I. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRE BİLDİRİLER KİTABI

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası I. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRE BİLDİRİLER KİTABI 19-2O EKİM 199S Sanayi Odası / ESKİŞEHİR MMO Yayın No: 177

2 UME 'DE KANDELA 'NIN OLUŞTURULMASI Midiya Hacıyeva TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), P.K. 21, Gebze/KOCAELİ Özet: UME 'de ışık şiddetinin SI birimi Kandela, önce bir grup akkor lambalar üzerinden Ulusal Standartı olarak (belirsizlik 2a, ± 7x10" 3 ), daha sonra Mutlak Kriyojenik Radyometre 'nin kurulması ve çalıştırılmasıyla Birincil Standard olarak (belirsizlik 2a, ± 2xl0~ 3 ) iki aşamada oluşturulacaktır. 1. Giriş SI ışık şiddeti birimi olan Kandela (cd) 1948 'den 1979 'a kadar platinin donma noktası T pt = 2042 K 'de çalışan siyah-cisim terimleriyle tanımlanmaktaydı 'lı yılların sonu ve 1970 'li yılların öncesinde kandela'nın siyah-cisim esasına dayalı olarak gerçekleştirilmesi sırasında güçlükler yaşanmaktaydı. Bunun nedenleri arasında, - standartın gerçekleştirilmesindeki belirsizliğin büyük olması, - standartın izlenebilirliğinin iyi sağlanamaması, - standartın çalışma sıcaklığının (T=2042 K) düşük olması (ışık ölçümleri, genellikle yüksek sıcaklıklı (2500 K ve üstü) kaynaklarla yapılıyor) vs. gibi faktörler bulunmaktaydı. Dolayısıyla bir yandan yüksek sıcaklıktaki siyah-cisim, mutlak radyometre veya bu problemleri çözebilecek herhangi bir başka yöntem temeline dayanan, öte yandan fotometrik ve radyometrik nicelikler arasında kesin bağıntı kurabilecek yeni bir tanıma gerek duyulmaktaydı 'li yıllarda fotometrik niceliklerin spektraradyometrik değerlerden veya tersinin hesaplanmasını mümkün kılan yüksek doğruluklu mutlak spektraradyometri temelinde fotometrik sistemin kurulmasına gösterilen çabalar sonucu, CGPM (the Conference Generale des Poids et Mesures) 1979 'da Kandela 'nın yeni tanımını kabul etti. Yeni tanıma göre " Kandela, belli bir yönde ışınım şiddeti 1/683 watt/steradyan'a eşit, 540xl0 12 Hz frekanslı tekrenkli ışınım yayımlayan kaynağın aynı 323

3 yönde ışık şiddetidir." Bu tanım, ulusal laboratuvarlara kendileri için uygun buldukları herhangi bir radyometrik yöntemle Kandela'yı gerçekleştirmekte serbestlik tanıdı ve ulusal laboratuvarlar [1-5] çeşitli yöntemlerle kendi Kandela ölçeklerini oluşturdular. / UME optik laboratuvarında bu yöntemler birer birer incelenerek Kandela standartının nasıl oluşturulacağı saptandı. Seçilen yöntem aşağıda anlatılmıştır. 2. Ulusal Standart Işık şiddeti ulusal standartlınızı ilk aşamada, Almanya'nın birincil standartıyla karşılaştırılarak kalibre edilmiş 6 adet Osram Wİ 41/G standart lambaları oluşturmaktadır. Kandela'nın gerçekleştirilmesi çalışmalarında bu lambaların kullanılması CCPR (the Comite Consultatif de Photometrie et Radiometrie) tarafından uygun görülmüştür. Ulusal standartın muhafaza edilmesi, diğer lambalara transferiyle I. ve II. seviye çalışma standartlarının oluşturulması için laboratuvarımızda özel ölçüm düzeneği kurulmuştur. Düzeneği oluşturan ana elemanlar OSRAM Wİ 41/G standart lamba seti, ışık yönlendiricileri, 6,5 m 'lik optik masa ve sıcaklık kontrollü hassas fotometredir. Lamba J akımı, standart direnç üzerindeki voltaja göre ayarlanıp sayısal voltmetreden okunur. Lamba kararlı DC güç kaynağından beslenir. Lamba ile fotometre arası ölçüm mesafesi 0,5 ile 5,5 metre arasında değişebilir. Ölçüm öncesi diyot laser yardımıyla sistem ayarlanarak, lamba flamanının merkeziyle fotometrenin giriş deliğinin merkezinin optik masaya paralel bir eksenin üzerinde olması ve flamanın bulunduğu yüzeyin bu eksene dikey durması sağlanır. Ulusal standartı oluşturan kalibre edilmiş 6 'lık lamba setindeki her bir lamba j için S=T/I kıyaslama katsayısı ölçülür. Burada T, fotometrenin tepkisi (amper, A), I, ışık şiddeti (Kandela, cd) değeridir. Her lambadan en az 10 ölçüm alınarak kıyaslama katsayısının ortalama değeri S ort bulunur. Tüm ölçümler lamba flamanının yüzeyi ile fotometre deliğinin yüzeyi arasındaki belli bir mesafede yapılır (en az 1,5 m). Daha sonra birinci seviye çalışma standartını oluşturacak diğer 6 adet Osram Wi 41/G lambalardan her biri sırasıyla çalıştırılır. Ölçüm mesafesi ve lambaların konumu değişmemelidir. Fotometreden en az 10 fotoakım değeri alınır ve T ort bulunur. /. Lambaların ışık şiddeti değeri I(cd) = T ort /S olarak bulunur. Ölçümleri 3 kere daha 324

4 tekrarlayıp, I ölç (cd)=(l! + I 2 + I 3 )/3 hesaplanır. Böylelikle, her lamba için voltaj ve akımına karşılık ışık şiddeti değeri belirlenmiş olur. Bu işlemler sonucu ulusal standartın birinci seviye çalışma standartına transferi gerçekleştirilmiş olur. 3. Birincil Standart Fotometrik ve radyometrik nicelikler arasındaki bağıntı, yeni tanıma göre aşağıdaki denklemle verilir: burada, I v I e x V(X) K m : Kaynağın ışık şiddeti, : Kaynağın spektral ışınım şiddeti, : CIE 'nin ışık etkisi fotopik spektral fonksiyonu, : Sabit olup, V(X) fonksiyonunun maksimum değer aldığı 555 nm dalgaboylu ışınım gücünün 1 Watt 'ına karşılık olan Lümen 'lerin sayısına eşittir. Yeni tanıma göre K m = 683 lm/w 'dır. Spektral duyarlılığı V(X) fonksiyonuna kesin uyan ve sınırlayıcı delik alanı a (m 2 ) olan ideal fotometreden d (m) uzaklıkta yerleştirilmiş, ışık şiddeti I v (cd), ışınım şiddeti ise I ex ("vvsr^nm 1 ) olan bir kaynak düşünelim (Şekil 1). Tanıma göre, 7=683 [ I.. 5(555). s(x). dk w burada, d 2 w= a olduğundan, 4> e]x, birimi \Vnnr 1 olan spektral ışınım akışıdır. Gerçek fotometrenin ise V(X) eğrisine yakın s n (X) göreceli spektral duyarlılığı ve 555 nm 'de s(555) birim/watt ( V(X) 325

5 fonksiyonunun tepesi) mutlak duyarlılığı vardır. Bu yüzden, fotometrenin çıktısı, yüzeyi < e x akısı ile ışmlatıldığında Böyle ise, s(555) s n (k) d\ i i / = 683 F F a s(555) burada F terimine renk düzeltme faktörü denir ( CCF- color correction factor) ve Şekil 1. Kandela ölçüm diyagramı olarak tammlamr. CCF gerçek fotometrenin göreceli spektral duyarlılığı s(x)'nın V(X) fonksiyonundan sapmasını hesaba katmış olur. Özetle, Kandela'mn yeni tammına göre gerçekleştirilmesi için aşağıdaki ölçümlerin yapılması gerekir: 1. Fotometrenin mutlak s(555) ve göreceli s n (X) spektral duyarlılıklarının ölçülmesi. 2. Fotometrenin göreceli spektral duyarlılığını, lambanın göreceli spektral güc dağılımım ve V(X) fonksiyonunu bilerek CCF 'ün hesaplanması. / 3. Katı açı içinde istenmeyen ışığın girmesi önlenerek kalibre edilecek ışık 326

6 kaynağının fotometre ile ölçülmesi. 4. Fotometrenin sınırlayıcı delik alanının ve kaynak-fotometre mesafesinin ölçülmesi. Fotometrenin mutlak duyarlılığı, Eylül-95 'de laboratuvarda kurulup, çalıştırılacak olan Oxford Instruments üretimi mutlak kriyojenik radyometre ile şiddeti kararlı hale getirilmiş 543,2 nm dalgaboylu (VCÂ),^ 'a yakın) He-Ne lazeri kullanarak ölçülecektir. Bu yolla mutlak kalibre edilmiş fotometreler grubu Kandela birincil standartını oluşturacaktır. Yukarıda sıralanan diğer ölçümlerin yapılmasıyla standart lambalar birincil standart üzerinden kalibre edilecektirler. Sonuç Işık şiddeti SI birimi Kandela'nın bir grup kalibre edilmiş standart lamba üzerinden Ulusal Standartı UME 'de oluşturulmuştur. Kandela'nın birincil olarak UME'de oluşturulması için uygun yöntem belirlenmiş olup, ön çalışmalar sürmektedir. Kaynaklar 1. W.R Blevin and B. Steiner, "Redefinition of the Candela and the Lumen," Metrologia 11, , (1975). 2. T.M. Goodman and P.J.Key, "The NPL Radiometric Realization of the candela" Metrologia 25, 29-40, (1988). 3. L.P.Boivin, A.A. Gaertner, and D.S. Gignac, "Realization of the New Candela (1979) at NRC," Metrologia 24, , (1987). 4. C.L. Cromer, G. Eppeldauer, J.E. Hardis,T.C. Larson and A.C. Parr, "The NIST Detector-Based Photometric Scale", Submitted to Applied Optics, April 23, "Principles Goveraing Photometry",Metrologia, 19,97-101, (1983). 327

7 ULUSAL KAPASİTANS STANDARTLARI VE KAPASİTANS İZLENEBİLİRLİĞİ i Seçkin Varol TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), P.K.21, 41470, Gebze/Kocaeli Özet Kapasitans birimi birincil standardı olarak 196O'lı yıllardan bu yana "hesaplanabilir kros-kapasitör" kullanılmakta olup, bu birim uzunluk birimi metreye bağlı olarak türetilmekte ve mutlak olarak tanımlanabilmektedir. Birincil düzey standart için yapılan bu tanım uyarınca farad birimini 10" 7 belirsizlikle ifade edebilmek mümkündür. C = pf/m olarak elde edilen bu değer özel ölçme teknikleri kullanılarak laboratuvar ortamında kullanılan ikincil düzey standartlara aktarılır. Zamanla, sıcaklıkla ve nemle çok az değişecek yapıda üretilmiş olan bu standartlar düzenli aralıklarla ölçülür ve böylelikle o laboratuvarın kapasitans belirsizliği ortaya çıkmış olur. Bu çalışmada ulusal kapasitans standartları ve ölçme teknikleri hakkında bilgi verilerek uluslararası düzeyde kapasitans biriminin izlenebilirliği ve Ulusal Metroloji Enstitüsü'nde bu izlenebilirliğin çalışma standartlarına nasıl aktarıldığı anlatılacaktır. i 1. Giriş / Günümüz teknolojisine aktarılan kapasitans biriminin, doğruluğunun ve kararlılığının elde edilişine ilişkin ilk çalışmalar 1956 yılında Thompson - Lampard teoremiyle başlatılmıştır. Thompson - Lampard teoremine göre, silindir biçimindeki dört metal elektrot şekil l'de gösterildiği biçimde birbirlerine paralel olarak vakum içerisine yerleştirildiklerinde, aralarında oluşan kapasitör yalruzca elektrotların 1 uzunluğuna bağlı olup C= 0.l.ln2 / ir bağıntısıyla tanımlanır. Bu ifadedeki e 0 'in, 10 ı4 'ler düzeyinde doğrulukla saniye cinsinden belirlenebilmesi ve 1 uzunluğunun 10" 9 'lar düzeyinde doğrulukla ölçülebilmesi, kapasitans birimindeki ölçme belirsizliğinin lo" 7 'ler seviyesine düşmesini olanaklı kılar. Böylelikle şekil i l'de şematik olarak gösterilen hesaplanabilir kros kapasitör C = 1, pf/m değeriyle / belirlenir [1]. 2. Kros Kapasitör Thompson - Lampard teoreminin bulunuşunu izleyen yıllarda, birincil düzeydeki bir çok metroloji enstitüsü hesaplanabilir kros kapasitörün gerçeklenmesi çalışmalarını başlatmıştır. Dönemin en gelişmiş mekanik bilgisinin uygulandığı bu çalışmada, elektrotların yapımı için düşük sıcaklık katsayısına sahip oluşu nedeniyle özel alaşımlı paslanmaz çelik seçilmiştir. 85 mm çapındaki ve 850 mm uzunluğundaki çelik elektrotların vakum içerisinde t birbirlerine paralel yerleşimlerindeki hata yalnızca 0.4 /xm dir. Kapasitörün değeri, şekil / l'deki gösterimde dört elektrodun ortasında bulunan koruma elektrodunun yer değişimi ile belirlenir. Lazer interferometre kullanılarak ölçülen 550 mm'lik bu uzunluk 1 pf'lık kapasitans değerine karşılık gelir. Oysa endüstride kullanılan çalışma standartları daha yüksek değerlidir ve 1 pf olarak elde edilen hesaplanabilir kros kapasitörün aşamalı olarak üst değerlere taşınması gerekmektedir. Bu taşıma işleminin gerçekleştirilmesinde o güne kadar kullanılan ölçme yöntemlerinin yetersiz kalması üzerine yeni kapasitans ölçme yöntemleri üzerine araştırmalar başlatılmıştır. 328

