Чем управляется ход атомных часов

«Атомные» часы

Измерить какую-либо величину — это значит сравнить ее с другой, однородной ей величиной, принятой за единицу. Например, длину куска материи сравнивают с длиной метра. В древности в качестве единицы длины употреблялись: «локоть», «полег стрелы», «дневной переход», а позже — аршин, фут, в качестве единиц времени — промежуток от одной жатвы до другой, от одного периода дождей до другого. Некоторые народы отмеряли время по первому снегу, другие — по появлению над горизонтов определенных созвездий или звезд.

Неудобство применения этих единиц для измерений связано с их произвольностью и невозможностью точного воспроизведения. Такое положение для частной жизни было неудобным, а дли науки, техники и промышленности совершенно неприемлемым.

Желание создать для измерений воспроизводимые единицы привело ученых к мысли о возможности использовать для этого движение и вращение Земли. За единицу времени — секунду — была принята длительность 1/86400 части средних солнечных суток. За единицу длины — метр — длина одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через город Париж. За единицу веса — килограмм — вес одного кубического дециметра дистиллированной воды на уровне моря, в средней географической широте, при нормальной температуре. Эта единицы вначале казались вполне удовлетворительными и постепенно были введены почти во всех странах мира.

Атомные часы

Однако новые измерения длины меридиана давали более точные данные, которые обусловливали некоторые поправки в длине образцового метра. Тогда были решено сделать образцовый метр-эталон и килограмм-эталон и в дальнейшем уже не менять их величины.

Значительно труднее обстоит дело с единицами времени. Эталоном, с которым согласовываются приборы для измерения времени, является скорость вращения гигантских часов, устроенных самой природой и состоящих из Солнца и Земли. Длительность полного оборота Земли вокруг Солнца называют годом, длительность полного оборота Земли вокруг собственной оси — сутками. Для установления времени в промежутках между его астрономическими определениями применяют часы. В древности для этой цели служили песочные, водяные, огненные часы, в XIV—XV веках — колесные, с XIV века — маятниковые, а в XIX—XX веках — маятниковые и кварцевые астрономические часы высокой точности

Современные астрономические часы

Самой существенной частью часов является маятник, который своими колебаниями отмеряет время. Поэтому в астрономических часах стараются создать возможно лучшие условия для работы маятника: уменьшить его механическую нагрузку, сделать постоянной температуру помещения, устранить толчки, ослабить сопротивление воздуха и т. д. Для этого наиболее точные астрономические часы помещают в глубокий подвал, где круглый год поддерживается определенная температура. Маятник часов при этом заключают в кожух, из которого выкачан воздух. Все это очень важно, так как изменение атмосферного давления только на один миллиметр ртутного столба меняет суточный ход часов с незащищенным маятником на 0,015 секунды.

Как работают атомные часы???

Весьма высокой точностью обладают астрономические часы с двумя маятниками, где один из маятников, связанный с различными передаточными и указывающими механизмами, управляется другим — свободным. Связь свободного маятника непосредственно с часами осуществляется при помощи электромагнитов. Погрешность хода этих часов составляет 0,002—0,003 секунды в сутки. Такие часы с двумя маятниками построены в СССР в лаборатории Всесоюзного научно-исследовательского института метрологии имени Д. И. Менделеева известным советским механиком И. И. Кваренбергом.

Еще более полно идея свободного маятника осуществлена в астрономических часах с фотоэлектрическим контактом. В них маятник не движет никаких колес, а лишь разрывает при своих качаниях путь светового луча.

В последние годы появились кварцевые астрономические часы. Пластинка из кристалла кварца, соответствующим образом вырезанная и укрепленная, при включении в цепь радиотехнического генератора совершает механические колебания с большим постоянством частоты и очень малым затуханием. Поэтому она может быть использована в часах вместо маятника — нужно только суметь заставить эту систему управлять движением стрелок или иных указателей. Это достигается с помощью специальных устройств, которые доводят частоту колебаний переменного тока до 300— 1000 периодов в секунду и приводят в действие синхронный электромотор, передвигающий стрелки часов.

