ГлавнаяРазноеВикипедия атомные часы

Атомные часы. Википедия атомные часы


Атомные часы Википедия

FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10−15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет

А́томные часы́ (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) немыслимы без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов Δν/ν{\displaystyle \Delta \nu /\nu } (где Δν{\displaystyle \Delta \nu } — отклонение частоты ν{\displaystyle \nu } часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10−14—10−15, а в специальных конструкциях достигает 10−17[1], и является наилучшей среди всех существующих типов часов.[1]

Устройство часов

Схема атомных часов

Часы состоят из нескольких частей:

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило,[2] 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10−6, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δν/ν=10−7{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-7}}. С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой νo{\displaystyle \nu _{o}} постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии νa{\displaystyle \nu _{a}}, регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня Δν/ν=10−14{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-14}}.

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов[3].

Национальные центры стандартов частоты

Рост точности атомных часов за период 50 лет. NIST, США

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты[4]:

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева.

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекулы водорода, йода, метана, оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ.) — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна, в котором происходит уширение спектра до одной октавы.

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist) разработали часы, действующие на одном атоме ртути[5]. При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США[6]. Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Миниатюрные цезиевые атомные часы (2011)

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства)[7][8][9][10]. В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность — 5 · 10-11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт[11].

Примечания

  1. ↑ 1 2 Поставлен новый рекорд точности атомных часов. Membrana (5 февраля 2010). Проверено 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  2. ↑ Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. (Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — С. 121, 122. — 232 с. — 27 000 экз.)
  3. ↑ Н. Г. Басов, В. С. Летохов. Оптические стандарты частоты. // УФН. — 1968. — Т. 96, № 12.
  4. ↑ National metrology laboratories (англ.). NIST, 3 февраля 2011 г.  (Проверено 14 июня 2011)
  5. ↑ Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — American Physical Society, 4 июля 2006. — Vol. 97, no. 2. — ISSN 0031-9007. — DOI:10.1103/PhysRevLett.97.020801.
  6. ↑ М. Паймакова. Новые атомные часы отстанут на секунду через 15 миллиардов лет (рус.) // Вести.Ru. — 22 апреля 2015.
  7. ↑ Атомные часы: скоро в мобильниках. CNews (3 сентября 2004). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  8. ↑ Нанотехнологии ::
  9. ↑ Игорь Лалаянц. Атомные наручники // Знание - сила. — 2005. — № 9. — ISSN 0130-1640. Архивировано 24 июня 2008 года.
  10. ↑ Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов. Lenta.ru (18 марта 2010). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  11. ↑ CSAC — SA.45s — Chip Scale Atomic Clock — Symmetricom

Ссылки

wikiredia.ru

Атомные часы — Википедия

FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10−15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет

А́томные часы́ (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) немыслимы без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов Δν/ν{\displaystyle \Delta \nu /\nu } (где Δν{\displaystyle \Delta \nu } — отклонение частоты ν{\displaystyle \nu } часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10−14—10−15, а в специальных конструкциях достигает 10−17[1], и является наилучшей среди всех существующих типов часов.[1]

Устройство часов

Схема атомных часов

Часы состоят из нескольких частей:

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило,[2] 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10−6, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δν/ν=10−7{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-7}}. С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой νo{\displaystyle \nu _{o}} постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии νa{\displaystyle \nu _{a}}, регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня Δν/ν=10−14{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-14}}.

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов[3].

Видео по теме

Национальные центры стандартов частоты

Рост точности атомных часов за период 50 лет. NIST, США

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты[4]:

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева.

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекулы водорода, йода, метана, оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ.) — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна, в котором происходит уширение спектра до одной октавы.

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist) разработали часы, действующие на одном атоме ртути[5]. При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США[6]. Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Миниатюрные цезиевые атомные часы (2011)

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства)[7][8][9][10]. В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность — 5 · 10-11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт[11].