8 Girimi dettktm Koruma Elektroda He-Ne Lazer lap Şekil 1 Kros kapasitörün şematik gösterimi 3. Kapasitans Ölçümü Kros kapasitörün yapımından önce, şekil 2a'daki ölçme yönteminde görüldüğü gibi iki kapasitörün ilişkisi, iki direncin oranındaki doğruluğa bağlıydı. Oysa bu değişken akım köprüsünde kullanılan dirençlerin, gerek zamanla ve ortam koşullarıyla yüksek oranda değişmeleri, gerekse yüksek belirsizlikle tanımlanmaları dolayısıyla kapasitans skalasının oluşturulması için yeterli doğruluğu ve tekrarlanabilirliği sağlamaları sözkonusu değildi. Bunun üzerine, direnç bölücülerle gerçekleştirilen köprülere seçenek olarak şekil 2b'de gösterilen indüktif gerilim bölücülerin kullanıldığı köprüler üzerine çalışmalar yoğunlaştırıldı. 1930'lu yıllardan bu yana tanınan indüktif gerilim bölücüler, 196O'lı yıllardan sonra değişken akımda elektrik birimleri (kapasitans, indüktans, direnç) ölçümünde hemen hemen birincil düzeyde önem kazandılar. Öyle ki, bu bölücüler ile 10~ 8 ler düzeyinde çözünürlükle ve doğrulukla gerilim oram tanımlanabildiği gibi, bu oramn zamandan ve ortam koşullarından en az etkilendiği indüktif gerilim bölücüler yapmak olanaklıydı. Günümüze kadar uzanan bu gelişmelerle, bugün birçok ulusal laboratuvar değişken akım elektrik metrolojisinde ölçme belirsizliğini düşürmek için indüktif gerilim bölücüler üzerine araştırmalarım sürdürmektedir. 4. Kapasitans Skalasının Oluşturulması Şekil 3 'te 1 pf'dan 1 mf 'a kadar olan kapasitans skalası ve 1 a güvenlik aralığında aktarma belirsizlikleri görülmektedir. Skalanın ikinci adımında yer alan fused-silika kapasitör, uzun dönem kararlılığının yüksek oluşu nedeniyle, kros kapasitörün uluslararası karşılaştırmalarında kullanılır. Üçüncü ve dördüncü aşamada yer alan hava ve mika dielektrikli kapasitörler, gerek uzun dönem kararlılıkları, gerekse sıcaklık katsayıları yönünden, çalışma standardı olarak kulanılabilecek yeterliktedirler. Her ne kadar şekil 3'te yalmzca kapasitans skalası gösterilmiş ise de, aslında o yıllarda amaç kros kapasitörün doğruluğunu aynı zamanda diğer bir elektrik birimi olan dirence de aktarmaktı. Diğer bir deyişle direnç birimi (ohm) kapasitans birimine (farad) bağlı olarak türetiliyordu. Gelişmeleri izleyen yıllarda direnç birimi hemen hemen aym doğrulukla 329

9 Şekil 2a. Direnç köprüsü Şekil 2b. Transformer köprü Quantum Hail yöntemiyle de tanımlanmaya başlanır. 1980'li yıllarda Quantum Hail ile yürütülen çalışmalarda Hail etkisinin değişken akımda da elde edilip edilemeyeceği incelenir. 1990'lı yılların başında ise Quantum Hail direncinin değerini AC dirençlere aktarmak amacıyla ilk çalışmalar yapılır. Elde edilen sonuçlar Qüantum Hail değerini doğrudan kapasitans birimine aktarmaya yetecek kadar umut vericidir. Elektrik birimlerinin üretiminde otuz yıl boyunca başrolü oynayan "farad" m bu görevi "ohm" a terkedip terketmeyeceğinin yanıtını ise bu alanda elde edilecek başarılar gösterecektir. Günümüzde henüz devam etmekte olan bu çalışmanın oluşturduğu ilk skala ve belirsizlikler şekil 4'te gösterilmiştir. QHR f Hz Kros Kapasitör lpf 1:10 iki-uç çift indüktif oran köprüsü Fused-Silika ( u " 8 ) Kapasitör 10 pf 1:10 dört-uç çift Kelvin Köprüsü Hava Kapasitör (u = 6.1O" 8 ) 100 pf-100 pf 1:10 dört-uç Kelvin Köprüsü Mika Kapasitör ( 5.10' 7 ) 10 nf-1 mf 100 ÛDC 100ÛAC/DC 100 koac lnf Quadrature Köprüsü Şekil 3. Kros kapasitör referans alınarak kapasitans sıkalasının oluşturulması Şekil 4. QHR referans alınarak kapasitans biriminin elde edilişi 5. Ulusal Kapasitans Standartları İzlenebilirliği Ulusal Metroloji Enstitüsü'nde kapasitans birimini oluşturmak üzere ilk çalışmalar 1986 yılında 10 pf, 100 pf, 1000 pf değerindeki üç hava dielektrikli kapasitörün ve bire bir 330

10 karşılaştırma doğruluğu 10' 6 lar seviyesinde olan indüktif gerilim bölücülerle yapılmış bir kapasitans köprüsünün alımıyla başlatılır. Belirsizlik tarihçesini daha güvenli oluşturmak amacıyla 1993 yılında bu değerler dörtlü gruplara tamamlamp ilk izlenebilirlik Alman Ulusal Metroloji Enstitüsü'nden alınır. Bir taraftan bu değerlere yönelik ölçümler alınarak zamanla değişimleri incelenirken diğer taraftan ulusal birimin izlenebilirlik değerini düşürmek için 10 pf'lık dört adet fused-silika kapasitör ile yıllık kararlılığı 5-1O" 7, doğruluğu 3.10" 6 'lar düzeyinde olan ikinci bir kapasitans köprüsünün alımı gerçekleştirilir. Şekil 5'de ulusal kapasitans standartlarına ilişkin izlenebilirlik zinciri ve 2 a güvenlik aralığında aktarma belirsizlikleri gösterilmiştir. [ PTB, Fused-Silika~ Kapasitör 10 pf Doğrudan aktarma Yer değiştirme yöntemi ile aktarma PTB u=5.1(t 6 UME 10 pf, 1000 pf UME 1 pf - î JIF Mika Dekad Kap. u = ı.ur 4 Otomatik Kapasitans Köprüsü UME Çalışma Standardı 10 pf.100 pf.1000 u " 6 Şekil 5. Ulusal kapasitans standartları izlenebilirliği 6. İleriye Dönük Amaçlar Kapasitans Laboratuvarı; metroloji zaman dilimi içerisinde henüz çok yeni olup yalnızca iki yıllık bir geçmişe sahiptir. Dolayısıyla şekil 5'te verilen belirsizlikler laboratuvarın özgün deneyimi sonucu olmayıp, diğer ülkelerdeki tarihsel süreç referans alınarak verilmiştir. Ülke gereksinimleri göz önünde bulundurularak ileriki yıllarda 10 pf 'dan 1 mf'a kadar olan skalanın gerçekleştirilmesi düşünülmektedir. Bununla birlikte, gerek uluslararası gelişmeler yakından izlenerek gerekse Direnç Laboratuvarı ile birlikte yürütülecek çalışmalarla UME kapasitans birimini Quantum Hail direncine bağlı olarak elde etmek Kapasitans Laboratuvarı'nın uzun dönem amaçları içerisindedir. Kaynaklar [1] Thomson, AM. and Lambard, DG.: Nature., 1956, 177. s888 [2] Thomson, AM.:IRE Trans. on Ins., 1958.,Dec.,s

