Atom saati 27 Ocak 2016

Dünyanın yerleşik atom zaman standardına sahip ilk cep saatinin doğum yeri İsviçre ya da Japonya olmayacak. Yaratılış fikri Büyük Britanya'nın kalbinde Londra markası Hoptroff'ta ortaya çıktı.

Atomik saatler veya diğer adıyla "kuantum saatleri", atom veya molekül düzeyinde meydana gelen süreçlerle ilişkili doğal titreşimleri kullanarak zamanı ölçen bir cihazdır. Richard Hoptroff, ultra teknolojik cihazlarla ilgilenen modern beyefendilerin, mekanik cep saatlerini daha abartılı ve alışılmadık ve aynı zamanda modern şehir trendlerine uygun bir saatle değiştirme zamanının geldiğine karar verdi.

Böylece zarif görünümlü atomik cep saati Hoptroff No. halka tanıtıldı. Sadece retro tarzı ve olağanüstü doğruluğuyla değil, aynı zamanda kullanım ömrüyle de çok sayıda aletle sofistike olan modern nesli şaşırtabilecek 10. Geliştiricilere göre bu saati yanınızda bulundurarak en az 5 milyar yıl boyunca en dakik insan olarak kalabilirsiniz.

Onlar hakkında başka ne ilginç şeyler bulabilirsiniz?

Fotoğraf 2.

Bu tür saatlerle hiç ilgilenmemiş olanlar için çalışma prensibini kısaca açıklamaya değer. “Atom cihazının” içinde klasik mekanik saati andıran hiçbir şey yok. Hoptroff'ta hayır. 10 Bu tür mekanik parçalar yoktur. Bunun yerine atomik cep saatleri, sıcaklığı özel bir fırın tarafından kontrol edilen, radyoaktif gazla doldurulmuş kapalı bir hazneyle donatılmıştır. Doğru zaman işleyişi şu şekilde gerçekleşir: Lazerler, saatin bir tür "doldurucusu" olan kimyasal bir elementin atomlarını uyarır ve rezonatör, her atomik geçişi kaydeder ve ölçer. Günümüzde bu tür cihazların temel unsuru sezyumdur. SI birim sistemini hatırlarsak, o zaman saniyenin değeri, sezyum-133 atomlarının bir enerji seviyesinden diğerine geçişi sırasındaki elektromanyetik radyasyon periyotlarının sayısıyla ilgilidir.

Fotoğraf 3.

Akıllı telefonlarda cihazın kalbinin bir işlemci çipi olduğu düşünülüyorsa, o zaman Hoptroff No. Şekil 10'da bu rol referans zaman üreteci modülü tarafından üstlenilmektedir. Symmetricom tarafından tedarik ediliyor ve çipin kendisi başlangıçta askeri endüstride, insansız hava araçlarında kullanılmak üzere tasarlanmıştı.

CSAC atom saati, sezyum buharı içeren bir hazne içeren, sıcaklık kontrollü bir termostatla donatılmıştır. Bir lazerin sezyum-133 atomları üzerindeki etkisi altında, bir mikrodalga rezonatörü kullanılarak ölçülen bir enerji durumundan diğerine geçişleri başlar. 1967'den bu yana, Uluslararası Birim Sistemi (SI), bir saniyeyi, bir sezyum-133 atomunun temel durumunun iki aşırı ince seviyesi arasındaki geçiş sırasında üretilen 9.192.631.770 periyotluk elektromanyetik radyasyon olarak tanımlamaktadır. Buna dayanarak teknik açıdan daha doğru bir sezyum tabanlı saat hayal etmek zordur. Zamanla, zaman ölçümündeki en son gelişmeler göz önüne alındığında, ultraviyole radyasyon frekansında (sezyum saatlerinin mikrodalga frekanslarından 100.000 kat daha yüksek) titreşen bir alüminyum iyonuna dayanan yeni optik saatlerin doğruluğu, doğruluktan yüzlerce kat daha yüksek olacaktır. atomik kronometreler. Basitçe açıklamak gerekirse, Hoptroff'un yeni cep modeli No.10'un yılda 0,0015 saniyelik çalışma hatası var; bu da COSC standartlarından 2,4 milyon kat daha yüksek.

Fotoğraf 4.

Cihazın işlevsel tarafı da fantezinin eşiğinde. Onun yardımıyla şunları öğrenebilirsiniz: saat, tarih, haftanın günü, yıl, farklı miktarlarda enlem ve boylam, basınç, nem, yıldız saatleri ve dakikaları, gelgit tahmini ve diğer birçok gösterge. Saat altın renginde geliyor ve kasasının değerli metalden oluşturulması için 3D baskı kullanılması planlanıyor.

Richard Hoptrof, beyin çocuğunu üretmek için bu özel seçeneğin en çok tercih edilen seçenek olduğuna içtenlikle inanıyor. Yapının tasarım bileşenini biraz değiştirmek için üretim hattını yeniden inşa etmek gerekmeyecek, bunun için 3D baskı cihazının işlevsel esnekliğini kullanmak gerekli olacak. Ancak gösterilen saatin prototipinin klasik yöntemle yapıldığını belirtmekte fayda var.

Fotoğraf 5.

Bu günlerde zaman çok pahalı ve Hoptroff No. 10 bunun doğrudan doğrulanmasıdır. İlk bilgilere göre ilk parti atom cihazı 12 adet olacak, maliyet olarak ise 1 kopyanın fiyatı 78.000 dolar olacak.

Fotoğraf 6.

Markanın genel müdürü Richard Hoptroff'a göre Hoptroff'un Londra lokasyonu bu fikrin ortaya çıkmasında kilit rol oynadı. “Kuvars mekanizmalarımızda GPS sinyalli, yüksek hassasiyetli bir salınım sistemi kullanıyoruz. Ancak Londra'nın merkezinde bu sinyali yakalamak o kadar kolay değil. Bir gün Greenwich Gözlemevi'ne yaptığım bir gezi sırasında orada bir Hewlett Packard atom saati gördüm ve internet üzerinden kendime benzer bir şey almaya karar verdim. Ve yapamadım. Bunun yerine Symmetricon'dan gelen bir çiple ilgili bilgiye rastladım ve üç gün düşündükten sonra bunun bir cep saati için mükemmel olacağını fark ettim."

Söz konusu çip, GPS alıcıları, sırt çantalı radyolar ve insansız araçlar için ilk nesil minyatür atom saatlerinden biri olan SA.45s sezyum atom saatidir (CSAC). Mütevazı boyutlarına (40 mm x 34,75 mm) rağmen yine de bir kol saatine sığması pek mümkün değil. Bu nedenle Hoptroff, onları oldukça saygın boyutlarda (82 mm çapında) bir cep modeliyle donatmaya karar verdi.

Hoptroff No 10 (markanın onuncu mekanizması), dünyanın en doğru saati olmasının yanı sıra, 3D baskı teknolojisi kullanılarak yapılan ilk altın kasa olma iddiasını da taşıyor. Hoptroff, kasayı yapmak için ne kadar altına ihtiyaç duyulacağını henüz kesin olarak söyleyemiyor (ilk prototip üzerindeki çalışmalar, sayı basıldığında tamamlandı), ancak maliyetinin "en az birkaç bin pound" olacağını tahmin ediyor. Ürünün geliştirilmesi için yapılan araştırmaların miktarı göz önüne alındığında (3.000 farklı liman için harmonik sabitler kullanılarak gelgitlerin gel-git akışını hesaplama işlevini ele alalım), nihai perakende fiyatının 50.000 £ civarında olmasını bekleyebiliriz.

10 numaralı modelin 3D yazıcıdan çıkmış ve bitmiş haliyle altın rengi gövdesi

Alıcılar otomatik olarak özel bir kulübün üyesi olacak ve atom saati çipini silah olarak kullanmayacaklarına dair yazılı bir taahhüt imzalamaları gerekecek. Bay Hoptroff şöyle açıklıyor: "Bu, tedarikçiyle yaptığımız sözleşmenin koşullarından biri, çünkü atom çipi başlangıçta füze yönlendirme sistemlerinde kullanılmıştı." Kusursuz hassasiyete sahip bir saate sahip olma fırsatı için ödeyecek fazla bir şey yok.

Hoptroff'tan No.10'un şanslı sahipleri, yüksek hassasiyetli bir saatten çok daha fazlasına sahip olacaklar. Model aynı zamanda bir cep navigasyon cihazı olarak da işlev görüyor ve basit bir sekstant kullanarak denizde geçen uzun yıllardan sonra bile boylamın bir deniz mili hassasiyetle belirlenmesine olanak tanıyor. Modelde iki kadran yer alacak ancak bunlardan birinin tasarımı hâlâ gizli tutuluyor. Diğeri ise 28'e kadar komplikasyonun görüntülendiği bir sayaçlar kasırgasıdır: olası tüm kronometrik işlevlerden ve takvim göstergelerinden pusulaya, termometreye, higrometreye (nem seviyelerini ölçen bir cihaz), barometreye, enlem ve boylam sayaçlarına ve gelgit/yükseklik ölçümlerine kadar. gösterge. Ve bu, atomik termostatın durumunun hayati göstergelerinden bahsetmiyor.

Hoptroff'un, George Daniels'ın efsanevi Space Traveller komplikasyonlu saatinin elektronik versiyonu da dahil olmak üzere bir dizi yeni ürün üretme planları var. Kullanıcının kişisel bilgilerini saklamak ve ay evresi göstergesi gibi komplikasyonların otomatik olarak ayarlanmasını sağlamak için Bluetooth teknolojisinin saate entegre edilmesi üzerinde şu anda çalışılıyor.

No.10'un ilk kopyaları gelecek yıl çıkacak ancak şirket şimdilik perakendeciler arasında uygun ortaklar arıyor. "Tabii ki onu internetten satmayı deneyebiliriz ama bu birinci sınıf bir model, bu yüzden onu gerçekten takdir etmek için yine de elinizde tutmanız gerekiyor. Bu, hâlâ perakendecilerin hizmetlerini kullanmak zorunda kalacağımız ve müzakerelere başlamaya hazır olduğumuz anlamına geliyor” diyor Bay Hoptroff.

Ve hatta Yazının orjinali sitede InfoGlaz.rf Bu kopyanın alındığı makalenin bağlantısı -

Geçen yıl, 2012, insanlığın zamanı mümkün olduğu kadar doğru ölçmek için atomik zaman işleyişini kullanmaya karar vermesinin üzerinden kırk beş yıl geçti. 1967'de Uluslararası zaman kategorisi astronomik ölçeklerle belirlenmeye son verildi; yerini sezyum frekans standardı aldı. Artık popüler olan atom saati adını alan oydu. Belirlemeye izin verdikleri kesin zaman, üç milyon yılda bir saniyelik önemsiz bir hataya sahiptir ve bu da onların dünyanın herhangi bir köşesinde zaman standardı olarak kullanılmasına olanak tanır.

