Ar kada nors pastebėjote, kad jūsų laikrodis namuose rodo skirtingi laikai? Ir kaip žinoti, kuris iš visų variantų yra teisingas? Atsakymus į visus šiuos klausimus sužinosime nuodugniai išstudijavę atominių laikrodžių veikimo principą.

Atominis laikrodis: aprašymas ir veikimo principas

Pirmiausia išsiaiškinkime, kas yra atominio laikrodžio mechanizmas. Atominis laikrodis yra prietaisas, kuriuo matuojamas laikas, tačiau jis naudoja savo svyravimus kaip proceso periodiškumą, taip pat viskas vyksta atominiame ir molekulinis lygis. Iš čia toks tikslumas.

Galima drąsiai teigti, kad atominiai laikrodžiai yra patys tiksliausi! Būtent jų dėka pasaulyje veikia internetas ir GPS navigacija, mes žinome tikslią planetų vietą saulės sistema. Šio įrenginio paklaida tokia minimali, kad galime drąsiai teigti, kad jie yra pasaulinio lygio! Atominio laikrodžio dėka įvyksta visa pasaulio sinchronizacija, kur yra tam tikri pokyčiai.

Kas išrado, kas sukūrė, taip pat kas sugalvojo šį stebuklingą laikrodį?

Dar XX amžiaus ketvirtojo dešimtmečio pradžioje buvo žinoma apie atominį spindulį magnetinis rezonansas. Iš pradžių jo taikymas neturėjo nieko bendra su laikrodžiais – tai buvo tik teorija. Tačiau jau 1945 m. Isidor Rabi pasiūlė sukurti įrenginį, kurio koncepcija buvo ta, kad jie veiktų remiantis aukščiau aprašyta technika. Tačiau jie buvo sukurti taip, kad neparodė tikslių rezultatų. O jau 1949 metais Nacionalinis standartų biuras visam pasauliui pranešė apie pirmojo atominio laikrodžio, kuris buvo paremtas molekuliniais amoniako junginiais, sukūrimą, o jau 1952 metais buvo įsisavintos technologijos sukurti prototipą cezio atomų pagrindu.

Išgirdus apie amoniako ir cezio atomus, kyla klausimas: ar šis nuostabus laikrodis radioaktyvus? Atsakymas aiškus – ne! Juose nėra atominio skilimo.

Šiais laikais yra daugybė medžiagų, iš kurių gaminami atominiai laikrodžiai. Pavyzdžiui, tai yra silicis, kvarcas, aliuminis ir net sidabras.

Kaip prietaisas veikia?

Išsiaiškinkime, kaip atrodo ir kaip veikia atominis energijos laikrodis. Norėdami tai padaryti, siūlome jų darbo aprašymą:

Kad šis laikrodis tinkamai veiktų, nereikia nei švytuoklės, nei kvarco osciliatoriaus. Jie naudoja signalus, atsirandančius dėl vieno elektrono kvantinio perėjimo tarp dviejų atomo energijos lygių. Dėl to mes galime stebėti elektromagnetinę bangą. Kitaip tariant, gauname dažnus svyravimus ir itin aukštą sistemos stabilumo lygį. Kasmet dėl ​​naujų atradimų procesai modernizuojami. Neseniai Nacionalinio standartų ir technologijų instituto (NIST) specialistai tapo rekordininkais ir pasiekė absoliutų pasaulio rekordą. Jie sugebėjo sumažinti atominio laikrodžio tikslumą (pagrįstą stronciu) iki minimalaus nuokrypio, būtent: per 15 milijardų metų sekundė tiksi. Taip, taip, jūs taip nemanėte, būtent toks amžius šiuo metu yra priskirtas mūsų Visatai. Tai kolosalus atradimas! Juk grojo stroncis gyvybiškai svarbus vaidmuošiame įraše. „Erkės“ analogas buvo joje judantys stroncio atomai erdvinė gardelė, kurį mokslininkai sukūrė naudodami lazerį. Kaip visada moksle, teoriškai viskas atrodo kerinti ir jau patobulinta, tačiau tokios sistemos nestabilumas praktiškai gali pasirodyti ne toks džiuginantis. Būtent dėl ​​savo nestabilumo cezio prietaisas išpopuliarėjo visame pasaulyje.

