Atomski sat. Povijest sata. Kratka povijest atomskih instrumenata za mjerenje vremena

Prvo, sat koristi čovječanstvo kao sredstvo kontrole programskog vremena.

Drugo, danas je mjerenje vremena ujedno i najtočnija vrsta mjerenja od svih provedenih: točnost mjerenja vremena sada je određena nevjerojatnom pogreškom reda veličine 1 10-11%, odnosno 1 s u 300 tisuća godina.

A moderni ljudi postigli su takvu točnost kada su počeli koristiti atoma, koji su, kao rezultat svojih oscilacija, regulator atomskog sata. Atomi cezija su u dva energetska stanja koja su nam potrebna (+) i (-). Elektromagnetsko zračenje s frekvencijom od 9,192,631,770 herca nastaje kada atomi prelaze iz stanja (+) u (-), stvarajući precizan konstantan periodični proces - kontroler koda atomskog sata.

Da bi atomski satovi radili točno, cezij se mora ispariti u peći, uslijed čega se njegovi atomi izbacuju. Iza pećnice je magnet za sortiranje, koji ima propusnost atoma u (+) stanju, a u njemu, uslijed zračenja u mikrovalnom polju, atomi prelaze u (-) stanje. Drugi magnet usmjerava atome koji su promijenili stanje (+) u (-) na uređaj za primanje. Mnogi atomi koji su promijenili svoje stanje dobivaju se samo ako se frekvencija mikrovalnog emitera točno poklapa s frekvencijom vibracija cezija 9 192 631 770 herca. Inače, broj atoma (-) u prijemniku se smanjuje.

Instrumenti stalno prate i prilagođavaju konstantnost frekvencije 9 192 631 770 herca. Dakle, ostvario se san dizajnera satova, pronađen je apsolutno konstantan periodični proces: frekvencija od 9,192,631,770 herca, koja regulira tijek atomskih satova.

Danas, kao rezultat međunarodnog sporazuma, drugi je definiran kao razdoblje zračenja pomnoženo s 9,192,631,770, što odgovara prijelazu između dvije hiperfine strukturne razine osnovnog stanja atoma cezija (izotop cezij-133).

Za mjerenje točnog vremena možete koristiti i vibracije drugih atoma i molekula, kao što su atomi kalcija, rubidija, cezija, stroncija, molekule vodika, joda, metana itd. Međutim, zračenje atoma cezija prepoznaje se kao frekvencijski standard. Kako bi se usporedile vibracije različitih atoma sa standardom (cezijem), stvoren je titan-safirni laser koji generira široko frekvencijsko područje u rasponu od 400 do 1000 nm.

Prvi tvorac kvarcnih i atomskih satova bio je engleski eksperimentalni fizičar Essen Lewis (1908.-1997.). Godine 1955. stvorio je prvi standard atomske frekvencije (vremena) na snopu atoma cezija. Kao rezultat ovog rada, 3 godine kasnije (1958.) pojavila se vremenska usluga temeljena na standardu atomske frekvencije.

U SSSR-u je akademik Nikolaj Genadijevič Basov iznio svoje ideje za stvaranje atomskih satova.

Tako, atomski sat, jedan od točnih tipova satova je uređaj za mjerenje vremena, gdje se kao njihalo koriste prirodne oscilacije atoma ili molekula. Stabilnost atomskih satova najbolja je od svih postojeće vrste sati, što je garancija najviša preciznost. Generator atomskog sata proizvodi više od 32.768 impulsa u sekundi, za razliku od konvencionalnih satova. Oscilacije atoma ne ovise o temperaturi zraka, vibracijama, vlazi i mnogim drugim vanjskim čimbenicima.

NA moderni svijet, kada je navigacija jednostavno neizostavna, postali su atomski satovi nezamjenjivi pomoćnici. Oni su u stanju locirati svemirski brod, satelit, balistički projektil, zrakoplov, podmornica, auto automatski po satelitu.

Tako se posljednjih 50 godina atomski satovi, odnosno cezijevi satovi, smatraju najtočnijim. Odavno ih koriste službe za mjerenje vremena, a vremenske signale emitiraju i neke radio postaje.

Uređaj atomskog sata sastoji se od 3 dijela:

kvantni diskriminator,

kvarcni oscilator,

elektronički kompleks.

Kvarcni oscilator generira frekvenciju (5 ili 10 MHz). Oscilator je RC radio generator, u kojem se piezoelektrični modovi kvarcnog kristala koriste kao rezonantni element, gdje se uspoređuju atomi koji su promijenili stanje (+) u (-). Kako bi se povećala stabilnost, njegova frekvencija je konstantno u usporedbi s oscilacijama kvantnog diskriminatora (atoma ili molekula) . Kada postoji razlika u oscilacijama, elektronika podešava frekvenciju kvarcnog oscilatora na nulu, čime se povećava stabilnost i točnost sata na željenu razinu.

U suvremenom svijetu atomski satovi se mogu izraditi u bilo kojoj zemlji svijeta za upotrebu Svakidašnjica. Vrlo su male veličine i lijepe. Veličina najnovijeg noviteta atomskih satova nije veća od kutija šibica i njihova niska potrošnja energije - manje od 1 W. I to nije granica, možda u budućnosti tehnički napredak doći će Mobiteli. U međuvremenu, kompaktni atomski satovi ugrađeni su samo na strateške rakete kako bi se višestruko povećala točnost navigacije.

Danas se u online trgovinama mogu kupiti muški i ženski atomski satovi za svaki ukus i proračun.

2011. godine Symmetricom i Nacionalni laboratorij Sandia izradili su najmanji atomski sat na svijetu. Ovaj sat, 100 puta kompaktniji od prethodnog komercijalno dostupne verzije. Veličina atomskog kronometra nije veća od kutije šibica. Za rad mu je potrebno 100 mW snage, što je 100 puta manje od svojih prethodnika.

Bilo je moguće smanjiti veličinu sata ugradnjom umjesto opruga i zupčanika mehanizma koji radi na principu određivanja frekvencije elektromagnetskih valova koje emitiraju atomi cezija pod utjecajem laserske zrake zanemarive snage.

Takvi satovi se koriste u navigaciji, kao i u radu rudara, ronilaca, gdje je potrebno točno sinkronizirati vrijeme s kolegama na površini, kao i točne vremenske usluge, jer je pogreška atomskih satova manja od 0,000001 frakcije od sekunde dnevno. Cijena rekordno malog atomskog sata Symmetricom iznosila je oko 1500 dolara.

Isidore Rabi, profesor fizike na Sveučilištu Columbia, predložio je nikad prije viđen projekt: sat koji radi na principu atomske zrake magnetske rezonancije. To se dogodilo 1945. godine, a već 1949. godine Nacionalni ured za standarde objavio je prvi radni prototip. Čitao je vibracije molekule amonijaka. Cezij je ušao u posao mnogo kasnije: model NBS-1 pojavio se tek 1952. godine.

Nacionalni fizikalni laboratorij u Engleskoj izradio je prvi sat sa cezijevim snopom 1955. godine. Više od deset godina kasnije, tijekom Generalne konferencije za utege i mjere, predstavljen je napredniji sat, također baziran na vibracijama u atomu cezija. Model NBS-4 korišten je do 1990. godine.

Vrste satova

Na ovaj trenutak Postoje tri vrste atomskih satova koji rade na otprilike istom principu. Cezijev sat, najtočniji, dijeli atom cezija magnetsko polje. Najjednostavniji atomski sat, sat rubidij, koristi plin rubidij zatvoren u staklenu žarulju. I, konačno, atomski satovi vodika uzimaju kao referentnu točku atome vodika zatvorene u ljusci poseban materijal- ne dopušta atomima da brzo izgube energiju.

Koliko je sati

Godine 1999., američki nacionalni institut za standarde i tehnologiju (NIST) predložio je još napredniju verziju atomskog sata. Model NIST-F1 ima grešku od samo jedne sekunde u dvadeset milijuna godina.

Najtočnije

No, fizičari NIST-a nisu tu stali. Znanstvenici su odlučili razviti novi kronometar, ovaj put baziran na atomima stroncija. Novi sat radi na 60% prethodnog modela, što znači da gubi jednu sekundu ne u dvadeset milijuna godina, već u čak pet milijardi.

