Атомные часы что такое: Атомные часы — самые точные, как они работают и зачем нужны

Атомные часы, самые точные из когда-либо созданных человеком

Время, часы, минуты, секунды … кто тысячу и раз не смотрел на часы в течение дня, чтобы узнать, опаздывает он или рано на встречу, чтобы узнать, сколько у вас осталось, чтобы выбраться работы или просто посмотреть, как быстро проходит ваше время, когда вы хорошо проводите время в баре с друзьями или семьей. Есть люди, которые опережают время, чтобы быть осторожными, а другие везде опаздывают, потому что не смотрят на часы вовремя. Но наверняка вы задались вопросом, есть ли идеально синхронизированные часы, которые отмечают точное время для всех?

Да, он существует, и он называется атомные часы. Это часы, которые работают, управляя счетчиком, который использует атомный резонанс или вибрацию. На сегодняшний день это самые точные рукотворные часы. Вы хотите знать, как он работает и из чего сделан? Продолжайте читать и узнайте все его секреты.

Индекс

schema.org/SiteNavigationElement»>
• 1 Как работают атомные часы
• 2 Преобразование данных во время
• 3 Важность атомных часов
• 4 Можно ли иметь портативные атомные часы?

Как работают атомные часы

Как мы уже упоминали ранее, знание времени в любой момент может оказаться необходимым, чтобы строить повседневные планы и сохранять спокойствие. Следовательно, у вас должны быть хорошо настроенные часы, чтобы хорошо знать ваше текущее время. Часы, которые идут рано или поздно, нам ни к чему. С атомными часами с нами этого не происходит, потому что они самый точный человек из когда-либо созданных.

Если мы сравним их с традиционными механическими часами, которые работают на маятнике, это будет другое дело. Первый работает с колебанием, которое перемещает ряд связанных друг с другом шестерен, чтобы установить постоянный ритм, указывающий на прохождение секунд, минут и часов. Однако атомные часы работают с частотой энергетических колебаний атомов в области микроволнового электромагнитного спектра.

В часах используется материал под названием Maser. Это СВЧ-усилитель для вынужденного излучения излучения. Хотя это звучит сложно, это не что иное, как система, способная усиливать самые слабые сигналы и преобразовывать их в микроволновую полосу электромагнитного спектра. Это как лазер.

Этот мазер накачивается радиопередатчиком с частота 0,000000001 секунды в день. Точность этой прокачки очень велика. По этой причине, когда радиоизлучатель связан с частотой в вариациях излучения атомного элемента, ионы, которые там находятся, способны поглощать указанное излучение и испускать свет. Все это происходит благодаря излучению радиоволн.

Преобразование данных во время

Когда ионы поглощают излучение и испускают свет, фотоэлемент улавливает точный момент, когда излучается свет, и через цепь начинает соединение с измерителем. Счетчик — это предмет, отвечающий за возможность записи сколько раз ожидаемая волна начинает излучать.

Все данные, полученные с помощью счетчика времени, когда ион испускает свет, передаются в компьютер. Это когда начинают выполняться все операции, необходимые для отправки импульсов на приемники. Конечные приемники — это те, которые визуально показывают нам правильное время.

Изотоп, используемый для поглощения излучения и излучения света, — это цезий 133.. Этот изотоп нагревается так, что он может высвободить свои атомы, и с имеющимися у них электрическими зарядами они могут проходить через пустую трубку с электромагнитным полем, которое действует как фильтр, так что только атомы, энергетическое состояние которых является тем, которое необходимо может пройти.

Важность атомных часов

Наверняка вы подумали о том, чтобы иметь атомные часы, чтобы иметь лучшую в мире точность и никогда нигде не опаздывать. Однако эти часы предназначены для исследований, учитывая их высокую точность. Он используется не только для измерения времени химических реакций или для проведения экспериментов, в которых время является важной переменной, которую необходимо учитывать. Очень полезно знать вариации, которые существуют в скорости времени.

