Jste zde

Státní etalon frekvence a času

Název etalonu: Státní etalon času a frekvence ČR

Kódové označení: ECM 440-1/97-002

Rok vyhlášení: 1997

Pracoviště: ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i.

Garant: Ing. Alexander Kuna, Ing. Jan Čermák (2002-2009), Ing. Otakar Buzek, CSc. (1997-2002)

Počet zajišťovaných CMC řádků: 17

Stávající definice sekundy (2011) je vztažena k přesné hodnotě dobře určené vlastnosti atomu cesia, která je přirozeně neměnná. Definice sekundy má znění:

Sekunda, symbol s, je jednotkou času; její velikost je určena stanovením číselné hodnoty frekvence hyper-jemného rozštěpení základního stavu atomu cesia 133 v klidu a při teplotě 0 K tak, aby se rovnala přesně 9 192 631 770, je-li vyjádřena v jednotce soustavy SI s−1, což je rovno Hz.

Uchováváním Státního etalonu času a frekvence (SEČF) je v České Republice pověřen Ústav fotoniky a elektroniky (ÚFE) Akademie věd ČR, v.v.i. (dřívější název Ústav radiotechniky a elektroniky).

Podmínkou pověření ÚFE k této činnosti bylo (kromě nezbytné technické úrovně) vytvoření specifické organizační jednotky ÚFE, která by vyhovovala normě ISO/IEC 17025 a mohla se stát přidruženou laboratoří ČMI. Taková organizační jednotka vznikla v rámci Oddělení času a frekvence ÚFE a nese název Laboratoř Státního etalonu času a frekvence (LSEČF).

Proč byl primární etalonáží času a frekvence pověřen právě ÚFE? Odpověď sahá do období budování Národního metrologického systému (NMS) po rozdělení Československa, kdy se hledaly cesty technickoekonomické optimalizace NMS, k nimž patřilo i využití stávajících laboratoří mimo ČMI, které se vyznačovaly vysokou mezinárodní úrovní a u nichž byl předpoklad, že se dobře zhostí všech úkolů, které NMS vyžaduje. V oblasti času a frekvence bylo rozhodnuto po vzájemné dohodě mezi ÚNMZ, ČMI a ÚFE využít kapacit a zkušeností ÚFE a pověřit jej uchováním SEČF namísto budování nové nákladné laboratoře přímo v ČMI. Poněvadž je ÚFE akademickým pracovištěm, nabízelo toto řešení kromě ekonomických úspor i synergii akademického a metrologického výzkumu při budoucím rozvoji etalonu.

ÚFE má v oblasti metrologie času a frekvence dlouhou tradici sahající až do jeho založení v roce 1955 a dosáhl v této oblasti řady hodnotných výsledků na mezinárodní úrovni. Již v roce 1957 bylo zahájeno dlouhovlnné vysílání signálů etalonového času a frekvence stanicí OMA-50 kHz, které patřilo k prvním svého druhu na světě. V roce 1961 byla dokončena nová budova ústavu, kde část suterénních prostor byla navržena speciálně pro potřeby etalonáže času a frekvence. V tehdejším oddělení kvantové elektroniky byl již v roce 1963 uveden do provozu první čpavkový maser (V. Trkal a kol.) a téhož roku i rubínový maser (J. Blabla). V roce 1967 byla publikována a experimentálně zavedena televizní metoda pro porovnání časových stupnic (J. Tolman), která dosáhla celosvětového rozšíření. Roku 1969 byl ústav vybaven cesiovými hodinami HP5061A, pravděpodobně prvními za železnou oponou. Od 70. let se atomová frekvence šířila po celé zemi prostřednictvím TV signálu Československé televize. Časový transfer televizní metodou se šumem na úrovni pouhých 10 ns umožnil například během jednoho týdne ověřit gravitační frekvenční posuv cesiových hodin převezených na horu Praděd.

Na počátku 90. let prošla časová laboratoř ÚFE rozsáhlou rekonstrukcí, která přinesla i podstatné zlepšení parametrů SEČF. Do provozu byly uvedeny dvoje cesiové hodiny nové generace 5071A a dva časové přijímače GPS Allan Osborne TTR6 a později vícekanálové multifrekvenční přijímače GPS a GNSS Dicom GTR50 a GTR51. Důležitá byla rovněž spolupráce s tehdejším Českým Telecomem (nyní Telefónicou O2), pro nějž ÚFE navrhl a realizoval systém primárního zdroje frekvence (PZF) a systém optického přenosu mezi ÚFE a O2. Výsledkem této spolupráce bylo zařazení dalších dvou cesiových hodin 5071A pracujících v O2 do mezinárodní spolupráce s BIPM při vytváření světového koordinovaného času UTC.

