Цезиевые часы: Как это устроено: атомные часы / Хабр |

Содержание

Миниатюрные цезиевые атомные часы чип-фактора Quantum™ SA.45s CSAC

(0,90 Мб)Описание атомных часов Quantum™ SA.45s CSAC (ENG)

(1,55 Мб)Инструкция Quantum™ SA.45s CSAC (ENG)

В 2011 году компания Symmetricom выпускает миниатюрные цезиевые атомные часы Quantum™ SA.45s CSAC размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населенности. До сих пор непревзойденное сочетание передовых достижений компании Symmetricom дает ей возможность лидировать в этом сегменте — такие легкие, миниатюрные, экономичные и точные цезиевые атомные часы для портативных приложений предлагает только компания Symmetricom!

Атомные часы Quantum™ SA.45s CSAC с точностью ±5.0E-11 и низким энергопотреблением делают SA.45s идеальным решением для задач, где требуется портативность, миниатюризация и точная синхронизация с хранением времени, особенно в среде, где недоступна синхронизация от спутников ГЛОНАСС и GPS. Цезиевый генератор, используемый в Quantum SA.45s CSAC, имеет двойное магнитное экранирование, герметичный корпус, электронные компоненты на одной многослойной печатной плате. Встроенный GPS приемник обеспечивает прием опорного сигнала синхронизации, для полноценной работы после захвата спутников достаточно иметь в зоне видимости всего один спутник.

Ключевые особенности:
— потребляемая мощность — объем 16,5 см3 , габариты 4,06 x 3,53 x 1,14 см,
— вес 35 грамм,
— старение — выход 10 МГц, меандр, формат CMOS 0 – 3.3 В,
— выход 1 PPS, формат CMOS 0 – 3.3 В,
— вход 1 PPS для синхронизации,
— герметичный корпус,
— интерфейс RS-232 для управления и мониторинга,
— режим сверхмалого,
— энергопотребления – менее 100 мВт,
— краткосрочная стабильность (Девиация Аллана) 2.5E-10@ TAU = 1 сек.

На два порядка лучшая точность, чем у осциллятора OCXOs и на 4 порядка лучшая точность, чем у осцилляторов TCXOs открывает новые, широчайшие возможности для использования Quantum™ SA. 45s CSAC:
— подводные сенсоры для сейсмических исследований и нужд газовой и нефтяной промышленности,
— GPS и ГЛОНАСС приемники,
— переносные радиостанции,
— системы радиоглушения самодельных взрывных устройств,
— автономная сеть сенсоров,
— Беспилотные транспортные средства.

Цезиевые атомные часы чип-фактора Quantum™ SA.45s CSAC доступны в следующих версиях:
— опция 001, раб.темп. -10°C … +70°C вых. частота 10 МГц,
ADEV = 2.5E-10 (tau = 1 сек),
— опция 002, раб.темп. -40°C … +85°C вых. частота 10 МГц,
ADEV = 2.5E-10 (tau=1 сек),
— опция 003, раб.темп. -10°C … +70°C вых. частота 16.384 МГц,
ADEV = 2.5E-10 (tau = 1 сек),
— опция 004, раб.темп. -10°C … +70°C вых. частота 10.24 МГц,
ADEV = 2.5E-10 (tau = 1 сек),
— опция 006, раб.темп. -10°C … +70°C вых. частота 5 МГц,
ADEV = 2.5E-10 (tau = 1 сек),
— набор CSAC для разработчиков, номер заказа 990-00123-000.

Техника: Наука и техника: Lenta.ru

Прогресс не стоит на месте ─ совсем недавно в США были созданы высокоточные атомные часы, которые совершают ошибку в одну секунду за 300 миллионов лет. Эти часы, заменившие старую модель, которая допускала ошибку в одну секунду за сто миллионов лет, теперь задают стандарт американского гражданского времени. «Лента.ру» решила вспомнить историю создания атомных часов.

Первый атом

Для того чтобы создать часы, достаточно использовать любой периодический процесс. И история появления приборов измерения времени ─ это отчасти история появления либо новых источников энергии, либо новых колебательных систем, используемых в часах. Самыми простыми часами являются, вероятно, солнечные: для их работы необходимо только Солнце и предмет, который отбрасывает тень. Недостатки этого способа определения времени очевидны. Водяные и песочные часы тоже не лучше: они пригодны лишь для измерения сравнительно коротких промежутков времени.

Самые древние механические часы были найдены в 1901 году рядом с островом Антикитера на затонувшем корабле в Эгейском море. Они содержат около 30 бронзовых шестерен в деревянном корпусе размером 33 на 18 на 10 сантиметров и датируются примерно сотым годом до нашей эры.

Фрагмент антикитерского механизма

Фото: Marsyas / Wikipedia.org

В течение почти двух тысяч лет механические часы были самыми точными и надежными. Появление в 1657 году классического труда Христиана Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica») с описанием устройства отсчета времени с маятником в качестве колебательной системы, стало, вероятно, апогеем в истории развития механических приборов такого типа.

Однако астрономы и мореплаватели все равно использовали звездное небо и карты для определения своего местоположения и точного времени. Первые же электрические часы изобрел в 1814 году Фрэнсис Роналдс. Однако первый такой прибор был неточным из-за чувствительности к изменениям температуры.

Дальнейшая история часов связана с использованием в устройствах разных колебательных систем. Представленные в 1927 году сотрудниками Лабораторий Белла кварцевые часы использовали пьезоэлектрические свойства кристалла кварца: при воздействии на него электрического тока кристалл начинает сжиматься. Современные кварцевые хронометры могут обеспечить точность до 0,3 секунды в месяц. Однако, поскольку кварц подвержен старению, с течением времени часы начинают идти с меньшей точностью.

С развитием атомной физики ученые предложили использовать в качестве колебательных систем именно частицы вещества. Так появились первые атомные часы. Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик лорд Кельвин, однако только к середине XX века это стало возможным.

Лорд Кельвин, предложивший идею атомных часов

Репродукция картины Губерта фон Геркомера (1907)

В 1930-х годах американский физик и первооткрыватель ядерного магнитного резонанса Исидор Раби начал работать над атомными часами с цезием-133, однако начало войны помешало ему. Уже после войны в 1949 году в Национальном комитете стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы первые молекулярные часы, использующие молекулы аммиака. Но первые такие приборы измерения времени не были точными, как современные атомные часы.

Относительно малая точность была связана с тем, что из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Этот эффект очень похож на трение в механических часах.

Позднее, в 1955 году, Луи Эсссен из Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные часы на цезии-133. Эти часы накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет. Прибор получил название NBS-1 и стал считаться цезиевым эталоном частоты.

Изобретатель Гарольд Лайонс (справа) с первыми молекулярными часами (1949 год)

Фото: www.nist.gov

Принципиальная схема атомных часов состоит из кварцевого генератора, контролируемого дискриминатором по схеме обратной связи. В генераторе используются пьезоэлектрические свойства кварца, тогда как в дискриминаторе происходят энергетические колебания атомов, так что колебания кварца отслеживаются сигналами от переходов с разных энергетических уровней в атомах или молекулах. Между генератором и дискриминатором находится компенсатор, настроенный на частоту атомных колебаний и сравнивающий ее с частотой колебаний кристалла.

Атомы, используемые в часах, должны обеспечивать стабильные колебания. Для каждой частоты электромагнитного излучения существуют свои атомы: кальция, стронция, рубидия, цезия, водорода. Или даже молекулы аммиака и йода.

Эталон времени

С появлением атомных приборов измерения времени стало возможным использовать их в качестве универсального эталона для определения секунды. С 1884 года Гринвичское время, считавшееся мировым стандартом, уступило место эталону атомных часов. В 1967 году решением 12-й Генеральной конференции мер и весов одну секунду определили как продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Такое определение секунды не зависит от астрономических параметров и может воспроизводиться в любой точке планеты. Цезий-133, используемый в эталоне атомных часов, ─ единственный стабильный изотоп цезия со 100-процентной распространенностью на Земле.

Точность атомных часов увеличивается (по данным Национального института стандартов и технологий США)

Фото: www.nist.gov

Атомные часы используются и в спутниковой системе навигации; они необходимы для определения точного времени и координат спутника. Так, в каждом спутнике системы GPS установлены по четыре комплекта таких часов: два рубидиевых и два цезиевых, которые обеспечивают точность передачи сигнала в 50 наносекунд. На российских спутниках системы ГЛОНАСС тоже установлены цезиевые и рубидиевые атомные приборы измерения времени, а на спутниках разворачивающейся европейской геопозиционной системы Galileo ─ водородные и рубидиевые.

Точность водородных часов ─ самая высокая. Она составляет 0,45 наносекунды за 12 часов. По всей видимости, использование Galileo таких точных часов выведет эту навигационную систему в лидеры уже в 2015 году, когда на орбите будет 18 ее спутников.

Компактные атомные часы

Hewlett-Packard стала первой компанией, которая занялась разработкой компактных атомных часов. В 1964 году ею был создан цезиевый прибор HP 5060A размером с большой чемодан. Компания и дальше развивала это направление, но с 2005 года продала свое подразделение, разрабатывающее атомные часы, компании Symmetricom.

Цезиевые часы HP 5060A

Фото: www.leapsecond.com

В 2011 году специалисты Лаборатории Дрейпера и Сандийских национальных лабораторий разработали, а компания Symmetricom выпустила первые миниатюрные атомные часы Quantum. На момент выпуска они стоили порядка 15 тысяч долларов, были заключены в герметичный корпус размером 40 на 35 на 11 миллиметров и весили 35 граммов. Потребляемая мощность часов составляла менее 120 милливатт. Первоначально они были разработаны по заказу Пентагона и предназначались для обслуживания навигационных систем, функционирующих независимо от систем GPS, например, глубоко под водой или землей.

Уже в конце 2013 года американская компания Bathys Hawaii представила первые «наручные» атомные часы. В качестве основного компонента в них используется чип SA.45s производства компании Symmetricom. Внутри чипа располагается капсула с цезием-133. В конструкцию часов также входят фотоэлементы и маломощный лазер. Последний обеспечивает нагревание газообразного цезия, в результате чего его атомы начинают переходить с одного энергетического уровня на другой. Измерение времени как раз и производится за счет фиксирования такого перехода. Стоимость нового прибора составляет около 12 тысяч долларов.

Наручные атомные часы

Фото: Bathys Hawaii Watch Co.

Тенденции к миниатюризации, автономности и точности приведут к тому, что уже в недалеком будущем появятся новые устройства с использованием атомных часов во всех сферах человеческой жизни, начиная с космических исследований на орбитальных спутниках и станциях до бытового применениях в комнатных и наручных системах.

Цезиевые часы

Перспективная синхронизация

Точная сетевая синхронизация стала более важной, чем когда-либо. По мере того, как все больше людей получают доступ к голосовым, видео- и игровым приложениям в режиме реального времени с помощью мобильных устройств, с бурным ростом IoT и технологиями 5G не за горами, соблюдение все более строгих требований к времени становится критически важным. Высокоточная синхронизация также необходима в таких разнообразных областях, как метрология, оборонные системы и космические технологии. Таким образом, в то время как магнитные цезиевые атомные часы хорошо служат нашей отрасли уже более 50 лет, последние инновации в технологии цезиевых атомных часов позволят нашей линейке цезиевых часов Oscilloquartz пойти дальше, чем когда-либо прежде, и удовлетворить самые строгие будущие требования коммерческого, военное и космическое применение.

Чем отличаются наши цезиевые часы?

Удовлетворение точных характеристик синхронизации требует реализации основного эталонного тактового генератора, который постоянно генерирует сигналы, а также имеет очень высокую стабильность частоты. Наши цезиевые часы достигают этого и даже большего. Благодаря нашей технологии сетевые операторы могут положиться на источник частоты, который обеспечивает более высокий уровень точности, чем требуется, в течение всего срока службы. Наши цезиевые блоки повышают общую производительность сети и предотвращают распространение ошибок синхронизации восходящего потока по всей сети. Идеально подходящие для обеспечения точности синхронизации в сегодняшних и будущих приложениях, они обеспечивают превосходную производительность в широком диапазоне температур и уникальный набор рабочих функций, включая значительно улучшенную и простую интеграцию в промышленные, профессиональные и хост-системы времени и частоты.

Следующий шаг

Благодаря технологии, гарантирующей феноменальную точность, уровни производительности, превышающие ITU-T G.811/Stratum 1 PRC, долговечной 10-летней цезиевой трубке и чрезвычайно компактному размеру, наши цезиевые часы в самом верху класса. Поставщики коммуникационных услуг ценят стандартные интерфейсы SNMP для беспрепятственного сквозного контроля из своих зонтичных систем управления. Эта технология доказала свою превосходную производительность и надежность во многих приложениях, включая критически важные. Теперь он должен пойти дальше, чем когда-либо прежде, чтобы соответствовать еще более строгим требованиям завтрашнего дня. С нашими инновационными оптическими цезиевыми атомными часами мы переходим на новый уровень стабильности и долговечности.

Серия OSA 3230

Телекоммуникационные сети следующего поколения, такие как сети радиодоступа для мобильной связи, требуют нового уровня точности синхронизации. Они требуют феноменально точной и стабильной синхронизации в любое время…

Учить больше

OSA 3350 ePRC+

В истории своевременной и частотной доставки начинается новая эра. Уровней точности, которые до сих пор считались достаточными для инфраструктуры синхронизации, уже недостаточно. Существующие технологии синхронизации просто не могут обеспечить точность …

Учить больше

OSA 3300

Лучшее — враг хорошего. Хотя технология магнитного цезия хорошо служила нам в последние десятилетия, уже давно назрела необходимость революционных инноваций, которые могут соответствовать новым требованиям к точности и стабильности. С индустриализацией технологии оптической накачки…

Учить больше

ЦЕЗИЕВЫЕ АТОМНЫЕ ЧАСЫ

Атомы цезия в действии

«…пока часы не изнашиваются во время еды.»

Джон Драйден (1631–1701)

Цезиевые атомные часы 1955 года в Национальной физической лаборатории, Великобритания. Он держал время до
второй за 300 лет.

«Цезиевые (лучевые) атомные часы» (или «частота цезиевого луча»).
стандарт») — это устройство, которое использует в качестве эталона точную частоту
микроволновая спектральная линия, излучаемая атомами металлического элемента
цезий, в частности его изотоп с атомным весом 133 («Cs-133»).
интеграл частоты есть время, поэтому эта частота, 9 192 631 770 герц
(Гц = циклы в секунду) обеспечивает основную единицу времени, которая может
таким образом, измеряется цезиевыми часами.

Сегодня цезиевые часы измеряют частоту с точностью от 2
до 3 частей по 10 до 14-й, т.е. 0,0002 Гц; это соответствует времени
точность измерения 2 наносекунды в сутки или одна секунда из 1 400 000
годы. Это наиболее точное воплощение единицы измерения, которое есть у человечества.
все же достигнуто. Цезиевые часы работают, подвергая атомы цезия
микроволны до тех пор, пока они не начнут вибрировать на одной из своих резонансных частот и
затем подсчитывая соответствующие циклы как меру времени.
вовлеченная частота — это энергия, поглощаемая от падающего
фотоны, когда они возбуждают самый внешний электрон в атоме цезия, чтобы совершить прыжок
(«переход») с более низкой на более высокую орбиту.

Согласно квант.
теории, атомы могут существовать только в определенной дискретной («квантованной») энергии
состояний в зависимости от того, какие орбиты вокруг их ядер занимают их
электроны. Возможны разные переходы; рассматриваемые относятся
к изменению уровня энергии спина электрона и ядра («сверхтонкого»)
низшего набора орбит, называемого «основным состоянием». Цезий – это
лучший выбор атома для такого измерения, потому что все его 55
электроны, но самые внешние ограничены орбитами в стабильных оболочках
электромагнитная сила. Таким образом, внешний электрон не возмущается.
многое другими. Атомы цезия находятся в очень хорошем вакууме
около 10 триллионных долей атмосферы, так что атомы цезия
мало подвержен влиянию других частиц. Все это означает, что они излучают в
узкая спектральная линия, длина волны или частота которой могут быть точно
определенный.

