Atomklocka: funktionsprincip. Atomklocka: exakt tid är nyckeln till framsteg Atomklocka se tid

Atomklocka

Om vi utvärderar noggrannheten hos kvartsklockor utifrån deras korttidsstabilitet, så måste man säga att denna noggrannhet är mycket högre än pendelurs, som dock visar högre stabilitet under långtidsmätningar. I kvartsklockor orsakas oregelbundna rörelser av förändringar i den interna strukturen hos kvartsen och instabilitet i de elektroniska systemen.

Den huvudsakliga källan till frekvensinstabilitet är åldrandet av kvartskristallen som synkroniserar oscillatorfrekvensen. Visserligen har mätningar visat att åldrandet av kristallen, åtföljd av en ökning av frekvensen, sker utan stora fluktuationer och plötsliga förändringar. Trots. Denna åldrande försämrar den korrekta driften av en kvartsklocka och dikterar behovet av regelbunden övervakning av en annan enhet med en oscillator som har ett stabilt, oföränderligt frekvenssvar.

Den snabba utvecklingen av mikrovågsspektroskopi efter andra världskriget öppnade nya möjligheter för exakt mätning av tid genom frekvenser motsvarande lämpliga spektrallinjer. Dessa frekvenser, som kunde betraktas som frekvensstandarder, ledde till idén om att använda en kvantoscillator som en tidsstandard.

Detta beslut var en historisk vändning i kronometrins historia, eftersom det innebar att den tidigare giltiga astronomiska tidsenheten ersattes med en ny kvanttidsenhet. Denna nya tidsenhet introducerades som strålningsperioden för exakt definierade övergångar mellan energinivåerna hos molekylerna hos några speciellt utvalda ämnen. Efter intensiv forskning om detta problem under de tidiga efterkrigsåren var det möjligt att bygga en anordning som fungerade på principen om kontrollerad absorption av mikrovågsenergi i flytande ammoniak vid mycket låga tryck. De första experimenten med en anordning utrustad med ett absorptionselement gav dock inte de förväntade resultaten, eftersom expansionen av absorptionslinjen orsakad av ömsesidiga kollisioner av molekyler gjorde det svårt att bestämma frekvensen av själva kvantövergången. Endast genom metoden med en smal stråle av fritt flygande ammoniakmolekyler i USSR A.M. Prokhorov och N.G. Basov och i USA Townes från Columbia University lyckades avsevärt minska sannolikheten för ömsesidiga kollisioner av molekyler och praktiskt taget eliminera breddningen av spektrallinjen. Under dessa omständigheter kan ammoniakmolekyler redan spela rollen som en atomgenerator. En smal stråle av molekyler, som frigörs genom ett munstycke till ett vakuumutrymme, passerar genom ett ojämnt elektrostatiskt fält där molekylerna separeras. Molekyler i ett högre kvanttillstånd riktades till en avstämd resonator, där de släppte ut elektromagnetisk energi med en konstant frekvens på 23 870 128 825 Hz. Denna frekvens jämförs sedan med frekvensen för kvartsoscillatorn som ingår i atomurkretsen. Den första kvantgeneratorn, ammoniakmasern (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), byggdes på denna princip.

N.G. Basov, A.M. Prokhorov och Townes fick Nobelpriset i fysik 1964 för detta arbete.

Forskare från Schweiz, Japan, Tyskland, Storbritannien, Frankrike och sist men inte minst Tjeckoslovakien studerade också stabiliteten i frekvensen av ammoniakmasrar. Under perioden 1968-1979. Vid Institutet för radioteknik och elektronik vid den tjeckoslovakiska vetenskapsakademin byggdes flera ammoniakmasrar och sattes i provdrift, som fungerade som frekvensstandarder för att lagra exakt tid i tjeckoslovakiskt tillverkade atomur. De uppnådde frekvensstabilitet i storleksordningen 10-10, vilket motsvarar dagliga variationer på 20 miljondelar av en sekund.

För närvarande används atomfrekvens- och tidsstandarder huvudsakligen för två huvudändamål - för att mäta tid och för att kalibrera och övervaka basala frekvensstandarder. I båda fallen jämförs kvartsklockgeneratorns frekvens med atomstandardens frekvens.

