Em 2012, o tempo atômico estará celebrando seu sorokapyatiletie. Em 1967, a categoria de tempo no Sistema Internacional de Unidades Si não foi determinado por escalas astronômicas, eo padrão de freqüência de césio. É isso em comum e são chamados relógios atômicos.
Qual é o princípio dos osciladores atômicos? A fonte da freqüência de ressonância desses "dispositivos", utilizando os níveis de energia quântica de átomos ou moléculas.A mecânica quântica associados com o "núcleo - os elétrons são" alguns níveis de energia discretos. O campo eletromagnético de uma determinada freqüência pode desencadear a transição do sistema de baixo para maiores. Talvez o fenômeno inverso: o átomo pode saltar de um alto nível de energia para diminuir a energia de emissão. E ambos podem controlar o fenômeno e corrigir esses saltos interlevel energia, assim semelhança de um circuito oscilatório. A freqüência de ressonância deste circuito será igual à diferença de energia entre os dois níveis da transição, dividido por constante .
Obtidos com oscilador atômico tem vantagens indiscutíveis em relação aos seus antecessores astronômicas e mecânicas. A frequência de ressonância dos átomos selecionados para o oscilador vai importar, em contraste com o pêndulo e os cristais são os mesmos. Além disso, os átomos ao longo do tempo de desgaste e alterar suas propriedades. Ideal para praticamente para sempre e é cronômetro extremamente precisos.
A possibilidade de transições inter-nível de energia em átomos como um padrão de freqüência no distante 1879 considerado o físico britânico William Thomson, mais conhecido como Lorde Kelvin . Como fonte de ressonadores atômica, ele sugeriu o uso do hidrogênio. No entanto, suas investigações eram mais de natureza teórica. Ciência de que o tempo ainda não estava pronto para desenvolver um cronômetro atômica.
Demorou quase uma centena de anos para a idéia de Lorde Kelvin encontrou expressão prática. Um período considerável, mas um pequeno problema e não foi uma tarefa fácil. Converter os átomos em um pêndulo ideal, na prática, era mais difícil do que na teoria. O problema estava na batalha com a largura de ressonância chamado - freqüências de oscilação pequena de absorção e emissão energias dos átomos na transição de um nível para outro. A relação da freqüência de ressonância da largura de ressonância e determina a qualidade do oscilador atômico. Obviamente, quanto maior o valor da largura da ressonância, menor a qualidade do pêndulo atômica.Infelizmente, o aumento da freqüência de ressonância para melhorar a qualidade impossível. É constante para cada um dos átomos de uma substância particular. Mas, para reduzir a largura da ressonância pode ser alcançada através do aumento do tempo de observação para os átomos.
Tecnicamente, isto pode ser conseguido da seguinte forma: deixe externos, como o quartzo, o oscilador gera uma radiação eletromagnética periódicas, o que obriga os átomos do doador para saltar sobre os níveis de energia. Neste cronógrafo sintonizador tarefa atômica é a freqüência máxima aproximação do oscilador de quartzo para a freqüência de ressonância da transição nível dos átomos. Torna-se possível no caso de período suficientemente grande de observação das oscilações dos átomos e criação de um feedback para regular a frequência do quartzo.
No entanto, além do problema de reduzir a largura da ressonância em um cronógrafo atômica, há muitos outros problemas. Este é o efeito Doppler - a mudança da freqüência de ressonância devido ao movimento dos átomos, e as colisões mútuas dos átomos, fazendo com que as transições de energia não intencional, e até mesmo influenciar a tudo permeia da energia da matéria escura.
A primeira tentativa de implementação prática de um relógio atômico foi feito na década de trinta do século passado, cientistas da Universidade de Columbia, sob a direção do futuro ganhador do Prêmio Nobel Dr. Rabi Isadora . Por uma questão - a fonte de átomos de pêndulos Rabi sugeriu o uso de isótopos de césio 133Cs.Infelizmente, a obra de Rabi, muito interessado na NBS, foi interrompida pela Segunda Guerra Mundial.
