원자 시계 - Atomic clock

원자 시계 - Atomic clock

원자시계는 전자레인지의 초미세 전환 주파수, 또는 원자의 전자기 스펙트럼의 광학 또는 자외선 영역의 전자 전환 주파수를 시간 계측 소자의 주파수 표준으로 사용하는 시계 장치다. 원자시계는 알려진 가장 정확한 시간 및 주파수 표준으로, 국제 시간 분배 서비스, 텔레비전 방송의 파동 주파수 제어, GPS와 같은 글로벌 항법 위성 시스템에서 일차 표준으로 사용된다. 원자 시계의 작동 원리는 원자 물리학에 기초한다. 그것은 원자의 전자가 에너지 수준을 변화시킬 때 방출하는 전자기 신호를 측정한다. 초기 원자시계는 상온의 마저에 기초했다. 2004년 이후, 보다 정확한 원자 시계는 레이저로 원자를 감속시키고 전자레인지로 채워진 공동의 원자 분수에 원자를 조사함으로써 원자를 절대 영도에 가까운 온도로 냉각시킨다. 이것의 예로는 미국의 국가 기본 시간 및 주파수 표준 중 하나인 NIST-F1 원자 시계가 있다.

원자 시계의 정확도는 두 가지 요인에 따라 달라진다. 첫 번째는 샘플 원자의 온도—원자가 훨씬 더 느리게 움직여서 더 긴 프로브 시간을 허용하고, 두 번째는 전자 또는 초미세 전환의 주파수와 내적 선폭이다. 주파수가 높고 선이 좁을수록 정밀도가 높아진다. 많은 국가의 국가 표준 기관들은 상호 비교되고 매일 10-9초의 정확도로 동기화되는 원자 시계 네트워크를 유지하고 있다(1014년 약 1부). 이 시계들은 연속적이고 안정적인 시간 척도인 국제 원자력 시간(TAI)을 집합적으로 정의한다. 시민 시간의 경우, 또 다른 시간 척도인 조정 보편 시간(UTC)이 전파된다. UTC는 TAI에서 파생되지만, 태양 시간에 관한 지구의 자전 변화를 설명하기 위해 UTC1에서 도약초를 추가했다.

역사

시간을 측정하기 위해 원자 전환을 사용하는 생각은 1879년 켈빈 경에 의해 제안되었다. 1930년대에 이시도르 라비에 의해 개발된 자기공명은 이를 위한 실용적인 방법이 되었다. 1945년, 라비는 처음으로 원자 빔 자기 공명이 시계의 기초로 사용될 수도 있다고 공개적으로 제안했다. 최초의 원자시계는 1949년 미국 국가표준국(NBS, 현재 NIST)에 구축된 23870.1MHz의 암모니아 흡수선 장치였다. 기존 석영시계보다 정확도가 낮았지만 개념을 입증하는 역할을 했다. 세슘-133 원자의 특정 전환을 기초로 한 세슘 표준인 최초의 정확한 원자 시계는 1955년 루이 에센과 잭 패리가 영국의 국립물리연구소에서 만들었다. 세슘 표준 원자 시계의 교정은 천문학적 시간 척도 후천적 시간(ET)을 사용하여 수행되었다. 1967년, 이것은 과학계가 특정 원자 주파수의 관점에서 두 번째를 재정의하도록 이끌었다. (원자 시계) SI 초와 ET 초의 동일성은 1010년 1부 이내로 검증되었다. 따라서 SI 초는 ET 초의 길이를 결정하면서 후행 시간 척도의 원래 설계자에 의한 결정의 영향을 계승한다.

1950년대 개발 초기부터 원자시계는 수소-1, 세슘-133, 루비듐-87의 초미세 전환에 기초해 왔다. 최초의 상업용 원자시계는 내셔널 컴퍼니가 제조한 아토미크론이었다. 1956년에서 1960년 사이에 50개 이상이 팔렸다. 이 크고 비싼 기기는 1964년에 출시된 Hewlett-Packard 모델 5060 세슘 주파수 표준과 같은 훨씬 더 작은 랙 장착 가능 기기로 대체되었다.

1990년대 후반, 네 가지 요소가 시계의 주요 발전에 기여했다.

• 레이저 냉각 및 원자의 트래핑
• 좁은 레이저 라인 폭을 위한 이른바 하이파이네스 파브리-페로트 캐비티
• 정밀 레이저 분광기
• 광학 빗을 이용한 광학 주파수의 편리한 계수

2004년 8월, NIST 과학자들은 칩 크기의 원자 시계를 시연했다. 연구원들에 따르면, 이 시계는 다른 어떤 시계보다 100분의 1 크기로 여겨졌다. 125mW 이하로 배터리 구동 애플리케이션에 적합하다. 이 기술은 2011년에 상용화되었다. 이온트랩 실험 광시계는 현행 세슘 표준보다 정밀하다. 2015년 4월 NASA는 소형화된 초정밀 수은이온 원자 시계인 딥 스페이스 아토믹 시계(DSAC)를 우주에 배치할 계획이라고 발표했다. NASA는 DSAC가 다른 항법 시계보다 훨씬 안정적일 것이라고 말했다.

