Är en atomklocka radioaktiv?

An atomklocka håller tiden bättre än någon annan klocka. De håller även tid bättre än jordens rotation och stjärnornas rörelse. Utan atomuret skulle GPS-navigering vara omöjligt, Internet skulle inte synkronisera, och planets position skulle inte vara känd med tillräcklig noggrannhet för rumprober och landare som skulle lanseras och övervakas.

En atomvakt är inte radioaktiv, det är inte beroende av atomavklingning. En atomur har snarare en oscillerande massa och en fjäder, precis som vanliga klockor.

Den stora skillnaden mellan en standardklocka i ditt hem och en atomur är att oscillationen i en atomur är mellan kärnan hos en atom och de omgivande elektronerna. Denna svängning är inte exakt en parallell med balanshjulet och hårspringen hos en klockklocka, men faktum är att båda använder oscillationer för att hålla reda på övergångstiden. Oscillationsfrekvenserna i atomen bestäms av kärnans massa och tyngdkraften och den elektrostatiska "fjädern" mellan den positiva laddningen på kärnan och elektronmoln som omger den.

Vad är typ av atomklocka?

Idag, trots att det finns olika typer av atomur, är principen bakom dem alla densamma. Den stora skillnaden är förknippad med det använda elementet och detekteringsmedel när energinivån förändras. De olika typerna av atomur ingår:

Cesium atomklockan använder en stråle av cesiumatomer. Klockan separerar cesiumatomer med olika energinivåer genom magnetfält.

Vätskeklockan bibehåller väteatomer på den erforderliga energinivån i en behållare med väggar av ett speciellt material så att atomerna inte förlorar sitt högre energiläge för snabbt.

Rubidium-klockan, den enklaste och mest kompakta av alla, använder en glascell av rubidiumgas som förändrar ljusabsorptionen vid den optiska rubidiumfrekvensen när den omgivande mikrovågsfrekvensen är precis rätt.

Den mest exakta kommersiella klockan som finns tillgänglig idag använder cesiumatomen och de normala magnetfälten och detektorerna. Dessutom stoppas cesiumatomer från att zippa fram och tillbaka med laserstrålar, vilket reducerar små förändringar i frekvens på grund av Doppler-effekten.

När var atomklockan uppfinningsrik? atomur

I 1945 föreslog fysikprofessor Isidor Rabi från Columbia University att en klocka skulle kunna göras från en teknik som han utvecklade i 1930s kallad atomstrålemagnetisk resonans. Av 1949, National Bureau of Standards (NBS, nu National Institute of Standards and Technology, NIST) tillkännagav världens första atomur med ammoniakmolekylen som vibrationskälla och av 1952 tillkännagav den den första atomur som använde cesiumatomer som vibrationskälla, NBS-1.

I 1955, National Physical Laboratory (NPL) i England byggde den första cesium-strålen atomur som användes som kalibreringskälla. Under det närmaste årtiondet skapades mer avancerade former av atomklockorna. I 1967 definierade 13th General Conference on Weights and Measures SI andra på grundval av vibrationer av cesiumatomen; världens tidsåtgärdssystem hade inte längre en astronomisk grund vid den tiden! NBS-4, världens mest stabila cesium-klocka, slutfördes i 1968 och användes i 1990s som en del av NPL-tidssystemet.

I 1999 började NPL-F1 fungera med en osäkerhet om 1.7-delar i 10 till 15th-effekten, eller noggrannhet i ungefär en sekund i 20 miljoner år, vilket gör den till den mest exakta atomvåg någonsin gjord (en skillnad som delas med en liknande standard i Paris).

Hur mäts Atomic Clock Time?

Den korrekta frekvensen för den specifika cesiumresonansen definieras nu enligt internationell överenskommelse som 9,192,631,770 Hz, så att när den delas av detta nummer är utmatningen exakt 1 Hz eller 1-cykeln per sekund.

Den långsiktiga noggrannheten som uppnås av moderna cesium-atomur (den vanligaste typen) är bättre än en sekund per en miljon år. Vattenklockan visar en bättre kortsiktig (en vecka) noggrannhet, ungefär 10 gånger exaktheten hos en cesium atomklocka. Därför har atomklockan ökat noggrannheten i tidsmätningen omkring en miljon gånger i jämförelse med mätningarna utförda med hjälp av astronomiska tekniker.

