Квантовые часы в каждый дом. Квантовые часы
Квантовые часы
устройство для точного измерения времени, основной частью которого является квантовый стандарт частоты (См. Квантовые стандарты частоты). Роль «маятника» в К. ч. играют атомы. Частота, излучаемая или поглощаемая атомами при их квантовых переходах (См. Квантовые переходы) из одного энергетического состояния в другое, регулирует ход К. ч. Эта частота настолько стабильна, что К. ч. позволяют измерять время точнее, чем астрономические методы (см. Время). К. ч. часто называют атомными часами.
К. ч. применяются в системах радионавигации (См. Радионавигация), в астрономических обсерваториях, в исследовательских и контрольно-измерительных лабораториях и т.п., заменяя собой менее совершенные Кварцевые часы.
Сигналы квантовых стандартов частоты сами по себе не могут быть использованы для вращения часового механизма, т.к. мощность этих сигналов ничтожно мала, а частота колебаний, как правило, весьма высока и имеет нецелочисленное значение (например мощность атомного водородного генератора составляет 10–11—10–12 вт, а частота равна 1420,406 Мгц). Это затрудняет непосредственное использование квантовых стандартов частоты в службе времени (См. Служба времени), в различных навигационных системах, а также в лабораторной практике. В этих случаях более удобно иметь набор (сетку) стандартных высокостабильных частот: 1 кгц, 10 кгц, 100 кгц, 1 Мгц и т.д. при высокой мощности выходного сигнала. Поэтому К. ч., помимо квантового стандарта частоты, содержат специальные радиотехнические устройства, формирующие такую сетку частот и обеспечивающие вращение стрелок часов (или смену цифр на их циферблате) и выдачу сигналов точного времени.
Большинство К. ч. содержит вспомогательный Кварцевый генератор. Из-за изменения частоты кварцевого генератора во времени (старения) точность базирующихся на нём кварцевых часов была бы сама по себе недостаточно высока. В К. ч. частота кварцевого генератора контролируется с помощью квантового стандарта частоты, благодаря чему точность часов повышается до уровня точности самого квантового стандарта. Однако введение периодических поправок оператором не всегда удобно. Для некоторых устройств, в частности навигационных, более рационально повышение стабильности частоты кварцевого генератора с помощью автоматической подстройки его частоты к частоте квантового стандарта.
В одном из вариантов такой подстройки (фазовая автоподстройка частоты, рис. 1) частота νкв кварцевого генератора (обычно Квантовые часы 10—20 Мгц) умножается радиотехническими средствами в нужное число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты квантового стандарта νст. Подбором конкретных значений νкв и n разностную частоту Δ = (νст — пνкв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: νкв= (νст — nνkв).
После усиления сигнал разностной частоты (νст — nνkв) подаётся на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаются колебания кварцевого генератора. Фазовый детектор вырабатывает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты Δ и частоты кварцевого генератора νкв друг от друга. Это напряжение подаётся затем на блок управления частотой кварцевого генератора и вызывает сдвиг частоты генератора, который компенсирует отклонение νкв от разностной частоты Δ. Т. о., любое изменение частоты кварцевого генератора вызывает появление на выходе блока управления напряжения соответствующей величины и знака, сдвигающего частоту в обратном направлении. Поэтому частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной. В результате стабильность его частоты становится практически равной стабильности частоты квантового стандарта. Синтезатор частот формирует из сигнала кварцевого генератора сетки столь же точных стандартных частот. Одна из них служит для питания электрических часов, а остальные используются для метрологических и др. целей.
Погрешность хода лучших К. ч. такого типа при тщательном изготовлении и настройке составляет не более 1 сек за несколько тыс. лет. Первые К. ч. были созданы в 1957. Стандартом частоты в них служил Молекулярный генератор на пучке молекул аммиака. Созданные позднее К. ч., в которых используется квантовый стандарт частоты с пучком атомов цезия, не нуждаются в калибровке по эталону, т.к. номинальное значение опорной частоты может быть установлено на основе манипуляций в самом приборе. Недостатки этих К. ч. — большой вес и чувствительность к вибрациям. В К. ч. другого типа (наиболее распространённых) применяется рубидиевый стандарт частоты с оптической накачкой. Они легче, компактнее, не боятся вибраций, но нуждаются в калибровке, после чего они поддерживают установленное значение частоты с погрешностью порядка 10–11 в течение года.
