MIKESiin uusi atomikello: Suomen ajasta entistä tarkempi

MIKES ylläpitää Suomen virallista aikaa. Kellolaboratoriossa on tällä hetkellä kaksi cesium-atomikelloa, kaksi ak­tiivimaseria ja yksi passiivimaser. Atomikellojen aika välitetään jatkuvasti GPS-aikavertailun avulla Pariisissa sijaitsevaan kansainväliseen paino- ja mittatoimistoon BIPM:ään, joka laskee maailman koordinoidun yleisajan (UTC) keräämiensä tietojen pohjalta ja raportoi kuukausittain eri maiden kansallisen ajan poikkeaman maailmanajasta. Koordinoitu yleisaika on siten laskennallinen suure eikä mikään kello koko maapallolla käy täsmälleen sen mukaan. MIKESin ylläpitämä Suomen aika, on hyvin lähellä UTC aikaa; jopa niin lähellä, että viimeisen parin vuoden aikana Suomessa on ollut yksi maailman tarkimmista ajoista (poikkeama maailmanajasta alle 10 nanosekuntia). Suomen ajan lähde on tällä hetkellä MIKESin tiloissa sijaitseva aktiivinen vetymaser, jonka käynnistä Suomen aika lasketaan käyttäen tarkkaa mallia maserin ikääntymiselle. Jotta varmistettaisiin, että Suomen aika on jatkossakin maailman tarkimpien aikojen joukossa, MIKESiin on hankittu kolmas aiempia tarkempi, sveitsiläinen aktiivivetymaser. Laite tulee korvaamaan MIKESin nykyisen pääkellon huolellisten testien ja vertailumittausten jälkeen ensi vuoden alkupuolella. Maserista saadaan sekuntipulssien lisäksi myös 5, 10 ja 100 MHz:n taajuussignaalit, joiden lyhyen aikavälin suhteellinen epävarmuus on 8·10-14 (1 s) ja pitkän ajan 2·10-16 (päivä).

Yksistään parempi vetymaser ei automaattisesti takaa tarkempaa aikaa vaan lisäksi tarvitaan laskennallinen malli, joka kellon aiemman käyttäytymisen perusteella ennustaa kellon käyntiä ja siten mahdollistaa kellonajan korjaamisen ennalta. Ennustaminen on kuitenkin sitä helpompaa mitä tasaisemmin itse kello käy. Kello säädetään niin, että se hieman edistää maailmanaikaa. Tämän jälkeen kellosta saatava sekuntipulssi viivästetään oikea-aikaiseksi tietokoneella, jossa on laskettu malli maserin käyttäytymiselle maailmanaikaan nähden. Uuden kellon käyttöönottoa edeltää siten usean kuukauden mittausjakso, jolla tutkitaan maserin antaman ajan poikkeamaa maailmanajasta.

Uusi atomikelloLähitulevaisuudessa SI-sekunti tullaan todennäköisesti määrittelemään optisen alueen transition avulla, koska jo nyt optisilla atomikelloilla saavutetaan kaksi kertaluokkaa parempi tarkkuus kuin nykyisen sekunnin määritelmän toteuttavilla mikroaaltoalueen cesium-kelloilla. MIKESissä rakennetaan yhteen strontium-ioniin perustuvaa optista atomikelloa. Kellossa olevien elektrodien väliin vangitaan yksi ainoa 88Sr+-ioni, joka jäähdytetään lasersäteiden avulla muutaman asteen tuhannesosan päähän absoluuttisesta nollapisteestä. Tämän jälkeen ns. kellolaser virittää ionin jos ja vain jos laserin taajuus on hyvin tarkasti sama kuin ionin viritystaajuus. Viritystaajuuden keskipiste voidaan tulevaisuudessa määrittää jopa seitsemäntoista numeron tarkkuudella. Kun laserin kenttä on värähtänyt 444 779 044 095 484,6 kertaa, yksi sekunti on kulunut. Koska ionikello ei käy jatkuvasti, tarvitaan tarkka ns. vauhtipyörä ylläpitämään aikaa ionikellomittausten välillä. Uusi vetymaser tulee toimimaan tällaisena vauhtipyöränä, jonka taajuutta tarkistetaan ja korjataan säännöllisillä ionikellomittauksilla.

Synkronoi kotitietokoneesi kellonaika MIKES:n atomikelloihin julkisen NTP-palvelumme kautta!

Lisätiedot: johtava metrologi Mikko Merimaa, etunimi.sukunimi@vtt.fi, p. 02950 54419​