navbar.frm 20190426 /navigation.nav
Volgende bijeenkomst 19 december . . Live onderhoud . . Ronde elke zondag 11:00 uur 145.475 MHz . . 10:30 RTTY bulletin . . 11:00 uur Woerdense Ronde . . Volgende bijeenkomst 19 december . .
W
Hoe laat is het nu eigenlijk
Hoe laat is het nu eigenlijk

De absolute tijd en tijdverschillen spelen een belangrijke rol in vrijwel alle processen. We bepalen de tijd aan de hand van een regelmatig terugkerend verschijnsel - een oscillator - en houden dan bij hoe vaak dat verschijnsel zich herhaald. De precisie en de resolutie waarmee de tijd kan worden bepaald hangt dus af van de eigenschappen van de oscillator.

Een stukje geschiedenis.
In de oudheid werd de tijd bepaald aan de hand van stand van de zon en draaiing van de aarde.
Met de ontdekking van het slingeruurwerk konden tijdsintervallen veel nauwkeuriger worden bepaald en dat werd daardoor de basis van onze tijdmeting.
In de elektronica gebruiken we relaxatie en harmonische oscillatoren. Vanwege de hogere frequenties waarop deze oscillatoren werken, kunnen en kleinere tijdsintervallen gemeten worden en tijden met hogere resolutie bepaald worden. Storend daarbij zijn onder andere temperatuur invloeden, mechanische trillingen en elektronische ruis.

De nauwkeurigheid van de tijdsbepaling wordt echter niet bepaald door de frequentie van de oscillator, maar door de stabiliteit ervan. Reden waarvoor onze elektronische oscillatoren dan gebruik maken van het kwarts kristal. Sommige kristallen vertonen zeer stabiele mechanische resonanties met een hoge qualiteitsfactor Q en geringe beinvloeding door de omgeving.
De frequentie stabiliteit van dit type is van de orde 1 op een miljoen, en de resolutie, t.b.v. tijdmeting, zo'n 100 maal beter.
Goed genoeg voor de meeste elektronische circuits. Onze VHF transceiver kunnen we daarmee met een resolutie van 1 Hz afstemmen.

Voor veel wetenschappelijke experimenten en plaatsbepaling is een veel hogere nauwkeurigheid en resolutie nodig. Dan maken we gebruik van resonanties van atomen - de atoomklok. Het meest bekend is de bekende cesium atoomklok.

Ieder atoom bestaat uit een positief geladen kern met daar omheen een wolk elektronen die daar, in wel gedefinieerde - en berekenbare - banen, omheen draaien. Om in een andere toegelaten baan te komen moet er een bepaalde goed berekenbare hoeveelheid energie worden toegevoerd - en bij terugval weer worden uitgezonden.
Dat stukje energie kan worden gehaald uit een elektromagnetisch veld, via de formule h x freq. Daarbij is h de constante van Planck, sinds kort een absolute natuur constante, vergelijkbaar met c, de snelheid van licht in vacuum.

Zo is die frequentie dan direct gekoppeld aan een natuur constante.
Officieel is de NIST-F1, Cesium Fountain Atomic Clock, de internationeel geaccepteerde standaard klok, gebaseerd op de cesium resonantie van 9,192631770G Hz, de meest nauwkeurige atoomklok.

NIST-F1 wordt een fonteinklok genoemd omdat deze de cesium atomen als een fontein door een 9 GHz trilholte stuurt, alles in hoog vacuum.
Zes infrarood laserstralen worden daarvoor, in rechte hoeken ten opzichte van elkaar, op de cesium atomen gericht. De impulsen van die laser stralen comprimeren daardoor de cesium atomen voorzichtig tot een bal. Tijdens dat proces vertragen de laserstralen de beweging van de atomen - die daar afkoelen tot bijna het absolute nulpunt.

Twee verticale lasers worden dan gebruikt om die bal voorzichtig omhoog te duwen (de 'fontein' actie) door de microgolf trilholte en vervolgens worden alle lasers uitgeschakeld. Onder invloed van de zwaartekracht valt de bal dan vervolgens terug door de trilholte.

De rondreis op en neer door de trilholte duurt ongeveer 1 seconde. Tijdens die trip kunnen de atomen reageren op het microgolf elektromagnetische veld, waardoor van een aantal van hen de elektronen banen worden veranderd.
Daarna wordt een andere laser op de atomen gericht. Die atomen, waarvan de elektronen banen werden veranderd door het microgolf signaal, zenden dan licht uit, terwijl ze terugvallen naar hun standaard baan. Dat licht wordt opgevangen door een fotodetector.
Een regelsysteem past daarna de oscillator frequentie zodanig aan, dat de lichtopbrengst maximaal wordt.
Daarmee is frequentie van de microgolf oscillator gelijk gemaakt aan de frequentie van de overgang van die elektronen baan en is er een uiterst stabiel 9 GHz microgolf signaal beschikbaar gekomen voor experimenten.
Hiermee werd een nauwkeurigheid bereikt van 3 x 10-16.

De meest recente ontwikkeling is die van de atoomklok op basis van strontium atomen. (Hierover informeerden wij u reeds in ons RTTY bulletin van 27 okt 2019.) Ook dit is een 'fontein klok' maar nu op basis van strontium atomen. Een zeer complexe opstelling.
Daarbij wordt een oscillator op basis van een optische diode laser gebruikt, in het Terra Hertz gebied. Dus een 2 ordes hogere frequentie en dito resolutie. Daarmee werd een frequentie stabiliteit van 3 x 10-17 bereikt.

Hoe kunnen wij amateurs van deze stabiliteit gebruik maken.
De tijdsein zenders, die gesynchroniseerd worden aan de internationale tijd standaard, blijven onze standaard voor onze frequentie calibratie en tijd melding. Daarmee kan de absolute tijd op ca. 10 msec kan worden bepaald.
Het internet en GPS kunnen gebruikt worden om een lokale stabiele kwarts oscillator te synchroniseren. Daarmee is een tijdmeting van millisecondes tot microsecondes te realiseren.
Er zijn ontwikkelingen gaande om ook zeer nauwkeurige tijd synchronisatie over het internet ordes van grootte te verbeteren.
Lees ons bulletin van 9 dec 2018 (20181209wn.txt) over de constante van Planck en de andere natuur constanten.

(PA0PHB 2019/11/13 )

Referenties, meer informatie:
WERON Nieuwe tijdstandaard 10x beter dan cesium klok
Toon plaatjes?
Redactie: pa0phb @ veron.nl
©    Linux powered