Mjerenje vremena

Međunarodni sporazum odredio je jedinu točnu frekvenciju za rezonanciju čestice cezija. Ovo je 9,192,631,770 herca - dijeljenje izlaznog signala s ovim brojem daje točno jedan ciklus u sekundi.

Jeste li ikada primijetili da vaš sat u kući pokazuje drugačije vrijeme? I kako razumjeti koja je od svih opcija ispravna? Odgovore na sva ova pitanja naučit ćemo pomnim proučavanjem principa rada atomskih satova.

Atomski sat: opis i princip rada

Prvo shvatimo koji je mehanizam atomskog sata. Atomski sat je uređaj koji mjeri vrijeme, ali koristi vlastite vibracije kao periodičnost procesa, a sve se događa na atomskoj i molekularnoj razini. Otuda i točnost.

Može se reći da su atomski satovi najtočniji! Zahvaljujući njima internet i GPS navigacija funkcioniraju u svijetu, znamo točan položaj planeta u Sunčev sustav. Greška ovog uređaja je toliko minimalna da sa sigurnošću možemo reći da su svjetske klase! Zahvaljujući atomskim satovima odvija se cjelokupna svjetska sinkronizacija, zna se gdje se nalaze određene promjene.

Tko je izumio, tko je stvorio i tko je smislio ovaj čudesni sat?

Još ranih četrdesetih godina dvadesetog stoljeća bilo je poznato za atomski snop magnetske rezonancije. U početku se njegova primjena ni na koji način nije ticala satova - to je bila samo teorija. No, već 1945. godine Isidor Rabi je predložio stvaranje uređaja, čiji je koncept bio da rade na temelju gore navedene tehnike. No, posloženi su tako da su pokazali netočne rezultate. I već 1949. godine Nacionalni ured za standarde izvijestio je cijeli svijet o stvaranju prvog atomskog sata, koji se temeljio na molekularnim spojevima amonijaka, a već 1952. godine svladane su tehnologije za stvaranje prototipa na temelju atoma cezija.

Kad čujemo o atomima amonijaka i cezija, postavlja se pitanje, ali jesu li ovi divni satovi radioaktivni? Odgovor je nedvosmislen – ne! Nemaju atomski raspad.

Danas postoji mnogo materijala od kojih se izrađuju atomski satovi. Na primjer, to je silicij, kvarc, aluminij, pa čak i srebro.

Kako uređaj radi?

Pogledajmo kako izgledaju i rade satovi na nuklearni pogon. Da bismo to učinili, nudimo opis njihovog rada:

Za ispravno funkcioniranje ovog sata nije potrebno njihalo, niti kvarcni oscilator. Koriste signale koji nastaju zbog kvantnog prijelaza jednog elektrona između dvije energetske razine atoma. Kao rezultat, u mogućnosti smo promatrati elektromagnetski val. Drugim riječima, dobivamo česte fluktuacije i ultravisoku razinu stabilnosti sustava. Svake godine, zbog novih otkrića, procesi se moderniziraju. Ne tako davno, stručnjaci Nacionalnog instituta fStandardsand Technology (NIST) postali su prvaci i postavili apsolutni svjetski rekord. Uspjeli su dovesti točnost atomskog sata (temeljenog na stronciju) na vrlo minimalno odstupanje, naime: tijekom 15 milijardi godina radi jedna sekunda. Da, da, nije vam se činilo da je ovo doba koje se sada pripisuje našem Svemiru. Ovo je veliko otkriće! Uostalom, upravo je stroncij odigrao najvažniju ulogu u ovom zapisu. Pokretni atomi stroncija u njegovoj prostornoj rešetki, koje su znanstvenici stvorili pomoću lasera, djelovali su kao analog "tickanja". Kao i uvijek u znanosti, u teoriji sve djeluje očaravajuće i već poboljšano, ali nestabilnost takvog sustava može se pokazati manje radosnom u praksi. Upravo je zbog svoje nestabilnosti uređaj na bazi cezija stekao svjetsku popularnost.

Sada razmislite od čega se sastoji takav uređaj. Ovdje su glavni detalji:

• kvantni diskriminator;
• kvarcni generator;
• elektronika.