Küçük bir tarih

Zamanın son derece hassas ölçümü için atomik titreşimleri kullanma fikri ilk kez 1879'da İngiliz fizikçi William Thomson tarafından dile getirildi. Bu bilim adamı, rezonatör atomlarının yayıcısı olarak hidrojenin kullanılmasını önerdi. Fikri uygulamaya yönelik ilk girişimler yalnızca 40'lı yıllarda yapıldı. yirminci yüzyıl. Dünyanın ilk çalışan atom saati 1955'te Büyük Britanya'da ortaya çıktı. Yaratıcıları İngiliz deneysel fizikçi Dr. Louis Essen'di. Bu saatler sezyum-133 atomlarının titreşimlerine dayalı olarak çalışıyordu ve onlar sayesinde bilim insanları nihayet zamanı eskisinden çok daha yüksek bir doğrulukla ölçebildiler. Essen'in ilk cihazı her yüz yılda bir saniyeden fazla olmayan bir hataya izin veriyordu, ancak daha sonra bu hata kat kat arttı ve saniyedeki hata ancak 2-3 yüz milyon yılda birikebiliyor.

Atom saati: çalışma prensibi

Bu akıllı “cihaz” nasıl çalışıyor? Atomik saatler, rezonans frekans üreteci olarak kuantum seviyesindeki molekülleri veya atomları kullanır. “atom çekirdeği – elektronlar” sistemi ile birkaç ayrı enerji seviyesi arasında bağlantı kurar. Böyle bir sistem kesin olarak belirlenmiş bir frekanstan etkilenirse, bu sistemin düşük seviyeden yüksek seviyeye geçişi meydana gelecektir. Bunun tersi de mümkündür: Bir atomun daha yüksek bir seviyeden daha düşük bir seviyeye geçişi, enerji emisyonu ile birlikte. Bu olaylar kontrol edilebilir ve tüm enerji sıçramaları, salınım devresi (atom osilatörü olarak da bilinir) gibi bir şey oluşturularak kaydedilebilir. Rezonans frekansı, komşu atomik geçiş seviyeleri arasındaki enerji farkının Planck sabitine bölünmesine karşılık gelecektir.

Böyle bir salınım devresinin, mekanik ve astronomik öncüllerine kıyasla yadsınamaz avantajları vardır. Böyle bir atomik osilatör için, herhangi bir maddenin atomlarının rezonans frekansı aynı olacaktır; bu, sarkaçlar ve piezokristaller hakkında söylenemez. Ayrıca atomlar zamanla özelliklerini değiştirmezler ve yıpranmazlar. Bu nedenle atom saatleri son derece doğru ve pratik olarak sürekli kronometrelerdir.

Doğru zaman ve modern teknolojiler

Telekomünikasyon ağları, uydu iletişimi, GPS, NTP sunucuları, borsadaki elektronik işlemler, İnternet açık artırmaları, İnternet üzerinden bilet satın alma prosedürü - tüm bunlar ve diğer birçok olgu uzun zamandır hayatımızda sağlam bir şekilde yerleşmiştir. Ancak insanlık atom saatlerini icat etmeseydi tüm bunlar olmazdı. Herhangi bir hatayı, gecikmeyi ve gecikmeyi en aza indirmenize olanak tanıyan senkronizasyonun kesin zamanı, bir kişinin asla çok fazla olmayan bu paha biçilmez, yeri doldurulamaz kaynaktan en iyi şekilde yararlanmasına olanak tanır.

Columbia Üniversitesi'nden fizik profesörü Isidor Rabi, daha önce hiç görülmemiş bir proje önerdi: atomik manyetik rezonans ışınının prensibiyle çalışan bir saat. Bu 1945'te gerçekleşti ve 1949'da Ulusal Standartlar Bürosu ilk çalışan prototipi yayınladı. Amonyak molekülünün titreşimlerini okuyor. Sezyum çok daha sonra kullanıma girdi: NBS-1 modeli yalnızca 1952'de ortaya çıktı.

İngiltere'deki Ulusal Fizik Laboratuvarı 1955'te ilk sezyum ışın saatini yarattı. On yıldan fazla bir süre sonra, Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı sırasında, yine sezyum atomundaki titreşimleri temel alan daha gelişmiş bir saat sunuldu. Model NBS-4 1990 yılına kadar kullanıldı.

Saat türleri

Şu anda yaklaşık olarak aynı prensipte çalışan üç tip atom saati bulunmaktadır. Sezyum saatleri, en doğru olanı, sezyum atomunu manyetik bir alanla ayırır. En basit atom saati olan rubidyum saati, cam bir ampul içerisine yerleştirilmiş rubidyum gazını kullanır. Ve son olarak, hidrojen atom saati, özel bir malzemeden yapılmış bir kabuk içinde kapalı olan hidrojen atomlarını referans noktası olarak alır - atomların hızlı bir şekilde enerji kaybetmesini önler.

Saat kaç

1999 yılında ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST), atom saatinin daha da gelişmiş bir versiyonunu önerdi. NIST-F1 modeli her yirmi milyon yılda bir yalnızca bir saniyelik hataya izin verir.

En doğru

Ancak NIST fizikçileri burada durmadı. Bilim insanları bu sefer stronsiyum atomlarını temel alan yeni bir kronometre geliştirmeye karar verdi. Yeni saat, önceki modelin yüzde 60'ıyla çalışıyor; bu da, yirmi milyon yılda değil, beş milyar yılda bir saniye kaybettiği anlamına geliyor.

Ölçüm süresi

Uluslararası anlaşma, bir sezyum parçacığının rezonansı için tek kesin frekansı belirledi. Bu 9,192,631,770 hertz'dir - çıkış sinyalini bu sayıya bölmek tam olarak saniyede bir döngüye eşittir.

Bu son derece hassas mekanizmayı hangi “saat ustaları” icat etti ve mükemmelleştirdi? Onun yerine başka biri var mı? Hadi anlamaya çalışalım.

