For det første bruger menneskeheden ure som et middel til program-tidsstyring.
For det andet er måling af tid i dag den mest nøjagtige type måling af alle: Nøjagtigheden af tidsmåling er nu bestemt af en utrolig fejl i størrelsesordenen 1·10-11%, eller 1 s om 300 tusind år.
Og vi opnåede en sådan nøjagtighed moderne mennesker da de begyndte at bruge atomer, som som følge af deres svingninger er regulatoren af atomuret. Cæsiumatomer er i to energitilstande, vi har brug for (+) og (-). Elektromagnetisk stråling med en frekvens på 9.192.631.770 hertz produceres, når atomer skifter fra (+) tilstand til (-) tilstand, hvilket skaber en præcis, konstant periodisk proces - regulatoren af atomurets kode.
For at atomur arbejdet præcist, skal cæsium fordampes i en ovn, som et resultat af denne proces frigives dets atomer. Bag ovnen er der en sorteringsmagnet som har gennemløb atomer i (+) tilstanden, og i den, på grund af bestråling i et mikrobølgefelt, går atomerne over i (-) tilstanden. Den anden magnet leder de atomer, der har ændret tilstand (+) til (-) ind i den modtagende enhed. Mange atomer, der har ændret deres tilstand, opnås kun, hvis frekvensen af mikrobølgeemitteren nøjagtigt falder sammen med cæsiumvibrationsfrekvensen på 9.192.631.770 hertz. Ellers falder antallet af atomer (-) i den modtagende enhed.
Enhederne overvåger og regulerer konstant den konstante frekvens på 9.192.631.770 hertz. Det betyder, at urdesignernes drøm er gået i opfyldelse, en absolut konstant periodisk proces er fundet: en frekvens på 9.192.631.770 hertz, som regulerer atomures forløb.
I dag, som et resultat af international aftale, defineres en anden som strålingsperioden ganget med 9.192.631.770, svarende til overgangen mellem to hyperfine strukturelle niveauer af cæsiumatomets grundtilstand (isotop cæsium-133).
For at måle præcis tid kan du også bruge vibrationer af andre atomer og molekyler, såsom atomer af calcium, rubidium, cæsium, strontium, brintmolekyler, jod, metan osv. Udstrålingen fra cæsiumatomet genkendes dog som frekvensen standard. For at sammenligne vibrationerne fra forskellige atomer med en standard (cæsium) blev der skabt en titanium-safirlaser, der genererer en bred vifte af frekvenser i området fra 400 til 1000 nm.
Den første skaber af kvarts og atomure var en engelsk eksperimentel fysiker Essen Lewis (1908-1997). I 1955 skabte han den første standard for atomfrekvens (tid) ved hjælp af en stråle af cæsiumatomer. Som et resultat af dette arbejde opstod 3 år senere (1958) en tidstjeneste baseret på atomfrekvensstandarden.
I USSR fremlagde akademiker Nikolai Gennadievich Basov sine ideer til at skabe et atomur.
Så, atomur, en af nøjagtige typer ur - en enhed til måling af tid, hvor der bruges et pendul naturlige vibrationer atomer eller molekyler. Stabiliteten af atomure er den bedste blandt alle eksisterende typer ure, hvilket er nøglen til den højeste nøjagtighed. Atomurgeneratoren producerer mere end 32.768 impulser i sekundet, i modsætning til konventionelle ure. Atomiske vibrationer afhænger ikke af lufttemperatur, vibrationer, fugt og mange andre eksterne faktorer.
I moderne verden, når navigation simpelthen er umuligt, er atomure blevet uundværlige assistenter. De er i stand til automatisk at bestemme placeringen af et rumskib, satellit, ballistisk missil, fly, ubåd, bil via satellitkommunikation.
Således er atomure, eller rettere cæsiumure, i de sidste 50 år blevet betragtet som de mest nøjagtige. De har længe været brugt af tidstjenester, og tidssignaler udsendes også af nogle radiostationer.
Atomuret indeholder 3 dele: 
kvantediskriminator,
kvarts oscillator,
elektronik kompleks.
Kvartsoscillatoren genererer en frekvens (5 eller 10 MHz). Oscillatoren er en RC-radiogenerator, som bruger piezoelektriske tilstande af en kvartskrystal som et resonanselement, hvor atomer, der har ændret tilstand (+) til (-), sammenlignes. For at øge stabiliteten sammenlignes dens frekvens konstant med svingningerne af en kvantediskriminator (atomer eller molekyler). Når der opstår en svingningsforskel, justerer elektronikken frekvensen af kvartsoscillatoren til nul og øger derved urets stabilitet og nøjagtighed til det ønskede niveau.
I den moderne verden kan atomure fremstilles i ethvert land i verden til brug i Hverdagen. De er meget små i størrelsen og smukke. Størrelsen af det seneste nye atomur er ikke mere end tændstikæske og deres lave strømforbrug - mindre end 1 Watt. Og det er ikke grænsen, måske i fremtiden tekniske fremskridt vil nå mobiltelefoner. I mellemtiden er kompakte atomure kun installeret på strategiske missiler for at øge navigationsnøjagtigheden mange gange.