Kvarcni generator je vrsta autooscilatora, ali za proizvodnju rezonantnog elementa koristi piezoelektrične modove kvarcnog kristala.

Imajući kvantni diskriminator i kvarcni oscilator, pod utjecajem njihove frekvencije, oni se uspoređuju i, ako se otkrije razlika, sklop Povratne informacije zahtijeva da se kristalni oscilator prilagodi traženoj vrijednosti i poboljša stabilnost i točnost. Kao rezultat toga, na izlazu vidimo na brojčaniku točna vrijednost, što znači točno vrijeme.

Rani modeli imali su dosta velike veličine, međutim, u listopadu 2013. BathysHawaii je napravio potres puštanjem minijaturnog nuklearnog ručni sat. Isprva su ovu izjavu svi shvatili kao šalu, no ubrzo je postalo jasno da je to doista istina, a funkcioniraju na bazi atomskog izvora Cezija 133. Sigurnost uređaja osigurava činjenica da je radioaktivni element sadržane u obliku plina u posebnoj kapsuli. Fotografije ovog uređaja razasute po cijelom svijetu.

Mnogi u temi atomskih satova zainteresirani su za pitanje izvora energije. Baterija je litij-ionska baterija. No, nažalost, još se ne zna koliko će takva baterija izdržati.

Sat BathysHawaii bio je uistinu prvi atomski ručni sat. Ranije su već bili poznati slučajevi puštanja relativno prijenosnog uređaja, ali, nažalost, nije imao atomski izvor energije, već samo sinkroniziran sa stvarnim ukupnim satovima putem bežičnog radija. Također je vrijedno spomenuti cijenu takvog gadgeta. Zadovoljstvo je procijenjeno na 12 tisuća američkih dolara. Bilo je jasno da s takvom cijenom satovi neće dobiti široku popularnost, ali tvrtka nije težila tome, jer su ih pustili u vrlo ograničenoj seriji.

Znamo za nekoliko vrsta atomskih satova. Nema značajnih razlika u njihovom dizajnu i principima, ali ipak postoje neke razlike. Dakle, glavni su u sredstvima pronalaženja promjena i njihovih elemenata. Mogu se razlikovati sljedeće vrste satova:

1. Vodik. Njihova bit leži u činjenici da su atomi vodika podržani na pravoj razini energije, ali zidovi su izrađeni od posebnog materijala. Na temelju toga zaključujemo da su atomi vodika ti koji vrlo brzo gube energetsko stanje.
2. cezij. Osnova za njih su cezijeve grede. Vrijedi napomenuti da su ovi satovi najtočniji.
3. Rubidij. Oni su najjednostavniji i vrlo kompaktni.

Kao što je ranije spomenuto, atomski satovi su vrlo skupi gadget. Tako je džepni sat Hoptroff br. 10 svijetli predstavnik nove generacije igračaka. Cijena takvog elegantnog i vrlo preciznog pribora je 78 tisuća dolara. Objavljeno je samo 12 primjeraka. Mehanizam ovog uređaja koristi visokofrekventni oscilatorni sustav, koji je također opremljen GPS signalom.

Tvrtka tu nije stala i upravo u svojoj desetoj verziji sata želi primijeniti metodu stavljanja mehanizma u zlatnu kutiju, koja će biti ispisana na popularnom 3D printeru. Još uvijek nije izračunato koliko će točno zlata biti upotrijebljeno za ovu verziju kućišta, no već je poznata procijenjena maloprodajna cijena ovog remek-djela – iznosila je oko 50 tisuća funti sterlinga. I ovo nije konačna cijena, iako uzima u obzir sve količine istraživanja, kao i novost i jedinstvenost samog gadgeta.

Povijesne činjenice o korištenju satova

Kako, kad govorimo o atomskim satovima, da ne govorimo najviše Zanimljivosti, koji su povezani s njima i vremenom općenito:

1. Jeste li znali da u drevni Egipt najstariji sunčani sat ikada pronađen?
2. Pogreška atomskih satova je minimalna – iznosi samo 1 sekundu za 6 milijuna godina.
3. Svi znaju da u minuti ima 60 sekundi. No, malo je ljudi zadubljeno u to koliko je milisekundi u jednoj sekundi? A nije ih mnogo i nije malo – tisuću!
4. Svaki turist koji je uspio posjetiti London zasigurno je htio vidjeti Big Ben vlastitim očima. No, nažalost, malo ljudi zna da Big Ben uopće nije toranj, već ime ogromnog zvona koje je teško 13 tona i zvoni unutar tornja.
5. Jeste li se ikada zapitali zašto kazaljke na našim satovima idu točno s lijeva na desno ili kako smo govorili "kazalo na satu"? Ova je činjenica izravno povezana s kretanjem sjene na sunčanom satu.
6. Prvi ručni sat izumljen je nedavne 1812. Izradio ih je osnivač Bregueta za napuljsku kraljicu.
7. Prije Prvog svjetskog rata ručni satovi su smatrani samo ženskim dodatkom, no ubrzo ih je zbog praktičnosti odabrao i muški dio stanovništva.

, Galileo) su nemogući bez atomskih satova. Atomski satovi se također koriste u satelitskim i zemaljskim telekomunikacijskim sustavima, uključujući bazne stanice mobilne komunikacije, međunarodnih i nacionalnih ureda za standarde i vremenske službe, koji periodično emitiraju vremenske signale putem radija.

Satni uređaj

Sat se sastoji od nekoliko dijelova:

• kvantni diskriminator,
• elektronički kompleks.

Nacionalni centri za standarde frekvencije

Mnoge zemlje su formirale nacionalne centre za standarde vremena i frekvencije:

• (VNIIFTRI), selo Mendeleevo, Moskovska oblast;
• (NIST), Boulder (SAD, Colorado);
• Nacionalni institut za naprednu industrijsku znanost i tehnologiju (AIST), Tokio (Japan);
• Federalna fizikalno-tehnička agencija (Njemački)(PTB), Braunschweig (Njemačka);
• Nacionalni laboratorij za mjeriteljstvo i ispitivanje (fr.)(LNE), Pariz (Francuska).
• UK National Physical Laboratory (NPL), London, UK.

Znanstvenici različite zemlje Rad na poboljšanju atomskih satova i na njima utemeljenih državnih primarnih standarda vremena i frekvencije, točnost takvih satova stalno raste. U Rusiji se provode opsežna istraživanja usmjerena na poboljšanje karakteristika atomskih satova.

Vrste atomskih satova

Nije svaki atom (molekula) prikladan kao diskriminator za atomske satove. Birajte atome koji su neosjetljivi na razne vanjske utjecaje: magnetska, električna i elektromagnetska polja. Takvi atomi postoje u svakom rasponu spektra elektromagnetskog zračenja. To su: atomi kalcija, rubidija, cezija, stroncija, molekule vodika, joda, metana, osmij(VIII) oksida itd. Kao glavni (primarni) standard frekvencije odabran je hiperfini prijelaz atoma cezija. S ovom normom uspoređuju se karakteristike svih ostalih (sekundarnih) standarda. Kako bi se napravila takva usporedba, trenutno se koriste tzv. optički češljevi. (Engleski)- zračenje sa širokim frekvencijskim spektrom u obliku ekvidistantnih linija, razmak između kojih je vezan za standard atomske frekvencije. Optički češljevi se dobivaju pomoću femtosekundnog lasera s blokadom moda i mikrostrukturiranog vlakna, u kojem je spektar proširen na jednu oktavu.

Godine 2006. istraživači s američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju, predvođeni Jimom Bergquistom (eng. Jim Bergquist) razvili su sat s jednim atomom. Tijekom prijelaza između energetskih razina živinog iona generiraju se fotoni vidljivog raspona sa stabilnošću 5 puta većom od mikrovalnog zračenja cezija-133. Novi sat bi također mogao naći primjenu u proučavanju ovisnosti osnovnih fizičkih konstanti o vremenu. Od travnja 2015. najtočnije atomski sat su satovi stvoreni u Nacionalni institut američki standardi i tehnologije. Pogreška je bila samo jedna sekunda u 15 milijardi godina. Relativistička geodezija je navedena kao jedna od mogućih primjena satova, čija je glavna ideja korištenje mreže satova kao gravitacijskih senzora, koji će pomoći da se naprave nevjerojatno detaljna trodimenzionalna mjerenja oblika Zemlje.