Synkronisera till en atomklocka

Det enklaste sättet att synkronisera med en atomur är att använda a dedikerad NTP-server. Dessa enheter kommer att få antingen den GPS-ataomiska klocksignalen eller radiovågorna från platser som NIST eller NPL.

MSF atomklocka mottagare

Den styrande radiosignalen för National Physical Laboratoryatomklockan överförs på MSF 60kHz-signalen via sändaren vid CumbriaAnthorn, som drivs av British Telecom. Denna radioklocka-tidssignal bör ha ett intervall av några 1,500 km eller 937.5 miles. Alla de brittiska öarna är naturligtvis inom denna radie.
Fysikaliskt laboratoriums roll som användare av de nationella tidsnormerna är att se till att den brittiska tidsplanen överensstämmer med den samordnade universella tiden (UTC) till högsta nivån och för att göra den tiden tillgänglig i hela Förenade kungariket. Exempelvis är MSF (MSF: s trebokstavsignal för att identifiera signalkällan) radiosändningen som tidssignal för elektronisk handel med elektronisk handel, klockorna vid de flesta järnvägsstationer och för BTs talande klocka.

DCF atomur mottagare

Den styrande radiosignalen för den tyska klockan överförs via långvåg från DCF 77kHz sändaren vid Mainflinger, nära Dieburg, några 25 km sydost om Frankfurt - sändaren av tyska nationella tidsstandarder. Det är likartat i drift till Cumbria-sändaren, men det finns två antenner (radiomaster) så att klockans tidssignal för radio klockan kan bibehållas hela tiden.

Långvåg är den föredragna radiofrekvensen för sändning av binärsignaler för radioklocka-tidskod, eftersom den utför mest konsekvent i den nedre delen av jonosfären. Detta beror på att den långa vågsignalen som bär tidskoden till din timepiece reser på två sätt; direkt och indirekt. Mellan 700 km (437.5 miles) till 900 km (562.5 miles) för varje sändare kan bärvågan röra sig direkt till timepiece. Radiosignalen når också timepieceen genom att studsas bort från jonosfärens undersida. Under dagsljuset är en del av jonosfären som kallas "D-skiktet" på en höjd av några 70 km (43.75 miles) ansvarig för att reflektera långvågsradiosignalen. Under mörkets timmar när solens strålning inte verkar utanför atmosfären, stiger detta lager till en höjd av några 90 km (56.25 miles) som blir "E-laget" i processen. Enkel trigonometri visar att signaler som reflekteras kommer att gå vidare.

En stor del av EU-området omfattas av denna sändare som underlättar mottagandet för dem som reser i stor utsträckning i Europa. Den tyska klockan är inställd på Centraleuropeisk tid - en timme före brittisk tid, efter ett mellanstatligt beslut, från 22nd oktober, 1995, kommer brittisk tid alltid att vara 1 timme mindre än den europeiska tiden med både Storbritannien och fastlandet i Europa och fördröjer klockor på samma "tid".

WVVB atomklock-mottagare

Ett radioomkopplingssystem är tillgängligt i Nordamerika, som är upprättat och drivs av NIST - National Institute of Standards and Technology, beläget i Fort Collins, Colorado.

WWVB har hög sändareffekt (50,000 watt), en mycket effektiv antenn och en extremt låg frekvens (60,000 Hz). För jämförelse sänder en typisk AM-radiostation vid en frekvens av 1,000,000 Hz. Kombinationen av hög effekt och låg frekvens ger radiovågorna från MSF en hel del studsa, och den här stationen kan därför täcka hela kontinentala USA plus mycket av Kanada och Centralamerika.

De radio atomur Tidskoder skickas från WWVB med hjälp av ett av de enklaste systemen, och med en mycket låg datahastighet på en bit per sekund. 60,000 Hz-signalen överförs alltid, men varje sekund reduceras den kraftigt under en period av 0.2, 0.5 eller 0.8 sekunder:

• 0.2 sekunder med reducerad effekt betyder en binär noll • 0.5 sekunder med reducerad effekt är en binär en. • 0.8 sekunder med reducerad effekt är en separator.

