Коливання атома цезію. Як функціонує атомний годинник

Це пристрої для вимірювання часу, принцип роботи яких заснований на атомної фізики. Завдяки властивостям хімічних елементів, що використовуються в конструкції, похибка цього годинника мінімальна. Наприклад, пристрої на основі торію-229 відстануть на десяту частку секунди приблизно за 14 мільярдів років.

Як працює атомний годинник

Якщо в кварцовому годиннику опорна частота для визначення секунди - кількість коливань кристала кварцу, то в атомних за неї приймається частота переходів електронів в атомах певних хімічних елементів з одного енергетичного рівня на інший.

1 - Електронний компонент (чіп)

2 - Атомне джерело

3 - Фотодетектор

4 - Верхній нагрівач

5 - Резонансний осередок

6 - Хвильова платівка

7 - Нижній нагрівач

8 - Вертикально-випромінюючий лазер

У чому суть: атоми мають електрони. Вони мають енергію. При поглинанні або віддачі енергії електрони стрибком переходять з одного енергетичного рівня на інший, поглинаючи чи випускаючи електромагнітні хвилі, Частота яких завжди однакова. Цим явищем можна управляти: коли атом піддають впливу мікрохвильового випромінювання, він відгукується певною кількістюколивань.

Ця властивість використовується підвищення точності вимірювань часу. Так, визнано, що секунда – це тривалість 9192631770 циклів випромінювання. Ця частота відповідає переходу між двома енергетичними рівнями атома цезію-133. Порівнюючи частоту коливань кварцового генератора із частотою переходів атомів елемента, фіксуються найменші відхилення. За наявності відхилень коливання кварцу відбудовуються.

В атомному годиннику використовується не тільки цезій. З'являються пристрої на основі хімічних елементів, здатних забезпечити ще більшу точність ходу: ітербій, торій-229, стронцій.

Чому атомний годинник точний

Частота коливань хімічного елементаоднакова, і це зводить до мінімуму можливість похибки. Крім того, на відміну від кварцового кристала, атоми не зношуються і не втрачають свої Хімічні властивостіз часом.

Інші назви атомного годинника: квантові, молекулярні.

Атомний годинник

Якщо оцінювати точність кварцового годинника з точки зору їх короткочасної стабільності, то треба сказати, що ця точність значно вища, ніж у маятникового годинникаякі, 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 коливаньі різких змін. Незважаючи на. це, старіння порушує правильну роботукварцового 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 області точного виміручасу за допомогою частот, відповідних 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 раніше діяла астрономічної одиницічасу новою квантовою одиницею часу. Ця нова одиницячасу було введено як період випромінювання точно визначених переходів між енергетичними рівнями молекул деяких спеціально вибраних речовин. Після інтенсивних досліджень цієї проблеми у перші повоєнні рокивдалося побудувати прилад, що працює на принципі керованого поглинання мікрохвильової енергії в рідкому аміаку при низький тиск. Однак перші досліди з приладом, оснащеним абсорбційним елементом, не дали очікуваних результатів, оскільки розширення абсорбційної лінії, що викликається взаємними зіткненнями молекул, ускладнювало визначення частоти самого 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 вони виділяють електромагнітну енергіюз 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 та Таунс отримали у 1964 р. за ці роботи Нобелівську преміюпо фізиці.

Вивченням стабільності частоти аміачних мазерів займалися також вчені Швейцарії, Японії, ФРН, Великобританії, Франції і 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 часвиходить 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 являє собою як би зображення історичного розвиткухронометричних приладів та вдосконалення методів виміру часу, показує, як мало не чудодійним чином підвищилася за кілька століть точність виміру 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 вибраних умов здатні поглинати електромагнітне випромінюванняіз частотою близько 9192 МГц. Цю властивість використовували Шервуд та Мак Кракен для створення першого цезієвого пучкового резонатора. на практичне використанняцезієвого 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 виміручасу, який 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 енергіюу 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 годин 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 годинниказ 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 при менших витратахдала, 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 є синхронізуючі відеоімпульси, які жодною мірою 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.