Atomisk ur

Atomisk ur
Cæsiumatomuret "CS 4" fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt i Braunschweig blev sat i drift i 1992. Det har været en udstilling i Braunschweigisches Landesmuseum siden 2005 .
Atomstrålesystem af cæsium atomur CS 1 i Deutsches Museum Bonn

Et atomur er et ur, hvis tidscyklus er afledt af den karakteristiske frekvens for strålingsovergange af elektroner med frie atomer. Tidsvisning af et referenceur sammenlignes løbende med uret og justeres. Atomure er i øjeblikket de mest præcise ure og kaldes også primære ure .

De målte værdier på over 400 atomure på over 60 tid institutter spredt rundt om i verden er sammenlignet ved anvendelse af GPS-tid sammenligninger, og nu i stigende grad bruger to-vejs tid og frekvens sammenligninger (TWSTFT). Resultaterne indsendes til International Bureau of Weights and Measures (BIPM), som danner et vejet gennemsnit af dem, som er grundlaget for International Atomic Time (TAI) udgivet af BIPM.

Det grundlæggende i atomuret blev udviklet af den amerikanske fysiker Isidor Isaac Rabi ved Columbia University , der modtog Nobelprisen i fysik for dette i 1944 . En anden nobelpris i forbindelse med atomure blev i 1989 tildelt den amerikanske fysiker Norman Ramsey for forbedring af måleteknologi i atomkraftovergange.

funktionalitet

Jo mere konstant oscillationen af ​​deres urgenerator er, jo mere præcist kan ure angive tiden. I tilfælde af hjulure er dette pendulet eller balancehjulet ; i tilfælde af et kvartsur er det et oscillerende kvarts, der holder frekvensen af ​​en kvartsoscillator konstant. Atomure anvender atomernes evne til at udsende eller absorbere elektromagnetiske bølger med en bestemt frekvens ved overgang mellem to energitilstande.

I et atomur genererer en temperaturkompenseret kvartsoscillator et skiftevis elektromagnetisk felt, som atomerne udsættes for. Ved en meget specifik frekvens absorberer atomerne en masse energi og udstråler den i andre retninger. Denne resonans bruges til at holde krystaloscillatorens frekvens ekstremt stabil ved hjælp af en kontrolsløjfe : Hvis frekvensen afviger fra resonansen, genkendes dette. Krystaloscillatorens frekvens justeres derefter i overensstemmelse hermed for at opfylde atomernes resonansfrekvens igen. Selve resonansen stabilitet bestemmer nu frekvensstabiliteten for udgangssignalet. Endelig læses tidssignalet fra kvartsuret op.

Historie og udvikling

Før udviklingen af ​​atomure var Riefler præcisionspendeluret det mest præcise ur med en nøjagtighed på ± 4e-4 s / dag. Observatoriet i München Universitetmodtog det første af disse ureden 27. juli 1891. Det blev brugt i over 150 observatorier rundt om i verden. I alt 635 eksemplarer blev lavet i 1965. Den dag i dag har det været det mest præcise mekaniske ur.

Louis Essen og JVL Parry viser cæsiumuret

På grundlag af sine undersøgelser af magnetiske resonansprocesser, der blev udført i 1930'erne, foreslog den amerikanske fysiker Isidor Isaac Rabi , at man skulle bygge et atomur i 1945 . Et første atomur blev konstrueret af Harold Lyons i 1949 ved National Bureau of Standards (NBS) i USA ved hjælp af ammoniakmolekyler som en vibrationskilde . Men da det endnu ikke gav den forventede gevinst i nøjagtighed, blev uret revideret tre år senere og konverteret til brug af cæsiumatomer . Den fik navnet NBS-1 .

1955 blev efterfulgt af et endnu mere præcist cæsiumur fra fysikeren Louis Essen og JVL Parry på National Physical Laboratory i Storbritannien.

På grund af de fremragende rateresultater for disse ure blev atomtiden defineret som den internationale standard for det andet. Siden oktober 1967 er varigheden af ​​et sekund i det internationale enhedssystem per definition […] 9,192,631,770 gange strålingsperioden svarende til overgangen mellem de to hyperfine niveauer af atomtilstanden i atomerne i nuklidet 133 Cs .

I årenes løb er nøjagtigheden af ​​atomure blevet større. I slutningen af ​​1990'erne blev en relativ standardafvigelse til det ideelle SI -sekund på omkring 5 · 10 −15 opnået, og i 2018 var den allerede 10 −16 . Med optiske ure kan præcisionen forbedres med to størrelsesordener; de tillader imidlertid ikke en mere præcis realisering af SI -sekunden, fordi de ikke er baseret på HFS -overgangen fra cæsium og derfor kun kan fungere som sekundære standarder.