메커니즘

1968년 이후 국제 단위계(SI)는 두 번째를 세슘-133 원자의 지상 상태의 두 에너지 수준 사이의 전환에 해당하는 9192631770 주기의 방사선 주기로 정의했다. 1997년 국제체중측정위원회(CIPM)는 앞의 정의는 절대 0의 온도에서 정지된 세슘 원자를 가리킨다고 덧붙였다. 이 정의는 세슘 오실레이터를 세슘 표준이라 불리는 시간과 주파수 측정에 대한 기본 표준으로 만든다. 다른 물리적 단위의 정의는 두 번째의 정의에 의존한다. 이 특별한 설계에서 원자 시계의 시간 기준은 마이크로파 주파수로 작동하는 전자 발진기로 구성된다. 오실레이터는 주파수 결정 구성요소가 피드백 신호에 의해 제어될 수 있는 요소를 포함하도록 배치된다. 피드백 신호는 세슘 또는 루비듐의 초미세 전환 주파수에 따라 오실레이터를 공명하여 조정한다.

라디오 주파수 원자 시계의 핵심은 가스를 포함하는 튜닝 가능한 마이크로파 공동이다. 수소 마저 시계에서 가스는 극미세 전환 시 마이크로파를 방출하고, 캐비티의 장은 진동하며, 캐비티는 최대 마이크로파 진폭에 맞게 조정된다. 대신 세슘이나 루비듐 시계에서는 빔이나 가스가 전자파를 흡수하고 캐비티에는 전자 증폭기가 들어 있어 진동한다. 두 가지 유형의 경우, 가스의 원자는 캐비티로 채우기 전에 하나의 초미세 상태로 준비된다. 두 번째 유형의 경우 극미세 상태를 변화시키는 원자의 수가 검출되고 최대 감지 상태 변화에 대해 캐비티가 조정된다.

시계의 복잡성은 대부분 이 조정 과정에 있다. 조정은 다른 전자 전환의 주파수, 온도 변화, 앙상블 효과로 인한 주파수 확산과 같은 원치 않는 부작용에 대해 교정하려고 한다. 이를 위한 한 가지 방법은 마이크로파 오실레이터의 주파수를 좁은 범위에 걸쳐 스위프하여 검출기에서 변조된 신호를 생성하는 것이다. 그런 다음 검출기의 신호를 강등하여 무선 주파수 내 장기 표류를 제어하기 위해 피드백을 적용할 수 있다. 이런 식으로 세슘의 원자 전환 주파수의 양자기계적 특성을 이용하여 적은 양의 실험 오차를 제외하고는 마이크로파 오실레이터를 동일한 주파수로 튜닝할 수 있다. 시계가 처음 켜지면 오실레이터가 안정되는 데 시간이 걸린다. 실제로 피드백과 모니터링 메커니즘은 훨씬 더 복잡하다.

다른 목적으로 사용되는 많은 다른 원자 시계 체계. 루비듐 표준시계는 저렴한 비용, 작은 크기(상업 표준은 17cm³만큼 작음) 및 단기 안정성 때문에 높이 평가된다. 그것들은 많은 상업용, 휴대용 및 항공우주용 애플리케이션에 사용된다. 수소 마저(흔히 러시아에서 제조되는 제품)는 다른 표준에 비해 단기 안정성은 우수하지만 장기 정확도는 낮다. 종종, 한 표준은 다른 표준을 고치기 위해 사용된다. 예를 들어 일부 상용 애플리케이션은 글로벌 포지셔닝 시스템 수신기에 의해 정기적으로 보정된 루비듐 표준을 사용한다. 이것은 미국 국가 시간 기준과 동일한 장기 정확도로 뛰어난 단기 정확도를 달성한다.

표준의 수명은 중요한 실제적인 문제다. 현대의 루비듐 표준 튜브는 10년 이상 지속되며, 50달러 정도의 비용이 들지 않는다. 국가 표준에 적합한 세슘 기준 튜브는 현재 약 7년 지속되며 약 35,000달러의 비용이 든다. 수소 마저 표준의 장기 안정성은 시간이 지남에 따라 충치의 성질이 변화하기 때문에 감소한다. 현대의 시계는 정밀도를 높이기 위해 원자를 냉각시키기 위해 자기 광학 트랩을 사용한다.