До сих пор одним из самых полных и известных экспериментов, в которых использовались атомные часы, было направление самолетов в противоположных направлениях вокруг Земли. Как только самолеты покидают свою точку отсчета, запускаются часы и измеряется время, необходимое для прибытия обоих. Так проверяется, что специальная теория относительности. Другой эксперимент — разместить атомные часы в подвале небоскреба, а другие — на крыше, чтобы увидеть разницу между ними. Для таких экспериментов вам нужны часы с большой точностью.

В настоящее время эти атомные часы используются для формирования спутников GPS, которые мы привыкли использовать в наших смартфонах или автомобилях. Поэтому время этих устройств очень точное. Из того, что можно увидеть, он не имеет ограничительного лабораторного использования, но косвенно используется всеми нами.

Можно ли иметь портативные атомные часы?

Кто не хочет иметь в руках такие точные часы, тот везде будет знать точное время. Однако атомные часы никогда не дотянутся до наших рук. У них есть большая проблема, и заключается она в том, что для обеспечения такой высокой точности требуют очень стабильной окружающей среды и очень низких температур. Только в этих условиях точность атомных часов выходит на первый план.

С другой стороны, часы, которые мы сейчас можем приобрести они довольно точны, и было подсчитано, что у него не было бы хороших рыночных вариантов. Учитывая их компоненты и сложность в обслуживании, это были бы дорогие часы, которые не повлияли бы на рынок. Перспективы продажи не так велики, что побуждает к разработке механизмов атомных наручных часов.

Вы можете постоянно наблюдать в мире людей, которые не знают, что делать со своими деньгами, и, возможно, эта группа людей готова платить очень высокую цену за такие точные часы на запястье. Просто сказать, что у них есть что-то уникальное и непохожее на других, может быть хорошим вариантом для рынка.

Как бы то ни было, это часы, которые очень необходимы науке и помогают лучше понять мир, в котором мы живем.

Атомное время | Политехнический музей

3 октября 1956 года ученые в Нью-Йорке продемонстрировали публике первые в мире атомные часы для коммерческой продажи — «Atomichron». От обычных хронометров такие приборы отличаются тем, что колебания в них происходят не механически, за счет колесиков, а в ядре атома и между окружающими его электронами.

В природе у любого атома есть характерная частота колебаний. Ее определяет масса атомного ядра, гравитация и электростатическая «пружина» между облаком электронов и положительным зарядом ядра. Это делает атомные часы самым точным прибором для измерения времени, который только существует в мире. Сегодня лучшие атомные часы теряют всего одну секунду за пять миллиардов лет. Без таких аппаратов не существовало бы ни GPS-навигации, ни возможности синхронизировать работу интернета и управлять космическими зондами и спутниками вдали от Земли.

Чаще всего, атомные часы работают на основе пучков атомов цезия-133. Это единственный стабильный изотоп химического элемента цезия, который в состоянии простого вещества представляет собой мягкий щелочной металл. Атомные часы не радиоактивны, поскольку не полагаются на атомный распад. Эти приборы работают благодаря магнитному полю, которое позволяет правильно распределить атомы, детекторам и микроволновым частотам.

Именно атомное время позволило определить меру секунды согласно Международной системе единиц (СИ). Она была установлена в 1967 году в ходе XIII Генеральной конференции по мерам и весам на основе вибраций в атоме цезия. До того момента в мировой системе измерения времени не существовало ни одного столь же точного определения.

Тем не менее, сегодня самый точный атомный хронометр на Земле работает на основе стронция, а не цезия. Также существуют иттербиевые часы, которые, правда, измеряют время в два раза хуже, чем стронциевые приборы. Аппараты на основе стронция и иттербия могут работать на частотах оптического диапазона, что дает им преимущество по сравнению с цезиевыми часами, которые ограничены микроволновым диапазоном. Ученые уже рассматривают вопрос о пересмотре мирового стандарта, который позволит поменять цезий на стронций и еще больше уточнить продолжительность секунды.

• 
  Время




• 
  Магнитное поле




• 
  Атом




• 
  Часы




• 
  Технологии

Демонстрация атомных часов с захваченными ионами в космосе

• Статья
• Опубликовано: 30 июня 2021 г.