11 ULUSAL METROLOJI ENSTİTÜSÜNDE MIKRODALGA ZAMAN / VE FREKANS STANDARDI SİSTEMİ VE ZAMAN SKALASININ İZLENEBİLİRLİĞİ Ramiz GAMİDOV, İsmail TAŞKIN, Mustafa ÇETİNTAŞ Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), TÜBİTAK, PK , Gebze-KOCAELİ Özet UME'de GPS uydu alıcısı, iki HP5071A Cs atomik saati ve evrensel zaman aralığı j sayıcısı kullanılarak mikrodalga zaman ve frekans standardı sistemi oluşturulmuştur. GPS uydu alıcısı sistemi ile her gün 48 uydudan zaman sinyalleri alarak, UME saatleri ile UTC arasındaki zaman farkı izlenir. Bu zaman bilgilerini, üye olduğumuz BIPM TAI kulübüne her hafta düzenli olarak göndererek, UME, hem TAI zaman skalasının oluşmasında katkıda bulunur, hem de kendi zaman skalasının izlenebirliğini BIPM üzerinden sağlamış olur. BIPM'in istatistiksel hesapları sonucunda, UME saatinin Uluslararası atomik zamanın oluşturulmasındaki ağırlık puam 1000 üzerinden 1000 olarak ilan edilmiştir. Ölçümlerimiz sonucunda UME referans saati UTC'den günde en fazla 7.2 ns geri kalmakta, ikinci saat ise 13 ns ileri gitmekte olduğu görülmüştür. Saatlerimizin doğruluğu ve kararlılığı lxl0 13 'ten î daha iyidir. Zaman kodlayıcısı ve modem vasıtasıyla telefon hattı ile, UME'de üretilen zaman bilgisinin yurt içinde dağıtımı için sistem kurulmuştur ve Eylül 1995'ten itibaren hizmete girecektir. 1. Giriş Günümüzde "Koordine Evrensel Zaman" (Coordinated Universal Time, UTC) adı altında oluşturulan zaman skalası genel olarak "Evrensel Zaman" (Universal Time, UT1) ve "Uluslararası Atomik Zaman" (International Atomic Time, TAI) skalalarının kombinasyonu ile gerçekleşmektedir [1-2]. UT1 yerkürenin kendi etrafında dönüş süresine bağlı olan ve dünya rasathanelerinin katkısıyla "Uluslararası Yerküre Dönüş Servisi" (International Earth Rotation Service, IERS) tarafından oluşturulur. TAI ise atomik saatler temeline dayanan ve "Uluslararası Ölçü ve Ağırlıklar Bürosu" (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) tarafından TAI kulübüne üye ülkelerin metroloji merkezlerinin referans saatlerinin katkısıyla oluşturulur. Bu kombinasyona göre: I UTC - TAI = n saniye UTC - UT1 < 0,9 saniye, n yıllara göre değişebilir ve 1 Temmuz 1994 tarihinde n=29 s olması kabul edilmiştir. Uluslararası birim sisteminde bulunan saniyenin tanımı bu zaman skalalarının oluşumuna bağlı olarak tarihte değişik şekillerde yapılmıştır: yılından önce: 1 saniye ortalama güneş gününün 1/86400'ü kadardır. 332

12 yıllan arasında: 1 saniye 1900 yılında yerkürenin güneş etrefında bir tur dönme süresinin 1/ ,9747 kadarı olarak tanımlanmıştır. Bu zaman skalasına "Ephemeris Time" (ET) denir. ET UTl'e göre değişebilir ve 1988'de ET-UTİ = 56 s'dir. Bunun yanında Astronomik metotlarla oluşturulan saniyenin kararlılığı 10" 8 civarındadır. 3. TAI'nin oluşturulmasıyla birlikte 1967'den itibaren: 1 saniye 133 Cs atomunun temel (6S ı/2 ) enerji seviyesinin, ince seviyeleri olan 6S ı/2 (F=4,m F =0) ve 6S ı/2 (F=3,rn F =0) geçidine denk gelen elektromanyetik dalganın kadar periodudur denmiştir yılında atom demetinin oluşmasından başlayarak (Dunoyer), 1955'te ilk Cs atom demetli frekans standardının oluşmasıyla başlayan (Essen, Parry) [2] ve bugün farklı yöntemlerle (atomların lazerlerle soğutulması ve pompalanması) gelişmesi sağlanan frekans standartları (Salomon, Clairon, Chu) mevcuttur [3-5]. Ticari olarak satılan atomik saatlerin doğruluğu 10 ı civarlarında olmasıyla beraber bazı laboratuvarlarda saniye 10" 14 doğrulukla gerçekleştirilebilmektedir. Bilindiği gibi yerküre etrafında zaman ve pozisyonun temini amacı ile 50'den fazla uydu dolaşmaktadır (Şekil 1) [1-2]. Bu uydularda bulunan atomik saatler ABD'de bulunan özel istasyon'dan (USNO) gönderilen zaman sinyalleri ile senkron çalışmaktadırlar. Bu uydulardan Yer'e sürekli zaman sinyalleri gönderilmektedir. Metroloji merkezleri tarafından bu zaman bigileri alınarak uydulardaki saatlerle kendi saatleri arasındaki zaman farkı ölçülür. Bu ölçüm sonuçlan BIPM'e gönderilerek saatler: (a) (b) Şekil. 1 Yerküre etrafında dolaşan uydular (a) ve GPS ortak görüşlü kullanım metodu (b). 333