Atomure med høj præcision

Cæsium , rubidium , brint og for nylig strontium er de mest almindelige atomer, hvormed atomure drives. Tabellen sammenligner deres egenskaber. Til sammenligning er værdierne for en opvarmet kvartsoscillator, den såkaldte kvartsovn (OCXO) og ammoniak inkluderet.

Type Arbejdsfrekvens
i MHz 		Relativ standardafvigelse for
typiske ure
Kvartsovn (OCXO) 000 000 005 til 10 10 - 08
NH 3 000 023 786 10 −11
133 Cs 000 009 192.631 77 note 1 10 −13
87 Rb 000 006 834,682 610 904 324 10 -15
1 H. 000 001.420.405.751 77 10 -15
Optisk atomur ( 87 strontium) 429 228 004,229 874 10 −17

Udover cæsium, rubidium og hydrogen bruges andre atomer eller molekyler også til atomure.

Cæsium springvand

NIST-F1, amerikansk officiel kilde til tidtagning

I nyere atomure arbejder man med termisk decelererede atomer for at øge nøjagtigheden. I "cæsiefontænet" (Engl.: Cæsiefontæne ) afkøles cæsiumatomer kraftigt til det, at kun cirka en centimeter i sekundet er hurtige. De langsomme atomer accelereres derefter opad med en laser og kørt gennem en ballistisk bane (deraf udtrykket cæsium fountain ). Dette tillader effektiv interaktion tidspunktet for de atomer med de udstrålede mikrobølger, der skal forlænges, hvilket tillader en mere præcis frekvens bestemmelse. Den relative standardafvigelse for cæsiumfontænen NIST-F1 var kun ca. 10 −15 i 1999 ; I 2018 var præcisionen blevet øget til 10 −16 , hvilket svarer til en afvigelse på et sekund om 300 millioner år.

Optisk ur

Frekvensen af ​​en atomresonans måles i et atomur. Jo højere resonansens frekvens er, jo mere præcis er den. Synligt lys har en frekvens omkring 50.000 gange højere end mikrobølgestrålingen, der bruges i cæsium. Af denne grund kan et atomur, der arbejder med optisk resonans, være betydeligt mere præcist. I flere år er der derfor blevet arbejdet med implementering af et optisk atomur, der er mere præcist end de cæsiumure, der i øjeblikket er i brug.

Til dette formål foretages eksperimenter med elementer, der har passende overgange ved optiske bølgelængder. Dette gør det muligt at opnå frekvenser på hundredvis af terahertz i stedet for den konventionelle 9 GHz. I disse forsøg lagres individuelle atomer i et ionbur . En laser stabiliseres ved en smalbåndsovergang. Stabiliteten af ​​frekvensen af ​​dette laserlys overføres derefter til et periodisk elektrisk signal uden tab af nøjagtighed. Dette opnås med en frekvenskam . Den sædvanlige frekvens for det elektriske signal er 10 MHz.

Atomure baseret på optiske gitre blev introduceret i 2001 af Hidetoshi Katori (Optical gitter ur), der demonstrerede dem i 2003 og udviklede dem til en relativ unøjagtighed i tidsmåling på 10 -18 .

I februar 2008 præsenterede fysikere fra JILA i Boulder (Colorado) et optisk atomur baseret på spinpolariserede 87 strontiumatomer , som er fanget i et gitter med laserlys . Ved hjælp af sin bærbare frekvenskam lykkedes det PTB at verificere en frekvens på 429.228.004.229.874 ± 1 Hz. Rekorden var i begyndelsen af ​​2008 på 10 −17 målt på et ultrakølet aluminiumatom.

I august 2013 i et samarbejde med NIST på samme institut, den præcision (ikke at forveksle med nøjagtighed kunne) af en optisk atomur blive forbedret til 10 -18 . Dette blev opnået ved at sammenligne to identiske ure, der er baseret på spinpolariserede atomer som ovenfor, men her på cirka 1.000 ytterbiumatomer hver . Det større antal atomer muliggør en forholdsvis hurtig bestemmelse af ure præcision ved at beregne måledataene i gennemsnit.

På det opnåede præcisionsniveau bliver et væld af effekter synlige, der påvirker den observerede frekvens. Disse omfatter B. Zeeman-effekten , kollisionsinteraktion mellem atomerne, AC-Stark-effekten eller den gravitationsrøde forskydning .

I juli 2012 præsenterede Kina et optisk ur baseret på calciumioner udviklet på Videnskabsakademiet i Wuhan for første gang . Efter USA, Tyskland, Storbritannien, Frankrig, Canada, Østrig og Japan blev Kina det ottende land, der kan udvikle optiske ure.