Основной частью рубидиевых К. ч. является специальный радиоспектроскоп с оптической накачкой и оптической индикацией, фиксирующий спектральную линию изотопа 87Rb, лежащую в диапазоне СВЧ. Спектроскоп содержит Объёмный резонатор 3, в котором находится колба 2 с парами изотопа 87Rb (рис. 2) при давлении 10–6мм рт. ст. Резонатор настроен на частоту спектральной линии 87Rb, равную 6835 Мгц. Чувствительность обычного радиоспектроскопа недостаточна для того, чтобы зафиксировать радиочастотную линию 87Rb. Для увеличения чувствительности используются оптическая накачка паров 87Rb и оптическая индикация спектральной линии. На атомы 87Rb направляется свет, частота которого совпадает с частотой др. спектральной линии 87Rb, лежащей в оптическом диапазоне. Газоразрядная лампа 1 низкого давления с парами 87Rb освещает колбу. Свет, прошедший сквозь колбу, попадает на фотоприёмник (например, Фотоэлектронный умножитель). Под действием света рубидиевой лампы (накачка) атомы 87Rb возбуждаются, т. е. переходят из состояния с энергией E2 в состояние с энергией E3 (рис. 3). Если интенсивность света достаточно высока, то наступает насыщение — число атомов, находящихся в состояниях E2 и E3, становится одинаковым. При этом поглощение света в парах уменьшается (т.к. число невозбуждённых частиц на уровне E2, способных поглощать кванты света, уменьшается) и пары 87Rb становятся прозрачнее, чем они были бы при воздействии на них накачки. Если одновременно с накачкой пары 87Rb облучить радиоволной, частота которой равна частоте спектральной линии, лежащей в диапазоне СВЧ и соответствующей переходам атомов 87Rb между уровнями E1 и E2, то, поглощаясь, она переводит атомы 87Rb с уровня E1 на уровень E2 (рис. 3). Такая радиоволна будет препятствовать насыщающему действию световой волны, в результате чего поглощение света в парах 87Rb увеличится. Т. о., измеряя при помощи фотоприёмника интенсивность света, прошедшего через колбу с пара́ми 87Rb, можно точно определить, действуют ли одновременно на эти пары свет с частотой, соответствующей переходу E2 → E3, и радиоволна с частотой перехода E1 → E2. Источником радиоволны служит кварцевый генератор, возбуждающий в резонаторе электромагнитное поле резонансной частоты. Если плавно изменять частоту генератора, то в момент её совпадения с частотой радиоспектральной линии 87Rb интенсивность света, попадающего на фотоприёмник, резко уменьшится.
Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары́ 87Rb, от частоты радиоволны используется для автоматической подстройки частоты колебаний кварцевого генератора по частоте радиоспектральной линии. Колебания кварцевого генератора модулируются по фазе при помощи вспомогательного генератора низкой частоты (см. Модуляция колебаний, Фазовая модуляция). Поэтому свет, проходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой частотой. Модуляция света тем сильнее, чем точнее совпадает частота электромагнитного поля в резонаторе с частотой радиоспектральной линии 87Rb. Электрический сигнал фотоприёмника после усиления подаётся на фазовый детектор, на который поступает также сигнал непосредственно от низкочастотного генератора. Амплитуда выходного сигнала фазового детектора тем больше, чем меньше разность частот (расстройка) частоты спектральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подаётся на элемент, изменяющий частоту кварцевого генератора, и поддерживает её значение таким, чтобы оно точно совпадало с вершиной спектральной линии 87Rb.
Точность рубидиевых К. ч. определяется главным образом шириной радиоспектральной линии 87Rb. Основной причиной, приводящей к уширению спектральных линий газов (паров) при низких давлениях, является Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами 87Rb добавляется буферный газ (при давлении несколько мм рт. ст.). Атомы 87Rb, сталкиваясь с атомами буферного газа, оказываются как бы зажатыми между ними и совершают быстрые хаотические движения, оставаясь в среднем почти на одном месте, лишь медленно диффундируя внутри колбы. В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на широком низком пьедестале. Ширина и положение этого пика зависят от состава буферного газа. Например, смесь из 50% неона и 50% аргона позволяет свести ширину спектрального пика Примерно до 100 гц, причём его положение смещается лишь на 0,02 гц при изменении температуры на 1°С или давления на 1 мм рт. см.
Точность рубидиевых К. ч. обусловлена также постоянством интенсивности света лампы накачки, поэтому применяются системы автоматического регулирования интенсивности. Возможно создание рубидиевых К. ч., в которых вместо описанной системы оптической индикации используется квантовый генератор с парами рубидия. В этих К. ч. применяются настолько интенсивная оптическая накачка и резонатор со столь высокой добротностью, что в нём выполняются условия самовозбуждения. При этом пары 87Rb, наполняющие колбу внутри резонатора, излучают электромагнитные волны на частоте 6835 Мгц. Радиосхема таких К. ч. также содержит кварцевый генератор и синтезатор, но в отличие от предыдущего частота кварцевого генератора управляется системой фазовой автоподстройки, в которой опорной является частота сигнала рубидиевого генератора.
Лит.: Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969, с. 35, 241; Григорьянц В. В., Жаботинский М. Е., Золин В. Ф., Квантовые стандарты частоты, М., 1968, с. 171.
М. Е. Жаботинский.
Рис. 1. Блок-схема квантовых часов с фазовой автоматической подстройкой частоты.
Рис. 3. Схема рубидиевого стандарта частоты с оптической накачкой: 1 — лампа, освещающая колбу 2, наполненную парами 87Rb; 3 — объёмный резонатор; 4 — фотодетектор; 5 — усилитель низкой частоты; 6 — фазовый детектор; 7 — генератор низкой частоты; 8 — кварцевый генератор; 9 — умножитель частоты.
