Wie messen Cäsium-Atomuhren die Zeit?

Ich versuche, Cäsium-Atomuhren besser zu verstehen.

Ich verstehe nicht, WIE die Cäsiumschwingung tatsächlich gezählt wird.

Also nach meinem Verständnis einer älteren Atomuhr:

  1. Cäsium wird erhitzt.

  2. Erhitztes Cäsium geht durch Magnete.

  3. Angeregte Cäsiumatome werden verworfen und nicht angeregte Cäsiumatome werden mit Mikrowellenstrahlung bei etwa 100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000... 9 , 192 , 631 , 770 H z .

  4. Dies regt Elektronen auf das obere Energieniveau der Hyperfeinaufspaltung an 6 S orbital.

  5. Elektronen, die angeregt werden, treffen auf einen Detektor, und das Verhältnis zwischen diesen und der Gesamtzahl, die in die Mikrowellenkammer eintritt, wird berechnet, anschließend wird die Frequenz des Mikrowellengenerators eingestellt, um das höchste Verhältnis zu erreichen. Bis zu diesem Punkt haben wir nur gemessen, dass Cäsium zwei Energieniveaus hat, die durch eine gewisse Energie getrennt sind,

    E Photon   =   H F   =   H × 9 , 192 , 631 , 770 H z ,
    Wo H ist die Plancksche Konstante und F ist die Frequenz eines Photons.

So toll – aber wie wird das eigentlich gezählt? Gibt es irgendwo ein Gerät, das sagt – ah ok, maximale Cäsiumatome werden angeregt, fangen wir an zu zählen … fangen wir an zu zählen, was aber?!? Und welches Gerät führt die eigentliche Zählung durch, wie in: 1 , 2 , 3 , 4 , ..., 9 , 192 , 631 , 770 , und dann sagen, BOOM , das ist eine Sekunde.

Ich bin mir nicht sicher über den neuesten Stand der Technik, aber die übliche Methode, so etwas zu tun, besteht darin, Ihren guten alten Oszillator zu verwenden, der für die Uhr nicht so genau ist, und die eingestellte Frequenz des Mikrowellengenerators als zu verwenden Rückkopplungssignal, um die Frequenz des Oszillators einzustellen.

Antworten (2)

Heutzutage ist es sinnvoll, einen echten Digitalzähler zu bauen, der mit 10 GHz arbeitet. Trotzdem könnten Sie lieber einen Vorteiler verwenden, um diese Frequenz auf 1/4 oder 1/8 der Mikrowellenfrequenz herunterzuteilen, bevor Sie tatsächlich mit dem Zählen der Zyklen beginnen.

In früheren Zeiten haben Sie Ihr 10-GHz-Signal möglicherweise durch Multiplizieren einer niedrigeren Frequenz (vielleicht im Hunderterbereich von MHz?) Generiert, und Sie haben diese niedrige Frequenz eingestellt, um die Mikrowellenfrequenz anzupassen. Dann würden Sie die Zyklen der niedrigeren Frequenz zählen, um ein gewünschtes Zeitintervall abzumessen. (Beachten Sie, dass ich nicht weiß, wie frühe Atomuhren entworfen wurden, dies ist nur eine praktische Möglichkeit, dies zu tun.)

Bearbeiten:

Das Hewlett-Packard Journal vom Juli 1968 ( hier online ) gibt dieses Blockdiagramm dafür, wie damals ein Rubidium-Frequenznormal gebaut wurde:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Meine Vermutung lag also nicht weit daneben.

Soweit ich weiß, geben kommerzielle Atomuhren normalerweise einen 10-MHz-Takt als Ausgang aus und geben dem Benutzer niemals ihren 9,19-GHz-Takt (oder 6,83 GHz im Fall von Rubidium) preis.

Die Zählung erfolgt durch den Signalgenerator.

Die Uhr enthält einen Signalgenerator, der das 9.192.631.770-Hz-Signal erzeugt, das zum Mikrowellensender geht. Dieser Generator enthält einen Zähler, der jeden Zyklus zählt, den der Generator erzeugt (obwohl er, wie The Photon sagt, möglicherweise einen Prescaler verwendet).

Aber das scheint kreisförmig zu sein – woher weiß der Signalgenerator, was 9.192.631.770 Hz ist, wenn er noch nicht weiß, was eine Sekunde ist. Wenn es dann wüsste, was der Sinn der Cäsium-Sache überhaupt wäre.
@renegade: Der Signalgenerator weiß nicht, um welche Frequenz es sich handelt, er weiß nur, dass seine Frequenz die maximale Absorption durch den Cäsiumdampf ergibt. Es zählt seine Zyklen, und unsere Interpretation ist, dass, wenn der Signalgenerator auf maximale Absorption eingestellt ist, 9.192.631.770 seiner Zyklen eine Sekunde ausmachen.
Letzte Frage, was genau ist das Radfahren im Signalgenerator - was zählt es?
@renegade: Der Signalgenerator erzeugt eine oszillierende Spannung. Das Zählen zählt nur, wie oft die Spannung durch einen vollständigen Zyklus oszilliert.
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