Lühike ajalugu aja mõõtmiseks mõeldud aatomiinstrumentide ilmumisest. Kõige täpsem kell maailmas - kvant
Aatomkell on seade väga täpseks ajamõõtmiseks. Oma nime said nad oma töö põhimõtte järgi, kuna perioodina kasutatakse molekulide või aatomite loomulikke vibratsioone. Aatomkellasid on laialdaselt kasutatud navigatsioonis, kosmosetööstuses, satelliitpositsioneerimisel, sõjaväes, õhusõidukite tuvastamisel ja telekommunikatsioonis.
Nagu näete, on rakendusvaldkondi palju, kuid miks nad kõik sellist täpsust vajavad, sest tänapäeval on tavaliste aatomkellade viga vaid 1 sekund 30 miljoni aasta jooksul? Kuid on veelgi täpsem. Kõik on arusaadav, sest vahemaade arvutamiseks kasutatakse aega ja seal võib väike viga viia sadade meetriteni või isegi kilomeetriteni, kui võtta kosmilised vahemaad. Võtame näiteks Ameerika GPS-navigatsioonisüsteemi, mille vastuvõtjas tavapärase elektroonilise kella kasutamisel on koordinaatide mõõtmise viga üsna märkimisväärne, mis võib mõjutada kõiki muid arvutusi ja see võib kosmosetehnoloogiate osas kaasa tuua tagajärgi. . Loomulikult pole mobiilseadmete GPS-vastuvõtjate ja muude vidinate puhul suurem täpsus üldse oluline.
Kõige täpsema aja Moskvas ja maailmas leiate ametlikult veebisaidilt - "täpse praeguse aja server" www.timeserver.ru
Millest on valmistatud aatomkellad?
Aatomkell koosneb mitmest põhiosast: kvartsostsillaatorist, kvantdiskriminaatorist ja elektroonikaplokkidest. Peamine võrdlusseade on kvartsostsillaator, mis on ehitatud kvartskristallidele ja reeglina toodab standardsagedust 10, 5, 2,5 MHz. Kuna kvartsi stabiilne tõrgeteta töö on üsna väike, tuleb seda pidevalt reguleerida.
Kvantdiskriminaator fikseerib aatomijoone sageduse ja seda võrreldakse sagedus-faasi komparaatoris kvartsostsillaatori sagedusega. Komparaatoril on kristallostsillaatorile tagasiside, et seda sageduse mittevastavuse korral reguleerida.
Aatomkellasid ei saa ehitada kõikidele aatomitele. Kõige optimaalsem on tseesiumi aatom. See viitab esmasele, millega võrreldakse kõiki teisi sobivaid materjale, nagu näiteks strontsium, rubiidium, kaltsium. Esmane etalon on igati sobiv täpse aja mõõtmiseks, mistõttu seda nimetatakse esmaseks.
Kõige täpsem aatomkell maailmas
Tänaseks kõige täpsem aatomkell on Ühendkuningriigis (ametlikult aktsepteeritud). Nende viga on vaid 1 sekund 138 miljoni aasta jooksul. Need on paljude riikide, sealhulgas Ameerika Ühendriikide, riiklike ajastandardite standard ja määravad kindlaks ka rahvusvahelise aatomikellaaja. Kuid kuningriigis pole Maal kõige täpsemaid kellasid.
kõige täpsem aatomkella foto
USA väitis, et töötas peaaegu 1,5 miljardi aasta jooksul välja eksperimentaalse tseesiumiaatomitel põhineva täppiskella, mille viga on 1 sekund. Teadus selles valdkonnas ei seisa paigal ja areneb kiires tempos.
Esiteks kasutab kell inimkonda programmiaja juhtimise vahendina.
Teiseks on aja mõõtmine tänapäeval ka kõige täpsem mõõtmisviis kõigist läbiviidavatest mõõtmistest: aja mõõtmise täpsuse määrab nüüd uskumatu viga suurusjärgus 1 10-11% ehk 1 s 300 tuhande aasta jooksul.
Ja tänapäeva inimesed saavutasid sellise täpsuse, kui nad hakkasid kasutama aatomid, mis oma võnkumiste tulemusena on aatomkella regulaatoriks. Tseesiumi aatomid on kahes energia olekus, mida me vajame (+) ja (-). Aatomite liikumisel olekust (+) asendisse (-) tekib elektromagnetkiirgus sagedusega 9 192 631 770 hertsi, luues täpse konstantse perioodilise protsessi - aatomkella koodi kontrolleri.
