Nie mam czasu
Czas i przestrzeń są ze sobą powiązane przez prędkość propagacji fal w rozważanym układzie. Fale dobrze nadają się do rozróżniania i układania kolejności zdarzeń, bo mogą one zostać wyemitowane, odbite, zaabsorbowane (odebrane), rozproszone w przestrzeni. W zależności od przyjętego modelu mogą być to np.: fale elektromagnetyczne, akustyczne, grawitacyjne. Częstotliwość, prędkość, pęd, moc, energia są wielkościami, których wyznaczenie może opierać się na wyznaczaniu zmiany częstotliwości lub pomiaru czasu jaki upłynął między pewnymi zdarzeniami. Przykładowo, zmiana częstotliwości emitowanych fotonów lub mikrofal może świadczyć o zmianach pewnych poziomów energetycznych. Możemy mierzyć odchylenia częstotliwości albo możemy mierzyć bezpośrednio czas, jak upłynął od wysłania gdzieś krótkiego sygnału do jego powrotu i w ten sposób wyznaczać odległości, prędkości, a także śledzić ich zmiany.
Prawda czasu i prawda ekranu
Im większej precyzji potrzebujemy w wyznaczeniu wspomnianych parametrów układu, tym lepszymi zegarami musimy dysponować. Przykładowo, wiemy, że Księżyc oddala się od Ziemi o ok. 3,78 cm rocznie. Biorąc pod uwagę jego odległość od Ziemi (ok. 384.000 km), uzyskanie takiej precyzji przez naukowców i inżynierów jest imponujące. Wzorzec częstotliwości jest kluczowym elementem w wielu badaniach naukowych w dziedzinach takich jak właśnie pomiary odległości i prędkości, pomiary okresów obrotów, pomiary fal grawitacyjnych, pomiary częstotliwości kosmicznych źródeł pól elektromagnetycznych i w wielu innych dziedzinach takich jak spektroskopia lub geodezja. Stabilnych źródeł potrzebuje też radioastronomia, np. ośrodek i obserwatorium w Piwnicach pod Toruniem. Im stabilniejsze jest nasze źródło, tym stabilniejsze w czasie sygnały jesteśmy w stanie rozróżniać i badać.
Nie tylko nauka potrzebuje dobrych zegarów. Potrzebuje ich również telekomunikacja, zwłaszcza radiokomunikacja, od sieci radiofonicznych i telewizyjnych począwszy, aż po operatorów 5G. Pokażę to na przykładzie telewizji cyfrowej w standardzie DVB-T/T2. Otóż, stosuje się tam tzw. sieci jednoczęstotliwościowe, których praca polega na tym, że kilka nadajników w obrębie np. tego samego województwa nadaje dokładnie ten sam sygnał na tej samej częstotliwości. Dekoder widzi sumę tych sygnałów, które docierają oczywiście z różnymi opóźnieniami i z różnymi poziomami do anteny. Żeby mógł on uczynić użytek z takiej sumy i żeby kopie tych sygnałów nie stanowiły wzajemnych zakłóceń, wszystkie one powinny być synchroniczne, a odchyłki częstotliwości i różnice w czasach dotarcia odpowiednio małe.
Przepraszam, która godzina?
Dziś do precyzyjnego wyznaczania czasu służą zegary atomowe. Choć są to skomplikowane urządzenia, nie wyświetlają aktualnej daty i godziny. Może się to wydawać zaskakujące, ale nie są do tego przeznaczone. Nie będzie tu ani wskazania czasu lokalnego, ani nawet czasu uzgodnionego międzynarodowo, tzw. czasu (UTC, ang. Universal Time Coordinated), czyli daty i godziny wyliczanej na podstawie wskazań wielu zegarów atomowych z całego świata.
Jako ciekawostkę dodać można, że czas UTC uwzględnia tzw. sekundę przestępną, która jest co jakiś czas dodawana w związku ze zmianami okresów obrotów Ziemi wokół własnej osi i jej spowalnianiem. Tak, niektóre minuty w naszym życiu miały 61 sekund, ostatnia taka była 31 grudnia 2016 r. Docelowo dodawania tej sekundy zostanie prawdopodobnie zaniechane, a dyskusja na ten temat trwa już wiele lat.