Рис. 4. Уровни энергии атомов 87Rb, используемые в рубидиевых часах.
Рис. 2. Первые квантовые часы, построенные в Национальном бюро стандартов США, с молекулярным аммиачным генератором в качестве квантового стандарта частоты.
slovar.wikireading.ru
Самые точные часы в мире
Время, несмотря на то что ученые до сих пор не могут окончательно разгадать его подлинную сущность, все же имеет свои единицы измерения, установленные человечеством. И прибор для вычисления, именуемый часами. Каковы их разновидности, какие самые точные часы в мире? Об этом пойдет речь в нашем сегодняшнем материале.
Какие самые точные часы в мире?
Ими принято считать атомные – они обладают мизерно маленькими погрешностями, которые могут достигать лишь секунды на миллиард лет. 2-й, не менее почетный, пьедестал выигрывают кварцевые часы. Они за месяц отстают или спешат вперед только на 10-15 секунд. А вот механические не самые точные часы в мире. Их нужно все время заводить и подводить, и здесь погрешности уже совсем другого порядка.
Самые точные атомные часы в мире
Как уже было сказано, атомные приборы для качественного измерения времени настолько скрупулезны, что данные ими погрешности можно сравнивать с измерениями диаметра нашей планеты в точности до каждой микрочастицы. Бесспорно, среднестатистическому обывателю в повседневном существовании такие точные механизмы и вовсе не нужны. Такими пользуются исследователи от науки для проведения различных экспериментов, где требуется предельный расчет. Они предоставляют возможности людям проверить «времени ход» в различных областях земного шара или же провести опыты, подтверждающие собой общую теорию относительности, а также другие физические теории и гипотезы.
Парижский эталон
Какие самые точные часы в мире? Принято считать ими Парижские, принадлежащие Институту времени. Данный прибор – так называемый эталон времени, по нему сверяются люди во всем мире. Кстати, на деле он не совсем похож на «ходики» в традиционном понимании этого слова, а напоминает точнейший прибор сложнейшей конструкции, где в основе лежит квантовый принцип, а главная идея - исчисление пространства-времени при помощи колебаний частиц с погрешностями, равными всего 1 секунде на 1000 лет.
Еще точнее
Какие часы самые точные в мире сегодня? В нынешних реалиях ученые изобрели прибор, который в 100 тысяч раз точнее парижского эталона. Его погрешность – одна секунда на 3,7 миллиарда лет! За произведение данной техники ответственна группа физиков из США. Она является уже второй версией приборов для времени, построенных на квантовой логике, где обработка информации осуществляется по методу, аналогичному, к примеру, квантовым компьютерам.
Помощь в исследованиях
Новейшие квантовые приборы не только устанавливают другие стандарты в измерении такой величины, как время, но и помогают исследователям многих стран разрешить некоторые вопросы, что связаны с такими физическими постоянными, как скорость светового луча в вакууме или же постоянная Планка. Возрастающая точность измерений благоприятна для ученых, они надеются выследить замедления времени, оказываемые гравитацией. А одна из технологических компаний в США планирует запустить даже серийные квантовые часы для повседневного пользования. Правда, насколько высока будет их первичная стоимость?
Принцип действия
Атомные часы принято называть также квантовыми, ведь они функционируют на базе процессов, что происходят на молекулярных уровнях. Для создания высокоточных приборов берутся не всякие атомы: обычно характерно использование кальция и йода, цезия и рубидия, а еще молекул водорода. На данный момент наиболее точные механизмы исчисления времени на основе иттиберия, их произвели американцы. В труде оборудования задействовано свыше 10 тысяч атомов, это и обеспечивает отменную точность. К слову сказать, предшественники-рекордсмены имели погрешность в секунду «всего» на 100 миллионов, что, согласитесь, также немалый срок.
Точные кварцевые...
При выборе бытовых «ходиков» для использования повседневно, конечно же, атомные приборы не должны приниматься во внимание. Из бытовых сегодня самые точные часы в мире – кварцевые, которые к тому же имеют ряд преимуществ в сравнении с механическими: не требуют завода, работают при помощи кристаллов. Их погрешности хода в среднем составляют 15 секунд за месяц (механические обычно могут отставать на такое количество времени за сутки). А самые точные наручные часы в мире из всех кварцевых, по мнению многих экспертов, фирмы Citizen – «Хрономастер». Они в год могут иметь погрешность всего 5 секунд. По стоимости они довольно дорогие – в пределах 4 тыс. евро. На второй ступеньке воображаемого пьедестала Longines (10 секунд за год). Они уже стоят намного дешевле – около 1000 евро.
...и механические
Большинство механических приборов для измерения времени, как правило, не отличаются особой точностью. Однако одно из устройств все же может похвастаться. Часы, изготовленные в 20-м столетии для ратуши Копенгагена, имеют огромный механизм в 14 тысяч элементов. Благодаря сложной конструкции, а также довольно медленному функционалу их погрешности в измерениях - секунда на каждые 600 лет.
fb.ru
Квантовые часы - это... Что такое Квантовые часы?
