Краткая история появления атомных приборов измерения времени. Как функционируют атомные часы

Научный мир облетела сенсация – из нашей Вселенной… испаряется время! Пока это только гипотеза испанских астрофизиков. Но то, что течение времени на Земле и в космосе отличается, учеными уже доказано. Время под воздействием гравитации течет медленнее, ускоряясь при удалении от планеты. Задачу синхронизировать земное и космическое время выполняют водородные стандарты частоты, которые еще называют «атомными часами».

Первое атомное время появилось вместе с возникновением космонавтики, атомные часы появились в середине 20-х годов. Сейчас атомные часы стали обыденной вещью, ими ежедневно пользуется каждый из нас: с их помощью работает цифровая связь, ГЛОНАС, навигация, транспорт.

Владельцы мобильных телефонов едва ли задумываются о том, какая сложная работа в космосе проводится для жёсткой синхронизации по времени, а ведь речь идёт всего лишь о миллионных долях секунды.

Эталон точного времени хранится в Подмосковье, в Научном институте физико-технических и радио-технических измерений. Всего таких часов в мире – 450.

Монополистами на атомные часы являются Россия и США, но в США часы работают на основе цезия – радиоактивного металла, очень вредного для экологии, а в России – на основе водорода – более безопасного долговечного материала.

У этих часов нет циферблата и стрелок: они похожи на большую бочку из редких и ценных металлов, наполненную самыми передовыми технологиями – высокоточными измерительными приборами и аппаратурой с атомными стандартами. Процесс их создания очень долгий, сложный и проходит в условиях абсолютной стерильности.

Уже 4 года часы, установленные на российском спутнике, изучают тёмную энергию. По человеческим стандартам они теряют точность на 1 секунду за много миллионов лет.

Очень скоро атомные часы установят на Спектр-М – космическую обсерваторию, которая увидит как формируются звёзды и экзопланеты, заглянет за краешек чёрной дыры в центре нашей Галактики. По мнению учёных, из-за чудовищной гравитации время течёт здесь настолько медленно, что почти останавливается.

tvroscosmos

Атомные часы January 27th, 2016

Родиной первых в мире карманных часов со встроенным атомным стандартом времени станет не Швейцария и даже не Япония. Идея их создания зародилась в самом сердце Великобритании у лондонской марки Hoptroff

Атомные или как их ещё называют «квантовые часы» - это устройство, которое измеряет время, используя для этого собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул. Ричард Хоптроф (Richard Hoptroff) решил, что современным джентльменам, которые проявляют интерес к сверхтехнологичным устройствам, пора бы сменить свои карманные механические часы на нечто более экстравагантное и неординарное, а также отвечающее современным урбанистическим тенденциям.

Так, публике были продемонстрированы элегантные по своему внешнему виду карманные атомные часы Hoptroff No. 10, которые могут удивить современное искушённое обилием гаджетов поколение не только своим ретро-стилем и фантастической точностью хода, но и сроком эксплуатации. По заявлению разработчиков, имея при себе эти часы, вы сможете оставаться самым пунктуальным человеком на протяжении не менее 5 млрд лет.

Что еще можно узнать о них интересного …

Фото 2.

Для всех тех, кто никогда не интересовался подобными часами, стоит вкратце рассказать принцип их действия. Внутри «атомного устройства» нет ничего, что напоминало бы классические механические часы. В Hoptroff No. 10 отсутствуют механические детали как таковые. Вместо этого карманные атомные часы оснащаются герметичной камерой, заполненной радиоактивным газообразным веществом, температура которого находится под контролем специальной печи. Точный отсчёт времени происходит следующим образом: лазеры возбуждают атомы химического элемента, являющегося своего рода «наполнителем» часов, а резонатор фиксирует и измеряет каждый атомный переход. Сегодня базовым элементом подобных устройств является цезий. Если вспомнить систему единиц СИ, то в ней значение секунды связно с количеством периодов электромагнитного излучения при переходе атомов цезия-133 с одного на другой энергетический уровень.

Фото 3.