13 - kendi aralarında karşılaştırılırlar - doğruluk ve kararlılığına bağlı olarak belli bir ağırlık değeri ile UTC'nin oluşmasına katkıda bulunurlar - izlenebilirliklerini BIPM tarafından sağlarlar. Gerçekte çok yüksek doğruluklu zaman ve frekans standartlarının gelişimi, havacılıkta, uzay sistemlerinde ve savunma sistemlerinde büyük önem taşıyan zaman koruma sistemlerini iyileştirmek için, teknolojisi gelişmiş ülkeler tarafından desteklenmiştir. Sonuç olarak birçok gelişmiş ülke (ABD, Kanada, Almanya, Fransa, İngiltere, Rusya, Japonya, Çin v.b.) zaman ve frekans standartlarının geliştirilmesi için ulusal metroloji laboratuvarlarını kurmuş ve desteklemiştir. 2. UME'de Kurulan Mikrodalga Zaman ve Frekans Sistemi Mikrodalga zaman ve frekans sisteminin blok diagramı Şekil.2'de gösterilmiştir. Bu sistemde UME binası üzerine yerleştirilmiş GPS uydu alıcısı (ALLEN OSBORNE TTR-6A) anteni kullanılarak alınan zaman sinyalleri GPS alıcısına verilmektedir. GPS alıcısı, uydudan gelen sinyalleri, BIPM tarafından altı ayda bir değiştirilerek ilan edilen uydu zamanı izleme programı ile almaktadır. Bu programa göre UME'de kurulu uydu alıcısı Avrupa için optimum pozisyondaki 48 uyduyu sıra ile bir gün boyunca izler. Bu işlem sürekli olarak devam etmektedir. Bilgisayar \y ANTEN MODEM GPS Alıcısı Telefon hattı SAATİ MODEM Zaman Kodlayıcı SAAT2 Sayıcı UMELab. Dağıtıcı Yükseltici Bilgisayar Şekil.2 Mikrodalga zaman ve frekans sisteminin blok şeması Laboratuvardaki iki HP 5071A sezyum saatinden biri (Clockl) GPS uydu alıcısına referans olarak kuuamlmaktadır. Böylelikle GPS alıcısından Clockl tarafından üretilen zaman ile Universal Coordinated Time (UTC) arasındaki zaman farkını At(UME-UTC) sürekli izlemiş oluruz. GPS ortak görüş metodu aynı şekilde Avrupanın başka metroloji merkezleri tarafından uygulanmaktadır. Örneğin PTB'de (Almanya) primer saat olan Cs-2 kullanılarak oluşturulan zaman farkı At(PTB-UTC) internet aracılığı ile UME tarafından alınarak, 334

14 At(UME-PTB) hesaplanmaktadır. Bu yöntemle bizim referans saatimiz dünyanın en iyi primer standartlarından biri ile karşılaştırılmış olur. Şekil.3'te yanlızca 12 numaralı uydu izlenerek At(UME-PTB) gösterilmektedir. Görüldüğü gibi bizim saatimiz PTB Cs-2 saatine göre günde yaklaşık 6 ns sapmaktadır. At(ns) Sekil MJD(gün) 12E4 numaralı uydudan tarihleri arasında alınan bilgilere göre oluşturulan At(UME-PTB) zaman farkı. At(ns) Şekil MJD(gun) 12E4 numaralı uydudan alınan tarihleri arasında alınan bilgilere göre At(UME-PTB)'nin lineer yaklaşımdan farkı 335

15 Günlük sapmanın, lineer yaklaşımdan farkına bakıldığında (Şekil.4) bir ay zaman zarfında gürültünün 10 ns 'den fazla olmadığı görülmektedir. Bu sonuç tek bir uydudan alman bilgilerle hesaplanmış olup, daha çok uydu alıcısının koordinatlarına bağlıdır. Uydu alıcımızın koordinatları (yüseklik= (232±7) m, boylam= 29 26'57.1"±0.4", enlem= 40 47'2.7"±0.4") iki ay boyunca uydudan alınan sinyaller kullanılarak tesbit edilmiştir. Bundan sonra bu koordinatlar ancak BIPM'den gelecek sonuçlara göre değişikliğe uğrayacaktır. UME zaman ve frekans laboratuvarı Eylül 1994'ten itibaren BIPM International Atomic Time (TAl) organizasyonuna üye olmuştur. Bu üyelik sonucu bir hafta boyunca UME' de uydu alıcısı ile alınan zaman bilgisi (At(UME-UTC), vs) sürekli olarak her hafta BIPM zaman bölümüne gönderilmektedir. Bütün uydulardan alınan bu bilgiler BIPM'de incelenir ve UME saati ile UTC arasındaki ortalama zaman farkı At(UTC-UME) hesaplanır ve BIPM'in aylık olarak yayınladığı, dünyadaki metroloji laboratuvarlarının zamanlarının UTC'den farkım gösteren yayında ilan edilir [6]. Bu bilgilere göre referans saatimiz ile UTC arasındaki zaman farkımn değişimi Şekil 5'te gösterilmiştir. Bu grafikte görüldüğü gibi yaklaşık 220 günlük aralıkta referans saatimiz UTC günde 7.24 ns geri kalmaktadır. Bu değişim sonucunda referans saatimiz UTC'den toplam 3.4 mikrosaniye geri kalmıştır. Bu farkın zamanla azaltılması için MJD gününde referans saatimizin frekansında belli ayarlama yapılmıştır. Böylece zaman farkımn azalma yönüne döndüğü Şekil.5'te gözükmektedir Şekil.5 49,609 49,659 49,709 49,759 49,809 49,859 MJD(gün) UME referans saatinin gösterdiği zaman ile UTC arasındaki farkın tarihleri arasındaki değişimi. Şekil. 6'da At(UTC-UME) zaman farkının lineer yaklaşıma göre değişimi gösterilmiştir. Görüldüğü gibi yaklaşık 200 günlük zaman aralığında referans saatimiz en fazla ±15 ns doğrulukla doğrusal olarak sapmıştır. 336

16 At(ns) 15 Şekil.6 49,609 49,659 49,809 49,709 49,759 MJD(gü'n) tarihleri arasında BIPM'den alman bililere göre At(UTC-UME)'nin lineer yaklaşımdan farkı. Aynı zamanda ikinci Cs saati (Clock2) ile referans saat (Clockl) arasındaki zaman farkı ise evrensel zaman aralığı sayıcısı (HP5370B) ve bilgisayar ile incelenmektedir. Şekil.7 de yaklaşık 450 günlük zaman aralığında iki saat arasındaki fark gösterilmiştir. Yukarıda bahsedilen referans saatin frekansmdaki ayarlama MJD gününden itibaren iki saat arasındaki zaman farkı grafiğinin eğimini değiştirmiştir. Şekil.5 ile Şekil.7'yi karşılaştırarak ikinci saatimizin UTC'ye göre yaklaşık 13 ns ileri gittiği görülebilir. BIPM'in gönderdiği bilgiler ve saatlerimizin kendi aralarındaki karşılaştırılmaları sonucunda saatlerin doğruluk ve kararlılığının lxlo' 13 'ten daha iyi olduğu hesaplanmıştır. At(ns) X i i i MJD (gün) Şekil.7 İki atomik saatin tarihleri arasındaki zaman farkı. 337

