ng quantum energy ng mga atom o molekula. Iniuugnay ng quantum mechanics ang ilang discrete energy level sa "atomic nucleus - electron" system. Ang isang electromagnetic field ng isang tiyak na dalas ay maaaring makapukaw ng paglipat ng sistemang ito mula sa isang mababang antas patungo sa isang mas mataas. Posible rin ang kabaligtaran na kababalaghan: ang isang atom ay maaaring lumipat mula sa isang mataas na antas ng enerhiya patungo sa isang mas mababang antas na may paglabas ng enerhiya. Ang parehong phenomena ay maaaring kontrolin at ang mga interlevel na jump ng enerhiya na ito ay maaaring maayos, sa gayon ay lumilikha ng isang pagkakahawig ng isang oscillatory circuit. Ang resonant frequency ng circuit na ito ay magiging katumbas ng energy difference sa pagitan ng dalawang transition level, na hinati sa Planck's constant.

Ang resultang atomic oscillator ay may hindi maikakaila na mga pakinabang sa astronomical at mechanical predecessors nito. Magiging pareho ang resonant frequency ng lahat ng atoms ng substance na pinili para sa oscillator, hindi katulad ng mga pendulum at piezocrystals. Bilang karagdagan, ang mga atomo ay hindi napuputol at hindi nagbabago ng kanilang mga katangian sa paglipas ng panahon. Tamang-tama para sa halos walang hanggan at napakatumpak na kronomiter.

Sa kauna-unahang pagkakataon, ang posibilidad ng paggamit ng interlevel na mga transisyon ng enerhiya sa mga atom bilang pamantayan ng dalas ay itinuring noong 1879 ng British physicist na si William Thomson, na mas kilala bilang Lord Kelvin. Iminungkahi niya ang paggamit ng hydrogen bilang pinagmumulan ng mga atomo ng resonator. Gayunpaman, ang kanyang pananaliksik ay higit na teoretikal sa kalikasan. Ang agham noong panahong iyon ay hindi pa handa na bumuo ng atomic chronometer.

Umabot ng halos isang daang taon bago naging realidad ang ideya ni Lord Kelvin. Mahabang panahon iyon, ngunit hindi rin madali ang gawain. Ang paggawa ng mga atomo sa mga ideal na pendulum ay napatunayang mas mahirap sa pagsasanay kaysa sa teorya. Ang kahirapan ay sa labanan na may tinatawag na resonant width - isang maliit na pagbabagu-bago sa dalas ng pagsipsip at paglabas ng enerhiya habang ang mga atomo ay lumipat mula sa antas patungo sa antas. Tinutukoy ng ratio ng resonant frequency sa resonant width ang kalidad ng atomic oscillator. Malinaw, mas malaki ang halaga ng resonant width, mas mababa ang kalidad ng atomic pendulum. Sa kasamaang palad, hindi posible na taasan ang dalas ng resonant upang mapabuti ang kalidad. Ito ay pare-pareho para sa mga atomo ng bawat partikular na sangkap. Ngunit ang resonant width ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng pagtaas ng oras ng pagmamasid para sa mga atomo.

Sa teknikal, ito ay maaaring makamit tulad ng sumusunod: hayaan ang isang panlabas, halimbawa, kuwarts, oscillator na pana-panahong makabuo ng electromagnetic radiation, na pinipilit ang mga atomo ng sangkap ng donor na tumalon sa mga antas ng enerhiya. Sa kasong ito, ang gawain ng tuner ng atomic chronograph ay ang maximum na pagtatantya ng dalas ng quartz oscillator na ito sa resonant frequency ng interlevel transition ng mga atoms. Nagiging posible ito sa kaso ng isang sapat na mahabang panahon ng pagmamasid ng mga oscillations ng mga atomo at ang paglikha ng isang feedback na kumokontrol sa dalas ng kuwarts.

