Hitel: Szerzői Geoffrey Wheeler

Az Elsődleges Idő Frekvencia Szabványos az Egyesült Államok

NIST-F1, a nemzet elsődleges idő frekvencia szabványos, egy cézium szökőkút atomóra fejlett a NIST laboratóriumok Boulder, Colorado. A NIST-F1 hozzájárul az atomórák nemzetközi csoportjához, amely meghatározza az összehangolt univerzális időt( UTC), a hivatalos világidőt. Mivel a NIST-F1 a világ legpontosabb órái közé tartozik, az UTC pontosabbá teszi, mint valaha.

a NIST-F1 bizonytalansága folyamatosan javul. 2000-ben a bizonytalanság körülbelül 1 x 10-15 volt, de 2013 januárjától a bizonytalanság körülbelül 3 x 10-16-ra csökkent, ami azt jelenti, hogy több mint 100 millió év alatt sem nyer, sem veszít egy másodpercet! Az alábbi grafikon azt mutatja, hogy a NIST-F1 hogyan hasonlít a NIST által épített korábbi atomórákhoz. Most körülbelül tízszer pontosabb, mint a NIST-7, egy céziumsugár atomóra, amely az Egyesült Államok Elsődleges idő-és frekvenciaszabványaként szolgált 1993-1999 között.

műszaki leírás

a NIST-F1-et szökőkútórának nevezik, mivel az atomok szökőkútszerű mozgását használja a frekvencia és az időintervallum mérésére. Először a cézium atomok gázát vezetik be az óra vákuumkamrájába. Hat infravörös lézersugarat ezután a kamra közepén derékszögben irányítanak egymáshoz. A lézerek finoman nyomja össze a cézium atomok egy labdát. Ennek a golyónak a létrehozásakor a lézerek lelassítják az atomok mozgását, majd abszolút nulla közeli hőmérsékletre hűtik őket.

két függőleges lézert használnak, hogy finoman felfelé dobják a labdát (a” szökőkút ” akció), majd az összes lézert kikapcsolják. Ez a kis lökés éppen elég ahhoz, hogy a labdát körülbelül egy méter magasra tegye egy mikrohullámú üregbe. A gravitáció hatására a labda visszaesik a mikrohullámú üregbe.

a mikrohullámú üregen keresztül felfelé és lefelé tartó körút körülbelül 1 másodpercig tart. Az út során, az atomok atomi állapota megváltozhat vagy nem változtatható meg, mivel kölcsönhatásba lépnek a mikrohullámú jellel. Amikor az utazás befejeződött, egy másik lézer az atomokra mutat. Azok az atomok, amelyek atomállapotát a mikrohullámú jel megváltoztatta, fényt bocsátanak ki (fluoreszcencia néven ismert állapot). A fotonokat,vagy az általuk kibocsátott apró fénycsomagokat egy detektor méri.

Ez a folyamat sokszor megismétlődik, miközben az üregben lévő mikrohullámú jel különböző frekvenciákra van hangolva. Végül egy mikrohullámú frekvenciát találunk, amely megváltoztatja a legtöbb cézium Atom állapotát, és maximalizálja fluoreszcenciáját. Ez a frekvencia a cézium atom természetes rezonancia frekvenciája (9,192,631,770 Hz), vagy a második meghatározásához használt frekvencia.

a lézerhűtés és a szökőkút kialakítása lehetővé teszi a NIST-F1 számára, hogy hosszabb ideig megfigyelje a céziumatomokat, így elérve példátlan pontosságát. A hagyományos céziumórák másodpercenként több száz méteren mozgó szobahőmérsékletű atomokat mérnek. Mivel az atomok olyan gyorsan mozognak, a megfigyelési idő néhány milliszekundumra korlátozódik. A NIST-F1 más megközelítést alkalmaz. A lézerhűtés az atomok hőmérsékletét néhány milliomod fokkal az abszolút nulla fölé csökkenti, hősebességüket pedig másodpercenként néhány centiméterre csökkenti. A lézerrel lehűtött atomok függőlegesen indulnak, és kétszer haladnak át a mikrohullámú üregen, egyszer felfelé, egyszer lefelé. Az eredmény egy körülbelül egy másodperces megfigyelési idő, amelyet csak az atomok földre húzásának gravitációs ereje korlátoz.

amint azt sejteni lehet, a hosszabb megfigyelési idők megkönnyítik a mikrohullámú frekvencia beállítását. A mikrohullámú frekvencia jobb hangolása a cézium rezonancia frekvenciájának jobb felismeréséhez és szabályozásához vezet. Természetesen a továbbfejlesztett frekvenciavezérlés a világ egyik legpontosabb órájához vezet.