Časová stupnice UTC(TP)

Hlavním výstupem SEČF je časová stupnice UTC(TP), která je národní aproximací (predikcí) stupnice UTC. Zkratka TP (z lat. Tempus Pragense) má původ z doby, kdy se na vytváření UTC(TP) společně podílely Ústav radiotechniky a elektroniky a Astronomický ústav ČSAV. K fyzické stupnici UTC(TP) se vztahuje většina měření času a frekvence prováděných v rámci LSEČF.

Sekunda UTC(TP) a s ní koherentní frekvence jsou v současnosti realizovány prostřednictvím průmyslových cesiových frekvenčních etalonů (hodin) 5071A/001. SEČF se v současnosti opírá o dvoje hodiny 5071A s vysokou stabilitou (v. č. 1227 a v. č. 2476) a kromě těchto také navazuje již zmíněné dvoje hodiny (v.č. 154 a 163) v Telefónice O2 v Praze na Žižkově. LSEČF rovněž usiluje o spolupráci s dalšími institucemi, např. VÚGTK Geodetickou Observatoří Pecný, Ústavem přístrojové techniky AV ČR, Českým Metrologickým Institutem a sdružením CESNET s cílem navazovat atomové zdroje frekvence v těchto institucích na SEČF a začlenit je též do výpočtu časové stupnice UTC ve spolupráci s BIPM.

Hodiny 5071A/001 jsou v současné době nejpřesnějším a dlouhodobě nejstabilnějším průmyslově vyráběným autonomním zdrojem frekvence. Výrobce zaručuje, že je jejich přirozená (tj. nijak nekorigovaná) relativní frekvenční odchylka v rozsahu technických podmínek menší než 5.10‑13 vůči ideální realizaci definice.

Časovou stupnici UTC(TP) vytváříme z hlavních hodin, jimiž až dosud byly střídavě vždy ty lepší ze dvou hodin v ÚFE. Frekvence hlavních hodin je na základě dlouhodobých měření na počátku nastavena co nejpřesněji na frekvenci UTC/TAI a pak se na základě evoluce časové stupnice UTC(TP) zavádějí podle potřeby další frekvenční korekce s relativním krokem 6,3∙10−15 tak, aby časová odchylka UTC − UTC(TP) nevybočila z doporučené tolerance ± 100 ns. Nejistota takto generované frekvence a tedy i aproximace sekundy SI je dána především frekvenční nestabilitou hlavních hodin, a je proto i funkcí průměrovacího intervalu τ. Pro τ = 86400 s (1 den) deklarujeme v tabulce CMC rozšířenou relativní nejistotu 6∙10−14 .

Odchylky UTC − UTC(TP) stanovené BIPM na základě průběžných porovnání metodou společných pozorování GPS zachycují následující obrázky.

Grafy ukazují odchylky v letech 2012 a 2013. Odchylky jsou stanoveny s nejistotou  ns  se složkami  ns a  ns.

Národní časová stupnice UTC(TP) je šířena v Internetu prostřednictvím serveru NTP, který je dostupný na adrese time.ufe.cz. Server byl vytvořen ve spolupráci se společností CESNET.

Služby pro veřejnost

LSEČF provádí kalibrace přesných zdrojů času a frekvence jako jsou atomové hodiny, vysoce stabilní oscilátory a generátory, a to autonomní i řízené signály GPS nebo GNSS. Kalibrovány jsou rovněž časové přijímače signálů satelitních navigačních systémů GNSS (GPS, GLONASS, GALILEO, SBAS).

Další rozvoj LSEČF a s ním spojených metrologických činností je v úzké návaznosti na výzkumný program ÚFE v oblasti času a frekvence, který se soustředí na ultracitlivá měření krátkodobé frekvenční stability, přesná měření časových intervalů a přesný časový transfer prostřednictvím signálů satelitních navigačních systémů a pomocí optických vláken nebo plně optických sítí.

Obrázková galerie: