Атомарний годинник. Не лише цезій

Минулого, 2012 року, виповнилося сорок п'ять років із того моменту, коли людство вирішило використовувати атомне хронометрування для максимально точного виміру часу. У 1967 році у Міжнародній категорії часу перестала визначатися астрономічними шкалами - на зміну їм прийшов цезієвий стандарт частоти. Саме він і отримав популярну нині назву - атомний годинник. Точний час, який вони дозволяють визначити, має незначну похибку в одну секунду за три мільйони років, що дозволяє використовувати їх у ролі стандарту часу у будь-якому куточку світу.

Трохи історії

Сама ідея використати коливання атомів для надточного виміру часу вперше була висловлена ​​ще 1879 року британським фізиком Вільямом Томсоном. У ролі випромінювача атомів-резонаторів цей вчений пропонував застосувати водень. Перші спроби реалізувати ідею практично робилися лише 40-х гг. ХХ століття. А перший у світі працюючий атомний годинник з'явився в 1955 році у Великій Британії. Їхнім творцем став британський фізик-експериментатор доктор Луї Ессен. Працювали цей годинник на основі коливань атомів цезію-133 і завдяки ним вчені нарешті змогли вимірювати час із набагато більшою точністю, ніж було до цього. Перший прилад Ессена допускав похибку не більше секунди на кожні сто років, проте згодом багаторазово збільшилася і похибка за секунду може набігти лише за 2-3 сотні мільйонів років.

Атомний годинник: принцип роботи

Як же працює цей хитромудрий «пристрій»? Як генератор резонансної частоти атомний годинник застосовують молекул або атомів на квантовому рівні. встановлює зв'язок системи «атомне ядро ​​– електрони» з кількома дискретними енергетичними рівнями. Якщо таку систему впливатиме із строго заданої частотою, то відбудеться перехід цієї системи з низького рівня високий. Можливий і зворотний процес: перехід атома з вищого рівня на низький, супроводжуваний випромінюванням енергії. Ці явища можна контролювати і фіксувати всі енергетичні стрибки, створивши щось на кшталт коливального контуру (його називають атомним осцилятором). Його резонансна частота відповідатиме різниці енергій сусідніх рівнів переходу атомів, розділеній на константу Планка.

Такий коливальний контур має незаперечні переваги порівняно зі своїми механічними та астрономічними попередниками. Для одного такого атомного осцилятора резонансна частота атомів будь-якої речовини буде однакова, чого не можна сказати про маятники і п'єзокристали. До того ж атоми не змінюють з часом своїх властивостей і не зношуються. Тому атомний годинник є надзвичайно точним і практично вічним хронометром.

Точний час та сучасні технології

Телекомунікаційні мережі, супутниковий зв'язок, GPS, NTP-сервера, електронні транзакції на біржі, інтернет-аукціони, процедура купівлі квитків через інтернет – всі ці та багато інших явищ давно вже міцно увійшли до нашого життя. Адже якби людство не винайшло атомного годинника, всього б цього просто не було. Точний час, синхронізація з яким дозволяє мінімізувати будь-які помилки, затримки і запізнення, дає можливість людині максимально повно використовувати цей безцінний непоправний ресурс, якого ніколи не буває занадто багато.

Атомний годинник є найбільш точними приладами для вимірювання часу, які існують сьогодні, і набувають все більшого значення з розвитком та ускладненням сучасних технологій.

Принцип роботи

Атомний годинник точний час відраховує не завдяки радіоактивному розпаду, як може здатися за їх назвою, а використовуючи коливання ядер і навколишніх електронів. Їх частоту визначає маса ядра, гравітація та електростатичний «балансир» між позитивно зарядженим ядром та електронами. Це не зовсім відповідає звичайному годинниковому механізму. Атомні годинники є більш надійними зберігачами часу, тому що їх коливання не змінюються залежно від таких факторів навколишнього середовища, як вологість, температура або тиск.

Еволюція атомного годинника

За багато років вчені зрозуміли, що атоми мають резонансні частоти, пов'язані зі здатністю кожного поглинати і випускати електромагнітне випромінювання. У 1930-х та 1940-х роках було розроблено обладнання для високочастотного зв'язку та РЛС, яке могло взаємодіяти з частотами резонансу атомів та молекул. Це сприяло виникненню ідеї годинника.

Перші екземпляри були побудовані у 1949 році Національним інститутом стандартів та технологій (NIST). Як джерело вібрації у яких використовувався аміак. Однак вони виявилися не набагато точнішими за існуючий стандарт часу, і в наступному поколінні був застосований цезій.

