Очевидно, что системы отсчета, где в качестве эталона единицы времени принят период вращения Земли, адекватны задачам астрономии, а также для описания процессов, происходящих на Земле в течение сравнительно длительных периодов времени. К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов, созданных человеком, превзошла точность астрономического эталона времени — периода обращения Земли вокруг своей оси, т.е. назрел переход к неастрономическому базису измерений времени. Такой базис был реализован в атомных (квантовых) эталонах времени (частоты), т.е. устройствах, в которых используются квантовые переходы частиц (атомов, молекул, ионов) из одного энергетическое состояния в другое.

Возможность использования квантовых эффектов для генерирования колебаний стабильной частоты или точного измерения частоты колебаний основывается на одном из фундаментальных положений атомной физики – постулате Н. Бора. Согласно этому постулату, внутренняя энергия частицы (атома, молекулы, иона) может принимать только некоторые строго фиксированные дискретные значения, называемые энергетическими уровнями . При переходе частицы с высокого энергетического уровня на более низкий, избыток энергии выделяется в виде кванта электромагнитного излучения, обладающего чрезвычайно высокой стабильностью частоты (  постоянная Планка) и монохроматичностью.

В 1967 г. на XII Генеральной конференции по мерам и весам была принята единица времени, не зависящая от вращения Земли – атомная секунда. Атомная секунда – интервал времени, в течение которого происходит 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия Цезия₅¹³³ при отсутствии возмущений от внешних магнитных полей. В настоящее время атомная секунда принята за единицу времени в международной системе СИ, вместо ранее применявшейся эфемеридной секунды; погрешность атомной секунды относительно эфемеридной составляет . Устройство, формирующее эталонную шкалу международного атомного времени TAI (Time Atomic International) получил название цезиевого стандарта частоты. Поскольку шкалы UT и TAI, в общем случае, не согласуются между собой, введена промежуточная шкала, получившая название Всемирного координированного времени (Universal Coordinated Time – UTC), которая базируется на атомной секунде.

Шкала времени UTC периодически корректируется на 1 с таким образом, чтобы ее рассогласование со шкалой UT не превышало 0,97 с. Коррекцию шкалы UTC на 1 секунду, при которой происходит так называемый «секундный скачок» (leap second), производит Международное бюро времени по рекомендациям Международной службы вращения Земли (МСВЗ, англ. International Earth Rotation Service – IERS). Коррекция шкалы UTC, как правило, производится один раз в год в последнюю секунду 31 декабря или 30 июня, а в случае необходимости – в обе даты. Положительная секунда начинается в 23ч 59мин 60с UTC и заканчивается в 0ч 0мин 0с UTC первых суток следующего месяца. В случае отрицательной секунды после момента 23ч 59мин 58с через 1с следует момент 0ч 0мин 0с первых суток следующего месяца. В качестве примера ниже приведен текст официального извещения о коррекции шкалы UTC/

Б Ю Л Л Е Т Е Н Ь Г – 83

2 сентября 2005 г.

И З В Е Щ Е Н И Е

В соответствии с решением Международной службы вращения Земли (Бюллетень IERS C-30 от 4 июля 2005 г.) в ночь с 31 декабря 2005 г. на 1 января 2006 г. в 0 часов по всемирному времени (в 3 часа по московскому времени) будет введена дополнительная секунда в национальную шкалу времени UTC(SU) всеми российскими эталонами времени и частоты и всеми средствами передач эталонных сигналов времени. Сигналы времени будут передаваться в следующей последовательности (время всемирное):

31 декабря 2005 г., 23 ч. 59 мин. 59 с,

31 декабря 2005 г., 23 ч. 59 мин. 60 с,

1 января 2006 г., 00 ч. 00 мин. 00 с.

С учетом введения дополнительной секунды в шкалу всемирного координированного времени UTC ее разность со шкалой международного атомного времени TAI составит:

с 1 янв. 1999 г., 0ч UTC до 1 янв. 2006 г., 0ч UTC : UTC-TAI=-32 с;

с 1 янв. 2006 г., 0ч UTC : UTC-TAI=-33 с .

Шкалы времени, используемые в ГНСС, так или иначе «привязаны» к UTC, однако в конкретной организации этих шкал имеются некоторые различия, (см. таблицу).

2.1.2 Принцип работы квантовых стандартов частоты и времени

Квантовые стандарты частоты могут быть двух типов: активного и пассивного. В стандартах активного типа, называемых также квантовыми генераторами, электромагнитные колебания, возникающие в результате квантовых переходов, используют, после соответствующего усиления, в качестве стандартных (опорных). В квантовых стандартах пассивного типа измеряемая частота колебаний внешнего генератора калибруется относительно эталонной частоты колебаний, соответствующих заданному квантовому переходу.

1. Квантовые стандарты пассивного типа.

Первым промышленным эталоном частоты был пассивный квантовый стандарт на пучках атомов цезия. Главной частью такого эталона является атомнолучевая трубка, в которой поддерживается высокий вакуум (рис. 2.5).