I dag kan man købe atomure til mænd og kvinder for enhver smag og pengepung i netbutikker.
I 2011 blev verdens mindste atomur skabt af specialister fra Symmetricom og Sandia National Laboratories. Dette ur er 100 gange mere kompakt end tidligere kommercielt tilgængelige versioner. Størrelsen af et atomkronometer er ikke større end en tændstikæske. For at fungere har den kun brug for 100 mW strøm - det er 100 gange mindre sammenlignet med sine forgængere.
Det var muligt at reducere størrelsen af uret ved at installere en mekanisme i stedet for fjedre og gear, der fungerede efter princippet om at bestemme frekvensen elektromagnetiske bølger, udsendt af cæsiumatomer under påvirkning af en laserstråle med ubetydelig kraft.
Sådanne ure bruges i navigation såvel som i arbejdet med minearbejdere, dykkere, hvor det er nødvendigt at synkronisere tid nøjagtigt med kolleger på overfladen, såvel som præcise tidstjenester, fordi fejlen i atomure er mindre end 0,000001 fraktioner et sekund om dagen. Omkostningerne til det rekordlille atomur Symmetricom var omkring $1.500.
I det 21. århundrede udvikler satellitnavigation sig i et hastigt tempo. Du kan bestemme positionen af ethvert objekt, der på en eller anden måde er forbundet med satellitter, det være sig mobiltelefon, bil eller rumskib. Men intet af dette kunne opnås uden atomure.
Disse ure bruges også i forskellige telekommunikationer, såsom mobilkommunikation. Dette er det mest nøjagtige ur, der nogensinde har været, er og vil blive. Uden dem ville internettet ikke være synkroniseret, vi ville ikke kende afstanden til andre planeter og stjerner osv.
I timer tages der 9.192.631.770 perioder i sekundet elektromagnetisk stråling, som opstod under overgangen mellem to energiniveauer af cæsium-133-atomet. Sådanne ure kaldes cæsiumure. Men dette er kun en af tre typer atomure. Der er også brint og rubidium ure. Cæsiumure bruges dog oftest, så vi vil ikke dvæle ved andre typer.
Funktionsprincip for et cæsium atomur
Laseren opvarmer cæsiumisotopens atomer og på dette tidspunkt registrerer den indbyggede resonator alle overgange af atomerne. Og som tidligere nævnt, efter at have nået 9.192.631.770 overgange, tælles et sekund.
En laser indbygget i urkassen opvarmer atomerne i cæsiumisotopen. På dette tidspunkt registrerer resonatoren antallet af overgange af atomer til et nyt energiniveau. Når en bestemt frekvens er nået, nemlig 9.192.631.770 overgange (Hz), tælles den anden baseret på det internationale SI-system.
Brug i satellitnavigation
Definitionsproces nøjagtige placering Det er meget vanskeligt at identificere et eller andet objekt ved hjælp af en satellit. Flere satellitter er involveret i dette, nemlig mere end 4 per modtager (f.eks. en GPS-navigator i en bil).
Hver satellit indeholder et atomur med høj præcision, en satellitradiosender og en digital kodegenerator. Radiosenderen sender en digital kode og information om satellitten til Jorden, nemlig orbitalparametre, model mv.
Uret bestemmer, hvor lang tid det tog for denne kode at nå frem til modtageren. Ved at kende radiobølgernes udbredelseshastighed beregnes afstanden til modtageren på Jorden. Men én satellit er ikke nok til dette. Moderne GPS-modtagere kan modtage signaler fra 12 satellitter samtidigt, hvilket giver dig mulighed for at bestemme placeringen af et objekt med en nøjagtighed på op til 4 meter. Det er i øvrigt værd at bemærke, at GPS-navigatorer ikke kræver et abonnementsgebyr.
ArkivartiklerHvilke "urmagere" fandt på og forbedrede dette ekstremt præcis mekanisme? Er der en erstatning for ham? Lad os prøve at finde ud af det.
I 2012 vil atomtidtagning fejre sit 45-års jubilæum. I 1967 begyndte kategorien af tid i det internationale system af enheder ikke at blive bestemt af astronomiske skalaer, men af cæsiumfrekvensstandarden. Det er, hvad almindelige mennesker kalder atomuret.
Hvad er funktionsprincippet for atomoscillatorer? Disse "enheder" bruger kvanteenerginiveauer af atomer eller molekyler som en kilde til resonansfrekvens. Kvantemekanik forbinder med systemet atomkerne- elektroner" flere diskrete energiniveauer. Et elektromagnetisk felt af en bestemt frekvens kan fremkalde en overgang af dette system fra lavt niveau til en højere. Det modsatte fænomen er også muligt: Et atom kan bevæge sig fra et højt energiniveau til et lavere ved at udsende energi. Begge fænomener kan kontrolleres, og disse energimellemniveauspring kan registreres, hvorved der skabes en lighed oscillerende kredsløb. Resonansfrekvensen af dette kredsløb vil være lig med energiforskellen mellem de to overgangsniveauer divideret med Plancks konstant.