Новий стандарт

Зміна точності вимірювання часу виявилася настільки великою, що в 1967 році Генеральна конференція з мір і ваг визначила секунду SI як 9192631770 коливань атома цезію на його резонансній частоті. Це означало, що час більше не був пов'язаний із рухом Землі. Найбільш стабільний атомний годинник у світі був створений у 1968 році і використовувався як частина системи відліку часу NIST аж до 1990-х років.

Вагон удосконалень

Одним із останніх досягнень у цій галузі є лазерне охолодження. Це покращило ставлення сигнал - шум і скоротило невизначеність у тактовому сигналі. Для розміщення цієї системи охолодження та іншого обладнання, що використовується для поліпшення цезієвого годинника, потрібно місце розміром із залізничний вагон, хоча комерційні варіанти можуть поміститися в валізі. Одна з таких лабораторних установок відраховує час у Боулдері, штат Колорадо, і є найточнішим годинником на Землі. Вони помиляються лише на 2 наносекунди на день або на 1 с в 1,4 млн років.

Складна технологія

Така велика точність є результатом складного технологічного процесу. Перш за все рідкий цезій поміщають у піч і нагрівають доти, доки він не перетвориться на газ. Атоми металу на високій швидкості виходять через невеликий отвір у печі. Електромагніти змушують їх розділитись на окремі пучки з різними енергіями. Необхідний промінь проходить через U-подібний отвір, і атоми піддаються опроміненню енергією мікрохвильового випромінювання частотою 9192631770 Гц. Завдяки цьому вони порушуються та переходять в інший енергетичний стан. Потім магнітне поле відфільтровує інші енергетичні стани атомів.

Детектор реагує на цезій та показує максимум при правильному значенні частоти. Це необхідно для налаштування кварцового генератора, що керує механізмом тактування. Розподіл його частоти на 9192631770 і дає один імпульс в секунду.

Не лише цезій

Хоча найбільш поширені атомні годинники використовують властивості цезію, є й інші їх типи. Вони відрізняються застосовуваним елементом та засобами визначення зміни енергетичного рівня.Іншими матеріалами є водень та рубідій. Атомний годинник на водні функціонує подібно до цезієвих, але вимагає ємності зі стінками з особливого матеріалу, що перешкоджає занадто швидкій втраті атомами енергії. Рубідієвий годинник найбільш простий і компактний. Вони скляний осередок, заповнена газоподібним рубідієм, змінює поглинання світла при вплив надвисокої частоти.

Кому потрібен точний час?

Сьогодні час можна відраховувати з особливою точністю, але чому це важливо? Це необхідно у таких системах, як мобільні телефони, інтернет, GPS, авіаційні програми та цифрове телебачення. На перший погляд, це не очевидно.

Приклад того, як використовується точний час – синхронізація пакетів. Через середню лінію зв'язку проходять тисячі телефонних дзвінків. Це можливе лише тому, що розмова не передається повністю. Телекомунікаційна компанія поділяє його на дрібні пакети і навіть пропускає частину інформації. Потім вони проходять через лінію разом із пакетами інших розмов і на іншому кінці відновлюються, не змішуючись. Система тактування телефонної станції може визначати, які пакети належать цій розмові, за точним часом відправлення інформації.

GPS

Інший реалізацією точного часу є система глобального позиціонування. Вона складається з 24 супутників, які передають свої координати та час. Будь-який GPS-приймач може з'єднатися з ними і порівняти час трансляції. Різниця дозволяє користувачеві визначити своє місцезнаходження. Якби цей годинник був не дуже точним, то система GPS була б непрактичною і ненадійною.

Межа досконалості

З розвитком технологій та атомного годинника стали помітні неточності Всесвіту. Земля рухається нерівномірно, що призводить до випадкових коливань тривалості років і днів. У минулому ці зміни залишилися б непоміченими, оскільки інструменти для вимірювання часу були неточними. Однак, на превелике розчарування дослідників і вчених, час атомного годинника доводиться коригувати для компенсації аномалій реального світу. Вони є дивовижними інструментами, що сприяють просуванню сучасних технологій, але їхня досконалість обмежена межами, встановленими самою природою.

Атомний годинник

Якщо оцінювати точність кварцового годинника з точки зору їх короткочасної стабільності, то треба сказати, що ця точність значно вища, ніж у маятникових годинників, які, однак, при тривалих вимірах виявляють більш високу стабільність ходу. У кварцового годинника неправильність ходу викликається змінами у внутрішній структурі кварцу та нестабільністю електронних систем.

Головним джерелом порушення стабільності частоти є старіння кристала кварцу, що синхронізує частоту осцилятора. Щоправда, виміри показали, що старіння кристала, що супроводжується підвищенням частоти, протікає без великих коливань та різких змін. Незважаючи на. це, старіння порушує правильну роботу кварцового годинника і диктує необхідність регулярного контролю іншим пристроєм з осцилятором, що має стійку, незмінну частотну характеристику.

Швидкий розвиток мікрохвильової спектроскопії після Другої світової війни відкрив нові можливості в галузі точного вимірювання часу за допомогою частот, що відповідають відповідним спектральним лініям. Ці частоти, які можна вважати еталонами частоти, сприяли ідеї використовувати квантовий генератор як зразок часу.

Це рішення було історичним поворотом в історії хронометрії, оскільки воно означало заміну астрономічної одиниці часу, що діяла раніше, новою квантовою одиницею часу. Ця нова одиниця часу була введена як період випромінювання точно визначених переходів між енергетичними рівнями молекул деяких спеціально вибраних речовин. Після інтенсивних досліджень цієї проблеми в перші повоєнні роки вдалося побудувати прилад, який працює на принципі керованого поглинання мікрохвильової енергії в рідкому аміаку за дуже низьких тисків. Однак перші досліди з приладом, оснащеним абсорбційним елементом, не дали очікуваних результатів, оскільки розширення абсорбційної лінії, що викликається взаємними зіткненнями молекул, ускладнювало визначення частоти квантового переходу. Лише шляхом вузького пучка молекул аміаку, що вільно летять, в СРСР А.М. Прохоров та Н.Г. Басов, а США Таунс з Колумбійського університету зуміли істотно знизити ймовірність взаємних зіткнень молекул і практично усунути розширення спектральної лінії. За цих обставин молекули аміаку могли відігравати роль атомного генератора. Вузький пучок молекул, впущений через сопло у вакуумний простір, проходить через неоднорідне електростатичне поле, де відбувається поділ молекул. Молекули у вищому квантовому стані прямували на налаштований резонатор, де виділяють електромагнітну енергію з постійною частотою 23 870 128 825 Гц. Ця частота потім порівнюється з частотою кварцового осцилятора, що входить до схеми атомного годинника. На цьому принципі було побудовано перший квантовий генератор - аміачний мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Н.Г. Басов, А.М. Прохоров і Таунс отримали 1964 р. за ці роботи Нобелівську премію з фізики.

Вивченням стабільності частоти аміачних мазерів займалися також вчені Швейцарії, Японії, ФРН, Великобританії, Франції та, не в останню чергу, Чехословаччини. У період 1968-1979 р.р. в Інституті радіотехніки та електроніки Чехословацької Академії наук побудовано та пущено в дослідну експлуатацію кілька аміачних мазерів, які виконували роль частотних еталонів для зберігання точного часу в атомному годиннику чехословацького виробництва. Вони досягли стабільність частоти порядку 10-10, що відповідає добовим змін ходу в 20 мільйонних частин секунди.

В даний час атомні стандарти частоти та часу використовуються в основному для двох головних цілей - для вимірювання часу та для калібрування та контролю основних стандартів частоти. В обох випадках порівнюють частоту генератора кварцового годинника з частотою атомного стандарту.

При вимірі часу частота атомного стандарту і частота генератора кристалічного годинника регулярно порівнюються, і за виявленими відхиленнями визначають лінійну інтерполяцію і середню поправку часу. Справжній час виходить тоді із суми показань кварцового годинника і цієї середньої поправки часу. При цьому похибка, що виникла внаслідок інтерполяції, визначається характером старіння кристала кварцового годинника.

Виняткові результати, досягнуті з атомними стандартами часу, з похибкою, що дорівнює лише 1 с за цілу тисячу років, були причиною того, що на Тринадцятій генеральній конференції з мір і ваг, що проходила в Парижі в жовтні 1967 р., було дано нове визначення одиниці часу - атомної секунди, яка визначалася тепер як 9192631770 коливань випромінювання атома цезію-133.

Як ми вказали вище, при старінні кристала кварцу поступово наростає частота коливань кварцового осцилятора і постійно збільшується різниця між частотами кварцового та атомного осцилятора. Якщо крива старіння кристала правильна, досить коригувати коливання кварцу лише періодично, хоча через інтервали у кілька днів. Таким чином, атомний осцилятор може не бути постійно пов'язаний з системою кварцового годинника, що дуже вигідно, оскільки обмежується проникнення впливів, що заважають, в вимірювальну систему.

Швейцарський атомний годинник з двома аміачними молекулярними осциляторами, що демонструвалися на Всесвітній виставці в Брюсселі в 1958 р., досягли точності в одну стотисячну секунди на добу, що перевищує точність точного маятникового годинника приблизно в тисячу разів. Ця точність дозволяє вивчати періодичні нестабільності швидкості обертання земної осі. Графік на рис. 39, який є як би зображення історичного розвитку хронометричних приладів і вдосконалення методів вимірювання часу, показує, як мало не чудодійним чином підвищилася за кілька століть точність вимірювання часу. Лише за останні 300 років ця точність збільшилася більш ніж у 100 000 разів.

