Atomuhren und wie man sie synchronisiert

Der von Ihnen zitierte Wikipedia-Artikel erklärt, wie Atomuhren funktionieren, aber ich muss zugeben, dass all diese Erklärungen für den Nicht-Nerd etwas verwirrend sind. Ich werde versuchen, die wichtigsten Punkte herauszugreifen.

Angenommen, Sie erzeugen ein Mikrowellensignal mit einer Frequenz von 9 GHz. Wenn Sie dann 1 Sekunde messen möchten, zählen Sie einfach$9 \times 10^9$Zyklen der Mikrowelle und das gibt Ihnen eine Sekunde. Nehmen Sie umgekehrt an, Sie möchten etwas timen. Sie beginnen mit dem Zählen der Mikrowellenzyklen, wenn Ihre Veranstaltung beginnt, und hören mit dem Zählen auf, wenn sie endet. Wie viele Zyklen Sie auch zählen, Sie teilen diese einfach durch$9 \times 10^9$und das gibt Ihnen die Zeit in Sekunden.

Das Problem ist, dass dies nur funktioniert, wenn Sie absolut sicher sind, dass Ihre Mikrowelle genau 9 GHz hat. Eine Atomuhr nutzt die Tatsache, dass Cäsiumatome Energie bei genau 9,192631770 GHz absorbieren. Was Sie also tun, ist, Ihren Mikrowellenstrahl durch ein Gas aus Cäsiumatomen zu strahlen und die Frequenz anzupassen, bis die Cäsiumatome beginnen, es zu absorbieren. Dann wissen Sie, dass seine Frequenz genau 9,192631770 GHz beträgt, und Sie können ihn als zuverlässigen Timer verwenden.

Das ist es, was Atomuhren tun, obwohl die technischen Details, wie Sie sich vorstellen können, extrem kompliziert werden können. Schauen Sie sich diesen NIST-Artikel an , um eine gute Beschreibung auf populärer Ebene zu erhalten, wie es in der Praxis gemacht wird.

Atomuhren werden miteinander synchronisiert, indem sie GPS verwenden und sich gegenseitig Synchronisationssignale senden. Tatsächlich werden etwa 200 Atomuhren, die alle miteinander synchronisiert sind, verwendet, um die Internationale Atomzeit zu definieren .

Manchmal ist die Inversionsfrequenz eines Moleküls (z. B. NH3) so scharf, dass sie als sichere Information über die Zeit verwendet werden kann. Manchmal ist die Schwingung eines Moleküls scharf genug, manchmal ist die Rotation einer Spitze scharf genug, um sie als primären Standard zu verwenden. Sie müssen Temperatur und Druck kennen.

Sie müssen die Entfernung kennen, wenn das Sync-Signal ankommt, dann berechnen Sie aus dem relativistischen Ansatz. Denken Sie auch an die geschätzte Rechenzeit.

Angesichts Ihrer Bezugnahme auf eine 9-GHz-Uhr kann man davon ausgehen, dass Sie von einer primären Cäsium-Referenzstandarduhr wie der HP5071 oder einer ähnlichen sprechen.

Diese Uhren basieren auf der von Isador Rabi entdeckten und praktisch umgesetzten Physik der Magnetresonanz, für die er 1944 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Dies führte zum Stern-Gerlach-Experiment, das das Kernphysikpaket einer Cäsium-Primärstandard-Atomuhr bildet. Ich erwähne hier den Primärstandard, da es andere Cäsiumuhren gibt, die keine Primärstandards sind und Techniken wie das kohärente Populations-Trapping verwenden, um ihre Uhr zu realisieren. Auch Stern erhielt 1943 den Nobelpreis, allerdings nicht für das Stern-Gerlach-Experiment.

Das grundsätzlich beschriebene Stern-Gerlach-Experiment ist ein Massenspektroskopie-Experiment, das zwischen Atomen mit unterschiedlichen Spinmomenten unterscheiden kann. Im ursprünglichen Experiment verwendete Stern Silber, jedoch eignet sich Caseium besser für eine Uhr, da es zwei und nur zwei Grundzustände gibt. Caseium wird im Vakuum in einem Ofen erhitzt, der einen Strahl von Cäsiumatomen erzeugt, die aus dem Ofen durch einen ersten Magneten entweichen, der sie durch einen Mikrowellenhohlraum auswählt (lenkt), der auf 9192 ... MHz eingestellt ist, was der "Definition" von entspricht eine Sekunde. Dadurch werden die Caseiumatome in den gewünschten hyperfeinen Zustand gepumpt, der aus dem Mikrowellenhohlraum durch einen zweiten Magneten austritt, der Resonanzatome zu einem Detektor lenkt, wo sie gezählt werden. Nicht resonante Atome werden vom Detektor weggelenkt und nicht gezählt. Durch sorgfältiges Variieren der Frequenz des 9192 MHz-Mikrowellenfelds und Beobachten der Intensität (Zählung) der Cs-Atome am Detektor wird eine Rückkopplungsschleife eingerichtet, die die Mikrowellenfrequenz direkt mit der Resonanz des Cs-Atoms in dem verknüpft Wunschzustand. Das Maximieren der Intensität der detektierten Cs-Atome durch Variieren der Mikrowellenfrequenz liefert tatsächlich einen "Zählwert" von 9192 ... MHz aus der SI-Definition.