• Э. А. Берт
  Orcid: orcid.org/0000-0002-2486-9021 ^{1 NA1} ,
• J. D. Prestage ^{1 NA1} ,
• R. L. Tjoelker ^{1 NA19955. D. Tjoelker 1 NA1, D. G.000955555555555555555555555555555555.} , D. L. Tjoelker ^{1 NA19955.
  ORCID: orcid.org/0000-0002-8074-0150 1 ,}
• D. Kuang ¹ ,
• D. W. Murphy ¹ ,
• D. E. Robison ¹ ,
• J. M. Seubert ¹ ,
• R. T. Wang ¹ &
• …
• Т. А. Эли
  ORCID: orcid.org/0000-0001-8832-0399 ¹  

Природа
том 595 , страницы 43–47 (2021)Процитировать эту статью

• 7254 Доступ

• 23 цитирования

• 244 Альтметрический

• Сведения о показателях

Предметы

• Астрономическое приборостроение
• Атомная и молекулярная физика
• Квантовая метрология

Abstract

Атомные часы, которые привязывают частоту генератора к чрезвычайно стабильным квантованным энергетическим уровням атомов, необходимы для навигационных приложений, таких как исследование дальнего космоса ¹ и глобальные навигационные спутниковые системы ² , и являются полезными инструментами с помощью которого можно решать вопросы фундаментальной физики ^3,4,5,6 . Такие спутниковые системы используют точное измерение времени распространения сигнала, определяемое атомными часами, вместе со скоростью распространения для расчета местоположения. Хотя космические атомные часы с низкой нестабильностью представляют собой благоприятную технологию для глобальной навигации, они еще не применялись для навигации в дальнем космосе и имели лишь ограниченное применение в космической фундаментальной физике из-за ограничений производительности, налагаемых суровыми условиями космической операции ^{. 7} . Методы электромагнитного улавливания и охлаждения ионов произвели революцию в работе атомных часов ^{8,9,10,11,12,13} . Наземные часы с захваченными ионами, работающие в оптической области, достигли улучшения производительности на порядки по сравнению со своими предшественниками и стали ключевым компонентом исследовательских программ национальных метрологических лабораторий ¹³ , но перенос этой новой технологии в космос остается сложной задачей. Здесь мы показываем результаты работы атомных часов с захваченными ионами, работающих в космосе. На земле атомные часы НАСА для дальнего космоса продемонстрировали кратковременную стабильность дробной частоты 1,5 × 10 ⁻¹³ / τ ^1/2 (где τ — время усреднения) ¹⁴ . Запущенные в 2019 году часы проработали в космосе более 12 месяцев и продемонстрировали там долговременную стабильность 3 × 10 ⁻¹⁵ за 23 дня (без удаления дрейфа) и расчетный дрейф 3,0(0,7) × 10 ⁻¹⁶ в сутки. Каждое из них превышает текущую производительность космических часов на порядок величины ^15,16,17 . Атомные часы глубокого космоса особенно приспособлены к космической среде из-за их низкой чувствительности к изменениям радиации, температуры и магнитных полей. Такой уровень производительности космических часов обеспечит одностороннюю навигацию, при которой время задержки сигнала измеряется на месте, что сделает возможной навигацию зондов дальнего космоса почти в реальном времени ¹⁸ .

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Сравнение навигации в дальнем космосе с использованием оптических изображений, отслеживания времени прибытия пульсаров и/или радиометрического отслеживания

  • Тодд Эли
  • , Шьям Бхаскаран
  •  … Томас Мартин-Мур

  Журнал астронавтических наук
  Открытый доступ
  21 апреля 2022 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

199,00 €

всего 3,90 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1: Запуск атомных часов глубокого космоса. Рис. 2: Вакуумная камера часов и ловушки. Рис. 3: Смещение тактовой частоты в пространстве. Рис. 4: Стабильность часов в космосе.

Доступность данных

Полные данные для рис. 4 и расширенные данные рис. 3 можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Ссылки

1. Thornton, C.L. & Border, J.S. Методы радиометрического слежения для навигации в дальнем космосе (Wiley-Interscience, 2003).

