Начну с цитат:
«Показания цезиевых атомных часов лежат в основе современного определения секунды в международной системе единиц измерения СИ. Она определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 (133Cs) совершает 9192631770 переходов.»
9 миллиардов колебаний в секунду. 9 с лишним Гигагерц. Впечатляет, правда.
Устройство и описание атомных часов можно посмотреть здесь (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%8B).
Обратите внимание на осторожные фразы о кварцевом автогенераторе:
«Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило,[3] 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10−6, например, изменением температуры кристалла).»
То есть кварц работает в привычных для современных микропроцессорных систем частотах, далеко не на пределе возможностей, но может отклоняться на 10 импульсов в секунду из заявленных 10 миллионов. Это температурная составляющая неточности.
В разделе «Типы атомных часов» перечисляются причины, почему цезиевые часы могут отклоняться из-за примесей. Это химическая составляющая. Также приводится описание часов на одном (!) атоме ртути. Точность – 1 секунда за 15 миллиардов лет! Это кто же столько за ними понаблюдать успел? И с каким эталоном сравнивал? Какую секунду брал за основу – маятника Фуко, кварцевого генератора, движения звезд или Солнца?
Вот мы и вышли на понятия – погрешности и теоретические отклонения. Целая наука, в которой очень мало кто разбирается, так как в ней все относительно похлеще чем в СТО. К сожалению, я тоже только знаю о её существовании и о тех трудностях, которые появляются при халатном отношении к этой науке.
Но моя задача показать, как чисто теоретические (мысленные) данные выдаются за сверхвысокие достижения.
Цитата из «Википедии» о стабилизации работы кварцевого генератора:
«С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с компаратора с частотой атомной линии, регистрируемой в квантовом дискриминаторе.»
Для неспециалиста понять работу квантового дискриминатора очень сложно. Тем более, что их несколько разновидностей, не говоря уже о фактической реализации. Но я хочу обратить Ваше внимание на другой аспект.
Чтобы корректировать частоту кварцевого генератора, нужно в его схему включить «подталкивающее устройство», которое своим импульсом чуть раньше заставит генератор перейти в противоположное текущему положение. Посмотрите на рис 1.
Красным цветом выделен внешний импульс, подтолкнувший генератор к сдвигу фазы вперед. В принципе сдвиг фазы – это кратковременное изменение частоты генератора, всего на 1 импульс, с последующим восстановлением. Мы подали импульс перед самопроизвольным переходом генератора в состояние единицы, тем самым сократив время нулевого полупериода. Проще говоря, сдвинули генератор вперед по фазе. Если такой же импульс подавать в конце положительной фазы генератора, не давая ему вернуться в нулевое состояние, мы притормозим генератор, то есть сдвинем его фазу назад.
Теперь вопрос, чем подавать такие импульсы. Мощность их должна быть достаточной, для переворота или задержки генератора и время действия должно быть достаточным, чтобы зарядить все паразитные емкости, какими бы малыми они не были. То есть должно быть устройство, работающее на частоте в 8-32 раза превышающей работу самого кварцевого генератора. Кратность более 32 приведет к очень большим импульсам перезарядки емкостей, возникнут нежелательные электромагнитные колебания в монтажных индуктивностях и емкостях, даже если все это "спрятано" в одной микросхеме.
Выполнить это вполне по силам современной электронике – умножители частоты выполняют такую работу без проблем. Только сами начинают вносить свои температурные искажения и гораздо сильнее кварцевого резонатора подвержены электромагнитным воздействиям. Поэтому делать большие умножители не имеет смысла.
А теперь давайте посчитаем. Частота излучения от атомов цезия 9192,63177 МГц. Частота кварца – 10,0 МГц. Частота системы синхронизации 320,0 МГц. Значит система синхронизации должна почувствовать каждый 9192,63177 / 320,0 = 28,73 импульс, поступивший от частотного дискриминатора. Отклонение плюс-минус один гарантировано.
Если верить тем отрывочным сведениям, которые имеются в свободном доступе, инженеры поступают наоборот. Умножают частоту кварцевого генератора на 919,263 и интерферометром улавливают «сползание» частоты, после чего вводят корректировку. Казалось бы, вот и нашлось точное решение. Но… Умножитель на 919 – вещь весьма неустойчивая и капризная, подвержена любым внешним воздействиям. А уж про дробную часть и говорить не приходится. Здесь полная свобода фантазии.
Поэтому заявленная точность и точность фактическая – это две большие разницы. Но то, что часы со стабилизацией кварца цезием, ртутью, или другими атомными стабилизаторами намного точнее чем просто кварцевые часы – никто не спорит. А уж когда мы научимся напрямую считать импульсы атомного излучения, появится возможность измерить наконец скорость света в одну сторону.
Всем, кто желает посмотреть на проблемы с другой точки зрения предлагаю заглянуть сюда.
Спасибо, что дочитали до конца.