2012 yılında atom zaman işleyişi kırk beşinci yılını kutlayacak. 1967 yılında Uluslararası Birim Sisteminde zaman kategorisi astronomik ölçeklerle değil, sezyum frekans standardına göre belirlenmeye başlandı. Sıradan insanların atom saati dediği şey budur.

Atomik osilatörlerin çalışma prensibi nedir? Bu "cihazlar" rezonans frekansı kaynağı olarak atomların veya moleküllerin kuantum enerji seviyelerini kullanır. Kuantum mekaniği, birkaç ayrı enerji seviyesini “atom çekirdeği - elektronlar” sistemiyle birleştirir. Belirli bir frekanstaki elektromanyetik alan, bu sistemin düşük bir seviyeden daha yüksek bir seviyeye geçişini tetikleyebilir. Bunun tersi de mümkündür: Bir atom, enerji yayarak yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçebilir. Her iki olay da kontrol edilebilir ve bu enerji seviyeleri arası sıçramalar kaydedilebilir, böylece bir salınım devresi görünümü yaratılabilir. Bu devrenin rezonans frekansı, iki geçiş seviyesi arasındaki enerji farkının Planck sabitine bölünmesine eşit olacaktır.

Ortaya çıkan atomik osilatörün astronomik ve mekanik öncüllerine göre şüphesiz avantajları vardır. Osilatör için seçilen maddenin tüm atomlarının rezonans frekansı, sarkaçlardan ve piezokristallerden farklı olarak aynı olacaktır. Ayrıca atomlar zamanla yıpranmaz ve özellikleri değişmez. Neredeyse sonsuz ve son derece hassas bir kronometre için idealdir.

İlk kez, atomlardaki seviyeler arası enerji geçişlerini frekans standardı olarak kullanma olasılığı, 1879'da daha çok Lord Kelvin olarak bilinen İngiliz fizikçi William Thomson tarafından düşünüldü. Rezonatör atomlarının kaynağı olarak hidrojenin kullanılmasını önerdi. Ancak araştırması doğası gereği oldukça teorikti. O zamanlar bilim henüz atomik bir kronometre geliştirmeye hazır değildi.

Lord Kelvin'in fikrinin hayata geçmesi neredeyse yüz yıl sürdü. Uzun bir zamandı ama görev kolay değildi. Atomları ideal sarkaçlara dönüştürmenin pratikte teoriden daha zor olduğu ortaya çıktı. Zorluk, rezonans genişliği olarak adlandırılan, atomlar seviyeden seviyeye hareket ederken enerjinin emilme ve emisyon frekansında meydana gelen küçük bir dalgalanma ile mücadelede yatıyordu. Rezonans frekansının rezonans genişliğine oranı atomik osilatörün kalitesini belirler. Açıkçası, rezonans genişliğinin değeri ne kadar büyük olursa atomik sarkacın kalitesi de o kadar düşük olur. Kaliteyi artırmak için rezonans frekansını artırmak ne yazık ki mümkün değildir. Her spesifik maddenin atomları için sabittir. Ancak atomların gözlem süresi arttırılarak rezonans genişliği azaltılabilir.

Teknik olarak bu şu şekilde başarılabilir: Harici bir örneğin kuvars osilatörün periyodik olarak elektromanyetik radyasyon üretmesine izin verin, bu da verici maddenin atomlarının enerji seviyelerinin üzerinden atlamasına neden olur. Bu durumda atomik kronograf ayarlayıcısının görevi, bu kuvars osilatörün frekansını atomların seviyeler arası geçişinin rezonans frekansına mümkün olduğunca yaklaştırmaktır. Bu, atomik titreşimlerin yeterince uzun bir süre gözlemlenmesi ve kuvarsın frekansını düzenleyen geri bildirimin yaratılması durumunda mümkün olur.

Doğru, atomik kronografta rezonans genişliğini azaltma sorununun yanı sıra birçok başka sorun da var. Bu, Doppler etkisidir; atomların hareketi ve atomların karşılıklı çarpışması nedeniyle rezonans frekansında meydana gelen bir kayma, plansız enerji geçişlerine ve hatta karanlık maddenin yaygın enerjisinin etkisine neden olur.

Atom saatlerinin pratik uygulamasına yönelik ilk girişim, geçen yüzyılın otuzlu yıllarında, geleceğin Nobel ödüllü Dr. Isidor Rabi'nin önderliğinde Columbia Üniversitesi'ndeki bilim adamları tarafından yapıldı. Rabi, sarkaç atomlarının kaynağı olarak sezyum izotopu 133 Cs'nin kullanılmasını önerdi. Ne yazık ki NBS'nin büyük ilgisini çeken Rabi'nin çalışmaları 2. Dünya Savaşı nedeniyle kesintiye uğradı.

Tamamlanmasının ardından atomik kronografın uygulanmasındaki liderlik NBS çalışanı Harold Lyons'a geçti. Atomik osilatörü amonyakla çalışıyordu ve en iyi kuvars rezonatör örnekleriyle karşılaştırılabilecek bir hata veriyordu. 1949'da amonyak atom saati halka gösterildi. Oldukça vasat doğruluğa rağmen, gelecek nesil atomik kronografların temel prensiplerini uyguladılar.

Louis Essen tarafından elde edilen sezyum atom saatinin prototipi, yalnızca 340 Hertz'lik bir rezonans genişliğine sahipken 1 * 10-9 doğruluk sağladı.

