IMG�85 (2)

żcma wskazówek ponownie przypisuje liczbę, tym razem już godzin i minut: „cyfrowo" wyrażąjąc położenie wskazówek u jednostkach czasu - mierzy czas. W tym postępowaniu zataczamy pętlę: wynik pomiaru czasu, któty był liczbą okresów, a więc jako laki był skwantowany i liczalny. odwzorowano za pomocą wielkości ciągłej (kąta), gdy korzystamy z zegara, odczytujemy wzrokowo położenie wskazówek jako liczbę, czyli powracamy do stanu wyjściowego, do tzw „wyniku cyfrowego"

Liczba zliczonych w danym czasie okresów zjawiska okresowego zależy od długości okresu - im on jest krótszy, tym więcej okresów realizuje się w danym czasie, również na jednostkę czasu Warto wyróżnić wielkość, którą wyraża się liczbą okresów mieszczących się w jednostce czasu. Tę wielkość nazywa się częstotliwością zjawiska okresowego Formalnie częstotliwość / będzie odwrotnością okresu T (2.1), bo w jednej sekundzie mieści się tyle okresów T, ile wynika z dzielenia.

/ = - (2.1)

T

Możemy więc uważać, że ciągły czas jest dzielony na równe kwanty (odstępy) przez wybrane zjawisko okresowe, czyli dzięki takiemu postępowaniu czas jest jakby w naturalny sposób sytuacyjnie kwantowany. Stąd biorą się - spotykane w literaturze metrologicznej -poglądy o „cyfrowej naturze czasu” albo o jego „nieciągłej, dyskretnej naturze". Jest to powierzchowne spostrzeżenie Jednak z tych faktów wynika naturalny sposób pomiaru czasu, stosowany od dawna w mechanicznych zegarach, a współcześnie w doskonały sposób realizowany w elektronicznych układach cyfrowych Z definicji częstotliwości wynika leż naturalny sposób pomiaru tej wielkości: należy zliczyć liczbę okresów zjawiska zaistniałych w czasie jednostkowym albo w dowolnym czasie, ale wówczas otrzymany wynik zliczania okresów przeliczyć trzeba na jednostkę czasu

2.2. Wzorce miary czasu i częstotliwości

Miara jednostki czasu odpowiadająca jednej sekundzie jest definiowana i fizycznie realizowana od roku 1964 jako czas stanowiący 9 192 631 770 okresów promieniowania elektromagnetycznego, emitowanego przy przejściu elektronów między dwoma energetycznymi poziomami nadsubtelnymi podstawowego stanu atomów izotopu 133 cezu. Oznacza to fizyczne wydzielenie z widma promieniowania elektromagnetycznego - emitowanego przez atomy cezu - fali o częstotliwości liczbowo równej podanej liczbie okresów. Zatem podana liczba okresów jest też równocześnie liczbą herców wzorcowej częstotliwości charakterystycznej dla promieniowania elektromagnetycznego wymienionego w definicji.

Czas jednej sekundy pierwotnie stanowił odpowiednią część okresu trwania wybranego ruchu odpowiedniego ciała niebieskiego: w ostatnim okresie przed rokiem 1964 była to odpowiednia część roku zwrotnikowego 1900-ncgo, bo wiadomo z astronomii, że kolejne lala czasu astronomicznego są dłuższe. Odtwarzana miara jednostki czasu była mało dokładna, przede wszystkim dlatego, że zjawiska ruchu ciał niebieskich nic są dostatecznie regularne (powtarzalne, okresowe), a sam ruch nic jest jednostajny. Wyrażenie jednostki czasu jednej sekundy za pomocą liczby okresów zjawiska kwantowego usunęło to ograniczenie i pozwoliło przy użyciu techniki elektronicznej na zwiększenie o wiele rzędów dokładności odtworzenia miary czasu, a tym samym w takim samym stopniu poprawienia dokładności pomiaru czasu i częstotliwości. a pośrednio innych wielkości

Ocenia się, że niepewność odtworzenia jednej sekundy wg podanej definicji w pojedynczym urządzeniu jest rzędu 10'¹² do 10'^IJ sekundy, niepewność rozumiana jako względna, średniokwadratowa ocena niestałości (nieokreśloności) częstotliwości generowanego sygnału Okazuje się bowiem, że na skutek zjawisk szumowych generowana częstotliwość zmienia się („migotanie częstotliwości", „drżenie częstotliwości") zarówno z chwili na chwilę, jak i w dłuższym okresie czasu, a zmiany te są losowe. W celu zwiększenia dokładności wyznaczenia miary wprowadza się uśrednianie w dłuższym okresie czasu oraz

