Атамны гадзіннік

Атамны гадзіннік (малекулярны, квантавы гадзіннік) — прыбор для вымярэння часу, у якім у якасці перыядычнага працэсу выкарыстоўваюцца ўласныя ваганні, звязаныя з працэсамі, якія адбываюцца на ўзроўні атамаў ці малекул.

Атамныя гадзіннікі важныя ў навігацыі. Вызначэнне становішча касмічных караблёў, спадарожнікаў, балістычных ракет, самалётаў, падводных лодак, а таксама перамяшчэнне аўтамабіляў у аўтаматычным рэжыме па спадарожнікавай сувязі (GPS, ГЛАНАСС, Galileo) нельга ўявіць без атамных гадзіннікаў. Атамныя гадзіннікі выкарыстоўваюцца таксама ў сістэмах спадарожнікавай і наземнай тэлекамунікацыі, у тым ліку ў базавых станцыях мабільнай сувязі, міжнароднымі і нацыянальнымі бюро стандартаў і службамі дакладнага часу, якія перыядычна передаюць сігналы часу па радыё.

З 1967 года міжнародная сістэма адзінак СІ вызначае адну секунду як 9 192 631 770 перыядаў электрамагнітнага выпраменьвання, якое ўзнікае пры пераходзе паміж двума звыштонкімі ўзроўнямі асноўнага стану атама цэзію-133. Згодна з гэтым азначэннем, атам цэзію-133 з'яўляецца стандартам для вымярэнняў часу і частаты. Дакладнасць вызначэння секунды вызначае дакладнасць вызначэння іншых асноўных адзінак, такіх як, напрыклад, вольт або метр, якія маюць секунду ў сваім азначэнні.

Стабільнасць атамных гадзіннікаў ${\displaystyle \Delta \nu /\nu }$ (дзе ${\displaystyle \Delta \nu }$ — адхіленне частаты ${\displaystyle \nu }$ гадзінніка за некаторы перыяд часу) звычайна ляжыць у граніцах 10⁻¹⁴ — 10⁻¹⁵ , а ў спецыяльных канструкцыях дасягае 10^{−17 [1]}, і з'яўляецца найлепшай сярод усіх існуючых тыпаў гадзіннікаў ^[1].

Устройства гадзінніка

Атамны гадзіннік складаецца з некалькіх частак:

• квантавы дыскрымінатар,
• кварцавы генератар,
• комплекс электронікі.

Кварцавы генератар уяўляе сабой аўтагенератар, у якасці рэзананснага элемента якога выкарыстоўваюцца п'езаэлектрычныя моды кварцавага крышталя. Згенераваныя ім электрамагнітныя ваганні маюць фіксаваную частату, роўную, як правіла^[2]}}, 10 МГц, 5 МГц або 2,5 МГц, з магчымасцю перастройкі ў невялікіх граніцах (± 10⁻⁶, напрыклад, змяненнем тэмпературы крышталя). Звычайна даўгачасная стабільнасць кварцавага рэзанатара малая і складае каля ${\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-7}}$. З мэтай павышэння яго стабільнасці выкарыстоўваюць ваганні атамаў або малекул, для чаго ваганні кварцавага генератара з частатой ${\displaystyle \nu _{o}}$ пастаянна параўноўваюцца c дапамогай частотна-фазавага кампаратара з частатой атамнай лініі ${\displaystyle \nu _{a}}$, якая рэгіструецца ў квантавым дыскрымінатары. Пры з'яўленні розніцы ў фазе і частаце ваганняў, схема зваротнай сувязі падстройвае частату кварцавага генератара да патрэбнага значэння, павышаючы тым самым стабільнасць і дакладнасць гадзінніка да ўзроўню ${\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-14}}$.

У СССР ідэолагам стварэння атамных гадзіннікаў быў акадэмік Мікалай Генадзевіч Басаў^[3].

Нацыянальныя цэнтры стандартаў частаты

Рост дакладнасці атамных гадзіннікаў за 50 гадоў. NIST, ЗША

Многія краіны стварылі нацыянальныя цэнтры стандартаў часу і частаты^[4]:

• Усерасійскі навукова-даследчы інстытут фізіка-тэхнічных і радыётэхнічных вымярэнняў (ВНИИФТРИ), п. Мендзялеева, Маскоўская вобласць;
• Нацыянальны інстытут стандартаў і тэхналогій (NIST), Боўлдэр (ЗША, штат Каларада);
• Нацыянальны інстытут перадавой прамысловай навукі і тэхналогіі (AIST), Токіа (Японія);
• Федэральнае фізіка-тэхнічнае агенцтва (PTB), Браўншвайг (Германія);
• Нацыянальная лабараторыя метралогіі і выпрабаванняў (LNE), Парыж (Францыя).
• Нацыянальная фізічная лабараторыя Вялікабрытаніі (NPL), Лондан, Вялікабрытанія.

