Atoomklokken: nauwkeurige tijd is de sleutel tot vooruitgang.

Vaak horen we de zin dat atoomklok altijd de juiste tijd weergeven. Maar uit hun naam is het moeilijk te begrijpen waarom atoomklokken het meest nauwkeurig zijn of hoe ze werken.

Het feit dat de naam het woord "atomic" bevat, betekent helemaal niet dat het horloge een gevaar voor het leven is, ook al komen de gedachten aan een atoombom of een kerncentrale meteen te binnen. In dit geval hebben we het alleen over het principe van de klok. Als in een gewone mechanische klok tandwielen oscillerende bewegingen maken en hun bewegingen worden geteld, dan worden in atoomklokken oscillaties van elektronen in atomen geteld. Laten we, om het werkingsprincipe beter te begrijpen, de fysica van elementaire deeltjes in herinnering brengen.

Alle stoffen in onze wereld zijn opgebouwd uit atomen. Atomen zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen. Protonen en neutronen vormen samen een kern, ook wel een nucleon genoemd. Elektronen bewegen rond de kern, die zich op verschillende energieniveaus kan bevinden. Het meest interessante is dat een elektron bij het opnemen of afgeven van energie van zijn energieniveau naar een hoger of lager niveau kan gaan. Een elektron kan energie ontvangen van elektromagnetische straling, die bij elke overgang absorbeert of uitzendt electromagnetische straling bepaalde frequentie.

Meestal zijn er horloges waarin atomen van het element Cesium -133 worden gebruikt om te veranderen. Als in 1 seconde de slinger conventionele horloges maakt 1 oscillerende beweging, dan de elektronen in atoomklokken gebaseerd op Cesium-133, wanneer ze van het ene energieniveau naar het andere gaan, zenden ze elektromagnetische straling uit met een frequentie van 9192631770 Hz. Het blijkt dat één seconde is verdeeld in precies dit aantal intervallen, als het wordt berekend in atoomklokken. Deze waarde werd in 1967 officieel aangenomen door de internationale gemeenschap. Stel je een enorme wijzerplaat voor, waar er geen 60 zijn, maar 9192631770 divisies, die slechts 1 seconde zijn. Het is niet verwonderlijk dat atoomklokken zo nauwkeurig zijn en een aantal voordelen hebben: atomen verouderen niet, verslijten niet en de oscillatiefrequentie zal altijd hetzelfde zijn voor één chemisch element, waardoor het mogelijk is om tegelijkertijd te vergelijken, voor bijvoorbeeld de lezingen van atoomklokken ver in de ruimte en op aarde, niet bang voor fouten.

Dankzij atoomklokken kon de mensheid in de praktijk de juistheid van de relativiteitstheorie testen en ervoor zorgen dat, dan op aarde. Atoomklokken zijn geïnstalleerd op veel satellieten en ruimtevaartuigen, ze worden gebruikt voor telecommunicatiebehoeften, voor mobiele communicatie, ze vergelijken de exacte tijd op de hele planeet. Zonder overdrijving was het dankzij de uitvinding van de atoomklok dat de mensheid het tijdperk van geavanceerde technologie kon betreden.

Hoe werken atoomklokken?

Cesium-133 wordt verwarmd door cesiumatomen te verdampen, die door een magnetisch veld worden geleid, waar atomen met de gewenste energietoestanden worden geselecteerd.

Vervolgens gaan de geselecteerde atomen door een magnetisch veld met een frequentie dichtbij 9192631770 Hz, wat een kwartsoscillator creëert. Onder invloed van het veld veranderen de cesiumatomen opnieuw van energietoestand en vallen ze op de detector, die vaststelt wanneer het grootste aantal binnenkomende atomen de "juiste" energietoestand zal hebben. Maximaal aantal atomen met een veranderde energietoestand geven aan dat de frequentie van het microgolfveld correct is gekozen en dat de waarde ervan wordt ingevoerd elektronisch apparaat- frequentiedeler, die, door de frequentie met een geheel aantal keren te verminderen, het getal 1 krijgt, wat de referentieseconde is.

De cesiumatomen worden dus gebruikt om de juiste frequentie te controleren van het magnetische veld dat door de kristaloscillator wordt geproduceerd, waardoor het constant wordt gehouden.