В одном из вариантов такой подстройки (фазовая автоподстройка частоты, рис. 1) частота νкв кварцевого генератора (обычно Квантовые часы 10—20 Мгц) умножается радиотехническими средствами в нужное число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты квантового стандарта νст. Подбором конкретных значений νкв и n разностную частоту Δ = (νст — пνкв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: νкв= (νст — nνkв).
После усиления сигнал разностной частоты (νст — nνkв) подаётся на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаются колебания кварцевого генератора. Фазовый детектор вырабатывает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты Δ и частоты кварцевого генератора νкв друг от друга. Это напряжение подаётся затем на блок управления частотой кварцевого генератора и вызывает сдвиг частоты генератора, который компенсирует отклонение νкв от разностной частоты Δ. Т. о., любое изменение частоты кварцевого генератора вызывает появление на выходе блока управления напряжения соответствующей величины и знака, сдвигающего частоту в обратном направлении. Поэтому частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной. В результате стабильность его частоты становится практически равной стабильности частоты квантового стандарта. Синтезатор частот формирует из сигнала кварцевого генератора сетки столь же точных стандартных частот. Одна из них служит для питания электрических часов, а остальные используются для метрологических и др. целей.
Погрешность хода лучших К. ч. такого типа при тщательном изготовлении и настройке составляет не более 1 сек за несколько тыс. лет. Первые К. ч. были созданы в 1957. Стандартом частоты в них служил Молекулярный генератор на пучке молекул аммиака. Созданные позднее К. ч., в которых используется квантовый стандарт частоты с пучком атомов цезия, не нуждаются в калибровке по эталону, т.к. номинальное значение опорной частоты может быть установлено на основе манипуляций в самом приборе. Недостатки этих К. ч. — большой вес и чувствительность к вибрациям. В К. ч. другого типа (наиболее распространённых) применяется рубидиевый стандарт частоты с оптической накачкой. Они легче, компактнее, не боятся вибраций, но нуждаются в калибровке, после чего они поддерживают установленное значение частоты с погрешностью порядка 10–11 в течение года. Основной частью рубидиевых К. ч. является специальный радиоспектроскоп с оптической накачкой и оптической индикацией, фиксирующий спектральную линию изотопа 87Rb, лежащую в диапазоне СВЧ. Спектроскоп содержит Объёмный резонатор 3, в котором находится колба 2 с парами изотопа 87Rb (рис. 2) при давлении 10–6мм рт. ст. Резонатор настроен на частоту спектральной линии 87Rb, равную 6835 Мгц. Чувствительность обычного радиоспектроскопа недостаточна для того, чтобы зафиксировать радиочастотную линию 87Rb. Для увеличения чувствительности используются оптическая накачка паров 87Rb и оптическая индикация спектральной линии. На атомы 87Rb направляется свет, частота которого совпадает с частотой др. спектральной линии 87Rb, лежащей в оптическом диапазоне. Газоразрядная лампа 1 низкого давления с парами 87Rb освещает колбу. Свет, прошедший сквозь колбу, попадает на фотоприёмник (например, Фотоэлектронный умножитель). Под действием света рубидиевой лампы (накачка) атомы 87Rb возбуждаются, т. е. переходят из состояния с энергией E2 в состояние с энергией E3 (рис. 3). Если интенсивность света достаточно высока, то наступает насыщение — число атомов, находящихся в состояниях E2 и E3, становится одинаковым. При этом поглощение света в парах уменьшается (т.к. число невозбуждённых частиц на уровне E2, способных поглощать кванты света, уменьшается) и пары 87Rb становятся прозрачнее, чем они были бы при воздействии на них накачки. Если одновременно с накачкой пары 87Rb облучить радиоволной, частота которой равна частоте спектральной линии, лежащей в диапазоне СВЧ и соответствующей переходам атомов 87Rb между уровнями E1 и E2, то, поглощаясь, она переводит атомы 87Rb с уровня E1 на уровень E2 (рис. 3). Такая радиоволна будет препятствовать насыщающему действию световой волны, в результате чего поглощение света в парах 87Rb увеличится. Т. о., измеряя при помощи фотоприёмника интенсивность света, прошедшего через колбу с пара́ми 87Rb, можно точно определить, действуют ли одновременно на эти пары свет с частотой, соответствующей переходу E2 → E3, и радиоволна с частотой перехода E1 → E2. Источником радиоволны служит кварцевый генератор, возбуждающий в резонаторе электромагнитное поле резонансной частоты. Если плавно изменять частоту генератора, то в момент её совпадения с частотой радиоспектральной линии 87Rb интенсивность света, попадающего на фотоприёмник, резко уменьшится. Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары́ 87Rb, от частоты радиоволны используется для автоматической подстройки частоты колебаний кварцевого генератора по частоте радиоспектральной линии. Колебания кварцевого генератора модулируются по фазе при помощи вспомогательного генератора низкой частоты (см. Модуляция колебаний, Фазовая модуляция). Поэтому свет, проходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой частотой. Модуляция света тем сильнее, чем точнее совпадает частота электромагнитного поля в резонаторе с частотой радиоспектральной линии 87Rb. Электрический сигнал фотоприёмника после усиления подаётся на фазовый детектор, на который поступает также сигнал непосредственно от низкочастотного генератора. Амплитуда выходного сигнала фазового детектора тем больше, чем меньше разность частот (расстройка) частоты спектральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подаётся на элемент, изменяющий частоту кварцевого генератора, и поддерживает её значение таким, чтобы оно точно совпадало с вершиной спектральной линии 87Rb. Точность рубидиевых К. ч. определяется главным образом шириной радиоспектральной линии 87Rb. Основной причиной, приводящей к уширению спектральных линий газов (паров) при низких давлениях, является Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами 87Rb добавляется буферный газ (при давлении несколько мм рт. ст.). Атомы 87Rb, сталкиваясь с атомами буферного газа, оказываются как бы зажатыми между ними и совершают быстрые хаотические движения, оставаясь в среднем почти на одном месте, лишь медленно диффундируя внутри колбы. В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на широком низком пьедестале. Ширина и положение этого пика зависят от состава буферного газа. Например, смесь из 50% неона и 50% аргона позволяет свести ширину спектрального пика Примерно до 100 гц, причём его положение смещается лишь на 0,02 гц при изменении температуры на 1°С или давления на 1 мм рт. см.Точность рубидиевых К. ч. обусловлена также постоянством интенсивности света лампы накачки, поэтому применяются системы автоматического регулирования интенсивности. Возможно создание рубидиевых К. ч., в которых вместо описанной системы оптической индикации используется квантовый генератор с парами рубидия. В этих К. ч. применяются настолько интенсивная оптическая накачка и резонатор со столь высокой добротностью, что в нём выполняются условия самовозбуждения. При этом пары 87Rb, наполняющие колбу внутри резонатора, излучают электромагнитные волны на частоте 6835 Мгц. Радиосхема таких К. ч. также содержит кварцевый генератор и синтезатор, но в отличие от предыдущего частота кварцевого генератора управляется системой фазовой автоподстройки, в которой опорной является частота сигнала рубидиевого генератора.
Лит.: Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969, с. 35, 241; Григорьянц В. В., Жаботинский М. Е., Золин В. Ф., Квантовые стандарты частоты, М., 1968, с. 171.
М. Е. Жаботинский.
Рис. 1. Блок-схема квантовых часов с фазовой автоматической подстройкой частоты.
Рис. 3. Схема рубидиевого стандарта частоты с оптической накачкой: 1 — лампа, освещающая колбу 2, наполненную парами 87Rb; 3 — объёмный резонатор; 4 — фотодетектор; 5 — усилитель низкой частоты; 6 — фазовый детектор; 7 — генератор низкой частоты; 8 — кварцевый генератор; 9 — умножитель частоты.
Рис. 4. Уровни энергии атомов 87Rb, используемые в рубидиевых часах.
Рис. 2. Первые квантовые часы, построенные в Национальном бюро стандартов США, с молекулярным аммиачным генератором в качестве квантового стандарта частоты.
dic.academic.ru
Квантовые часы в каждый дом
Время – это все, что у нас есть. Сложно не согласиться с такой формулировкой, особенно когда подобные мысли высказывает Ричард Хоптроф, предложивший всем современным людям, интересующимся сверхточными устройствами, заменить обычные механические часы на то, что будет отвечать современным тенденциям. Именно подобным образом Ричард Хптроф продемонстрировал карманные атомные часы Hoptroff No. 10, благодаря которым вы будете самым пунктуальным человеком на нашей планете в течение как минимум 5 миллиардов лет.
Если кто-то не интересовался данной темой и подобными часами в частности, расскажем о принципе их работы. Сами по себе, атомные или же квантовые (кому как удобно) часы представляют собой устройство измеряющее время, и использует для этого свои собственные колебания, которые связаны с процессами, происходящими на атомарном и молекулярном уровне. Звучит немного футуристический, не так ли?
Интересно, что атомные часы напоминают механические лишь внешне, а вот внутренняя составляющая этого устройства, мягко говоря, непривычна обывателю. Дело в том, что вместо механизма, внутри атомных часов находится герметическая камера, заполненная радиоактивных газообразным веществом. Температура этого вещества находится под контролем печи.
Отсчет времени в квантовых часах происходит путем возбуждения лазерами атомов химического элемента, после чего резонатор фиксирует и измеряет каждый атомный переход. Так же стоит отметить, что базовый элемент для квантовых часов – цезий, что не случайно. Рассматривая систему единиц СИ, можно увидеть, что значение секунды связано с количеством периодов электромагнитного излучения при переходе атомов цезия-133 с одного на другой энергетический уровень. Гуманитарию разобраться сложно, но порывшись дополнительно в интернетах, можно.