Погрешность хода кварцевый часов — около 0,0002—0,0003 секунды в сутки, то есть еще меньше, чем у лучших маятниковых астрономических часов.

Эталон времени

Измерения времени имеют большое практическое значение. Являясь основой точных измерений географической долготы местности, они необходимы при составлении карт обширной территории Советского Союза, для создания опорных геодезических пунктов, в решении целого ряда научных и технических задач. Поэтому повышение точности при измерении временя является очень важным. Между тем даже самые лучшие астрономические часы имеют слишком большую для некоторых работ погрешность, причем ошибка в их показаниях с течением времени накапливается. Поэтому такие часы регулярно проверяются с помощью астрономических наблюдений.

Но есть ли уверенность в том, что наш первичный эталон времени — вращение Земли — вполне равномерен? Астрономами наблюдаются периодические колебания движения Луны и внутренних планет. Совпадение этих колебаний между собой указывает на то, что в них повинны не Луна и планеты, а Земля. Таким образом, положение о неизменности угловой скорости вращения Земли ныне фактически опровергнуто. Итак, поскольку вращение Земли является не абсолютно точным эталоном времени, необходимо отыскать другой, лучший и в тому же легко воспроизводимый.

Атомные эталоны

Уже давно стало ясно, сколь многообещающим в отношении точности и воспроизводимости может быть применение в измерительной технике атомных процессов.

Использование атомных колебаний для создания нового эталона времени оказалось крайне затруднительным вследствие того, что их частота очень велика и поэтому трудно связывается с какой-либо механической или электрической системой, указывающей время. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой. Поэтому для указания времени более удобным оказывается использование не атомных систем (электроны и ядро), а молекулярных (несколько связанных между собой атомов). В соответствии с этим такие часы правильнее было бы называть молекулярными.

Советской школе физиков принадлежат выдающиеся работы в области изучения атомных и молекулярных колебаний. Труды академика С. И. Вавилова в области структуры света, академиков Л. И. Мандельштама и Г. С. Ландсберга по комбинационному рассеянию и работы ряда других ученых позволили объяснить эти явления и использовать их для создания различных технических приборов. «Атомные» часы, в которых молекулярные колебания служат для весьма точного измерения частоты и времени, в свою очередь помогают решать вопросы строения атома.

Принцип действия «атомных» часов

»Атомные» часы состоят из стабилизированного кварцем радиотехнического генератора, умножителей частоты, волновода — медной трубки длиной 10 метров, наполненной аммиачным газом, дискриминатора, вырабатывающего «сигнал погрешности», делителей частоты и электрических часов с циферблатом и стрелками, приводимыми в движение синхронным мотором.

Частота колебаний маятника обычно невелика (1—2 в секунду) и поэтому не представляет трудностей для создания таких механических или электрических устройств, которые могли бы работать в такт с ним. Одно из этих вспомогательных устройств периодически подталкивает маятник так, чтобы его колебания не затухли, другое, управляемое им, движет указатели времени.

Роль маятника, то есть устройства, отмеряющего время, в «атомных» часах играют молекулы аммиака. Колебания молекул аммиака в этих часах возбуждаются и поддерживаются с помощью радиотехнического генератора. Для получения возможно более высокого постоянства частоты колебаний применяется стабилизация с помощью пьезокварца.

Так как кварцевая пластинка не может колебаться со столь высокой частотой, как молекулы аммиака, то генератор работает на частоте в несколько сот тысяч периодов в секунду, подходящей для пьезокварца. Затем, с помощью частотноумножительных цепей, полученные токи преобразуются в ультравысокочастотные (микроволновые). Далее эти колебания направляются в волновод, наполненный аммиачным газом, распространяясь в котором они возбуждают колебания молекул аммиака.