Het is interessant: hoewel de atoomklokken die tegenwoordig bestaan ​​ongekend nauwkeurig zijn en miljoenen jaren foutloos kunnen werken, zullen natuurkundigen daar niet stoppen. Verschillende atomen gebruiken chemische elementen, werken ze constant aan het verbeteren van de nauwkeurigheid van atoomklokken. Van de nieuwste uitvindingen - atoomklokken aan strontium, die drie keer nauwkeuriger zijn dan hun cesium-tegenhanger. Het zou 15 miljard jaar duren om slechts een seconde achter te blijven - een tijd langer dan de leeftijd van ons universum...

Als u een fout vindt, markeer dan een stuk tekst en klik op Ctrl+Enter.

De atoomklok is een apparaat voor zeer nauwkeurige tijdmeting. Ze danken hun naam aan het principe van hun werk, omdat natuurlijke trillingen van moleculen of atomen als periode worden gebruikt. Atoomklokken worden veel gebruikt in de navigatie, de ruimtevaartindustrie, satellietpositionering, het leger, vliegtuigdetectie en telecommunicatie.

Zoals je kunt zien, zijn er veel toepassingsgebieden, maar waarom hebben ze allemaal zo'n nauwkeurigheid nodig, omdat de fout van gewone atoomklokken tegenwoordig slechts 1 seconde in 30 miljoen jaar is? Maar er is nog preciezer. Alles is begrijpelijk, want tijd wordt gebruikt om afstanden te berekenen, en daar kan een kleine fout leiden tot honderden meters, of zelfs kilometers, als we kosmische afstanden nemen. Laten we bijvoorbeeld het Amerikaanse GPS-navigatiesysteem nemen, bij gebruik van conventionele elektronische klok, zal de fout bij het meten van de coördinaten behoorlijk groot zijn, wat van invloed kan zijn op alle andere berekeningen, en dit kan gevolgen hebben als we zijn aan het praten over ruimtetechnologieën. Voor GPS-ontvangers in mobiele apparaten en andere gadgets is een grotere nauwkeurigheid natuurlijk helemaal niet belangrijk.

De meest nauwkeurige tijd in Moskou en de wereld is te vinden op de officiële website - "server van de exacte huidige tijd" www.timeserver.ru

Waar zijn atoomklokken van gemaakt?

Een atoomklok bestaat uit verschillende hoofdonderdelen: een kwartsoscillator, een kwantumdiscriminator en elektronicablokken. De belangrijkste referentie-instelling is een kwartsoscillator, die is gebouwd op kwartskristallen en in de regel een standaardfrequentie van 10, 5, 2,5 MHz produceert. Omdat de stabiele werking van kwarts zonder fouten vrij klein is, moet deze constant worden aangepast.

De kwantumdiscriminator stelt de frequentie van de atomaire lijn vast en wordt in de frequentie-fasevergelijker vergeleken met de frequentie van de kwartsoscillator. De comparator heeft feedback naar de kristaloscillator om deze aan te passen in het geval van een mismatch in de frequentie.
Atoomklokken kunnen niet op alle atomen worden gebouwd. Het meest optimale is het cesiumatoom. Het verwijst naar de primaire waarmee alle anderen worden vergeleken. geschikte materialen, zoals: strontium, rubidium, calcium. De primaire standaard is absoluut geschikt voor het meten van exacte tijd, daarom wordt deze primair genoemd.

De meest nauwkeurige atoomklok ter wereld

Tot op heden meest nauwkeurige atoomklok zijn in het VK (officieel geaccepteerd). Hun fout is slechts 1 seconde in 138 miljoen jaar. Ze zijn de standaard voor de nationale tijdstandaarden van veel landen, waaronder de Verenigde Staten, en bepalen ook de internationale atoomtijd. Maar in het koninkrijk zijn er niet de meest nauwkeurige klokken op aarde.

meest nauwkeurige atoomklokfoto

De VS beweerden een experimenteel type precisieklok te hebben ontwikkeld op basis van cesiumatomen, met een fout van 1 seconde in bijna 1,5 miljard jaar. De wetenschap op dit gebied staat niet stil en ontwikkelt zich in hoog tempo.