Для упрощения, приведем более простой пример функционирования квантовых часов. Так, в современных смартфонах сердце устройства это процессорный чип, в то время как в Hoptroff No. 10 роль сердца выполняет модуль-генератор эталонного времени. Интересно так же то, что поставкой данного модуля занимается коммерческая фирма Symmetricom, в то время как изначально чип был ориентирован на использование в военной отрасли. В общем, все солидно на столько, насколько это вообще может быть. Не последнюю роль играет и тот факт, что атомные часы идут с погрешность в 1,5 с. за каждые 1000 лет, то есть и вы, и ваши внуки, и ваши правнуки будут жить, в каком-то смысле, по одному и тому же времени.
А если кого-то смущает, что это всего лишь какие-то там часы, то спешим поправить. Это не просто часы, а атомные часы, с помощью которых можно будет узнать не только время, дату и день недели, но и широту с долготой, давление, влажность и много еще чего, функционал действительно интересный (другое дело, что вряд ли вам понадобятся звездные часы и минуты, хотя вдруг пригодятся вашим потомкам через тысячу-другую лет).
Поговорили об интересном, а теперь переходим к более проблемной финансовой части. Сами часы поставляются в золотом исполнении, корпус планируют создавать, используя модную ныне трехмерную печать. Впрочем, «пробник» был сделан не на 3D-принтере, а так скажем, по старинке. В общем, если вы захотите приобрести часы, которые в прямом смысле этого слова будут идти без сбоя веками, то готовьте выложить 78 тысяч долларов США. Первая партия будет насчитывать всего 12 единиц, однако если дело пойдет в гору, то объем партии планируют увеличить.
www.sciencedebate2008.com
КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ
(атомные часы), устройство для точного измерения времени, основной частью к-рого является квантовый стандарт частоты. Ход К. ч. регулирует частота излучения атомов при их квант. переходах из одного энергетич. состояния в другое. Эта частота столь стабильна при определённых внеш. условиях, что К. ч. позволяют измерять время точнее, чем астр. методы (см. ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЕ). К. ч. применяются в службе времени, системах радионавигации, в астр. обсерваториях, лаб. практике и т. п., вытесняя менее совершенные кварцевые часы.
Сигналы квант. стандартов частоты непосредственно не могут быть использованы для приведения в действие часового механизма, т. к. мощность этих сигналов ничтожна, а частота колебаний, как правило, высока и имеет нецелочисленное значение (напр., мощность водородного генератора составляет 10-11— 10-12 Вт, а частота 1420,406 МГц). Для практич. применений нужен набор стандартных высокостабильных частот (1 кГц, 10 кГц, 100 кГц, 1 МГц и т. д.) при достаточной мощности выходного сигнала.
Поэтому К. ч., помимо квант. стандарта частоты (репера), содержат спец. электронные устройства, формирующие сетку частот, обеспечивающие действие часового механизма (вращение стрелок часов или смену цифр на их циферблате) и выдачу сигналов точного времени.
Большинство К. ч. содержит кварцевый генератор, частота к-рого контролируется с помощью репера; периодически вносятся поправки, благодаря чему точность кварцевых часов повышается до уровня точности самого репера. Для нек-рых систем (в частности, навигационных) более рациональна автоматич. подстройка частоты кварцевого генератора к частоте репера. В одном из вариантов такой системы (фазовая автоподстройка, рис. 1) частота wкв кварцевого генератора (обычно =10—20 МГц) умножается в нужное число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты репера wр. Подбором wкв и n можно добиться, чтобы разностная частота D=wр=nwкв=wкв. Сигнал разностной частоты после усиления поступает на первый вход фазового детектора, на др. вход к-рого подаются колебания кварцевого генератора. Фазовый детектор вырабатывает напряжение, величина и знак к-рого зависят от разности фаз сигналов на его входе. Это напряжение подаётся на блок управления кварцевым генератором и вызывает сдвиг фазы колебаний генератора, к-рый препятствует отклонению wкв от разностной частоты D. Т. о., любое изменение wкв вызывает появление на выходе блока управления напряжение соответствующей величины и знака, сдвигающего wкв в обратном направлении. Частота генератора автоматически поддерживается неизменной. Стабильность частоты кварцевого генератора становится практически равной стабильности частоты репера. Т. н. синтезатор частот формирует из сигнала кварцевого генератора сетки столь же точных стандартных частот. Одна из них служит для питания электрич. часов, а остальные используются для метрологич. и др. целей. Погрешность хода лучших К. ч. такого типа =1с за неск. тыс. лет.
Первые К. ч. были созданы в 1957 в Нац. бюро стандартов США. Репером в них служил квант. генератор на пучке молекул аммиака (молекулярный генератор). В совр. К. ч. иногда используется цезиевый репер. Такие К. ч. не нуждаются в калибровке по эталону, т. к. номинальное значение опорной частоты может быть установлено на основе манипуляций в самом приборе. Их недостаток — сравнительно большой вес и чувствительность к вибрациям. Более распространены К. ч. с рубидиевым репером и оптич. накачкой. Они легче, компактнее, не боятся вибраций, но нуждаются в калибровке, после чего они поддерживают установленное значение частоты с относит. погрешностью =10-11 в год.
