Кратка история на появата на атомни инструменти за измерване на времето. Най-точният часовник в света - квантовият
Атомният часовник е устройство за много точно измерване на времето. Те са получили името си от принципа на тяхната работа, тъй като като период се използват естествени вибрации на молекули или атоми. Атомните часовници са широко използвани в навигацията, космическата индустрия, сателитното позициониране, военните, откриването на самолети и телекомуникациите.
Както можете да видите, има много области на приложение, но защо всички те се нуждаят от такава точност, защото днес грешката на обикновените атомни часовници е само 1 секунда за 30 милиона години? Но има още по-прецизно. Всичко е разбираемо, защото времето се използва за изчисляване на разстояния и там една малка грешка може да доведе до стотици метри или дори километри, ако вземем космически разстояния. Например, нека вземем американската GPS навигационна система, когато използваме конвенционален електронен часовник в приемника, грешката в измерването на координатите ще бъде доста значителна, което може да повлияе на всички други изчисления и това може да доведе до последствия, когато става въпрос за космически технологии . Естествено, за GPS приемниците в мобилни устройства и други джаджи по-голямата точност изобщо не е важна.
Най-точното време в Москва и света можете да намерите на официалния уебсайт - "сървър на точното текущо време" www.timeserver.ru
От какво са направени атомните часовници?
Атомният часовник се състои от няколко основни части: кварцов осцилатор, квантов дискриминатор и електронни блокове. Основната референтна настройка е кварцов осцилатор, който е изграден върху кварцови кристали и като правило произвежда стандартна честота от 10, 5, 2,5 MHz. Тъй като стабилната работа на кварца без грешка е доста малка, тя трябва постоянно да се регулира.
Квантовият дискриминатор фиксира честотата на атомната линия и тя се сравнява в честотно-фазовия компаратор с честотата на кварцовия осцилатор. Компараторът има обратна връзка към кристалния осцилатор, за да го коригира в случай на несъответствие на честотата.
Атомните часовници не могат да бъдат изградени върху всички атоми. Най-оптималният е атомът на цезия. Отнася се за основното, спрямо което се сравняват всички други подходящи материали, като например: стронций, рубидий, калций. Първичният еталон е абсолютно подходящ за измерване на точното време, поради което се нарича първичен.
Най-точният атомен часовник в света
Към днешна дата най-точният атомен часовникса в Обединеното кралство (официално приети). Грешката им е само 1 секунда за 138 милиона години. Те са стандарт за националните часови стандарти на много страни, включително Съединените щати, и също така определят международното атомно време. Но в кралството няма най-точните часовници на Земята.
най-точната снимка на атомен часовник
САЩ твърдят, че са разработили експериментален тип прецизен часовник, базиран на цезиеви атоми, с грешка от 1 секунда за почти 1,5 милиарда години. Науката в тази област не стои неподвижна и се развива с бързи темпове.
Първо, часовникът използва човечеството като средство за програмен контрол на времето.
Второ, днес измерването на времето също е най-точният вид измерване от всички проведени: точността на измерването на времето сега се определя от невероятна грешка от порядъка на 110-11%, или 1 s на 300 хиляди години.
И съвременните хора постигнаха такава точност, когато започнаха да използват атоми, които в резултат на своите трептения са регулатор на атомния часовник. Атомите на цезия са в двете енергийни състояния, от които се нуждаем (+) и (-). Електромагнитно излъчване с честота 9 192 631 770 херца се произвежда, когато атомите се движат от състояние (+) към (-), създавайки прецизен постоянен периодичен процес - контролер на кода на атомния часовник.
За да работят точно атомните часовници, цезият трябва да се изпари в пещ, в резултат на което атомите му се изхвърлят. Зад пещта има сортиращ магнит, който има капацитет на атоми в състояние (+), а в него, поради облъчване в микровълново поле, атомите преминават в състояние (-). Вторият магнит изпраща атоми, които са променили състоянието (+) на (-) към приемащото устройство. Много атоми, които са променили състоянието си, се получават само ако честотата на микровълновия излъчвател съвпада точно с честотата на вибрациите на цезий 9 192 631 770 херца. В противен случай броят на атомите (-) в приемника намалява.