Após a formatura, o primado da implementação do cronógrafo atômica foi transferido para um empregado NBS Harold Lyons. Seu oscilador atômico trabalhou em amônia e deu um erro proporcional com as melhores amostras de ressonadores de quartzo. Em 1949, os relógios atômicos de amônia foram mostrados ao público. Apesar da precisão bastante medíocre, elas foram implementadas diretrizes para as futuras gerações de cronógrafos nuclear.
O protótipo resultante, Louis Essen relógio de césio atômico garante a precisão
Um pouco mais tarde, um professor da Universidade de Harvard Norman Ramsey aperfeiçoou a idéia de Isadora Rabi, reduzindo o impacto sobre a precisão do efeito Doppler. Ele sugeriu que em vez de um impulso de longo prazo de alta freqüência, que excita os átomos têm dois curtos, enviados para os ombros do guia de ondas a uma certa distância um do outro.É possível reduzir drasticamente a largura da ressonância e na verdade possibilitou a criação dos osciladores atômicos, a fim de ultrapassar a precisão de seus antepassados de quartzo.
Nos anos cinquenta do século passado com base no esquema proposto por Norman Ramsey, do National Physical Laboratory (UK), seu funcionário, Louis Essen levou o trabalho sobre o oscilador atômico baseado no sugerido anteriormente isótopo de césio Rabi 133 Cs. Césio foi escolhido por acaso.
O esquema dos níveis hiperfinos dos átomos de transição do isótopo de césio-133
Pertencente ao grupo dos metais alcalinos, os átomos de césio está animado é extremamente fácil de saltar entre os níveis de energia . Por exemplo, um feixe de luz pode facilmente bater para fora da estrutura atômica do césio do fluxo de elétrons. É esta propriedade de césio é amplamente utilizado na fotodetectores.
O dispositivo é um guia de onda do oscilador de césio clássica, baseada em Ramsey
O primeiro feixe de césio oficial freqüência padrão NBS-1 Um descendente de NBS-1 - NIST-7 oscilador usando raio laser bomba de átomos de césio
Para se tornar um protótipo de Essen nesta norma, que levou mais de quatro anos. Após ajuste fino do relógio atômico só foi possível por comparação com as unidades de tempo existente efemérides. Durante quatro anos, o oscilador atômico é calibrada pela observação da rotação da Lua ao redor da Terra, usando a câmera exata lunar, inventado pelo pessoal do Observatório Naval, EUA William Markowitz.
"Fit" relógio atômico sobre as efemérides lunar foi realizado de 1955 a 1958, após o qual o dispositivo foi reconhecido oficialmente pela NBS como um padrão de freqüência. Além disso, a precisão sem precedentes de relógio atómico de césio spodvigla NBS alteração na unidade SI padrão de tempo.Desde 1958, como o segundo aprovou formalmente a "duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre dois níveis hiperfinos do estado padrão de um átomo do isótopo de césio-133."
Louis Essen foi o nome do dispositivo da NBS-1 e foi considerado o padrão de freqüência de césio primeiro feixe.
Nos próximos 30 anos foram desenvolvidos seis modificações de NBS-1, a última das quais - NIST-7, criado em 1993, substituindo os ímãs na armadilha laser oferece uma precisão de 5 × 10 -15 na largura de ressonância de 62 Hertz.
Quadro comparativo das características de um padrão de freqüência de césio usada por NBS
| Padrão de freqüência de césio feixe | Operação em tempo | Enquanto trabalhava como NPFS padrão oficial | A largura de ressonância | O comprimento do guia de onda de microondas | Magnitude do erro |
| NBS-1 | 1952-1962 | 1959-1960 | 300 Hz | 55 centímetros | 1 x 10 -11 |
| NBS-2 | 1959-1965 | 1960-1963 | 110 Hz | 164 centímetros | 8 * 10 -12 |
| NBS-3 | 1959-1970 | 1963-1970 | 48 Hz | 366 centímetros | 5 x 10 -13 |
| NBS-4 | 1965-1990-e | não | 130 Hz | 52,4 centímetros | 3 * 10 -13 |
| NBS-5 | 1966-1974 | 1972-1974 | 45 Hz | 374 centímetros | 2 * 10 -13 |
| NBS-6 | 1974-1993 | 1975-1993 | 26 Hz | 374 centímetros | 8 * 10 -14 |
| NBS-7 | 1988-2001 | 1993-1998 | 62 Hz | 155 centímetros | 5 x 10 -15 |
Dispositivos são NBS está estacionária que pode ser atribuído a seus padrões ao invés de osciladores usados na prática. Mas para fins puramente prático para o benefício da freqüência de césio padrão trabalhou empresa Hewlett-Packard. Em 1964, o gigante de computador ao lado criou uma versão compacta do padrão de freqüência de césio - Unidade HP 5060A.
