Il Tempo – 17 marzo 2010 OROLOGIO ATOMICO Roberto Francini.

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1 Il Tempo – 17 marzo 2010 OROLOGIO ATOMICO Roberto Francini

2 Il Tempo – 17 marzo 2010 Gli standards di TEMPO e FREQUENZA forniscono TRE tipi di informazioni di base: a – lora esatta (che ora è?) b – lintervallo temporale ( definizione del secondo SI) c – la frequenza

3 Il Tempo – 17 marzo 2010 a – lora esatta (che ora è?) Lora esatta viene specificata in termini di ore, minuti e secondi, ma spesso include la data ( giorno, mese ed anno) OROLOGIO

4 Il Tempo – 17 marzo 2010 b – lintervallo temporale ( definizione del secondo SI) Lintervallo temporale è la durata temporale, o il tempo trascorso, tra due eventi Lunità standard è il secondo (s) Molte applicazioni richiedono la misura di intevalli temporali più brevi: millisecondi ( 1 ms = 10 – 3 s) microsecondi ( 1 s = 10 – 6 s) nanosecondi ( 1 ns = 10 – 9 s) picosecondi ( 1 ps = 10 – 12 s)

5 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) NomeSimbolo per lunitàUnità fondamentale SI Lunghezzammetro Massakgchilogrammo Tempossecondo Corrente elettricaAampere Temperatura termodinamicaKkelvin Quantità di sostanzamolmole Intensità luminosacdcandela La definizione di molte altre grandezze fisiche si basa sulla definizione di secondo

6 Il Tempo – 17 marzo 2010 Paesi non-metrici Stati Uniti Liberia Myanmar

7 Il Tempo – 17 marzo 2010 La attuale definizione del secondo è stata adottata dalla 13 ma 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 dellatomo 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

8 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. Lunità standard per la frequenza è lhertz (Hz), definito come numero di eventi o cicli al secondo. E facile incontrare multipli dellhertz: 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 ) Uno strumento che genera frequenza è un oscillatore

9 Il Tempo – 17 marzo 2010 I tre tipi di informazione sono naturalmente legati fra loro in modo stretto Intervallo temporale: definizione di secondo Contando i secondi si determina la data e lora esatta Contando gli eventi o i cicli al secondo, si misura la frequenza

10 Il Tempo – 17 marzo 2010 Lintervallo temporale e la frequenza sono le grandezze fisiche che al giorno doggi possono essere misurate con la incertezza più piccola e la più alta risoluzione

11 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. Tempo atomico, frequenza >40 laboratori >200 orologi atomici BIPM Media dei dati ricevuti TAI Tempo Atomico Internazionale UTC Tempo Coordinato Universale TEMPI di CARTA

12 Il Tempo – 17 marzo 2010 Il tempo coordinato universale, conosciuto anche come tempo civile e abbreviato con lacronimo 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.International Earth Rotation and Reference Systems Service In Italia quando è in vigore lora solare si usa l'orario CET che è pari a UTC + 1 ora, mentre quando è in vigore lora legale si usa l'orario CEST che è pari a UTC + 2 ore. UTC Tempo Coordinato Universale TAI Tempo Atomico Internazionale

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18 Due importanti specifiche delle misure di tempo e frequenza 1 – Accuratezza Laccuratezza 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)

19 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. Allopposto, laccuratezza ci dice quanto bene loscillatore riproduce il tempo e la frequenza ideali.

20 Il Tempo – 17 marzo 2010 Relazione tra Stabilità e Accuratezza

21 Il Tempo – 17 marzo 2010 In generale occorre effettuare la misura su tempi lunghi: - Possibilità di mediare il segnale misurato e abbattere il rumore

22 - Influenza del tempo di interrogazione sui sistemi quantistici

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29 Risonanza e cavità risonanti

30 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.

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33 Cavità di Ramsey

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