AIKA JA TAAJUUS
Roberto Costa
Kansallisen aikamestarin luominen
viimeisen viidenkymmenen vuoden ajalta
ITALIAN STANDARDIAIKAAIKA Kansallinen standardiaika UTC(IT) luodaan ja sitä ylläpidetään INRIM:n (LabTF) aika- ja taajuuslaboratoriossa. Alla analysoimme UTC(IT)-trendiä verrattuna UTC:hen viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana. Tarkemmin sanottuna seurataan kaikkien näiden vuosien aikana saavutettua edistystä, erilaisia atomikelloja ja kansallisen standardiajan parantamiseen käytettyjä erilaisia sukupolvimenetelmiä.
TIIVISTELMÄ Kansallinen aikastandardi UTC(IT) luodaan ja sitä ylläpidetään INRIM Time and Frequency -laboratoriossa (LabTF). Alla analysoimme UTC(IT)-trendiä suhteessa koordinoituun maailmanaikaan (UTC) noin viidenkymmenen vuoden ajalta. Tarkemmin sanottuna seurataan kaikkien näiden vuosien aikana saavutettua edistystä, erilaisia näytekelloja ja eri sukupolvimenetelmiä, joilla parannetaan kansallista otosta.
JOHDANTO
Perustuu 11. elokuuta 1991 annettuun lakiin, n. 273 "Kansallisen kalibrointijärjestelmän perustaminen", INRIM on ensisijainen kansallinen mittauslaitos (NMI - National Metrological Institutes), ja se luo ja ylläpitää Italiaa varten kansallista aikastandardia UTC(IT), joka toistaa kansainvälisen UTC-viiteyksikön (SI:n mukaan). ). LabTF on vastuussa tämän "toisen näytteen" kansallisen referenssin luomisesta ja ylläpidosta. Seuraavassa aiomme analysoida LabTF:ssä generoidun italialaisen UTC (IT) aika-asteikon kehitystä kansainväliseen UTC (Universal Time Coordinated) aika-asteikkoon verrattuna noin viidenkymmenen vuoden aikana. Tarkemmin sanottuna analysoimme laajasti asteikon trendiä ajan mittaan, erilaisia näytekelloja ja erilaisia sukupolvimenetelmiä. Kaikkien näiden vuosien aikana saavutettua edistystä seurataan sekä pohditaan mahdollisia tuotantotekniikoiden kehitystä kansallisen otoksen parantamiseksi.
HYPPY TOINEN JA KESÄAIKA
Vuonna 1875 ajan mittayksikkö määriteltiin murto-osuudeksi 1/86 400 kahden peräkkäisen "keskimääräisen auringon" kulun välisestä ajasta millä tahansa meridiaanilla (UT). Kun todiste napavaellusilmiöstä ilmaantui, universaali aika-asteikko, joka perustui vain keskiauringon kulun havaintoon, kutsuttiin UT0:ksi, kun taas määriteltiin uusi asteikko UT1, joka otti huomioon poledian (ts. napojen liike maankuorella) ja siitä johtuva vertailumeridiaanien vaihtelu. Se osoitti maan kulma-aseman ja sen tiedolla on edelleen tärkeä rooli erityisesti tähtitieteellisissä havainnoissa. 1940-luvun tienoilla Maan pyörimisnopeudessa havaittiin vaihtelua, mistä seurasi vaihtelua vuorokauden pituudessa. Sitten määriteltiin UT2-asteikko, jolla ei ollut onnea, koska atomikellojen myötä siitä luovuttiin kansainvälisen atomiaika-asteikon (TAI) hyväksi. Vuodesta 1967 lähtien määritelmä
Toinen SI perustuu yhteen vakioina ja muuttumattomina pidettyjen atomien sisäisistä ominaisuuksista. Toisesta tuli sitten: "9 192 631 770 säteilyjakson kesto, joka vastaa siirtymää cesium 133 -atomin perustilan kahden hyperhienon tason välillä". Vuoden 1970 tienoilla kansainvälisen vertailuatomiasteikon määrittelyn jälkeen (TAI sovittu UT1-asteikon kanssa vuodesta 1958 alkaen), UTC-asteikko otettiin käyttöön referenssinä myös siviilikäyttöön sekä tieteelliseen käyttöön ja määriteltiin ajankohdaksi. asteikko yksiköillä, jotka ovat yhtä suuria kuin atomisekunti, mutta ylläpidetään tiukasti UT1:n mukaisesti säännöllisillä diskreeteillä säädöillä, jotka koostuvat sekunnin lisäämisestä tai