, Galileo) zijn onmogelijk zonder atoomklokken. Atoomklokken worden ook gebruikt in satelliet- en terrestrische telecommunicatiesystemen, waaronder basisstations voor mobiele telefoons, internationale en nationale normalisatiebureaus en tijdwaarnemingsdiensten die periodiek tijdsignalen via de radio uitzenden.

Klok apparaat

De klok bestaat uit verschillende onderdelen:

• kwantumdiscriminatie,
• elektronica-complex.

Nationale centra voor frequentiestandaarden

Veel landen hebben nationale centra gevormd voor tijd- en frequentienormen:

• (VNIIFTRI), dorp Mendeleevo, regio Moskou;
• (NIST), Boulder (VS, Colorado);
• Nationaal Instituut voor geavanceerde industriële wetenschap en technologie (AIST), Tokio (Japan);
• Federaal Fysiek en Technisch Agentschap (Duits)(PTB), Braunschweig (Duitsland);
• Nationaal laboratorium voor metrologie en testen (fr.)(LNE), Parijs (Frankrijk).
• UK National Physical Laboratory (NPL), Londen, VK.

Wetenschappers verschillende landen werken aan de verbetering van atoomklokken en de daarop gebaseerde primaire normen van tijd en frequentie, neemt de nauwkeurigheid van dergelijke klokken gestaag toe. In Rusland wordt uitgebreid onderzoek gedaan naar het verbeteren van de eigenschappen van atoomklokken.

Soorten atoomklokken

Niet elk atoom (molecuul) is geschikt als discriminator voor atoomklokken. Kies atomen die ongevoelig zijn voor verschillende invloeden van buitenaf: magnetisch, elektrisch en elektromagnetische velden. Er zijn dergelijke atomen in elk bereik van het elektromagnetische stralingsspectrum. Dit zijn: atomen van calcium, rubidium, cesium, strontium, moleculen van waterstof, jodium, methaan, osmium (VIII) oxide, enz. De hyperfijne overgang van het cesiumatoom werd gekozen als de belangrijkste (primaire) frequentiestandaard. De kenmerken van alle andere (secundaire) normen worden met deze norm vergeleken. Om een ​​dergelijke vergelijking te kunnen maken, worden momenteel zogenaamde optische kammen gebruikt. (Engels)- straling met een breed frequentiespectrum in de vorm van equidistante lijnen, waarvan de afstand gebonden is aan de atomaire frequentiestandaard. Optische kammen worden verkregen met behulp van een femtoseconde laser met modusvergrendeling en microgestructureerde vezels, waarbij het spectrum wordt verbreed tot één octaaf.

In 2006 ontwikkelden onderzoekers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology onder leiding van Jim Bergquist (eng. Jim Bergquist) een enkele atoomklok. Tijdens overgangen tussen de energieniveaus van het kwik-ion worden fotonen van het zichtbare bereik gegenereerd met een stabiliteit die 5 keer hoger is dan de microgolfstraling van cesium-133. De nieuwe klok kan ook worden toegepast in studies naar de afhankelijkheid van fundamentele natuurconstanten van tijd. Vanaf april 2015 is de meest nauwkeurige atoomklok gebouwd door het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology. De fout was slechts één seconde in 15 miljard jaar. Relativistische geodesie werd genoemd als een van de mogelijke toepassingen van klokken, met als belangrijkste idee het gebruik van een netwerk van klokken als zwaartekrachtsensoren, die zullen helpen om ongelooflijk gedetailleerde driedimensionale metingen van de vorm van de aarde te maken.

Actieve ontwikkeling van compacte atoomklokken voor gebruik in het dagelijks leven is aan de gang ( polshorloge, mobiele toestellen). Begin 2011, een Amerikaans bedrijf Symmetrisch kondigde de commerciële release aan van een cesium-atoomklok ter grootte van een kleine chip. De klok werkt op basis van het effect van coherente populatievangst. Hun stabiliteit is 5 10 -11 per uur, gewicht - 35 g, stroomverbruik - 115 mW.

Opmerkingen:

1. Nieuw record voor nauwkeurigheid van atoomklokken (onbepaald) . Membraan (5 februari 2010). Ontvangen 4 maart 2011. Gearchiveerd van het origineel op 9 februari 2012.
2. Deze frequenties zijn typerend voor precisiekwartsresonatoren, met de hoogste kwaliteitsfactor en frequentiestabiliteit die haalbaar is met behulp van het piëzo-elektrische effect. In het algemeen worden kristaloscillatoren gebruikt bij frequenties van enkele kHz tot enkele honderden MHz. ( Altshuller G.B., Elfimov N.N., Shakulin V.G. Kristaloscillatoren: een referentiegids. - M.: Radio en communicatie, 1984. - S. 121, 122. - 232 p. - 27.000 exemplaren.)
3. N.G. Basov en V.S. Letokhov Optische frequentiestandaarden. // UFN. - 1968. - T. 96, nr. 12.
4. Nationale metrologische laboratoria. NIST, 3 februari 2011 (Ontvangen 14 juni 2011)
5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Optische klok met één atoom met hoge nauwkeurigheid // Phys. ds. Let. . - American Physical Society, 4 juli 2006. - Vol. 97, nee. 2. -

Artikelen archiveren

Welke "horlogemakers" hebben dit uiterst nauwkeurige uurwerk uitgevonden en geperfectioneerd? Is er een vervanger voor hem? Laten we proberen het uit te zoeken.

In 2012 viert de atoomtijdwaarneming haar 45e verjaardag. In 1967 werd de tijdscategorie in het Internationale Stelsel van Eenheden niet bepaald door astronomische schalen, maar door de cesiumfrequentiestandaard. Het is bij gewone mensen dat ze het een atoomklok noemen.

Wat is het werkingsprincipe van atomaire oscillatoren? Als bron van resonantiefrequentie gebruiken deze "apparaten" de kwantumenergieniveaus van atomen of moleculen. Kwantummechanica heeft betrekking op het systeem " atoomkern- elektronen "verschillende discrete energieniveaus. Een elektromagnetisch veld van een bepaalde frequentie kan een overgang van dit systeem van laag niveau naar een hogere. Het omgekeerde fenomeen is ook mogelijk: een atoom kan met de uitstoot van energie van een hoog energieniveau naar een lager energieniveau gaan. Beide fenomenen kunnen worden gecontroleerd en deze energiesprongen tussen niveaus kunnen worden vastgesteld, waardoor een schijn van een oscillerend circuit wordt gecreëerd. De resonantiefrequentie van dit circuit zal gelijk zijn aan het energieverschil tussen de twee overgangsniveaus, gedeeld door de constante van Planck.

De resulterende atomaire oscillator heeft onmiskenbare voordelen ten opzichte van zijn astronomische en mechanische voorgangers. De resonantiefrequentie van alle atomen van de stof gekozen voor de oscillator zal hetzelfde zijn, in tegenstelling tot slingers en piëzokristallen. Bovendien verslijten atomen niet en veranderen ze hun eigenschappen niet in de loop van de tijd. Perfecte optie voor een bijna eeuwigdurende en uiterst nauwkeurige chronometer.

Voor het eerst werd in 1879 door de Britse natuurkundige William Thomson, beter bekend als Lord Kelvin, de mogelijkheid overwogen om energieovergangen tussen niveaus in atomen als frequentiestandaard te gebruiken. Hij stelde voor om waterstof te gebruiken als bron van resonatoratomen. Zijn onderzoek was echter meer theoretisch van aard. De toenmalige wetenschap was nog niet klaar om een ​​atomaire chronometer te ontwikkelen.

Het duurde bijna honderd jaar voordat Lord Kelvins idee werkelijkheid werd. Het was een lange tijd, maar de taak was ook niet gemakkelijk. Van atomen ideale slingers maken bleek in de praktijk moeilijker dan in theorie. De moeilijkheid zat in de strijd met de zogenaamde resonantiebreedte - een kleine fluctuatie in de frequentie van absorptie en emissie van energie terwijl atomen van niveau naar niveau gaan. De verhouding van de resonantiefrequentie tot de resonantiebreedte bepaalt de kwaliteit van de atomaire oscillator. Het is duidelijk dat wat meer waarde resonantiebreedte, hoe lager de kwaliteit van de atomaire slinger. Helaas is het niet mogelijk om de resonantiefrequentie te verhogen om de kwaliteit te verbeteren. Het is constant voor de atomen van elke specifieke stof. Maar de resonantiebreedte kan worden verminderd door de observatietijd voor atomen te vergroten.

Technisch kan dit als volgt worden bereikt: laat een externe, bijvoorbeeld kwarts, oscillator periodiek elektromagnetische straling opwekken, waardoor de atomen van de donorsubstantie gedwongen worden over energieniveaus te springen. In dit geval is de taak van de tuner van de atomaire chronograaf de maximale benadering van de frequentie van deze kwartsoscillator tot de resonantiefrequentie van de interniveau-overgang van atomen. Dit wordt mogelijk bij een voldoende lange observatieperiode van de trillingen van atomen en de schepping feedback, die de frequentie van kwarts regelt.

Het is waar dat naast het probleem van het verminderen van de resonantiebreedte in een atomaire chronograaf, er nog vele andere problemen zijn. Dit is het Doppler-effect - een verschuiving in de resonantiefrequentie als gevolg van de beweging van atomen en onderlinge botsingen van atomen, die ongeplande energietransities veroorzaken, en zelfs de invloed van de alles doordringende energie van donkere materie.

Voor het eerst werd in de jaren dertig van de vorige eeuw een poging gedaan tot de praktische implementatie van atoomklokken door wetenschappers van Columbia University onder leiding van de toekomstige Nobelprijswinnaar Dr. Isidore Rabi. Rabi stelde voor om de cesiumisotoop 133 Cs te gebruiken als bron van slingeratomen. Helaas werd het werk van Rabi, dat NBS zeer interesseerde, onderbroken door de Tweede Wereldoorlog.

Na de voltooiing ervan ging het kampioenschap in de implementatie van de atomaire chronograaf over op NBS-medewerker Harold Lyons. Zijn atomaire oscillator werkte op ammoniak en gaf een fout die overeenkwam met de beste voorbeelden van kwartsresonatoren. In 1949 werden ammoniak-atoomklokken gedemonstreerd aan het grote publiek. Ondanks de nogal matige nauwkeurigheid, implementeerden ze de basisprincipes van toekomstige generaties atomaire chronografen.

Het prototype van de cesium-atoomklok, verkregen door Louis Essen, leverde een nauwkeurigheid van 1 * 10 -9 op, terwijl het een resonantiebreedte van slechts 340 Hertz had.

Even later verbeterde professor Norman Ramsey van de universiteit van Harvard de ideeën van Isidor Rabi, waardoor de impact op de nauwkeurigheid van metingen van het Doppler-effect werd verminderd. Hij stelde voor om in plaats van één lange hoogfrequente puls die de atomen prikkelt, twee korte te gebruiken die op enige afstand van elkaar naar de armen van de golfgeleider worden gestuurd. Dit maakte het mogelijk om de resonantiebreedte drastisch te verminderen en maakte het feitelijk mogelijk om atomaire oscillatoren te creëren die een orde van grootte beter zijn dan hun kwartsvoorouders in nauwkeurigheid.

In de jaren vijftig van de vorige eeuw werkte zijn medewerker Louis Essen op basis van het door Norman Ramsey voorgestelde schema van het National Physical Laboratory (Groot-Brittannië) aan een atomaire oscillator op basis van de cesiumisotoop 133 Cs die Rabi eerder had voorgesteld. Cesium is niet toevallig gekozen.

Schema van hyperfijne overgangsniveaus van atomen van de cesium-133 isotoop

Cesiumatomen, die tot de groep van alkalimetalen behoren, worden extreem gemakkelijk opgewonden om tussen energieniveaus te springen. Een lichtstraal is bijvoorbeeld gemakkelijk in staat om een ​​stroom elektronen uit de atomaire structuur van cesium uit te schakelen. Vanwege deze eigenschap wordt cesium veel gebruikt in fotodetectoren.

Het apparaat van een klassieke cesiumoscillator op basis van de Ramsey-golfgeleider

Eerste officiële cesiumfrequentiestandaard NBS-1

Een afstammeling van NBS-1 - de NIST-7-oscillator gebruikte laserpompen van een bundel cesiumatomen

Het duurde meer dan vier jaar voordat het prototype van Essen een echte standaard werd. Fijnafstemming van atoomklokken was immers alleen mogelijk door vergelijking met bestaande efemeride tijdseenheden. Vier jaar lang werd de atomaire oscillator gekalibreerd door de rotatie van de maan rond de aarde te observeren met behulp van de meest nauwkeurige maancamera, uitgevonden door William Markowitz van het US Naval Observatory.