Если в смартфонах сердцем устройства считается процессорный чип, то в Hoptroff No. 10 данную роль берёт на себя модуль-генератор эталонного времени. Его поставкой занимается фирма Symmetricom, а сам чип изначально был ориентирован на использование в военной отрасли - в беспилотных летательных аппаратах.

Атомные часы CSAC снабжены термостатом с регулированием температуры, внутри которого содержится камера с парами цезия. Под воздействием лазера на атомы цезия-133 начинается их переход из одного энергетического состояния в другое, для измерения которого используется СВЧ-резонатор. С 1967 года Международная система единиц (СИ) определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Исходя из этого, сложно себе представить более точные с технической точки зрения часы на цезиевой основе. Со временем, учитывая последние достижения в области измерения времени, точность новых оптических часов на базе иона алюминия, пульсирующего с частотой ультрафиолетового излучения (в 100 000 раз превышающей микроволновые частоты цезиевых часов), в сотни раз превысит точность атомных хронометров. Выражаясь доступным языком, погрешность хода новой карманной модели No.10 от Hoptroff составляет 0,0015 секунды в год, что в 2,4 миллиона раз превышает стандарты COSC.

Фото 4.

Функциональная сторона устройства также на грани фантастики. С его помощью можно узнать: время, дату, день недели, год, широту и долготу в разных величинах, давление, влажность, звездные часы и минуты, прогноз приливов и многие другие показатели. Часы поставляются в золотом исполнении, а для создания их корпуса из драгоценного металла планируется использовать трехмерную печать.

Ричард Хоптроф искреннее полагает, что именно данный вариант производства своего детища является наиболее предпочтительным. Чтобы немного изменить дизайнерскую составляющую конструкции, вовсе не нужно будет перестраивать производственную линию, а использовать для этого функциональную гибкость печатающего 3D-устройства. Правда, стоит отметить, что показанный прототип часов был изготовлен классическим способом.

Фото 5.

Время нынче стоит очень дорого, а карманные часы Hoptroff No. 10 - тому прямое подтверждение. По предварительной информации, первая партия атомных устройств составит 12 единиц, а что касается стоимости, то цена за 1 экземпляр будет составлять $78 000.

Фото 6.

По словам Ричарда Хоптроффа, управляющего директора марки, лондонская прописка Hoptroff сыграла ключевую роль в возникновении этой идеи. “В своих кварцевых механизмах мы используем высокоточную колебательную систему с сигналом GPS. Но в центре Лондона не так-то просто поймать этот самый сигнал. Однажды во время поездки в Гринвичскую обсерваторию я увидел там атомные часы Hewlett Packard и решил приобрести себе нечто подобное через Интернет. И не смог. Вместо этого мне на глаза попалась информация о чипе компании Symmetricon, и после трех дней раздумий я понял, что он прекрасно подойдет для карманных часов”.

Чип, о котором идет речь, представляет собой цезиевые атомные часы SA.45s (CSAC), принадлежащие к первому поколению миниатюрных атомных часов для GPS-приемников, ранцевых радиостанций и беспилотных аппаратов. Несмотря на свои скромные габариты (40 мм х 34,75 мм), в наручные часы он все же вряд ли поместится. Поэтому Хоптрофф решил оснастить ими карманную модель довольно солидных размеров (82 мм в диаметре).

Помимо звания самых точных часов в мире, Hoptroff No 10 (десятый по счету механизм марки) претендует также на первый золотой корпус, изготовленный с использованием технологии 3D-печати. Хоптрофф пока не может с точностью сказать, сколько золота потребуется для изготовления корпуса (работа над первым прототипом завершилась, когда номер уже ушел в печать), но предполагает, что его стоимость составит “минимум несколько тысяч фунтов”. А учитывая весь тот объем научных исследований, потребовавшихся для разработки продукта (взять хотя бы функцию расчета приливов и отливов по гармоническим постоянным для 3 тыс. различных портов), можно ожидать, что его конечная розничная цена составит около 50 тыс. фунтов стерлингов.

