Präzision wird in modernen Technologien immer wichtiger, vor allem Genauigkeit in der Zeitmessung. Vom Internet bis zur Satellitennavigation ist in der modernen Zeit präzise und genaue Synchronität gefragt.

Tatsächlich wären viele der Technologien, die wir in der heutigen Welt für selbstverständlich halten, nicht möglich, wenn nicht die genauesten Maschinen erfunden würden - die Atomuhr.

Atomuhren sind nur Zeitmessgeräte wie andere Uhren oder Uhren. Was sie aber unterscheidet, ist die Genauigkeit, die sie erreichen können. Als einfaches Beispiel wird Ihre mechanische Standarduhr, wie zum Beispiel ein Uhrturm in der Innenstadt, um eine Sekunde am Tag abweichen. Elektronische Uhren wie Digitaluhren oder Radiowecker sind genauer. Diese Arten von Uhr driften eine Sekunde in etwa einer Woche.

Wenn Sie jedoch die Genauigkeit einer Atomuhr vergleichen, in der eine Sekunde in 100,000-Jahren oder mehr nicht verloren geht oder gewonnen wird, ist die Genauigkeit dieser Geräte unvergleichlich.

Atomuhren können diese Genauigkeit durch die von ihnen verwendeten Oszillatoren erreichen. Fast alle Arten von Uhren haben einen Oszillator. Im Allgemeinen ist ein Oszillator nur eine Schaltung, die regelmäßig tickt.

Mechanische Uhren verwenden Pendel und Federn, um eine regelmäßige Schwingung zu erzeugen, während elektronische Uhren einen Kristall (normalerweise Quarz) haben, der, wenn ein elektrischer Strom durchlaufen wird, einen genauen Rhythmus liefert.

Atomuhren verwenden die Schwingung von Atomen während verschiedener Energiezustände. Häufig wird Cäsium 133 (und manchmal Rubidium) verwendet, da seine hyperfeine Übergangsschwingung über 9 Milliarden Mal pro Sekunde (9,192,631,770) ist und sich dies niemals ändert. In der Tat, die Internationales Einheitensystem (SI) betrachtet nun offiziell eine zweite Zeit als 9,192,631,770-Strahlungszyklen vom Cäsiumatom.

Atomuhren liefern die Grundlage für die globale Zeitskala der Welt - UTC (Coordinated Universal Time). Und Computernetzwerke auf der ganzen Welt bleiben synchron, indem sie Zeitsignale verwenden, die von Atomuhren gesendet und aufgenommen werden NTP Zeitserver (Netzwerkzeitserver).

Fortsetzung ...

Es gibt jedoch Fälle, in denen ein Zeitserver die Verbindung mit der Atomuhr verlieren und den Zeitcode für längere Zeit nicht empfangen kann. Manchmal kann dies aufgrund von Ausfallzeiten durch die Atomuhrsteuerungen für die Wartung oder durch Störungen in der Nähe, die die Übertragung blockieren, erfolgen.

Offensichtlich kann, je länger das Signal herunter ist, die potentiellere Drift im Netzwerk auftreten, wie der Kristalloszillator in der NTP-Server ist die einzige Sache, die Zeit behält. Für die meisten Anwendungen sollte dies nie ein Problem sein, da die längste Ausfallzeit normalerweise nicht mehr als drei oder vier Stunden beträgt und der NTP-Server in dieser Zeit nicht stark gedriftet war und das Auftreten dieser Ausfallzeit eher selten ist (vielleicht einmal oder zweimal im Jahr).

Für einige ultrapräzise High-End-Anwendungen werden jedoch Rubidium-Kristalloszillatoren verwendet, da sie nicht so stark driften wie Quarz. Rubidium (häufig verwendet in Atomuhren selbst statt Cäsium) ist viel genauer ein Oszillator als Quarz und bietet eine bessere Genauigkeit für, wenn kein Signal zu a NTP Zeitserver dem Netzwerk erlauben, eine genauere Zeit zu behalten.

Rubidium selbst ist ein Alkalimetall, ähnlich wie Kalium. Es ist sehr leicht radioaktiv, stellt jedoch kein Risiko für die menschliche Gesundheit dar (und wird häufig in der medizinischen Bildgebung verwendet, indem es in einen Patienten injiziert wird). Es hat eine Halbwertszeit von 49 Milliarden Jahren (die Zeit bis zum Zerfall um die Hälfte - im Vergleich haben einige der tödlichsten radioaktiven Materialien Halbwertszeiten von unter einer Sekunde).

Die einzige wirkliche Gefahr, die von Rubidium ausgeht, ist, dass es ziemlich heftig auf Wasser reagiert und Feuer verursachen kann

Oszillatoren waren wesentlich für die Entwicklung von Uhren und Chronologie. Oszillatoren sind nur elektronische Schaltungen, die ein sich wiederholendes elektronisches Signal erzeugen. Oft werden Kristalle wie Quarz zur Stabilisierung der Schwingungsfrequenz verwendet,

Oszillatoren sind die wichtigste Technologie hinter elektronischen Uhren. Digitaluhren und batteriebetriebene Analoguhren werden alle von einem Schwingkreis gesteuert, der normalerweise einen Quarz enthält.

Und während elektronische Uhren um ein Vielfaches genauer sind als eine mechanische Uhr, driftet ein Quarzoszillator noch eine oder zwei Sekunden pro Woche ab.

Atomuhren natürlich sind viel genauer. Sie verwenden jedoch immer noch Oszillatoren, meistens Cäsium oder Rubidium, aber sie tun dies in einem hyperfeinen Zustand, der oft in flüssigem Stickstoff oder Helium eingefroren ist. Diese Uhren werden im Vergleich zu elektronischen Uhren nicht einmal um eine Sekunde abweichen (und mit den moderneren Atomuhren 100 Millionen Jahre).

Um diese zeitliche Genauigkeit zu nutzen, wird ein Netzwerk-Zeitserver verwendet NTP (Network Time Protocol) kann verwendet werden, um komplette Computernetzwerke zu synchronisieren. NTP-Server Verwenden Sie ein Zeitsignal von entweder GPS oder Langwellenradio, das direkt von einer Atomuhr kommt (im Fall von GPS wird die Zeit in einer Uhr an Bord des GPS-Satelliten erzeugt).

NTP-Server Überprüfen Sie diese Zeitquelle kontinuierlich und passen Sie dann die Geräte in einem Netzwerk an, um diese Uhrzeit anzupassen. Zwischen den Umfragen (Empfangen der Zeitquelle) wird vom Zeitserver ein Standardoszillator verwendet, um die Zeit zu behalten. Normalerweise sind diese Oszillatoren Quarz, aber da der Zeitserver regelmäßig mit der Atomuhr kommuniziert, sagen wir jede Minute oder zwei, ist die normale Drift eines Quarzoszillators kein Problem, da einige Minuten zwischen den Umfragen zu keiner messbaren Drift führen würden.

To be continued ...