Kısa bir süre sonra Harvard Üniversitesi profesörü Norman Ramsey, Isidor Rabi'nin fikirlerini geliştirerek Doppler etkisinin ölçümlerin doğruluğu üzerindeki etkisini azalttı. Atomları heyecanlandıran bir uzun yüksek frekanslı darbe yerine, dalga kılavuzunun kollarına birbirinden belli bir mesafede gönderilen iki kısa olanı kullanmayı önerdi. Bu, rezonans genişliğini keskin bir şekilde azaltmayı mümkün kıldı ve aslında kuvars atalarına göre doğruluk açısından daha üstün olan atomik osilatörlerin yaratılmasını mümkün kıldı.

Geçen yüzyılın ellili yıllarında, Ulusal Fizik Laboratuvarı'nda (İngiltere) Norman Ramsey tarafından önerilen şemaya dayanarak, çalışanı Louis Essen, daha önce Rabi tarafından önerilen sezyum izotopu 133 Cs'ye dayalı bir atomik osilatör üzerinde çalıştı. Sezyum tesadüfen seçilmedi.

Sezyum-133 izotopunun atomlarının aşırı ince geçiş seviyelerinin şeması

Alkali metaller grubuna ait olan sezyum atomları, enerji seviyeleri arasında atlamak için son derece kolay bir şekilde uyarılır. Örneğin, bir ışık huzmesi sezyumun atomik yapısından gelen elektron akışını kolaylıkla devre dışı bırakabilir. Sezyumun fotodetektörlerde yaygın olarak kullanılması bu özelliğinden kaynaklanmaktadır.

Ramsey dalga kılavuzuna dayanan klasik bir sezyum osilatörünün tasarımı

İlk resmi sezyum frekans standardı NBS-1

NBS-1'in soyundan gelen - NIST-7 osilatörü, sezyum atomlarından oluşan bir ışının lazerle pompalanmasını kullanıyordu

Essen prototipinin gerçek bir standart haline gelmesi dört yıldan fazla sürdü. Sonuçta atom saatlerinin hassas şekilde ayarlanması yalnızca mevcut efemeris zaman birimleriyle karşılaştırılarak mümkündü. Dört yıl boyunca atomik osilatör, ABD Deniz Gözlemevi'nden William Markowitz tarafından icat edilen hassas bir ay kamerası kullanılarak Ay'ın Dünya etrafındaki dönüşünün gözlemlenmesiyle kalibre edildi.

Atom saatlerinin ay efemerisine "ayarlanması" 1955'ten 1958'e kadar gerçekleştirildi ve ardından cihaz NBS tarafından resmi olarak bir frekans standardı olarak tanındı. Üstelik sezyum atom saatlerinin benzeri görülmemiş doğruluğu, NBS'yi SI standardındaki zaman birimini değiştirmeye sevk etti. 1958'den bu yana ikincisi resmi olarak "sezyum-133 izotopunun bir atomunun standart durumunun iki aşırı ince seviyesi arasındaki geçişe karşılık gelen 9.192.631.770 radyasyon periyodu süresi" olarak kabul edildi.

Louis Essen'in cihazı NBS-1 olarak adlandırıldı ve ilk sezyum frekans standardı olarak kabul edildi.

Önümüzdeki otuz yıl boyunca, NBS-1'in altı modifikasyonu geliştirildi; bunlardan en sonuncusu, 1993 yılında mıknatısların lazer tuzaklarıyla değiştirilmesiyle oluşturulan NIST-7, yalnızca altmış rezonans genişliğiyle 5 * 10 -15 doğruluk sağlıyor. -iki Hertz.

NBS tarafından kullanılan sezyum frekans standartlarının özelliklerinin karşılaştırma tablosu

NBS cihazları, pratikte kullanılan osilatörler yerine standart olarak sınıflandırılmalarına olanak tanıyan sabit stantlardır. Ancak tamamen pratik amaçlar doğrultusunda Hewlett-Packard, sezyum frekans standardının yararına çalıştı. 1964 yılında geleceğin bilgisayar devi, sezyum frekans standardının kompakt bir versiyonunu (HP 5060A cihazı) yarattı.

NBS standartları kullanılarak kalibre edilen HP 5060 frekans standartları, tipik bir radyo ekipmanı rafına sığdı ve ticari bir başarı elde etti. Hewlett-Packard'ın belirlediği sezyum frekansı standardı sayesinde atom saatlerinin benzeri görülmemiş doğruluğu yaygınlaştı.

Hewlett-Packard 5060A.

Sonuç olarak uydu televizyonu ve iletişimleri, küresel navigasyon sistemleri ve bilgi ağı zaman senkronizasyon hizmetleri gibi şeyler mümkün hale geldi. Endüstrileşmiş atomik kronograf teknolojisinin birçok uygulaması olmuştur. Aynı zamanda Hewlett-Packard burada durmadı ve sezyum standartlarının kalitesini, ağırlıklarını ve boyutlarını sürekli olarak geliştiriyor.

Hewlett-Packard atom saatleri ailesi

2005 yılında Hewlett-Packard'ın atom saati bölümü Simmetricom'a satıldı.

Doğada rezervleri çok sınırlı olan ve çeşitli teknolojik alanlarda talebi son derece yüksek olan sezyumun yanı sıra, özellikleri sezyuma çok yakın olan rubidyum da donör madde olarak kullanılmıştır.

Mevcut atom saati şemasının mükemmel hale getirildiği görülüyor. Bu arada, sezyum çeşmeleri adı verilen ikinci nesil sezyum frekans standartlarında ortadan kaldırılması mümkün olan sinir bozucu bir dezavantajı vardı.

Zaman çeşmeleri ve optik pekmez

Sezyum atomlarının durumunun lazerle tespitini kullanan NIST-7 atomik kronometrenin en yüksek doğruluğuna rağmen tasarımı, sezyum frekans standartlarının ilk versiyonlarının tasarımlarından temel olarak farklı değildir.