Atomure i lille format til praktisk brug

Atomur i chipskala fra NIST

En anden udviklingslinje udover ure med høj præcision er konstruktionen af ​​billige, små, lettere og energibesparende ure, f.eks. B. til brug i satellitter af satellitnavigationssystemer såsom GPS , GLONASS eller Galileo for at øge positioneringsnøjagtigheden . I 2003 var det muligt at bygge et rubidium atomur, der kun fylder 40 cm³ og bruger en elektrisk effekt på en watt. Derved når den en relativ standardafvigelse på ca. 3 · 10 −12 . Dette svarer til en afvigelse på et sekund på 10.000 år. Det betyder, at uret er meget mere unøjagtigt end de store stationære atomure, men betydeligt mere præcist end et kvartsur. (Nøjagtige, ikke-temperaturkompenserede kvartsure har en afvigelse på omkring et sekund på en måned. Sammenlignet med disse er dette lille atomur 120.000 gange mere præcist.)

Hydrogenmaserure til stimulering af svingningen er også meget præcise, men vanskeligere at betjene. Den første brintmaser i jordens kredsløb blev transporteret i kredsløb på Galileo-navigationssatellitten Giove-B den 27. april 2008 som en tidsbase for lokalitetsbestemmelse.

Atomure i integrerede kredsløb

I 2011 kom et bærbart atomur i Chip Scale (CSAC) med en volumen på 17 cm³ på det civile marked til en pris på $ 1500.

I 2018 blev forskningsresultater offentliggjort på MIT, der beskriver et integreret atomur i subterahertz -området baseret på carbonylsulfid .

Atomisk ur

En yderligere stigning i præcision forventes fra et ur, der bruger det eksiterede niveau af en atomkerne i stedet for atomskallen . Atomkernen er cirka ti tusinde gange mindre end elektronskallen og derfor meget mindre modtagelig for elektromagnetiske interferensfelter. For at niveauet kan ophidses med laserlys, må excitationsenergien kun være et par elektronvolt , en ekstremt lille værdi for kerner. Den eneste kendte kandidat til dette, et niveau i nuklidet thorium-229 , blev målt så præcist i september 2019, at konstruktionen af ​​et så mere præcist atomur kunne bevæge sig ind i mulighedsområdet.

Anvendes i Tyskland, Østrig og Schweiz

Atomur CS2 i PTB

I Tyskland er fire atomure i drift på Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i Braunschweig , herunder to "cæsiumfontæner" i regelmæssig drift. Cæsiumuret CS2 har leveret tidsstandarden for sekunder af lovlig tid siden 1991 . Radioure kan modtage denne gang via tidssignalsenderen DCF77 ; den er også tilgængelig på Internettet via NTP .

I Østrig driver Federal Office for Metrology and Surveying (Laboratory for Frequency, Time) flere atomure. Hoveduret leverer UTC (BEV). Computere kan modtage denne gang fra Stratum 1 -serverne via NTP.

METAS cæsium springvand FOCS-1

I Schweiz , den Laboratoriet for tid og frekvens af det føderale kontor for metrologi (METAS) driver flere atomure, som den schweiziske atomare tid TAI (CH) holdes, og den schweiziske verden tid UTC (CH) beregnes. Dette kan forespørges via internettet ved hjælp af NTP -protokollen . Indtil 2011 kunne radioure også modtage dette tidssignal via HBG -tidssignalsenderen .

anvendelsesområder

Atomure bruges på den ene side til den nøjagtige tidsmåling af processer, på den anden side til den nøjagtige tidsbestemmelse og koordinering af forskellige tidssystemer og skalaer. Således er den internationalt udpegede atomtid (TAI) med den astronomiske tid (produceret f.eks. Ved at matche UT1 ), den koordinerede universelle tid (UTC). I Centraleuropa modtager radioure det UTC-baserede tidssignal via DCF77-senderen stationeret i Tyskland . Den britiske pendant er kanalen Læger uden Grænser .

Anvendelseseksempler

  • Cæsiumurmodellen 5071A, oprindeligt udviklet af Hewlett-Packard og senere solgt af Agilent, derefter Symmetricom og endelig Microsemi, bruges i mange standardinstitutter rundt om i verden. B. i atomurlaboratoriet i US Naval Observatory .
  • I Atomic Clock Ensemble in Space (ACES), en del af Columbus rumlaboratorium , skal to cesiumatomure testes til brug på Galileo.
  • Rubidium ure kan fremstilles i kompakte dimensioner og billigt. De bruges i sektorerne telekommunikation, energiforsyning og kalibrering i industrien. En meget sofistikeret model fungerer i den nyeste generation af satellitter i GPS -navigationssystemet.
  • En rubidiumoscillator stabiliserede bærefrekvensen for langbølgeradiostationen Donebach .
  • De gang impulser talrige atomure gøres frit tilgængelig for alle på internettet ved hjælp af Network Time Protocol (NTP).
  • Rubidium ure anvendes i høj kvalitet ord clock generatorer til at synkronisere grupper af digitale lydenheder med hinanden.

litteratur

  • C. Audoin og J. Vanier: Atomfrekvensstandarder og ure . Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1976.
  • Rexmond D. Cochrane: Measures for Progress: A History of the National Bureau of Standards . Det amerikanske handelsministerium, Washington DC 1966.