Рис. 2. Схема рубидиевого стандарта частоты с оптич. накачкой: рубидиевая лампа низкого давления 1 освещает колбу 2, наполненную парами 87Rb; 3 — объёмный резонатор; 4 — фотодетектор; 5 — усилитель низкой частоты; 6 — фазовый детектор; 7 — генератор низкой частоты; 8 — кварцевый генератор; 9 — умножитель частоты.
Осн. часть рубидиевых К. ч.— объёмный резонатор, в к-ром находится колба с парами 87Rb (рис. 2) при давлении р=10-3 мм рт. ст. Резонатор настроен на частоту определённой радиоспектральной линии 87Rb (w0=6835 МГц). Однако чувствительность радиоспектроскопа недостаточна, чтобы зафиксировать эту линию. Для увеличения чувствительности используются оптическая накачка паров 87Rb и оптич. индикация спектральной линии.
Рис. 3. Уровни энергии атомов 87Rb, используемые в рубидиевых часах.
Колбу освещают, причём частота света совпадает с частотой др. спектральной линии 87Rb, лежащей в оптич. диапазоне (газоразрядная лампа с парами 87Rb). Свет, прошедший сквозь колбу, попадает на фотоприёмник (напр., фотоэлектронный умножитель). Под действием света рубидиевой лампы атомы 87Rb возбуждаются, т. е. переходят из состояния с энергией ?2 в состояние ?3 (рис. 3). Если интенсивность света достаточно высока, то наступает насыщение (кол-во атомов, находящихся в состояниях ?2 и ?3, выравнивается). При этом поглощение света в парах уменьшается, и они под действием света становятся более прозрачными. Если одновременно с оптич. накачкой пары 87Rb облучить радиоволной с частотой w0, то атомы 87Rb перейдут с уровня ?1 на уровень ?2, в результате чего поглощение света в парах 87Rb увеличится. Источником радиоволны служит кварцевый генератор 8, возбуждающий в резонаторе эл.-магн. поле. При плавном изменении частоты генератора в момент w=w0 интенсивность света, попадающего на фотоприёмник, резко уменьшится.
Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары 87Rb, от частоты радиоволны используется для автоматич. подстройки частоты колебаний кварцевого генератора по частоте радиоспектральной линии 87Rb. Колебания кварцевого генератора модулируются по фазе при помощи вспомогат. генератора низкой частоты 7 (см. МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИЙ). Свет, проходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой" частотой. Электрич. сигнал фотоприёмника после усиления подаётся на фазовый детектор 6, на к-рый поступает также сигнал непосредственно от низкочастотного генератора. Амплитуда выходного сигнала фазового детектора тем больше, чем меньше расстройка частот спектральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подаётся на элемент, изменяющий частоту кварцевого генератора, и поддерживает её значение таким, чтобы оно точно совпадало с вершиной спектральной линии 87Rb.
Точность рубидиевых К. ч. определяется гл. обр. шириной радиоспектральной линии 87Rb. Осн. причина уширения — Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами 87Rb добавляется буферный газ (при давлении неск. мм рт. ст.). В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на широком низком пьедестале.
Точность рубидиевых К. ч. обусловлена также постоянством интенсивности света лампы (применяется автоматич. регулирование интенсивности). Возможно создание рубидиевых К. ч., в к-рых вместо оптич. индикации применяется квант. генератор на парах 87Rb. В этих К. ч. необходима интенсивная оптич. накачка и резонатор со столь высокой добротностью, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. При этом пары 87Rb в колбе внутри резонатора излучают эл.-магн. волны на частоте w0. Радиосхема таких К. ч. также содержит кварцевый генератор и синтезатор, но, в отличие от предыдущего, частота кварцевого генератора управляется системой фазовой автоподстройки, в которой опорной является частота сигнала рубидиевого генератора.
Поделитесь на страничкеslovar.wikireading.ru
КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ - это... Что такое КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ?
Поэтому К. ч., помимо квант. стандарта частоты (репера), содержат спец. электронные устройства, формирующие сетку частот, обеспечивающие действие часового механизма (вращение стрелок часов или смену цифр на их циферблате) и выдачу сигналов точного времени.