poistamisesta. Korjaussekunti, jota kutsutaan karkaussekunniksi, lisätään vain tarvittaessa ja vain tiettyinä päivinä [2]. Taulukossa 1 on esitetty UTC-aika-asteikon korjaukset. Marraskuussa 2018 asiantuntijat ympäri maailmaa kokoontuivat 26. yleiseen paino- ja mittakonferenssiin (CGPM) Versailles'ssa pohtimaan mittayksiköiden uudelleenmäärittelyä. CGPM on kansainvälisen paino- ja mittatoimiston poliittinen päätöksentekoelin, jonka tehtävänä on koordinoida toimintaa ja varmistaa mittausjärjestelmän yhtenäisyys maailmanlaajuisesti. Seitsemästä perusyksiköstä: sekunti, metri, kandela, kilogramma, kelvin, ampeeri ja mooli, viimeiset neljä on määritelty uudelleen fysiikan universaalien vakioiden perusteella. Muut ovat pysyneet olennaisesti ennallaan, mutta ilmaistut yhtenäisellä tavalla, mikä tekee käytetystä vakiosta selkeämmän. Toukokuusta 2019 lähtien toisen SI-yksikkö, symboli s,
Kansallinen metrologinen tutkimuslaitos (INRIM) – Torino r.costa@inrim.it
Taulukko 1 – Aika-asteikolla käytettyjen karkaussekuntien luettelo
Data
Aikakorjaukset 1. tammikuuta 1972 - 1. heinäkuuta 1972 - 11. tammikuuta 1973 - 11. tammikuuta 1974 - 11. tammikuuta 1975 - 11. tammikuuta 1976 - 11. tammikuuta 1976 - 11. tammikuuta 1977 - 17. tammikuuta 1977 - 17. tammikuuta 18. 11, 1980 - 11. heinäkuuta 1981 - 11. heinäkuuta 1982 - 11. heinäkuuta 1983 - 11. heinäkuuta 1985 - 11. tammikuuta 1988 - 11. tammikuuta 1990 - 11. heinäkuuta 1991 - 11. heinäkuuta 1991 heinäkuuta 1919 heinäkuuta 1919 heinäkuuta 1991 -9. -11. tammikuuta 1996 - 11. heinäkuuta 1997 - 11. tammikuuta 1999 - 11. tammikuuta 2006 - 11. tammikuuta 2009 - 11. heinäkuuta 2012 - 11. heinäkuuta 2015 - 11. heinäkuuta 2015 - 11. tammikuuta 2015 - 11. tammikuuta 2015 yhteensä 7 - 3 2 0 1 8 - 3
siksi se määritellään seuraavasti: "Cesium Du Cs:n taajuuden etuliitteenä oleva numeerinen arvo
(cesium 133 -atomin häiriöttömän perustilan hyperhienon siirtymän taajuus), joka on 9 192 631 770 hertseinä ilmaistuna (mikä vastaa s −1 )”. Kesäaika tarkoittaa 60 minuuttia ennen aikavyöhykkeen aikaa
jäsenyyttä laissa säädetyksi vuodeksi. Tavoitteena oli rajoittaa energiankulutusta luonnonvaloa paremmalla käytöllä, ja siitä lähtien se on otettu käyttöön useaan otteeseen monissa maissa. Muut edut korostivat lasten ja vanhusten ulkoilumahdollisuuden lisääntymistä sekä rikosten vähenemistä. Todellisuudessa näiden toimenpiteiden todellisten hyötyjen kvantifiointi on osoittautunut vaikeaksi tehtäväksi, ja monet ovat edelleen epäileviä. Italiassa se otettiin käyttöön ensimmäisen kerran keskiyöllä 3. kesäkuuta 1916; vuodesta 1980 lähtien kesän kesäaika on otettu tilapäisesti käyttöön yhteisön maissa klo 02:00 ja se palaa aurinkoaikaan klo 03:00 (kesällä). Lisäksi sen voimassaoloaikaa on jatkettu kuukaudella vuodesta 1996 alkaen. Uudessa säännössä itse asiassa määrätään, että tämä aika alkaa maaliskuun viimeisenä sunnuntaina ja päättyy lokakuun viimeisenä sunnuntaina. tehdään Isossa-Britanniassa. Ei tietenkään päivämäärät eikä kellonajat
kesä- tai kesäajan käyttöönotto ja paluu aurinkoaikaan ovat yhtenäisiä maailmanlaajuisesti, eikä siitä ole helppoa saada tietoa [2]. Lisäksi on ollut jo jonkin aikaa liikkeellä uutinen, että Euroopan unioni aikoo poistaa tämän käytännön jättäen vuodesta 2021 alkaen jokaiselle kansakunnalle oikeuden ottaa käyttöön ajanmuutos. Italiasta ei tällä hetkellä ole tässä mielessä lopullisia tietoja. Taulukossa 2 on luettelo Italiassa tehdyistä ajanmuutospäivistä vuodesta 1916 tähän päivään.
