Об атомных (или квантовых) часах многие что-то да слышали. А вот миниатюрные версии менее известны.
В русскоязычной Вики им посвящен всего один крошечный абзац с устаревшей информацией. Довольно странно, учитывая, что они весьма широко используются в современной технике. Начнем хотя бы с того, что по атомным часам сверяют время спутники связи GPS.
Миниатюрные атомные часы применяются там, где крайне важно поддерживать высокую стабильность частоты: в авиакосмической отрасли, навигации, телекоммуникации, телерадиовещании, магнитно-резонансной томографии и спектроскопии и т.д.
Появились миниатюрные атомные часы не так давно - коммерчески доступные цезиевые часы впервые выпустила американская фирма Symmetricom в 2011 году. Рубидиевые часы появились на рынке пару лет назад.
Миниатюрные атомные часы подразделяют на MAC (Miniature Atomic Clock - миниатюрные атомные часы) и CSAC (Chip Scale Atomic Clock - атомные часы размером с чип).
Дисперсия Аллана характеризует стабильность частоты в течение короткого промежутка времени т.
Дрейф частоты характеризует, на сколько Гц отклонится частота генератора от номинальной за длительный промежуток времени.
Как видно, MAC на порядок стабильнее CSAC, но немного крупнее и потребляют больше энергии.
Но даже "менее стабильные" атомные часы начнут отставать или спешить всего на 1 секунду аж через миллионы лет работы.
Разделить атомные часы можно также по типу квантового дискриминатора:
1) Цезиевые - наиболее точные, что неудивительно, учитывая, что по системе СИ секунда определяется как 9 192 631 770 периодов излучения цезия-133.
2) Рубидиевые - менее стабильные на "длинных дистанциях", но более распространенные из-за меньших габаритов и цены. Частота излучения рубидия-87 равна 6 834 682 611 Гц.
Принцип работы атомных часов довольно сложно объяснить, но я попробую:
Основная часть - это квантовый дискриминатор, вещество, атомы которого обеспечивают стабильные колебания.
Под колебаниями подразумевается микроволновое излучение, возникающее при переходе электронов между двумя сверхтонкими структурами (энергетическими уровнями) атома дискриминатора.
Также в часах имеется кварцевый генератор с подстраиваемой частотой.
Частота его колебаний постоянно сравнивается с частотой дискриминатора и подстраивается с помощью схемы обратной связи. Сигнал генератора усиливается, частота делится до 1 Гц.
Современные модели атомных часов используют лазеры.
В корпусе часов находится капсула с испаренным дискриминатором, которую просвечивает полупроводниковый инфракрасный лазер, модулируемый микроволновым генератором.
Луч, прошедший через капсулу, попадает на фотодетектор. Если частота модуляции лазера такая же, как у дискриминатора, выход детектора будет больше из-за резонанса. Сигнал с фотодетектора идет на схему обратной связи, которая подстраивает частоту модуляции для поддержания резонанса.
Сигнал с генератора усиливается и делится цифровыми счетчиками до 1 Гц и выводится на выходы часов.