Weblinks

Commons : atomur  - samling af billeder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Atomic clock  - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. ↑ Fire primære PTB -ure bidrager til verdens tid. (Ikke længere tilgængelig online.) PTB, april 2010, arkiveret fra originalen den 8. december 2015 . ;
  2. ↑ International Atomic Time (TAI) timeanddate.de
  3. ↑ GPS -tidssammenligninger på PTB -webstedet
  4. ↑ To-vejs sammenligninger af tid og frekvens (TWSTFT) på PTB's websted
  5. ↑ Tid - Nøgleprodukter fra BIPM Time Department på BIPM's websted
  6. ↑ Fritz von Osterhausen: Callweys leksikon . Callwey, München 1999, ISBN 978-3-7667-1353-7 . S. 24
  7. ↑ a b c Funktionalitet og typiske tekniske erkendelser af atomure . Arbejdsgruppe 4.41 i PTB. 11. juni 2015. Hentet 26. april 2016.
  8. ↑ a b c En kort historie om atomure ved NIST . NIST. Hentet 12. december 2010.
  9. ↑ Tidsenhedens historie / Definitionen på sekunder fra 1967 . Arbejdsgruppe 4.41 i PTB. 2003. Hentet 13. december 2010.
  10. ↑ a b c Rapport fra den 26. generalkonference om vægte og mål , 2018, side 70 (fransk) og side 347 (engelsk), åbnet den 7. oktober 2020
  11. ↑ BIPM -dokument (PDF; 207 kB)
  12. ↑ Måling af frekvensen af ​​et optisk atomur og dets transmission via glasfiber , PTB. 2007. Hentet 13. december 2010. 
  13. ^ Michael Banks: Nyt optisk ur lover øget nøjagtighed (en) . I: physicsworld.com , 5. oktober 2008. Arkiveret fra originalen den 19. oktober 2011. Hentet den 12. december 2010. 
  14. ^ N. Hinkley, JA Sherman, NB Phillips, M. Schioppo, ND Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, CW Oates, AD Ludlow: Et atomur med 10-18 ustabilitet. I: Videnskab. 341, 2013, s. 1215-1218, doi: 10.1126 / science.1240420 .
  15. ↑ Kinas unikke første optiske ur. ( Memento af 15. juli 2012 i internetarkivet ). Xinhua, 12. juli 2012.
  16. ↑ Giove-B blev lanceret med succes , German Aerospace Center . 27. april 2008. Hentet 12. december 2010. 
  17. ^ Sandia Labs Nyhedsudgivelser. Sandia National Laboratories, 2. maj 2011, åbnede 28. april 2013 .
  18. ^ C. Wang, X. Yi, J. Mawdsley et al.: Et fuldt elektronisk molekylært ur på chip baseret på sub-terahertz rotationsspektroskopi. Nat Electron 1, 421-427 (2018). https://doi.org/10.1038/s41928-018-0102-4
  19. ↑ Nadja Podbregar: Første skridt mod atomkerneuret. I: scinexx.de. 13. november 2019, adgang til 4. oktober 2020 .
  20. ↑ Benedict Seiferle, Lars von der Wense, Pavlo V. Bilous, Ines Amersdorffer, Christoph Lemell, Florian Libisch, Simon Stellmer, Thorsten Schumm, Christoph E. Düllmann, Adriana Pálffy & Peter G. Thirolf: Energi af 229 Th nukleare ur overgang . I: Naturen . tape 573 , 2019, s. 243-246 , doi : 10.1038 / s41586-019-1533-4 . , se også spejl online
  21. ↑ Takahiko Masuda, Koji Yoshimi, Akihiro Fujieda: Røntgenpumpning af 229 th atomur- isomeren . I: Naturen . Født i 2019, nr. 573 , 12. september 2019, s. 238–242 , doi : 10.1038 / s41586-019-1542-3 (engelsk).
  22. ↑ nuClock - projekt til udvikling af et atomur
  23. ↑ Siden hvornår har det første atomur kørt på PTB? PTB, november 2010 .;
  24. ↑ Særlige ure: det mest præcise ur i Schweiz . I: swissworld.org . Tilstedeværelse Schweiz. Hentet 13. december 2010.
  25. ↑ Cæsium ur model 5071A: producentens websted Microsemi