17 BIPM, T Al kulübüne üye olan laboratuvarlardaki atomik saatlerin her birine, laboratuvarlar tarafından gönderilen zaman bilgilerine dayanarak, doğruluk ve kararlılığına göre UTC'nin hesaplanmasındaki ağırlığını gösteren puanlar verir. En son hesaplanan puanlara göre UME saatlerinin her ikiside 1000 tam puanla ortalamaya katılmıştır. Dünyada ortalamaya dahil bütün saatleri 1000 tam puan alan sadece 5 laboratuvar vardır. i 3. Zaman bilgisinin dağıtımı UME, zaman ve frekans laboratuvarında verilmekte olan mevcut kalibrasyon hizmetlerinin yamsıra, uluslararası izlenebiliği olan zaman bilgisinin hem UME içerisindeki laboratuvariara hem de UME dışındaki tüm kurum ve kuruluşlara yayınlanması ile ilgili çalışmalar devam etmektedir. Bunun yamnda, kararlılığı 10" ı3 'ten daha iyi olan elektromanyetik dalga (100 khz, 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz) dağıtıcı yükselticisi (HP 5087A) ile UME içerisindeki gerekli olan laboratuvariara dağıtılmaktadır. Zaman bilgisi UME dışındaki kuruluşlara, zaman kodlayıcı sistemi ile yayınlanacaktır. Bu sistem referans saatimizden aldığı zaman sinyallerini belli bir kodlama tekniği ile modeme ve oradan da telefon hat sistemine gönderir. UME'deki zamana senkronize olmak isteyen kuruluş telefon hattı - modem - bilgisayar bağlantı sistemi ve özel bir program vasıtasıyla bu sisteme bağlanarak kendi bilgisayarının saatini yaklaşık 10 mikrosaniyelik bir doğrulukla ayarlayabilecektir. Bu sistem şu anda laboratuvarımızda çalışmakta olup, gerekli ayarlamalar yapıldıktan sonra Eylül 1995'te hizmete girecektir. / 4. Sonuç î UME'de mikrodalga zaman ve frekans standardı sistemi kurulumuştur. Doğruluğu 10" 13 'ten daha iyi ve uluslararası izlenebilirliği olan zaman skalası oluşturulmaktadır. UME zaman ve frekans laboratuvan BIPM TAI kulübüne üye olmakla beraber UTC zaman skalasımn oluşmasındaki uluslararası değerlendirmede 1000 üzerinden 1000 puanla katkıda bulunmaktadır. Laboratuvarda kalibrasyon hizmetleri devam ederken zaman bilgisinin UME > dışında kullanılmasını sağlayacak sistem kurulmuş olup hizmete girmesi için gereken çalışmalar devam etmektedir. KAYNAKLAR: / [1]. C.Thomas, P.Wolf, P.Tavella; Time Scales, BIPM, Monographic 94/1,1994 [2]. J.Vanier, C.Audoin; The quantum physics of atomic frequency standards, Adam Hilger, Bristol and Phüadelphia, 1986 [3]. E.de Clercq, G.D.Rovera, S.Bouzid, A.Clairon; IEEE transactions on Instrumentation and Measurement V.42, N.2, 1993 [4]. K.Gibbl, S.Chu; Metrologia, V.29, p , 1992 [5]. Special issue on selected papers CPEM/94, IEEE transactions on Instrumentation and Measurement. V.44, No.2, [6]. BIPM, Circular T vs. i 338

18 UME'DE PRİMER FREKANS STANDARDI KURULMASI İÇİN SÜRDÜRÜLEN ÇALIŞMALAR Ramiz GAMİDOV, İsmail TAŞKIN, Mustafa ÇETİNTAŞ, Vladimir SAUTENKOV Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), TÜBİTAK, PK , Gebze-KOCAELİ Özet Sezyum (Cs) birincil frekans standartlarının doğruluğu (10' 13-10~ 14 ) atomların hızına ve mikrodalga frekansını belirleyen enerji seviyelerinde bulunan atomların sayısına bağlıdır. Bu parametrelerin iyileştirilmesi için dünyada başlatılan çalışmaları göz önüne alarak, laboratuvarımızda laser ışığı ile Cs atomlarının hızının azaltılması (atomların soğutulması) ve atom fıskiyesi prensibine dayanan mikrodalga frekans sisteminin kurulması için çalışmalar başlatılmıştır. Şu anda laboratuvarımızda Cs atomlarının enerji geçitlerine kilitlenmiş olan dış kaviteli diyot laser sistemleri kurulmuştur. Bu lazerlerin fiziksel parametrelerinin frekansa olan etkisi araştırılmış ve en iyi kararlılıklarının öxlo" 13 olduğu ölçülmüştür. Bu laserler optik frekans standardı olmakla beraber, aynı zamanda Cs atomlarının laser ile soğutulmasında kullanılacaktır. Atomların laserler ile soğutulması ve atom fıskiyesi oluşturulması için gereken diğer sistemlerin kurulması çalışmaları sürmektedir. 1. Giriş Metrolojide zaman ve frekans ölçümü en doğru ölçüm işlemidir. Bu nedenle başka birimlerin daha yüksek doğrulukla ölçülebilmesi, frekans ölçülmesi yoluyla yapılmaya çalışılmaktadır (Şekil. 1). Bunun yanında havacılık, uzay ve savunma sistemleri için büyük önem taşıyan zaman koruma sistemlerini iyileştirmek için teknolojisi gelişmiş ülkeler zaman ve frekans standardı sistemlerini kurmuştur ve geliştirilmesi için yapılan çalışmaları desteklemektedir. Bu bilimsel ve teknik sebepler zaman ve frekans standardlarımn doğruluğunun daha da artmasını gerektirmektedir [1-5]. Şekil. 1 Zaman birimi saniye ile diğer birimlerin ilişkisi. 339