Tidskoden skickas i BCD (Binary Coded Decimal) och anger minuter, timmar, årstid och år samt information om sommartid och språngår. Tiden överförs med hjälp av 53-bitar och 7-separatorer, och tar därför 60 sekunder att sända.

En klocka eller klocka kan innehålla en extremt liten och relativt enkel radioklocka-antenn och mottagare för att avkoda informationen i signalen och ställa in klockan tid exakt. Allt du behöver göra är att ställa in tidszonen, och klockan visar rätt tid.

Att ta reda på vad tiden är, är något som vi alla tar för givet. Klockor är överallt och en blick på ett armbandsur, klocktorn, datorskärm eller till och med en mikrovågsugn kommer att berätta vad tiden är. Men det har inte alltid varit så lätt att berätta för tiden.

Klockor anlände inte fram till medeltiden och deras noggrannhet var otroligt dålig. Sann tid som berätta noggrannheten kom inte fram förrän efter den elektroniska klockans ankomst i artonhundratalet. Men många av de moderna teknologier och applikationer som vi tar för givet i den moderna världen, såsom satellitnavigering, flygkontroll och internethandel kräver en precision och noggrannhet som långt överstiger en elektronisk klocka.

Atomur är överlägset de mest exakta tidsbegränsande enheterna. De är så exakta att världens globala tidsplan som bygger på dem (Koordinerad universell tid) måste justeras ibland för att beräkna saktningen av jordens rotation. Dessa justeringar har formen av ytterligare sekunder som kallas språng sekunder.

Atomklockans noggrannhet är så exakt att inte ens en sekund av tiden går förlorad i över en miljon år medan en elektronisk klocka jämförs kommer att förlora en sekund i en vecka.

Men är denna noggrannhet verkligen nödvändig? När du tittar på tekniker som global positionering är svaret ja. Satellitnavigationssystem som GPS-arbete genom att triangulera tidssignaler som genereras av atomur över satelliterna. Eftersom dessa signaler överförs med ljusets hastighet reser de nästan 100,000 km varje sekund. Eventuell felaktighet i klockan med en tusen sekund kan se positioneringsinformationen utifrån miles.

Datornätverk som måste kommunicera med varandra över hela världen måste se till att de körs inte bara exakt tid utan också är synkroniserade med varandra. Alla transaktioner som utförs på nät utan synkronisering kan resultera i alla slags fel.

Fort hans anledning datanät använder NTP (Network Time Protocol) och nätverk tidsservrar ofta kallad en NTP-server. Dessa enheter mottar en tidssignal från en atomur och distribuerar den bland ett nätverk så att ett nätverk säkerställs vara så exakt och exakt som möjligt.

Precision med att berätta tiden har aldrig varit lika viktig som den är nu. Ultra exakt atomur är grunden för många av teknologierna och innovationerna från det tjugonde århundradet. Internet, satellitnavigering, flygtrafikstyrning och global bankverksamhet är bara några av de applikationer som är beroende av särskilt noggrann tidsåtgång.

Det problem vi har mött i modern tid är att vår förståelse exakt vilken tid har förändrats enormt under det senaste århundradet. Tidigare trodde vi att tiden var konstant, oförändrad och att vi reste fram i tid i samma takt.

Att mäta tidens gång var också rakt framåt. Varje dag, styrd av Jordens revolution delades upp i 24 lika stora mängder - timmen. Men efter Einsteins upptäckter under det senaste århundradet upptäckte man snart att tiden inte alls var konstant och kan variera för olika observatörer, eftersom hastighet och till och med tyngdkraften kan sakta ner det.

När vår tidsåtgärd blev mer exakt blev ett annat problem uppenbart och det var den gamla metoden att hålla reda på tiden, med hjälp av jordens rotation, var inte en korrekt metod.

På grund av månens gravitationspåverkan på våra oceaner är jordens snurr sporadiska, ibland faller den 24-timdagen och ibland springande längre.

Atomklockor utvecklades för att försöka hålla tiden så exakt som möjligt. De arbetar genom att använda en oförändrad oscillation hos en atoms elektron när de byter omlopp. Denna "tickning" av en atom uppträder över nio miljarder gånger i sekund i cesiumatomer vilket gör dem till en idealisk grund för en klocka.

Denna ultimata precisa atomurtid (känd officiellt som International Atomic Time - TAI) ligger till grund för världens officiella tidskala, men på grund av behovet av att hålla tidsskala parallellt med jordens rotation (viktigt vid hantering av extra markbundna kroppar till exempel astronomiska föremål eller till och med satelliter) tillsats sekunder, känd som andra steg, läggs till TAI, är detta ändrade tidsskala känt som UTC - Koordinerad universell tid.

UTC är tidsskala som används av företag, industri och regeringar över hela världen. Eftersom det styrs av atomur betyder det att hela världen kan kommunicera med samma tidsskala som styrs av de ultimata atomklockorna. Datornät över hela världen tar emot den här tiden NTP-servrar (Network Time Protocol) som garanterar att alla har samma tid inom några millisekunder.

Atomur är kända för att vara exakta. De flesta kan aldrig ha sett en men är noga medveten om att atomklockor håller mycket exakt tid. Faktum är att modern atomur kommer att hålla exakt tid och inte förlora en sekund på ett hundra miljoner år.

Denna precision kan tyckas överkill, men en mängd modern teknik är beroende av atomur och kräver så hög precision. Ett perfekt exempel är att satellitnavigeringssystemen nu finns i de flesta bilar. GPS är beroende av atomklockor eftersom satellitsignalerna som används vid triangulering reser med ljusets hastighet, som i en enda sekund kan täcka nästan 100,000 km.

Så det kan ses hur en del modern teknik bygger på denna ultimata precisa tidsåtgång från atomur men deras användning stoppar inte där. Atomklockor styr världens globala tidsskala UTC (Koordinerad universell tid) och de kan också användas för att synkronisera datornätverk.

Det kan verka extremt att använda denna nanosekunder precision för att synkronisera datornätverk också, men så många tidskänsliga transaktioner genomförs på internet med sådana affärer som börsen där priserna kan falla eller stiga varje sekund kan man se varför atomur är Begagnade.

Att ta emot tiden från en atomur en dedikerad NTP-server är den säkraste och korrekta metoden. Dessa enheter mottar en tidssignal som sänds av antingen atomklockor från nationella fysiklaboratorier eller direkt från atomklockorna ombord på GPS-satelliter.

Genom att använda en dedikerad NTP-server ett datanätverk kommer att vara säkrare och eftersom det är synkroniserat med UTC (den globala tidsskala) kommer den i praktiken att synkroniseras med alla andra datanätverk med hjälp av en NTP-server.

Tidssynkronisering spelar en allt viktigare roll i den moderna världen med mer och mer teknik beroende av exakt och pålitlig tid.

Tidsynkronisering är inte bara viktig men kan också vara avgörande för säker drift av system som flygkontroll som helt enkelt inte kunde fungera utan korrekt synkronisering. Tänk på de katastrofer som kan hända i luften av flygplan var synkroniserade med varandra?

I global handel är alltför korrekt och tillförlitlig tidssynkronisering mycket viktig. När världens börser öppnar på morgonen och handlare från hela världen köper lager på sina datorer. När varan fluktuerar sekund för sekund om maskiner inte är synkroniserade kan det kosta miljoner.

Men synkronisering är också absolut nödvändigt i moderna datanätverk. Det håller systemen säkra och möjliggör korrekt kontroll och felsökning av system. Även om ett datanätverk inte är inblandat i tidskänsliga transaktioner kan en avsaknad av synkronisering låta den vara sårbar för skadliga attacker och kan också vara mottaglig för dataförlust.

Noggrann synkronisering är möjlig i datanätverk tack vare två utvecklingar: UTC och NTP.

UTC är en tidsskala koordinerad universell tid, den är baserad på GMT men styrs av en rad atomklockor som gör det exakt inom några nanosekunder.

NTP är ett mjukvaruprotokoll - Network Time Protocol, som är utformat för att exakt synkronisera datornät till en enda källa. Båda dessa implementeringar kommer samman i en enda enhet som är beroende av världen över för att synkronisera datornätverk - NTP-server.

An NTP tidsserver or nätverk tidsserver är en enhet som tar emot tiden från en atomur, UTC-källa och distribuerar den över ett nätverk. Eftersom tidskällan kontinuerligt kontrolleras av tidsservern och är från en atomur gör det nätverket noggrant inom några millisekunder av UTC, vilket ger synkronisering på global nivå.

Det är den tiden på året igen när vi förlorar en timme under helgen som klockorna går vidare till Brittisk sommartid. Två gånger om året ändrar vi klockorna men i en ålder av UTC (Coordinated Universal Time) och synkronisering av tidsserver är det verkligen nödvändigt?

Byte av klockor är något som diskuterades strax före första världskriget när Londonbyggaren William Willet föreslog idén som ett sätt att förbättra nationens hälsa (även om hans första idé var att förflytta klockorna tjugo minuter på varje söndag i april).

Hans idé var inte upptagen, även om det sådde en idés frön och när första världskriget utbröt det antogs av många nationer som ett sätt att ekonomisera och maximera dagsljuset, även om många av dessa nationer kasserade konceptet efter kriget, flera inklusive Storbritannien och USA höll det.

Sommarljuset har förändrats genom åren men sedan 1972 har det varit kvar som brittisk sommartid (sommartid) under sommaren och Greenwich Meantime på vintern (GMT). Trots att användningen är i nästan ett sekel, är klockan ändå kontroversiell. Under fyra år experimenterade Storbritannien utan dagsljus men det visade sig vara opropiskt i Skottland och norr där morgonen var mörkare.

Denna tidsskala hoppar orsakar förvirring (jag för att man kommer att sakna den tiden extra i sängen på söndagen) men när handelsvärlden antar den globala civilståndskalenskalen (som lyckligtvis är densamma som GMT som UTC justeras med steg sekunder för att säkerställa GMT är opåverkad av saktning av jordens rotation) är det fortfarande nödvändigt?

Tidssynkroniseringen behöver inte justeras för sommartid. UTC är densamma över hela världen och tack vare enheter som NTP-server kan synkroniseras så hela världen går samtidigt.

Med olika akronymer och tidsskala kan tidssynkroniseringen vara ganska förvirrande. Här är några vanliga frågor som vi hoppas hjälper till att upplysa dig.

Vad är NTP?

NTP är ett protokoll som är utformat för att synkronisera datornät över internet eller LAN (Local Area Networks). Det är inte det enda tidssynkronisering protokollet tillgängligt men det är den mest använda och den äldsta som har tagits upp i slutet av 1980.

Vad är UTC och GMT?

UTC eller samordnad universell tid är en global tidsplan, den styrs av mycket noggranna atomur men hålls densamma som GMT (Greenwich Meantime) med hjälp av språng sekunder som läggs till när jordens rotation sänks. Strängt taget är GMT den gamla civilståndskatalogen och baserad på när solen ligger över meridianlinjen, men eftersom de två systemen är identiska i tid tack vare språng sekunder, kallas UTC ofta GMT och vice versa.

Och a NTP Time Server?

Det här är enheter som synkroniserar ett datanät till UTC genom att ta emot en tidssignal och distribuera den med protokollet NTP, vilket säkerställer att alla enheter körs korrekt till tidsreferensen.

Var kan du få UTC-tid från?

Det finns två säkra metoder för att ta emot UTC. Den första är att utnyttja de långvågstidssignaler som sänds av NIST (WWVB) NPL i Storbritannien (MSF) och tyska NPL (DCF) Den andra metoden är att använda ett GPS-nätverk. GPS-satelliter sänder en atomur signal som kan användas och konverteras till UTC av GPS NTP-server.

De NTP GPS-server är en dedikerad enhet som använder tidssignalen från nätverket GPS (Global Positioning System). GPS är nu ett vanligt verktyg för bilister med satellitnavigeringsenheter monterade på de flesta nya bilar. Men GPS är mycket mer än bara ett hjälpmedel för positionering, i hjärtat av GPS-nätverket är atomur som finns inom varje GPS-satellit.

GPS-systemet fungerar genom att sända tiden från dessa klockor tillsammans med satellits position och hastighet. En satellitnavigationsmottagare kommer att träna när den tar emot den här tiden hur lång tid det tog att anlända och därmed hur långt signalen reste. Med hjälp av tre eller flera av dessa signaler kan satellitnavigeringsenheten träna exakt var den befinner sig.