Totoo, bukod sa problema sa pagbabawas ng resonant width sa isang atomic chronograph, marami pang problema. Ito ang Doppler effect - isang pagbabago sa resonant frequency dahil sa paggalaw ng mga atomo, at magkaparehong banggaan ng mga atomo, na nagdudulot ng hindi planadong mga paglipat ng enerhiya, at maging ang impluwensya ng lahat-lahat na enerhiya ng madilim na bagay.

Sa unang pagkakataon, isang pagtatangka sa praktikal na pagpapatupad ng mga atomic na orasan ay ginawa noong thirties ng huling siglo ng mga siyentipiko sa Columbia University sa ilalim ng patnubay ng hinaharap na Nobel laureate na si Dr. Isidore Rabi. Iminungkahi ni Rabi na gamitin ang cesium isotope 133 Cs bilang pinagmumulan ng mga atomo ng pendulum. Sa kasamaang palad, ang trabaho ni Rabi, na lubhang interesado sa NBS, ay naantala ng World War II.

Matapos itong makumpleto, ang kampeonato sa pagpapatupad ng atomic chronograph ay ipinasa sa empleyado ng NBS na si Harold Lyons. Ang kanyang atomic oscillator ay nagtrabaho sa ammonia at nagbigay ng isang error na katumbas ng pinakamahusay na mga halimbawa ng mga quartz resonator. Noong 1949, ang mga ammonia atomic na orasan ay ipinakita sa pangkalahatang publiko. Sa kabila ng medyo katamtamang katumpakan, ipinatupad nila ang mga pangunahing prinsipyo ng mga susunod na henerasyon ng atomic chronographs.

Ang prototype ng cesium atomic clock na nakuha ni Louis Essen ay nagbigay ng katumpakan na 1 * 10 -9, habang may resonance width na 340 Hertz lamang.

Maya-maya, ang propesor ng Harvard University na si Norman Ramsey ay napabuti ang mga ideya ni Isidore Rabi, na binabawasan ang epekto sa katumpakan ng mga sukat ng epekto ng Doppler. Iminungkahi niya sa halip na isang mahabang high-frequency na pulso na kapana-panabik ang mga atom, na gumamit ng dalawang maikli na ipinadala sa mga bisig ng waveguide sa ilang distansya mula sa isa't isa. Ginawa nitong posible na lubusang bawasan ang resonant width at talagang naging posible na lumikha ng mga atomic oscillator na isang order ng magnitude na mas mahusay kaysa sa kanilang mga ninuno ng quartz sa katumpakan.

Noong ikalimampu ng huling siglo, batay sa iskema na iminungkahi ni Norman Ramsey, sa National Physical Laboratory (Great Britain), ang empleyado nito na si Louis Essen ay nagtrabaho sa isang atomic oscillator batay sa cesium isotope 133 Cs na iminungkahi kanina ni Rabi. Ang Cesium ay hindi pinili ng pagkakataon.

Scheme ng hyperfine transition level ng mga atoms ng cesium-133 isotope

Nabibilang sa pangkat ng mga alkali metal, ang mga atomo ng cesium ay napakadaling nasasabik na tumalon sa pagitan ng mga antas ng enerhiya. Kaya, halimbawa, ang isang sinag ng liwanag ay madaling may kakayahang patumbahin ang isang stream ng mga electron mula sa atomic na istraktura ng cesium. Ito ay dahil sa pag-aari na ito na ang cesium ay malawakang ginagamit sa mga photodetector.

Ang aparato ng isang klasikal na cesium oscillator batay sa Ramsey waveguide

Unang opisyal na cesium frequency standard na NBS-1

Isang inapo ng NBS-1 - ang NIST-7 oscillator ay gumamit ng laser pumping ng isang sinag ng cesium atoms

Kinailangan ng higit sa apat na taon para maging isang tunay na pamantayan ang prototype ni Essen. Pagkatapos ng lahat, ang fine tuning ng mga atomic na orasan ay posible lamang sa pamamagitan ng paghahambing sa mga umiiral na ephemeris unit ng oras. Sa loob ng apat na taon, na-calibrate ang atomic oscillator sa pamamagitan ng pagmamasid sa pag-ikot ng Buwan sa paligid ng Earth gamit ang pinakatumpak na lunar camera na naimbento ni William Markowitz ng US Naval Observatory.