Навукоўцы розных краін працуюць над удасканаленнем атамных гадзіннікаў і заснаваных на іх дзяржаўных першасных эталонаў часу і частаты, дакладнасць такіх гадзіннікаў няўхільна павышаецца. У Расіі шырокія даследаванні, накіраваныя на паляпшэнне характарыстык атамных гадзін, праводзяцца ў Фізічным інстытуце імя Лебедзева.

Тыпы атамных гадзіннікаў

Не кожны атам (малекула) падыходзіць у якасці асновы для атамнага гадзінніка. Выбіраюць атамы, неадчувальныя да розных знешніх уздзеянняў: магнітных, электрычных і электрамагнітных палёў. Для кожнага дыяпазону электрамагнітнага спектра выпраменьвання такія атамы існуюць. Гэта: атамы кальцыю, рубідыю, цэзію, стронцыю, малекулы вадароду, ёду, метану, аксід осмію (VIII) і г. д. У якасці асноўнага (першаснага) стандарту частаты абраны звыштонкі пераход у стабільным атаме цэзію. Характарыстыкі ўсіх астатніх (другасных) стандартаў параўноўваюцца з гэтым стандартам. Каб ажыццявіць такое параўнанне, у цяперашні час выкарыстоўваюцца так званыя аптычныя грабяні — выпраменьванне з шырокім частотным спектрам ў выглядзе эквідыстантных ліній, адлегласць паміж якімі прывязваецца да атамным стандарту частаты. Аптычныя грэбні атрымліваюць з дапамогай фемтасекунднага лазера з сінхранізацыяй мод і мікраструктураванага оптавалакна, у якім адбываецца пашырэнне спектра да адной актавы.

У 2006 годзе даследчыкі з амерыканскага Нацыянальнага інстытута стандартаў і тэхналогій пад кіраўніцтвам Джыма Бергквіста (англ.: Jim Bergquist) распрацавалі гадзіннік, які працуе на адным атаме ртуці^[5]. Пры пераходах паміж энергетычнымі ўзроўнямі іона ртуці генеруюцца фатоны бачнага дыяпазону са стабільнасцю ў 5 разоў вышэйшаю, чым у мікрахвалевага выпраменьвання цэзію-133. Новы гадзіннік могуць таксама знайсці прымяненне ў даследаваннях залежнасці змены фундаментальных фізічных пастаянных ад часу.

Вядуцца актыўныя распрацоўкі кампактных атамных гадзіннікаў для выкарыстання ў паўсядзённым жыцці (наручныя гадзіннікі, мабільныя прылады)^[6][7][8]. У пачатку 2011 амерыканская кампанія Symmetricom абвясціла аб камерцыйным выпуску цэзіевых атамных гадзіннікаў памерам з невялікую мікрасхему. Гадзіннік працуе на аснове эфекту кагерэнтнага паланення населенасці. Іх стабільнасць — 5·10⁻¹¹ за гадзіну, маса — 35 г, спажываная магутнасць — 115мВт^[9].

Зноскі

Спасылкі

• На Вікісховішчы ёсць медыяфайлы па тэме Атамны гадзіннік

• NIST chip-scale atomic clock project (нявызн.)(недаступная спасылка). Архівавана з першакрыніцы 9 лютага 2012. Праверана 16 лістапада 2014.
• Георгий Мешков. В атомных часах нового поколения будут использоваться атомы стронция (нявызн.)(недаступная спасылка). Компьюлента (5 декабря 2006). Архівавана з першакрыніцы 10 лістапада 2010. Праверана 13 снежня 2010.
• Новый рекорд точности измерения времени достигнут ртутными атомными часами (нявызн.). Полит.ру (25 июля 2006). Архівавана з першакрыніцы 9 лютага 2012. Праверана 13 снежня 2010.
• Richard Alleyne. World's most accurate clock unveiled (англ.). The Daily Telegraph (16 апреля 2009). Архівавана з першакрыніцы 9 лютага 2012. Праверана 13 снежня 2010.
• Краткая история атомных часов в NIST. (A Brief History of Atomic Clocks at NIST) (англ.). The National Institute of Standards and Technology, USA. Архівавана з першакрыніцы 24 мая 2012. Праверана 26 лютага 2012.
• Нина Бирючкова. Сверхточные атомные часы Архівавана 18 верасня 2015.. gridder.ru (14 апреля 2014).