Zegary atomowe natomiast mają tylko jedno zadanie: mają być stabilnym wzorcem częstotliwości, najczęściej w postaci sinusoidalnego sygnału elektrycznego o częstotliwości 10MHz. Dodatkowo, niektóre zegary i systemy generują jeszcze sygnał 1PPS składający się z krótkich impulsów nadawanych co sekundę (ang. pulse per second). Niektóre zegary są optyczne, tzn. ich produktem jest określona stabilna długość fali optycznej. Dopiero na podstawie tych okresowych sygnałów z zegarów atomowych można dokonać tzw. realizacji czasu UTC, czyli nadać tym upływającym kolejnym okresom znaczenie w postaci uzgodnionej daty i godziny.
W Polsce przykładowo dysponujemy dwiema ważnymi realizacjami lokalnymi czasu UTC. Jest to realizacja urzędowa UTC(PL) wykonywana przez Główny Urząd Miar, jak i UTC(AOS) wykonywana przez laboratorium PAN w Borówcu. Zgodność z czasem UTC można stwierdzić post factum po czasie ok. półtora miesiąca, nie istnieje bowiem żadna uzgodniona międzynarodowo bieżąca realizacja czasu UTC. Wydaje się, że osoby, które zajmują się wzorcami czasu muszą mieć anielską cierpliwość, bo jak tu porównać ze sobą zegary, które spóźniają się np. o sekundę na miliard lat? Na szczęście nie musimy czekać, aż upłynie pełna sekunda odchylenia. Zbudowano specjalne urządzenia i systemy porównywania sygnałów odniesienia i ich uchybu częstotliwości, które oferują wynik w czasie od kilku minut do kilku tygodni, w zależności od zastosowania i oczekiwanej precyzji. Zmierzone post factum odchyłki UTC(PL) od UTC mieszczą się w granicach kilku nanosekund.
Do dystrybucji danej realizacji czasu UTC do użytkowników końcowych mogą służyć różne systemy. Czas w postaci daty i godziny często jest przesyłany w Internecie za pomocą NTP (ang. Network Time Protocol). W ten sposób synchronizują się nasze telefony i komputery automatycznie.
Zapewne wielu z czytelników kojarzy też zegary ścienne sterowane radiem, zazwyczaj sygnałem DCF77 nadawanym na falach długich (77,5 kHz) spod Frankfurtu nad Menem. Oprócz daty i godziny zakodowanych w sygnale, sama fala nośna też jest stabilna. Choć do celów domowych albo w automatyce przemysłowej jest to rozwiązanie działające doskonale, tak do celów naukowych i wymagających zastosowań technicznych ten sygnał nie jest zbyt dobry, podobnie jak inne nadawane radiowo wzorce częstotliwości, jak np. rosyjski RWM spod Moskwy, czy chiński BPM spod Pucheng w prowincji Fujian. Owszem, są to sygnały długookresowo stabilne, ale w krótkich okresach występują różne zakłócenia i dryft fazy nadawanej sinusoidy, jak i szereg efektów związanych z propagacją w atmosferze ziemskiej. Najlepsze rezultaty dają tutaj łącza światłowodowe, stąd udział Konsorcjum PIONIER w transmisji czasu jest czymś naturalnym.
Dajcie mi więcej czasu
W XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój w budowie precyzyjnych źródeł częstotliwości.
Obecnie dysponujemy w zasadzie następującymi precyzyjnymi źródłami, które uszeregowałem według precyzji od najmniejszej do największej:
- pojedyncze zegary kwarcowe, farmy kwarcowe (wiele oscylatorów kwarcowych z uśrednianiem fazy) lub zegary kwarcowe umieszczone w środowisku o stabilizowanej temperaturze lub zegary z kompensacją temperatury – używane są tam, gdzie jest potrzebna stabilność krótkookresowa lub istotna jest stosunkowo mała cena i rozmiar urządzeń, np.: w miernikach laboratoryjnych, urządzeniach telekomunikacyjnych lub jako komponenty do sterowania zegarami atomowymi,
- wzorzec atomowy rubidowy – w urządzeniach telekomunikacyjnych, w których ważna jest umiarkowana cena i do tego niewielki rozmiar, ale wymagana jest lepsza stabilność niż zegarów kwarcowych, np. wojskowe stacje radiolokacyjne, wcześniej również satelity były wyposażane w takie zegary, obecnie dzięki miniaturyzacji i stosunkowo niskiej cenie, pasjonaci tacy jak krótkofalowcy albo audiofile używają ich jako odniesienia w swoich domowych instalacjach,
- wzorzec atomowy cezowy – do synchronizacji całych sieci telekomunikacyjnych jako główny zegar w dużych systemach,
- maser wodorowy – pasywny i aktywny – używany przez centralne agencje rządowe, np. krajowa realizacja czasu urzędowego UTC(PL) opiera się na maserze aktywnym.