2. Маллетт, Л. А., Уайт, Дж. и Роша, П. Космические источники частоты (часы) для текущих и будущих приложений GNSS. Позиция IEEE/ION Местонахождение. навигация Симп. (Онлайн) , https://doi.org/10.1109/PLANS.2010.5507225 (2010).

   Артикул

   Google ученый

3. Prestage, JD, Tjoelker, R.L. & Maleki, L. Атомные часы и вариации постоянной тонкой структуры. Физ. Преподобный Письмо . 74 , 3511 (1995).

   Артикул
   КАС
   ОБЪЯВЛЕНИЯ

   Google ученый

4. Сафронова М.С. Поиск вариации фундаментальных констант с помощью часов. Энн. Физ . 531 , 1800364 (2019).

   Артикул

   Google ученый

5. McGrew, D. et al. Производительность атомных часов позволяет проводить геодезию ниже уровня сантиметра. Природа 564 , 87 (2018).

   Артикул
   КАС
   ОБЪЯВЛЕНИЯ

   Google ученый

6. «>

   Хис, А., Гена, Дж., Абграл, М., Бизе, С. и Вольф, П. Поиск осциллирующего массивного скалярного поля в качестве кандидата на темную материю с использованием атомных сверхтонких сравнений частот. Физ. Преподобный Письмо . 117 , 061301 (2016).

   Артикул
   КАС
   ОБЪЯВЛЕНИЯ

   Google ученый

7. Vessot, R. F. C. et al. Испытание релятивистской гравитации с помощью космического водородного мазера. Физ. Откр. письмо . 45 , 2081 (1980).

   Артикул
   ОБЪЯВЛЕНИЯ

   Google ученый

8. Prestage, J.D., Dick, G.J. & Maleki, L. Стандарт атомной частоты на основе линейной ионной ловушки. IEEE Trans. Инструм. Мер . 40 , 132 (1991).

   Артикул
   КАС
   ОБЪЯВЛЕНИЯ

   Google ученый

9. Cutler, L. S., Giffard, R. P. & McGuire, M. D. Захваченная ртуть 199-ионный стандарт частоты. В проц. 13-е Ежегодное собрание по применению и планированию точного времени и интервала времени (PTTI) , 563–577 (Институт навигации, 1981 г.).

10. Tjoelker, R.L. et al. Технический прототип стандарта частоты ионов ртути для сети дальнего космоса НАСА. В проц. 50-й Международный симпозиум IEEE по управлению частотой , 1073–1081 (IEEE, 1996).

11. Burt, E. A., Diener, W. A. ​​& Tjoelker, R. L. Компенсированный многополюсный ртутный эталон частоты с линейной ионной ловушкой для сверхстабильного хронометража. IEEE Trans. Ультрасон. Ферроэлектр. Частота Контроль 55 , 2586 (2008).

    Артикул

    Google ученый

12. Hinkley, N. et al. Атомные часы с нестабильностью 10 ⁻¹⁸ . Наука 341 , 1215 (2013).

    Артикул
    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

13. «>

    Брюэр, С. М. и др. ²⁷ Al ⁺ квантово-логические часы с систематической погрешностью ниже 10 ⁻¹⁸ . Физ. Преподобный Письмо . 123 , 033201 (2019).

    Артикул
    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

14. Tjoelker, R.L. et al. Атомные часы глубокого космоса (DSAC) для демонстрационной миссии НАСА. IEEE Trans. Ультрасон. Ферроэлектр. Частота Контроль 63 , 1034–1043 (2016).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

15. Лутвак Р., Эммонс Д., Гарви Р. М. и Влитас П. Стандарт частоты цезиевого луча с оптической накачкой для GPS-III. В проц. 33-е ежегодное совещание по применению и планированию точного времени и интервала времени (PTTI) , 19–30 (Институт навигации, 2001 г.).

16. Райли, В. Дж. Рубидиевые атомные стандарты частоты для блока GPS IIR. В проц. 22-й ежегодный точный интервал времени и времени (PTTI) , 221–230 (Институт навигации, 1990).

17. Дроз, Ф. и др. Космический пассивный водородный мазер — характеристики и данные о сроке службы. В проц. Международный симпозиум IEEE по управлению частотой, 2009 г., совместно с 22-м Европейским форумом по частоте и времени , 393–398 (IEEE, 2009 г.).

18. Сьюберт, Дж., Эли, Т. и Стюарт, Дж. Результаты аналогового эксперимента по навигации в дальнем космосе с атомными часами в дальнем космосе. В проц. Конференция специалистов по астродинамике AAS/AIAA (Американское астрономическое общество, в печати).

19. Кодик, А. Автономная навигация спутников GPS: задача на будущее. Дж. Инст. Навиг . 32 , 221–232 (1985).

    Артикул

    Google ученый

20. Dehmelt, HG Моноионный генератор как возможный окончательный стандарт частоты лазера. IEEE Trans. Инструм. Мер . ИМ-31 , 83–87 (1982).

    Артикул
    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

21. Лю Л. и др. Работа на орбите атомных часов на основе охлаждаемых лазером атомов ⁸⁷ Rb. Нац. Коммуна . 9 , 2760 (2018).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

22. Tjoelker, R.L. et al. Ртутные эталоны атомной частоты для космической навигации и хронометража. В проц. 43-е ежегодное совещание по системам и приложениям точного времени и временных интервалов (PTTI) , 209–304 (Институт навигации, 2011).

23. Prestage, J.D., Chung, S., Le, T., Lim, L., и Maleki, L. Ионные часы размером в литр со стабильностью 10 ⁻¹⁵ . В проц. Совместный IEEE IFCS и PTTI , 472–476 (IEEE, 2005).

24. Prestage, JD & Weaver, GL Атомные часы и генераторы для навигации в дальнем космосе и радионауки. Проц. IEEE 95 , 2235–2247 (2007).

    Артикул

    Google ученый

25. Эли, Т. А., Сеуберт, Дж. и Белл, Дж. в Космические операции: инновации, изобретения и открытия , 105–138 (Американский институт аэронавтики и астронавтики, Inc., 2015).

26. Эли, Т. А., Берт, Э. А., Престейдж, Дж. Д., Зойберт, Дж. М. и Тьелькер, Р. Л. Использование атомных часов глубокого космоса для навигации и науки. IEEE Trans. Ультрасон. Ферроэлектр. Частота Контроль 65 , 950–961 (2018).

    Артикул

    Google ученый

27. Prestage, J.D., Dick, G.J. & Maleki, L. Новая ионная ловушка для стандартных приложений частоты. J. Appl. Физ . 66 , 1013 (1989).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

28. «>

    Prestage, J.D., Tjoelker, R.L. & Maleki, L. Линейные ловушки с более высокими полюсами для приложений атомных часов. В проц. 1999 г. Совместный европейский форум по частоте и времени и Международный симпозиум 9 по управлению частотой IEEE.0062, 121–124 (IEEE<1999).

29. Дике, Р. Х. Влияние столкновений на доплеровскую ширину спектральных линий. Физ. Версия . 89 , 472 (1953).

    Артикул
    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

30. Энцер, Д., Динер, В., Мерфи, Д., Рао, С. и Тьелькер, Р. Л. Дрейфы и возмущения окружающей среды в подсистеме атомных часов: количественная оценка гетеродина, контура управления и взаимодействия ионного резонанса. IEEE Trans. Ультрасон. Ферроэлектр. Частота Контроль 64 , 623–633 (2017).

    Артикул

    Google ученый

31. Эли, Т. А. , Мерфи, Д., Зойберт, Дж., Белл, Дж. и Куанг, Д. Ожидаемые результаты миссии атомных часов в глубоком космосе. В проц. Собрание механиков космических полетов AAS/AIAA , 807–826 (Американское астрономическое общество, 2014 г.).

32. Хоу, Д. А., Аллан, Д. В. и Барнс, Дж. А. Свойства источников сигналов и методы измерения. В Проц. 35-й ежегодный симпозиум IEEE по управлению частотой , 1–47 (IEEE, 1981).