Vid tidsmätning jämförs regelbundet frekvensen för atomstandarden och frekvensen för kristallklockgeneratorn, och baserat på de identifierade avvikelserna bestäms linjär interpolation och medeltidskorrigering. Den sanna tiden erhålls sedan från summan av kvartsklockavläsningarna och denna genomsnittliga tidskorrigering. I det här fallet bestäms felet som härrör från interpolation av karaktären av åldring av kvartsklockkristallen.

De exceptionella resultat som uppnåddes med atomtidsstandarder, med ett fel på endast 1 s per tusen år, var anledningen till att en ny definition av tidsenheten gavs vid den trettonde allmänna konferensen om vikter och mått, som hölls i Paris i oktober 1967 - en atomsekund, som nu definierades som 9 192 631 770 svängningar av strålningen från en cesium-133-atom.

Som vi indikerade ovan, när en kvartskristall åldras, ökar kvartsoscillatorns oscillationsfrekvens gradvis och skillnaden mellan frekvenserna för kvarts- och atomoscillatorn ökar kontinuerligt. Om kristallåldringskurvan är korrekt, räcker det att korrigera kvartsvibrationerna endast periodiskt, åtminstone med flera dagars intervall. På detta sätt behöver atomoscillatorn inte vara permanent kopplad till kvartsklocksystemet, vilket är mycket fördelaktigt eftersom inträngningen av störande influenser i mätsystemet är begränsad.

En schweizisk atomklocka med två molekylära ammoniakoscillatorer, demonstrerad på världsutställningen i Bryssel 1958, uppnådde en noggrannhet på hundra tusendels sekund per dag, vilket är ungefär tusen gånger mer exakt än exakta pendelur. Denna noggrannhet gör det redan möjligt att studera periodiska instabiliteter i rotationshastigheten för jordens axel. Grafen i fig. 39, som är ett slags skildring av kronometriska instruments historiska utveckling och förbättring av metoder för tidsmätning, visar hur noggrannheten i tidsmätningen nästan mirakulöst har ökat under flera århundraden. Bara under de senaste 300 åren har denna noggrannhet ökat mer än 100 000 gånger.

Ris. 39. Noggrannhet för kronometriska instrument under perioden 1930 till 1950.

Kemisten Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) var den första som upptäckte cesium, vars atomer, under rätt utvalda förhållanden, är kapabla att absorbera elektromagnetisk strålning med en frekvens på cirka 9192 MHz. Denna egenskap användes av Sherwood och McCracken för att skapa den första cesiumstråleresonatorn. Kort därefter riktade L. Essen, som arbetade vid National Physical Laboratory i England, sina ansträngningar på den praktiska användningen av en cesiumresonator för att mäta frekvenser och tid. I samarbete med den astronomiska gruppen United States Nevel Observatory har han redan 1955-1958. bestämde frekvensen av kvantövergången av cesium vid 9 192 631 770 Hz och associerade den med den då aktuella definitionen av efemerisk sekund, vilket långt senare, som nämnts ovan, ledde till upprättandet av en ny definition av tidsenheten. Följande cesiumresonatorer konstruerades vid National Research Council of Canada i Ottawa, vid Swiss des Researches Horlogeres-laboratoriet i Neuchâtel, etc. Den första kommersiella typen av industriellt tillverkad atomur lanserades på marknaden 1956 under namnet Atomichron av amerikanska företaget National Company Walden" i Massachusetts.

Atomklockornas komplexitet tyder på att användningen av atomoscillatorer endast är möjlig inom området för laboratorietidsmätning utförd med hjälp av stora mätanordningar. I själva verket var detta fallet tills nyligen. Miniatyriseringen har dock trängt in i detta område också. Det berömda japanska företaget Seiko-Hattori, som producerar komplexa kronografer med kristalloscillatorer, erbjöd det första atomarmbandsuret, återigen tillverkat i samarbete med det amerikanska företaget McDonnell Douglas Astronautics Company. Detta företag tillverkar även en miniatyrbränslecell, som är energikällan för de nämnda klockorna. Elektrisk energi i detta element som mäter 13? 6,4 mm ger radioisotopen prometium-147; Livslängden för detta element är fem år. Urboetten, tillverkad av tantal och rostfritt stål, är tillräckligt skydd mot elementets beta-strålar som sänds ut i miljön.

Astronomiska mätningar, studiet av planeternas rörelse i rymden och olika radioastronomistudier kan nu inte klara sig utan kunskap om den exakta tiden. Den noggrannhet som krävs av kvarts- eller atomur i sådana fall varierar inom miljondelar av en sekund. Med den växande noggrannheten hos den tillhandahållna tidsinformationen växte problemen med klocksynkronisering. Den en gång helt tillfredsställande metoden för radiosända tidssignaler på korta och långa vågor visade sig vara otillräckligt noggrann för att synkronisera två tidtagningsenheter som är placerade nära varandra med en noggrannhet på mer än 0,001 s, och nu är även denna noggrannhetsgrad ingen längre tillfredsställande.

En av de möjliga lösningarna - transport av hjälpklockor till platsen för jämförande mätningar - gavs genom miniatyrisering av elektroniska element. I början av 60-talet byggdes speciella kvarts- och atomur som kunde transporteras på flygplan. De kunde transporteras mellan astronomiska laboratorier och samtidigt gav de tidsinformation med en noggrannhet på en miljondels sekund. Till exempel, när 1967 miniatyrcesiumklockor tillverkade av det kaliforniska företaget Hewlett-Packard transporterades interkontinentalt, passerade denna enhet genom 53 laboratorier runt om i världen (det var också i Tjeckoslovakien), och med dess hjälp synkroniserades de lokala klockorna med noggrannhet 0,1 µs (0,0000001 s).

Kommunikationssatelliter kan också användas för mikrosekundtidsjämförelser. 1962 användes denna metod av Storbritannien och USA genom att sända en tidssignal via Telestar-satelliten. Mycket gynnsammare resultat till lägre kostnader uppnåddes dock genom att sända signaler med hjälp av tv-teknik.

Denna metod för att överföra exakt tid och frekvens med hjälp av tv-klockpulser utvecklades och utvecklades i tjeckoslovakiska vetenskapliga institutioner. Hjälpbäraren för tidsinformation här är de synkroniserande videopulserna, som inte på något sätt stör sändningen av TV-programmet. I detta fall finns det inget behov av att införa några ytterligare pulser i TV-bildsignalen.

Förutsättningen för att använda denna metod är att samma TV-program kan tas emot på platsen för de klockor som jämförs. Klockorna som jämförs är förinställda med en noggrannhet på några millisekunder och mätningen måste då utföras vid alla mätstationer samtidigt. Dessutom är det nödvändigt att känna till tidsskillnaden som krävs för att sända synkroniseringspulser från en gemensam källa, som är en TV-synkronisator, till mottagarna vid platsen för de klockor som jämförs.

Från boken How People Discovered their Land författare Tomilin Anatoly Nikolaevich

Kärnisbrytare av andra generationen Efter isbrytarflottans flaggskepp - kärnisbrytaren "Lenin", byggdes ytterligare tre kärnisbrytare, atomhjältar, i Leningrad. De kallas andra generationens isbrytare. Vad betyder detta? Kanske först och främst när du skapar nytt

Från boken Broken Sword of the Empire författare Kalashnikov Maxim

KAPITEL 14 AVBRUTEN FLYGNING AV EAGLES. RUSSIAN CRUISERS - HEAVY, NUCLEAR, MISSIL... 1 Vi skapar inte den här boken som en klagan över förlorad storhet. Även om vi kan skriva dussintals sidor som skildrar det nuvarande (skrivet 1996) tillstånd för det som en gång var den stora flottan

Från boken Andra världskriget av Beevor Anthony

Kapitel 50 Atombomber och Japans nederlag maj–september 1945 När Tyskland kapitulerade i maj 1945 fick de japanska arméerna i Kina order från Tokyo att börja dra sig tillbaka till östkusten. Chiang Kai-sheks nationalistiska trupper var hårt misshandlade under japanerna

författare

Solur Den vanligaste kronometriska enheten var utan tvekan soluret, baserat på solens uppenbara dagliga och ibland årliga rörelse. Sådana klockor dök upp inte tidigare än människan insåg förhållandet mellan längden och positionen för skuggan från dessa

