Атомные часы
-
Атомные часы и их принцип работы
- Атомные часы измеряют время, отслеживая резонансную частоту атомов.
- Атомы имеют разные энергетические уровни, переходы между которыми взаимодействуют с электромагнитным излучением.
- Частота перехода атома цезия-133 используется для определения секунды в СИ.
-
История и развитие
- Джеймс Клерк Максвелл предложил измерять время колебаниями света в 1873 году.
- В 1930-х годах Исидор Раби сконструировал атомно-лучевые часы.
- В 1949 году Луи Эссен создал первые атомные часы с атомами цезия.
- В 1955 году были созданы первые практически точные атомные часы.
-
Определение секунды
- В 1968 году секунда была определена как 9192631770 колебаний атома цезия-133.
- В 1997 году определение было уточнено для атома в состоянии абсолютного нуля.
- В 2019 году определение секунды было пересмотрено, основанное на оптических часах.
-
Достижения в метрологии
- В 1990-х годах лазеры и оптические частотные гребенки повысили точность атомных часов.
- В 2010 году NIST продемонстрировал оптические часы с точностью 10-17.
- В 2015 году JILA продемонстрировала стронциевые часы с точностью 10-18.
- В 2021 году JILA продемонстрировала оптические стронциевые часы с точностью 7,6×10-21.
-
Атомные часы на чиповой шкале
- В 2004 году NIST продемонстрировал атомные часы в масштабе микросхемы.
- В 2011 году технология стала доступна в продаже.
- В настоящее время разрабатываются атомные часы с использованием ионных ловушек и оптических гребенок.
-
Измерение времени с помощью атомных часов
- Атомные часы основаны на системе атомов, которые могут находиться в двух энергетических состояниях.
- Микроволновое излучение настраивается на частоту, при которой атомы переходят между состояниями.
- Атом и связанная с ним частота перехода используются для измерения времени.
-
Переходные состояния часов в атомах
- Атомы нечувствительны к температуре и другим факторам окружающей среды
- Частота колебаний намного выше, чем у других часов
-
Коэффициент качества атомной линии Q
- Определяется как отношение абсолютной частоты к ширине линии резонанса
- Атомный резонанс обладает высокой добротностью
-
Изоляция от окружающей среды
- Атомные часы изолированы от воздействия окружающей среды
- Универсальность частоты колебаний
-
Точность и стабильность
- Точность определяется соответствием частоты стандарту
- Стабильность описывает работу часов при усреднении
-
Нестабильность атомных часов
- Определяется отклонением по Аллану
- Уменьшается с увеличением ширины линии и количества атомов
-
Эффект Дика
- Современные часы генерируют шум, имитирующий нестабильность
- Эффект требует новых требований к преобразователю частоты
-
Настройка и оптимизация
- Ядро часов — перестраиваемый микроволновый резонатор
- Настройка корректирует побочные эффекты
-
Точность атомных часов
- Постоянно повышалась с момента создания первого прототипа
- Цель — достичь точности 10-18 и 10-19
-
Сравнение атомных часов
- Атомные часы обслуживаются в национальных метрологических лабораториях
- Первичные стандарты частоты генерируют электрические колебания с низкой неопределенностью
- Лучшие первичные эталоны дают значение секунды с точностью до 10-16
-
Точность вторичных стандартов частоты
- Погрешность вторичных стандартов частоты составляет одну часть из 1014-1016.
- Погрешность центрального эталона цезия составляет одну часть из 1014-1016.
-
Первичные эталоны частоты
- Используются для калибровки частоты других часов.
- Обладают долговременной стабильностью частоты более 1 части из 1014.
-
Водородные мазеры
- Используются в лабораториях метрологии времени.
- Превосходят коммерческие цезиевые часы по кратковременной стабильности частоты.
-
Синхронизация со спутниками
- Показания часов должны быть известны очень точно.
- ГНСС обеспечивают удовлетворительное решение проблемы передачи времени.
-
Международный хронометраж
- Национальные лаборатории используют различные часы.
- Всемирное координированное время (UTC) получается путем сравнения часов в национальных лабораториях.
-
Волоконная оптика
- Лаборатории стремятся передавать сигналы сравнения в видимом спектре.
- В Европе уже установлены волоконно-оптические линии связи.
-
Микроволновые атомные часы
- Цезий используется как основной эталон времени и частоты.
- Рубидий используется как вторичный эталон.
-
Рубидиевый стандарт и GPS
- Используется для краткосрочной точности
- Долгосрочная точность равна национальным стандартам времени США
-
Водородные мазеры
- Обладают превосходной кратковременной стабильностью
- Долгосрочная стабильность снижается из-за изменения свойств резонатора
- Используются для радиоастрономии и передачи сигналов времени
-
Квантовые часы
- Основаны на ионах бериллия и алюминия
- Самые точные часы, погрешность 9,4×10-19
- Превзойдены оптическими решетчатыми часами
-
Концепция ядерных часов
- Использование перехода ядерной энергии
- Потенциальные преимущества: высокая частота, нечувствительность к окружающей среде, большее число атомов
-
Потенциал для пересмотра второго
- Цезиевые часы с погрешностью 5×10-16
- Оптические часы с частотой около 1015 Гц и стабильностью 1015
-
Постоянная Ридберга
- Определение на основе постоянной Ридберга сложно из-за сложности охлаждения водорода
- Комитет по единицам не нашел реального способа переопределить второе значение
-
Требования и вторичные представления
- Переопределение должно включать повышение надежности оптических часов
- Вторичные представления помогают в подготовке будущего переопределения второго
-
Экспериментальные атомные часы
- Используются для измерения частоты и времени
- Могут использоваться как чувствительные детекторы для других целей
-
Экспериментальные часы и их применение
- Атомные часы используются в глобальных навигационных спутниковых системах (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou)
- GPS обеспечивает точность до 14 наносекунд, ГЛОНАСС — более 1000 наносекунд, Galileo — 30 наносекунд, BeiDou — 20 наносекунд
- Атомные часы также используются в радиопередатчиках сигналов времени и научных исследованиях
-
Глобальные навигационные спутниковые системы
- GPS управляется Космическими силами США и обеспечивает точность до 100 наносекунд
- ГЛОНАСС эксплуатируется Воздушно-космическими силами России и имеет точность более 1000 наносекунд
- Galileo эксплуатируется Европейским агентством ГНСС и обеспечивает точность 30 наносекунд
- BeiDou эксплуатируется Национальным космическим управлением Китая и имеет точность 20 наносекунд
-
Экспериментальные космические часы
- НАСА запустило атомные часы Deep Space Atomic Clock в 2019 году
- Часы были деактивированы в 2021 году
-
Военное применение
- DARPA планирует модернизацию военных систем хронометража для повышения точности
- Надежная сеть оптических часов обеспечивает точность до 1 части из 1012
-
Радиопередатчики сигналов времени
- Радиочасы синхронизируются с помощью сигналов радиовремени
- Обычные приемники имеют погрешность ± 0,1 секунды
- Правительства используют передатчики для хронометража
-
Общая теория относительности
- Атомные часы используются для проверки общей теории относительности
- В 2021 году ученые измерили разницу в течении времени с точностью 7,6×10-21 секунды
-
Финансовые системы
- Атомные часы ведут точный учет транзакций с точностью до миллисекунды
- Текущая система NTP работает с точностью до миллисекунды
-
Портативные оптические часы
- Разработаны стронциевые оптические решетчатые часы для автомобильных прицепов
- Достигли относительной неопределенности 7,4×10-17