9192631770 Переходов цезия-133: что такое эталон секунды?

9192631770 Переходов цезия-133: что такое эталон секунды?

С древних времен человек пробовал осознать, что такое время. И, очевидно, измерить его. Чего лишь не придумали люди за многие столетия — от водяных, песочных и солнечных часов до астрономических и механических.

Большая часть из них не были через чур правильными, но это никого действительно не тревожило. Все изменилось в эру Великих географических открытий: для морской навигации позарез требовались правильные часы, потому, что неточность в определении расположения приводила к утрата судов, товаров и людей.

В восемнадцатом веке сходу пара морских держав (Португалия и Испания, Голландия, Франция и Англия) создали большие финансовые премии за создание правильных часов, каковые возможно было применять для навигационных измерений. Английскую премию победил часовщик-самоучка Джон Харрисон, что сконструировал часы со средним за сутки уходом в две секунды (это при том, что часы тогда считались очень правильными, в случае если имели минутную стрелку), что приводило к навигационной неточности всего в десять морских миль.

От солнечной секунды до маятника

Промышленная и научная революция кроме этого потребовали правильного измерения времени. Первым общепринятым эталоном секунды стало ее астрономическое определение, в соответствии с которому 1 с равна 1/86 400 солнечных дней. Позднее стало известно, что Почва вращается не совсем равномерно, и определение уточнили — «средних солнечных дней».

Позже стало ясно, что в связи с замедлением вращения Почвы (по большей части за счет действия приливных сил со стороны Луны) такая секунда через чур нестабильна для эталона, и определение поменяли. Новая секунда, введенная во второй половине 50-ых годов XX века, базировалась на эфемеридах, другими словами орбитальном перемещении Почвы около Солнца, и определялась как 1/31 556 925 9747 часть длительности конкретного (1900-го) тропического года. Но не смотря на то, что данный эталон был более стабильным, чем солнечная секунда, он фактически использовался лишь в астрономии, потому, что воспроизводить его в лаборатории было очень затруднительно.

    Принцип действия фонтанного эталона частоты на холодных атомах

Значительно большее распространение на практике взяли ветхие хорошие маятниковые часы, конструкция которых базировалась на хороших трудах Галилео Галилея. К началу XX века, пройдя три столетия эволюции, конструкции таких часов достигли достаточного совершенства, дабы обеспечить измерение промежутков времени с относительной погрешностью порядка 10-7, что соответствует среднегодовому уходу в единицы секунд.

Такую точность снабжали часы, созданные английским инженером Уильямом Шортом в первой половине 20-ых годов двадцатого века. Часы с стрелками и циферблатом, приводимыми в перемещение секундным маятником, синхронизировались посредством электрической цепи по второму, эталонному секундному маятнику, что качался в колбе с разреженной воздухом.

В СССР эти часы были существенно усовершенствованы механиком и физиком Феодосием Федченко, что в 1950-х во Всесоюзном научно-исследовательском университете физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) создал механизм АЧФ (Астрономические часы Федченко) с изохронным маятником, снабжавший точность порядка 10-8 (секунда за десять лет). Эти часы (наровне с показавшимися в то время кварцевыми) употреблялись в практических целях до 1980-х, еще пара десятилетий по окончании того, как во второй половине 60-ых годов XX века было введено новое определение секунды. Новая секунда прекратила быть привязана к каким-либо астрономическим измерениям, а стала равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры изотопа цезия-133.

Ядерный маятник

Идею применять атомы в качестве стабильного маятника выдвинул лорд Кельвин во второй половине 70-ых годов девятнадцатого века. Действительно, тогда разработка еще не снабжала возможность ее реализации, исходя из этого первые опыты начались лишь через 60 лет. В 1940 годах американские физики из Колумбийского университета под управлением Исидора Раби экспериментировали с цезием-133, а в Национальном бюро стандартов создали собственный эталон на базе аммиака, что, но, по точности уступал кварцевым осцилляторам.