Tüm bu şemaların tasarım dezavantajı, bir dalga kılavuzunda hareket eden sezyum atomlarından oluşan bir ışının yayılma hızını kontrol etmenin temelde imkansız olmasıdır. Ve bu, sezyum atomlarının oda sıcaklığında hareket hızının saniyede yüz metre olmasına rağmen. Çok çabuk.

Bu nedenle sezyum standartlarındaki tüm değişiklikler, hızlı sezyum atomlarını iki noktada etkilemek için yeterli zamana sahip olan dalga kılavuzunun boyutu ile bu etkinin sonuçlarını tespit etme doğruluğu arasında bir denge arayışıdır. Dalga kılavuzu ne kadar küçük olursa, aynı atomları etkileyen ardışık elektromanyetik darbeler yapmak o kadar zor olur.

Peki ya sezyum atomlarının hızını azaltmanın bir yolunu bulursak? Geçen yüzyılın kırklı yaşlarının sonlarında yerçekiminin atomların davranışı üzerindeki etkisini inceleyen MIT öğrencisi Jerold Zacharius'un kafasını meşgul eden fikir de buydu. Daha sonra, sezyum frekans standardı Atomichron'un bir çeşidinin geliştirilmesinde yer alan Zacharius, bir sezyum çeşmesi fikrini önerdi - sezyum atomlarının hareket hızını saniyede bir santimetreye düşürecek ve çifte frekanstan kurtulacak bir yöntem - Geleneksel atomik osilatörlerin silahlı dalga kılavuzu.

Zacharius'un fikri basitti. Sezyum atomlarını bir osilatörün içinde dikey olarak ateşlerseniz ne olur? Daha sonra aynı atomlar dedektörden iki kez geçecek: biri yukarı doğru hareket ederken, diğeri de yerçekiminin etkisi altında hızla hareket edecekleri yere doğru. Bu durumda atomların aşağıya doğru hareketi, kalkışlarından önemli ölçüde daha yavaş olacaktır çünkü çeşmedeki yolculukları sırasında enerji kaybedeceklerdir. Ne yazık ki geçen yüzyılın ellili yıllarında Zacharius fikirlerini hayata geçiremedi. Deney düzeneğinde yukarı doğru hareket eden atomlar aşağıya düşen atomlarla etkileşime giriyordu ve bu da tespitin doğruluğunu karıştırıyordu.

Zacharius fikri ancak seksenli yıllarda geri döndü. Steven Chu liderliğindeki Stanford Üniversitesi'ndeki bilim adamları, "optik pekmez" adını verdikleri bir yöntemi kullanarak Zacharius Çeşmesi'ni gerçekleştirmenin bir yolunu buldular.

Chu sezyum çeşmesinde, yukarıya doğru ateşlenen bir sezyum atomu bulutu, sezyum atomlarının optik rezonansının hemen altında bir rezonans frekansına sahip, üç çift zıt yönlü lazerden oluşan bir sistem tarafından önceden soğutulur.

Optik pekmezli sezyum çeşmesinin şeması.

Lazerle soğutulan sezyum atomları sanki pekmezin içinden geçiyormuş gibi yavaş yavaş hareket etmeye başlar. Hızları saniyede üç metreye düşüyor. Atomların hızını azaltmak, araştırmacılara durumları daha doğru bir şekilde tespit etme fırsatı verir (kabul etmelisiniz ki, saatte bir kilometre hızla hareket eden bir arabanın plakalarını görmek, yüz kilometre hızla hareket eden bir arabadan çok daha kolaydır) kilometre/saat).

Soğutulmuş sezyum atomlarından oluşan bir top, yaklaşık bir metre yukarıya doğru fırlatılır ve yol boyunca bir dalga kılavuzundan geçerek atomların rezonans frekanslı bir elektromanyetik alana maruz bırakılması sağlanır. Ve sistemin dedektörü ilk kez atomların durumundaki değişimi kaydediyor. “Tavana” ulaşan soğuyan atomlar yerçekimi nedeniyle düşmeye başlar ve dalga kılavuzundan ikinci kez geçmeye başlar. Dönüş yolunda dedektör durumlarını tekrar kaydeder. Atomlar son derece yavaş hareket ettiğinden oldukça yoğun bir bulut şeklindeki uçuşlarının kontrolü kolaydır, bu da çeşmede aynı anda yukarı aşağı uçan atomların olmayacağı anlamına gelir.

Chu'nun sezyum çeşmesi tesisi, 1998 yılında NBS tarafından frekans standardı olarak benimsendi ve NIST-F1 olarak adlandırıldı. Hatası 4 * 10 -16 idi, bu da NIST-F1'in önceki NIST-7'den daha doğru olduğu anlamına geliyordu.

Aslında NIST-F1, sezyum atomlarının durumunu ölçmede doğruluk sınırına ulaştı. Ancak bilim adamları bu zaferle yetinmediler. Siyah cisim radyasyonunun atom saatlerinin işleyişine getirdiği hatayı ortadan kaldırmaya karar verdiler - sezyum atomlarının hareket ettikleri tesisin gövdesinin termal radyasyonuyla etkileşiminin sonucu. Yeni NIST-F2 atomik kronograf, kriyojenik bir odaya bir sezyum çeşmesi yerleştirdi ve kara cisim radyasyonunu neredeyse sıfıra indirdi. NIST-F2 hatası inanılmaz bir 3*10 -17'dir.

Sezyum frekansı standart seçeneklerinin hata azaltma grafiği

Şu anda, sezyum çeşmelerine dayanan atom saatleri insanlığa, teknolojik uygarlığımızın nabzının attığı en doğru zaman standardını sağlıyor. Mühendislik hileleri sayesinde, NIST-F1 ve NIST-F2'nin sabit versiyonlarındaki sezyum atomlarını soğutan darbeli hidrojen ustalarının yerini manyeto-optik bir sistemle birlikte çalışan geleneksel bir lazer ışını aldı. Bu, NIST-Fx standartlarının uzay gemilerinde kullanılabilecek kompakt ve oldukça dayanıklı versiyonlarının oluşturulmasını mümkün kıldı. Oldukça yaratıcı bir şekilde "Havacılık ve Uzay Soğuk Atom Saati" olarak adlandırılan bu frekans standartları, GPS gibi navigasyon sistemlerinin uydularına kurulur ve cihazlarımızda kullanılan GPS alıcılarının koordinatlarının çok doğru hesaplanması sorununu çözmek için şaşırtıcı senkronizasyon sağlar.

GPS uydularında "Havacılık ve Uzay Soğuk Atom Saati" olarak adlandırılan sezyum çeşmesi atom saatinin kompakt bir versiyonu kullanılmaktadır.

Zaman referansı hesaplaması, NBS ile işbirliği yapan çeşitli araştırma merkezlerinde bulunan on NIST-F2'den oluşan bir "topluluk" tarafından gerçekleştirilir. Atomik saniyenin kesin değeri toplu olarak elde edilir, böylece çeşitli hatalar ve insan faktörünün etkisi ortadan kaldırılır.

Ancak bir gün sezyum frekans standardının torunlarımız tarafından zamanı ölçmek için çok kaba bir mekanizma olarak algılanması mümkündür, tıpkı şimdi atalarımızın mekanik büyükbaba saatlerindeki sarkacın hareketlerine küçümseyerek baktığımız gibi.

Her 300 milyon yılda bir saniyelik hata yapan son derece hassas atom saatleri. Her yüz milyon yılda bir saniye hata yapan eski modelin yerini alan bu saat, artık Amerikan sivil saatinin standardını belirliyor. Lenta.ru atom saatlerinin yaratılış tarihini hatırlamaya karar verdi.

İlk atom

Saat oluşturmak için herhangi bir periyodik işlemi kullanmak yeterlidir. Zaman ölçüm cihazlarının ortaya çıkış tarihi, kısmen yeni enerji kaynaklarının ya da saatlerde kullanılan yeni salınım sistemlerinin ortaya çıkışının tarihidir. En basit saat muhtemelen güneş saatidir: çalışması için yalnızca Güneş'e ve gölge oluşturan bir nesneye ihtiyacınız vardır. Bu zamanı belirleme yönteminin dezavantajları açıktır. Su ve kum saati de daha iyi değil: yalnızca nispeten kısa zaman dilimlerini ölçmek için uygundurlar.

En eski mekanik saat 1901 yılında Antikythera adası yakınlarında Ege Denizi'nde batık bir gemide bulundu. 33'e 18'e 10 santimetre boyutlarında ve yaklaşık MÖ 100. yıldan kalma bir tahta kutu içinde yaklaşık 30 bronz dişli içerirler.

Neredeyse iki bin yıl boyunca mekanik saatler en doğru ve güvenilir olanıydı. Christiaan Huygens'in, salınımlı bir sistem olarak sarkaçlı bir zaman tutma cihazını anlatan klasik eseri “Sarkaçlı Saat” (“Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato gösterileri geometrika”) 1657'de ortaya çıkışı, muhtemelen bu alandaki doruk noktasıydı. Bu tip mekanik aletlerin gelişim tarihi.

Ancak gökbilimciler ve denizciler, konumlarını ve kesin zamanlarını belirlemek için hâlâ yıldızlı gökyüzünü ve haritaları kullanıyorlardı. İlk elektrikli saat 1814 yılında Francis Ronalds tarafından icat edilmiştir. Ancak bu tür ilk cihaz, sıcaklık değişimlerine karşı hassasiyet nedeniyle hatalıydı.

Saatlerin daha ileri tarihi, cihazlarda çeşitli salınım sistemlerinin kullanılmasıyla bağlantılıdır. 1927'de Bell Laboratuvarları tarafından tanıtılan kuvars saatler, kuvars kristalinin piezoelektrik özelliklerinden yararlanıyordu: elektrik akımına maruz kaldığında kristal küçülmeye başlıyor. Modern kuvars kronometreler ayda 0,3 saniyeye kadar doğruluk sağlayabilir. Ancak kuvars yaşlanmaya karşı hassas olduğundan saatler zamanla daha az hassas hale gelir.

Atom fiziğinin gelişmesiyle birlikte bilim adamları, madde parçacıklarını salınım sistemleri olarak kullanmayı önerdiler. İlk atom saatleri böyle ortaya çıktı. Zamanı ölçmek için hidrojenin atomik titreşimlerini kullanma olasılığı fikri 1879'da İngiliz fizikçi Lord Kelvin tarafından önerildi, ancak bu ancak 20. yüzyılın ortalarında mümkün oldu.

Hubert von Herkomer'in bir tablosunun reprodüksiyonu (1907)

1930'larda Amerikalı fizikçi ve nükleer manyetik rezonans öncüsü Isidor Rabi, sezyum-133 atom saati üzerinde çalışmaya başladı, ancak savaşın patlak vermesi onun bunu yapmasını engelledi. Savaştan sonra 1949'da Harold Lyonson'un katılımıyla ABD Ulusal Standartlar Komitesi'nde amonyak moleküllerini kullanan ilk moleküler saat oluşturuldu. Ancak bu tür ilk zaman ölçüm cihazları modern atom saatleri kadar doğru değildi.