Należy tu przy okazji wymienić fontannę cezową, która jest urządzeniem służącym do korygowania masera wodorowego. Fontanna sprawdza, czy doprowadzony z masera sygnał jest zgodny z definicją sekundy w układzie SI. Tak pozyskana informacja może posłużyć do oceny jakości masera, a pomiar taki zajmuje do kilku tygodni.
Inną kategorią są systemy synchronizacji oparte o czas generowany przez kogoś innego, np. pobierające czas satelitarny z systemów takich jak GPS, Galileo, Glonass – zastosowaniami to będą głównie pomiary terenowe, w tym eksperymenty naukowe z rozproszoną aparaturą naukową (przykładowo projekt LOFAR), pomiary geodezyjne, a także komercyjne serwerownie, stacje radiowe i telewizyjne i ich wozy transmisyjne. Istnieją też urządzenia, które odbierają odniesienie z wielu satelitów wielu systemów i na tej podstawie wyliczają pewną średnią fazę lokalnego oscylatora kwarcowego.
Zasada działania klasycznego zegara atomowego jest prosta do zrozumienia, choć sama implementacja to już wyżyny techniki, zwłaszcza elektroniki. Choć zegary różnią się znacznie użytymi pierwiastkami, częstotliwościami oraz tym jak atomy są wzbudzone, pewne cechy pozostają wspólne. Otóż wyobraźmy sobie, że mamy szklane naczynie z jakimś określonym pierwiastkiem, np. rubidem. Nazwijmy to naczynie lampą, bo ten rubid w środku świeci pięknie na różowo, a nas w zasadzie interesują opary wzbudzonego rubidu. Podgrzewamy i wzbudzamy atomy do pewnych określonych i znanych stanów energetycznych. Wiemy, że atomy rubidu w określonym stanie energetycznym zmieniają ten stan na inny pod wypływem fal elektromagnetycznych o znanej częstotliwości. Ponieważ jest to efekt kwantowy, to ta częstotliwość jest stała i nie zależy (do pewnego stopnia) od takich parametrów, jak wielkość urządzenia, czyli precyzja jego wykonania, temperatura otoczenia, itd. Dalej, w zegarze mamy sterowane źródło przebiegu okresowego, czyli poprzez zmiany napięcia sterującego możemy zwiększać lub zmniejszać częstotliwość przebiegu. Generalnie, to źródło ze względów technicznych ma dość niską częstotliwość, więc potrzebujemy kilku powielaczy częstotliwości, żeby ją podnieść o kilka rzędów wielkości, żeby wejść w zakres, w którym interesująco się zachowują dla nas atomy rubidu. Kierujemy wiązkę fal o tej podwyższonej, ale sterowanej częstotliwości i odpowiednio dobranej mocy na lampę z oparami rubidu. Jeśli atomy te zaczynają reagować na padające fale, np. zaczynają je absorbować, możemy ten stan wychwycić, np. obserwując drobny spadek intensywności światła lampy. I gotowe, mamy stan wstrojenia się w pożądaną częstotliwość. Ten stan trzeba osiągać powoli, stopniowo przemiatając częstotliwości w pobliżu optimum, a potem delikatnie i powoli sterować, żeby się nie zanadto nie odstroić. Pozostaje tylko poprzez układy dopasowujące wygenerować sygnał 10MHz, który będzie synchroniczny z sygnałem z naszego sterowanego źródła częstotliwości.