Från boken Another History of Science. Från Aristoteles till Newton författare Kalyuzhny Dmitry Vitalievich

Vattenklockor Solur var en enkel och pålitlig tidsindikator, men hade några allvarliga nackdelar: deras funktion var beroende av vädret och var begränsad till tiden mellan soluppgång och solnedgång. Det råder ingen tvekan om att på grund av detta började forskare söka andra

Från boken Another History of Science. Från Aristoteles till Newton författare Kalyuzhny Dmitry Vitalievich

Eldklockor Förutom sol- och vattenur kom även de första eld- eller ljusklockorna från början av 1200-talet. Det är tunna ljus som är cirka en meter långa med en skala tryckt längs hela längden. De visade tiden relativt noggrant, och på natten belyste de också hemmen i kyrkan och

Från boken Another History of Science. Från Aristoteles till Newton författare Kalyuzhny Dmitry Vitalievich

Timglas Datumet för det första timglaset är också okänt. Men de, som oljelampor, dök inte upp tidigare än genomskinligt glas. Man tror att man i Västeuropa lärde sig om timglaset först i slutet av medeltiden; ett av de äldsta omnämnandena av

Från boken Jakten på atombomben: KGB fil nr 13 676 författare Chikov Vladimir Matveevich

3. Hur atomspioner föds

Från boken Sakura och eken (samling) författare Ovchinnikov Vsevolod Vladimirovich

En klocka utan visare ”Arvingar till ett samhälle som har investerat för mycket i ett imperium; människor omgivna av de fallfärdiga resterna av ett smältande arv, kunde de inte förmå sig att, i ett krisögonblick, överge minnen från det förflutna och ändra sitt förlegade sätt att leva. Hejdå ansikte

Från boken Andra världskriget: misstag, misstag, förluster av Dayton Len

20. HOURS OF Darkness Låt oss sjunga en sång om unga piloter, Om det inte var för kriget, skulle de sitta vid en skolbänk. Song of No. 55 Squadron RAF, skriven runt 1918 Brittiska jaktplan segrade i slaget om Storbritannien, men stridsflygplan drabbades

Från boken Everyday Life of the Noble Class in the Golden Age of Catherine författare Eliseeva Olga Igorevna

På morgontimmarna tände kejsarinnan själv eldstaden, tände ljus och en lampa och satte sig vid sitt skrivbord i det speglade kontoret - dagens första timmar ägnades åt hennes personliga litterära övningar. Hon sa en gång till Gribovsky att "du kan inte gå en dag utan att kissa."

Från boken Den stora segern i Fjärran Östern. Augusti 1945: från Transbaikalia till Korea [redigerad] författare Alexandrov Anatoly Andreevich

Kapitel VII American Atomic Strikes 1 april 25 visade sig vara särskilt märkbar för båda samtalspartnerna. Krigsminister Stimson hade varit förberedd för denna rapport sedan början av månaden, men president Roosevelts plötsliga död störde högre tjänstemäns kontaktscheman.

Från boken Ryska Amerika författare Burlak Vadim Niklasovich

Under vilotimmar var Baranov känd för sin gästfrihet och kärlek till att vara värd för fester. Ryssar, infödda och utländska sjömän påminde om detta. Även i tider av hungersnöd för kolonin fann han en möjlighet att behandla inbjudna och tillfälliga gäster, om han tog slut

Från boken Ramses Egypten av Monte Pierre

IV. Klocka Egyptierna delade in året i tolv månader och delade på samma sätt in dagen i tolv timmar och natten i tolv. Det är osannolikt att de delat upp timmen i mindre tidsperioder. Ordet "vid", som översätts som "ögonblick", har ingen specifik

Från boken Världens största spioner av Wighton Charles

KAPITEL 12 "ATOM" SPIONER I gryningen den 16 juli 1945, när Churchill, Truman och Stalin samlades i Berlin för Potsdamkonferensen, detonerades den första atombomben i Alamogordoöknen, New Mexico. På kullarna, två mil från platsen för explosionen, låg

Från boken Russian Explorers - the Glory and Pride of Rus' författare Glazyrin Maxim Yurievich

Atomreaktorer och elektroniska kristaller Konstantin Chilovsky (f. 1881), rysk ingenjör, uppfinnare. Uppfann en anordning för att upptäcka ubåtar, mycket använd under första världskriget (1914–1918). Han tilldelades den franska orden för sin uppfinning.

