Из схемы вы можете понять, что высококачественный кварцевый генератор является источником колебаний, из которых получают сигнал времени. Генератор работает на частоте 5 МГЦ, его сигнал умножается до 62 190 МГц, ведь умножитель не может умножить на дробь. Частота ядерных колебаний стронция, используемых для часов, по данным на основе стандарта NICT –CsF1 составляет 62 188 134 004 - 62 188 134 010 колебаний в секунду, точнее измерить нельзя на эталонных цезиевых часах, они работают на 9 ГЦ. Модулированный низкой частотой сигнал идёт в атомный резонатор, устройство которого объяснять очень долго, который выдаёт модулированный разностный сигнал. Модулированный разностный сигнал детектируется и выделенное на детекторе постоянное напряжение управляет напряжением питания кварцевого генератора (Voltage control).
Получается, что ядерные часы - это всего лишь кварцевый генератор с обратной связью коррекции частоты от атомного резонатора. И точность ядерного резонатора не может быть выше точности эталонных ядерных часов, которые в свою очередь настраивали, как оказывается, ещё по Лунным эфемеридам. Сделать что-то точнее эталона почти невозможно, а с часами всё ещё сложнее, хронометры проверяют по вращению Земли и её эфемеридам. Измерить частоту ядерного резонатора невозможно, но точность двух атомных резонаторов можно сравнить, для стронциевых она равна 6 ГГц, для цезиевых 1 ГГц. То есть точность стронциевых часов увеличивается в 62\54 =1, 14 раза по сравнению с цезиевыми часами. Но оказывается не всё так просто.
На стабильность частоты ядерного резонатора влияют следующие факторы:
· Температура
· Изменение гравитационного поля
· Плотность цезиевого пара
· Микровибрации
· Эффект Допплера как искажение частоты при движении атомов
· Стабильность работы лазеров лазерных насосов
· Электромагнитные поля
· Радиоактивный фон
Для рубидиевых и стронциевых часов есть ещё один фактор нестабильности – нестабильность изотопного состава. Если природный цезий в природе представлен одним стабильным изотопом, то у Рубидия их два - 85Rb и 87Rb, а у стронция даже 4. У стронция в природе существуют 4 стабильных изотопа: 84Sr (0,56%), 86Sr (9,87%), 87Sr (7,02%), 88Sr (82,56). Разделить изотопы очень трудно, практически невозможно и частоты ядерного резонанса у них другие и это будет вызывать девиацию частоты.
Основную погрешность атомным часам даёт электронная схема с мультипликатором, компаратором и детектором. Любой регулятор с ОС имеет свою погрешность, и она намного больше погрешности всех элементов, тем более это связь по напряжению источника питания. А стабильность напряжения источника питания кто-нибудь оценивал? Здесь это, по моему скромному мнению, самый важный фактор точности часов. Учёные как всегда ловили блох, а слона не разглядели.
Второй источник погрешности - это пьезоэлектрический элемент, так называемый кварц, стабильность частоты которого по сравнению с ядерным резонатором на несколько порядков ниже и обратная связь убрать целиком эту погрешность не может. Любая обратная связь, имеющая свой коэффициент регулирования и время реагирования обратной связи, имеет погрешность, оценить который можно, только зная её параметры.
Максимальная точность, какую может доставить ядерный резонатор (без учёта погрешности других элементов и при отсутствии вредных факторов) в коротком диапазоне времени, составит 6\62 1011 = 10^-12
Для часов очень большую погрешность вносит гравитационная нестабильность, которую некоторые пытаются выдать за доказательство существования эффекта ОТО. Только вот эта их расчётная релятивистская поправка в 100 000 раз как минимум меньше теоретической точности часов. А опыты японцев показали, что часы действительно медленнее идут на верхних этажах, где ещё к уменьшению гравитации прибавляется и центробежная сила. Кроме того гравитация на Земле нестабильна, приливные силы никто не отменял.
Опыты, проведённые японцами с часами, показали, что вынесенные в ближний космос на спутниках часы идут не так, как на Земле. Там другие факторы нестабильности – радиация вместо гравитации и их сравнительная точность составляет не более 10-8. Из-за быстрого старения кварца, а кварц совершает механические колебания, начинается уход частоты, лазеры также утрачивают свои параметры, поэтому срок работы часов с этой точностью ограничен. Так что точность 10^-8, а это примерно 0,3 секунды в течение года - это предел атомных часов, в году кажется примерно 32 миллиона секунд. Секунда в миллионы и миллиарды лет это необоснованное хвастовство тщеславных американцев. Независимой сверки ядерных (атомных) часов никто не производил. Вероятно, гравитация в большей степени воздействует на кварц. Но мне кажется, что там, на верхних этажах, просто напряжение в розетках меньше, или батарейки меньше напряжения выдают из-за снижения барометрического давления.