Ang "Pagsasaayos" ng mga atomic na orasan sa lunar ephemeris ay isinagawa mula 1955 hanggang 1958, pagkatapos nito ang aparato ay opisyal na kinikilala ng NBS bilang isang pamantayan ng dalas. Bukod dito, ang hindi pa naganap na katumpakan ng mga cesium atomic na orasan ay nag-udyok sa NBS na baguhin ang yunit ng oras sa pamantayan ng SI. Mula noong 1958, "ang tagal ng 9,192,631,770 na panahon ng radiation na tumutugma sa paglipat sa pagitan ng dalawang antas ng hyperfine ng karaniwang estado ng cesium-133 isotope atom" ay opisyal na pinagtibay bilang isang segundo.

Ang aparato ni Louis Essen ay pinangalanang NBS-1 at itinuturing na unang pamantayan ng dalas ng cesium.

Sa susunod na tatlumpung taon, anim na pagbabago ng NBS-1 ang binuo, ang pinakabago nito, ang NIST-7, na nilikha noong 1993 sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga magnet ng mga laser traps, ay nagbibigay ng katumpakan ng 5 * 10 -15 na may resonant na lapad lamang. animnapu't dalawang Hertz.

Talaan ng paghahambing ng mga katangian ng mga pamantayan ng dalas ng cesium na ginagamit ng NBS

Pamantayang dalas ng Cesium	Oras ng pagpapatakbo	Oras ng pagpapatakbo bilang isang opisyal na pamantayan ng NPFS	Malagong Lapad	Haba ng gabay sa microwave	Halaga ng error
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	1965-1990s	Hindi	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

Ang mga aparatong NBS ay mga nakatigil na test bench, na ginagawang posible na uriin ang mga ito bilang mga pamantayan sa halip na bilang mga praktikal na ginagamit na oscillator. Ngunit para sa mga praktikal na layunin, ang Hewlett-Packard ay nagtrabaho para sa kapakinabangan ng pamantayan ng dalas ng cesium. Noong 1964, ang hinaharap na higante ng computer ay lumikha ng isang compact na bersyon ng cesium frequency standard - ang HP 5060A device.

Na-calibrate gamit ang mga pamantayan ng NBS, ang mga pamantayan ng dalas ng HP 5060 ay umaangkop sa isang karaniwang rack ng kagamitan sa radyo at naging isang komersyal na tagumpay. Ito ay salamat sa cesium frequency standard na itinakda ng Hewlett-Packard na ang walang uliran na katumpakan ng mga atomic na orasan ay napunta sa masa.

Hewlett-Packard 5060A.

Bilang resulta, naging posible ang mga bagay tulad ng satellite television at mga komunikasyon, mga global navigation system, at impormasyon sa network time synchronization. Maraming mga aplikasyon ng teknolohiyang atomic chronograph na dinala sa isang disenyong pang-industriya. Kasabay nito, ang Hewlett-Packard ay hindi tumigil doon at patuloy na pinapabuti ang kalidad ng mga pamantayan ng cesium at ang kanilang mga tagapagpahiwatig ng timbang at laki.

Hewlett-Packard na pamilya ng mga atomic na orasan

Noong 2005, ang atomic clock division ng Hewlett-Packard ay naibenta sa Simmetricom.

Kasama ng cesium, na ang mga reserba sa kalikasan ay napakalimitado, at ang pangangailangan para dito sa iba't ibang mga teknolohikal na larangan ay napakataas, ang rubidium, na napakalapit sa cesium sa mga katangian, ay ginamit bilang isang donor substance.

Tila na ang umiiral na pamamaraan ng mga atomic na orasan ay dinala sa pagiging perpekto. Samantala, mayroon itong kapus-palad na disbentaha, ang pag-aalis nito ay naging posible sa ikalawang henerasyon ng mga pamantayan ng dalas ng cesium, na tinatawag na cesium fountain.