Dabar pažiūrėkime, iš ko susideda toks įrenginys. Pagrindinė informacija čia yra:

• kvantinis diskriminatorius;
• kvarco generatorius;
• elektronika.

Kvarcinis generatorius yra panašus į savaiminį osciliatorių, tačiau jis gaminamas rezonansinis elementas, jis naudoja pjezoelektrinius kvarco kristalo režimus.

Turint kvantinį diskriminatorių ir kvarcinį osciliatorių, veikiami jų dažnio, jie yra lyginami ir aptikus skirtumą grįžtamojo ryšio grandinė reikalauja, kad kvarcinis generatorius prisitaikytų prie reikiamos vertės ir padidintų stabilumą bei tikslumą. Dėl to prie išvesties matome ratuką tikslią vertę, o tai reiškia tikslus laikas.

Ankstyvieji modeliai turėjo gana dideli dydžiai Tačiau 2013 m. spalį Bathys Hawaii kompanija išleido miniatiūrinį atominį laikrodį Iš pradžių visi vertino šį teiginį kaip pokštą, tačiau netrukus paaiškėjo, kad tai tikrai tiesa, ir jie veikia remdamiesi Cezio 133 atomo šaltinis Prietaiso saugumą užtikrina tai, kad Kas radioaktyvusis elementas yra dujų pavidalu specialioje kapsulėje. Šio įrenginio nuotraukos pasklido po visą pasaulį.

Daugelis atominių laikrodžių temos žmonių domisi energijos šaltinio problema. Kaip baterija naudojama ličio jonų baterija. Bet, deja, kol kas nežinoma, kiek laiko tokia baterija veiks.

BathysHawaii laikrodžiai tikrai buvo pirmieji atominiai. rankinis laikrodis. Anksčiau jau buvo žinomi palyginti nešiojamo įrenginio išleidimo atvejai, tačiau, deja, jis neturėjo atominės energijos šaltinio, o tik sinchronizuojamas su realiu matmenų laikrodžiu per belaidį radiją. Taip pat verta paminėti tokios programėlės kainą. Malonumas buvo įvertintas 12 tūkstančių JAV dolerių. Buvo aišku, kad už tokią kainą laikrodis didelio populiarumo nesulauks, tačiau bendrovė to nesiekė, nes išleido labai ribotą partiją.

Mes žinome keletą atominių laikrodžių tipų. Jų dizainas ir principai reikšmingų skirtumų nėra, tačiau vis tiek yra skirtumų. Taigi, pagrindinės yra pakeitimų paieškos priemonės ir jų elementai. Galite pasirinkti šių tipų valandos:

1. Vandenilis. Jų esmė slypi tame, kad vandenilio atomai palaikomi reikiamu energijos lygiu, tačiau sienos pagamintos iš specialios medžiagos. Remdamiesi tuo darome išvadą, kad būtent vandenilio atomai labai greitai praranda energetinę būseną.
2. Cezis. Jų pagrindas – cezio sijos. Verta paminėti, kad šie laikrodžiai yra tiksliausi.
3. Rubidis. Jie yra paprasčiausi ir labai kompaktiški.

Kaip minėta anksčiau, atominiai laikrodžiai yra labai brangus įtaisas. Taigi, Hoptroff kišeninis laikrodis Nr.10 yra ryškus naujos kartos žaislų atstovas. Tokio stilingo ir itin preciziško aksesuaro kaina – 78 tūkstančiai dolerių. Buvo pagaminta tik 12 kopijų. Šio įrenginio mechanizme naudojama aukšto dažnio virpesių sistema, kuri taip pat aprūpinta GPS signalu.

Bendrovė tuo nesustojo ir savo dešimtoje laikrodžio versijoje nori panaudoti mechanizmo įdėjimo į auksinį korpusą būdą, kuris bus atspausdintas populiariu 3D spausdintuvu. Kol kas tiksliai nepaskaičiuota, kiek aukso bus panaudota šiai korpuso versijai, tačiau jau žinoma numatoma mažmeninė šio šedevro kaina – tai buvo apie 50 tūkstančių svarų sterlingų. Ir tai nėra galutinė kaina, nors joje atsižvelgiama į visas tyrimų apimtis, taip pat į pačios programėlės naujumą ir išskirtinumą.

Istoriniai faktai apie laikrodžių naudojimą

Kaip mes galime kalbėti apie atominius laikrodžius, nepaminėdami daugumos įdomių faktų, kurios yra susijusios su jais ir laiku apskritai:

1. Ar žinojote, kad į senovės Egiptas seniausias kada nors rastas saulės laikrodis?
2. Atominių laikrodžių paklaida minimali – tik 1 sekundė per 6 milijonus metų.
3. Visi žino, kad per minutę yra 60 sekundžių. Tačiau mažai žmonių įsigilino į tai, kiek milisekundžių yra per vieną sekundę? O jų nėra daug ir ne mažai – tūkstantis!
4. Kiekvienas turistas, kuris galėjo aplankyti Londoną, visada norėjo pamatyti Big Beną savo akimis. Deja, mažai kas žino, kad Big Benas yra visai ne bokštas, o didžiulio, 13 tonų sveriančio ir bokšto viduje skambančio varpo pavadinimas.
5. Ar kada susimąstėte, kodėl mūsų laikrodžių rodyklės krypsta iš kairės į dešinę arba, kaip sakydavome, „pagal laikrodžio rodyklę“? Šis faktas yra tiesiogiai susijęs su šešėlio judėjimu ant saulės laikrodžio.
6. Pirmieji rankiniai laikrodžiai buvo išrasti dar 1812 m. Juos gamino Breguet įkūrėjas Neapolio karalienei.
7. Iki Pirmojo pasaulinio karo rankiniai laikrodžiai buvo laikomi tik moterišku aksesuaru, tačiau netrukus juos dėl patogumo pasirinko ir vyriškoji gyventojų dalis.

Tai laiko matavimo prietaisai, kurių veikimo principas paremtas atomo fizika. Dėl projektuojant naudojamų cheminių elementų savybių šių laikrodžių paklaida yra minimali. Pavyzdžiui, torio-229 pagrindu pagaminti įrenginiai atsiliks dešimtadaliu sekundės maždaug per 14 milijardų metų.

Kaip veikia atominiai laikrodžiai?

Jei kvarciniuose laikrodžiuose atskaitos dažnis nustatant antrąjį yra kvarco kristalo virpesių skaičius, tai atominiuose laikrodžiuose jis laikomas elektronų perėjimų dažniu tam tikrų cheminių elementų atomuose iš vieno energijos lygisį kitą.

1 – Elektroninis komponentas (lustas)

2 – Branduolinis šaltinis

3 - Fotodetektorius

4 - Viršutinis šildytuvas

5 - Rezonansinė ląstelė

6 - bangų plokštė

7 - Apatinis šildytuvas

8 - Vertikaliai spinduliuojantis lazeris

Štai esmė: atomai turi elektronus. Jie turi energijos. Sugerdami ar išleisdami energiją elektronai šokinėja iš vieno energijos lygio į kitą, sugerdami arba išspinduliuodami elektromagnetines bangas, kurių dažnis visada yra vienodas. Šį reiškinį galima kontroliuoti: kai veikiamas atomas mikrobangų spinduliuotė, jis reaguoja tam tikru virpesių skaičiumi.

Ši savybė naudojama siekiant pagerinti laiko matavimo tikslumą. Taigi pripažįstama, kad sekundė yra 9192631770 spinduliavimo ciklų trukmė. Šis dažnis atitinka perėjimą tarp dviejų cezio-133 atomo energijos lygių. Lyginant kvarcinio osciliatoriaus virpesių dažnį su elemento atomų pereinamuoju dažniu, registruojami menkiausi nukrypimai. Jei yra nukrypimų, kvarco vibracijos koreguojamos.

Cezis nėra vienintelė medžiaga, naudojama atominiuose laikrodžiuose. Atsiranda prietaisų, kurių pagrindą sudaro cheminiai elementai, galintys užtikrinti dar didesnį tikslumą: iterbis, toris-229, stroncis.

Kodėl atominiai laikrodžiai yra tikslūs?

Virpesių dažnis cheminis elementas yra tas pats, ir tai sumažina klaidos galimybę. Be to, skirtingai nuo kvarco kristalo, atomai nesusidėvi ir nepraranda savo cheminės savybės laikui bėgant.

Kiti atominių laikrodžių pavadinimai: kvantinis, molekulinis.

Pirma, žmonija naudoja laikrodžius kaip programos laiko valdymo priemonę.

Antra, šiais laikais laiko matavimas yra labiausiai paplitęs tikslus vaizdas visų atliktų matavimų: laiko matavimo tikslumą dabar lemia neįtikėtina 1·10-11% paklaida arba 1 s per 300 tūkstančių metų.

Ir mes pasiekėme tokį tikslumą šiuolaikiniai žmonės kai jie pradėjo vartoti atomai, kurie dėl savo svyravimų yra atominio laikrodžio reguliatoriai. Cezio atomų yra dviejuose, kurių mums reikia, energetinės būsenos(+) ir (-). 9 192 631 770 hercų dažnio elektromagnetinė spinduliuotė susidaro, kai atomai pereina iš (+) būsenos į (-) būseną, sukuriant tikslų, pastovų periodinį procesą – atominio laikrodžio kodo reguliatorių.

Kad atominiai laikrodžiai veiktų tiksliai, cezis turi būti išgarinamas krosnyje, o šis procesas išskiria jo atomus. Už krosnies yra rūšiavimo magnetas, kurio atomų talpa yra (+) būsenoje, o jame dėl apšvitinimo mikrobangų lauke atomai pereina į (-) būseną. Antrasis magnetas nukreipia atomus, kurie pakeitė būseną (+) į (-) į priimantį įrenginį. Daugelis atomų, pakeitusių savo būseną, gaunami tik tuo atveju, jei mikrobangų skleidėjo dažnis tiksliai sutampa su 9 192 631 770 hercų cezio virpesių dažniu. Priešingu atveju atomų skaičius (-) priėmimo įrenginyje sumažėja.

Prietaisai nuolat stebi ir reguliuoja pastovų 9 192 631 770 hercų dažnį. Tai reiškia, kad išsipildė laikrodžių dizainerių svajonė, rastas absoliučiai pastovus periodinis procesas: 9 192 631 770 hercų dažnis, reguliuojantis atominių laikrodžių eigą.

Šiandien pagal tarptautinį susitarimą sekundė apibrėžiama kaip spinduliavimo laikotarpis, padaugintas iš 9 192 631 770, atitinkantis perėjimą tarp dviejų hipersmulkių. struktūriniai lygiai cezio atomo (cezio-133 izotopas) pagrindinė būsena.

Tiksliam laikui išmatuoti taip pat galite naudoti kitų atomų ir molekulių, tokių kaip kalcio, rubidžio, cezio, stroncio atomai, vandenilio molekulės, jodas, metanas ir kt., vibracijas. Tačiau dažniu pripažįstama cezio atomo spinduliuotė. standartinis. Norėdami palyginti vibracijas skirtingi atomai Su standartu (ceziu) buvo sukurtas titano-safyro lazeris, generuojantis platų dažnių diapazoną nuo 400 iki 1000 nm.

Pirmasis kvarco ir atominių laikrodžių kūrėjas buvo anglų eksperimentinis fizikas Essenas Lewisas (1908–1997). 1955 m. jis sukūrė pirmąjį atominio dažnio (laiko) standartą, naudodamas cezio atomų pluoštą. Dėl šio darbo po 3 metų (1958 m.) atsirado laiko tarnyba, pagrįsta atominio dažnio standartu.

SSRS akademikas Nikolajus Gennadjevičius Basovas pateikė savo idėjas sukurti atominį laikrodį.

Taigi, atominis laikrodis, vienas iš tikslūs tipai Laikrodis – laiko matavimo prietaisas, kuriame natūralios atomų ar molekulių vibracijos naudojamos kaip švytuoklė. Atominių laikrodžių stabilumas yra geriausias iš visų esamų tipų laikrodžius, o tai yra raktas į didžiausią tikslumą. Atominio laikrodžio generatorius sukuria daugiau nei 32 768 impulsus per sekundę, skirtingai nei įprasti laikrodžiai. Atominės vibracijos nepriklauso nuo oro temperatūros, vibracijų, drėgmės ir daugelio kitų išorinių veiksnių.

IN modernus pasaulis Kai tiesiog negalite išsiversti be navigacijos, atominiai laikrodžiai tapo nepakeičiamais pagalbininkais. Jie gali nustatyti vietą erdvėlaivis, palydovas, balistinė raketa, lėktuvas, povandeninis laivas, automobilis automatiškai per palydovinį ryšį.

Taigi, pastaruosius 50 metų atominiai laikrodžiai, tiksliau – cezio laikrodžiai, buvo laikomi tiksliausiais. Jais jau seniai naudojasi laiko tarnybos, o laiko signalus transliuoja ir kai kurios radijo stotys.

Atominio laikrodžio įrenginį sudaro 3 dalys:

kvantinis diskriminatorius,

kvarco osciliatorius,

elektronikos kompleksas.

Kvarcinis generatorius generuoja dažnį (5 arba 10 MHz). Osciliatorius yra RC radijo generatorius, kuris kaip rezonansinį elementą naudoja pjezoelektrinius kvarco kristalo režimus, kuriuose lyginami atomai, pakeitę būseną (+) į (-), siekiant padidinti stabilumą, jo dažnis nuolat lyginamas su svyravimais kvantinis diskriminatorius (atomai arba molekulės) . Atsiradus virpesių skirtumui, elektronika sureguliuoja kvarco osciliatoriaus dažnį iki nulinis lygis, taip padidinant laikrodžio stabilumą ir tikslumą iki norimo lygio.

Šiuolaikiniame pasaulyje atominiai laikrodžiai gali būti gaminami bet kurioje pasaulio šalyje kasdienybė. Jie yra labai mažo dydžio ir gražūs. Naujausio naujojo atominio laikrodžio dydis yra ne didesnis kaip degtukų dėžutė o jų mažos energijos sąnaudos – mažiau nei 1 vatas. Ir tai ne riba, galbūt ateityje technikos pažanga pasieks mobiliuosius telefonus. Tuo tarpu kompaktiški atominiai laikrodžiai montuojami tik strateginėse raketose, siekiant daug kartų padidinti navigacijos tikslumą.

Šiandien internetinėse parduotuvėse galima įsigyti vyriškų ir moteriškų atominių laikrodžių kiekvienam skoniui ir biudžetui.

2011 metais Symmetricom ir Sandia National Laboratories specialistai sukūrė mažiausią pasaulyje atominį laikrodį. Šis laikrodis yra 100 kartų kompaktiškesnis nei ankstesnės versijos. Atominio chronometro dydis nėra didesnis nei degtukų dėžutė. Kad veiktų, jam reikia tik 100 mW galios – tai 100 kartų mažiau, palyginti su jo pirmtakais.

Buvo galima sumažinti laikrodžio dydį vietoj spyruoklių ir krumpliaračių sumontavus mechanizmą, veikiantį dažnio nustatymo principu. elektromagnetines bangas, kurį skleidžia cezio atomai veikiami nereikšmingos galios lazerio spindulio.

Tokie laikrodžiai naudojami navigacijoje, taip pat kalnakasių, narų darbe, kur reikia tiksliai sinchronizuoti laiką su kolegomis paviršiuje, taip pat tikslaus laiko tarnybose, nes atominių laikrodžių paklaida mažesnė nei 0,000001 trupmenos. sekundę per dieną. Rekordinio mažo atominio laikrodžio „Symmetricom“ kaina buvo apie 1500 USD.

Itin tikslūs atominiai laikrodžiai, padarantys vienos sekundės paklaidą kas 300 milijonų metų. Šis laikrodis, kuris pakeitė senesnį modelį, kurio paklaida buvo viena sekundė kas šimtą milijonų metų, dabar nustato Amerikos civilinio laiko standartą. Lenta.ru nusprendė priminti atominių laikrodžių kūrimo istoriją.

