kredyt: Copyright Geoffrey Wheeler

podstawowy standard czasu i Częstotliwości dla Stanów Zjednoczonych

NIST-F1, podstawowy standard czasu i częstotliwości kraju, jest zegarem atomowym fontanny cezu opracowanym w laboratoriach NIST w Boulder, Kolorado. NIST-F1-międzynarodowa grupa zegarów atomowych określająca Uniwersalny czas koordynowany (UTC), oficjalny czas światowy. Ponieważ NIST-F1 jest jednym z najdokładniejszych zegarów na świecie, sprawia, że UTC jest dokładniejszy niż kiedykolwiek wcześniej.

niepewność NIST-F1 stale się poprawia. W 2000 r. niepewność wynosiła około 1 x 10-15, ale od stycznia 2013 r. niepewność została zmniejszona do około 3 x 10-16, co oznacza, że nie zyskałaby ani nie straciła sekundy w ciągu ponad 100 milionów lat! Poniższy wykres pokazuje, jak NIST-F1 porównuje się z poprzednimi zegarami atomowymi zbudowanymi przez NIST. Jest obecnie około dziesięć razy dokładniejszy niż NIST-7, zegar atomowy z wiązką cezu, który służył jako podstawowy standard czasu i częstotliwości w Stanach Zjednoczonych w latach 1993-1999.

opis techniczny

NIST-F1 jest określany jako zegar fontannowy, ponieważ wykorzystuje ruch atomów przypominający fontannę do pomiaru częstotliwości i przedziału czasu. Najpierw Gaz atomów cezu jest wprowadzany do komory próżniowej zegara. Sześć podczerwonych wiązek laserowych jest następnie skierowanych pod kątem prostym do siebie w środku komory. Lasery delikatnie pchają Atomy cezu razem w kulę. W procesie tworzenia tej kuli, lasery spowalniają ruch atomów i chłodzą je do temperatury bliskiej zeru absolutnego.

dwa pionowe lasery są używane do łagodnego podrzucania piłki do góry (akcja „fontanna”), a następnie wszystkie lasery są wyłączone. To małe pchnięcie wystarczy, aby przenieść piłkę o metr wysokości przez szczelinę wypełnioną kuchenką mikrofalową. Pod wpływem grawitacji piłka spada z powrotem przez wnękę mikrofalową.

podróż w obie strony w górę iw dół przez jamę mikrofalową trwa około 1 sekundy. Podczas podróży Stany atomowe atomów mogą lub nie mogą zostać zmienione, gdy wchodzą w interakcje z sygnałem mikrofalowym. Po zakończeniu ich podróży kolejny laser jest skierowany na Atomy. Te atomy, których stan atomowy został zmieniony przez sygnał mikrofalowy emitują światło (stan znany jako fluorescencja). Fotony lub małe pakiety światła, które emitują, są mierzone przez detektor.

proces ten powtarza się wiele razy, podczas gdy sygnał mikrofalowy we wnęce jest dostrojony do różnych częstotliwości. Ostatecznie, częstotliwość mikrofalowa znajduje się, że zmienia Stany większości atomów cezu i maksymalizuje ich fluorescencję. Częstotliwość ta jest naturalną częstotliwością rezonansową atomu cezu (9,192,631,770 Hz) lub częstotliwością używaną do określenia drugiej.

połączenie chłodzenia laserowego i konstrukcji fontanny pozwala NIST-F1 obserwować Atomy cezu przez dłuższy czas, a tym samym osiągnąć bezprecedensową dokładność. Tradycyjne Zegary cezowe mierzą Atomy o temperaturze pokojowej poruszające się z prędkością kilkuset metrów na sekundę. Ponieważ atomy poruszają się tak szybko, czas obserwacji jest ograniczony do kilku milisekund. NIST-F1 stosuje inne podejście. Chłodzenie laserowe obniża temperaturę atomów do kilku milionowych części stopnia powyżej zera bezwzględnego i zmniejsza ich prędkość cieplną do kilku centymetrów na sekundę. Chłodzone laserem atomy są uruchamiane pionowo i przechodzą dwa razy przez wnękę mikrofalową, raz w drodze w górę i raz w drodze w dół. Rezultatem jest czas obserwacji około jednej sekundy, który jest ograniczony jedynie przez siłę grawitacji przyciągającą Atomy do ziemi.

jak można się domyślić, dłuższy czas obserwacji ułatwia dostrojenie częstotliwości mikrofalowej. Ulepszone strojenie częstotliwości mikrofalowej prowadzi do lepszej realizacji i kontroli częstotliwości rezonansowej cezu. I oczywiście, ulepszona kontrola częstotliwości prowadzi do tego, co jest jednym z najdokładniejszych zegarów na świecie.