Уредите постоянно следят и регулират постоянството на честотата 9 192 631 770 херца. И така, мечтата на дизайнерите на часовници се сбъдна, беше открит абсолютно постоянен периодичен процес: честота от 9 192 631 770 херца, която регулира хода на атомните часовници.
Днес, в резултат на международно споразумение, секундата се определя като период на излъчване, умножен по 9 192 631 770, съответстващ на прехода между две свръхфини структурни нива на основното състояние на атома цезий (изотоп цезий-133).
За да измерите точното време, можете също да използвате вибрации на други атоми и молекули, като атоми на калций, рубидий, цезий, стронций, водородни молекули, йод, метан и т.н. Въпреки това, излъчването на цезиевия атом се разпознава като честотен стандарт. За да се сравнят вибрациите на различни атоми със стандарт (цезий), е създаден титаниево-сапфирен лазер, който генерира широк честотен диапазон в диапазона от 400 до 1000 nm.
Първият създател на кварцови и атомни часовници е английски физик експериментатор Есен Луис (1908-1997). През 1955 г. той създава първия стандарт за атомна честота (време) върху лъч цезиеви атоми. В резултат на тази работа 3 години по-късно (1958 г.) се появява времева услуга, базирана на атомния честотен стандарт.
В СССР академик Николай Генадиевич Басов представи своите идеи за създаване на атомни часовници.
Така, атомен часовник,един от точните видове часовници е устройство за измерване на времето, където естествените трептения на атоми или молекули се използват като махало. Стабилността на атомните часовници е най-добрата сред всички съществуващи видове часовници, което е ключът към най-високата точност. Генераторът на атомен часовник произвежда повече от 32 768 импулса в секунда, за разлика от конвенционалните часовници. Трептенията на атомите не зависят от температурата на въздуха, вибрациите, влажността и много други външни фактори.
В съвременния свят, когато навигацията е просто незаменима, атомните часовници са станали незаменими помощници. Те са в състояние да определят местоположението на космически кораб, сателит, балистична ракета, самолет, подводница, автомобил автоматично чрез сателитни комуникации.
Така през последните 50 години атомните часовници или по-точно цезиевите часовници се смятат за най-точни. Те отдавна се използват от службите за измерване на времето, а сигнали за времето се излъчват и от някои радиостанции.
Устройството на атомния часовник се състои от 3 части: 
квантов дискриминатор,
кварцов осцилатор,
комплекс по електроника.
Кварцовият осцилатор генерира честота (5 или 10 MHz). Осцилаторът е RC радиогенератор, в който пиезоелектричните режими на кварцов кристал се използват като резонансен елемент, където се сравняват атомите, които са променили състоянието (+) на (-).За да се увеличи стабилността, неговата честота е постоянно в сравнение с трептенията на квантов дискриминатор (атоми или молекули). Когато има разлика в трептенията, електрониката настройва честотата на кварцовия осцилатор до нула, като по този начин повишава стабилността и точността на часовника до желаното ниво.
В днешния свят атомни часовници могат да бъдат направени във всяка страна по света за използване в ежедневието. Те са много малки на размер и красиви. Размерът на най-новата новост на атомните часовници е не повече от кибритена кутия и тяхната ниска консумация на енергия е по-малко от 1 ват. И това не е границата, може би в бъдеще технологичният прогрес ще достигне и мобилните телефони. Междувременно компактни атомни часовници се инсталират само на стратегически ракети, за да се увеличи многократно точността на навигацията.
Днес мъжки и дамски атомни часовници за всеки вкус и бюджет могат да бъдат закупени в онлайн магазини.
През 2011 г. най-малкият атомен часовник в света е създаден от Symmetricom и Националната лаборатория Sandia. Този часовник е 100 пъти по-компактен от предишните налични в търговската мрежа версии. Размерът на атомния хронометър не е по-голям от кибритена кутия. За да работи, той се нуждае от 100 mW мощност, което е 100 пъти по-малко от предшествениците му.
Възможно е да се намали размерът на часовника, като се инсталира вместо пружини и зъбни колела механизъм, който работи на принципа на определяне на честотата на електромагнитните вълни, излъчвани от атоми на цезий под въздействието на лазерен лъч с незначителна мощност.
Такива часовници се използват в навигацията, както и в работата на миньори, водолази, където е необходимо точно да се синхронизира времето с колегите на повърхността, както и услуги за точно време, тъй като грешката на атомните часовници е по-малка от 0,000001 фракции от секунда на ден. Цената на рекордно големия малък атомен часовник Symmetricom беше около 1500 долара.
Когато светлината внезапно изгасне и се включи отново малко по-късно, как да разберете за колко часа трябва да се настрои часовникът? Да, говоря за електронни часовници, които сигурно много от нас имат. Замисляли ли сте се как се регулира времето? В тази статия ще научим всичко за атомните часовници и как те карат целия свят да тиктака.
Радиоактивни ли са атомните часовници?
Атомните часовници показват времето по-добре от всеки друг часовник. Те показват времето по-добре от въртенето на Земята и движението на звездите. Без атомни часовници GPS навигацията би била невъзможна, интернет нямаше да бъде синхронизиран и позицията на планетите нямаше да бъде известна с достатъчна точност за космически сонди и превозни средства.
Атомните часовници не са радиоактивни. Те не разчитат на атомния разпад. Освен това те имат пружина, както обикновените часовници. Най-голямата разлика между стандартните часовници и атомните часовници е, че трептенията в атомните часовници възникват в ядрото на атома между околните електрони. Тези трептения трудно могат да се нарекат успоредни на колелото на баланса в часовника с навиване, но и двата вида трептения могат да се използват за проследяване на изтичащото време. Честотата на трептене в атома се определя от масата на ядрото, гравитацията и електростатичната „пружина“ между положителния заряд на ядрото и облака от електрони около него.
Какви видове атомни часовници познаваме?
Днес има различни видове атомни часовници, но те са изградени на едни и същи принципи. Основната разлика е свързана с елемента и средствата за откриване на промени в енергийното ниво. Сред различните видове атомни часовници има следните:
- Цезиеви атомни часовници, използващи лъчи от цезиеви атоми. Часовникът разделя цезиевите атоми с различни енергийни нива чрез магнитно поле.
- Водороден атомен часовник поддържа водородните атоми на правилното енергийно ниво в контейнер, чиито стени са направени от специален материал, така че атомите да не губят своето високоенергийно състояние твърде бързо.
- Рубидиевите атомни часовници, най-простите и компактни от всички, използват стъклена клетка, пълна с газ рубидий.
Най-точните атомни часовници днес използват цезиев атом и конвенционално магнитно поле с детектори. В допълнение, цезиевите атоми се задържат от лазерни лъчи, което намалява малките промени в честотата поради ефекта на Доплер.
Как работят базираните на цезий атомни часовници?
Атомите имат характерна вибрационна честота. Познат пример за честота е оранжевото сияние на натрия в трапезната сол, когато се хвърли в огън. Атомът има много различни честоти, някои в радиообхвата, други във видимия спектър и някои между тях. Цезий-133 най-често се избира за атомни часовници.
За да се предизвика резонанс на цезиевите атоми в атомния часовник, един от преходите или резонансната честота трябва да бъде прецизно измерен. Това обикновено се прави чрез блокиране на кристалния осцилатор в основния микровълнов резонанс на цезиевия атом. Този сигнал е в микровълновия диапазон на радиочестотния спектър и има същата честота като сигналите от сателити за директно излъчване. Инженерите знаят как да създадат оборудване за тази област от спектъра, до най-малкия детайл.
За да се създаде часовник, цезият първо се нагрява, така че атомите да се изпарят и да преминат през тръба с висок вакуум. Първо, те преминават през магнитно поле, което избира атоми с желаното енергийно състояние; след това преминават през интензивно микровълново поле. Честотата на микровълновата енергия скача напред-назад в тясна лента от честоти, така че в даден момент достига честота от 9 192 631 770 херца (Hz или цикли в секунда). Обхватът на микровълновия осцилатор вече е близо до тази честота, тъй като се произвежда от прецизен кристален осцилатор. Когато цезиевият атом получи микровълнова енергия с желаната честота, той променя енергийното си състояние.
В края на тръбата друго магнитно поле разделя атомите, които са променили енергийното си състояние, ако микровълновото поле е с правилната честота. Детекторът в края на тръбата дава изход, пропорционален на броя на цезиевите атоми, които го удрят, и достига пик, когато честотата на микровълните е достатъчно вярна. Този пиков сигнал е необходим за корекция, за да се доведе кристалният осцилатор, а оттам и микровълновото поле, до желаната честота. След това тази заключена честота се разделя на 9 192 631 770, за да се получи познатият един импулс в секунда, от който се нуждае реалният свят.
