OROLOGIO ATOMICO
Roberto Francini
Il Tempo – 17 marzo 2010
Gli standards di TEMPO e FREQUENZA forniscono
TRE tipi di informazioni di base:
a – l’ora esatta (che ora è?)
b – l’intervallo temporale ( definizione del secondo SI)
c – la frequenza
Il Tempo – 17 marzo 2010
a – l’ora esatta (che ora è?)
L’ora esatta viene specificata
in termini di ore, minuti e secondi, ma spesso include
la data ( giorno, mese ed anno)
OROLOGIO
Il Tempo – 17 marzo 2010
b – l’intervallo temporale ( definizione del secondo SI)
L’intervallo temporale è la durata temporale,
o il tempo trascorso, tra due eventi
L’unità standard è il secondo (s)
Molte applicazioni richiedono la misura
di intevalli temporali più brevi:
millisecondi
( 1 ms = 10 – 3 s)
microsecondi
( 1 ms = 10 – 6 s)
nanosecondi
( 1 ns = 10 – 9 s)
picosecondi
( 1 ps = 10 – 12 s)
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il tempo è una delle sette grandezze fisiche fondamentali
e il secondo è una delle sette unità fondamentali
definite nel Sistema Internazionale di Unità (SI)
Simbolo per l’unità
Nome
Unità fondamentale SI
Lunghezza
m
metro
Massa
kg
chilogrammo
Tempo
s
secondo
Corrente elettrica
A
ampere
Temperatura termodinamica
K
kelvin
Quantità di sostanza
mol
mole
Intensità luminosa
cd
candela
La definizione di molte altre grandezze fisiche si basa sulla definizione di secondo
Il Tempo – 17 marzo 2010
Paesi non-metrici
Stati Uniti
Myanmar
Liberia
Il Tempo – 17 marzo 2010
La attuale definizione del secondo è stata adottata dalla
13ma Conferenza Generale sui Pesi e le Misure (CGPM)
del 1967
“il secondo è la durata di 9 192 631 770 periodi
della radiazione corrispondente alla transizione
tra due livelli iperfini dell’atomo di cesio -133”
Il Comite International des Poids et Mesures (CIPM) ha imposto nel
1997 a questa definizione la seguente specifica:
“ci si riferisce ad un atomo di cesio a riposo
ed alla temperatura termodinamica di 0 K”
Il Tempo – 17 marzo 2010
c – la frequenza
La frequenza è il “ritmo” di un evento ripetitivo.
Se T è il periodo di un evento ripetitivo,
allora la frequenza f è il suo reciproco, f = 1/T.
L’unità standard per la frequenza è l’hertz (Hz),
definito come numero di eventi o cicli al secondo.
Uno strumento che genera “frequenza” è un oscillatore
E’ facile incontrare multipli dell’hertz:
kilohertz
( 1 kHz = 10 3 cicli al secondo o s – 1 )
megahertz
( 1 MHz = 10 6 s – 1 )
gigahertz
( 1 GHz = 10 9 s – 1 )
terahertz
( 1 THz = 10 12 s – 1 )
Il Tempo – 17 marzo 2010
I tre tipi di informazione sono naturalmente
legati fra loro in modo stretto
Intervallo temporale: definizione di secondo
Contando gli eventi o i cicli al secondo,
si misura la frequenza
Il Tempo – 17 marzo 2010
Contando i secondi si determina
la data e l’ora esatta
L’intervallo temporale e la frequenza sono le grandezze
fisiche che al giorno d’oggi possono essere misurate
con la incertezza più piccola e la più alta risoluzione
Il Tempo – 17 marzo 2010
Creazione della scala dei tempi “universale”
I maggiori laboratori di metrologia di tutto il mondo periodicamente misurano i
loro standards di tempo e frequenza, e inviano i dati al Bureau International des
Poids et Mesures (BIPM) di Sevres in Francia.
TAI
Tempo atomico,
frequenza
Tempo atomico,
frequenza
>40 laboratori
>200 orologi atomici
Tempo atomico,
frequenza
Il Tempo – 17 marzo 2010
Tempo Atomico
Internazionale
BIPM
Media dei dati
ricevuti
TEMPI di “CARTA”
UTC
Tempo Coordinato
Universale
UTC
Tempo Coordinato Universale
TAI
Tempo Atomico Internazionale
Il tempo coordinato universale, conosciuto anche come tempo civile e abbreviato con
l’acronimo UTC è il fuso orario di riferimento da cui sono calcolati tutti gli altri fusi orari del
mondo. L'UTC si basa su misurazioni condotte da orologi atomici invece che su fenomeni
celesti come il GMT.
UTC e TAI scorrono alla stessa frequenza. Tuttavia UTC differisce da TAI per un numero
intero di secondi (attualmente 34 s).
A causa delle oscillazioni nella velocità di rotazione della Terra il GMT ritarda costantemente
rispetto al "tempo atomico" UTC. Il ritardo è mantenuto entro +/- 0,9 secondi, aggiungendo o
togliendo un secondo ad UTC alla fine del mese quando necessario, convenzionalmente il 30
giugno o il 31 dicembre. Il secondo extra, detto intercalare, è determinato dall'International
Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS), basandosi sulle misurazioni della
rotazione terrestre.
In Italia quando è in vigore l’ora solare si usa l'orario CET che è pari a UTC + 1 ora, mentre
quando è in vigore l’ora legale si usa l'orario CEST che è pari a UTC + 2 ore.
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Due importanti specifiche delle misure
di tempo e frequenza
1 – Accuratezza
L’accuratezza è il grado di conformità di una grandezza misurata o calcolata alla sua
definizione.
In pratica è collegata alla “distanza” (offset) dal valore ideale.
Per esempio: un offset temporale è la differenza tra il tempo misurato e il tempo
ideale che coincide esattamente con UTC.
Oppure un offset in frequenza è la differenza tra una frequenza misurata
ed una frequenza ideale priva di incertezza (frequenza nominale)
Il Tempo – 17 marzo 2010
2 - Stabilità
La stabilità indica quanto bene un oscillatore riesce a produrre lo stesso offset
temporale o di frequenza in un certo periodo di tempo.
La stabilità non ci dice se il tempo o la frequenza misurate sono “giuste” o
“sbagliate”, ma solo se esse rimangono le stesse.
All’opposto, l’accuratezza ci dice quanto bene l’oscillatore riproduce il tempo e la
frequenza “ideali”.
Il Tempo – 17 marzo 2010
Relazione tra Stabilità e Accuratezza
Il Tempo – 17 marzo 2010
In generale occorre effettuare la misura su tempi “lunghi”:
- Possibilità di mediare il segnale misurato e abbattere il
“rumore”
Il Tempo – 17 marzo 2010
- Influenza del tempo di “interrogazione” sui sistemi quantistici
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Risonanza e cavità risonanti
Il Tempo – 17 marzo 2010
Perché il cesio ?
- La
qualità di una transizione atomica ai fini della definizione di uno
standard di frequenza è misurata dal suo fattore di merito Q. Il cesio,
tra i metalli alacalini stabili, ha la più alta frequenza di transizione tra
livelli iperfini dello stato fondamentale.
- Esiste un solo isotopo stabile del cesio, il cesio-133.
- Il cesio possiede il più basso punto di fusione e la più alta pressione di
vapore tra i metalli alcalini.
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010
Cavità di Ramsey
Il Tempo – 17 marzo 2010
Il Tempo – 17 marzo 2010