Большинство К. ч. содержит кварцевый генератор, частота к-рого контролируется с помощью репера; периодически вносятся поправки, благодаря чему точность кварцевых часов повышается до уровня точности самого репера. Для нек-рых систем (в частности, навигационных) более рациональна автоматич. подстройка частоты кварцевого генератора к частоте репера. В одном из вариантов такой системы (фазовая автоподстройка, рис. 1) частота wкв кварцевого генератора (обычно =10—20 МГц) умножается в нужное число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты репера wр. Подбором wкв и n можно добиться, чтобы разностная частота D=wр=nwкв=wкв. Сигнал разностной частоты после усиления поступает на первый вход фазового детектора, на др. вход к-рого подаются колебания кварцевого генератора. Фазовый детектор вырабатывает напряжение, величина и знак к-рого зависят от разности фаз сигналов на его входе. Это напряжение подаётся на блок управления кварцевым генератором и вызывает сдвиг фазы колебаний генератора, к-рый препятствует отклонению wкв от разностной частоты D. Т. о., любое изменение wкв вызывает появление на выходе блока управления напряжение соответствующей величины и знака, сдвигающего wкв в обратном направлении. Частота генератора автоматически поддерживается неизменной. Стабильность частоты кварцевого генератора становится практически равной стабильности частоты репера. Т. н. синтезатор частот формирует из сигнала кварцевого генератора сетки столь же точных стандартных частот. Одна из них служит для питания электрич. часов, а остальные используются для метрологич. и др. целей. Погрешность хода лучших К. ч. такого типа =1с за неск. тыс. лет. Первые К. ч. были созданы в 1957 в Нац. бюро стандартов США. Репером в них служил квант. генератор на пучке молекул аммиака (молекулярный генератор). В совр. К. ч. иногда используется цезиевый репер. Такие К. ч. не нуждаются в калибровке по эталону, т. к. номинальное значение опорной частоты может быть установлено на основе манипуляций в самом приборе. Их недостаток — сравнительно большой вес и чувствительность к вибрациям. Более распространены К. ч. с рубидиевым репером и оптич. накачкой. Они легче, компактнее, не боятся вибраций, но нуждаются в калибровке, после чего они поддерживают установленное значение частоты с относит. погрешностью =10-11 в год. Рис. 2. Схема рубидиевого стандарта частоты с оптич. накачкой: рубидиевая лампа низкого давления 1 освещает колбу 2, наполненную парами 87Rb; 3 — объёмный резонатор; 4 — фотодетектор; 5 — усилитель низкой частоты; 6 — фазовый детектор; 7 — генератор низкой частоты; 8 — кварцевый генератор; 9 — умножитель частоты. Осн. часть рубидиевых К. ч.— объёмный резонатор, в к-ром находится колба с парами 87Rb (рис. 2) при давлении р=10-3 мм рт. ст. Резонатор настроен на частоту определённой радиоспектральной линии 87Rb (w0=6835 МГц). Однако чувствительность радиоспектроскопа недостаточна, чтобы зафиксировать эту линию. Для увеличения чувствительности используются оптическая накачка паров 87Rb и оптич. индикация спектральной линии.Рис. 3. Уровни энергии атомов 87Rb, используемые в рубидиевых часах.
Колбу освещают, причём частота света совпадает с частотой др. спектральной линии 87Rb, лежащей в оптич. диапазоне (газоразрядная лампа с парами 87Rb). Свет, прошедший сквозь колбу, попадает на фотоприёмник (напр., фотоэлектронный умножитель). Под действием света рубидиевой лампы атомы 87Rb возбуждаются, т. е. переходят из состояния с энергией ?2 в состояние ?3 (рис. 3). Если интенсивность света достаточно высока, то наступает насыщение (кол-во атомов, находящихся в состояниях ?2 и ?3, выравнивается). При этом поглощение света в парах уменьшается, и они под действием света становятся более прозрачными. Если одновременно с оптич. накачкой пары 87Rb облучить радиоволной с частотой w0, то атомы 87Rb перейдут с уровня ?1 на уровень ?2, в результате чего поглощение света в парах 87Rb увеличится. Источником радиоволны служит кварцевый генератор 8, возбуждающий в резонаторе эл.-магн. поле. При плавном изменении частоты генератора в момент w=w0 интенсивность света, попадающего на фотоприёмник, резко уменьшится. Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары 87Rb, от частоты радиоволны используется для автоматич. подстройки частоты колебаний кварцевого генератора по частоте радиоспектральной линии 87Rb. Колебания кварцевого генератора модулируются по фазе при помощи вспомогат. генератора низкой частоты 7 (см. МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИЙ). Свет, проходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой" частотой. Электрич. сигнал фотоприёмника после усиления подаётся на фазовый детектор 6, на к-рый поступает также сигнал непосредственно от низкочастотного генератора. Амплитуда выходного сигнала фазового детектора тем больше, чем меньше расстройка частот спектральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подаётся на элемент, изменяющий частоту кварцевого генератора, и поддерживает её значение таким, чтобы оно точно совпадало с вершиной спектральной линии 87Rb. Точность рубидиевых К. ч. определяется гл. обр. шириной радиоспектральной линии 87Rb. Осн. причина уширения — Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами 87Rb добавляется буферный газ (при давлении неск. мм рт. ст.). В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на широком низком пьедестале. Точность рубидиевых К. ч. обусловлена также постоянством интенсивности света лампы (применяется автоматич. регулирование интенсивности). Возможно создание рубидиевых К. ч., в к-рых вместо оптич. индикации применяется квант. генератор на парах 87Rb. В этих К. ч. необходима интенсивная оптич. накачка и резонатор со столь высокой добротностью, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. При этом пары 87Rb в колбе внутри резонатора излучают эл.-магн. волны на частоте w0. Радиосхема таких К. ч. также содержит кварцевый генератор и синтезатор, но, в отличие от предыдущего, частота кварцевого генератора управляется системой фазовой автоподстройки, в которой опорной является частота сигнала рубидиевого генератора.Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.
dic.academic.ru
Как работают атомные часы? | hi-news.ru
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.
hi-news.ru