Aatomkellade täpseks tööks tuleb tseesium ahjus aurustada, mille tulemusena selle aatomid paiskuvad välja. Ahju taga on sorteerimismagnet, mille aatomite mahutavus on (+) olekus ja selles lähevad mikrolaineväljas kiiritamise tõttu aatomid (-) olekusse. Teine magnet suunab aatomid, mis on muutnud olekut (+) olekusse (-) vastuvõtvasse seadmesse. Paljud oma olekut muutnud aatomid saadakse ainult siis, kui mikrolainekiirguse sagedus langeb täpselt kokku tseesiumi võnkesagedusega 9 192 631 770 hertsi. Vastasel juhul väheneb aatomite arv (-) vastuvõtuseadmes.
Instrumendid jälgivad ja reguleerivad pidevalt 9 192 631 770 hertsi sageduse püsivust. Niisiis sai kelladisainerite unistus teoks, leiti absoluutselt pidev perioodiline protsess: sagedus 9 192 631 770 hertsi, mis reguleerib aatomkellade kulgu.
Tänapäeval määratletakse teist rahvusvahelise kokkuleppe tulemusena kui kiirgusperioodi, mis on korrutatud 9 192 631 770-ga, mis vastab üleminekule tseesiumi aatomi (tseesium-133 isotoobi) põhioleku kahe ülipeen struktuuritaseme vahel.
Täpse aja mõõtmiseks võite kasutada ka teiste aatomite ja molekulide, näiteks kaltsiumi-, rubiidiumi-, tseesiumi-, strontsiumiaatomite, vesiniku molekulide, joodi, metaani jne aatomite vibratsiooni. Kuid tseesiumiaatomi kiirgust tuntakse kui sagedusstandard. Erinevate aatomite vibratsiooni võrdlemiseks standardiga (tseesiumiga) loodi titaan-safiirlaser, mis genereerib laia sagedusvahemikku vahemikus 400-1000 nm.
Esimene kvarts- ja aatomkellade looja oli inglise eksperimentaalfüüsik Essen Lewis (1908-1997). 1955. aastal lõi ta tseesiumi aatomite kiirele esimese aatomisageduse (aja) standardi. Selle töö tulemusena tekkis 3 aastat hiljem (1958) aatomisageduse standardil põhinev ajateenistus.
NSV Liidus esitas akadeemik Nikolai Gennadievitš Basov oma ideed aatomkellade loomiseks.
Niisiis, aatomkell,üks täpsemaid kellatüüpe on aja mõõtmise seade, kus pendlina kasutatakse aatomite või molekulide loomulikke võnkumisi. Aatomkellade stabiilsus on kõigi olemasolevate kellatüüpide seas parim, mis on kõrgeima täpsuse võti. Aatomkella generaator toodab erinevalt tavapärastest kelladest rohkem kui 32 768 impulssi sekundis. Aatomite võnkumised ei sõltu õhutemperatuurist, vibratsioonist, niiskusest ja paljudest muudest välisteguritest.
Kaasaegses maailmas, kui navigeerimine on lihtsalt asendamatu, on aatomkellad muutunud asendamatuteks abilisteks. Nad suudavad satelliitside kaudu automaatselt määrata kosmoselaeva, satelliidi, ballistilise raketi, lennuki, allveelaeva, auto asukoha.
Seega on viimased 50 aastat peetud kõige täpsemateks aatomkellasid, õigemini tseesiumkellasid. Neid on ajavõtuteenistused juba ammu kasutanud ning ajasignaale edastavad ka mõned raadiojaamad.
Aatomkell koosneb kolmest osast: 
kvant-diskriminaator,
kvartsostsillaator,
elektroonikakompleks.
Kvartsostsillaator genereerib sagedust (5 või 10 MHz). Ostsillaator on RC raadiogeneraator, milles resonantselemendina kasutatakse kvartskristalli piesoelektrilisi režiime, kus võrreldakse oleku (+) muutnud aatomeid (-) Stabiilsuse suurendamiseks on selle sagedus pidevalt võrreldes kvantdiskriminaatori (aatomite või molekulide) võnkumistega. Võnkumiste erinevuse korral reguleerib elektroonika kvartsostsillaatori sageduse nulli, suurendades sellega kella stabiilsust ja täpsust soovitud tasemele.