U tijeku je aktivan razvoj kompaktnih atomskih satova za korištenje u svakodnevnom životu (ručni satovi, mobilni uređaji). Početkom 2011. američka tvrtka Symmetricom najavio komercijalno izdavanje cezijevog atomskog sata veličine malog čipa. Sat radi na temelju učinka koherentnog hvatanja populacije. Njihova stabilnost je 5 10 -11 na sat, težina - 35 g, potrošnja energije - 115 mW.

Bilješke

1. Postavljen je novi rekord točnosti atomskog sata (neograničeno) . Membrana (5. veljače 2010.). Preuzeto 4. ožujka 2011. Arhivirano iz izvornika 9. veljače 2012.
2. Te su frekvencije tipične za precizne kvarcne rezonatore, s najvećim faktorom kvalitete i frekvencijskom stabilnošću koja se može postići korištenjem piezoelektričnog efekta. Općenito, kristalni oscilatori se koriste na frekvencijama od nekoliko kHz do nekoliko stotina MHz. ( Altshuller G. B., Elfimov N. N., Shakulin V. G. Kristalni oscilatori: Vodič za pomoć. - M.: Radio i komunikacija, 1984. - S. 121, 122. - 232 str. - 27.000 primjeraka.)
3. N. G. Basov i V. S. Letohov Standardi optičkih frekvencija. // UFN. - 1968. - T. 96, br. 12.
4. Nacionalni mjeriteljski laboratoriji. NIST, 3. veljače 2011 (Preuzeto 14. lipnja 2011.)
5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Optički sat s jednim atomom visoke preciznosti // Phys. vlč. Lett. . - American Physical Society, 4. srpnja 2006. - Vol. 97, br. 2. -

Znanstvenim svijetom proširila se senzacija - vrijeme isparava iz našeg Svemira! Zasad je to samo hipoteza španjolskih astrofizičara. Ali da je protok vremena na Zemlji i u svemiru drugačiji, znanstvenici su već dokazali. Vrijeme teče sporije pod utjecajem gravitacije, ubrzavajući se kako se udaljavate od planeta. Zadatak sinkronizacije zemaljskog i kozmičkog vremena obavljaju vodikovi frekvencijski standardi, koji se također nazivaju "atomski satovi".

Prvi atomsko vrijeme pojavili zajedno s pojavom astronautike, atomski satovi su se pojavili sredinom 1920-ih. Sada su atomski satovi postali uobičajeni, svatko od nas ih koristi svaki dan: rade s digitalnim komunikacijama, GLONAS-om, navigacijom i transportom.

Vlasnici mobitela jedva razmišljaju o čemu teški rad u prostoru se provodi radi tijesne vremenske sinkronizacije, ali govorimo o samo milijuntim dijelovima sekunde.

Standard točnog vremena pohranjen je u Moskovskoj regiji, u Znanstvenom institutu za fizičko-tehnička i radiotehnička mjerenja. U svijetu postoji 450 takvih satova.

Rusija i SAD su monopolisti za atomske satove, ali u SAD-u satovi rade na bazi cezija, radioaktivnog metala koji je vrlo štetan za okoliš, au Rusiji na bazi vodika, sigurnijeg izdržljivog materijala.

Ovi satovi nemaju brojčanik i kazaljke: izgledaju kao velika bačva rijetkih i vrijednih metala, punjena najviše napredne tehnologije- visoka preciznost mjerni instrumenti i oprema s atomskim standardima. Proces njihovog stvaranja je vrlo dug, složen i odvija se u uvjetima apsolutne sterilnosti.

Već 4 godine sat instaliran na ruskom satelitu proučava tamnu energiju. Prema ljudskim standardima, gube točnost za 1 sekundu u mnogo milijuna godina.

Vrlo brzo će na Spektr-M, svemirskoj zvjezdarnici biti postavljen atomski sat koji će vidjeti kako nastaju zvijezde i egzoplanete, gledati preko ruba Crna rupa u središtu naše galaksije. Prema znanstvenicima, zbog monstruozne gravitacije vrijeme ovdje teče tako sporo da gotovo staje.

tvroscosmos