Золотой корпус модели No 10 на выходе из 3D-принтера и в готовом виде

Покупатели автоматически становятся членами эксклюзивного клуба и должны будут подписать письменное обязательство не использовать чип атомных часов как оружие. “Это одно из условий нашего договора с поставщиком, - объясняет г-н Хоптрофф, - поскольку изначально атомный чип применялся в системах наведения ракет”. Не так уж много за возможность получить часы с безупречной точностью.

Счастливые обладатели No.10 от Hoptroff получат в свое распоряжение гораздо больше, чем просто высокоточные часы. Модель также выполняет функцию карманного навигационного устройства, позволяющего определить долготу с точностью до одной морской мили даже после многолетнего пребывания в море при помощи простого секстанта. Модель получит два циферблата, однако дизайн одного из них пока держится в секрете. Другой же представляет собой круговерть счетчиков, отображающих целых 28 усложнений: от всех возможных хронометрических функций и указателей календаря до компаса, термометра, гигрометра (прибора для измерения уровня влажности), барометра, счетчиков широты и долготы и индикатора времени прилива/отлива. И это не говоря уже о жизненно важных индикаторах состояния атомного термостата.

У Hoptroff в планах производство ряда новых продуктов, в числе которых электронная версия легендарных усложненных часов Space Traveller Джорджа Дэниэлса. Сейчас над ними ведется работа, цель которой - интегрировать в часы технологию Bluetooth для сохранения личной информации владельца и обеспечения автоматической настройки таких усложнений, как индикатор фаз Луны.

Первые экземпляры No.10 появятся уже в следующем году, а пока компания занимается поиском подходящих партнеров среди ретейлеров. “Мы, конечно, могли бы попытаться продавать их через Интернет, но это модель премиум-класса, поэтому, чтобы по достоинству оценить эти часы, их все же нужно подержать в руках. А значит, нам все-таки придется воспользоваться услугами ретейлеров, и мы готовы начать переговоры”, - говорит в заключение г-н Хоптрофф.

И даже Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -

Во-первых, часы использует человечество в качестве средств программно-временного управления.

Во-вторых, в наши дни измерение времени является и самым точным видом измерений из всех проводимых: точность измерения времени определяется сейчас невероятно погрешностью порядка 1·10-11 %, или 1 с за 300 тыс. лет.

А добились такой точности современные люди, когда стали использовать атомы , которые в результате своих колебаний являются регулятором хода атомных часов. Атомы цезия находятся в двух, необходимых нам, энергетических состояниях (+) и (-). Электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 герц образуется, когда атомы переходят из состояния (+) в (-), создавая точный постоянный периодический процесс - регулятор кода атомных часов.

Для того, чтобы атомные часы работали точно цезий необходимо испарить в печи, в результате этого процесса выбрасываются его атомы. Позади печи находится сортирующий магнит, который обладает пропускной способностью атомов в состоянии (+), а в нем за счет облучения в микроволновом поле атомы переходят в состояние (-). Второй магнит направляет атомы, изменившие состояние (+) на (-) в приемное устройство. Много атомов, изменивших свое состояние, получается лишь в том случае, если частота микроволнового излучателя в точности совпадет с частотой колебаний цезия 9 192 631 770 герц. Иначе, количество атомов (-) в приемном устройстве уменьшается.

Приборы постоянно отслеживают и регулируют постоянство частоты 9 192 631 770 герц. А значит, осуществилась мечта часовых конструкторов, найден абсолютно постоянный периодический процесс: частота 9 192 631 770 герц, регулирующая ход атомных часов.

Сегодня, в результате международного соглашения, секунда определяется как период излучения умноженный на 9 192 631 770, соответствующий переходу между двумя гипертонкими структурными уровнями основного состояния атома цезия (изотопа цезия-133).

Для измерения точного времени можно использовать также колебания других атомов и молекул, таких как, атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекул водорода, йода, метана и т. д. Однако, стандартом частоты признано излучение атома цезия. Для того чтобы осуществить сравнение колебаний разных атомов со стандартом (цезия) создан титан-сапфировый лазер, генерирующий широкий диапазон частот в диапазоне от 400 до 1000 нм.

Первым создателем кварцевых и атомных часов был английский физик-экспериментатор Эссен Льюис (1908-1997) . В 1955 г. он создал первый атомный стандарт частоты (времени) на пучке атомов цезия. Как результат этой работы через 3 года (1958) возникла служба времени, основанная на атомном стандарте частоты.

В СССР свои идеи по созданию атомных часов выдвигал академик Николай Геннадьевич Басов.

Итак, атомные часы, один из точных типов часов - устройство для измерения времени, где в качестве маятника используются собственные колебания атомов или молекул. Стабильность атомных часов является наилучшей среди всех существующих типов часов, что является залогом высочайшей точности. Генератор атомных часов выдает в секунду более чем 32 768 импульса в отличие от обычных часов. Колебания атомов не зависят от температуры воздуха, вибраций, влажности и многих других внешних факторов.

В современном мире, когда без навигации просто не обойтись, атомные часы стали незаменимыми помощниками. Они способны определить местоположение космического корабля, спутника, баллистической ракеты, самолета, подводной лодки, автомобиля автоматически по спутниковой связи.

Таким образом, последние 50 лет атомные часы, а точнее цезиевые, считаются самыми точными. Они уже давно используются службами точного времени, а также временные сигналы транслируются некоторыми радиостанциями.

Устройство атомных часов включает в себя 3 части:

квантовый дискриминатор,

кварцевый осциллятор,

комплекс электроники.

Кварцевый осциллятор генерирует частоту (5 или 10 МГц). Осциллятор представляет собой RC-радиогенератор, у которого в качестве резонансного элемента используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла, где и происходит сравнение атомов, изменивших состояние (+) на (-) Для повышения стабильности его частота постоянно сравнивается с колебаниями квантового дискриминатора (атомов или молекул). При появлении разницы в колебаниях, электроника подстраивает частоту кварцевого осциллятора до нулевого уровня, тем самым повышая стабильность и точность часов до нужного уровня.

В современном мире атомные часы могут быть изготовлены в любой стране мира для использования их в повседневной жизни. Они весьма невелики по своим размерам и красивы. Размер последней новинки атомных часов не более спичечного коробка и их низкое энергопотребление - менее 1 Ватт. И это не предел, возможно, в будущем технический прогресс достигнет мобильных телефонов. А пока компактные атомные часы устанавливают лишь настратегические ракеты для повышения точности навигации во много раз.

Сегодня мужские и женские атомные часы на любой вкус и кошелек можно купить в Интернет магазинах.

В 2011 году самые маленькие в мире атомные часы создали специалисты компании Symmetricom и Национальной лаборатории Сандия. Эти часы, в 100 раз более компактные, чем предыдущие коммерчески доступные версии. По величине атомный хронометр — не больше спичечного коробка. Для работы ему достаточно мощности 100 мВт — это в 100 раз меньше по сравнению с предшественниками.

Уменьшить размер часов удалось, установив вместо пружин и шестеренок механизм, действующий по принципу определения частоты электромагнитных волн, излучаемых атомами цезия под действием лазерного луча ничтожной мощности.

Такие часы применяются в навигации, а также в работе шахтеров, водолазов, там, где необходимо точно синхронизировать время с коллегами на поверхности, а также службами точного времени, ведь ошибка атомных часов составляет менее 0,000001 доли секунды в сутки. Стоимость рекордно малых атомных часов Symmetricom составила около 1500 долларов.

Архив Статьи

Какие "часовщики" придумали и совершенствовали этот чрезвычайно точный механизм? Есть ли ему замена? Попробуем разобраться.

В 2012 году атомное хронометрирование будет праздновать своё сорокапятилетие. В 1967 году категория времени в Международной системе единиц стала определяться не астрономическими шкалами, а цезиевым стандартом частоты. Именно его в простонародье и именуют атомными часами.