Tänapäeva maailmas saab aatomkellasid valmistada igas maailma riigis igapäevaelus kasutamiseks. Nad on väga väikesed ja ilusad. Aatomkellade uusima uudsuse suurus ei ole suurem kui tikutoosi ja nende madal energiatarve on alla 1 vati. Ja see pole piir, võib-olla jõuab tehnoloogia areng tulevikus ka mobiiltelefonideni. Vahepeal paigaldatakse kompaktsed aatomkellad ainult strateegilistele rakettidele, et navigeerimise täpsust kordades tõsta.
Tänapäeval saab veebipoodidest osta igale maitsele ja eelarvele mõeldud meeste ja naiste aatomikellasid.
2011. aastal lõid Symmetricom ja Sandia National Laboratory maailma väikseima aatomkella. See kell on 100 korda kompaktsem kui eelmised müügil olevad versioonid. Aatomkronomeetri suurus ei ole suurem kui tikutoosi. See vajab töötamiseks 100 mW võimsust, mis on 100 korda vähem kui tema eelkäijatel.
Kella suurust oli võimalik vähendada, paigaldades vedrude ja hammasrataste asemele mehhanismi, mis töötab tühise võimsusega laserkiire mõjul tseesiumiaatomite poolt kiiratavate elektromagnetlainete sageduse määramise põhimõttel.
Selliseid kellasid kasutatakse nii navigatsioonis kui ka kaevurite, sukeldujate töös, kus on vaja täpselt sünkroonida aega kolleegidega pinnal, samuti täpsetes ajateenistustes, sest aatomkellade viga on väiksem kui 0,000001 murdosa. sekundit päevas. Rekordilise väikese Symmetricomi aatomkella maksumus oli umbes 1500 dollarit.
Kui tuli järsku kustub ja veidi hiljem uuesti süttib, siis kuidas sa tead, mis kellaaeg tuleb seada? Jah, ma räägin elektroonilistest kelladest, mis ilmselt paljudel meist on. Kas olete kunagi mõelnud, kuidas aega reguleeritakse? Selles artiklis õpime kõike aatomkellade kohta ja seda, kuidas need kogu maailma tiksuma panevad.
Kas aatomkellad on radioaktiivsed?
Aatomkellad näitavad aega paremini kui ükski teine kell. Need näitavad aega paremini kui Maa pöörlemine ja tähtede liikumine. Ilma aatomkelladeta oleks GPS-navigeerimine võimatu, Internet ei oleks sünkroniseeritud ning planeetide asukoht poleks kosmosesondide ja -sõidukite jaoks piisava täpsusega teada.
Aatomkellad ei ole radioaktiivsed. Nad ei tugine aatomi lagunemisele. Pealegi on neil vedru, nagu tavalistel kelladel. Standardkellade ja aatomkellade suurim erinevus seisneb selles, et aatomkellade võnkumised toimuvad aatomi tuumas ümbritsevate elektronide vahel. Vaevalt saab neid võnkumisi kerivas kellas tasakaalurattaga paralleelseks nimetada, kuid mööduva aja jälgimiseks saab kasutada mõlemat tüüpi võnkumisi. Aatomi võnkesageduse määrab tuuma mass, gravitatsioon ja elektrostaatiline "vedru" tuuma positiivse laengu ja seda ümbritseva elektronipilve vahel.
Milliseid aatomkellade tüüpe me teame?
Tänapäeval on erinevat tüüpi aatomkellasid, kuid need on ehitatud samadel põhimõtetel. Peamine erinevus on seotud energiataseme muutuste tuvastamise elemendi ja vahenditega. Erinevat tüüpi aatomkellade hulgas on järgmised:
- Tseesiumi aatomkellad, mis kasutavad tseesiumi aatomite kiirte abil. Kell eraldab magnetvälja abil erineva energiatasemega tseesiumi aatomeid.
- Vesiniku aatomkell hoiab vesinikuaatomid õigel energiatasemel anumas, mille seinad on valmistatud spetsiaalsest materjalist, nii et aatomid ei kaota oma kõrge energiaga olekut liiga kiiresti.