Кварцевый стабилизатор стечением времени немного «стареет», При этом свойства его электрических контактов несколько меняются. Молекулы аммиака своих свойств не меняют, и поэтому их колебания являются надежным средством контроля постоянства всей системы.

Устройство прибора таково, что если частота электромагнитных волн, вырабатываемых радиотехническим генератором, хотя бы немного отличается от собственной частоты колебаний молекул аммиака, то в специальной части прибора — дискриминатора — появляется «сигнал погрешности». Блок, вырабатывающий сигнал, связан с генератором так, что он повышает или понижает частоту тока, приводя ее в точное соответствие с собственной частотой колебания молекул аммиака. Таким образом, радиотехнический генератор, имеющий склонность с течением времени к «отступлению», то есть изменению частоты, «привязывается» к частоте колебаний молекул аммиака.

Приведение в движение указателей времени в «атомных» часах осуществляется с помощью ряда каскадов понижения частоты, снижающих ее вплоть до 300— 1000 колебаний в секунду. Ток низкой частоты замыкает контакты сигнальных реле и с помощью синхронного электромотора вращает стрелки часов.

При утрате данного образца «атомных» часов в любое время могут быть изготовлены другие, по своим показаниям вполне сходные с ними.

Первые «атомные» часы, созданные в нашей стране, покачали хорошие качества и в настоящее время еще более усовершенствованы. Теоретически установлено, что в «атомных» часах достижима точность до миллионных долей секунды в сутки. Поэтому такие часы удобно использовать для хранения точного времени в промежутках между астрономическими определениями. Однако этим не ограничиваются возможности использования нового прибора.

Важно отметить, что «атомные» часы представляют собой новый эталон частоты и времени, независимый от астрономических наблюдений. В нем движения совершаются значительно более регулярно, чем в астрономических часах и системе Земля — Солнце.

Благодаря этому «атомные» часы позволяют проверять вращение Земли вокруг оси и обнаруживать неравномерность этого вращения, исследование которого представляет большой научный интерес.

Успехи советских ученых и конструкторов, работающих в области измерения времени, являются результатом упорной и плодотворной работы ряда коллективов научно-исследовательских институтов и обсерваторий, вооруженных передовой отечественной техникой. В настоящее время служба времени Советского Союза по своей точности является одной из ведущих в мире.

Источник

Как работают атомные часы?

Когда внезапно отключается свет и чуть позже появляется, как вы узнаете, какое время на часах нужно выставлять? Да, я про электронные часы, которые наверняка у многих из нас есть. Вы хотя бы раз задумывались о том, как регулируется время? В этой статье мы узнаем все об атомных часах и о том, как они заставляют весь мир тикать.

Радиоактивны ли атомные часы?

Атомные часы показывают время лучше любых других часов. Они показывают время лучше, чем вращение Земли и движение звезд. Без атомных часов GPS-навигация была бы невозможной, Интернет не был бы синхронизирован, а положение планет не было бы известно с достаточной точностью для космических зондов и аппаратов.

Атомные часы не радиоактивны. Они не полагаются на атомный распад. Более того, у них есть пружина, как и у обычных часов. Самое большое отличие стандартных часов от атомных в том, что колебания в атомных часах происходят в ядре атома между окружающими его электронами.

Эти колебания сложно назвать параллелью балансовому колесику в заводных часах, однако оба типа колебания можно использовать для отслеживания уходящего времени. Частота колебаний внутри атома определяется массой ядра, гравитацией и электростатической «пружиной» между положительным зарядом ядра и облаком электронов вокруг него.

Какие типы атомных часов мы знаем?