33. Дик, Г. Дж. Нестабильности, вызванные локальным генератором, в стандартах частоты захваченных ионов. В проц. 19-й симпозиум по точному времени и временным интервалам , 133–147 (Институт навигации, 1987).

34. Ларсон, К. М. и Левин, Дж. Передача времени с использованием фазы несущей GPS. В проц. 1998 Международный симпозиум IEEE по управлению частотой , 292–29.7 (IEEE, 1998).

35. Bertiger, W. et al. Разрешение фазовой неоднозначности одного приемника с данными GPS. Дж. Геод . 84 , 327–337 (2010).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

36. Petit, G. Sub-10 ⁻¹⁶ Точность Передача частоты GNSS с IPPP. GPS Солют . 25 , 22 (2021).

    Артикул

    Google ученый

37. Ларсон, К. М., Эшби, Н., Хэкман, К. и Бертигер, В. Оценка релятивистских эффектов для низкоорбитальных аппаратов: спутники GRACE. Metrologia 44 , 484 (2007).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

38. Prestage, J.D., Tjoelker, R.L., Dick, G.J. & Maleki, L. Доплеровские спектры боковых полос для ионов в линейной ловушке. В проц. Международный симпозиум IEEE по управлению частотой , 148–154 (IEEE, 1993).

39. Tjoelker, R.L., Prestage, J.D., Dick, G. J. & Maleki, L. Долгосрочная стабильность стандартов частоты захваченных ионов Hg+. В проц. 1993 Международный симпозиум IEEE по управлению частотой , 132–138 (IEEE, 1993).

40. Burt, E. A. & Tjoelker, R. L. Перспективы сверхстабильного хронометрирования с герметичным вакуумом в многополюсных линейных стандартах ионной ловушки. В проц. 39-е ежегодное совещание по системам и приложениям точного времени и интервалов времени , 309–316 (Институт навигации, 2008).

41. Чанг, С.К., Престейдж, Дж.Д. и Тьелькер, Р.Л. Эксперименты с буферным газом в ртутных (Hg ⁺ ) ионных часах. В проц. Международный симпозиум IEEE по управлению частотой , 130–133 (IEEE, 2004).

42. Йи, Л., Тагхави-Ларигани, С., Берт, Э. А. и Тджелькер, Р. Л. Прогресс в создании атомных часов с двумя изотопами, захваченными ионами ртути: дальнейшие исследования столкновений фоновых газов. В проц. 2012 Международный симпозиум IEEE по управлению частотой , 1–5 (IEEE, 2012).

43. Шен, Г. Л. Перекачка метана геттерным насосом Zr/Al с ионизацией. Дж. Вак. науч. Технол. А 5 , 2580 (1987).

    Артикул
    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

44. Конради, А., Бадвар, Г.Д. и Браби, Л.А. Недавние наблюдения космических шаттлов за южноатлантической аномалией и моделями радиационного пояса. Доп. Космос Рез . 14 , 911–921 (1994).

    Артикул
    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

45. Джинет, Г. П., Мэдден, Д., Дихтер, Б. К. и Бротигам, Д. Х. Карты энергетических протонов для южноатлантической аномалии. В проц. Семинар IEEE по данным о радиационных эффектах, 2007 г., 1–8 (IEEE, 2007 г.).

46. Джерде, Р. Л., Петерсон, Л. Э. и Штейн, В. Влияние излучения высокой энергии на шумовые импульсы от фотоумножителей. Rev.Sci. Инструм . 38 , 1387 (1967).

    Артикул
    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

Ссылки на скачивание

Благодарности

Эта работа финансируется совместно Управлением космических технологий НАСА (STMD) и Управлением космической связи и навигации (SCaN). Исследование проводилось в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института по контракту с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (80NM0018D0004). Copyright 2020, Калифорнийский технологический институт. Спонсорство правительства признано.