- Rubiidiumi aatomkellad, mis on kõige lihtsamad ja kompaktsemad, kasutavad rubiidiumigaasiga täidetud klaaselementi.
Tänapäeva kõige täpsemad aatomkellad kasutavad tseesiumiaatomit ja tavalist magnetvälja koos detektoritega. Lisaks hoiavad tseesiumi aatomeid tagasi laserkiired, mis vähendab Doppleri efektist tulenevaid väikseid sageduse muutusi.
Kuidas tseesiumipõhised aatomkellad töötavad?
Aatomitel on iseloomulik võnkesagedus. Tuttav näide sagedusest on naatriumi oranž kuma lauasoolas tulle visates. Aatomil on palju erinevaid sagedusi, millest osa on raadiosagedusalas, osa nähtavas spektris ja osa nende vahel. Aatomkellade jaoks valitakse kõige sagedamini tseesium-133.
Tseesiumi aatomite resonantsi tekitamiseks aatomkellas tuleb täpselt mõõta üks üleminekutest ehk resonantssagedus. Tavaliselt tehakse seda kristallostsillaatori blokeerimisega tseesiumiaatomi põhilises mikrolaineresonantsis. See signaal on raadiosagedusspektri mikrolainealas ja sellel on sama sagedus kui otseedastussatelliitide signaalidel. Insenerid teavad, kuidas luua selle spektripiirkonna jaoks pisidetailideni seadmeid.
Kella loomiseks kuumutatakse tseesiumi esmalt nii, et aatomid aurustuvad ja läbivad kõrgvaakumtoru. Esiteks läbivad nad magnetvälja, mis valib soovitud energiaolekuga aatomid; siis läbivad nad intensiivse mikrolainevälja. Mikrolaineenergia sagedus hüppab kitsas sagedusribas edasi-tagasi, nii et ühel hetkel jõuab see sageduseni 9 192 631 770 hertsi (Hz ehk tsükleid sekundis). Mikrolaineostsillaatori ulatus on juba sellele sagedusele lähedal, kuna seda toodab täpne kristallostsillaator. Kui tseesiumiaatom saab soovitud sagedusega mikrolaineenergiat, muudab see oma energiaolekut.
Toru otsas eraldab teine magnetväli aatomeid, mis on õige sagedusega mikrolainevälja korral oma energiaseisundit muutnud. Toru otsas olev detektor annab väljundi, mis on võrdeline seda tabanud tseesiumiaatomite arvuga ja saavutab maksimumi siis, kui mikrolainesagedus on piisavalt tõene. Seda tippsignaali on vaja korrigeerimiseks, et viia kristallostsillaator ja seega ka mikrolaineväli soovitud sagedusele. See lukustatud sagedus jagatakse seejärel 9 192 631 770-ga, et saada tuttav üks impulss sekundis, mida reaalne maailm vajab.
Millal leiutati aatomkell?
1945. aastal pakkus Columbia ülikooli füüsikaprofessor Isidore Rabi välja kella, mida saaks valmistada 1930. aastatel välja töötatud tehnikate abil. Seda nimetati magnetresonantsi aatomikiireks. 1949. aastaks teatas National Bureau of Standards maailma esimese ammoniaagi molekulil põhineva aatomkella loomisest, mille vibratsioone loeti ning 1952. aastaks oli loodud maailma esimene tseesiumiaatomitel põhinev aatomkell NBS-1.
1955. aastal ehitas Inglismaa riiklik füüsikalabor esimese kella, kasutades kalibreerimisallikana tseesiumikiirt. Järgmise kümnendi jooksul loodi täiustatud kellad. 1967. aastal, 13. kaalude ja mõõtude peakonverentsil, määrati SI sekund tseesiumiaatomi vibratsiooni põhjal. Maailma ajavõtusüsteemis polnud paremat määratlust kui see. NBS-4, maailma stabiilseim tseesiumkell, valmis 1968. aastal ja oli kasutusel 1990. aastani.
Ülitäpsed aatomkellad, mis teevad ühe sekundi vea 300 miljoni aasta jooksul. See kell, mis asendas vana mudeli, millel oli saja miljoni aasta jooksul ühesekundiline viga, seab nüüd Ameerika tsiviilaja standardi. Lenta.ru otsustas meenutada aatomkellade loomise ajalugu.