19 Atomik zaman ve frekans standartlarının temeli elektromanyetik dalga üreten osılatörün frekansının, atomların (Cs, Rb vb.) enerji geçitlerine kilitlenmesine dayanır. Bu kilitlenme ise osılatörün, atomların enerji geçitleriyle belirlenen ve frekansı daha kararlı elektromanyetik dalga üretmesini sağlar. Bilindiği gibi bu dalganın belli sayıdaki periyodu ile saniyenin tanımı gerçekleştirilir. Böyle çalışan atomik zaman ve frekans standardlarının doğruluğu ve kararlılığı genelde iki faktöre (osilatörün ve atomik sistemin parametreleri) bağlıdır. Benzer quartz osilatörler kullanılarak ve lazerlerle atomların hareket yönlerini ve hızlarını değiştirerek, saniyeyi belirleyen enerji geçidindeki sayılarını artırarak yeni tip atomik frekans standartları oluşturulmaktadır [1-5]. Şu anda birincil standart olarak kullanılan Cs atomik frekans standardı (AFS) için en uygun dizayn geçmiş 40 yıllık gelişme sonucu en iyi şekilde yapılmıştır. Cs AFS' nin blok şeması Şekil.2'de gösterilmiştir. Atom demeti, sıcaklık kontrollü fırından termal yayınım şeklinde elde edilir. Fırından çıkan atomik demette, temel enerji (6S, /2 ) seviyesinin bütün (16) Zeaman (m F ) geçişlerindeki (6S 1/2 (F=3;4, m F )) atomlar mevcuttur (şekil 3). Bu atomlardan sadece F=3, m F =0 ve F=4, m F =0 geçişlerinde olanlar seçici magnet ile Ramsey rezonatorümin içerisine gönderilir. Rezonatorün içine gönderilmiş bu atomlardan mikro-dalga ile etkileşime girenler rezonatorün çıkışındaki seçici magnet aracılığı ile dedektöre gönderilir. Dedektördeki sinyal ise quartz jeneratörün atomların 6S 1/2 (F=3, m F =0) - 6S 1/2 (F=4 m F =0) geçişinde kilitlenmesi için kullanılır. Cs fırının sıcaklığı 350 K ve rezonatorün uzunluğu ise birkaç metredir. Sonuç olarak Cs atomik demeti ve manyetik selektörler temeline dayanan klasik Cs frekans standartlarının doğruluğu 10~ 13-10~ 14 civarındadır. Şekil.2 Cs atomik frekans standartlarının blok şeması. AFS' nin doğruluk ve kararlılığının artırılması için en uygun hale getirilmesi gereken esas parametrelerden biri dedektördeki spektral sinyalin S(v) gürültüye olan oranı (S/N) ve spektral kalınlığıdır (Av/v). Sinyalin spektral kalınlığı Av ise atomların rezonatorün içinden ne kadar zamana Av- (l/at) geçmesine bağlıdır. Başka ifade ile atomla eletromanyetik 340

20 6R 3/2 D 2 (852 nm) 253 MHz 2 03 MHz 152 Ü43 U44 U45 D32 U33 F 1 "5 F 4 6 S. 1/ MHz 1 I Şekil. 3 Cs atomlarının D 2 enerji seviyeleri. dalganın etkileşme süresi artarsa doğruluk artar. Buna göre sezyum primer AFS' lerin boyu birkaç metre (l-r3 m) olmuştur. Bu ise başka problemler yaratmaktadır. Atomların resonatörün içerisinde kalma süresini artırmak için uygulanan farklı bir yöntem ise atomların lazer ışığı ile soğutulması (300 K'dan 1 /zk'e kadar) ve hızının azaltılmasıdır. Fırından çıkan atomların hareketinin ters yönünde lazer ışığı göndererek hızlarını saniyede 300 metreden 3 cm'ye kadar azaltmak mümkündür. Bu ise hem küçük ölçülü (L< 1 m) hem de yüksek doğruluklu (Av/v ~ 10" 16 ) AFS oluşturulmasını sağlayacaktır. Bu tür AFS' ler dünyada pek çok laboratuvarlarda kurulmaktadır ve en iyi sistem ise LPTF'de (Fransa) çalışmaktadır [5]. Soğuk sezyum fıskiyesi prensibine dayanan AFS'nin kararlılığı <T(T)=5*10" 13 /(T) 1/2 olup, beklenen doğruluk ise 10~ 14 'den daha iyidir. UME Zaman ve Frekans Laboratuvarı'nda ticari olarak satın alman Cs atomik saatleri ile mikrodalga zaman ve frekans standardı sistemi kurulmuş, BIPM T Al klübüne üye olunarak hem kendi zaman skalamız oluşturulmuş olup, hem de izlenebilirlik sağlanmıştır. Bunun yanı sıra laboratu varımızda, diğer gelişmiş ülkelerin metroloji merkezlerinde olduğu gibi, doğruluk derecesi bu standartlardan daha iyi olabilecek yeni bir primer frekans standardının geliştirilmesi çalışmaları başlatılmıştır. Böyle bir standarın oluşturulması için gereken en önemli kısım atomların hızım azaltacak Cs atomlarının enerji geçitlerine kilitlenmiş, frekans kararlılığı çok yüksek olan lazerlerin hazırlanmasıdır. Şu anda UME'de gereken bu lazer sistemleri hazırlanmış, frekans kararlılıkları ölçülmüştür ve standardın kurulması için gereken teknik ve bilimsel çalışmalar devam etmektedir. 2. Cs Atomlarının D 2 Enerji Geçitlerine Kilitlenmiş Diyot Lazer Sistemi Özellikle son 10 yıl içinde diyot lazerleri teknolojisindeki hızlı gelişmeler hem spektrumun farklı bölgesinde ince bandlı ve güçlü lazerlerin üretimini, hem de atomik 341

21 geçitlere kilitlenmiş optik frekans standartları oluşturulmasına olanak vermiş ve bunların fizik, metroloji ve teknolojinin farklı alanlarında kullanımını hızlandırmıştır [6-8]. Metroloji deneylerinde sürekli olarak kullanılan lazerler genelde dış rezanatörlü diyot (external cavity diode lazer, ECDL) lazerlerdir. Seçici dış rezanaîörün kullanımı genelde spektral bandı Av DL ~5 H- 10 MHz olan diyot lazerlerin ECDL durumunda çalışırken bandının AP ECDL. ~(1/L) 2 *A^DL ye kadar azalmasını sağlar. Burada "i" diyot lazerin resanotor boyu, "L" dış rezanatör boyudur. Bu ise ECDL' lerin üretmiş olduğu elektromanyetik dalganın spektral bandının atomik gazların enerji geçişlerindeki frekans belirsizliğinden çok daha az olmasını sağlar. Laboratuvarda dış kaviteli diyot lazerler Cs atomlarının, D 2 enerji geçidinde kilitlenerek, frekansın kararlılığı ve lazer ışığının parametrelerinin (polarizasyonu, çapı, şiddeti) frekans değerine olan etkisi ölçülmüştür. Deney düzeneğinin blok şeması Şekil.4'te gösterilmiştir. ECDL, Littrow geometrisi tipinde dizayn edilmiş olup, diyot lazer, mikroobjektif ve piezoseramik (PZT) üzerine monte edilmiş kırınım ağından (grating) oluşmaktadır (Şekil.5). Diyot lazerin (SDL-5410) sıcaklığı sıcaklık kontrol sistemi ile ±10 mk kararlılığı ile sabit tutulur. Diyot lazeri mikro-objektifin odak noktasına yerleştirerek 0.1 mrad' dan iyi olan paralel ışık demeti 1 mm de 1200 kafesi olan kırınım ağının üzerine düşer. Kırınım ağından yansıyan birinci ışık demeti yeniden diyot lazere gönderilerek lazerin çalışması sağlanır. Kırınım ağından yansıyan sıfırına ışık demeti ise ECDL den çıkış ışığı olarak kullanılır. Diyot lazerin akımı (1 GHz/mA) ve sıcaklığı (0.3 nm/c ), dış kavitenin boyu (0-0.5 /im) değiştirilerek ECDL frekansı sezyum atomlarının D 2 enerji geçişlerine ayarlanır. Integrator Lockin Analizoi Dıs kaviteli diyot lazer Teleskop Integrator Sayıcı Bilgisayar Dıs kaviteli diyot lazer Şekil.4 Cs atomlarının enerji geçitlerine kilitlenmiş dış kaviteli diyot lazerlerin deney düzeneği. 342