Har du någonsin märkt att dina klockor i ditt hus visar olika tider? Och hur vet du vilket av alla alternativ som är rätt? Vi kommer att lära oss svaren på alla dessa frågor genom att noggrant studera atomurs funktionsprincip.

Denna artikel är avsedd för personer över 18 år

Har du redan fyllt 18?

Atomklocka: beskrivning och funktionsprincip

Låt oss först förstå vad atomklockans mekanism är. En atomklocka är en anordning med vilken tid mäts, men den använder sina egna vibrationer som periodiciteten i processen, och allt händer på atomär och molekylär nivå. Därav sådan noggrannhet.

Det är säkert att säga att atomur är de mest exakta! Det är tack vare dem som internet och GPS-navigering fungerar i världen, vi vet den exakta platsen för planeterna i solsystemet. Felet med denna enhet är så minimalt att vi med säkerhet kan säga att de är i världsklass! Tack vare atomklockan sker hela världens synkronisering, det är känt var vissa förändringar finns.

Vem uppfann, vem skapade och även vem kom på denna mirakelklocka?

Tillbaka i början av 40-talet av 1900-talet var det känt om den atomära strålen av magnetisk resonans. Till en början hade dess tillämpning ingenting med klockor att göra - det var bara en teori. Men redan 1945 föreslog Isidor Rabi att skapa en apparat, vars koncept var att de skulle fungera utifrån den teknik som beskrivs ovan. Men de var designade på ett sådant sätt att de inte visade exakta resultat. Och redan 1949 meddelade National Bureau of Standards hela världen om skapandet av den första atomklockan, som var baserad på molekylära föreningar av ammoniak, och redan 1952 behärskades teknologier för att skapa en prototyp baserad på cesiumatomer.

Efter att ha hört talas om ammoniak- och cesiumatomer uppstår frågan: är denna underbara klocka radioaktiv? Svaret är klart - nej! Det finns inget atomärt förfall i dem.

Nuförtiden finns det många material som atomur tillverkas av. Detta är till exempel kisel, kvarts, aluminium och till och med silver.

Hur fungerar enheten?

Låt oss ta reda på hur en atomenergiklocka ser ut och hur den fungerar. För att göra detta erbjuder vi en beskrivning av deras arbete:

För att just denna klocka ska fungera korrekt behövs varken en pendel eller en kvartsoscillator. De använder signaler som uppstår från kvantövergången av en enskild elektron mellan två energinivåer i en atom. Som ett resultat kan vi observera en elektromagnetisk våg. Med andra ord får vi frekventa fluktuationer och en ultrahög nivå av systemstabilitet. Varje år, på grund av nya upptäckter, moderniseras processer. För inte så länge sedan blev specialister från National Institute of Standards and Technology (NIST) rekordhållare och satte ett absolut världsrekord. De kunde få atomklockans noggrannhet (baserat på strontium) till den allra minsta avvikelsen, nämligen: om 15 miljarder år tickar en sekund förbi. Ja, ja, du trodde inte det, det här är exakt den ålder som för närvarande tilldelas vårt universum. Detta är en kolossal upptäckt! Det var trots allt strontium som spelade den viktigaste rollen i denna skiva. En analog till "fästingen" var de rörliga strontiumatomerna i dess rumsliga gitter, som forskare skapade med hjälp av en laser. Som alltid inom vetenskapen verkar allt i teorin förtrollande och redan förbättrat, men instabiliteten i ett sådant system kan visa sig vara mindre glädjefullt i praktiken. Det är just på grund av dess instabilitet som cesiumanordningen har vunnit popularitet över hela världen.

Låt oss nu titta på vad en sådan enhet består av. Huvuddetaljerna här är:

kvantdiskriminator;
kvartsgenerator;
elektronik.

En kvartsoscillator liknar en självoscillator, men för att producera ett resonanselement använder den piezoelektriska lägen av en kvartskristall.

Med en kvantdiskriminator och en kvartsoscillator, under påverkan av deras frekvens, jämförs de och när en skillnad detekteras kräver återkopplingskretsen att kvartsoscillatorn justerar till det önskade värdet och ökar stabiliteten och noggrannheten. Som ett resultat ser vi vid utgången det exakta värdet på urtavlan, och därför den exakta tiden.

De tidiga modellerna var ganska stora i storleken, men i oktober 2013 slog företaget Bathys Hawaii till genom att släppa ett atomarmbandsur i miniatyr. Först tog alla detta uttalande som ett skämt, men det stod snart klart att det verkligen var sant, och det fungerar på grundval av en Cesium 133-atomkälla. Enhetens säkerhet säkerställs av det faktum att det radioaktiva elementet finns i form av en gas i en speciell kapsel. Foton på denna enhet har spridits över hela världen.

Många människor i ämnet atomur är intresserade av frågan om strömkälla. Ett litiumjonbatteri används som batteri. Men tyvärr, det är ännu inte känt hur länge ett sådant batteri kommer att hålla.

BathysHawaiis klocka var verkligen det första atomarmbandsuret. Tidigare fanns det redan kända fall av lanseringen av en relativt bärbar enhet, men tyvärr hade den inte en atomkraftkälla, utan bara synkroniserad med en riktig dimensionell klocka via trådlös radio. Det är också värt att nämna kostnaden för en sådan pryl. Nöjet värderades till 12 tusen US-dollar. Det var tydligt att med ett sådant pris skulle klockan inte vinna stor popularitet, men företaget strävade inte efter detta, eftersom det släppte den i en mycket begränsad sats.

Vi känner till flera typer av atomur. Det finns inga signifikanta skillnader i deras design och principer, men det finns fortfarande vissa skillnader. Så de viktigaste är sätten att hitta förändringar och deras element. Följande typer av klockor kan särskiljas:

Väte. Deras kärna ligger i det faktum att väteatomer stöds på den erforderliga energinivån, men väggarna är gjorda av ett speciellt material. Utifrån detta drar vi slutsatsen att det är väteatomer som mycket snabbt förlorar sitt energitillstånd.
Cesium. De är baserade på cesiumbalkar. Det är värt att notera att dessa klockor är de mest exakta.
Rubidium. De är de enklaste och mycket kompakta.

Som nämnts tidigare är atomklockor en mycket dyr pryl. Således är Hoptroff fickur nr 10 en ljus representant för en ny generation leksaker. Priset för ett så snyggt och mycket exakt tillbehör är 78 tusen dollar. Endast 12 exemplar producerades. Mekanismen för denna enhet använder ett högfrekvent oscillerande system, som också är utrustat med en GPS-signal.

Företaget stannade inte där, och i sin tionde version av klockan vill man använda metoden att placera mekanismen i ett guldfodral, som ska skrivas ut på en populär 3D-skrivare. Det har ännu inte beräknats exakt hur mycket guld som kommer att användas för den här versionen av fallet, men det uppskattade priset för detta mästerverk är redan känt - det var cirka 50 tusen pund sterling. Och detta är inte det slutliga priset, även om det tar hänsyn till alla forskningsvolymer, såväl som nyheten och unikheten hos själva gadgeten.

Historiska fakta om användningen av klockor

Hur kan vi prata om atomur utan att nämna de mest intressanta fakta som är förknippade med dem och tiden i allmänhet:

Visste du att det äldsta soluret hittades i det gamla Egypten?
Atomklockornas fel är minimalt - det är bara 1 sekund per 6 miljoner år.
Alla vet att det går 60 sekunder i en minut. Men få människor grävde ner sig i hur många millisekunder det är på en sekund? Och det finns inte många och inte få av dem – tusen!
Varje turist som kunde besöka London ville alltid se Big Ben med sina egna ögon. Men tyvärr är det inte många som vet att Big Ben inte alls är ett torn, utan namnet på en enorm klocka som väger 13 ton och ringer inne i tornet.
Har du någonsin undrat varför visarna på våra klockor går från vänster till höger eller, som vi brukade säga, "medurs"? Detta faktum är direkt relaterat till hur skuggan rör sig på ett solur.
De allra första armbandsklockorna uppfanns redan 1812. De gjordes av grundaren av Breguet för drottningen av Neapolitan.
Före första världskriget ansågs armbandsur bara vara en kvinnlig accessoar, men snart, på grund av deras bekvämlighet, valdes de också av den manliga delen av befolkningen.