Esimene aatom
Kella loomiseks piisab mis tahes perioodilise protsessi kasutamisest. Ja ajamõõtmisriistade tekkelugu on osaliselt kas uute energiaallikate või uute kellades kasutatavate võnkesüsteemide tekkelugu. Lihtsaim kell on ilmselt päikesekell, mille töötamiseks on vaja ainult päikest ja objekti, mis heidab varju. Selle aja määramise meetodi puudused on ilmsed. Parem pole ka vesi ja liivakellad: need sobivad vaid suhteliselt lühikeste ajavahemike mõõtmiseks.
Vanim mehaaniline kell leiti 1901. aastal Antikythera saare lähedalt Egeuse meres uppunud laevalt. Need sisaldavad umbes 30 pronksist hammasratast puidust korpuses, mille mõõtmed on 33 x 18 x 10 sentimeetrit ja mis pärinevad umbes aastast 100 eKr.
Peaaegu kaks tuhat aastat on mehaanilised kellad olnud kõige täpsemad ja usaldusväärsemad. Tõenäoliselt oli Christian Huygensi klassikalise teose "Pendelkell" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica") ilmumine 1657. aastal koos ajaviiteseadme kirjeldusega, mille võnkesüsteemiks on pendel. apogee seda tüüpi mehaaniliste seadmete väljatöötamise ajaloos.
Kuid astronoomid ja navigaatorid kasutasid oma asukoha ja täpse aja määramiseks endiselt tähistaevast ja kaarte. Esimese elektrikella leiutas 1814. aastal Francis Ronalds. Esimene selline instrument oli aga temperatuurimuutuste tundlikkuse tõttu ebatäpne.
Kellade edasine ajalugu on seotud erinevate võnkesüsteemide kasutamisega seadmetes. 1927. aastal Bell Labsi töötajate poolt kasutusele võetud kvartskellad kasutasid kvartskristalli piesoelektrilisi omadusi: kui sellele rakendatakse elektrivoolu, hakkab kristall kahanema. Kaasaegsed kvartskronomeetrid suudavad saavutada täpsust kuni 0,3 sekundit kuus. Kuna aga kvarts vananeb, muutub kell aja jooksul vähem täpseks.
Aatomifüüsika arenguga tegid teadlased ettepaneku kasutada aineosakesi võnkesüsteemidena. Nii ilmus esimene aatomkell. Idee kasutada aja mõõtmiseks vesiniku aatomvõnkeid pakkus juba 1879. aastal välja inglise füüsik Lord Kelvin, kuid see sai võimalikuks alles 20. sajandi keskpaigaks.
Hubert von Herkomeri maali reproduktsioon (1907)
1930. aastatel alustas Ameerika füüsik ja tuumamagnetresonantsi avastaja Isidore Rabi tööd tseesium-133 aatomkellade kallal, kuid sõja puhkemine takistas teda. Juba pärast sõda, 1949. aastal, loodi USA riiklikus standardikomitees Harold Lyonsoni osalusel esimene ammoniaagi molekule kasutav molekulaarkell. Kuid esimesed sellised aja mõõtmise instrumendid ei olnud nii täpsed kui kaasaegsed aatomkellad.
Suhteliselt madal täpsus tulenes sellest, et ammoniaagi molekulide vastastikmõjul üksteisega ja anuma seintega, milles see aine paiknes, muutus molekulide energia ja laienesid spektrijooned. See efekt on väga sarnane mehaanilise kella hõõrdumisele.
Hiljem, 1955. aastal, tutvustas Louis Esssen Ühendkuningriigi riiklikust füüsikalaborist esimest tseesium-133 aatomkella. See kell kogus miljoni aasta jooksul ühe sekundi vea. Seade sai nimeks NBS-1 ja seda hakati pidama tseesiumi sagedusstandardiks.
Aatomkella skeem koosneb kristallostsillaatorist, mida juhib tagasiside diskrimineerija. Ostsillaator kasutab kvartsi piesoelektrilisi omadusi, diskriminaator aga aatomite energiavõnke, nii et kvartsi vibratsiooni jälgitakse signaalide abil, mis pärinevad aatomite või molekulide erinevatelt energiatasemetelt. Generaatori ja diskriminaatori vahel on kompensaator, mis on häälestatud aatomivõnke sagedusele ja võrdleb seda kristalli vibratsiooni sagedusega.