Diese Mikrowellenfrequenzquelle ist somit an Atome gebunden und kann auf die Ausgangsfrequenzen heruntergeteilt werden, die normalerweise von einem Cs-Referenztakt geliefert werden (typischerweise 10 MHz, 5 MHz und 10,24 MHz). Normalerweise wird auch ein 1 PPS-Impuls (einmal pro Sekunde) bereitgestellt, der genau ist eine kleine Anzahl von ns. Die Stabilität einer primären Cs-Referenzuhr weist eine Allen-Abweichung von etwa 10^15 auf. Dies wird nur von Wasserstoffmasern bei 10^17 und neueren optischen Uhren übertroffen, die eine noch bessere Stabilität aufweisen. Nicht schlecht für eine Technologie, die in den 1920er Jahren erfunden und erstmals 1955 von Louis Essen und Jack Parry als Uhr realisiert wurde. Die Cs-Uhr war älter als eine NH3-Uhr bei NIST (damals NBS) im Jahr 1949, aber sie war weniger genau als Quarz die Zeit.

Der primäre Cs-Referenzstandard (z. B. HP5071a) muss nicht kalibriert werden, da er direkt auf der Physik beruht. Da es sich jedoch um ein mechanisches System handelt, müssen viele systemische Aspekte berücksichtigt werden, z. B. die Stabilität der Ofentemperatur, die Qualität der Mikrowellenquelle, die Fähigkeit, die Mikrowellenfrequenz zu steuern, die physikalischen Eigenschaften des elektronische Komponenten, die verwendet werden, um die Mikrowellenfrequenz in Ausgangsfrequenzen und eine Vielzahl anderer aufzuteilen. Theoretisch sollte eine richtig konstruierte Cs-Uhr gleich der nächsten sein, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie wahr das ist, kann man die Leistung der Uhrenensembles in den verschiedenen nationalen Labors wie NIST und USNO vergleichen.

Was den Synchronisationsaspekt Ihrer Frage betrifft, so werden die Zeitskalen-Ensembles wie NIST und USNO, wie mir Judah Lavine von NIST erklärt hat, tatsächlich nicht gesteuert (synchronisiert). Die Uhren laufen alle mit ihrer Eigenfrequenz, manche schneller, manche langsamer als die theoretische. Diese Messungen werden dann kombiniert, um eine gewichtete durchschnittliche Papierzeitskala zu erzeugen, die dann verwendet wird, um ein physisches Gerät zu steuern, das die Papierzeitskala realisiert. Dieses zweite geseerte physische Gerät wird dann als Referenz verwendet und von den Zeitdiensten verteilt. Durch die Verwendung einer ausreichend großen Anzahl von Uhren in Ihrem Ensemble wird die Variation über die Uhren hinweg effektiv gemittelt und der gewichtete Durchschnitt tendiert zur wahren Papierzeitskala.

Für Benutzer der Zeitskala ist die Situation jedoch anders. Die Uhren eines Zeitskalenbenutzers (z. B. eines weit entfernten Observatoriums oder jemand, der versucht, die GPS-Navigation zu verwenden) müssen mit der gleichen Rate (synchron (gleiche Frequenz oder Ton)) und synchron (Anzeige der gleichen Zeit) ticken - für eine Primäruhr Referenzstandarduhr wie eine Cs-Uhr oder ein Hg-Maser - die Annahme ist, dass das Physikpaket die syntonische Anforderung abdeckt - deshalb werden sie als primär bezeichnet. Der synchrone Aspekt wird durch eine Vielzahl von Diensten verwaltet, zum Beispiel Common-View-GPS, Zwei-Wege-Satellitenzeitübertragung (TWSTT) (ausgesprochen „Twist“) oder physikalische Zeitübertragung unter Verwendung einer Reiseuhr.

Ursprünglich war der einzige Mechanismus zur Zeitübertragung die Reiseuhr. Der Reisende wurde zu Beginn auf die Hauptuhr gestellt, bis zur Ankunft an der Zieluhr ungestört gelassen und die Zieluhr auf die auf der Reiseuhr angezeigte Zeit „gestellt“. Die Aktualisierungshäufigkeit war durch die Geschwindigkeit, mit der die Reiseuhr bewegt werden konnte, und die Einschränkung der Reisekosten begrenzt.