Мал. 39.Точність перебігу хронометричних приладів у період із 1930 до 1950 р.

Хімік Роберт Вільгельм Бунзен (1811-1899) першим відкрив цезій, атоми якого за належно обраних умов здатні поглинати електромагнітне випромінювання із частотою близько 9192 МГц. Цю властивість використовували Шервуд та Мак Кракен для створення першого цезієвого пучкового резонатора. На практичне використання цезієвого резонатора для вимірювання частот і часу направив свої зусилля незабаром за цим Л. Ессен, який працює в Національній фізичній лабораторії в Англії. У співпраці з астрономічною групою «Юнайтед Стейтс Невелл Обсерваторі» він уже у 1955-1958 роках. визначив частоту квантового переходу цезію в 9192631770 Гц і пов'язав з діючим тоді визначенням ефемеридної секунди, що набагато пізніше, як зазначено вище, призвело до встановлення нового визначення одиниці часу. Наступні цезієві резонатори були сконструйовані в Національній дослідницькій раді Канади в Оттаві, в лабораторії «Суїс де Речерс Хорлоджерес» в Невшателі та ін. Уолден» у Массачусетсі.

Складність атомного годинника змушує припускати, що застосування атомних осциляторів можливе лише в області лабораторного вимірювання часу, що виконується за допомогою великих вимірювальних апаратів. Насправді так було до останнього часу. Однак мініатюризація проникла і в цю сферу. Відома японська фірма «Сейко-Хатторі», що виробляє складні, хронографи з кристалічними осциляторами, запропонувала перший наручний атомний годинник, виготовлений знову-таки у співпраці з американською фірмою «Мак-Доннелл Дуглас Астронавтиці Компані». Ця фірма виробляє також мініатюрний паливний елемент, що є енергетичним джерелом для згаданого годинника. Електричну енергію в цьому елементі розміром 13? 6,4 мм виробляє радіоізотоп прометію-147; термін служби цього елемента дорівнює п'яти рокам. Корпус годинника, виготовлений з танталу і нержавіючої сталі, є достатнім захистом від бета-променів елемента, що випромінюється в навколишнє середовище.

Астрономічні вимірювання, вивчення руху планет у космосі та різні радіоастрономічні дослідження не обходяться тепер без знання точного часу. Точність, яка в таких випадках вимагається від кварцового або атомного годинника, коливається в межах мільйонних часток секунди. З зростаючою точністю інформації про час наростали проблеми синхронізації ходу годинника. Колись цілком задовольняє всіх метод сигналів часу, що передаються по радіо, на коротких і довгих хвилях виявився недостатньо точним для синхронізації двох недалеко один від одного розташованих хронометричних приладів з точністю більшою, ніж 0,001 с, а тепер і цей ступінь точності вже незадовільна.

Одне з можливих рішень - перевезення допоміжних годинників на місце порівняльного виміру - дала мініатюризація електронних елементів. На початку 60-х років були побудовані спеціальні кварцові та атомні годинники, які можна було транспортувати літаками. Їх можна було перевозити між астрономічними лабораторіями, і вони давали інформацію про часі з точністю однієї мільйонної частки секунди. Так, наприклад, коли в 1967 р. здійснили міжконтинентальне перевезення мініатюрного цезієвого годинника, виготовленого каліфорнійською фірмою «Хьюлетт-Паккард», цей прилад пройшов через 53 лабораторії світу (він був і в ЧССР), і з його допомогою був синхронізований хід місцевого годинника з точністю 0,1 мкс (0,0000001 с).

Для мікросекундного порівняння часу можна використовувати супутники зв'язку. У 1962 р. цей метод використовували Великобританія та Сполучені Штати Америки шляхом передачі сигналу часу через супутник "Телестар". Набагато сприятливіші результати за менших витрат дала, проте, передача сигналів з допомогою телевізійної техніки.

Цей метод передачі точного часу та частоти за допомогою синхронізуючих телевізійних імпульсів був розроблений та розвинений у чехословацьких наукових установах. Допоміжним носієм інформації про час тут є синхронізуючі відеоімпульси, які в жодному разі не порушують передачу телевізійної програми. При цьому немає потреби вводити в телевізійний сигнал зображення будь-які додаткові імпульси.

Умовою для використання цього методу є можливість прийому однієї і тієї ж телевізійної програми в місцях знаходження годин, що порівнюються. Порівнювані годинники попередньо регулюються до точності в кілька мілісекунд, а вимір повинен потім проводитися на всіх вимірювальних постах одночасно. Крім того, необхідно знати різницю в часі, потрібну для передачі синхронізуючих імпульсів від спільного джерела, яким є телевізійний синхронізатор, до приймачів у місці знаходження годин, що порівнюються.