Česky English

Úvodní stránka GNSS systémy GALILEO Atomové hodiny družic GALILEO

Atomové hodiny družic GALILEO

Aby satelitní navigační systém fungoval správně, je nezbytné aby družicové signály byly vysílány synchronně. Družice musí být proto vybaveny velmi stabilními hodinami, které tento požadavek splní.

Galileo družice ponesou dva druhy hodin: Rubidiové atomové hodiny (Rubidium Atomic clocks) a vodíkové „maserové“ atomové hodiny (Hydrogen Maser /Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - zařízení pro zesilování elektromagnetické záření pomocí stimulované emise v mikrovlnném oboru/ Atomic clocks). Stabilita Rubidiových hodin je tak vysoká, že se hodiny zpozdí jen o 3 vteřiny za milion let. Vodíkové hodiny jsou ještě přesnější, zpozdí se jen o 1 vteřinu za milion let. Nicméně taková přesnost je nutná, protože chyba při měření času pár nanosekund (miliardtiny vteřiny) by způsobila nepřípustnou polohovou chybu v řádu metrů.

Atomové hodiny fungují podobně jako klasické hodiny. K měření času se ale nevyužívá oscilující "hmota" jako například u kyvadla u kyvadlových hodin, ale vlastnosti atomů při přechodu mezi různými energetickými stavy.

Pokud je atom vybuzen vnějším energetickým zdrojem, přejde na vyšší energetický stav. Z tohoto stavu se opět vrátí do stavu na nižší energetické hladině. Při tomto přechodu uvolní energii o specifické frekvenci, která je charakteristická pro daný druh atomu. Je to skoro jakýsi "podpis" použitého materiálu. Jediné, co je proto potřebné pro vytvoření těchto "dokonalých" hodin, je detekovaní frekvence přechodů atomu z jednoho stavu do druhého pomocí čítače.

Přechody mezi energetickými stavy se projevují vyzařováním nebo pohlcováním energie na "viditelných" nebo mikrovlnných frekvencích. "Atomová vteřina" je například definována jako 9 192 631 770 násobek periody záření, která odpovídá době přechodu mezi dvěma úrovněmi struktury základního stavu atomu nuklidu cesia-133 (za předpokladu, že je vystaven vhodnému zdroji energie).

Rubidiové hodiny

Galileo rubidiové hodiny jsou tvořeny atomovým rezonátorem a řídící elektronikou. Uvnitř atomového rezonátoru je rubidiová parová kyveta. Atomy jsou udržovány v plynném stavu a o vysoké teplotě. Pro zpuštění rezonance (rezonance = buzené kmity) se atomy v kyvetě excitují na vyšší energetický stav světlem rubidiové výbojky umístěné v jednom konci atomového rezonátoru. Na druhém konci kyvety je fotodioda, která detekuje množství světla procházející kyvetou. Po excitaci se atomy vracejí na nižší energetický stav. Z tohoto stavu jsou atomy excitovány zpět na střední hladinu vpuštěním mikrovlnné energie na dané frekvenci do rezonátoru. Přechod na střední hladinu nastane jedině pokud frekvence přesně odpovídá dané frekvenci. Když jsou atomy ve středním stavu, pohlcování světla je na maximu.

Výstup z fotodiody je napojen na řídící obvod který upravuje mikrovlnnou frekvenci. Správná frekvence je udržována laděním mikrovlného zdroje tak, aby se docílilo maximálního světelného pohlcování. Rezonance je tedy udržována energií z rubidiové výbojky, protože atomy ve středním stavu jsou znovu excitovány na vyšší stav a poté padají na nižší stav - a celý proces se znovu začíná.

Vodíkové maserové hodiny

Galileo vodíkové maserové hodiny jsou také tvořeny resonátorem a řídící elektronikou. Malá skladovací nádoba v těchto hodinách zásobí molekulárním vodíkem plynnou výbojku. Tam jsou molekuly vodíku rozloženy na atomární vodík. Po rozložení atomy vstupují do rezonanční dutiny přes kolimátor (zařízení k udržení paprsku ve vymezeném průřezu) a magnetický přepínač. Tento magnetický přepínač vpouští do resonanční dutiny atomy jen na určitém energetickém stavu. V rezonanční dutině jsou atomy zachyceny v křemenné skladovací baňce. Zde vodíkové atomy tíhnou k návratu do jejich "základního" energetického stavu a přitom vyzařují záření o mikrovlnné frekvenci.

Rezonanční frekvence mikrovlnné dutiny je přibližně 1.420 GHz. Elektronika hodin zahrnuje obvody pro řízení frekvence a teplotní řídící systém, který udržuje rezonanční dutinu na správné teplotě.

Atomový rezonátor je velmi citlivý na okolní prostředí (například magnetické pole). Z tohoto důvodu je věnována velká pozornost udržet vlivy okolního prostředí co nejmenší, aby mohl být plně využit potenciál těchto sofistikovaných hodin.




RSS kanál  |  XML Sitemap  |  Mapa webu  |  Redakční systém WebRedakce - NETservis s.r.o. © 2017

2015 Odbor ITS, kosmických aktivit a VaVaI 

Background image ©ESA - P.Carril
Administrováno CMS systémem společnosti NETservis s.r.o.