MITEN ITALIAN AIKAASKAAT TEKEMÄÄN
Italian aika-asteikon generoimiseksi käytetään atomikellosignaaleja, joita ylläpidetään UTC:n mukaisesti taajuus- ja taajuusryömintäkorjauksilla, joita kutsutaan "asteikon ohjaamiseksi". Nämä tehdään kellojen mittauksia keräävän instituutin arvioiden perusteella
Taulukko 2 – Luettelo Italiassa nyt suoritetuista vaihtopäivistä
Siirtää aikaa eteenpäin
Siirretään aikaa taaksepäin
Anno
alkaa
Hieno
1916
klo 24.00 alkaen
3 kesäkuuta
kello 24:00 kesällä
30. syyskuuta
1917
"
31. maaliskuuta
"
30. syyskuuta
1918
"
9. maaliskuuta
"
6. lokakuuta
1919
"
1. maaliskuuta
"
lokakuun 4
1920
"
20. maaliskuuta
"
syyskuun 18. päivä
...
1940
klo 24.00 alkaen
Kesäkuun 14. päivä
...
1942
kello 03:00 kesällä
2. marraskuuta
1943
klo 02:00 alkaen
29. maaliskuuta
"
lokakuun 4
1944
"
3. huhtikuuta
kello 02:00 kesällä
17. syyskuuta
1945
"
2. huhtikuuta
kello 01:00 kesällä
syyskuun 15. päivä
1946
"
17. maaliskuuta
kello 03:00 kesällä
6. lokakuuta
1947
klo 00:00 alkaen
16. maaliskuuta
kello 01:00 kesällä
5. lokakuuta
1948
klo 02:00 alkaen
helmikuun 29
kello 03:00 kesällä
lokakuun 3
...
1966
klo 00:00 alkaen
22 maggioa
kello 24:00 kesällä
24. syyskuuta
1967
"
28 maggio
kello 01:00 kesällä
24. syyskuuta
1968
"
26 maggioa
"
Syyskuun 22. päivä
1969
"
1. kesäkuuta
"
28. syyskuuta
1970
"
31 maggio
"
27. syyskuuta
1971
"
23 maggioa
"
syyskuun 26
1972
"
28 maggio
"
1. lokakuuta
1973
"
3 kesäkuuta
"
30. syyskuuta
1974
"
26 maggioa
"
syyskuun 29
1975
"
1. kesäkuuta
"
28. syyskuuta
1976
"
30 maggioa
"
syyskuun 26
1977
"
22 maggioa
"
25. syyskuuta
1978
"
28 maggio
"
1. lokakuuta
1979
"
27 maggio
"
30. syyskuuta
1980
klo 02:00 alkaen
6. huhtikuuta
kello 03:00 kesällä
28. syyskuuta
1981
"
29. maaliskuuta
"
27. syyskuuta
1982
"
28. maaliskuuta
"
syyskuun 26
1983
"
27. maaliskuuta
"
25. syyskuuta
1984
"
25. maaliskuuta
"
30. syyskuuta
1985
"
31. maaliskuuta
"
syyskuun 29
1986
"
30. maaliskuuta
"
28. syyskuuta
1987
"
29. maaliskuuta
"
27. syyskuuta
1988
"
27. maaliskuuta
"
25. syyskuuta
1989
"
26. maaliskuuta
"
24. syyskuuta
1990
"
25. maaliskuuta
"
30. syyskuuta
1991
"
31. maaliskuuta
"
syyskuun 29
1992
"
29. maaliskuuta
"
27. syyskuuta
1993
"
28. maaliskuuta
"
syyskuun 26
1994
"
27. maaliskuuta
"
25. syyskuuta
1995
"
26. maaliskuuta
"
24. syyskuuta
1996
"
31. maaliskuuta
"
lokakuun 27. päivä
1997
"
30. maaliskuuta
"
lokakuun 26
1998
"
29. maaliskuuta
"
lokakuun 25
1999
"
28. maaliskuuta
"
31. lokakuuta
2000
"
26. maaliskuuta
"
lokakuun 29
2001
"
25. maaliskuuta
"
lokakuun 28. päivä
2002
"
31. maaliskuuta
"
lokakuun 27. päivä
2003
"
30. maaliskuuta
"
lokakuun 26
2004
"
28. maaliskuuta
"
31. lokakuuta
2005
"
27. maaliskuuta
"
30. lokakuuta
2006
"
26. maaliskuuta
"
lokakuun 29
2007
"
25. maaliskuuta
"
lokakuun 28. päivä
2008
"
30. maaliskuuta
"
lokakuun 26
2009
"
29. maaliskuuta
"
lokakuun 25
2010
"
28. maaliskuuta
"
31. lokakuuta
2011
"
27. maaliskuuta
"
30. lokakuuta
2012
"
25. maaliskuuta
"
lokakuun 28. päivä
2013
"
31. maaliskuuta
"
lokakuun 27. päivä
2014
"
30. maaliskuuta
"
lokakuun 26
2015
"
29. maaliskuuta
"
lokakuun 25
2016
"
27. maaliskuuta
"
30. lokakuuta
2017
"
26. maaliskuuta
"
lokakuun 29
2018
"
25. maaliskuuta
"
lokakuun 28. päivä
joka on jo läsnä kaikkialla maailmassa, "Bureau International des Poids et Mesures" Pariisissa (BIPM). BIPM käsittelee mittaukset toimittamalla kullekin yksittäiselle kansalliselle laitokselle tiedot kellojensa suorituskyvystä. Mutta se ei ole vielä kaikki, maailmassa on joitain laboratorioita (kuten INRIM), jotka on varustettu yhdellä tai useammalla ensisijaisella taajuusstandardilla. Kaikkien näiden tietojen perusteella suoritetaan jaksottaiset korjaustoimenpiteet AOG (Auxiliary Output Generator) -nimisen laitteen avulla aktiivisen vetymaserin signaalille [3-8]. Valtakunnallisen aikareferenssin erikoisuus on, että signaalit on tuotettava keskeytyksettä ja oltava saatavilla 24 tuntia vuorokaudessa ympäri vuoden. Tarve taata toiminta "reaaliajassa" edellyttää huomattavia ponnisteluja laboratorion toimijoilta.
AIKAAIKA VIIMEISEN VIIDENkymmenen vuoden ajalta
Kuvan 1 kaaviot osoittavat Italian mittakaavan trendin ajan myötä, vastaavasti ajanjaksolta 1972-2018 ja kaudelta 1990-1995 (lähde instituutin teknisestä raportista vuodelta 1995 [1]). Abskissa-akselilla ajan kulumista ilmaistaan Modified Julian Date (MJD), tieteen alalla laajalti käytetty päivämääräjärjestelmä, joka kasvaa asteittain päivä päivältä ennalta määritetystä päivämäärästä alkaen. Alun perin asteikko, jota silloin kutsuttiin UTC(IEN), oli myös useiden µs:n päässä UTC:stä (µs = sekunnin miljoonasosa), jotta se asettui sitten vuoden 1990 jälkeen ± 1 µs:n välille. Ennen vuotta 1997 vaa'at tuotettiin kvartsista, sitten rubidiumoskillaattorista. Myöhemmin käytettiin cesium-sädekelloja (ensin HP5061A ja sitten kehitys HP5071A). Kuva 2 esittää koko trendin viimeisten 20 vuoden ajalta vuodesta 1998 tähän päivään. Kuten voidaan nähdä, vuodesta 1998 lähtien asteikon luominen on parantunut edellisiin vuosiin verrattuna UTC-UCT(IT) -150 ja +100 ns välillä (ns = sekunnin miljardisosa). Sen jälkeen siirrytään ± 50 ns:iin vuosien 2006 ja 2009 välillä. Merkittävä parannus on nähtävissä vuoden 2009 tienoilla, jolloin AOG:hen liittyvää aktiivista vetymaseria alettiin käyttää asianmukaisten taajuuskorjausten tekemiseen. Tänä aikana se onnistui pysymään noin ± 20 ns:ssa ja parantumaan sitten tasaisesti paremmaksi kuin ± 10 ns vuodesta 2013 eteenpäin. Suurin ongelma portaiden pitämisessä rajoitetuissa poikkeamarajoissa on säätöjen jaksoittaisuuden lisäksi asennuksen ja laitteiden häiriöt ja odottamattomat poikkeamat. Suhteellisen rauhallisena aikana poikkeama pysyi ± 5 ns sisällä UTC:stä noin kahden ja puolen vuoden ajan (vuoden 2013 lopusta vuoden 2016 alkuun), kuten kuvassa 3 on esitetty. Myös suhteellinen taajuuspoikkeama y ( Kuva 4) asettui arvoihin noin ±6 × 10 -14 vuoteen 2007 asti, jolloin se ylittää ±2 × 10 -14 välillä vuosina 2007-2010 ja asettui noin ±1 × 10 -14 vuodesta 2010 (ja vuonna 2010).
Kuva 1 – Italian mittakaavan kehitys vuosina 1972–2018 ja 1990–1995 [1]
Kuva 2 – Italian mittakaavan trendi kaudella 1998-2018
Kuva 3 – Italian mittakaavan trendi kaudella 2013-2016
Kuva 4 – UTC(IT) suhteellisen frekvenssihajonnan trendi kaudella 1998-2018
jotkut jaksot saavuttavat jopa ± 5×10 -15 ). Joissakin tapauksissa muut kansainväliset laboratoriot ovat onnistuneet luomaan aika-asteikon, joka on parempi kuin Italiassa tehty. On kuitenkin pidettävä mielessä, että atomikellojen ja henkilöstön määrä näissä laboratorioissa on selvästi suurempi kuin LabTF:ssä (esim. Yhdysvaltain laivaston observatoriossa - USNO-laboratoriossa on monia kelloja, mukaan lukien: noin kolmekymmentä ser, muutama kymmenkunta cesiumkellot sekä muutama rubidium-suihkulähde. LabTF:ssä on yhteensä 6 cesiumia, 4 maseria ja ensisijainen cesium-suihkulähteen taajuusstandardi).
KATSAUS TULEVAISUUDEN
Kuten on havaittu, noin 50 vuodessa Italian aika-asteikon luominen on parantunut useiden suuruusluokkien verran. 70-luvun asteikosta, joka oli muutaman kymmenen µs:n päässä UTC:stä (kuva 1), nykyiseen asteikkoon, joka pysyy noin ± 5/10 ns (kuvat 2 ja 3). Kuten kuvattiin, tämä johtuu käytetyistä uusista atomikelloista sekä uuden sukupolven ja ajan mittaan käyttöönotetuista ohjausjärjestelmistä. Yhtä tärkeää on käytetty ohjausalgoritmi. Tällä hetkellä ohjaustoiminnot suorittaa laboratorion henkilökunta arvioimalla kellotietoja ja
mittakaavassa erillisellä ohjelmistolla. Tämän järjestelmän automatisointi ja jalostaminen mahdollistaa uuden askeleen eteenpäin. LabTF:n tutkijoiden tekemien simulaatioiden perusteella oli mahdollista arvioida, että siirtymällä AOG:hen syötettyjen tietojen automaattiseen ohjaukseen BIPM:n antamien tietojen perusteella asteikko voidaan säilyttää jatkuvasti paremmin kuin ± 5 ns suhteessa UTC:hen, mikä parantaa jonkin verran nykytilannetta. Jos cesium-suihkulähteen taajuusnäyte oli jatkuvasti saatavilla, simulaatio osoitti, että skaala on parempi kuin ± 3 ns. Tämä olisi merkittävä parannus. Kaikki tämä on jo pitkällä kehitysvaiheessa ja on perusteltua ajatella, että keskipitkällä aikavälillä portaikko on mahdollista rakentaa tällä tavalla. Nämä analyysit perustuvat jo olemassa olevaan laitteistorakenteeseen, joka on ollut käytössä noin kymmenen vuotta. Instituutin tutkijat ovat tehneet alustavia tutkimuksia mahdollisuudesta käyttää uutta tietystä monikanavaisesta vaihemittarista koostuvaa järjestelmää, mikä muuttaa laitteistorakennetta täysin. Tämä järjestelmä, joka vastaanottaa sisääntulona kaikkien saatavilla olevien atomikellojen signaalit, toimittaa ulostulona aika-asteikon, joka ei ole generoitu yhden "pääkellon" fyysisen signaalin perusteella, vaan kaikkien kellojen sopivasti painotetun keskiarvon perusteella. Järjestelmä voisi lisätä luotettavuutta generoinnissa, koska jos yhdessä käytetyistä kelloista tulee vika tai poikkeama, se yksinkertaisesti nollaa painonsa jatkaen vaa'an generoimista ilman keskeytyksiä. Tällä hetkellä tämä on kokeellinen järjestelmä, jota käytetään muihin sovelluksiin, mutta se voisi olla pätevä mahdollisuus parantaa tulevaisuuden Italian aika-asteikon luomista edelleen.
KIITOS
Kiitämme tohtori Valerio Pettitiä toimitetusta historiallisesta materiaalista, joka on tulosta yli neljänkymmenen vuoden työstä LabTF:ssä.
BIBLIOGRAAFISET VIITTEET
[1] F. Cordara, "Traceability of a Time and Frequency Calibration Center", IEN Technical Report n. 483 lokakuu 1995. [2] F. Cordara, R. Mannucci, “Measuring time and Frequency”, Kirja, julkaisija Editrice Il Rostro – 1997. [3] R. Costa, “Control and monitoring systems of national time scale UTC(IEN) )”, IEN tekninen raportti nro. 660 kesäkuu 2003. [4] R. Costa, F. Cordara, V. Pettiti, "The National Time Scale UTC(IT): generointi vetymaserilla, levitys- ja seurantajärjestelmät", INRIM Technical Report, 28. lokakuuta 2006. [5] F. Cordara, R. Costa, V. Pettiti, "National Time Scale UTC(IT) generation at INRIM: an update", Proc. of EFTF European Time and Frequency Forum – Toulouse (Ranska) 2008 [6] G. Cerretto, R. Costa, G. Fantino, E. Cantoni, I. Sesia, G. Signorile, P. Tavella: "INRIM Time and Frequency Laboratory: päivitys tilasta ja meneillään olevista parannustoimista" ION-PTTI Precise Time ja Time Interval – Boston (MA), joulukuu 2014. [7] R. Costa, G. Cerretto, E. Cantoni, G. Fantino: "Italian "näyteajan" luominen, levittäminen ja seurantajärjestelmät" Tutto_Misure-lehti n. 3. syyskuuta 2015. [8] R. Costa, G. Cerretto, A. Mura, M. Sellone: "Time scale switch" Tutto_Misure-lehti n. 2. kesäkuuta 2018.
Roberto Costa: insinööritutkinto Torinon ammattikorkeakoulusta. Vuodesta 1999 lähtien hän on ollut mukana LabTF:n sertifioinnissa ja kalibroinnissa. Se tekee yhteistyötä myös atomikellojen, kansallisen aikastandardin sekä laboratoriosignaalien seuranta- ja levitysjärjestelmien ylläpidossa. Vuodesta 2009 lähtien hän on toiminut divisioonan laatureferenssinä.