Кога е изобретен атомният часовник?
През 1945 г. професорът по физика от Колумбийския университет Исидор Раби предлага часовник, който може да бъде направен с помощта на техники, разработени през 30-те години на миналия век. Нарича се атомен лъч с магнитен резонанс. До 1949 г. Националното бюро по стандартизация обявява създаването на първия в света атомен часовник, базиран на молекулата на амоняка, чиито вибрации се разчитат, а до 1952 г. създава първия в света атомен часовник, базиран на цезиеви атоми, NBS-1 .
През 1955 г. Националната физическа лаборатория в Англия създава първия часовник, използващ цезиев лъч като източник за калибриране. През следващото десетилетие бяха създадени по-модерни часовници. През 1967 г., по време на 13-та Генерална конференция по мерки и теглилки, секундата в SI е определена въз основа на вибрациите в атома на цезия. Нямаше по-добро определение в световната система за измерване на времето от това. NBS-4, най-стабилният цезиев часовник в света, беше завършен през 1968 г. и беше в употреба до 1990 г.
Високопрецизни атомни часовници, които правят грешка от една секунда за 300 милиона години. Този часовник, който замени стар модел, който имаше грешка от една секунда за сто милиона години, сега определя стандарта за американското гражданско време. Lenta.ru реши да си припомни историята на създаването на атомните часовници.
Първи атом
За да създадете часовник, достатъчно е да използвате всеки периодичен процес. И историята на появата на инструментите за измерване на времето е отчасти историята на появата или на нови източници на енергия, или на нови осцилаторни системи, използвани в часовниците. Най-простият часовник вероятно е слънчевият часовник, който изисква само слънце и обект, който да хвърля сянка, за да работи. Недостатъците на този метод за определяне на времето са очевидни. Водните и пясъчните часовници също не са по-добри: те са подходящи само за измерване на относително кратки периоди от време.
Най-старият механичен часовник е открит през 1901 г. близо до остров Антикитера на потънал кораб в Егейско море. Те съдържат около 30 бронзови зъбни колела в дървена кутия с размери 33 на 18 на 10 сантиметра и датират от около 100 г. пр.н.е.
В продължение на почти две хиляди години механичните часовници са най-точните и надеждни. Появата през 1657 г. на класическата творба на Кристиан Хюйгенс „Часовник с махало“ („Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica“) с описание на устройство за отчитане на времето с махало като осцилираща система вероятно е била апогей в историята на развитието на механични устройства от този тип.
Въпреки това астрономите и навигаторите все още са използвали звездното небе и картите, за да определят своето местоположение и точно време. Първият електрически часовник е изобретен през 1814 г. от Франсис Роналдс. Първият такъв инструмент обаче беше неточен поради чувствителността си към температурни промени.
По-нататъшната история на часовниците е свързана с използването на различни осцилационни системи в устройствата. Въведени през 1927 г. от служители на Bell Labs, кварцовите часовници използват пиезоелектричните свойства на кварцов кристал: когато към него се приложи електрически ток, кристалът започва да се свива. Съвременните кварцови хронометри могат да постигнат точност до 0,3 секунди на месец. Въпреки това, тъй като кварцът е подложен на стареене, с течение на времето часовникът става по-малко точен.
С развитието на атомната физика учените предложиха използването на частици материя като осцилаторни системи. Така се появява първият атомен часовник. Идеята за използване на атомни вибрации на водорода за измерване на времето е предложена още през 1879 г. от английския физик лорд Келвин, но това става възможно едва в средата на 20 век.
Репродукция на картина от Хуберт фон Херкомер (1907)
През 30-те години на миналия век американският физик и откривател на ядрено-магнитния резонанс Изидор Раби започва да работи върху атомни часовници с цезий-133, но избухването на войната му попречи. Още след войната, през 1949 г., в Националния комитет по стандартизация на САЩ с участието на Харолд Лионсън е създаден първият молекулярен часовник, използващ молекули амоняк. Но първите подобни инструменти за измерване на времето не бяха толкова точни, колкото съвременните атомни часовници.