Mga bukal ng oras at optical molasses

Sa kabila ng pinakamataas na katumpakan ng NIST-7 atomic chronometer, na gumagamit ng laser detection ng estado ng cesium atoms, ang scheme nito ay hindi sa panimula ay naiiba sa mga scheme ng mga unang bersyon ng cesium frequency standards.

At ang kapintasan ng disenyo ng lahat ng mga scheme na ito ay sa panimula imposibleng kontrolin ang bilis ng pagpapalaganap ng isang sinag ng mga atomo ng cesium na gumagalaw sa isang waveguide. At ito sa kabila ng katotohanan na ang bilis ng paggalaw ng mga atomo ng cesium sa temperatura ng silid ay isang daang metro bawat segundo. Konting mabilis.

Iyon ang dahilan kung bakit ang lahat ng mga pagbabago ng mga pamantayan ng cesium ay isang paghahanap para sa isang balanse sa pagitan ng laki ng waveguide, na may oras upang kumilos sa mabilis na mga atomo ng cesium sa dalawang punto, at ang katumpakan ng pag-detect ng mga resulta ng epekto na ito. Kung mas maliit ang waveguide, mas mahirap na gumawa ng sunud-sunod na electromagnetic pulse na nakakaapekto sa parehong mga atomo.

Ngunit paano kung makahanap tayo ng isang paraan upang bawasan ang bilis ng paggalaw ng mga atomo ng cesium? Tiyak na ang pag-iisip na ito ay dinaluhan ng isang mag-aaral sa Massachusetts Institute of Technology, si Jerrold Zacharius, na nag-aral ng impluwensya ng grabidad sa pag-uugali ng mga atomo noong huling bahagi ng apatnapu't siglo ng huling siglo. Nang maglaon, kasangkot sa pagbuo ng isang variant ng cesium frequency standard Atomichron, iminungkahi ni Zacharius ang ideya ng isang cesium fountain - isang paraan upang bawasan ang bilis ng mga atomo ng cesium sa isang sentimetro bawat segundo at mapupuksa ang dalawang-braso na waveguide. ng mga tradisyonal na atomic oscillator.

Simple lang ang ideya ni Zacharius. Paano kung magpapatakbo ka ng mga cesium atoms sa loob ng oscillator nang patayo? Pagkatapos ang parehong mga atomo ay dadaan sa detektor nang dalawang beses: sa unang pagkakataon kapag naglalakbay pataas, at sa pangalawang pagkakataon pababa, kung saan sila ay magmadali sa ilalim ng impluwensya ng grabidad. Kasabay nito, ang pababang paggalaw ng mga atom ay magiging mas mabagal kaysa sa kanilang pag-alis, dahil sa paglalakbay sa fountain ay mawawalan sila ng enerhiya. Sa kasamaang palad, noong ikalimampu ng huling siglo, hindi napagtanto ni Zacharius ang kanyang mga ideya. Sa kanyang mga pang-eksperimentong setup, nakipag-ugnayan ang mga atom na umaakyat sa mga bumabagsak, na nagpabawas sa katumpakan ng pagtuklas.

Ang ideya ni Zacarius ay bumalik lamang noong dekada otsenta. Ang mga siyentipiko sa Stanford University, na pinamumunuan ni Steven Chu, ay nakahanap ng paraan upang ipatupad ang Zacharius Fountain gamit ang isang pamamaraan na tinatawag nilang "optical molasses."

Sa Chu cesium fountain, ang ulap ng mga cesium atoms na pinaputok pataas ay paunang pinalamig ng isang sistema ng tatlong pares ng magkasalungat na direksyon na mga laser na may resonant frequency na nasa ibaba lamang ng optical resonance ng mga cesium atoms.

Diagram ng isang cesium fountain na may optical molasses.