Zegar rubidowy należy do najstarszych zegarów atomowych. Trudniejsze do skonstruowania, ze względu na wyższe częstotliwości były zegary cezowe, kolejnym etapem rozwoju były masery wodorowe i fontanny cezowe. W uproszczeniu, aktywny maser wodorowy działa w takich sposób, że atomy wodoru zmieniając stan energetyczny generują pole elektromagnetyczne o określonej częstotliwości, które jest wzmacniane za pomocą wnęki rezonansowej, w której atomy się znajdują. W maserach aktywnych na wyjściu jest oscylator kwarcowy, który jest stabilizowany przez maser w długim okresie.
PIONIERzy czasu
Wiele instytucji naukowych i technicznych potrzebuje wysokostabilnych źródeł odniesienia, ale utrzymywanie przez nie własnego zegara atomowego, zwłaszcza aktywnego masera wodorowego, jest kosztowne i wymaga wysokich, specjalistycznych kwalifikacji. Dlatego obserwuje się dziś trend, w którym instytucje poszukują możliwości podłączenia się do dobrych źródeł synchronizacji, lepszych od tańszych wzorców rubidowych, ale jednocześnie bez konieczności zakupów sprzętu.
Tu pojawia się duża szansa dla Konsorcjum PIONIER. Naszym celem jest taka dystrybucja sygnałów czasu w sieci światłowodowej PIONIER, aby uzyskać opóźnienie do kilkunastu pikosekund względem czasu dostępnego w GUM, a także, żeby to opóźnienie było stabilne. Chodzi nam zatem o to, by nie pogorszyć jakości zegara z powodu cech sieci PIONIER.
Główny Urząd Miar posiada aktywny maser wodorowy, z którego przekazuje PIONIERowi elektryczne sygnały 10MHz oraz 1PPS. Konsorcjum PIONIER jest odpowiedzialne za konwersję ich do postaci optycznej oraz dba o niepogorszenie parametrów sygnału na wyjściu z sieci PIONIER. Do transmisji z GUM jest użyte pojedyncze włókno światłowodowe oraz urządzenie stabilizujące sygnał, które kompensuje wpływ zmian opóźnienia w światłowodzie. Na wyjściu otrzymujemy kopię masera wodorowego z dokładnością do kilkudziesięciu pikosekund.
Innym przykładem wykorzystania sieci PIONIER do transmisji wzorcowej częstotliwości jest tzw. wzorcowa częstotliwość optyczna, w której uzyskujemy stabilną długość fali świetlnej w światłowodzie. Źródłem jest tzw. zegar optyczny na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu, będący wysokostabilnym, wąskopasmowym laserem, którego światło jest przenoszone synchronicznie do wygodniejszego okna transmisyjnego światłowodu poprzez laser femtosekundowy.
W ramach Konsorcjum PIONIER budujemy system, w którym będziemy korygować odchyłki powstające w wyniku różnych efektów w światłowodach, m.in. związanych ze zmianami temperatury. W ramach projektu PIONIER-LAB i laboratorium drugiego tego projektu, w MANach (będących konsorcjantami) budowane są tzw. repozytoria czasu. Do nich zostaną doprowadzone światłowodami sygnały 10MHz oraz 1 PPS, których źródłami będą zarówno GUM, jak i laboratorium w Borówcu. W tych MANach będą także zegary zapasowe na wypadek awarii połączenia światłowodowego z maserami. Te lokalne zegary będą rubidowe lub cezowe, decyzje zapadną wkrótce.
W planowanych repozytoriach czasu będą także serwery NTP do dystrybucji daty i godziny. Serwery te będą w dwóch kategorii – stratum 1 w MANach – jako serwery regionalne – oraz stratum 0 – jako serwer główny, który będzie podłączony do odniesienia w GUM.
Wzorce częstotliwości, jakie będą wkrótce dostępne w sieci PIONIER będą najwyższej jakości w Polsce. Stanowi to znaczny postęp względem lokalnych zegarów rubidowych lub cezowych. To duże ułatwienie dla instytucji, które nie będą musiały budować własnych systemów, a wystarczy, że skorzystają z repozytoriów czasu w MANach.
Marcin Dąbrowski