Pirmasis atomas

Norint sukurti laikrodį, pakanka naudoti bet kokį periodinį procesą. O laiko matavimo prietaisų atsiradimo istorija iš dalies yra arba naujų energijos šaltinių, arba naujų energijos šaltinių atsiradimo istorija. osciliacinės sistemos, naudojamas laikrodžiuose. Labiausiai paprastas laikrodis tikriausiai yra saulės: jų veikimui reikia tik Saulės ir objekto, kuris meta šešėlį. Šio laiko nustatymo metodo trūkumai yra akivaizdūs. Vanduo ir smėlio laikrodis taip pat nėra geresni: jie tinka tik palyginti trumpiems laikotarpiams matuoti.

Seniausias mechaninis laikrodis buvo rasti 1901 metais netoli Antikiteros salos nuskendusiame laive Egėjo jūroje. Juose yra apie 30 bronzinių krumpliaračių mediniame dėkle, kurio matmenys 33 x 18 x 10 centimetrų, datuojami maždaug šimtaisiais metais prieš Kristų.

Beveik du tūkstančius metų mechaniniai laikrodžiai buvo tiksliausi ir patikimiausi. 1657 m. pasirodė klasikinis Christiano Huygenso veikalas „Švytuoklinis laikrodis“ („Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica“), kuriame aprašomas laiko matavimo prietaisas su švytuokle kaip svyruojančia sistema, tikriausiai buvo apogėjus. šio tipo mechaninių instrumentų kūrimo istorija.

Tačiau astronomai ir jūreiviai vis dar naudojo žvaigždėtą dangų ir žemėlapius, kad nustatytų savo vietą ir tikslų laiką. Pirmąjį elektrinį laikrodį 1814 metais išrado Francis Ronalds. Tačiau pirmasis toks prietaisas buvo netikslus dėl jautrumo temperatūros pokyčiams.

Tolesnė laikrodžių istorija susijusi su įvairių virpesių sistemų naudojimu įrenginiuose. 1927 m. pristatė „Bell Labs“ darbuotojai kvarcinis laikrodis naudotas pjezoelektrinės savybės kvarco kristalas: veikiant juo elektros srovė kristalas pradeda trauktis. Šiuolaikiniai kvarciniai chronometrai gali būti tikslūs iki 0,3 sekundės per mėnesį. Tačiau, kadangi kvarcas yra jautrus senėjimui, laikui bėgant laikrodžiai tampa mažiau tikslūs.

Su vystymusi atominė fizika Mokslininkai pasiūlė medžiagos daleles naudoti kaip virpesių sistemas. Taip atsirado pirmieji atominiai laikrodžiai. Idėja naudoti atominės vibracijos Vandenilį laiko matavimui dar 1879 metais pasiūlė anglų fizikas Lordas Kelvinas, tačiau tai tapo įmanoma tik XX amžiaus viduryje.

Huberto von Herkomerio paveikslo reprodukcija (1907)

1930-aisiais Amerikos fizikas ir branduolinio magnetinio rezonanso atradėjas Izidorius Rabis pradėjo dirbti atominis laikrodis su ceziu-133, tačiau kilęs karas jam sutrukdė. Po karo 1949 m. JAV Nacionalinis standartų komitetas, dalyvaujant Haroldui Lyonsonui, sukūrė pirmąjį molekulinis laikrodis naudojant amoniako molekules. Tačiau pirmieji tokie laiko matavimo prietaisai nebuvo tokie tikslūs kaip šiuolaikiniai atominiai laikrodžiai.

Santykinai žemą tikslumą lėmė tai, kad dėl amoniako molekulių sąveikos tarpusavyje ir su talpyklos, kurioje buvo ši medžiaga, sienelėmis, pakito molekulių energija, jų energija. spektrines linijas išsiplėtė. Šis efektas labai panašus į mechaninio laikrodžio trintį.

Vėliau, 1955 m., Louis Essen iš Nacionalinės fizinė laboratorija Didžioji Britanija pristatė pirmąjį atominį laikrodį su ceziu-133. Šis laikrodis per milijoną metų sukaupė vienos sekundės paklaidą. Prietaisas buvo pavadintas NBS-1 ir buvo pradėtas laikyti cezio dažnio standartu.