Pinalamig ng mga laser, ang mga atomo ng cesium ay nagsisimulang gumalaw nang mabagal, na parang sa pamamagitan ng molasses. Ang kanilang bilis ay bumaba sa tatlong metro bawat segundo. Ang pagbawas sa bilis ng mga atom ay nagbibigay sa mga mananaliksik ng pagkakataon na mas tumpak na matukoy ang estado (dapat kang sumang-ayon, mas madaling isaalang-alang ang mga bilang ng isang kotse na gumagalaw sa bilis na isang kilometro bawat oras kaysa sa isang kotse na gumagalaw sa bilis na isang daan. kilometro bawat oras).

Ang isang bola ng mga cooled cesium atoms ay inilulunsad nang humigit-kumulang isang metro, na dumadaan sa isang waveguide sa daan, kung saan ang isang electromagnetic field ng resonant frequency ay kumikilos sa mga atom. At kinukuha ng detector ng system ang pagbabago sa estado ng mga atomo sa unang pagkakataon. Nang maabot ang "kisame", ang mga pinalamig na atomo ay nagsisimulang bumagsak dahil sa gravity at dumaan sa waveguide sa pangalawang pagkakataon. Sa pagbabalik, kinukuha muli ng detector ang kanilang estado. Dahil ang mga atomo ay gumagalaw nang napakabagal, ang kanilang paglipad sa anyo ng isang medyo siksik na ulap ay madaling kontrolin, na nangangahulugan na walang mga atom na lumilipad pataas at pababa sa parehong oras sa fountain.

Ang setup ng cesium fountain ng Chu ay pinagtibay ng NBS bilang pamantayan ng dalas noong 1998 at pinangalanang NIST-F1. Ang error nito ay 4 * 10 -16, na nangangahulugan na ang NIST-F1 ay mas tumpak kaysa sa hinalinhan nito na NIST-7.

Sa katunayan, naabot ng NIST-F1 ang limitasyon ng katumpakan sa pagsukat ng estado ng mga atomo ng cesium. Ngunit ang mga siyentipiko ay hindi tumigil sa tagumpay na ito. Nagpasya silang alisin ang error na ipinakilala sa gawain ng mga atomic na orasan sa pamamagitan ng radiation ng isang ganap na itim na katawan - ang resulta ng pakikipag-ugnayan ng mga atomo ng cesium sa thermal radiation ng katawan ng pag-install kung saan sila gumagalaw. Sa bagong NIST-F2 atomic chronograph, isang cesium fountain ang inilagay sa isang cryogenic chamber, na binabawasan ang black body radiation sa halos zero. Ang NIST-F2 margin ng error ay isang hindi kapani-paniwalang 3*10 -17 .

Graph ng pagbabawas ng error ng mga variant ng mga pamantayan ng dalas ng cesium

Sa kasalukuyan, ang mga atomic na orasan na nakabatay sa mga cesium fountain ay nagbibigay sa sangkatauhan ng pinakatumpak na pamantayan ng oras, na nauugnay sa kung saan ang pulso ng ating technogenic na sibilisasyon. Salamat sa mga trick sa engineering, ang mga pulsed hydrogen maser na nagpapalamig sa mga cesium atom sa mga nakatigil na bersyon ng NIST-F1 at NIST-F2 ay napalitan ng isang maginoo na laser beam na ipinares sa isang magneto-optical system. Ginawa nitong posible na lumikha ng mga compact at very resistant na bersyon ng mga pamantayan ng NIST-Fx, na may kakayahang magtrabaho sa spacecraft. Angkop na pinangalanang "Aerospace Cold Atom Clock", ang mga pamantayan ng dalas na ito ay itinakda sa mga satellite ng mga sistema ng nabigasyon tulad ng GPS, na nagbibigay sa kanila ng kamangha-manghang pag-synchronize upang malutas ang problema ng napakatumpak na pagkalkula ng mga coordinate ng mga GPS receiver na ginagamit sa aming mga gadget.

Ang isang compact na bersyon ng cesium fountain atomic clock na tinatawag na "Aerospace Cold Atom Clock" ay ginagamit sa mga GPS satellite.

Ang pagkalkula ng oras ng sanggunian ay isinasagawa ng isang "ensemble" ng sampung NIST-F2 na matatagpuan sa iba't ibang mga sentro ng pananaliksik na nakikipagtulungan sa NBS. Ang eksaktong halaga ng atomic second ay nakukuha nang sama-sama, at sa gayon ang iba't ibang mga pagkakamali at ang impluwensya ng salik ng tao ay inalis.

Gayunpaman, posible na balang araw ang pamantayan ng dalas ng cesium ay mapapansin ng ating mga inapo bilang isang napaka-magaspang na mekanismo para sa pagsukat ng oras, tulad ng ngayon ay mapagkunwari nating tinitingnan ang mga paggalaw ng pendulum sa mekanikal na mga orasan ng lolo ng ating mga ninuno.

Ang mga orasan ng atom ay ang pinakatumpak na mga instrumento sa timekeeping na umiiral ngayon at nagiging mas mahalaga habang umuunlad ang modernong teknolohiya at nagiging mas sopistikado.

Prinsipyo ng operasyon

Ang mga orasan ng atom ay nagpapanatili ng tumpak na oras hindi dahil sa radioactive decay, gaya ng maaaring makita ng kanilang pangalan, ngunit gamit ang mga vibrations ng nuclei at ng mga electron na nakapalibot sa kanila. Ang kanilang dalas ay tinutukoy ng masa ng nucleus, gravity at ang electrostatic na "balancer" sa pagitan ng positibong sisingilin na nucleus at mga electron. Hindi ito lubos na tumutugma sa karaniwang orasan. Ang mga orasan ng atom ay mas maaasahang mga tagabantay ng oras dahil hindi nagbabago ang mga pagbabago ng mga ito sa mga salik sa kapaligiran gaya ng halumigmig, temperatura, o presyon.

Ang ebolusyon ng mga atomic na orasan

Sa paglipas ng mga taon, napagtanto ng mga siyentipiko na ang mga atomo ay may mga resonant na frequency na nauugnay sa kakayahan ng bawat isa na sumipsip at naglalabas ng electromagnetic radiation. Noong 1930s at 1940s, binuo ang mga high-frequency na komunikasyon at kagamitan sa radar na maaaring makipag-ugnayan sa mga resonance frequency ng mga atomo at molekula. Nag-ambag ito sa ideya ng relo.

Ang mga unang kopya ay itinayo noong 1949 ng National Institute of Standards and Technology (NIST). Ginamit ang ammonia bilang pinagmumulan ng vibration. Gayunpaman, hindi sila mas tumpak kaysa sa umiiral na pamantayan ng oras, at ginamit ang cesium sa susunod na henerasyon.

bagong pamantayan

Ang pagbabago sa katumpakan ng oras ay napakahusay na noong 1967 ang General Conference on Weights and Measures ay tinukoy ang SI second bilang 9,192,631,770 vibrations ng isang cesium atom sa resonant frequency nito. Nangangahulugan ito na ang oras ay hindi na nauugnay sa paggalaw ng Earth. Ang pinaka-matatag na atomic clock sa mundo ay nilikha noong 1968 at ginamit bilang bahagi ng NIST time reference system hanggang 1990s.

Pagpapabuti ng kotse

Isa sa mga pinakabagong pag-unlad sa lugar na ito ay ang laser cooling. Pinahusay nito ang ratio ng signal-to-noise at binawasan ang kawalan ng katiyakan sa signal ng orasan. Ang sistema ng paglamig na ito at iba pang kagamitan na ginagamit upang pahusayin ang orasan ng cesium ay mangangailangan ng espasyo na kasing laki ng isang riles ng tren upang paglagyan ito, bagama't maaaring magkasya sa isang maleta ang mga komersyal na opsyon. Ang isa sa mga pasilidad ng laboratoryo na ito ay nagpapanatili ng oras sa Boulder, Colorado, at ito ang pinakatumpak na orasan sa Earth. Ang mga ito ay mali lamang ng 2 nanosecond bawat araw, o 1 s sa 1.4 milyong taon.

Sopistikadong teknolohiya

Ang napakalaking katumpakan na ito ay resulta ng isang kumplikadong proseso ng pagmamanupaktura. Una sa lahat, ang likidong cesium ay inilalagay sa isang pugon at pinainit hanggang sa ito ay nagiging gas. Ang mga metal na atom ay lumabas sa mataas na bilis sa pamamagitan ng isang maliit na butas sa pugon. Ang mga electromagnet ay nagdudulot sa kanila na maghiwalay sa magkakahiwalay na mga sinag na may iba't ibang enerhiya. Ang kinakailangang sinag ay dumadaan sa hugis-U na butas, at ang mga atomo ay nakalantad sa enerhiya ng microwave sa dalas na 9.192.631.770 Hz. Dahil dito, nasasabik sila at lumipat sa ibang estado ng enerhiya. Pagkatapos ay sinasala ng magnetic field ang iba pang mga estado ng enerhiya ng mga atomo.

Tumutugon ang detektor sa cesium at nagpapakita ng maximum sa tamang halaga ng dalas. Ito ay kinakailangan para i-set up ang crystal oscillator na kumokontrol sa clocking mechanism. Ang paghahati ng dalas nito sa 9.192.631.770 ay nagbibigay ng isang pulso bawat segundo.

Hindi lang cesium

Bagaman ang pinakakaraniwang mga orasan ng atom ay gumagamit ng mga katangian ng cesium, mayroon ding iba pang mga uri. Nag-iiba sila sa inilapat na elemento at paraan ng pagtukoy ng pagbabago sa antas ng enerhiya. Ang iba pang mga materyales ay hydrogen at rubidium. Ang mga orasan ng hydrogen atomic ay gumagana tulad ng mga orasan ng cesium, ngunit nangangailangan ng isang lalagyan na may mga dingding na gawa sa isang espesyal na materyal na pumipigil sa mga atom na mawalan ng enerhiya nang masyadong mabilis. Ang mga relo ng rubidium ay ang pinakasimple at compact. Sa kanila, ang isang glass cell na puno ng gaseous rubidium ay nagbabago sa pagsipsip ng liwanag kapag nakalantad sa dalas ng microwave.

Sino ang nangangailangan ng tumpak na oras?

Sa ngayon, ang oras ay mabibilang nang may matinding katumpakan, ngunit bakit ito mahalaga? Ito ay kinakailangan sa mga sistema tulad ng mga mobile phone, Internet, GPS, mga programa sa aviation at digital na telebisyon. Sa unang tingin, hindi ito halata.

Ang isang halimbawa ng kung paano tumpak na oras ang ginagamit ay ang packet synchronization. Libu-libong mga tawag sa telepono ang dumaan sa gitnang linya. Ito ay posible lamang dahil ang pag-uusap ay hindi ganap na naipapasa. Hinahati ito ng kumpanya ng telecom sa maliliit na packet at nilaktawan pa ang ilan sa impormasyon. Pagkatapos ay dumaan sila sa linya kasama ang mga pakete ng iba pang mga pag-uusap at ibinabalik sa kabilang dulo nang walang paghahalo. Maaaring matukoy ng sistema ng orasan ng pagpapalitan ng telepono kung aling mga packet ang nabibilang sa isang partikular na pag-uusap sa pamamagitan ng eksaktong oras na ipinadala ang impormasyon.

GPS

Ang isa pang pagpapatupad ng tumpak na oras ay ang global positioning system. Binubuo ito ng 24 na satellite na nagpapadala ng kanilang mga coordinate at oras. Anumang GPS receiver ay maaaring kumonekta sa kanila at maghambing ng mga oras ng pag-broadcast. Ang pagkakaiba ay nagpapahintulot sa gumagamit na matukoy ang kanilang lokasyon. Kung ang mga orasan na ito ay hindi masyadong tumpak, kung gayon ang GPS system ay magiging hindi praktikal at hindi mapagkakatiwalaan.

Ang limitasyon ng pagiging perpekto

Sa pag-unlad ng teknolohiya at mga atomic na orasan, naging kapansin-pansin ang mga kamalian ng sansinukob. Ang Earth ay gumagalaw nang hindi pantay, na humahantong sa mga random na pagbabagu-bago sa haba ng mga taon at araw. Noong nakaraan, hindi napapansin ang mga pagbabagong ito dahil masyadong hindi tumpak ang mga tool sa timekeeping. Gayunpaman, labis na ikinagagalit ng mga mananaliksik at siyentipiko, ang mga atomic na orasan ay kailangang ayusin upang mabayaran ang mga anomalya sa totoong mundo. Ang mga ito ay kamangha-manghang mga tool para sa pagsulong ng modernong teknolohiya, ngunit ang kanilang pagiging perpekto ay limitado ng mga limitasyon na itinakda mismo ng kalikasan.

Sa ika-21 siglo, mabilis na umuunlad ang satellite navigation. Maaari mong matukoy ang posisyon ng anumang mga bagay na kahit papaano ay konektado sa mga satellite, ito man ay isang mobile phone, isang kotse o isang spacecraft. Ngunit wala sa mga ito ay maaaring nakamit nang walang atomic na orasan.
Gayundin, ang mga relo na ito ay ginagamit sa iba't ibang telekomunikasyon, halimbawa, sa mga mobile na komunikasyon. Ito ang pinakatumpak na relo na naranasan, ngayon at magiging. Kung wala sila, hindi masi-synchronize ang Internet, hindi natin malalaman ang distansya sa ibang mga planeta at bituin, atbp.
Sa mga oras, 9,192,631,770 na panahon ng electromagnetic radiation ang kinukuha bawat segundo, na naganap sa panahon ng paglipat sa pagitan ng dalawang antas ng enerhiya ng cesium-133 atom. Ang ganitong mga orasan ay tinatawag na cesium clocks. Ngunit isa lamang ito sa tatlong uri ng mga atomic na orasan. Mayroon ding mga orasan ng hydrogen at rubidium. Gayunpaman, ang mga orasan ng cesium ay madalas na ginagamit, kaya't hindi na kami magtatagal sa iba pang mga uri.

Paano gumagana ang isang cesium atomic clock

Pinapainit ng laser ang mga atomo ng cesium isotope at sa oras na ito, nirerehistro ng built-in na resonator ang lahat ng mga transition ng mga atomo. At, gaya ng nabanggit kanina, pagkatapos maabot ang 9,192,631,770 transition, isang segundo ang binibilang.

Pinapainit ng isang laser na nakapaloob sa case ng relo ang mga atomo ng cesium isotope. Sa oras na ito, ang resonator ay nagrerehistro ng bilang ng mga paglipat ng mga atomo sa isang bagong antas ng enerhiya. Kapag naabot ang isang tiyak na dalas, katulad ng 9,192,631,770 transition (Hz), pagkatapos ay binibilang ang isang segundo, batay sa internasyonal na sistema ng SI.

Gamitin sa satellite navigation

Ang proseso ng pagtukoy sa eksaktong lokasyon ng isang bagay gamit ang satellite ay napakahirap. Maraming satellite ang kasangkot dito, lalo na sa 4 bawat receiver (halimbawa, isang GPS navigator sa isang kotse).

Ang bawat satellite ay may high-precision atomic clock, satellite radio transmitter at digital code generator. Ang radio transmitter ay nagpapadala ng digital code at impormasyon tungkol sa satellite sa Earth, katulad ng mga parameter ng orbit, modelo, atbp.

Tinutukoy ng orasan kung gaano katagal bago makarating ang code na ito sa receiver. Kaya, alam ang bilis ng pagpapalaganap ng mga radio wave, ang distansya sa receiver sa Earth ay kinakalkula. Ngunit ang isang satellite ay hindi sapat para dito. Ang mga modernong GPS receiver ay maaaring makatanggap ng mga signal mula sa 12 satellite nang sabay-sabay, na nagpapahintulot sa iyo na matukoy ang lokasyon ng isang bagay na may katumpakan na hanggang 4 na metro. Sa pamamagitan ng paraan, nararapat na tandaan na ang mga GPS navigator ay hindi nangangailangan ng bayad sa subscription.