В одном конце трубки вакуумного контейнера располагается источник пучка атомов цезия — нагретая до температуры, близкой к 100°С полость, в которой находится небольшое количество расплавленного цезия (t_пл =29,5°С). Полость соединена с трубкой узким каналом или набором параллельных каналов. Поскольку при указанной температуре давление паров жидкого цезия невелико, его атомы, вылетая из источника, пролетают через каналы достаточно редко, не сталкиваясь друг с другом. В результате этого в трубке формируется слабо расходящийся пучок атомов цезия.

В противоположном конце трубки расположен приёмник (детектор) атомов цезия, который представляет собой нагретую вольфрамовую проволоку, расположенную вдоль оси электрода полуцилиндрической формы. Атомы цезия, соприкоснувшись с раскаленным вольфрамом, отдают ему валентные электроны, становятся положительными ионами и притягиваются к отрицательно заряженному электроду – коллектору. Очевидно, что сила тока через гальванометр детектора I_Г пропорциональна числу ионов, достигших коллектора.

По пути от источника к детектору пучок атомов цезия проходит между полюсными наконечниками двух магнитов. Неоднородное магнитное поле первого магнита расщепляет пучок атомов цезия на два пучка, один из которых содержит атомы, находящиеся на энергетическом уровне E_1, второй – на энергетическом уровне E₂. Рассортированные по уровням атомы попадают в объемный резонатор, к которому приложено постоянное (фокусирующее) магнитной поле, а также высокочастотное электромагнитное поле, создаваемое внешним генератором. Под действием высокочастотного поля часть атомов совершает переход с уровня E₁ на уровень E₂, и наоборот. После резонатора потоки атомов оказываются в поле второго магнита, геометрия и параметры которого подобраны таким образом, что коллектора достигают только атомы, совершившие под действием электромагнитного поля вынужденный переход, т.е. изменившие в области резонатора свою энергию путем поглощения или испускания кванта радиоизлучения. Число таких атомов максимально, если частота внешнего электромагнитного поля равна частоте квантового перехода

9 192 631 770 Гц,

которая и принимается в качестве опорной точки (репера) на шкале частот. Соответственно, частота генератора внешнего электромагнитного поля, при которой число атомов, достигающих коллектора в единицу времени (сила тока в гальванометре) максимальна, отождествляется с частотой .

Ширина резонансного пика кривой I_Г соответствует эквивалентной добротности колебательного контура порядка 10^-13, такой же порядок имеет мгновенная погрешность измерения частоты . Для уменьшения погрешности результаты измерений усредняются во времени.

Существенным преимуществом цезиевых стандартов является то, что их серийные образцы, в том числе предназначенные для размещения на подвижных объектах, мало уступают по точности эталону.

Начиная с 1978 г и по настоящее время, Государственный эталон времени и частоты (ГЭВЧ) Российской Федерации обеспечивает независимое воспроизведение размера единицы времени с помощью первичного цезиевого атомно-лучевого репера частоты МЦР-102.

Как и почти все цезиевые реперы частоты, создававшиеся в мире в то время, МЦР-102 предназначался для калибровки атомных шкал времени, воспроизводимых промышленными хранителями времени и частоты, т.е. был рассчитан на кратковременную работу. По данным 1978 г. неисключенная систематическая погрешность воспроизведения частоты невозмущенного перехода в основном состоянии атома цезия репером МЦР-102 не превышала 5 10^-13 («неисключенной» называют составляющую систематической погрешности, поправки на которую не вводятся в силу ее малости).

Работы по модернизации репера сопровождались последовательным снижением значения неисключенной систематической погрешности: с 1982 г.  , с 1990 г. – , с 2001 г. – . По мере конструктивного усовершенствования, повышения точности воспроизведения репером МЦР-102 частоты квантового перехода росла и его долговременная стабильность: средняя разность частот, воспроизводимых МЦР-102 и TAI за последние 10 лет составила 0,7 10^-14, а СКО среднемесячных значений относительной разности частот МЦР-102 и TAI за этот же период составило 1,2 10^-14.

В последние годы были разработаны квантовые часы нового поколения на основе цезиевого атомного фонтана (метрологический цезиевый репер, МЦР “Фонтан”) (рис. 2.6).

Высокая стабильность частоты этого МЦР обеспечивается за счет создания близких к идеальным, с точки устранения внешних возмущений, условий, в которых происходят квантовые переходы и их регистрация. Для этого в сверхглубоком (не хуже 1 10^-8 Па) вакууме с помощью оригинального атомного спектроскопа, имеющего 12 оптических окон для подвода лазерных лучей, происходит удержание облака атомов цезия и упорядочивается их движение, что приводит к снижению эквивалентной шумовой температуры («охлаждению») пучка. Область спектроскопа, в которой происходит удержание и «охлаждение» атомов цезия – так называемая «оптическая трясина» – изображена на рисунке 2.7. После прохождения «оптической трясины» температура атомного облака составляет 5 10^-7 К. Система экранирования магнитного поля позволяет более чем 10⁵ раз ослабить влияние внешних магнитных полей.