Сегодня существуют различные типы атомных часов, однако построены они на одних и тех же принципах. Основное различие связано с элементом и средствами обнаружения изменений уровня энергии. Среди разных типов атомных часов существуют следующие:

• Цезиевые атомные часы, использующие пучки атомов цезия. Часы разделяют атомы цезия с разными энергетическими уровнями магнитным полем.
• Водородные атомные часы поддерживают атомы водорода на нужном энергетическом уровне в контейнере, стены которого сделаны из специального материала, поэтому атомы не теряют высокоэнергетическое состояние слишком быстро.
• Рубидиевые атомные часы, самые простые и компактные из всех, используют стеклянную ячейку с рубидиевыми газом.

Самые точные атомные часы сегодняшнего дня используют атом цезия и обычное магнитное поле с детекторами. Кроме того, атомы цезия сдерживаются лазерными лучами, что уменьшает небольшие изменения частоты из-за эффекта Доплера.

Как работают атомные часы на основе цезия?

У атомов есть характерная частота колебаний. Знакомый вам пример частоты — это оранжевое свечение натрия в поваренной соли, если ее бросить в огонь. У атома есть много разных частот, некоторые в радиодиапазоне, некоторые в диапазоне видимого спектра, а некоторые между этими двумя. Цезий-133 чаще всего выбирают для атомных часов.

Чтобы вызвать резонанс атомов цезия в атомных часах, нужно точно измерить один из переходов или резонансную частоту. Обычно это делается путем блокировки кварцевого генератора в основном микроволновом резонансе атома цезия. Этот сигнал находится в микроволновом диапазоне радиочастотного спектра и обладает той же частотой, что и сигналы спутников прямого вещания. Инженеры знают, как создать оборудование для этой области спектра, в мельчайших подробностях.

Чтобы создать часы, цезий сначала нагревают так, что атомы выпариваются и проходят через трубу с высоким вакуумом. Сначала они проходят через магнитное поле, которое выбирает атомы с нужным энергетическим состоянием; потом они проходят через интенсивное микроволновое поле. Частота микроволновой энергии скачет туда-сюда в узком диапазоне частот, так что в определенный момент она достигает частоты 9 192 631 770 герц (Гц, или циклов в секунду). Диапазон микроволнового генератора уже близок к этой частоте, поскольку ее производит точный кварцевый генератор. Когда атом цезия получает микроволновую энергию нужной частоты, он меняет свое энергетическое состояние.

В конце трубки другое магнитное поле отделяет атомы, которые изменили свое энергетическое состояние, если микроволновое поле было нужной частоты. Детектор в конце трубки дает выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и достигает пика, когда микроволновая частота достаточно верна. Этот пиковый сигнал нужен для корректировки, чтобы привести кварцевый генератор, а значит и микроволновое поле к нужной частоте. Эта заблокированная частота затем делится на 9 192 631 770, чтобы дать знакомый всем один импульс в секунду, нужный реальному миру.

Когда изобрели атомные часы?

В 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби предложил часы, которые можно сделать на основе техники, разработанной в 1930-х годах. Она называлась атомный пучок магнитного резонанса. К 1949 году Национальное бюро стандартов объявило о создании первых в мире атомных часов на основе молекулы аммиака, колебания которой и считывались, а к 1952 году — создала первые в мире атомные часы на основе атомов цезия, NBS-1.

В 1955 году Национальная физическая лаборатория в Англии построила первые часы на основе пучка цезия в качестве источника калибровки. В течение следующего десятилетия создавались более совершенные часы. В 1967 году в ходе 13 Генеральной конференции по мерам и весам была определена СИ секунды на основе вибраций в атоме цезия. В мировой системе хронометража не было точнее определения, чем это. NBS-4, самые стабильные в мире цезиевые часы, были завершены в 1968 году и использовались до 1990 года.

В 1999 году NBS, переименованная в NIST, начала работать с часами NIST-F1, точность которых допускала погрешность на одну секунду в 20 миллионов лет.

Как измеряется атомное время?

Правильная частота для резонанса частицы цезия сегодня определена международным соглашением и составляет 9 192 631 770 герц, поэтому при делении выходного сигнала на это число должен получаться 1 Гц, или 1 цикл в секунду.

Атомные часы улучшили точность измерения времени в миллион раз по сравнению с астрономическими методами. На сегодняшний день самый точный атомный хронометр теряет одну секунду в пять миллиардов лет.

Источник

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы

Итак, пока наши знания дают возможность определять время в зависимости от механических изменений, происходящих в мире. Например, один полный оборот Земли вокруг своей оси определяет день, а вокруг Солнца — год. Но у людей появилась необходимость разбить сутки на более маленькие и четко определяемые отрезки — часы, минуты, секунды.

Для отсчета этих единиц люди придумали особые устройства — часы. Их история длится века, а вместе с технологиями растут и требования к точности измерения времени. Если в быту мы отлично обходимся механическими и электронными часами, то наука требует куда более точных приборов.

Основой для подсчета времени служит некое повторяемое событие, когда объект возвращается в начальное состояние через строго определенный промежуток времени. Например, в механических часах крутятся шестеренки (или качается маятник), а в песочных часах наступает момент, когда все песчинки падают на дно сосуда.

Конечно, современные электронные и механические часы намного точнее их предшественников — водных, песочных и солнечных. Но а некоторых областях требовались еще более точные механизмы. И люди создали часы, работающие на основе процессов, происходящих внутри атома.

Как известно, атом состоит из ядра и электронного облака. Электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Чем дальше электрон от ядра, тем большей энергией он обладает. Представьте собаку, привязанную к стальной балке прочным, но растяжимым поводком. Чем дальше она хочет отойти, тем сильнее ей надо натянуть поводок.

Конечно, сильная крупная собака сможет отойти дальше, чем маленькая и слабая.

При переходе на уровень ниже электрон испускает энергию, а при переходе на более высокий уровень — поглощает. «Прыжками» электронов можно управлять при помощи электромагнитного излучения, являющегося источником энергии. Излучение имеет определенную частоту. Эта величина обратна периоду колебания, то есть времени, необходимому для возвращения совершающего «замкнутые» движения объекта в первоначальное состояние.

Для атомных часов используют кальций, водород, тулий, стронций, рубидий, торий, йод и метан, а чаще всего — цезий. Электроны в атомных часах на основе цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 Гц. Именно на такое число промежутков делится секунда в этих природных часах. Согласно определению, официально принятому еще в 1967 году на Генеральной конференции по мерам и весам, атом цезия-133 признан стандартом для измерений времени. От точности секунды зависит подлинность других основных единиц физических величин, таких как, например, вольт или ватт, которые определяются через время.

Работают сверхточные часы так: цезий-133 нагревают, и некоторые атомы покидают основное вещество, а затем проходят через магнитное поле, которое отсеивает атомы с нужными энергетическими состояниями. Отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к частоте электромагнитного излучения при переходе электрона с одного уровня на другой в цезии-133. Под воздействием поля атомы меняют энергетические состояния и попадают на детектор, который фиксирует момент, когда нужным энергетическим состоянием будет обладать наибольшее количество атомов. Тогда значение частоты электромагнитного поля подается в делитель частоты, определяющий свою единицу посредством деления секунды. Получается «новая секунда», принимаемая за эталон минимальной единицы времени.

Сейчас самыми точными являются часы на основе атомов тория-229, созданные британскими учеными. Исследователи утверждают, что отставать эти часы будут на десятую долю секунды за 14 миллиардов лет!

Существуют и наручные атомные часы, представленные на площадке Kickstarter компанией Bathys Hawaii. В них используется маломощный лазер, нагревающий газообразный цезий-133, атомы которого переходят с одного энергетического уровня на другой. При этих переходах чип фиксирует периоды электромагнитного излучения. Правда, в качестве источника питания используется обычный литий-ионный аккумулятор.

Конечно, необходимость атомных часов в быту можно подвергнуть сомнению. Но они способны значительно повысить синхронизацию времени в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, а также помочь в научных исследованиях.

Источник