Примечания

  1. ↑ 1 2 Поставлен новый рекорд точности атомных часов. Membrana (5 февраля 2010). Проверено 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  2. ↑ Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. (Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — С. 121, 122. — 232 с. — 27 000 экз.)
  3. ↑ Н. Г. Басов, В. С. Летохов. Оптические стандарты частоты. // УФН. — 1968. — Т. 96, № 12.
  4. ↑ National metrology laboratories (англ.). NIST, 3 февраля 2011 г.  (Проверено 14 июня 2011)
  5. ↑ Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — American Physical Society, 4 июля 2006. — Vol. 97, no. 2. — ISSN 0031-9007. — DOI:10.1103/PhysRevLett.97.020801.
  6. ↑ М. Паймакова. Новые атомные часы отстанут на секунду через 15 миллиардов лет (рус.) // Вести.Ru. — 22 апреля 2015.
  7. ↑ Атомные часы: скоро в мобильниках. CNews (3 сентября 2004). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  8. ↑ Нанотехнологии ::
  9. ↑ Игорь Лалаянц. Атомные наручники // Знание - сила. — 2005. — № 9. — ISSN 0130-1640. Архивировано 24 июня 2008 года.
  10. ↑ Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов. Lenta.ru (18 марта 2010). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  11. ↑ CSAC — SA.45s — Chip Scale Atomic Clock — Symmetricom

Ссылки

wikipedia.green

Атомные часы — Википедия

Статья из Википедии — свободной энциклопедии

FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10−15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет

А́томные часы́ (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) немыслимы без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов Δν/ν{\displaystyle \Delta \nu /\nu } (где Δν{\displaystyle \Delta \nu } — отклонение частоты ν{\displaystyle \nu } часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10−14—10−15, а в специальных конструкциях достигает 10−17[1], и является наилучшей среди всех существующих типов часов.[1]

Устройство часов

Схема атомных часов

Часы состоят из нескольких частей:

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило,[2] 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10−6, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δν/ν=10−7{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-7}}. С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой νo{\displaystyle \nu _{o}} постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии νa{\displaystyle \nu _{a}}, регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня Δν/ν=10−14{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-14}}.

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов[3].

Национальные центры стандартов частоты

Рост точности атомных часов за период 50 лет. NIST, США

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты[4]:

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева.

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекулы водорода, йода, метана, оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ.) — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна, в котором происходит уширение спектра до одной октавы.

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist) разработали часы, действующие на одном атоме ртути[5]. При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США[6]. Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Миниатюрные цезиевые атомные часы (2011)

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства)[7][8][9][10]. В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность — 5 · 10-11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт[11].

Примечания

  1. ↑ 1 2 Поставлен новый рекорд точности атомных часов. Membrana (5 февраля 2010). Проверено 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  2. ↑ Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. (Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — С. 121, 122. — 232 с. — 27 000 экз.)
  3. ↑ Н. Г. Басов, В. С. Летохов. Оптические стандарты частоты. // УФН. — 1968. — Т. 96, № 12.
  4. ↑ National metrology laboratories (англ.). NIST, 3 февраля 2011 г.  (Проверено 14 июня 2011)
  5. ↑ Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — American Physical Society, 4 июля 2006. — Vol. 97, no. 2. — ISSN 0031-9007. — DOI:10.1103/PhysRevLett.97.020801.
  6. ↑ М. Паймакова. Новые атомные часы отстанут на секунду через 15 миллиардов лет (рус.) // Вести.Ru. — 22 апреля 2015.
  7. ↑ Атомные часы: скоро в мобильниках. CNews (3 сентября 2004). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  8. ↑ Нанотехнологии ::
  9. ↑ Игорь Лалаянц. Атомные наручники // Знание - сила. — 2005. — № 9. — ISSN 0130-1640. Архивировано 24 июня 2008 года.
  10. ↑ Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов. Lenta.ru (18 марта 2010). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  11. ↑ CSAC — SA.45s — Chip Scale Atomic Clock — Symmetricom

Ссылки

wiki.sc

Атомные часы — Википедия

FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10−15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет

А́томные часы́ (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) немыслимы без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов Δν/ν{\displaystyle \Delta \nu /\nu } (где Δν{\displaystyle \Delta \nu } — отклонение частоты ν{\displaystyle \nu } часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10−14—10−15, а в специальных конструкциях достигает 10−17[1], и является наилучшей среди всех существующих типов часов.[1]

Устройство часов

Схема атомных часов

Часы состоят из нескольких частей:

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило,[2] 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10−6, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δν/ν=10−7{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-7}}. С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой νo{\displaystyle \nu _{o}} постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии νa{\displaystyle \nu _{a}}, регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня Δν/ν=10−14{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-14}}.

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов[3].

Видео по теме

Национальные центры стандартов частоты

Рост точности атомных часов за период 50 лет. NIST, США

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты[4]:

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева.

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекулы водорода, йода, метана, оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ.) — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна, в котором происходит уширение спектра до одной октавы.

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist) разработали часы, действующие на одном атоме ртути[5]. При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США[6]. Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Миниатюрные цезиевые атомные часы (2011)

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства)[7][8][9][10]. В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность — 5 · 10-11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт[11].

Примечания

  1. ↑ 1 2 Поставлен новый рекорд точности атомных часов. Membrana (5 февраля 2010). Проверено 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  2. ↑ Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. (Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — С. 121, 122. — 232 с. — 27 000 экз.)
  3. ↑ Н. Г. Басов, В. С. Летохов. Оптические стандарты частоты. // УФН. — 1968. — Т. 96, № 12.
  4. ↑ National metrology laboratories (англ.). NIST, 3 февраля 2011 г.  (Проверено 14 июня 2011)
  5. ↑ Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — American Physical Society, 4 июля 2006. — Vol. 97, no. 2. — ISSN 0031-9007. — DOI:10.1103/PhysRevLett.97.020801.
  6. ↑ М. Паймакова. Новые атомные часы отстанут на секунду через 15 миллиардов лет (рус.) // Вести.Ru. — 22 апреля 2015.
  7. ↑ Атомные часы: скоро в мобильниках. CNews (3 сентября 2004). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  8. ↑ Нанотехнологии ::
  9. ↑ Игорь Лалаянц. Атомные наручники // Знание - сила. — 2005. — № 9. — ISSN 0130-1640. Архивировано 24 июня 2008 года.
  10. ↑ Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов. Lenta.ru (18 марта 2010). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  11. ↑ CSAC — SA.45s — Chip Scale Atomic Clock — Symmetricom

Ссылки

www.wikipedia.green

Атомные часы — WiKi

FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10−15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет

А́томные часы́ (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) немыслимы без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов Δν/ν{\displaystyle \Delta \nu /\nu } (где Δν{\displaystyle \Delta \nu } — отклонение частоты ν{\displaystyle \nu } часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10−14—10−15, а в специальных конструкциях достигает 10−17[1], и является наилучшей среди всех существующих типов часов.[1]

Устройство часов

  Схема атомных часов

Часы состоят из нескольких частей:

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило,[2] 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10−6, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δν/ν=10−7{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-7}} . С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой νo{\displaystyle \nu _{o}}  постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии νa{\displaystyle \nu _{a}} , регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня Δν/ν=10−14{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-14}} .

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов[3].

Национальные центры стандартов частоты

  Рост точности атомных часов за период 50 лет. NIST, США

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты[4]:

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева.

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекулы водорода, йода, метана, оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ.) — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна, в котором происходит уширение спектра до одной октавы.

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist) разработали часы, действующие на одном атоме ртути[5]. При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США[6]. Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

  Миниатюрные цезиевые атомные часы (2011)

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства)[7][8][9][10]. В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность — 5 · 10-11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт[11].

Примечания

  1. ↑ 1 2 Поставлен новый рекорд точности атомных часов. Membrana (5 февраля 2010). Проверено 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  2. ↑ Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. (Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — С. 121, 122. — 232 с. — 27 000 экз.)
  3. ↑ Н. Г. Басов, В. С. Летохов. Оптические стандарты частоты. // УФН. — 1968. — Т. 96, № 12.
  4. ↑ National metrology laboratories (англ.). NIST, 3 февраля 2011 г.  (Проверено 14 июня 2011)
  5. ↑ Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — American Physical Society, 4 июля 2006. — Vol. 97, no. 2. — ISSN 0031-9007. — DOI:10.1103/PhysRevLett.97.020801.
  6. ↑ М. Паймакова. Новые атомные часы отстанут на секунду через 15 миллиардов лет (рус.) // Вести.Ru. — 22 апреля 2015.
  7. ↑ Атомные часы: скоро в мобильниках. CNews (3 сентября 2004). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  8. ↑ Нанотехнологии ::
  9. ↑ Игорь Лалаянц Атомные наручники // Знание - сила. — 2005. — № 9. — ISSN 0130-1640. Архивировано 24 июня 2008 года.
  10. ↑ Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов. Lenta.ru (18 марта 2010). Проверено 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  11. ↑ CSAC — SA.45s — Chip Scale Atomic Clock — Symmetricom