Виды цезиевых часов

Цезиевые часы бывают двух основных видов: «лабораторные (или первичные)
стандартный» размером с железнодорожную платформу и «коммерческий (или
средний) стандартный» размером с чемодан. Лишь немногие
существуют лабораторные стандарты; они используются в исследовательских лабораториях для частоты
измерения высочайшей точности. Примером может служить стандарт NIST-7.
в
Национальный институт стандартов и технологий в Боулдере, Колорадо.
Коммерческие стандарты, производимые промышленным способом, дешевле, но
по-прежнему обеспечивают современное измерение точного времени и времени
интервал. Центр синхронизации, обслуживающий ансамбль таких часов, может
усреднить их показания для получения «средней временной шкалы» для научных и
общественное использование.

В Военно-морской обсерватории США работает около 70 таких цезиевых
часы, а также другие точные часы, такие как водородные мазеры, в 18
хранилища, температура и, как правило, влажность которых тщательно контролируются
чтобы свести к минимуму возмущения окружающей среды. Время
измерения производятся приборами под названием счетчики интервалов времени что
сравните время каждых часов со временем одних «главных часов», чьи
частота регулируется так, чтобы ее время соответствовало среднему значению другого
часы. Это время является мерой атомного времени Обсерватории.
называется Всемирное координированное время (UTC). Некоторые цезиевые часы
транспортируются в удаленные места для синхронизации других часов.

Цезиевые часы USNO

Большинство цезиевых часов обсерватории — это модель HP5071A, изготовленная
Hewlett-Packard, Inc., Санта-Клара, Калифорния.
С улучшенной цезиевой трубкой и новыми сервоконтурами с микропроцессорным управлением,
5071A значительно превосходит более ранние цезиевые стандарты частоты 5061.
Морская обсерватория 5071A оснащена дополнительным высокопроизводительным цезием HP.
лучевая трубка, точность 1 часть в 10Е12, стабильность частоты 8 частей в Е-14,
и стабильность во временной области из

Принцип работы цезиевых часов

В подобных цезиевых часах жидкий цезий нагревается до газообразного состояния.
состояние в духовке. Отверстие в печи позволяет атомам улетучиваться при высоких температурах.

скорость. Эти частицы проходят между двумя электромагнитами, поле которых
заставляет атомы разделиться на два луча, в зависимости от того, какой спин
энергетическом состоянии, в котором они находятся. Те, кто находится в более низком энергетическом состоянии, проходят через
концы U-образной полости, в которой они облучаются микроволнами
с длиной волны 3,26 см.

Поглощение этих микроволн возбуждает
переходы многих атомов из низших энергий в высшие
государство. Луч проходит через другую пару электромагнитов,
поле снова делит пучок. Эти атомы в более высоком энергетическом состоянии
ударить о горячую проволоку, которая ионизирует их. После этого масс-спектрометр
выделяет из любых примесей только атомы цезия и направляет их на
электронный умножитель.

Частота микроволн регулируется
до тех пор, пока выходной ток электронного умножителя не станет максимальным, составив
измерение атомов’ резонансная частота . Эта частота
электронно разделен и используется в цепи управления с обратной связью
(«сервоконтур»), чтобы кварцевый генератор был привязан к частоте
5 мегагерц (МГц), что является фактическим выходом часов, а
с сигналом один импульс в секунду. Весь аппарат экранирован.
от внешних магнитных полей.

Первый метод точного измерения сверхтонких частот с помощью
молекулярно-пучковый резонанс был разработан И.И. Раби и его соратники
в 1937 в Колумбийском университете. Первые молекулярные часы, использующие
газообразный аммиак, был построен Х. Лайонсом в Национальном бюро стандартов.
в конце 1940-х гг. В 1955 году появились первые атомные часы, эталон цезия.
был построен Л. Эссеном и Дж.В.Л. Парри в Национальном медицинском центре
Лаборатория, Англия. Позже он был уточнен другими, в частности Н.Ф.
Рэмси и Дж. Р. Захариас.

Первая шкала времени атомных часов была создана в 1959 году доктором Уильямом.
Марковиц из Военно-морской обсерватории США, измеривший частоту цезия.
с точки зрения эфемеридного времени.

Второй

В 1967 году 13-я Генеральная ассамблея
Меры и веса впервые определили единицу измерения Международной системы (СИ).
время, секунда, в терминах атомного времени, а не движения
Земля.