uśrednia się miarę porównując częstotliwości sygnałów otrzymywanych z takich samych urządzeń instalowanych w różnych laboratoriach różnych państw świata (jest to postępowanie nazywane w metrologii prawnej „tworzeniem tzw. wzorca grupowego”), wśród których niemieckiemu, państwowemu laboratorium metrologicznemu powierzono rolę wiodącą Dzięki tym działaniom zmniejsza się niepewność odtworzenia miary czasu jednej sekundy o rząd. tj. do poziomu 1<F. Porównajmy tę niepewność z niepewnością odtworzenia miary np jednostki masy lkg wyrażającej się liczbą rzędu 10⁴ (najdokładniej odtwarzana miara po dokładności odtwarzania miary czasu). Z porównania tych liczb można dostrzec, o ile rzędów niepewność miary czasu jest mniejsza

Urządzenie, za pomocą którego odtwarza się wzorcowy czas Is lub równoważną miarę wzorcową częstotliwości, nazywane jest zegarem atomowym Zegar taki składa się z dwu podzespołów, podzespołu mikrofalowego i podzespołu generatora małej częstotliwości, np. 5 MHz W podzespole mikrofalowym wytwarzana jest fala elektromagnetyczna' o częstotliwości wynikającej z definicji sekundy Podzespół małej częstotliwości jest tak sprzężony z podzespołem mikrofalowym. Ze generuje dokładnie częstotliwość 5 MHz, gdy w mikrofalowym jest częstotliwość wzorcowa.

Podzespół mikrofalowy jest właściwie maserem¹ gazowym, w którym gazem są pary cezu (cez wrze w temperaturze 670° C). Wzbudzone atomy cezu (wybrane w elektrostatycznym separatorze z gazu odparowanego wcześniej cezu) trafiają do rezonansową komory mikrofalowej, do której doprowadzana jest równocześnie z zewnątrz słaba fala elektromagnetyczna o częstotliwości nominalnie równą częstotliwości emitowaną przez wzbudzone atomy cezu. Atomy cezu pobudzone tą zewnętrzną falą elektromagnetyczną wyzwalają swoją energię i emitują promieniowanie elektromagnetyczne, które nakładając się na tę zewnętrzną falę elektromagnetyczną wzmacniają ją, równocześnie wymuszając na niej dokładnie częstotliwość własną, tj. promieniowania atomów cezu. Częstotliwość tak otrzymanej fali elektromagnetyczną jest już pierwotnym wzorcem częstotliwości (zgodnym z definicją), z której w podzespole małej częstotliwości otrzymuje się 5 MHz w wyniku przemiany częstotliwości (dzielenia), głównie po to, żeby otrzymać częstotliwość łatwą do operowania w układach elektronicznych i wyrażającą się okrągłą liczbą herców w systemie dziesiętnym.

W podzespole małej częstotliwości sygnał o częstotliwości nominalnie równej 5 MHz, otrzymany ze starannie wykonanego generatora kwarcowego, jest powielany z taką krotnością, że otrzymana wielokrotna tej częstotliwości jest równa nominalnie częstotliwości wzorcowej fali elektromagnetycznej otrzymywanej w komorze mikrofalową Częstotliwości dwu sygnałów - sygnału wzorcowej częstotliwości i sygnału krotnej częstotliwości 5 MHz są porównywane za pomocą detektora fazy Napięcie wyjściowe z detektora fazy przestraja częstotliwość generatora 5 MHz o tyle, o ile jest to potrzebne, żeby jego częstotliwość, po powieleniu w zadanym stosunku dokładnie równała się częstotliwości sygnału mikrofalowego. Otrzymany sygnał o częstotliwości 5 MHz jest wyprowadzany z zegara atomowego wzorcem pierwotnym częstotliwości, jako że w znanym stosunku odtwarza częstotliwość fali w komorze mikrofalowej. Sygnał o częstotliwości 5 MHz - lub jej podwie-lokrotnej - ale też, jeżeli potrzeba, wielokrotnej - jest wysyłany z zegara atomowego (np środkami teletransmisji) do użytkowników wzorcowego czasu Zauważmy, ze pod wielokrotne i wielokrotne tworzone są bez pogorszenia dokładności, bo takie są właściwości cyfrowych dzielników częstotliwości. Częstotliwość wzorca pierwotnego przez porównanie przenoszona jest też na wzorce niższego rzędu dokładności (np. użytkowe generatory kwarcowe wzorcową częstotliwości) lub używana jest do sprawdzania np częstotliwo-' Fala elektromagnetyczna o długości rzędu 3 cm.

^! Maser - akronim utworzony od „Microwavc Ampliłication by Slimulalion Kmission of Radiation"

55