Kellas kasutatavad aatomid peavad pakkuma stabiilseid vibratsioone. Igal elektromagnetkiirguse sagedusel on oma aatomid: kaltsium, strontsium, rubiidium, tseesium, vesinik. Või isegi ammoniaagi ja joodi molekulid.
ajastandard
Aatomaja mõõtmisseadmete tulekuga sai võimalikuks kasutada neid universaalse standardina teise määramiseks. Alates 1884. aastast on maailmastandardiks peetud Greenwichi aeg andnud teed aatomkellade standardile. 1967. aastal määratleti 12. kaalude ja mõõtude peakonverentsi otsusega üks sekund kui 9192631770 kiirgusperioodi kestus, mis vastab üleminekule tseesium-133 aatomi põhioleku kahe ülipeen taseme vahel. See sekundi määratlus ei sõltu astronoomilistest parameetritest ja seda saab reprodutseerida kõikjal planeedil. Tavalises aatomkellas kasutatav tseesium-133 on ainus stabiilne tseesiumi isotoop, mille sisaldus Maal on 100%.
Aatomkellasid kasutatakse ka satelliitnavigatsioonisüsteemis; need on vajalikud satelliidi täpse aja ja koordinaatide määramiseks. Seega on igal GPS-satelliidil neli komplekti selliseid kellasid: kaks rubiidium- ja kaks tseesiumkella, mis tagavad signaali edastamise täpsuse 50 nanosekundit. Süsteemi GLONASS Venemaa satelliitidel on ka tseesiumi ja rubiidiumi aatomi ajamõõteriistad ning lahtivolditava Euroopa geopositsioneerimissüsteemi Galileo satelliidid on varustatud vesiniku ja rubiidiumi omadega.
Vesinikkellade täpsus on kõrgeim. 12 tunni jooksul on see 0,45 nanosekundit. Ilmselt toob Galileo selliste täpsete kellade kasutamine selle navigatsioonisüsteemi esiplaanile 2015. aastal, mil orbiidil on 18 selle satelliiti.
Kompaktne aatomkell
Hewlett-Packard oli esimene ettevõte, kes töötas välja kompaktse aatomkella. 1964. aastal lõi ta suure kohvri suuruse tseesiumiinstrumendi HP 5060A. Ettevõte jätkas selle suuna arendamist, kuid alates 2005. aastast on ta müünud oma aatomkellade divisjoni Symmetricomile.
2011. aastal töötasid Draper Laboratories ja Sandia National Laboratories välja ning Symmetricom andis välja esimese Quantum miniatuurse aatomkella. Väljalaskmise ajal maksid need umbes 15 tuhat dollarit, olid suletud 40 x 35 x 11 mm mõõtmetega suletud korpusesse ja kaalusid 35 grammi. Kella voolutarve jäi alla 120 millivati. Algselt töötati need välja Pentagoni tellimusel ja need olid mõeldud navigatsioonisüsteemide teenindamiseks, mis töötavad GPS-süsteemidest sõltumatult, näiteks sügaval vee all või maa all.
Juba 2013. aasta lõpus tutvustas Ameerika ettevõte Bathys Hawaii esimest "randme" aatomkella. Põhikomponendina kasutavad nad Symmetricomi toodetud SA.45s kiipi. Kiibi sees on tseesium-133-ga kapsel. Kella disainis on ka fotoelemendid ja väikese võimsusega laser. Viimane tagab gaasilise tseesiumi kuumutamise, mille tulemusena hakkavad selle aatomid liikuma ühelt energiatasemelt teisele. Aja mõõtmine toimub lihtsalt sellise ülemineku fikseerimisega. Uue seadme maksumus on umbes 12 tuhat dollarit.
Miniaturiseerimise, autonoomia ja täpsuse suundumused viivad selleni, et lähitulevikus ilmuvad uued seadmed, mis kasutavad aatomkellasid kõigis inimelu valdkondades, alates kosmoseuuringutest tiirlevate satelliitide ja jaamade alal ning lõpetades kodumaiste rakendustega sise- ja randmesüsteemides.