Scheminė diagrama Atominį laikrodį sudaro kvarcinis osciliatorius, valdomas diskriminatoriaus, naudojant grįžtamojo ryšio grandinę. Osciliatorius naudojasi pjezoelektrinėmis kvarco savybėmis, o diskriminatorius naudoja energetinius atomų virpesius, kad kvarco virpesiai būtų sekami signalais iš skirtingų energijos lygių atomuose ar molekulėse. Tarp generatoriaus ir diskriminatoriaus yra kompensatorius, sureguliuotas pagal atominių virpesių dažnį ir lyginant jį su kristalo vibracijos dažniu.

Laikrodyje naudojami atomai turi užtikrinti stabilias vibracijas. Kiekvienam dažniui elektromagnetinė spinduliuotė yra savų atomų: kalcio, stroncio, rubidžio, cezio, vandenilio. Ar net amoniako ir jodo molekules.

Laiko standartas

Atsiradus atominiams laiko matavimo prietaisams, atsirado galimybė juos naudoti kaip universalų etaloną antrajam nustatyti. Nuo 1884 m. Grinvičo laikas, laikomas pasauliniu standartu, užleido vietą atominių laikrodžių standartui. 1967 m. 12-osios Generalinės svorių ir matų konferencijos sprendimu viena sekundė buvo apibrėžta kaip 9192631770 spinduliavimo periodų, atitinkančių perėjimą tarp dviejų hipersmulkių cezio-133 atomo būsenos lygių, trukmė. Šis antrojo apibrėžimas nepriklauso nuo astronominių parametrų ir gali būti atkurtas bet kurioje planetos vietoje. Cezis-133, naudojamas atominio laikrodžio standarte, yra vienintelis stabilus izotopas cezio, kurio Žemėje gausu 100 %.

Atominiai laikrodžiai taip pat naudojami palydovinės navigacijos sistemose; jie būtini norint nustatyti tikslų laiką ir palydovo koordinates. Taigi kiekvienas GPS palydovas turi keturis tokių laikrodžių rinkinius: du rubidžio ir du cezio, kurie užtikrina 50 nanosekundžių signalo perdavimo tikslumą. Rusijos GLONASS sistemos palydovai taip pat aprūpinti cezio ir rubidžio atominiais laiko matavimo prietaisais, o dislokuojančios Europos geopozicionavimo sistemos „Galileo“ palydovuose – vandenilio ir rubidžio.

Vandenilio laikrodžių tikslumas yra didžiausias. Tai yra 0,45 nanosekundės per 12 valandų. Matyt, „Galileo“ panaudojus tokius tikslius laikrodžius ši navigacinė sistema taps lydere jau 2015 m., kai orbitoje bus 18 jos palydovų.

Kompaktiškas atominis laikrodis

„Hewlett-Packard“ tapo pirmąja įmone, sukūrusia kompaktišką atominį laikrodį. 1964 metais ji sukūrė didelio lagamino dydžio cezio įrenginį HP 5060A. Bendrovė ir toliau plėtojo šią kryptį, tačiau 2005 m. savo atominių laikrodžių kūrimo padalinį pardavė Symmetricom.

2011 m. Draper Laboratory ir Sandia National Laboratories specialistai sukūrė ir Symmetricom išleido pirmąjį miniatiūrinį atominį laikrodį Quantum. Išleidimo metu jie kainavo apie 15 tūkstančių dolerių, buvo įkišti į sandarų 40 x 35 x 11 milimetrų dėklą ir svėrė 35 gramus. Laikrodžio energijos suvartojimas buvo mažesnis nei 120 milivatų. Iš pradžių jie buvo sukurti Pentagono užsakymu ir buvo skirti aptarnauti navigacijos sistemas, veikiančias nepriklausomai nuo GPS sistemų, pavyzdžiui, giliai po vandeniu ar žeme.

Jau 2013 metų pabaigoje Amerikos kompanija Bathys Hawaii pristatė pirmąjį atominį rankinį laikrodį. Kaip pagrindinį komponentą jie naudoja „Symmetricom“ pagamintą SA.45s lustą. Lusto viduje yra kapsulė su ceziu-133. Laikrodžio konstrukcijoje taip pat yra fotoelementai ir mažos galios lazeris. Pastarasis užtikrina cezio dujų įkaitinimą, dėl to jo atomai pradeda judėti iš vieno energijos lygio į kitą. Laiko matavimas tiksliai atliekamas registruojant tokį perėjimą. Naujo įrenginio kaina – apie 12 tūkstančių dolerių.