"Aanpassing" van atoomklokken aan maan-efemeriden werd uitgevoerd van 1955 tot 1958, waarna het apparaat officieel door NBS werd erkend als frequentiestandaard. Bovendien bracht de ongekende nauwkeurigheid van cesium-atoomklokken NBS ertoe de tijdseenheid in de SI-standaard te veranderen. Sinds 1958 is "de duur van 9.192.631.770 perioden van straling die overeenkomt met de overgang tussen twee hyperfijnniveaus van de standaardtoestand van het cesium-133 isotoopatoom" officieel als tweede aangenomen.

Het apparaat van Louis Essen heette NBS-1 en werd beschouwd als de eerste cesiumfrequentiestandaard.

In de komende dertig jaar werden zes modificaties van de NBS-1 ontwikkeld, waarvan de laatste, NIST-7, gemaakt in 1993 door magneten te vervangen door laservallen, een nauwkeurigheid van 5 * 10 -15 biedt met een resonantiebreedte van slechts tweeënzestig Hertz.

Vergelijkingstabel met kenmerken van cesiumfrequentiestandaarden gebruikt door NBS

Cesium frequentie standaard	Bedrijfstijd	Bedrijfstijd als officiële NPFS-standaard	Resonantie Breedte	Lengte magnetrongeleider	Foutwaarde
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Hz	55 cm	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Hz	164 cm	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Hz	366 cm	5*10 -13
NBS-4	1965-1990	Nee	130 Hz	52,4 cm	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Hz	374 cm	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Hz	374 cm	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Hz	155 cm	5*10 -15

NBS-apparaten zijn stationaire testbanken, waardoor ze als standaard kunnen worden geclassificeerd in plaats van als praktisch gebruikte oscillatoren. Maar voor puur praktische doeleinden heeft Hewlett-Packard gewerkt ten behoeve van de cesiumfrequentiestandaard. In 1964 creëerde de toekomstige computergigant een compacte versie van de cesiumfrequentiestandaard - het HP 5060A-apparaat.

De HP 5060 frequentiestandaarden, gekalibreerd met behulp van NBS-standaarden, passen in een standaard rack voor radioapparatuur en waren een commercieel succes. Het was dankzij de cesiumfrequentiestandaard van Hewlett-Packard dat de ongekende nauwkeurigheid van atoomklokken naar de massa ging.

Hewlett-Packard 5060A.

Als gevolg hiervan werden zaken als satelliettelevisie en communicatie, wereldwijde navigatiesystemen en tijdsynchronisatiediensten voor informatienetwerken mogelijk. Er waren veel toepassingen van de atomaire chronograaftechnologie die naar een industrieel ontwerp werd gebracht. Tegelijkertijd stopte Hewlett-Packard daar niet en verbeterde voortdurend de kwaliteit van cesiumstandaarden en hun gewichts- en maatindicatoren.

Hewlett-Packard familie van atoomklokken

In 2005 werd de atoomklokdivisie van Hewlett-Packard verkocht aan Simmetricom.

Samen met cesium, waarvan de reserves in de natuur zeer beperkt zijn en de vraag ernaar op verschillende technologische gebieden extreem hoog is, werd rubidium, dat qua eigenschappen zeer dicht bij cesium ligt, als donorstof gebruikt.

Het lijkt erop dat, bestaande regeling atoomklok tot in de perfectie gebracht. Ondertussen had het een ongelukkig nadeel, waarvan de eliminatie mogelijk werd in de tweede generatie cesiumfrequentiestandaarden, cesiumfonteinen genaamd.

Fonteinen van tijd en optische melasse

Ondanks hoogste precisie van de NIST-7 atomaire chronometer, die laserdetectie van de toestand van cesiumatomen gebruikt, verschilt het schema niet fundamenteel van de schema's van de eerste versies van cesiumfrequentiestandaarden.

MAAR ontwerp fout van al deze schema's is dat het fundamenteel onmogelijk is om de voortplantingssnelheid van een straal cesiumatomen die in een golfgeleider beweegt te regelen. En dit ondanks het feit dat de bewegingssnelheid van cesiumatomen kamertemperatuur- honderd meter per seconde. Vrij snel.