Calibrado com padrões de NBS, a freqüência padrão HP 5060 se encaixam em um rack típico de equipamentos de rádio e teve sucesso comercial. É por causa do padrão de césio feixe de freqüência especificada pela Hewlett-Packard, uma precisão sem precedentes de relógios atômicos foi para as massas.
Hewlett-Packard 5060A.
Como resultado, tornou possível coisas como televisão por satélite e de comunicações, navegação global e redes de sincronização de informação de tempo.Aplicações trazido à tecnologia, design industrial, cronógrafo atômica encontrei muitos.Na Hewlett-Packard não descansa sobre os louros e constantemente melhorar a qualidade dos padrões de césio e seus parâmetros de peso e tamanho.
A família de um relógio atômico pela Hewlett-Packard
Em 2005, a divisão da Hewlett-Packard, responsável pelo desenvolvimento de relógios atômicos foi vendido simmetrion
Junto com o césio, que armazena uma natureza muito limitada, ea demanda por ele em várias áreas tecnológicas é extremamente alta, como uma questão de o doador de rubídio utilizada, as propriedades muito semelhantes às de césio.
Parece que o actual regime de relógios atômicos levada à perfeição. Enquanto isso, ela teve uma falha irritante, o que tornou possível a eliminação da segunda geração de padrões de freqüência de césio, conhecida como fontes de césio.
Fontes de tempo e de melaço óptico
Apesar de o cronômetro maior precisão atômica NIST-7, através de detecção a laser do estado dos átomos de césio, seu esquema não difere fundamentalmente dos esquemas das primeiras versões dos padrões de freqüência de césio.
Um defeito estrutural de todos esses sistemas é que o controle de velocidade da propagação do feixe de átomos de césio movendo-se em um guia de ondas é fundamentalmente impossível. E isso apesar do fato de que a velocidade dos átomos de césio em temperatura ambiente - uma centena de metros por segundo. Muito rápido.
É por isso que todas as versões dos padrões de césio - é encontrar um equilíbrio entre as dimensões do guia de onda, consegue influenciar os átomos de césio rápido em dois pontos, ea precisão da detecção dos resultados dessa influência. Quanto menor o guia de onda, mais difícil é hora de fazer sucessivos pulsos eletromagnéticos que atuam sobre os mesmos átomos.
Mas e se você encontrar uma maneira de reduzir a velocidade do átomo de césio? Foi esse pensamento incomodou Institute of Technology estudante Masachussetskogo , que estudou no final dos anos quarenta do século passado a influência da gravidade sobre o comportamento dos átomos. Depois, atraído pela versão de desenvolvimento do césio freqüência padrão atmichorn , Zaharius propôs a idéia de uma fonte de césio - um método que permite reduzir a velocidade do movimento de átomos de césio a um centímetro por segundo e se livrar dos osciladores guia de ondas convencionais dvuhkolennogo atômica.
Zahariusa idéia era simples. E se você executar os átomos de césio dentro de um oscilador vertical? Em seguida, os mesmos átomos irão passar pelo detector duas vezes: uma durante a viagem para cima, eo segundo - para baixo, onde se reunirão pela força da gravidade. O movimento dos átomos para baixo para ser muito mais lento para decolar, por causa de uma viagem para a fonte que podrasteryayut energia.Infelizmente, nos anos cinquenta do século passado para realizar suas idéias Zaharius não podia. Em seu átomos experimental instalações para cima move, interagiu com a queda para baixo, que bateu a precisão de detecção.
