navbar.frm 20190426 .nav
Volgende bijeenkomst 17 Sep? . . Ronde elke zondag 11:00 145.475 MHz . . . Wekelijkse ontmoetingem donderdag avond 20:30 uur 145.450 Mhz . . .
W
NIST miniatuur atoomklok
NIST miniatuur atoomklok

Moeten atoomklokken altijd zo complex en omvangrijk zijn? Gezien het grote belang dat allerlei toepassingen hebben bij een nauwkeurige tijdmeting, kon het niet uitblijven of er ontstonden miniatuur versies van de cesium atoomklok.

De eerste atoomklok-op-een-chip, CSAC, uitgevonden in 2001, werd in 2003 gedemonstreerd op het NIST, het standaard laboratorium in Colorado, USA.

Een atoomklok op chipschaal (CSAC) is een compacte atoomklok, gebruikt weinig stroom en is vervaardigd met behulp van MEMS (micro elektro mechanische systemen). Daarbij wordt een laag vermogen halfgeleiderlaser gebruikt als lichtbron.
Ze zal haar toepassingen vinden in laag vermogen draagbare instrumentatie en speciaal daar waar, om welke redenen ook, geen GPS beschikbaar of onbetrouwbaar is.

De commerciele productie van deze atoomklokken begon in 2011. De kleinste atoomklok, meet slechts 4 x 3,5 x 1 cm, weegt 35 gram, verbruikt slechts 115 mW aan vermogen en vertelt binnen enkele minuten de absolute tijd met een nauwkeurigheid van 1 seconde in 300 jaren. Goed genoeg om in veel gevallen als secundaire standaard te fungeren.

Hoe werkt zo'n miniatuur atoomklok.
Net als andere cesium atoomklokken houdt de klok de tijd bij door een nauwkeurig 9.192631770 GHz microgolf oscillator signaal dat wordt gesynchroniseerd met de overgangen van twee energieniveaus in cesium-113 atomen. Een regelsysteem houdt een kwarts gestuurde oscillator vergrendeld op deze frequentie. Die wordt daarna via digitale tellers omgezet in kloksignalen van 10 MHz en 1 Hz.

De miniatuur klok gebruikt echter niet de complexe fontein opstelling van de standaard atoomklok, maar een enkele laser in een miniatuur opstelling.
En belangrijk is dat de miniatuur klok werkt door verhitting van cesium atomen in plaats van extreem te koelen, zoals in de fontein opstelling.
Het gebruik van de hoge temperatuur maakt wel dat de ten gevolge van de thermische ruis de frequentie stabiliteit is verminderd.

Op de chip wordt cesium, een vloeibaar alkali metaal, in een kleine capsule van 2 mm, verhit, zodat het cesium verdampt. Een halfgeleiderlaser, gemoduleerd door de microgolf oscillator, straalt infraroodlicht door de capsule en de cesium damp op een fotodetector.

Wanneer de oscillator frequentie gelijk is aan de exacte frequentie van de elektron baan overgang bevindt, is de optische absorptie van de cesium atomen minimaal, waardoor de output van de fotodetector piekt. De uitgang van de fotodetector wordt gebruikt als feedback in een frequentie vergrendeld terugkoppel circuit om de oscillator op de juiste frequentie te houden.

Hoewel miniatuur atoomklokken nu nog minimaal 1500 duizend euro kosten zullen dergelijke draagbare atoomklokken tal van civiele en militaire toepassingen ten goede komen en mogelijk tot nieuwe leiden.
Een atoomklok die bijvoorbeeld in een mobiele telefoon is ingebouwd, zou een snellere data transmissie en snellere synchronisatie van processen mogelijk maken.

PA0PHB ( 2019/12/10)

Referenties, meer informatie:
Wikipedia Miniatuur atoomklok
Woerden Over tijd en de atoomklok
Woerden Nieuwe tijd standaard 10 maal beter dan cesium ATOOM klok
Onderwerpen
TijdTijd StoringStoring MicrogolfMicrogolf TijdTijd NatuurkundeNatuurkunde Frequentie-bandFrequentie-band