GPS kan bara göra detta på grund av atomklockorna som den använder för att överföra tidssignalerna. Dessa tidssignaler reser, liksom alla radiosignaler, med ljusets hastighet, så att en felaktighet av bara 1 millisekund (1 / 1000 i en sekund) kan resultera i att satellitnavigeringen är nästan 300 kilometer ut.

Eftersom dessa klockor måste vara så exakta, utgör de en idealisk källa till tid för a NTP tidsserver. NTP (Network Time Protocol) är den programvara som distribuerar tiden från tidsservern till nätverket. GPS-tid och UTC (Samordnad Universal Time) civil tidskala är inte riktigt densamma men är basen samma tidsskala, så NTP har inga problem att konvertera det. Använda en dedikerad NTP GPS-server ett nätverk kan realistiskt synkroniseras till inom några millisekunder av UTC

De GPS-klocka är en annan term som ofta ges till a GPS-tidsserver. GPS-nätverket består av 21 aktiva satelliter (och några extra) 10,000 miles i omlopp ovanför jorden och varje satellit cirklar jorden två gånger om dagen. Utformad för satellitnavigering behöver en GPS-mottagare minst tre satelliter för att behålla en position. Men när det gäller en GPS-klocka behövs bara en satellit som gör det mycket lättare att få en pålitlig signal.

Varje satellit skickar kontinuerligt sin egen position och en tidskod. Tidskoden genereras av en inombords atomklocka och är mycket exakt, det måste vara som den här informationen används av GPS-mottagaren att triangulera en position och om det bara var en halv sekund ut skulle Sat Nav-enheten vara felaktigt av tusentals av miles.

De flesta har vagt hört talas om atomklocka och antar att de vet vad man men men väldigt få människor vet hur viktigt atomklockor är för att köra vår dagliga liv i det tjugoförsta århundradet.

Det finns så många tekniker som är beroende av atomur och utan många av de uppgifter vi tar för givet skulle det vara omöjligt. Flygledningskontroll, satellitnavigering och internethandel är bara några av de applikationer som är beroende av den extremt exakta kronometri av en atomur.

Exakt vilken an atomklocka är, är ofta missförstådd. I enkla termer är en atomur en enhet som använder oscillationer av atomer vid olika energitillstånd för att räkna ticks mellan sekunder. För närvarande är cesium den föredragna atomen eftersom den har över 9 miljarder ticks varje sekund och eftersom dessa svängningar aldrig förändras gör det dem en mycket korrekt metod att hålla tid.

Atomklockor trots vad många hävdar finns bara någonsin i storskaliga fysiklaboratorier som NPL (UK National Physical Laboratory) och NIST (US National Institute of Standards and Time). Ofta föreslår människor att de har en atomur som styr deras datanätverk eller att de har en atomur på sin vägg. Detta är inte sant och vad folk hänvisar till är att de har en klocka eller tidsserver som tar emot tiden från en atomur.

Enheter som NTP tidsserver mottar ofta atomvågssignaler från platser som NIST eller NPL via långvågradio. En annan metod för att ta emot tid från klockor använder GPS-nätverket (Global Positioning System).

GPS-nätverket och satellitnavigering är i själva verket ett bra exempel på varför atomklockans synkronisering behövs med så hög noggrannhet. Moderna atomklockor som de som hittas vid NIST, NPL och inuti bana GPS-satelliter är korrekta inom en sekund varje 100 miljoner år eller så. Denna noggrannhet är avgörande när du undersöker hur något som en bil GPS satellitnavigeringssystem fungerar.

Ett GPS-system arbetar genom att triangulera tidssignalerna som skickas från tre eller flera separata GPS-satelliter och deras atomklockor ombord. Eftersom dessa signaler reser med ljusets hastighet (nästan 100,000KM en sekund) kan en oriktighet på en enda millisekund sätta navigationsinformationen ut med 100 kilometer.

Denna höga noggrannhet är också nödvändig för tekniker som flygkontroll, vilket gör att våra trånga himlen är säkra och är även kritiska för många internettransaktioner som handel med derivat där värdet kan stiga och minska varje sekund.