Isidor Rabi, fysikprofessor vid Columbia University, har föreslagit ett aldrig tidigare skådat projekt: en klocka som fungerar enligt principen om en atomstråle av magnetisk resonans. Detta hände 1945, och redan 1949 släppte National Bureau of Standards den första fungerande prototypen. Den avläser ammoniakmolekylens vibrationer. Cesium kom i användning mycket senare: NBS-1-modellen dök upp först 1952.

National Physical Laboratory i England skapade den första cesiumstråleklockan 1955. Mer än tio år senare, under generalkonferensen om vikter och mått, presenterades en mer avancerad klocka, även den baserad på vibrationer i cesiumatomen. Modell NBS-4 användes fram till 1990.

Typer av klockor

För närvarande finns det tre typer av atomur, som fungerar på ungefär samma princip. Cesiumklockor, de mest exakta, separerar cesiumatomen med ett magnetfält. Den enklaste atomklockan, rubidiumklockan, använder rubidiumgas innesluten i en glaskolv. Och slutligen tar väteatomklockan som referenspunkt väteatomer, stängda i ett skal av ett speciellt material - det hindrar atomerna från att snabbt förlora energi.

Vad är klockan nu

1999 föreslog amerikanska National Institute of Standards and Technology (NIST) en ännu mer avancerad version av atomuret. NIST-F1-modellen tillåter ett fel på endast en sekund var tjugonde miljon år.

Den mest exakta

Men NIST-fysiker slutade inte där. Forskare bestämde sig för att utveckla en ny kronometer, denna gång baserad på strontiumatomer. Den nya klockan fungerar på 60 % av den tidigare modellen, vilket innebär att den tappar en sekund inte på tjugo miljoner år, utan på så många som fem miljarder.

Mätning av tid

Internationell överenskommelse har bestämt den enda exakta frekvensen för resonansen hos en cesiumpartikel. Detta är 9 192 631 770 hertz - att dividera utsignalen med detta nummer motsvarar exakt en cykel per sekund.

För det första använder mänskligheten klockor som ett medel för programtidskontroll.

För det andra, idag är tidsmätning den mest exakta typen av mätning av alla: noggrannheten av tidsmätning bestäms nu av ett otroligt fel i storleksordningen 1·10-11%, eller 1 s på 300 tusen år.

Och moderna människor uppnådde en sådan noggrannhet när de började använda atomer, som, som ett resultat av deras svängningar, är regulatorn för atomklockan. Cesiumatomer är i två energitillstånd vi behöver (+) och (-). Elektromagnetisk strålning med en frekvens på 9 192 631 770 hertz produceras när atomer ändras från (+) tillståndet (-), vilket skapar en exakt, konstant periodisk process - regulatorn av atomklockans kod.

För att atomklockorna ska fungera korrekt måste cesium förångas i en ugn, en process som frigör sina atomer. Bakom ugnen finns en sorteringsmagnet, som har kapaciteten av atomer i (+) tillstånd, och i den, på grund av bestrålning i mikrovågsfältet, går atomerna in i (-) tillstånd. Den andra magneten riktar atomerna som har ändrat tillstånd (+) till (-) in i den mottagande enheten. Många atomer som har ändrat tillstånd erhålls endast om mikrovågssändarens frekvens exakt sammanfaller med cesiumvibrationsfrekvensen på 9 192 631 770 hertz. Annars minskar antalet atomer (-) i den mottagande enheten.

Enheterna övervakar och reglerar konstant den konstanta frekvensen på 9 192 631 770 hertz. Det betyder att klockdesigners dröm har gått i uppfyllelse, en absolut konstant periodisk process har hittats: en frekvens på 9 192 631 770 hertz, som reglerar atomurs förlopp.

Idag, som ett resultat av internationell överenskommelse, definieras en andra som strålningsperioden multiplicerad med 9 192 631 770, vilket motsvarar övergången mellan två hyperfina strukturella nivåer av cesiumatomens grundtillstånd (isotop cesium-133).

