Creditcard: Copyright Geoffrey Wheeler

De Primaire Tijd en Frequentie Standaard voor de Verenigde Staten

het NIST-F1, de natie primair tijd en frequentie standaard is een cesium fontein atoomklok ontwikkeld op de NIST-laboratoria in Boulder, Colorado. NIST-F1 draagt bij aan de internationale groep atoomklokken die Coordinated Universal Time (UTC) definiëren, de officiële wereldtijd. Omdat NIST-F1 een van de meest accurate klokken ter wereld is, maakt het UTC nauwkeuriger dan ooit tevoren.

de onzekerheid van NIST-F1 verbetert voortdurend. In 2000 was de onzekerheid ongeveer 1 x 10-15, maar vanaf januari 2013 is de onzekerheid teruggebracht tot ongeveer 3 x 10-16, wat betekent dat het geen seconde zou winnen of verliezen in meer dan 100 miljoen jaar! De grafiek hieronder laat zien hoe NIST-F1 zich verhoudt tot eerdere atoomklokken gebouwd door NIST. Het is nu ongeveer tien keer nauwkeuriger dan NIST-7, een cesium-atoomklok die diende als de primaire tijd-en frequentiestandaard van de Verenigde Staten van 1993-1999.

Technische Beschrijving

NIST-F1 wordt een fontein klok genoemd omdat het een fontein-achtige beweging van atomen gebruikt om frequentie en tijdsinterval te meten. Eerst wordt een gas van cesium-atomen in de vacuümkamer van de klok ingebracht. Zes infrarode laserstralen worden dan loodrecht op elkaar gericht in het midden van de kamer. De lasers duwen de cesium-atomen zachtjes samen in een bal. Tijdens het maken van deze bal vertragen de lasers de beweging van de atomen en koelen ze af tot temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt.

twee verticale lasers worden gebruikt om de bal zachtjes naar boven te gooien (de “fountain” actie), waarna alle lasers worden uitgeschakeld. Dit kleine duwtje is net genoeg om de bal ongeveer een meter hoog door een magnetron gevulde holte te hokken. Onder invloed van de zwaartekracht valt de bal dan terug naar beneden door de microgolfholte.

De Heen-en terugreis door de microgolfholte duurt ongeveer 1 seconde. Tijdens de reis, kunnen de atomaire toestanden van de atomen al dan niet worden gewijzigd als ze interageren met het microgolfsignaal. Wanneer hun reis is voltooid, wordt een andere laser gericht op de atomen. Die atomen waarvan de atomaire toestand door het microgolfsignaal werd veranderd zenden licht uit (een staat die als fluorescentie wordt bekend). De fotonen, of de kleine lichtpakketten die ze uitzenden, worden gemeten door een detector.

Dit proces wordt vele malen herhaald terwijl het microgolfsignaal in de holte op verschillende frequenties is afgestemd. Uiteindelijk wordt een microgolffrequentie gevonden die de toestand van de meeste cesiumatomen verandert en hun fluorescentie maximaliseert. Deze frequentie is de natuurlijke resonantiefrequentie van het cesiumatoom (9,192,631,770 Hz), of de frequentie die wordt gebruikt om de tweede te definiëren.

De combinatie van laserkoeling en het ontwerp van de fontein maakt het NIST-F1 mogelijk om cesiumatomen gedurende langere perioden te observeren en zo zijn ongekende nauwkeurigheid te bereiken. Traditionele cesium klokken meten kamertemperatuur atomen bewegen met een paar honderd meter per seconde. Omdat de atomen zo snel bewegen, is de observatietijd beperkt tot enkele milliseconden. NIST-F1 gebruikt een andere aanpak. Laserkoeling verlaagt de temperatuur van de atomen tot een paar miljoenste graad boven het absolute nulpunt, en vermindert hun thermische snelheid tot een paar centimeter per seconde. De lasergekoelde atomen worden verticaal gelanceerd en gaan twee keer door een microgolfholte, eenmaal op de weg naar boven en eenmaal op de weg naar beneden. Het resultaat is een observatietijd van ongeveer een seconde, die alleen wordt beperkt door de zwaartekracht die de atomen naar de grond trekt.

zoals je zou kunnen raden, maken de langere observatietijden het gemakkelijker om de microgolffrequentie af te stemmen. De verbeterde afstemming van de microgolffrequentie leidt tot een betere realisatie en controle van de resonantiefrequentie van cesium. En natuurlijk leidt de verbeterde frequentieregeling tot wat een van ‘ s werelds meest accurate klokken is.