Информация об авторе

Примечания автора

1. Эти авторы внесли равный вклад: Eric A. Burt, John D. Prestage, Robert L. Tjoelker

Авторы и организации

5 9 Калифорнийский институт реактивного движения , Пасадена, Калифорния, США

Э. А. Берт, Дж. Д. Престадж, Р. Л. Тьолкер, Д. Г. Энзер, Д. Куанг, Д. У. Мерфи, Д. Э. Робисон, Дж. М. Сеуберт, Р. Т. Ван и Т. А. Эли

Авторы

1. Э. А. Берт

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

2. J. D. Prestage

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

3. R. L. Tjoelker

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

4. D. G. Enzer

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

5. D. Kuang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

6. D. W. Murphy

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

7. Д. Э. Робисон

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

8. J. M. Seubert

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

9. R. T. Wang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

10. T. A. Ely

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

Contributions

E.A.B., J.D.P. и Р.Л.Т. внесли равный вклад. Э.А.Б. руководил подготовкой и оптимизацией часов DSAC, определял режимы и параметры работы, характеризовал часы и полезную нагрузку перед запуском и в космосе, а также руководил работой по подготовке рукописи. J.D.P. является соисследователем часов DSAC, руководил проектированием вакуумной трубки, ионной ловушки, оптики и магнита, а также консультировал по всем другим аспектам подготовки часов, определения характеристик и анализа данных. Р.Л.Т. является соисследователем часов DSAC, консультировал по всем аспектам проектирования часов и полезной нагрузки, подготовки, определения характеристик и анализа данных, а также руководил усилиями по решению ряда технических проблем с прибором. Д.Г.Э. руководил разработкой инструментов обработки и анализа телеметрии, характеризовал характеристики гетеродина и системы, а также выполнял моделирование USO и контура управления. Д.К. способствовал обработке данных GPS, моделированию и анализу. Д.В.М. руководил обработкой, моделированием и анализом данных GPS, включая релятивистские расчеты и анализ параметров орбиты, а также написал программное обеспечение для обработки и отображения телеметрии. Д.Э.Р. реализация алгоритма светодиодного контроллера и сбор данных, а также координированное управление часами через поставщика космического корабля. J.M.S. был заместителем главного исследователя DSAC, руководил техническим и программным планированием и проводил новые эксперименты по односторонней навигации, разрешенные DSAC. Т.А.Е. является главным исследователем DSAC, руководил техническим и программным планированием и проводил новые эксперименты с односторонней навигацией, обеспечиваемые DSAC, и с D.W.M. разработал новые методы тепловой калибровки GPS-приемника. RTW руководил характеристиками USO, интеграцией приборов в полезную нагрузку и интеграцией полезной нагрузки в космический корабль. Все авторы прочитали, отредактировали и утвердили окончательный вариант рукописи.

Автор, ответственный за переписку

Э. А. Берт.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Информация о рецензировании Nature благодарит Pascale Defraigne, Ekkehard Peik и других анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы.

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Рисунки и таблицы расширенных данных

Расширенные данные Рис. 1 Блок-схема полезной нагрузки DSAC на системном уровне.

Приемник GPS (Rcv.) не показан.

Расширенные данные Рис. 2 Диаграмма уровней для

¹⁹⁹ Hg(II).

The S _1/2 , F  = 1 до P _1/2 , F  = 1 оптический электрический дипольный переход, используемый для подготовки состояния и считывания источник этого света достаточно широк, чтобы не разрешать зеемановские подуровни, поэтому линия предназначена для обозначения любого перехода между S _1/2 F  = 1 и P _1/2 F  = 1 коллекторы, что соответствует правилам выбора). Также показаны S _1/2 , F = 0, M _F = от 0 до S _1/2 , F = 1, M 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111112, F = 1, M _{, F = 1, M . 0 нечувствительный к магнитному полю сверхтонкий часовой переход 40,5 ГГц (толстая черная стрелка) и Δ m F  = ±1 полечувствительные зеемановские линии на частоте ±140 кГц (тонкие черные стрелки).}

Расширенные данные Рис. 3 Измеренное отклонение Аллана.