A idéia Zahariusa retornado somente na década de oitenta. Cientistas da Universidade de Stanford liderada por Steven Chu encontrou uma maneira de implementar um Zahariusa fonte de água usando um método que chamaram de "melaço óptico".
Na nuvem de césio Chu fonte de átomos de césio, despediu-se, pré-resfriada por um sistema de três pares de lasers em direcções opostas, com freqüência de ressonância ligeiramente abaixo da ressonância óptica de átomos de césio.
O esquema da fonte de césio com melaço óptico.
Laser resfriando-se átomos de césio começam a se mover lentamente, como se através de melado. Sua taxa cai para três metros por segundo. Reduzir a velocidade dos átomos dá aos pesquisadores uma detecção mais precisa do Estado (ver, muito mais fácil considerar o número de carros em movimento a uma velocidade de um quilômetro por hora do que carros, movendo a uma velocidade de 60 milhas por hora).
Bola de átomos de césio resfriado sobe cerca de um metro, ao longo do caminho que passa através do guia de ondas, através do qual os átomos no campo eletromagnético da frequência de ressonância. E sistema de detector registra a alteração no estado dos átomos, pela primeira vez. Tendo atingido o "teto", os átomos refrigerados começam a cair devido à gravidade e guia de onda passar para o segundo tempo. No caminho de volta corrige o estado do detector. Uma vez que os átomos estão se movendo muito lentamente, seu vôo, na forma de uma nuvem suficientemente densa facilmente controlada, o que significa que a fonte não será, ao mesmo tempo voando para cima e para baixo átomos.
Instalando Chew na NBS fonte de césio foi adotado como um padrão de freqüência em 1998 e ficou conhecido como NIST-F1. Seu erro foi de 4 × 10 -16 , e assim, NIST-F1 foi precursor mais precisa NIST-7.
Na verdade, o NIST-F1 tinha um limite de precisão da medição o estado dos átomos de césio. Mas os cientistas sobre esta vitória não parou. Eles decidiram corrigir o erro, o que torna o trabalho do relógio atômico radiação de corpo negro - o resultado da interação de átomos de césio com a radiação térmica da instalação de alojamento em que se movem.O novo cronógrafo atômica fonte de césio NIST-F2 foi colocada na câmara, reduzindo a radiação de corpo negro para quase zero.Precisão NIST-F2 é um valor incrível 3 * 10-17 .
Cronograma de opções para reduzir o erro de padrões de freqüência de césio
Atualmente, a energia nuclear muitas vezes baseadas em fontes de césio oferta padrão da humanidade contra o tempo que bate o pulso de nossa civilização industrial.Devido a truques de engenharia pulsada maser de hidrogênio, que é resfriado em átomos de césio NIST-F1 fixa e NIST-F2, foi substituído por um feixe de laser comum, trabalhando em conjunto com um sistema de magneto-óptica. É possível criar muito compacto e resistente a influências externas versões dos padrões NIST-Fx, pode trabalhar em veículos espaciais. Literalmente , as normas estabelecidas na freqüência de sistemas de navegação por satélite como o GPS, o que lhes proporciona uma sincronização incrível para resolver o problema de forma muito precisa calcular as coordenadas do GPS receivers, usados em nossos gadgets.
Versão compacta de relógios atômicos com base em fonte de césio chamado "Relógio Aerospace Atom Cold", utilizada nos satélites GPS
O cálculo do tempo de referência é realizada "ensemble" de dez NIST-F2, localizada em vários centros de pesquisa colaborando com NBS. O valor exato é obtido por um atômica segundo coletivamente, e, assim, elimina vários erros eo fator humano.
No entanto, é possível que padrão de freqüência de césio, uma vez feixe será percebido pelos nossos descendentes como um mecanismo muito imperfeito para medir o tempo, tal como hoje olhamos indulgência sobre o movimento do relógio de pêndulo nos pisos mecânicos de nossos antepassados.
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