Den resulterende atomoscillator har utvivlsomme fordele i forhold til sine astronomiske og mekaniske forgængere. Resonansfrekvensen af alle atomer i det stof, der er valgt til oscillatoren, vil i modsætning til penduler og piezokrystaller være den samme. Derudover slides atomer ikke eller ændrer deres egenskaber over tid. Perfekt mulighed for et stort set evigt og ekstremt præcist kronometer.
For første gang blev muligheden for at bruge interlevel-energiovergange i atomer som en frekvensstandard overvejet tilbage i 1879 af den britiske fysiker William Thomson, bedre kendt som Lord Kelvin. Han foreslog at bruge brint som en kilde til resonatoratomer. Men hans forskning var mere sandsynlig teoretisk karakter. Videnskaben på det tidspunkt var endnu ikke klar til at udvikle et atomkronometer.
Det tog næsten hundrede år for Lord Kelvins idé at blive realiseret. Det var lang tid, men opgaven var ikke let. At omdanne atomer til ideelle penduler viste sig at være vanskeligere i praksis end i teorien. Vanskeligheden lå i kampen med den såkaldte resonansbredde - en lille udsving i frekvensen af absorption og udsendelse af energi, når atomer bevæger sig fra niveau til niveau. Forholdet mellem resonansfrekvensen og resonansbredden bestemmer kvaliteten af atomoscillatoren. Selvfølgelig, hvad mere værdi resonansbredde, jo lavere kvalitet atompendul. Desværre øges resonansfrekvens at forbedre kvaliteten er ikke muligt. Den er konstant for atomerne i hvert enkelt stof. Men resonansbredden kan reduceres ved at øge observationstiden for atomer.
Teknisk kan dette opnås på følgende måde: Lad en ekstern, for eksempel kvarts, oscillator periodisk generere elektromagnetisk stråling, hvilket får donorstoffets atomer til at hoppe over energiniveauer. I dette tilfælde er opgaven for den atomare kronograftuner at bringe frekvensen af denne kvartsoscillator så tæt som muligt på resonansfrekvensen for atomernes interniveauovergang. Dette bliver muligt, hvis der er nok lang periode observere atomernes vibrationer og skabe feedback, der regulerer kvartsfrekvensen.
Sandt nok, ud over problemet med at reducere resonansbredden i en atomkronograf, er der en masse andre problemer. Dette er Doppler-effekten - et skift i resonansfrekvensen på grund af bevægelser af atomer og gensidige kollisioner af atomer, hvilket forårsager uplanlagte energiovergange og endda påvirkningen af den gennemtrængende energi af mørkt stof.
Prøv første gang praktisk implementering atomuret blev udført i trediverne af forrige århundrede af videnskabsmænd ved Columbia University under ledelse af fremtiden nobelpristager Dr. Isidor Rabi. Rabi foreslog at bruge cæsiumisotopen 133 Cs som en kilde til pendulatomer. Desværre blev Rabis arbejde, som i høj grad interesserede NBS, afbrudt af Anden Verdenskrig.
Efter dens færdiggørelse overgik ledelsen i implementeringen af atomkronografen til NBS-medarbejder Harold Lyons. Hans atomoscillator arbejdede på ammoniak og gav en fejl svarende til de bedste eksempler kvartsresonatorer. I 1949 blev ammoniak-atomuret demonstreret for den brede offentlighed. På trods af den ret middelmådige nøjagtighed implementerede de de grundlæggende principper for fremtidige generationer af atomkronografer.
Prototypen af et cæsium atomur opnået af Louis Essen gav en nøjagtighed på 1 * 10 -9, mens den havde en resonansbredde på kun 340 Hertz
Lidt senere, professor Harvard Universitet Norman Ramsey forbedrede Isidor Rabis ideer, hvilket reducerede indvirkningen på nøjagtigheden af målinger af Doppler-effekten. Han foreslog, i stedet for en lang højfrekvent puls, spændende atomer, at bruge to korte sendt til armene på bølgelederen i en vis afstand fra hinanden. Dette gjorde det muligt kraftigt at reducere resonansbredden og gjorde det faktisk muligt at skabe atomoscillatorer, der er en størrelsesorden overlegen i nøjagtighed i forhold til deres kvarts-forfædre.
I halvtredserne af det sidste århundrede, baseret på skemaet foreslået af Norman Ramsey, ved National Physical Laboratory (UK), arbejdede dens medarbejder Louis Essen på en atomoscillator baseret på cæsiumisotopen 133 Cs tidligere foreslået af Rabi. Cæsium blev ikke valgt tilfældigt.
Skema over hyperfine overgangsniveauer af atomer i cæsium-133 isotopen
Tilhører gruppen alkalimetaller cæsiumatomer er ekstremt let ophidsede til at hoppe mellem energiniveauer. For eksempel kan en lysstråle nemt slå ud atomare struktur cæsium elektronstrøm. Det er på grund af denne egenskab, at cæsium er meget udbredt i fotodetektorer.