Miniatiūrizavimo, autonomiškumo ir tikslumo tendencijos lems tai, kad artimiausiu metu visose srityse pasirodys nauji įrenginiai, naudojantys atominius laikrodžius. žmogaus gyvenimą, pradedant nuo kosmoso tyrimaiįjungta orbitoje skriejančių palydovų ir stočių buitinėms reikmėms kambario ir riešo sistemose.

Atominis laikrodis yra prietaisas, skirtas labai tiksliai matuoti laiką. Jie gavo savo pavadinimą dėl savo veikimo principo, nes kaip periodas naudojami natūralūs molekulių ar atomų virpesiai. Atominiai laikrodžiai plačiai naudojami navigacijoje, kosmoso pramonė, palydovų vietai nustatyti karine sfera,orlaivių aptikimui, taip pat telekomunikacijų srityje.

Kaip matote, taikymo sričių yra labai daug, bet kam joms visoms reikalingas toks tikslumas, nes šiandien įprastų atominių laikrodžių paklaida yra tik 1 sekundė per 30 milijonų metų? Tačiau yra kažkas tikslesnio. Viskas suprantama, nes atstumams skaičiuoti naudojamas laikas, o ten nedidelė paklaida gali nuvesti iki šimtų metrų ar net kilometrų, jei imsi kosminiai atstumai. Pavyzdžiui, paimkime Amerikos sistema GPS navigacija, kai naudojamas įprastas elektroninis laikrodis, koordinačių matavimo paklaida bus gana didelė, o tai gali turėti įtakos visiems kitiems skaičiavimams, o tai gali sukelti pasekmių, jei mes kalbame apie apie kosmoso technologijas. Natūralu, kad GPS imtuvai mobiliuosius įrenginius ir kitų programėlių, didesnis tikslumas visai nėra svarbus.

Tiksliausią laiką Maskvoje ir pasaulyje galima rasti oficialioje svetainėje - „tikslaus dabartinio laiko serveryje“ www.timeserver.ru

Iš ko pagaminti atominiai laikrodžiai?

Atominis laikrodis susideda iš kelių pagrindinių dalių: kvarcinio osciliatoriaus, kvantinio diskriminatoriaus ir elektronikos blokų. Pagrindinis atskaitos taškas yra kvarco osciliatorius, pastatytas ant kvarco kristalų ir, kaip taisyklė, sukuria standartinį 10, 5, 2,5 MHz dažnį. Nes stabilus darbas kvarcas be klaidų yra gana mažas, jis turi būti nuolat reguliuojamas.

Kvantinis diskriminatorius įrašo atominės linijos dažnį, o dažnio-fazės lyginamajame įrenginyje jis lyginamas su kvarco osciliatoriaus dažniu. Palyginimo priemonė turi atsiliepimai su kvarciniu osciliatoriumi, kad būtų galima jį sureguliuoti esant dažnio neatitikimui.
Atominiai laikrodžiai negali būti pastatyti ant visų atomų. Optimaliausias yra cezio atomas. Tai reiškia pirminį, pagal kurį lyginami visi kiti tinkamos medžiagos, pavyzdžiui, kaip: stroncis, rubidis, kalcis. Pirminis etalonas yra visiškai tinkamas tiksliam laikui matuoti, todėl jis vadinamas pirminiu.

Tiksliausias atominis laikrodis pasaulyje

Iki šiol tiksliausias atominis laikrodis yra Jungtinėje Karalystėje (oficialiai priimtos). Jų paklaida yra tik 1 sekundė per 138 milijonus metų. Jie yra daugelio šalių, įskaitant JAV, nacionalinių laiko standartų standartas, taip pat nustato tarptautinius atominis laikas. Tačiau karalystėje jų nėra daugiausia tikslus laikrodisžemėje.

tiksliausia atominio laikrodžio nuotrauka

Jungtinės Valstijos paskelbė, kad sukūrė eksperimentinį tikslaus laikrodžio tipą, pagrįstą cezio atomais, jo paklaida buvo 1 sekundė per beveik 1,5 milijardo metų. Mokslas šioje srityje nestovi vietoje ir sparčiai vystosi.