Nispeten düşük doğruluk, amonyak moleküllerinin birbirleriyle ve bu maddenin bulunduğu kabın duvarlarıyla etkileşimi nedeniyle moleküllerin enerjisinin değişmesi ve spektral çizgilerinin genişlemesi nedeniyle ortaya çıktı. Bu etki mekanik bir saatteki sürtünmeye çok benzer.

Daha sonra 1955 yılında Birleşik Krallık Ulusal Fizik Laboratuvarı'ndan Louis Essen ilk sezyum-133 atom saatini tanıttı. Bu saat bir milyon yılda bir saniyelik hata biriktirdi. Cihaz NBS-1 olarak adlandırıldı ve sezyum frekans standardı olarak kabul edilmeye başlandı.

Bir atom saatinin şematik diyagramı, bir geri besleme devresi kullanan bir ayırıcı tarafından kontrol edilen bir kuvars osilatörden oluşur. Osilatör kuvarsın piezoelektrik özelliklerini kullanırken, ayırıcı atomların enerjik titreşimlerini kullanır, böylece kuvarsın titreşimleri atom veya moleküllerdeki farklı enerji seviyelerinden geçişlerden gelen sinyallerle takip edilir. Jeneratör ve ayırıcı arasında atomik titreşimlerin frekansına ayarlanmış ve bunu kristalin titreşim frekansıyla karşılaştıran bir dengeleyici vardır.

Saatte kullanılan atomların kararlı titreşimler sağlaması gerekir. Elektromanyetik radyasyonun her frekansı için atomlar vardır: kalsiyum, stronsiyum, rubidyum, sezyum, hidrojen. Hatta amonyak ve iyot molekülleri bile.

Zaman standardı

Atom zamanını ölçen aletlerin ortaya çıkışıyla, bunları saniyeyi belirlemek için evrensel bir standart olarak kullanmak mümkün hale geldi. 1884'ten itibaren dünya standardı olarak kabul edilen Greenwich Saati yerini atom saatleri standardına bıraktı. 1967 yılında 12. Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı'nın kararıyla bir saniye, sezyum-133 atomunun temel durumunun iki aşırı ince seviyesi arasındaki geçişe karşılık gelen 9192631770 radyasyon periyodu süresi olarak tanımlandı. İkincinin bu tanımı astronomik parametrelere bağlı değildir ve gezegenin herhangi bir yerinde çoğaltılabilir. Atom saati standardında kullanılan Sezyum-133, sezyumun Dünya üzerinde %100 bolluğa sahip tek kararlı izotopudur.

Atomik saatler uydu navigasyon sistemlerinde de kullanılmaktadır; kesin zamanı ve uydu koordinatlarını belirlemek için gereklidirler. Bu nedenle, her GPS uydusunda bu tür dört saat seti bulunur: 50 nanosaniyelik sinyal iletim doğruluğu sağlayan iki rubidyum ve iki sezyum. GLONASS sisteminin Rus uyduları aynı zamanda sezyum ve rubidyum atomik zaman ölçüm cihazlarıyla donatılmıştır ve konuşlandırılan Avrupa Galileo coğrafi konumlandırma sisteminin uyduları hidrojen ve rubidyum olanlarla donatılmıştır.

Hidrojen saatlerinin doğruluğu en yüksektir. 12 saatte 0,45 nanosaniyedir. Görünen o ki, Galileo'nun bu kadar doğru saatleri kullanması, bu navigasyon sistemini, yörüngede 18 uydunun olacağı 2015 yılında zaten lider yapacak.

Kompakt atom saati

Hewlett-Packard, kompakt atom saatini geliştiren ilk şirket oldu. 1964 yılında büyük bir çanta büyüklüğündeki HP 5060A sezyum aygıtını yarattı. Şirket bu yönde gelişmeye devam etti ancak 2005 yılında atom saatleri geliştiren bölümünü Symmetricom'a sattı.

2011 yılında Draper Laboratuvarı ve Sandia Ulusal Laboratuvarlarından uzmanlar geliştirdi ve Symmetricom ilk minyatür atom saati Quantum'u piyasaya sürdü. Piyasaya sürüldüğünde yaklaşık 15 bin dolara mal oldular, 40 x 35 x 11 milimetre ölçülerinde ve 35 gram ağırlığında kapalı bir kutuya konuldular. Saatin güç tüketimi 120 miliwatt'ın altındaydı. Başlangıçta Pentagon'un emriyle geliştirildiler ve GPS sistemlerinden bağımsız olarak çalışan, örneğin derin su altı veya yer altı navigasyon sistemlerine hizmet etmeleri amaçlandı.

Zaten 2013'ün sonunda, Amerikan şirketi Bathys Hawaii ilk "bilek" atom saatini tanıttı. Ana bileşen olarak Symmetricom'un ürettiği SA.45s çipini kullanıyorlar. Çipin içinde sezyum-133 içeren bir kapsül var. Saatin tasarımında fotoseller ve düşük güçlü bir lazer de yer alıyor. İkincisi, sezyum gazının ısıtılmasını sağlar ve bunun sonucunda atomları bir enerji seviyesinden diğerine hareket etmeye başlar. Böyle bir geçişin kaydedilmesiyle zamanın ölçümü hassas bir şekilde gerçekleştirilir. Yeni bir cihazın maliyeti yaklaşık 12 bin dolar.

Minyatürleştirme, özerklik ve doğruluk yönündeki eğilimler, yakın gelecekte atom saatlerini kullanan yeni cihazların, yörünge uyduları ve istasyonlar üzerindeki uzay araştırmalarından oda ve bilek sistemlerindeki ev uygulamalarına kadar insan yaşamının her alanında ortaya çıkmasına yol açacaktır.