Alexander Kuklev (akuklev) wrote,
Alexander Kuklev
akuklev

Categories:

О часах.

Механические часы в общем-то состоят из трёх деталей:
– Маятника: в настенных часах он качается, в компактных часах это вращательный маятник на пружинке.
– Счётчика колебаний: В механических часах каждый раз, как маятник проходит через центральное положение, специальная шестерёнка соскакивает с замочка и поворачивается на один шаг. Каждые n шагов она поворачивает секундную стрелку на одно деление (1/60 оборота), минутную на 1/3600 оборота и часовую 1/43200 оборота.
– Компенсатора затухания: зачастую совмещён со счётчиком, каждое колебание сообщает маятнику энергию, поглощённую затуханием. Энергия берётся из гирек или пружины завода.

Так вот, электронные часы устроены почти что так же. У них есть маятник — это просто колебательный контур. У них есть счётчик. Обычно это цифровой счётчик, то есть микросхемка из транзисторов. Она, как и в аналоговом случае, считает, когда напряжение в определённом месте контура проходит через ноль. Конечно же, контур нужно подпитывать, чтоб на затухал. Однако нужен в электронных часах один элемент, которого в механических не было. Дело в том, что частота электронного колебательного контура очень уж сильно зависит от малейших неточностей конструкции да внешних наводок. Поэтому надо контур стабилизировать.

В кварцевых электронных часах (то есть, практически во всех) для этого используется кристалл кварца. Эта штука под воздействием переменного электрического тока начинает вибрировать. И при этом у неё есть резонансная частота вибрации, очень жёсткая, 32768 Гц. Этот кристаллик вводят в контур и при помощи обратной связи добиваются, чтобы его частота автоматически корректировалась при отклонении от резонансной.

Вместо кварца можно использовать что угодно с жёсткой резонансной частотой. Но так, чтобы колебательный контур и счётчик успевал. Конечно, перед счётчиком можно поставить один или несколько аналоговых уполовинивателей частоты, но при этом точность ухудшается. Уполовиниватели, это ведь просто дополнительные колебательные контуры, у которых вторая гармоника синхронизирована с входным сигналом. В общем, до середины девяностых годов это были частоты не выше микроволнового диапазона, то есть в пределах десятков гигагерц.

Самый надёжный источник фиксированной часты в этом диапазоне — сверхтонкий переход (переход электрона между определёнными состояниями возбуждения) в отдельном атоме. Часы, работающие на этом принципе, называют атомными. Вместо кристалла кварца берут подстраиваемую микроволновую полость наполненную газом из нужных и добиваются максимальной амплитуды колебаний в районе частоты выбранного перехода. Можно вместо полости использовать немного более тонкие технологии, но суть от этого не меняется. Так получается зафиксировать частоту с точностью достаточной для отклонений не больше секунды за десять миллионов лет. Особенно если газ очень сильно охладить, ведь температура вносит неточность (движение атомов приводит к смещению частоты в виду эффекта Допплера). В атомных часах, задающих нынешний эталон секунды, используется переход цезия-133, отвечающий частоте 9.19263177 ГГц. Атомные часы на базе водорода и рубидия производятся довольно массово в настольном форм-факторе и вполне доступны для крупных лабораторий финансово. Атомные часы на базе цезия-133 производятся мелкосерийно в форм-факторе “шкаф” и применяются в основном в национальных центрах стандартизации для калибровки всего остального и ведущих лабораториях, где измеряют всякие природные константы.

В конце 1990ых/ранних 2000ых появились транзисторы, способные работать так быстро, что можно сделать надёжный счётчик, работающий с частотами до 700 ГГц. Чтобы использовать потенциал таких счётчиков, девятигигагерцового перехода цезия уже мало, надо что-то покруче. Да и аналоговые колебательные контуры при таких частотах прилично шумят. Надо считать что-то другое. Например, считать импульсы импульсного лазера. Лазеры с частотой повторения импульса в диапазоне 20-400 ГГц сейчас как раз умеют делать. Пара слов о том, как такие лазеры работают. (Очень грубое описание.) Лазер состоит из рабочего тела, помещённого в оптический резонатор. Оптический резонатор имеет дискретные моды весьма узкой спектральной ширины. Рабочее тело имеет резонансный пик, он существенно шире спектральной ширины мод резонатора. В типичном случае спектр лазера (более или менее соответствующий форме резонансного пика рабочего тела) содержит в себе от трёх мод резонатора до нескольких сотен. Если в рабочее тело поместить специальный нелинейный кристаллик, который бы сдвигал фазы мод в зависимости от их частоты, можно получить биение. Таким образом интенсивность на выходе большую часть времени близка к нулю и только раз в какой-то период времени становится очень высокой. Вот вам и импульсные лазер. Причём частота биений (то есть повторения импульсов) стабильно зависит от рабочей частоты лазера и ниже этой частоты в тысячи раз. Так что если каким-то образом жёстко зафиксировать частоту лазера, мы получим жестко фиксированную частоту биений, которые можно будет считать и получить таким образом часы особо хорошей точности. Их иногда называют квантовыми часами, иногда оптическими атомными часами.

Для фиксации частоты лазера лучше всего использовать объект, абсорбирующий излучение на этой частоте. Причём, чтобы достичь высокой точности, нужно
– использовать высокочастотные переходы между очень стабильными уровнями; тогда естественная ширина спектральной линии минимальна.
– полностью исключить неточность от соударения атомов. Например, использовать в качестве частотного эталона один отдельный ион в ионной ловушке. Тем более, что такие ионы удобнее всего остужать до микрокельвинов. Либо использовать переходы не в атомной оболочке, а в ядре: соударения атомов практически не оказывают эффекта на их ядра.

Оба подхода сейчас активно используются и исследуются. В первом случае используют ионную ловушку с ионом алюминия с особенно узким пиком абсорбции на частоте 1.1 Петагерц, это ультрафиолет, примерно в 100000 раз больше, чем упомянутый пик цезия. Во втором случае используют ядро тория-229, частота 1.83 Петагерц. В обоих случаях теоретически доступная точность составляет менее 1 секунды за 10 миллиардов лет (возраст вселенной сейчас оценивается в 13.75). Практически пока была достигнута точность, дающая отклонение менее 1 секунды за 3 миллиарда лет, это были часы на ионе алюминия, сделанные в NIST в январе 2010.

В самом скором времени следует ожидать перехода на новое определение секунды при помощи нового эталона часов. Ждут, пока из технологии будет выжат максимум точности, и пока научатся делать часы мелкосерийно в приемлемом форм-факторе (настольно-чемоданном). Ну и опять же ждут, кто выиграет гонку: алюминий или торий.
Subscribe

  • Прогресс

    Десять дней назад, вторая ступень SpaceX'овского корабля Starship своим ходом слетала своим ходом на десять километров вверх, и усмепшно приземлилась…

  • О водосбережении

    Как известно, питьевая вода во многих странах дефицитный ресурс. И даже в дождливой Германии летом иногда случаются засухи, в результате которых она…

  • 36

    Традиционный деньрожденный пост. Год выдался необычный. :)

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 9 comments