Отклонение Аллана без каких-либо поправок (красный), с поправками на относительность, но без поправок на температуру (зеленый), а также с поправками на относительность и температуру (черный). Смоделированная ожидаемая производительность часов с параметрами часов во время запуска с возмущениями окружающей среды (сплошной синий) и без них (штриховая синяя) показана для сравнения. Все трассы, кроме синей, перекрывают отклонение Аллана. Для справки, период обращения около T  = 6 000 с приведет к ожидаемым пикам отклонения Аллана при 0,37 T  ≈ 2 200 с (ссылка ³⁰ ).

Расширенные данные Рис. 4 Изменения магнитного поля Земли, наблюдаемые на космическом аппарате DSAC, в зависимости от времени.

Период обращения около 6000 с на высоте 720 км. Составляющая поля в самом слабом направлении экранирования построена. Экранирование в двух других направлениях более чем на порядок выше, так что влияние вариаций на часы доминирует показанная компонента.

Расширенные данные Рис. 5 Влияние вариаций магнитного поля на часы.

Отклонение Аллана смещения частоты, связанное с измеренными вариациями магнитного поля на борту космического корабля DSAC, показано (красным) в предположении, что чувствительность для наихудшего случая составляет 7 × 10 ⁻¹⁶ мкТл ⁻¹ . Опорные линии также показаны для ожидаемых минимальных уровней рабочего шума многополюсной ловушки (штриховая синяя линия) и нагрузочной ловушки (черная пунктирная линия) (без эффектов наложения шума гетеродина для линии многополюсной ловушки). Столбики погрешностей представляют 68% доверительные интервалы.

Расширенные данные Рис. 6 Зависимость дробной частоты от величины сигнала в нагрузочной ловушке.

Размер сигнала — это количество отсчетов ФЭУ, измеренных в центре линии, за вычетом отсчетов при отстройке на одну ширину линии, соответствующей первому минимуму на кривой линии Раби. Наклон дает оценку зависящего от числа доплеровского сдвига второго порядка при работе в нагрузочной ловушке. Для ориентира соответствующий сдвиг в мультипольной ловушке был бы в 10–20 раз меньше.

Расширенные данные Рис. 7. Остатки от подгонки к частоте в зависимости от размера сигнала.

Остатки теперь отображаются в зависимости от температуры в загрузочной ловушке. Линейная аппроксимация дает общую температурную чувствительность −2,3(1,1) × 10 ⁻¹⁵ °C ⁻¹ .

Расширенные данные Рис. 8 Данные о температуре.

Температурные данные для 52-дневного набора данных, описанного в основном тексте. a , Долгосрочное изменение температуры в нагрузочной ловушке в течение 52 дней коррелирует с изменениями угла бета-излучения Солнца. b , 5-дневная подгруппа, показывающая 24-часовые колебания температуры. c , 1-дневный подмножество, показывающее изменение орбитальной температуры.

Расширенные данные Рис. 9 Выделение газовых примесей.

Частотные данные с удаленным температурным эффектом (черные точки) и совмещенными с прямой линией (синяя линия), чтобы установить ограничение 4,6 × 10 ⁻¹⁶ в день на сдвиги частоты из-за выделения газовых примесей в часовая вакуумная камера.

Расширенные данные Рис. 10 Прохождение через SAA.

Общее количество PMT в 8,1-секундных частях каждого тактового цикла как функция времени, показывающее избыточное количество из-за прохождения через SAA. Каждый пассаж длится примерно 20 минут, как показано в расширенном виде (врезка). Различная пиковая амплитуда связана с прецессией орбиты космического корабля, которая меняет траекторию космического корабля в SAA и из него в ежедневной временной шкале.

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Сравнение навигации в дальнем космосе с использованием оптических изображений, отслеживания времени прибытия пульсаров и/или радиометрического отслеживания

  • Тодд Эли
  • Шьям Бхаскаран
  • Томас Мартин-Мур

  Журнал астронавтических наук (2022)

• Усовершенствованный космический рубидиевый стандарт атомной частоты для спутниковой навигации

  • Теджеш Н. Банди
  • Н. М. Десаи
  • К. С. Парих

  Решения GPS (2022)

• Захваченные ионные атомные часы в космосе

  • Юлия Джорджеску

  Nature Reviews Physics (2021)

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

атомных часов

атомных часов