Каков же принцип работы атомных осцилляторов? В качестве источника резонансной частоты эти "устройства" используют квантовые энергетические уровни атомов или молекул. Квантовая механика связывает с системой "атомное ядро - электроны" несколько дискретных энергетических уровней. Электромагнитное поле определённой частоты может спровоцировать переход этой системы с низкого уровня на более высокий. Возможно и обратное явление: атом может перейти с высокого энергетического уровня на более низкий с излучением энергии. И тем и другим явлением можно управлять и фиксировать эти энергетические межуровневые скачки, создав тем самым подобие колебательного контура. Резонансная частота этого контура будет равна разности энергий двух уровней перехода, делённой на постоянную Планка .

Получаемый при этом атомный осциллятор обладает несомненными преимуществами по отношению к своим астрономическим и механическим предшественникам. Резонансная частота всех атомов выбранного для осциллятора вещества будет, в отличие от маятников и пьезокристаллов, одинакова. Кроме того, атомы с течением времени не изнашиваются и не меняют свои свойства. Идеальный вариант для практически вечного и чрезвычайно точного хронометра.

Впервые возможность использования межуровневых энергетических переходов в атомах в качестве стандарта частоты в далёком 1879 году рассмотрел британский физик Уильям Томсон, более известный как лорд Келвин . В качестве источника атомов-резонаторов он предлагал использовать водород. Однако его изыскания носили скорее теоретический характер. Наука того времени ещё не была готова к разработке атомного хронометра.

Потребовалось почти сто лет, чтобы идея лорда Келвина обрела практическое воплощение. Срок немалый, но и задачка была не из лёгких. Превратить атомы в идеальные маятники на практике оказалось труднее, чем в теории. Сложность заключалась в битве с так называемой резонансной шириной - небольшим колебанием частоты поглощения и испускания энергии при переходе атомов с уровня на уровень. Отношение резонансной частоты к резонансной ширине и определяет качество атомного осциллятора. Очевидно, что чем больше значение резонансной ширины, тем ниже качество атомного маятника. К сожалению, повысить резонансную частоту для улучшения качества невозможно. Она постоянна для атомов каждого конкретного вещества. А вот уменьшить резонансную ширину можно путём увеличения времени наблюдения за атомами.

Технически этого можно добиться следующим образом: пусть внешний, например кварцевый, осциллятор периодически генерирует электромагнитное излучение, заставляющее атомы вещества-донора прыгать по энергетическим уровням. При этом задачей настройщика атомного хронографа является максимальное приближение частоты этого кварцевого осциллятора к резонансной частоте межуровневого перехода атомов. Возможным это становится в случае достаточно большого периода наблюдения за колебаниями атомов и создания обратной связи, регулирующей частоту кварца.

Правда, кроме проблемы снижения резонансной ширины в атомном хронографе существует масса других проблем. Это и допплеровский эффект - смещение резонансной частоты вследствие движения атомов, и взаимные столкновения атомов, вызывающие незапланированные энергетические переходы, и даже влияние всепроникающей энергии тёмной материи.

Впервые попытка практической реализации атомных часов была предпринята в тридцатые годы прошлого столетия учёными Колумбийского университета под руководством будущего нобелевского лауреата доктора Айсидора Раби . В качестве вещества - источника атомов-маятников Раби предложил использовать изотоп цезия 133 Cs. К сожалению, работы Раби, очень заинтересовавшие NBS, были прерваны Второй мировой войной.

После её окончания первенство реализации атомного хронографа перешло к сотруднику NBS Гарольду Лайонсу. Его атомный осциллятор работал на аммиаке и давал погрешность, соизмеримую с лучшими образцами кварцевых резонаторов. В 1949 году аммиачные атомные часы были продемонстрированы широкой публике. Несмотря на довольно посредственную точность, в них были реализованы основные принципы будущих поколений атомных хронографов.

Полученный Луи Эссеном прототип цезиевых атомных часов обеспечивал точность 1*10 -9 , обладая при этом шириной резонанса всего в 340 Герц

Чуть позже профессор Гарвардского университета Норман Рэмси усовершенствовал идеи Айсидора Раби, снизив влияние на точность измерений допплеровского эффекта. Он предложил вместо одного длительного высокочастотного импульса, возбуждающего атомы, использовать два коротких, посланных в плечи волновода на некотором расстоянии друг от друга. Это позволило резко снизить резонансную ширину и фактически сделало возможным создание атомных осцилляторов, на порядок превосходящих по точности своих кварцевых предков.

В пятидесятые годы прошлого столетия на основе схемы, предложенной Норманом Рэмси, в Национальной физической лаборатории (Великобритания) её сотрудник Луи Эссен вёл работу над атомным осциллятором на основе предложенного ранее Раби изотопа цезия 133 Cs. Цезий был выбран неслучайно.

Схема сверхтонких уровней перехода атомов изотопа цезия-133

Относясь к группе щелочных металлов, атомы цезия чрезвычайно просто возбуждаются для скачка между энергетическими уровнями . Так, например, пучок света легко способен выбить из атомной структуры цезия поток электронов. Именно благодаря этому свойству цезий широко применяется в составе фотодетекторов.

Устройство классического цезиевого осциллятора на основе волновода Рэмси

Первый официальный цезиевый стандарт частоты NBS-1

Потомок NBS-1 - осциллятор NIST-7 использовал лазерную накачку луча атомов цезия

Чтобы прототип Эссена стал настоящим стандартом, потребовалось более четырёх лет. Ведь точная настройка атомных часов была возможна только путём сравнения с существующими эфемеридными единицами времени. В течение четырёх лет атомный осциллятор калибровался с помощью наблюдений за вращением Луны вокруг Земли с помощью точнейшей лунной камеры, изобретённой сотрудником Военно-морской обсерватории США Уильямом Марковицем.

"Подгонка" атомных часов по лунным эфемеридам велась с 1955 по 1958 год, после чего устройство было официально признано NBS в качестве стандарта частоты. Более того, беспрецедентная точность цезиевых атомных часов сподвигла NBS сменить в стандарте SI единицу измерения времени. С 1958 года в качестве секунды официально была принята "продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующая переходу между двумя сверхтонкими уровнями стандартного состояния атома изотопа цезия-133".

Устройство Луи Эссена получило наименование NBS-1 и стало считаться первым цезиевым стандартом частоты.

За последующие тридцать лет были разработаны шесть модификаций NBS-1, последняя из которых - NIST-7, созданная в 1993 году благодаря замене магнитов на лазерные ловушки, обеспечивает точность 5*10 -15 при резонансной ширине всего шестьдесят два Герца.

Сравнительная таблица характеристик цезиевых стандартов частоты, используемых NBS

Цезиевый стандарт частоты	Время функционирования	Время работы в качестве официального стандарта NPFS	Резонансная ширина	Длина СВЧ-волновода	Величина погрешности
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Гц	55 см	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Гц	164 см	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Гц	366 см	5*10 -13
NBS-4	1965-1990-e	нет	130 Гц	52,4 см	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Гц	374 см	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Гц	374 см	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Гц	155 см	5*10 -15

Устройства NBS являются стационарными стендами, что позволяет отнести их скорее к эталонам, чем к практически используемым осцилляторам. А вот для сугубо практических целей на благо цезиевого стандарта частоты поработала компания Hewlett-Packard. В 1964 году будущий компьютерный гигант создал компактный вариант цезиевого стандарта частоты - устройство HP 5060A.

Откалиброванные с использованием эталонов NBS, частотные стандарты HP 5060 умещались в типовую стойку радиооборудования и имели коммерческий успех. Именно благодаря цезиевому стандарту частоты, заданному в Hewlett-Packard, беспрецедентная точность атомных часов пошла в широкие массы.

Hewlett-Packard 5060A.

В результате стали возможны такие вещи, как спутниковое телевидение и связь, глобальные системы навигации и службы синхронизации времени информационных сетей. Применений доведённой до промышленного образца технологии атомного хронографа нашлось много. При этом в Hewlett-Packard не останавливались на достигнутом и постоянно улучшают качество цезиевых стандартов и их массо-габаритные показатели .

Семейство атомных часов компании Hewlett-Packard

В 2005 году подразделение Hewlett-Packard, отвечающее за разработку атомных часов, было продано компании Simmetricom .

Наряду с цезием, запасы которого в природе весьма ограничены, а спрос на него в самых разных технологических областях чрезвычайно велик, в качестве вещества-донора использовался рубидий, по свойствам очень близкий к цезию.

Казалось бы, существующая схема атомных часов доведена до совершенства. Между тем она имела досадный недостаток, устранение которого стало возможным во втором поколении цезиевых стандартов частоты, именуемых цезиевыми фонтанами.

Фонтаны времени и оптическая патока

Несмотря на высочайшую точность атомного хронометра NIST-7, использующего лазерное детектирование состояния атомов цезия, его схема принципиально не отличается от схем первых вариантов цезиевых стандартов частоты.

А конструктивным недостатком всех этих схем является то, что контролировать скорость распространения луча из атомов цезия, двигающихся в волноводе, принципиально невозможно. И это при том, что скорость движения атомов цезия при комнатной температуре - сто метров в секунду. Весьма быстро.

Именно поэтому все модификации цезиевых стандартов - это поиск баланса между размерами волновода, успевающего воздействовать на быстрые атомы цезия в двух точках, и точностью детектирования результатов этого воздействия. Чем меньше волновод, тем труднее успеть сделать последовательные электромагнитные импульсы, воздействующие на одни и те же атомы.

А что если найти способ снизить скорость движения атомов цезия? Именно этой мыслью озаботился студент Масачуссетского технологического института Джеролд Захариус , изучавший в конце сороковых годов прошлого столетия влияние силы тяжести на поведение атомов. Позднее, привлечённый к разработке варианта цезиевого стандарта частоты Atomichron , Захариус предложил идею цезиевого фонтана - способа, позволяющего снизить скорость движения атомов цезия до одного сантиметра в секунду и избавиться от двухколенного волновода традиционных атомных осцилляторов.

Идея Захариуса была проста. Что если запускать атомы цезия внутри осциллятора вертикально? Тогда одни и те же атомы будут дважды проходить через детектор: первый раз при путешествии вверх, а второй - вниз, куда они устремятся под действием силы тяжести. При этом движение атомов вниз будет существенно медленнее их взлёта, ведь за время путешествия в фонтане они подрастеряют энергию. К сожалению, в пятидесятые годы прошлого столетия реализовать свои идеи Захариус не смог. В его экспериментальных установках атомы, двигавшиеся вверх, взаимодействовали с падающими вниз, что сбивало точность детектирования.

К идее Захариуса вернулись только в восьмидесятые годы. Учёные Стенфордского университета под руководством Стивена Чу нашли способ реализации фонтана Захариуса с использованием метода, названного ими "оптическая патока".

В цезиевом фонтане Чу облако атомов цезия, выстреливаемых вверх, предварительно охлаждается системой из трёх пар противоположно направленных лазеров, имеющих резонансную частоту чуть ниже оптического резонанса атомов цезия.

Схема цезиевого фонтана с оптической патокой.

Охлаждённые лазерами атомы цезия начинают двигаться медленно, словно сквозь патоку. Их скорость падает до трёх метров в секунду. Уменьшение скорости атомов даёт исследователям возможность более точного детектирования состояния (согласитесь, значительно проще рассмотреть номера машины, двигающейся со скоростью один километр в час, чем машины, двигающейся со скоростью сто километров в час).

Шар из охлаждённых атомов цезия запускается вверх примерно на метр, по пути проходя волновод, через который на атомы воздействует электромагнитное поле резонансной частоты. И детектор системы фиксирует изменение состояния атомов в первый раз. Достигнув "потолка", охлаждённые атомы начинают падать благодаря силе тяжести и проходят волновод во второй раз. На обратном пути детектор снова фиксирует их состояние. Поскольку атомы двигаются чрезвычайно медленно, их полёт в виде достаточно плотного облака легко контролировать, а значит, в фонтане не будет одновременно летящих вверх и вниз атомов.

Установка Чу на основе цезиевого фонтана была принята NBS в качестве стандарта частоты в 1998 году и получила название NIST-F1. Её погрешность составляла 4*10 -16 , а значит, NIST-F1 была точнее предшественника NIST-7.

Фактически в NIST-F1 был достигнут предел точности измерений состояния атомов цезия. Но учёные на этой победе не остановились. Они решили устранить погрешность, которую вносит в работу атомных часов излучение абсолютно чёрного тела - результат взаимодействия атомов цезия с тепловым излучением корпуса установки, в которой они двигаются. В новом атомном хронографе NIST-F2 цезиевый фонтан размещался в криогенной камере, сводя излучение абсолютно чёрного тела практически к нулю. Погрешность NIST-F2 равна невероятной величине 3*10 -17 .

График уменьшения погрешности вариантов цезиевых стандартов частоты

В настоящее время атомные часты на основе цезиевых фонтанов дают человечеству точнейший эталон времени, относительно которого бьётся пульс нашей техногенной цивилизации. Благодаря инженерным ухищрениям импульсные водородные мазеры, которые охлаждают атомы цезия в стационарных вариантах NIST-F1 и NIST-F2, были заменены на обычный лазерный луч, работающий в паре с магнитооптической системой. Это позволило создать компактные и очень устойчивые ко внешним воздействиям варианты стандартов NIST-Fx, способные трудиться в космических аппаратах. Весьма образно названные "Aerospace Cold Atom Clock ", эти стандарты частоты установлены в спутниках таких навигационных систем, как GPS, что и обеспечивает их потрясающую синхронизацию для решения задачи очень точного вычисления координат приёмников GPS, используемых в наших гаджетах.

Компактный вариант атомных часов на основе цезиевого фонтана, называемый "Aerospace Cold Atom Clock", используется в спутниках системы GPS

Вычисление эталонного времени выполняется "ансамблем" из десяти NIST-F2, расположенных в различных исследовательских центрах, сотрудничающих с NBS. Точное значение атомной секунды получается коллегиально, и тем самым устраняются различные погрешности и влияние человеческого фактора.

Однако не исключено, что однажды цезиевый стандарт частоты будет восприниматься нашими потомками как весьма грубый механизм измерения времени, подобно тому, как ныне мы снисходительно смотрим на движения маятника в механических напольных часах наших предков.

, Galileo) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени , которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

Устройство часов

Часы состоят из нескольких частей:

квантовый дискриминатор,
комплекс электроники.

Национальные центры стандартов частоты

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты :

(ВНИИФТРИ), п. Менделеево Московской области;
(NIST), Боулдер (США , Колорадо);
Национальный институт передовой промышленной науки и технологии () (AIST), Токио (Япония);
Федеральное физико-техническое агентство (нем. ) (PTB), Брауншвейг (Германия);
Национальная лаборатория метрологии и испытаний (фр. ) (LNE), Париж (Франция).
Национальная физическая лаборатория Великобритании (NPL), Лондон , Великобритания .

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в .

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция , рубидия , цезия , стронция , молекулы водорода , йода , метана , оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ. ) - излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна , в котором происходит уширение спектра до одной октавы .

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist ) разработали часы, действующие на одном атоме . При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США . Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой - использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства) . В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность - 5 · 10 -11 за час, масса - 35 г, потребляемая мощность - 115 мВт .

Примечания

Поставлен новый рекорд точности атомных часов (неопр.) . Membrana (5 февраля 2010). Проверено 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. (Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. - М. : Радио и связь, 1984. - С. 121, 122. - 232 с. - 27 000 экз. )
Н. Г. Басов , В. С. Летохов . Оптические стандарты частоты. // УФН. - 1968. - Т. 96 , № 12 .
National metrology laboratories (англ.) . NIST, 3 февраля 2011 г. (Проверено 14 июня 2011)
Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - American Physical Society, 4 июля 2006. - Vol. 97, no. 2 . -