Daarom zijn alle aanpassingen van cesiumstandaarden een zoektocht naar een balans tussen de grootte van de golfgeleider, die tijd heeft om op twee punten in te werken op snelle cesiumatomen, en de nauwkeurigheid van het detecteren van de resultaten van dit effect. Hoe kleiner de golfgeleider, hoe moeilijker het is om opeenvolgende elektromagnetische impulsen werken op dezelfde atomen.

Maar wat als we een manier vinden om de bewegingssnelheid van cesiumatomen te verminderen? Het was precies deze gedachte waar een student aan het Massachusetts Institute of Technology, Jerrold Zacharius, die eind jaren veertig van de vorige eeuw de invloed van de zwaartekracht op het gedrag van atomen bestudeerde, aandacht aan besteedde. Later, betrokken bij de ontwikkeling van een variant van de cesiumfrequentiestandaard Atomichron, stelde Zacharius het idee voor van een cesiumfontein - een methode om de snelheid van cesiumatomen tot één centimeter per seconde te verminderen en de tweearmige golfgeleider te verwijderen van traditionele atomaire oscillatoren.

Het idee van Zacharius was eenvoudig. Wat als je cesiumatomen verticaal in de oscillator laat lopen? Dan gaan dezelfde atomen twee keer door de detector: de eerste keer als ze naar boven gaan, en de tweede keer naar beneden, waar ze onder invloed van de zwaartekracht zullen razen. Tegelijkertijd zal de neerwaartse beweging van atomen veel langzamer zijn dan hun opstijging, omdat ze tijdens de reis in de fontein energie verliezen. Helaas kon Zacharius in de jaren vijftig van de vorige eeuw zijn ideeën niet realiseren. In zijn experimentele opstellingen interageerden atomen die omhoog gingen met degenen die naar beneden vielen, wat de nauwkeurigheid van detectie verminderde.

Het idee van Zacharius keerde pas in de jaren tachtig terug. Wetenschappers van Stanford University, onder leiding van Steven Chu, hebben een manier gevonden om de Zacharius-fontein te implementeren met behulp van een techniek die ze 'optische melasse' noemen.

In de Chu cesiumfontein wordt een wolk van naar boven afgevuurde cesiumatomen voorgekoeld door een systeem van drie paar tegengesteld gerichte lasers met een resonantiefrequentie net onder de optische resonantie van cesiumatomen.

Schema van een cesiumfontein met optische melasse.

Gekoeld door lasers beginnen cesiumatomen langzaam te bewegen, als door melasse. Hun snelheid daalt tot drie meter per seconde. Het verminderen van de snelheid van atomen geeft onderzoekers de mogelijkheid om de toestand nauwkeuriger te detecteren (het is veel gemakkelijker om de aantallen auto's te zien die met een snelheid van één kilometer per uur rijden dan een auto die met een snelheid van honderd kilometer per uur rijdt).

Een bal van gekoelde cesiumatomen wordt ongeveer een meter omhoog gelanceerd en passeert onderweg een golfgeleider, waardoor een elektromagnetisch veld met resonantiefrequentie op de atomen inwerkt. En de detector van het systeem legt voor het eerst de verandering in de toestand van atomen vast. Nadat ze het "plafond" hebben bereikt, beginnen de afgekoelde atomen te vallen als gevolg van de zwaartekracht en gaan ze een tweede keer door de golfgeleider. Op de terugweg registreert de detector opnieuw hun toestand. Omdat de atomen extreem langzaam bewegen, is hun vlucht in de vorm van een vrij dichte wolk gemakkelijk te beheersen, wat betekent dat er geen atomen tegelijkertijd op en neer vliegen in de fontein.

Chu's cesiumfontein werd in 1998 door NBS aangenomen als de frequentiestandaard en kreeg de naam NIST-F1. De fout was 4 * 10 -16, wat betekent dat NIST-F1 nauwkeuriger was dan zijn voorganger NIST-7.

In feite bereikte NIST-F1 de limiet van nauwkeurigheid bij het meten van de toestand van cesiumatomen. Maar wetenschappers stopten niet bij deze overwinning. Ze besloten de fout te elimineren die in het werk van atoomklokken werd geïntroduceerd door de straling van een volledig zwart lichaam - het resultaat van de interactie van cesiumatomen met de thermische straling van het lichaam van de installatie waarin ze bewegen. In de nieuwe NIST-F2 atomaire chronograaf werd een cesiumfontein in een cryogene kamer geplaatst, waardoor de straling van het zwarte lichaam tot bijna nul werd teruggebracht. De foutmarge van NIST-F2 is een ongelooflijke 3*10 -17.