Design af en klassisk cæsiumoscillator baseret på en Ramsey-bølgeleder
Første officielle cæsiumfrekvensstandard NBS-1
Efterkommer af NBS-1 - NIST-7-oscillatoren brugte laserpumpning af en stråle af cæsiumatomer
For at Essen-prototypen skulle blive en sand standard, krævede det mere end fire år. Når alt kommer til alt, var præcis justering af atomure kun mulig ved sammenligning med eksisterende efemeriske tidsenheder. I løbet af fire år blev atomoscillatoren kalibreret ved at observere Månens rotation rundt om Jorden ved hjælp af et præcisionsmånekamera opfundet af US Naval Observatorys William Markowitz.
"Justeringen" af atomure til måneephemeris blev udført fra 1955 til 1958, hvorefter enheden blev officielt anerkendt af NBS som en frekvensstandard. Desuden fik den hidtil usete nøjagtighed af cæsium-atomure NBS til at ændre tidsenheden i SI-standarden. Siden 1958 er "varigheden af 9.192.631.770 strålingsperioder svarende til overgangen mellem to hyperfine niveauer" blevet officielt vedtaget som en anden standard stand atom af isotopen cæsium-133".
Louis Essens enhed fik navnet NBS-1 og blev betragtet som den første cæsiumfrekvensstandard.
I løbet af de næste tredive år blev seks modifikationer af NBS-1 udviklet, hvoraf den seneste, NIST-7, skabt i 1993 ved at erstatte magneter med laserfælder, giver en nøjagtighed på 5 * 10 -15 med en resonansbredde på kun tres. -to Hertz.
Sammenligningstabel over karakteristika for cæsiumfrekvensstandarder, der anvendes af NBS
| Cæsium frekvens standard | Driftstid | Tid tjente som en officiel NPFS-standard | Resonansbredde | Mikrobølgelederlængde | Fejlværdi |
| NBS-1 | 1952-1962 | 1959-1960 | 300 Hz | 55 cm | 1*10 -11 |
| NBS-2 | 1959-1965 | 1960-1963 | 110 Hz | 164 cm | 8*10 -12 |
| NBS-3 | 1959-1970 | 1963-1970 | 48 Hz | 366 cm | 5*10 -13 |
| NBS-4 | 1965-1990'erne | Ingen | 130 Hz | 52,4 cm | 3*10 -13 |
| NBS-5 | 1966-1974 | 1972-1974 | 45 Hz | 374 cm | 2*10 -13 |
| NBS-6 | 1974-1993 | 1975-1993 | 26 Hz | 374 cm | 8*10 -14 |
| NBS-7 | 1988-2001 | 1993-1998 | 62 Hz | 155 cm | 5*10 -15 |
NBS-enheder er stationære standere, hvilket gør det muligt at klassificere dem som standarder frem for praktisk brugte oscillatorer. Men af rent praktiske formål arbejdede Hewlett-Packard til fordel for cæsiumfrekvensstandarden. I 1964 skabte den fremtidige computergigant en kompakt version af cæsiumfrekvensstandarden - HP 5060A-enheden.
Kalibreret ved hjælp af NBS-standarder passer HP 5060-frekvensstandarderne ind i et typisk radiorack og havde kommerciel succes. Det var takket være cæsiumfrekvensstandarden sat af Hewlett-Packard, at den hidtil usete nøjagtighed af atomure blev udbredt.
Hewlett-Packard 5060A.
Som et resultat blev sådanne ting som satellit-tv og kommunikation mulige, globale systemer navigation og tidssynkronisering af informationsnetværk. Der har været mange anvendelser for den industrialiserede atomare kronografteknologi. Samtidig stoppede Hewlett-Packard ikke der og forbedrer konstant kvaliteten af cæsiumstandarder og deres vægt og dimensioner.
Hewlett-Packard familie af atomure
I 2005 blev Hewlett-Packards atomur division solgt til Simmetricom.
Sammen med cæsium, hvis reserver i naturen er meget begrænsede, og efterspørgslen efter det i en række af teknologiske områder ekstremt stort, rubidium, hvis egenskaber er meget tæt på cæsium, blev brugt som donorstof.
Det ser ud til, at eksisterende ordning atomure er blevet bragt til perfektion. I mellemtiden havde det en irriterende ulempe, hvis eliminering blev mulig i anden generation af cæsiumfrekvensstandarder, kaldet cæsiumfontæner.
Kilder af tid og optisk melasse
På trods af højeste præcision NIST-7 atomkronometeret, som bruger laserdetektion af cæsiumatomers tilstand, er dets kredsløb ikke fundamentalt forskelligt fra kredsløbene i de første versioner af cæsiumfrekvensstandarder.
En designmæssig ulempe ved alle disse skemaer er, at det er fundamentalt umuligt at kontrollere udbredelseshastigheden af en stråle af cæsiumatomer, der bevæger sig i en bølgeleder. Og dette på trods af, at bevægelseshastigheden af cæsiumatomer kl stuetemperatur- hundrede meter i sekundet. Meget hurtigt.