För att mäta exakt tid kan du också använda vibrationer av andra atomer och molekyler, såsom atomer av kalcium, rubidium, cesium, strontium, vätemolekyler, jod, metan, etc. Emellertid är strålningen från cesiumatomen igenkänd som frekvensen standard. För att jämföra olika atomers vibrationer med en standard (cesium) skapades en titan-safirlaser som genererar ett brett spektrum av frekvenser i intervallet från 400 till 1000 nm.

Den första skaparen av kvarts- och atomur var en engelsk experimentell fysiker Essen Lewis (1908-1997). 1955 skapade han den första standarden för atomfrekvens (tid) med hjälp av en stråle av cesiumatomer. Som ett resultat av detta arbete uppstod 3 år senare (1958) en tidstjänst baserad på atomfrekvensstandarden.

I Sovjetunionen lade akademikern Nikolai Gennadievich Basov fram sina idéer för att skapa en atomur.

Så, atomur, En av de exakta typerna av klockor är en anordning för att mäta tid, där de naturliga vibrationerna hos atomer eller molekyler används som en pendel. Atomklockornas stabilitet är den bästa bland alla befintliga typer av klockor, vilket är nyckeln till högsta noggrannhet. Atomklockgeneratorn producerar mer än 32 768 pulser per sekund, till skillnad från konventionella klockor. Atomvibrationer är inte beroende av lufttemperatur, vibrationer, luftfuktighet och många andra yttre faktorer.

I den moderna världen, när du helt enkelt inte kan klara dig utan navigering, har atomklockor blivit oumbärliga assistenter. De är kapabla att bestämma platsen för ett rymdskepp, satellit, ballistisk missil, flygplan, ubåt, bil automatiskt via satellitkommunikation.

De senaste 50 åren har alltså atomur, eller snarare cesiumur, ansetts vara de mest exakta. De har länge använts av tidstjänster, och tidssignaler sänds även av vissa radiostationer.

Atomklockan innehåller 3 delar:

kvantdiskriminator,

kvarts oscillator,

elektronikkomplex.

Kvartsoscillatorn genererar en frekvens (5 eller 10 MHz). Oscillatorn är en RC-radiogenerator, som använder piezoelektriska lägen av en kvartskristall som ett resonanselement, där atomer som har ändrat tillstånd (+) till (-) jämförs. För att öka stabiliteten jämförs dess frekvens konstant med svängningarna av en kvantdiskriminator (atomer eller molekyler). När en oscillationsskillnad uppstår justerar elektroniken kvartsoscillatorns frekvens till noll och ökar därigenom klockans stabilitet och noggrannhet till önskad nivå.

I den moderna världen kan atomklockor tillverkas i alla länder i världen för användning i vardagen. De är väldigt små i storleken och vackra. Den senaste atomklockan är inte större än en tändsticksask och har låg strömförbrukning på mindre än 1 watt. Och detta är inte gränsen, kanske i framtiden kommer tekniska framsteg att nå mobiltelefoner. Under tiden installeras kompakta atomklockor endast på strategiska missiler för att öka navigeringsnoggrannheten många gånger om.

Idag kan herr- och damklockor för alla smaker och plånböcker köpas i nätbutiker.

2011 skapades världens minsta atomklocka av specialister från Symmetricom och Sandia National Laboratories. Denna klocka är 100 gånger mer kompakt än tidigare kommersiellt tillgängliga versioner. Storleken på en atomkronometer är inte större än en tändsticksask. För att fungera behöver den bara 100 mW effekt - det är 100 gånger mindre jämfört med sina föregångare.

Det var möjligt att minska storleken på klockan genom att istället för fjädrar och växlar installera en mekanism som fungerar enligt principen att bestämma frekvensen av elektromagnetiska vågor som emitteras av cesiumatomer under påverkan av en laserstråle med försumbar kraft.

Sådana klockor används i navigering, såväl som i arbetet med gruvarbetare, dykare, där det är nödvändigt att exakt synkronisera tid med kollegor på ytan, såväl som exakta tidstjänster, eftersom felet hos atomur är mindre än 0,000001 fraktioner en sekund per dag. Kostnaden för det rekordlita atomuret Symmetricom var cirka 1 500 dollar.