Grafiek van de foutreductie van varianten van cesiumfrequentiestandaarden

Momenteel geven atoomklokken op basis van cesiumfonteinen de mensheid de meest nauwkeurige tijdstandaard, in verhouding tot de polsslag van onze technogene beschaving. Dankzij technische trucs zijn de gepulseerde waterstofmasers die de cesiumatomen koelen in de stationaire versies van NIST-F1 en NIST-F2 vervangen door een conventionele laserstraal in combinatie met een magneto-optisch systeem. Dit maakte het mogelijk om compacte en zeer resistente versies van de NIST-Fx-normen te maken, die in ruimtevaartuigen kunnen werken. Met de toepasselijke naam "Aerospace Cold Atom Clock" worden deze frequentienormen ingesteld in de satellieten van navigatiesystemen zoals GPS, wat hen een verbazingwekkende synchronisatie biedt om het probleem van een zeer nauwkeurige berekening van de coördinaten van de GPS-ontvangers die in onze gadgets worden gebruikt, op te lossen.

Een compacte versie van de cesiumfontein-atoomklok genaamd de "Aerospace Cold Atom Clock" wordt gebruikt in GPS-satellieten.

De berekening van de referentietijd wordt uitgevoerd door een "ensemble" van tien NIST-F2's in verschillende onderzoekscentra die samenwerken met NBS. De exacte waarde van de atomaire seconde wordt collectief verkregen, en zo worden verschillende fouten en de invloed van de menselijke factor geëlimineerd.

Het is echter mogelijk dat op een dag de cesiumfrequentiestandaard door onze nakomelingen zal worden gezien als een zeer grof mechanisme voor het meten van tijd, net zoals we nu neerbuigend kijken naar de bewegingen van de slinger in de mechanische staande klokken van onze voorouders.

Isidore Rabi, een professor in de natuurkunde aan de Columbia University, stelde een nooit eerder vertoond project voor: een klok die werkt volgens het principe van een atomaire bundel van magnetische resonantie. Dit gebeurde in 1945 en al in 1949 bracht het National Bureau of Standards het eerste werkende prototype uit. Het las trillingen van het ammoniakmolecuul af. Cesium kwam veel later in het bedrijf: het NBS-1-model verscheen pas in 1952.

Het National Physical Laboratory in Engeland creëerde de eerste cesium-bundelklok in 1955. Ruim tien jaar later, tijdens de Algemene Conferentie over Maten en Gewichten, werd een geavanceerdere klok gepresenteerd, ook gebaseerd op trillingen in het cesiumatoom. Het NBS-4-model werd tot 1990 gebruikt.

Soorten horloges

Op dit moment zijn er drie soorten atoomklokken die volgens ongeveer hetzelfde principe werken. Cesiumklok, de meest nauwkeurige, splitst het cesiumatoom magnetisch veld. De eenvoudigste atoomklok, de rubidiumklok, gebruikt rubidiumgas ingesloten in een glazen bol. En ten slotte nemen waterstofatoomklokken waterstofatomen die zijn gesloten in een omhulsel van een speciaal materiaal als referentiepunt - het staat atomen niet toe om snel energie te verliezen.

Hoe laat is het nu

In 1999 stelde het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) een nog geavanceerdere versie van de atoomklok voor. Het NIST-F1-model heeft een fout van slechts één seconde in twintig miljoen jaar.

Meest accuraat

Maar NIST-natuurkundigen stopten daar niet. De wetenschappers besloten een nieuwe chronometer te ontwikkelen, dit keer op basis van strontiumatomen. Het nieuwe horloge loopt op 60% van het vorige model, wat betekent dat het een seconde verliest, niet in twintig miljoen jaar, maar in maar liefst vijf miljard jaar.

Tijdmeting

Een internationale overeenkomst heeft de enige exacte frequentie bepaald voor de resonantie van een cesiumdeeltje. Dit is 9.192.631.770 hertz - het uitgangssignaal delen door dit getal geeft precies één cyclus per seconde.