Сравнително ниската точност се дължи на факта, че поради взаимодействието на молекулите на амоняка помежду си и със стените на контейнера, в който се намира това вещество, енергията на молекулите се променя и техните спектрални линии се разширяват. Този ефект е много подобен на триенето в механичен часовник.
По-късно, през 1955 г., Луис Есен от Националната физическа лаборатория на Обединеното кралство представи първия атомен часовник с цезий-133. Този часовник натрупа грешка от една секунда за милион години. Устройството е наречено NBS-1 и започва да се счита за цезиев честотен стандарт.
Схемата на веригата на атомен часовник се състои от кристален осцилатор, управляван от дискриминатор с обратна връзка. Осцилаторът използва пиезоелектричните свойства на кварца, докато дискриминаторът използва енергийните вибрации на атомите, така че вибрациите на кварца се проследяват чрез сигнали от преходи от различни енергийни нива в атоми или молекули. Между генератора и дискриминатора има компенсатор, настроен на честотата на атомните вибрации и сравняващ я с честотата на вибрациите на кристала.
Атомите, използвани в часовника, трябва да осигуряват стабилни вибрации. Всяка честота на електромагнитното излъчване има свои собствени атоми: калций, стронций, рубидий, цезий, водород. Или дори молекули амоняк и йод.
времеви стандарт
С появата на атомните инструменти за измерване на времето стана възможно използването им като универсален стандарт за определяне на секундата. От 1884 г. времето по Гринуич, считано за световен стандарт, отстъпи място на стандарта на атомните часовници. През 1967 г., с решение на 12-та Генерална конференция по мерки и теглилки, една секунда е определена като продължителността на 9192631770 периода на излъчване, съответстващи на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на атома цезий-133. Това определение за секунда не зависи от астрономически параметри и може да бъде възпроизведено навсякъде на планетата. Цезий-133, използван в стандартния атомен часовник, е единственият стабилен изотоп на цезия със 100% изобилие на Земята.
Атомните часовници се използват и в сателитната навигационна система; те са необходими за определяне на точното време и координати на спътника. По този начин всеки сателит на GPS системата има четири комплекта такива часовници: два рубидиеви и два цезиеви, които осигуряват точност на предаване на сигнала от 50 наносекунди. Руските спътници от системата ГЛОНАСС също имат цезиеви и рубидиеви атомни измервателни уреди, а спътниците на разгръщащата се европейска система за геопозициониране Галилео са оборудвани с водородни и рубидиеви.
Точността на водородните часовници е най-висока. Това е 0,45 наносекунди за 12 часа. Очевидно използването на такива точни часовници от Galileo ще изведе тази навигационна система на преден план през 2015 г., когато нейните 18 сателита ще бъдат в орбита.
Компактен атомен часовник
Hewlett-Packard е първата компания, разработила компактен атомен часовник. През 1964 г. тя създава цезиевия инструмент HP 5060A, с размерите на голям куфар. Компанията продължи да развива тази посока, но от 2005 г. продаде подразделението си за атомни часовници на Symmetricom.
През 2011 г. Draper Laboratories и Sandia National Laboratories разработиха и Symmetricom пуснаха първия миниатюрен атомен часовник Quantum. По време на освобождаването те струваха около 15 хиляди долара, бяха затворени в запечатан калъф с размери 40 на 35 на 11 милиметра и тежаха 35 грама. Консумацията на енергия на часовника беше под 120 миливата. Първоначално те са разработени по поръчка на Пентагона и са предназначени да обслужват навигационни системи, които функционират независимо от GPS системите, например дълбоко под вода или земя.
Още в края на 2013 г. американската компания Bathys Hawaii представи първия "ръчен" атомен часовник. Като основен компонент те използват чипа SA.45s, произведен от Symmetricom. Вътре в чипа има капсула с цезий-133. Дизайнът на часовника включва също фотоклетки и лазер с ниска мощност. Последният осигурява нагряване на газообразен цезий, в резултат на което неговите атоми започват да се движат от едно енергийно ниво на друго. Измерването на времето просто се прави чрез фиксиране на такъв преход. Цената на новото устройство е около 12 хиляди долара.
Тенденциите към миниатюризация, автономност и точност ще доведат до факта, че в близко бъдеще ще има нови устройства, използващи атомни часовници във всички области на човешкия живот, от космическите изследвания на орбитални сателити и станции до домашни приложения в системи на закрито и китки.