Von den 1930er bis in die 1950er Jahre bot Western Union einen Zeitdienst an, um Uhren automatisch zu synchronisieren, indem Signale verwendet wurden, die über Telegrafenleitungen übertragen wurden. Die Zeitquelle war das US Naval Observatory und wurde einmal pro Stunde synchronisiert, wenn ein Impuls an die Uhr übertragen wurde, der die Uhr auf die Stunde zurückstellte. Dies hält die Beobachteruhr auf wenige Sekunden genau wie die Pendeluhren, die damals bei der USNO verwendet wurden (später durch Quarz ersetzt).

Als die zeitliche Rückverfolgbarkeit immer mehr zu einer Anforderung wurde (z. B. für Testlabore, um zu überprüfen, ob ihre Uhren bei der Kalibrierung von Instrumenten mit einem bekannten Standard übereinstimmten), führte NBS - jetzt NIST - Modulationen in die WWV-, WWVB- und WwVH-Sendungen ein, mit denen ein Benutzer seine Uhr synchronisieren kann innerhalb weniger Millisekunden der nationalen Standarduhr. Tatsächlich wurde während der Zeitspanne der „dehnbaren Sekunden“ (1960 (Beginn der Atomzeit) bis 1972 (Einführung der Schaltsekunde) die nominelle 10-MHz-Frequenz von WWV gesteuert, um die richtige Schwingungsfrequenz für eine Uhr widerzuspiegeln – und nicht Starten Sie die Schaltsekunden-Diskussion.

Als die Timing-Anforderungen anspruchsvoller wurden und Atomuhren immer verfügbarer wurden, konnte WWV, obwohl es immer noch nützlich war, die strengsten Anwendungen (wie präzise Navigations- und Astronomieanwendungen wie VLBI) nicht erfüllen. Die anfänglichen Lösungen bestanden darin, reisende Atomuhren zu verwenden, und dies funktioniert gut (die TWSTT-Verifizierung verwendet dies noch heute), die Einschränkungen der reisenden Uhren galten immer noch. Da die meisten Cs-Atomuhren mit Flugzeugen transportiert wurden, gerieten die anspruchsvollsten Benutzer außerdem in Konflikt mit den revativistischen Effekten, die durch das Fliegen einer Atomuhr in der Nähe von Mach 0,6 eingeführt wurden.

Die Lösung war TWSTT, aber dies erfordert teure Hardware an beiden Enden der Verbindung und einen dedizierten Satellitenkanal zwischen der synchronisierenden Station und der Master-Station. Die Lösung war extrem präzise, ​​in einer Installation, die ich persönlich kenne, war das Zeitdelta nach 1 Jahr nur 300ps - ja Pikosekunden.

Allgemeiner Ansicht nach ist GPS auch ein Satellitenübertragungsmechanismus, der jedoch auf die Stabilität der GPS-Konstellation angewiesen ist, um effektiv zu sein. Die Idee ist, dass, wenn zwei Bodenstationen sicher sein können, dass sie dieselbe Teilmenge von GPS-Satelliten beobachten, diese Teilmenge verwendet werden kann, um die wahre Zeit an den beiden Stationen zu bestimmen. Dies setzt voraus, dass die ionosphärischen Effekte von jeder Station berücksichtigt werden. Ohne die Gewährleistung der Stabilität des GPS-Systems durch das GPS-Operationszentrum (GPSOC) wäre dieser Mechanismus weniger effektiv.

Die Übertragung über optische Kabel ist ebenfalls möglich und hat möglicherweise zu einem der größten Oops aller Zeiten geführt, als einige Forscher am CERN ankündigten, dass sie schnellere als leichte Neutrinos beobachtet hatten, nur um herauszufinden, dass ein fehlerhafter optischer Stecker die Ursache für die zeitliche Diskrepanz war.

Es wurden mehrere andere Mechanismen für die Zeitübertragung entwickelt, wobei LORAN, das von den 1940er bis in die 1980er Jahre in Betrieb war, wahrscheinlich der bemerkenswerteste ist.

Referenzen (webbasiert, um leicht zu finden): Anhang A beschreibt die meisten Zeittransferdienste, die heute und in der jüngeren Vergangenheit verwendet werden. http://www.allanstime.com/Publications/DWA/Science_Timekeeping/TheScienceOfTimekeeping.pdf

Die Zeitdienstbeschreibung von Western Union (keine einfache Google-Suche) https://www.kensclockclinic.com/pdf/SWCC%20Historical%20Docs/Western%20Union%20Time%20Service%20Bulletin%2046-B.pdf

Zeitmessung am US Naval Observatory TWSTT - https://www.usno.navy.mil/USNO/time/twstt/what-is-twstt

https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services die NIST Time and Frequency Division in Boulder

Eine Medienbehandlung derselben Themen: http://www2.unb.ca/gge/Resources/gpsworld.nov-dec91.corr.pdf

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