Det er derfor, at alle modifikationer af cæsiumstandarder er en søgen efter en balance mellem størrelsen af bølgelederen, som har tid til at påvirke hurtige cæsiumatomer på to punkter, og nøjagtigheden af at detektere resultaterne af denne påvirkning. Jo mindre bølgelederen er, jo sværere er det at lave successive elektromagnetiske impulser, der påvirker de samme atomer.
Hvad hvis vi finder en måde at reducere hastigheden af cæsiumatomer? Det var netop denne tanke, der optog Massachusetts-studerende teknologisk Institut Jerold Zacharius, der studerede tyngdekraftens indflydelse på atomers adfærd i slutningen af fyrrerne af forrige århundrede. Senere, involveret i udviklingen af en variant af cæsiumfrekvensstandarden Atomichron, foreslog Zacharius ideen om et cæsiumfontæne - en metode til at reducere hastigheden af cæsiumatomer til en centimeter i sekundet og slippe af med den dobbeltarmede bølgeleder af traditionelle atomoscillatorer.
Zacharius' idé var enkel. Hvad hvis du affyrede cæsiumatomer lodret inde i en oscillator? Så vil de samme atomer passere gennem detektoren to gange: én gang, mens de rejser op, og igen ned, hvor de vil skynde sig under påvirkning af tyngdekraften. I dette tilfælde vil atomernes nedadgående bevægelse være betydeligt langsommere end deres start, fordi de under deres rejse i springvandet vil miste energi. Desværre var Zacharius i 50'erne af forrige århundrede ikke i stand til at realisere sine ideer. I hans forsøgsfaciliteter atomer, der bevæger sig opad, interagerer med dem, der falder nedad, hvilket forvirrede nøjagtigheden af detektionen.
Ideen om Zacharius blev først vendt tilbage i firserne. Forskere ved Stanford University, ledet af Steven Chu, har fundet en måde at realisere Zacharius-fontænen ved hjælp af en metode, de kalder "optisk melasse."
I Chu cæsiumfontænen bliver en sky af cæsiumatomer affyret opad forkølet af et system af tre par modrettede lasere, der har en resonansfrekvens lige under cæsiumatomernes optiske resonans.
Skema af en cæsiumfontæne med optisk melasse.
De laserkølede cæsiumatomer begynder at bevæge sig langsomt, som gennem melasse. Deres hastighed falder til tre meter i sekundet. At reducere atomernes hastighed giver forskerne mulighed for mere præcist at detektere tilstande (du må indrømme, at det er meget lettere at se nummerpladerne på en bil, der bevæger sig med en hastighed på en kilometer i timen, end en bil, der bevæger sig med en hastighed på hundrede kilometer i timen).
En kugle af afkølede cæsiumatomer sendes opad omkring en meter og passerer en bølgeleder undervejs, hvorigennem atomerne udsættes for et elektromagnetisk felt med en resonansfrekvens. Og systemets detektor registrerer ændringen i atomernes tilstand for første gang. Efter at have nået "loftet", begynder de afkølede atomer at falde på grund af tyngdekraften og passere gennem bølgelederen en anden gang. På vej tilbage registrerer detektoren igen deres tilstand. Da atomerne bevæger sig ekstremt langsomt, er deres flugt i form af en ret tæt sky let at kontrollere, hvilket betyder, at der i springvandet ikke vil være atomer, der flyver op og ned på samme tid.
Chus cæsiumfontæneanlæg blev vedtaget af NBS som en frekvensstandard i 1998 og fik navnet NIST-F1. Dens fejl var 4 * 10 -16, hvilket betyder, at NIST-F1 var mere nøjagtig end sin forgænger NIST-7.
Faktisk nåede NIST-F1 grænsen for nøjagtighed ved måling af cæsiumatomers tilstand. Men videnskabsmænd stoppede ikke ved denne sejr. De besluttede at eliminere den fejl, som sort kropsstråling introducerer i driften af atomure - resultatet af interaktionen af cæsiumatomer med den termiske stråling af kroppen i den installation, hvor de bevæger sig. Den nye NIST-F2 atomkronograf placerede en cæsiumfontæne i et kryogent kammer, hvilket reducerede sort kropsstråling til næsten nul. NIST-F2 fejlen er en utrolig 3*10 -17.
Graf over fejlreduktion af standardindstillinger for cæsiumfrekvens
I øjeblikket giver atomure baseret på cæsiumfontæner menneskeheden den mest nøjagtige tidsstandard, i forhold til hvilken pulsen i vores teknogene civilisation slår. Takket være tekniske tricks blev de pulserende brintmasere, der afkøler cæsiumatomer i de stationære versioner af NIST-F1 og NIST-F2, erstattet af en konventionel laserstråle, der arbejder sammen med et magneto-optisk system. Dette gjorde det muligt at skabe kompakte og meget stabile strukturer. ydre påvirkninger varianter af NIST-Fx-standarder, der kan fungere i rumfartøj. Helt fantasifuldt kaldet "Aerospace Cold Atom Clock", er disse frekvensstandarder installeret i satellitterne i navigationssystemer såsom GPS, hvilket sikrer deres fantastiske synkronisering for at løse problemet med meget nøjagtig beregning af koordinaterne for de GPS-modtagere, der bruges i vores gadgets.
