Introducción
El segundo es una unidad base del Sistema Internacional
El intervalo de tiempo y su recíproco, la frecuencia, pueden ser medidos con más resolución y menor incertidumbre que cualquier otra magnitud física.
Las definiciones de otras unidades ahora dependen de la definición del segundo: metro, candela, ampere, volt.
Sistema internacional de unidades
Definición histórica
Patrones
Los patrones de tiempo y frecuencia están asociados a un evento que se repite periódicamente de manera relativamente constante.
El evento periódico es producido por un “resonador”.
Se busca encontrar cada vez mejores resonadores, que sean estables e imperturbables.
Se usaron:
Rotación de La Tierra sobre su eje: 1s = 1/86400 del día solar.
Promedio de la rotación de La Tierra sobre su eje: 1s = 1/86400 del día solar medio
Traslación de La Tierra alrededor del Sol: 1s = 1/31 556 925.9747 del año 1900 (esta fue tomada como definición del segundo en 1956, irrealizable en forma práctica)
Péndulos. Descubiertos por Galileo en 1637 y usados por 300 años.
Osciladores LC
Cristal de cuarzo (década de 1920)
Osciladores atómicos: Rubidio, Cesio, Hidrógeno.
Definición del segundo (desde 1967)
El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133
Es decir, luego de medirla lo mejor posible hasta ese momento basándose en la duración del año astronómico, se adopta por convención que la frecuencia emitida por la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133 es de 9 192 631 770 Hz y a partir de allí se define el segundo.
Vocabulario
Patrón primario: patrón establecido mediante un procedimiento primario o creado como un objeto elegido por convenio. Ej: Cesio
Patrón secundario: patrón establecido mediante una calibración respecto a un patrón primario. Ej: Rubidio
Patrón intrínseco: patrón basado en una propiedad intrínseca y reproducible de un fenómeno o sustancia. Ej: punto triple del agua (temp), efecto Josephson (tensión), efecto Hall cuántico (resistencia).
Patrón de referencia: patrón designado para la calibración de los demás objetos dentro de una organización o lugar dado. Ej: Un OCXO en la UTN-FRBA usado para calibrar contadores.
Patrones atómicos
Se basan en la frecuencia de resonancia de la transición entre dos niveles de energía de un átomo:
Como todos los átomos de un elemento específico son iguales, deberían producir exactamente la misma frecuencia.
Sin embargo, las perturbaciones externas como campos electromagnéticos y el efecto Doppler por las colisiones entre átomos producen pequeñas variaciones que hay que minimizar.
Maser de Hidrógeno
Un haz de hidrógeno pasa por un imán para seleccionar los átomos de estado de mayor energía y entran en una cavidad resonante sintonizada a la frecuencia de transición dos niveles de energía particulares.
"Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation"
Maser de Hidrógeno
Patrón primario: provee una frecuencia bien definida sin necesidad de compararla contra una referencia externa.
Es la fuente de frecuencia conocida más estable al corto plazo
Se usa sólo en aplicaciones específicas donde se necesiten esos niveles de estabilidad
Es muy voluminoso y muy costoso
Tiene vida útil limitada
Hay masers activos y pasivos. Los activos son más estables y costosos.
Patrón de haz de Cesio
El haz de cesio abandona el horno, el imán selecciona los átomos apropiados y se los excita con energía de microondas. Un 2º imán selecciona los átomos debidamente excitados que entran al detector. La señal será la referencia de un generador sintetizado de microondas que realimenta el circuito.
Patrón de haz de Cesio
Patrón primario: la definición actual del segundo se basa en este tipo de patrón.
Las perturbaciones en frecuencia son tan pequeñas que tubos construidos de forma independiente presentan diferencias menores a 10-12
Es voluminoso y costoso
Hay versiones comerciales que entran en rack de 19”
Tiene vida útil limitada porque el tubo de cesio se agota, por lo que hay que compararlo periódicamente para ver que esté operativo
Los más exactos son los de fuente de cesio enfriado por laser que llegan a 10-15, como el NIST-F1, reservados sólo para institutos primarios
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