Решающий ход сделал Норман Рэмси из Гарвардского университета, предложивший концепцию «разнесенных осциллирующих полей», которая легла в базу ядерных часов, а самому Рэмси принесла Нобелевскую премию за 1989 год.

Цезиевые ядерные часы первого поколения, а правильнее — их основная часть, сверхточный генератор (репер), представляли собой долгую вакуумную трубу, в которую посредством тепловой пушки выстреливался пучок атомов цезия-133. Атом цезия может пребывать в одном из двух энергетических состояний, и восьмиполюсный магнит на входе отсеивал одно из них.

Потом пучок пролетал через резонатор Рэмси, где пучок микроволн, настроенных на частоту перехода между этими состояниями, переводил часть атомов в второе состояние. На выходе из трубы магнит отсеивал часть атомов, каковые не поменяли собственного состояния, а остальные направлял на детектор. Изменяя частоту микроволн, возможно добиться того, дабы как возможно больше атомов изменяло собственный состояние при пролете резонатора, и в момент успехи максимума эта частота будет в точности соответствовать частоте перехода в атоме цезия, равной 9 192 631 770 Гц (данный процесс похож на настройку радиоприемника, в то время, когда вы крутите ручку, получая чистоты сигнала и максимальной громкости).

    Принцип действия цезиевого эталона частоты

«Точность аналогичных часов может быть около порядка 10-14, — растолковывает Виталий Пальчиков, помощник главы Главного метрологического центра национальной работы времени и частоты (ГМЦ ГСВЧ, входит в состав ВНИИФТРИ) по научной работе. — Более правильными такие часы сделать запрещено, по причине того, что процесс происходит при комнатной температуре, и тепловое перемещение атомов ведет к появлению результата Доплера, другими словами уширению резонансной линии до 100 Гц. Для увеличения точности необходимо охладить атомы до низких температур, и таковой метод был придуман.

Его в свое время внес предложение коммунистический физик Владилен Летохов, а позднее его идею развили Чу, Коэн-Таннуджи и Филлипс, за что во второй половине 90-ых годов двадцатого века взяли Нобелевскую премию в области физики. Способ лазерного охлаждения содержится в том, что атомы взаимодействуют с двумя лазерными лучами, имеющими перпендикулярную поляризацию, и испытывают последовательность переходов, отдавая энергию и замедляясь, другими словами охлаждаются до нескольких сотен микрокельвинов — это именуется Сизифово охлаждение». Во второй половине 90-ых годов двадцатого века Интернациональное бюро мер и весов уточнило определение секунды: атом цезия обязан покоиться при температуре, близкой к безотносительному нулю, и скоро в мире показались первые часы фонтанного типа.

Часовые фонтаны

«Они вправду похожи на фонтан, — говорит Виталий Пальчиков. — Облако атомов цезия, охлажденное до низких температур, захватывают в оптическую ловушку и подбрасывают посредством лазерных лучей через СВЧ-резонатор. А позже лазеры отключаются, и атомы под действием силы тяжести медлительно падают вниз через данный же резонатор. В качестве детектора и селектора употребляется еще один лазер, взаимодействующий с облаком холодных атомов.

Таковой генератор имеет точность порядка 3−5•10-16, другими словами 1 секунда за 300 млн лет, и по сей день употребляется фактически во всех главных метрологических центрах в разных государствах мира, у нас во ВНИИФТРИ два таких фонтана. Точность этих часов на данный момент пробуют повысить. Главный источник нестабильности частоты фонтана — это чернотельное излучение оборудования, и его пробуют или убрать за счет криогенного охлаждения, как это делают в американском Национальном университете стандартов (NIST), или, как это делаем мы и французские исследователи, методом учёта и моделирования соответствующих поправок».

Фонтанный генератор — это основная, но не единственная часть эталона времени и частоты. «Это так называемый репер, необычный камертон, что может в любую секунду воспроизвести величину единиц измерения, — поясняет Игорь Норец, начотдела эксплуатации национального первичного эталона единиц времени, национальной шкалы и частоты времени ГМЦ ГСВЧ. — Он не работает неизменно, а только включается иногда. А для поддержания постоянной шкалы времени употребляются хранители частоты — водородные СВЧ-генераторы (мазеры).

На долгосрочных промежутках порядка дней их частота дрейфует, но по прекрасно известному закону, и это возможно учесть при расчете национальной шкалы. В отечественном ГМЦ ГСВЧ таких хранителей девять. Создаёт их Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный университет «Кварц», и это, пожалуй, самые правильные в мире водородные генераторы.

В итоге русский шкала есть одной из пяти самых правильных в мире — наровне с германской (PTB), двумя американскими (USNO, NIST) и шкалой Парижской обсерватории. Отклонения от интернациональной шкалы составляют не более 5 нс».

Оптические стандарты

Предстоящее совершенствование эталона связано прежде всего с разработкой оптических стандартов частоты. «В новых эталонах будут употребляться не переходы на радиочастотах, а оптические. Их частоты на большое количество порядков выше, соответственно, выше точность, — говорит Сергей Слюсарев, начотдела оптических стандартов частоты ВНИИФТРИ. — Такие оптические стандарты уже разрабатываются во многих исследовательских университетах, среди них и у нас, они основаны на сотрудничестве лазерного излучения с отдельными атомами либо ионами алюминия, стронция либо ртути, захваченными в магнитооптические ловушки.

Уже на данный момент существуют отдельные экспериментальные образцы с точностью воспроизведения частоты порядка 10-17-10-18. Вероятнее, в 2020-х годах состоится переход на такие стандарты, что повысит точность временной шкалы на один-два порядка».

    Атом на запястье Среднемесячный уход современных кварцевых наручных часов образовывает в большинстве случаев пара секунд. Производители оснащают кое-какие модели совокупностью автоматической коррекции по радиосигналам правильного времени (трудится в некоторых государствах) либо кроме того по сигналам спутников GPS.

А в 2011 году американская компания Symmetricom представила сверхкомпактные ядерные часы в размере микрочипа SA.45s Quantum Chip Scale Atomic Clock (CSAC) — 4? х?3,5?х?1,1 см и массой всего 35 г, CSAC потребляет всего 0,1 Вт и снабжает точность в 10−11−10−12 (уход приблизительно в 1 секунду за 3−30 тысяч лет). На базе этого чипа возможно изготовить наручные ядерные часы, не смотря на то, что, само собой разумеется, главная область его применения — это создание независимых (без синхронизации с GPS) сверхточных генераторов частоты, нужных для армейских, научных, промышленных и других применений.

«Каждые десять лет требования потребителей к точности часов возрастают на порядок, другими словами вдесятеро, — говорит Виталий Пальчиков. — Для чего необходимы такие правильные часы? Прежде всего для той же самой задачи, для которой они пригодились триста лет назад: для навигации. И не только спутниковой.

Часы на базе оптических эталонов очень многое дадут и науке, и индустрии. Они достаточно правильны, дабы их возможно было применять для прямых гравиметрических измерений, — а это принципиально новый подход к навигации, поиску нужных ископаемых, да и по большому счету изучению отечественного мира».

Четыре открытия

и Нобеля Разработки, каковые на данный момент используются в ядерных часах, принесли своим авторам четыре нобелевские премии. Норман Рэмси во второй половине 80-ых годов XX века взял высшую научную приз за изобретение способа разнесенных осциллирующих полей; Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи и Уильям светло синий во второй половине 90-ых годов двадцатого века — за разработку способа лазерного охлаждения атомов; Джон Теодор и Холл Хенш в 2005 году — за сверхточную лазерную спектроскопию (способы преобразования оптических частот — радиочастотный мост), Серж Арош и Дэвид Вайнленд в 2012-м — за измерения параметров и методы манипуляции отдельных атомов.

Статья «О секундах свысока» размещена в издании «Популярная механика» (№156, октябрь 2015).

Атомные часы


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: