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
OROLOGIO 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) Nome Simbolo per l’unità 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
La frequenza è il “ritmo” di un evento ripetitivo. 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 Contando i secondi si determina la data e l’ora esatta Il Tempo – 17 marzo 2010
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 Internazionale Tempo atomico, frequenza >40 laboratori >200 orologi atomici BIPM Media dei dati ricevuti TEMPI di “CARTA” UTC Tempo Coordinato Universale Il Tempo – 17 marzo 2010
Tempo Coordinato Universale TAI Tempo Atomico Internazionale 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
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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
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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
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Cavità di Ramsey
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