Ссылки

ru-wiki.org

Атомные часы: история и современность

В прошлом, 2012 году, исполнилось сорок пять лет с того момента, когда человечество решило использовать атомное хронометрирование для максимально точного измерения времени. В 1967 году в Международной системе СИ категория времени перестала определяться астрономическими шкалами – на смену им пришел цезиевый стандарт частоты. Именно он и получил популярное нынче название – атомные часы. Точное время, которое они позволяют определить, имеет ничтожную погрешность в одну секунду за три миллиона лет, что позволяет использовать их в роли стандарта времени в любом уголке мира.

Немного истории

атомные часыСама идея использовать колебания атомов для сверхточного измерения времени впервые была высказана еще в 1879 году британским физиком Уильямом Томсоном. В роли излучателя атомов-резонаторов этот ученый предлагал применить водород. Первые попытки реализовать идею на практике предпринимались лишь в 40-х гг. двадцатого века. А первые в мире работающие атомные часы появились в 1955 году в Великобритании. Их создателем стал британский физик-экспериментатор доктор Луи Эссен. Работали эти часы на основе колебаний атомов цезия-133 и благодаря им ученые наконец смогли измерять время с намного большей точностью, чем было до этого. Первый прибор Эссена допускал погрешность не более секунды на каждые сто лет, однако впоследствии точность измерений многократно увеличилась и погрешность в секунду может набежать лишь за 2-3 сотни миллионов лет.

Атомные часы: принцип работы

атомные часы точное времяКак же работает это хитроумное «устройство»? В качестве генератора резонансной частоты атомные часы применяют энергетические уровни молекул или атомов на квантовом уровне. Квантовая механика устанавливает связь системы «атомное ядро – электроны» с несколькими дискретными энергетическими уровнями. Если на такую систему будет воздействовать электромагнитное поле со строго заданной частотой, то произойдет переход данной системы с низкого уровня на высокий. Возможен также и обратный процесс: переход атома с более высокого уровня на низкий, сопровождаемый излучением энергии. Эти явления можно контролировать и фиксировать все энергетические скачки, создав что-то вроде колебательного контура (его еще называют атомным осциллятором). Его резонансная частота будет соответствовать разности энергий соседних уровней перехода атомов, разделенной на константу Планка.

Такой колебательный контур имеет неоспоримые достоинства по сравнению со своими механическими и астрономическими предшественниками. Для одного такого атомного осциллятора резонансная частота атомов какого-либо вещества будет одинакова, чего нельзя сказать о маятниках и пьезокристаллах. К тому же, атомы не меняют со временем своих свойств и не изнашиваются. Поэтому атомные часы являются чрезвычайно точным и практически вечным хронометром.

Точное время и современные технологии

точное время синхронизацияТелекоммуникационные сети, спутниковая связь, GPS, NTP-сервера, электронные транзакции на бирже, интернет-аукционы, процедура покупки билетов через интернет – все эти и многие другие явления давно уже прочно вошли в нашу жизнь. А ведь если бы человечество не изобрело атомные часы, всего бы этого попросту не было. Точное время, синхронизация с которым позволяет свести к минимуму любые ошибки, задержки и опоздания, дает возможность человеку максимально полно использовать этот бесценный невосполнимый ресурс, которого никогда не бывает слишком много.

fb.ru

Атомные часы Википедия

FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10−15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет

А́томные часы́ (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) немыслимы без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов Δν/ν{\displaystyle \Delta \nu /\nu } (где Δν{\displaystyle \Delta \nu } — отклонение частоты ν{\displaystyle \nu } часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10−14—10−15, а в специальных конструкциях достигает 10−17[1], и является наилучшей среди всех существующих типов часов.[1]

Устройство часов[ | код]

Схема атомных часов

Часы состоят из нескольких частей:

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило,[2] 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10−6, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δν/ν=10−7{\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-7}}. С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой νo{\displaystyl

ru-wiki.ru

Читайте также
  • Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
    Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
  • Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
    Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
  • Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
    Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
  • Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
    Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
  • Найден источник водородных газов для нашей Галактики
    Найден источник водородных газов для нашей Галактики