En kompakt version af cæsiumfontænen atomur, kaldet "Aerospace Cold Atom Clock", bruges i GPS-satellitter
Beregningen af referencetiden udføres af et "ensemble" på ti NIST-F2'ere placeret i forskellige forskningscentre, samarbejder med NBS. Præcise værdi atom-sekund opnås kollektivt, og eliminerer derved forskellige fejl og indflydelsen fra den menneskelige faktor.
Det er dog muligt, at cæsiumfrekvensstandarden en dag vil blive opfattet af vores efterkommere som en meget rå mekanisme til at måle tid, ligesom vi nu ser nedladende på pendulets bevægelser i vore forfædres mekaniske bedstefarure.
Atomur 27. januar 2016
Fødestedet for verdens første lommeur med en indbygget atomtidsstandard vil ikke være Schweiz eller endda Japan. Ideen om deres skabelse opstod i hjertet af Storbritannien hos London-mærket Hoptroff
Atomure, eller som de også kaldes "kvanteure", er en enhed, der måler tiden ved hjælp af naturlige vibrationer forbundet med processer, der forekommer på niveau med atomer eller molekyler. Richard Hoptroff besluttede, at det var på tide, at moderne herrer, der er interesseret i ultrateknologiske enheder, skiftede lomme mekaniske ure til noget mere ekstravagant og ekstraordinært, og også i tråd med moderne urbane tendenser.
Således blev offentligheden vist elegant på deres egen måde udseende lomme atomur Hoptroff No. 10, som kan overraske den moderne generation, sofistikeret med en overflod af gadgets, ikke kun med sin retrostil og fantastiske nøjagtighed, men også med sin levetid. Ifølge udviklerne, har du dette ur med dig, kan du forblive mest punktlig person i mindst 5 milliarder år.
Hvad kan du ellers finde ud af interessant om dem...
Foto 2. 
For alle dem, der aldrig har været interesseret i sådanne ure, er det værd at kort forklare princippet om deres drift. Der er intet inde i "atomanordningen", der ligner et klassisk mekanisk ur. I Hoptroff no. 10 er der ingen mekaniske dele som sådan. I stedet er lomme-atomure udstyret med et forseglet kammer fyldt med radioaktivt materiale. gasformigt stof, hvis temperatur styres af en speciel ovn. Præcis timing sker som følger: lasere exciterer atomer kemisk element, som er en slags "fyld" af uret, og resonatoren optager og måler hver atomar overgang. I dag grundlæggende element Sådanne anordninger er cæsium. Hvis vi husker SI-systemet af enheder, er værdien af et sekund i det relateret til antallet af perioder med elektromagnetisk stråling under overgangen af cæsium-133 atomer fra et energiniveau til et andet.
Foto 3. 
Hvis hjertet af enheden i smartphones anses for at være en processorchip, så i Hoptroff No. 10 denne rolle overtager referencetidsgeneratormodulet. Den er leveret af Symmetricom, og selve chippen var oprindeligt rettet mod brug i militærindustrien – i ubemandede luftfartøjer.
CSAC atomuret er udstyret med en temperaturstyret termostat, som indeholder et kammer indeholdende cæsiumdamp. Under påvirkning af en laser på cæsium-133-atomer begynder deres overgang fra en energitilstand til en anden, som måles ved hjælp af en mikrobølgeresonator. Siden 1967 Internationalt system enheder (SI) definerer et sekund som 9.192.631.770 perioder med elektromagnetisk stråling, der opstår under overgangen mellem to hyperfine niveauer af grundtilstanden for cæsium-133-atomet. Ud fra dette er det svært at forestille sig et mere teknisk præcist cæsiumbaseret ur. Over tid, givet seneste præstationer Inden for tidsmåling vil nøjagtigheden af nye optiske ure baseret på en aluminiumion, der pulserer med en frekvens af ultraviolet stråling (100.000 gange højere end mikrobølgefrekvenserne for cæsiumure) være hundredvis af gange højere end nøjagtigheden af atomkronometre. For at sige det enkelt tilgængeligt sprog, Hoptroffs nye lommemodel No.10 har en kørefejl på 0,0015 sekunder om året, 2,4 millioner gange COSC-standarder.
Foto 4. 
Den funktionelle side af enheden er også på grænsen til fantasi. Med dens hjælp kan du finde ud af: tid, dato, ugedag, år, breddegrad og længdegrad i forskellige størrelser, tryk, fugtighed, stjerne ur og minutter, tidevandsprognose og mange andre indikatorer. Uret kommer i guld, og urkassen er lavet af ædelmetal Det er planlagt at bruge 3D-print.
Richard Hoptrof mener oprigtigt, at det er det denne mulighed produktion af dit hjernebarn er den mest foretrukne. For lidt at ændre designkomponenten af strukturen vil det slet ikke være nødvendigt at genopbygge produktionslinjen, men at bruge 3D-printenhedens funktionelle fleksibilitet til dette. Det er dog værd at bemærke, at prototypen af det viste ur blev lavet på klassisk vis.
Foto 5. 
Tiden er meget dyr i disse dage, og Hoptroff No. 10 er en direkte bekræftelse på dette. Ifølge de foreløbige oplysninger er det første parti atomare anordninger vil være 12 enheder, og hvad angår prisen, vil prisen for 1 eksemplar være $78.000.
Foto 6. 
Ifølge Richard Hoptroff, administrerende direktør for mærket, spillede Hoptroffs bolig i London en rolle nøglerolle i fremkomsten af denne idé. "I vores kvartsværker bruger vi høj præcision oscillerende system med GPS-signal. Men i centrum af London er det ikke så let at fange netop dette signal. En dag under en tur til Greenwich Observatory Jeg så Hewlett Packard atomuret der og besluttede at købe noget lignende til mig selv via internettet. Og det kunne jeg ikke. I stedet stødte jeg på information om en chip fra Symmetricon, og efter tre dages tænkning indså jeg, at den ville være perfekt til et lommeur.”
Chippen vi taler om vi taler om, er SA.45s Cesium Atomic Clock (CSAC), et af den første generation af miniature atomure til GPS-modtagere, rygsækradioer og ubemandede køretøjer. På trods af sine beskedne dimensioner (40 mm x 34,75 mm) er det stadig usandsynligt, at det passer ind i et armbåndsur. Derfor besluttede Hoptroff at udstyre dem med en lommemodel af ret respektable dimensioner (82 mm i diameter).
Ud over at være den mest præcist ur i verden hævder Hoptroff No 10 (mærkets tiende sats) også at være den første guldkasse lavet ved hjælp af 3D-printteknologi. Hoptroff kan endnu ikke sige med sikkerhed, hvor meget guld der kræves for at fremstille sagen (arbejdet på den første prototype blev afsluttet, da udgaven gik i trykken), men anslår, at omkostningerne vil være "mindst flere tusinde pund." Og alt det volumen taget i betragtning videnskabelig undersøgelse, der kræves for at udvikle produktet (tag f.eks. funktionen med at beregne ebbe og strøm af tidevand ved hjælp af harmoniske konstanter for 3 tusinde forskellige porte), kan vi forvente, at dets endelige detailpris vil være omkring 50 tusind pund sterling.
Guld krop af model nr. 10 som den kommer ud af 3D printeren og i færdig form
Købere bliver automatisk medlemmer af en eksklusiv klub og vil blive bedt om at underskrive et skriftligt løfte om ikke at bruge atomur-chippen som et våben. "Dette er en af betingelserne i vores kontrakt med leverandøren," forklarer hr. Hoptroff, "da atomchippen oprindeligt blev brugt i missilstyringssystemer." Ikke meget at betale for muligheden for at have et ur med upåklagelig nøjagtighed.
De heldige ejere af No.10 fra Hoptroff vil have meget mere til deres rådighed end blot et højpræcisionsur. Modellen fungerer også som en lommenavigationsenhed, der gør det muligt at bestemme længdegraden med en nøjagtighed på én sømil, selv efter mange år på havet, ved hjælp af en simpel sekstant. Modellen får to urskiver, men designet af den ene er stadig hemmeligholdt. Den anden er en hvirvelvind af tællere, der viser så mange som 28 komplikationer: fra alle mulige kronometriske funktioner og kalenderindikatorer til et kompas, termometer, hygrometer (en enhed til måling af fugtighedsniveauer), barometer, bredde- og længdegradstællere og et høj-/lavvande indikator. Og dette er ikke at nævne de vitale indikatorer for tilstanden af atomtermostaten.
Hoptroff har planer om at producere en række nye produkter, bl.a elektronisk udgave George Daniels' legendariske rumrejsende komplikation. Nu arbejdes der på dem, hvis mål er at integrere dem i ure Bluetooth-teknologi at gemme personlig information ejer og giver automatisk justering af komplikationer såsom månefaseindikatoren.
De første eksemplarer af nr. 10 vises i næste år, i mellemtiden leder virksomheden efter egnede partnere blandt forhandlere. "Vi kunne selvfølgelig prøve at sælge den online, men det er en premium-model, så du skal stadig holde den i hænderne for virkelig at sætte pris på den. Det betyder, at vi stadig skal bruge detailhandlernes tjenester, og vi er klar til at indlede forhandlinger,” siger hr. Hoptroff afslutningsvis.
Og endda Den originale artikel er på hjemmesiden InfoGlaz.rf Link til artiklen, hvorfra denne kopi er lavet -
Når lyset pludselig går ud og kommer tilbage lidt senere, hvordan ved du så, hvornår du skal stille uret? Ja, jeg taler om elektroniske ure, som mange af os sikkert har. Har du nogensinde tænkt over, hvordan tiden reguleres? I denne artikel vil vi lære alt om atomuret, og hvordan det får hele verden til at tikke.
Er atomure radioaktive?
Atomure fortæller bedre tid end noget andet ur. De viser tiden bedre end Jordens rotation og stjernernes bevægelse. Uden atomure ville GPS-navigation være umulig, internettet ville ikke være synkroniseret, og planeternes positioner ville ikke være kendt med tilstrækkelig nøjagtighed til at rumsonder og enheder.
Atomure er ikke radioaktive. De er ikke afhængige af atomær fission. Desuden har det en fjeder, ligesom et almindeligt ur. Den største forskel mellem et standardur og et atomur er, at svingninger i et atomur forekommer i kernen af et atom mellem elektronerne, der omgiver det. Disse svingninger er næppe parallelle med balancehjulet på et snoet ur, men begge typer af svingninger kan bruges til at spore tidens gang. Hyppigheden af vibrationer inde i et atom bestemmes af kernens masse, tyngdekraften og den elektrostatiske "fjeder" mellem positiv ladning kerne og en sky af elektroner omkring den.
Hvilke typer atomure kender vi?
I dag er der Forskellige typer atomure, men de er bygget efter de samme principper. Den største forskel vedrører elementet og midlerne til at detektere ændringer i energiniveauer. Blandt forskellige typer Der er følgende atomure:
- Cæsium atomure ved hjælp af bjælker af cæsium atomer. Uret adskiller cæsiumatomer med forskellige energiniveauer ved hjælp af et magnetfelt.
- Hydrogen-atomure holder brintatomer på målet energiniveau i en beholder, hvis vægge er lavet af et specielt materiale, så atomerne ikke mister deres højenergitilstand for hurtigt.
- Rubidium atomure, de enkleste og mest kompakte af alle, bruger en glascelle, der indeholder rubidiumgas.
De mest nøjagtige atomure i dag bruge et cæsiumatom og et konventionelt magnetfelt med detektorer. Derudover er cæsiumatomer indeholdt af laserstråler, hvilket reducerer mindre ændringer frekvenser på grund af Doppler-effekten.
Hvordan fungerer cæsium-baserede atomure?
Atomer har en karakteristisk vibrationsfrekvens. Et velkendt eksempel på frekvens er den orange glød af natrium i bordsalt hvis de kastes i ilden. Atomet har mange forskellige frekvenser, nogle i radioområdet, nogle i rækkevidden synligt spektrum, og nogle i mellem disse to. Cæsium-133 vælges oftest til atomure.
For at få cæsiumatomerne til at resonere i et atomur, skal en af overgangene eller resonansfrekvensen måles nøjagtigt. Dette gøres normalt ved at låse en krystaloscillator ind i cæsiumatomets fundamentale mikrobølgeresonans. Dette signal er i mikrobølgeområdet af radiofrekvensspektret og har samme frekvens som direkte udsendte satellitsignaler. Ingeniører ved, hvordan man laver udstyr til denne spektrumregion, meget detaljeret.
For at skabe et ur opvarmes cæsium først, så atomerne fordampes og føres gennem et højvakuumrør. De passerer først gennem et magnetfelt, som udvælger atomer med den ønskede energitilstand; de passerer derefter gennem et intenst mikrobølgefelt. Frekvensen af mikrobølgeenergi hopper frem og tilbage i et snævert frekvensområde, så den på et bestemt tidspunkt når en frekvens på 9.192.631.770 hertz (Hz eller cyklusser pr. sekund). Mikrobølgeoscillatorens rækkevidde er allerede tæt på denne frekvens, fordi den produceres af en præcis krystaloscillator. Når et cæsiumatom modtager mikrobølgeenergi af den ønskede frekvens, ændrer det sin energitilstand.
For enden af røret adskiller et andet magnetfelt atomer, der har ændret deres energitilstand, hvis mikrobølgefeltet var af den rigtige frekvens. Detektoren for enden af røret producerer et udgangssignal, der er proportionalt med antallet af cæsiumatomer, der rammer det, og topper, når mikrobølgefrekvensen er tilstrækkelig korrekt. Dette spidssignal er nødvendigt for korrektion for at bringe krystaloscillatoren, og dermed mikrobølgefeltet, til den ønskede frekvens. Denne blokerede frekvens divideres derefter med 9.192.631.770 for at give den velkendte én puls pr. sekund, som den virkelige verden har brug for.
Hvornår blev atomuret opfundet?
I 1945 foreslog Columbia University fysikprofessor Isidor Rabi et ur, der kunne laves baseret på teknikker udviklet i 1930'erne. Det blev kaldt en atomstråle magnetisk resonans. I 1949 annoncerede National Bureau of Standards skabelsen af verdens første atomur baseret på ammoniakmolekylet, hvis vibrationer blev aflæst, og i 1952 skabte det verdens første atomur baseret på cæsiumatomer, NBS-1.
I 1955 det nationale fysisk laboratorium i England byggede det første ur med en cæsiumstråle som kalibreringskilde. I løbet af det næste årti blev mere avancerede ure skabt. I 1967, under den 13. generalkonference om vægte og mål, blev SI-sekunderet bestemt ud fra vibrationer i cæsiumatomet. I verdens tidtagningssystem var der ingen mere præcis definition end dette. NBS-4, verdens mest stabile cæsiumur, stod færdigt i 1968 og var i brug indtil 1990.