22 Lazer ışığını içinde Cs gazı olan (n=3xlo 10 atom/cm 3 ) cam tüpün (boyu ve çapı 3 cm, sıcaklığı 21 C) içine gönderilerek duran dalga yaratılır. Geri yansıyan ışık algılanarak atomların yutma spektrumu ölçülür. Dış manyetik alanın etkisini azaltmak için Cs tüpü manyetik ekran içine yerleştirilmiştir. Mikro objektif Kırınım Agı P Z T Şekil.5 Dış kaviteli diyot lazerlerin optik şeması. Lazerin frekansı yaklaşık 20 khz de modüle edilerek ve Lock-in amplifier + integratorden meydana gelen servo sistem kullanılarak, ECDL'in frekansı referans Fabri- Perot interferometrenin iletim rezonansına kilitlenir. Bu interferometrenin boyunu değiştirerek lazerin frekansını Cs atomlarının yutma frekansı etrafında taramak mümkündür. İkinci bir lock-in amplifier sistemi kullanarak yutma spektrumunun birinci türevini kaydetmek mümkündür. Cs atomlarının yutma spektrumu Şekil.6(a)'da ve spektrumun birinci türevi de Şekil.6(b)'de gösterilmiştir. Bu rezonansların şekli incelendiğinde, rezonansların simetrik olmadığı gözükmektedir. Bunun sebebi, atomların Zeaman enerji seviyelerindeki optik pompalanma olayı ve lazerin ışık basıncının etkisi ile atomların hareket yönünün değişmesi gibi fiziksel etkilerinin yutma spektrumunu deforme etmesi ile ilgilidir. Bu fiziksel etkiler ise Cs atomlanyla etkileşmeye giren lazer ışığının parametrelerine (polarizasyonu, şiddeti, çapı) bağlıdır [9-10]. Bunu daha iyi incelemek için birinci lazer Cs atomlarının 6S ı/2 (F=4) - 6P 3/2 (F=5) geçişlerine denk gelen "Doppler-free" resonansına (J> 45 ), ECDL-2 ise (v A5 + v u )/2 rezonansına kilitlenmiştir. Böylece iki lazer arasındaki frekans farkı yaklaşık 126 MHz sağlanmış olur. İkinci lazerin parametreleri sabit tutularak, birinci lazerin gücü, polarizasyonu ve çapı değiştirilmesi yoluyla lazerlerin fark frekansının bu parametrelere bağımlılığı incelenmiştir. Işığın değişik çap ve polarizasyonlar için lazerlerin fark frekansının birinci lazerin gücüne bağlılığı Şekil.7'de gösterilmiştir. Görüldüğü gibi ışığın çapının büyümesi fark frekansın artmasına (0.5 MHz/cm) yol açmaktadır. Bunun sebebi lazer ışığının basıncı ile atomların hızındaki değişimdir. Farklı polarizasyonlardaki değişim ise atomların Zeaman enerji seviyelerinde pompalanması ile ilgilidir [9-10]. Sezyum frekans standartlarında kullanılan, Cs atomlarının enerji geçitlerine kilitlenmiş diyot lazerlerin frekans değerinin lazerin gücündeki değişimlerden etkilenmemesi büyük önem taşımaktadır. Çünkü, lazerin frekansındaki herhangi bir değişim standardın doğruluğunu ve karalılığını negatif yönde etkiler. Bunun için deneylerimiz sonucunda fark frekansının, lazerin gücündeki değişimden en az etkilendiği optimum parametreler bulunmuştur. Şekil.7'deki 2 343

23 4-5 {cycling ttansition) (a) (b) Şekil Av(MHz) (a) Cs atomlarının yutma spektrumu, (b) spektrumun birinci türevi. numaralı eğriden görüldüğü gibi çapı 1 cm olan ve doğrusal polarizasyonlı duran dalganın gücündeki değişim lazerin frekansımn güce bağımlılığını en aza indirgemektedir. Bu optimum koşullarda lazerin frekans kararlılığı spektrum analizatör, evrensel sayıcı ve bilgisayar ile standard Allan varyansı istatistik hesabı metodu ile ölçülmüştür [1-2]. Şekil.8'de lazerin atomların enerji geçidine kilitlenmemiş ve kilitlenmiş durumdaki frekans kararlılığının ortalama zamana bağlı grafiği gösterilmiştir. Ölçümler sonucunda, lazerin atomların enerji geçitlerine kilitlenmeden önceki kararlılığı 4xlO~ 10 olurken, kilitlendikten sonraki kararlılığının ise 6xlO~ 13 olduğu görülmüştür. Av(MHz) Güç (mw) Şekil.7 Laser gücüne göre fark frekansı: 1- R=l cm, a polarizasyon, 2- R=l cm, ir polarizasyon, 3- R=0.4 cm, ir polarizasyon, 4-R=0.4 cm, a polarizasyon. 344

24 10E-08 10E-09? < o 10E-11 Kilitlenmiş Kilitlenmemiş 10E-12 Şekil.8 0, Ortalama Zaman Dış kaviteli diyot lazerlerin atomik geçide kilitlenmiş ve kilitlenmemiş durumdaki frekans kararlılıkları. 3. Sonuç En iyi kararlılığı 6x10 olan dış kaviteli diyot lazer sistemi kurulmuş ve optik pompalama, lazer basıncı gibi fiziksel olayların yutma spektrumuna etkisi incelenmiştir. Bu fiziksel olayların Cs atomunun D 2 enerji geçidine kilitlenmiş lazerlerin frekansına etkisi ölçülmüştür ve frekansın lazerin gücüne en az bağlı olduğu koşullar bulunmuştur. Bu tür lazerler Cs atomlarının soğutulması ve Cs atom fıskiyesi prensibine dayanan AFS'nın kurulması çalışmalarının temelini oluşturmaktadır. Bunun yamsıra yüksek frekans kararlılıkh bu lazerler optik frekans standardı olarak kullanılabileceği gibi, metrolojinin diğer alanlarında da ( uzunluk, küçük yerdeğişimleri vs.) kullanılabilirler KAYNAKLAR: [1]. C.Thomas, P.Wolf, P.Tavella; Time Scales, BIPM, Monographic 94/1,1994 [2]. J.Vanier, C.Audoin; The quantum physics of atomic frequency standards, Adam Hilger, Bristol and Philadelphia, 1986 [3]. E.de Clercq, G.D.Rovera, S.Bouzid, A.Clairon; IEEE transactions on Instrumentation and Measurement V.42, N.2, 1993 [4]. K.Gibbl, S.Chu; Metrologia, V.29, p , 1992 [5] Special issue on selected papers CPEM/94, IEEE transactions on Instrumentation and Measurement. V.44, No.2, [6]. G.H.B. Thompson, Physics of Semiconductor Laser Devices. John Wiley and sons, 1980 [7]. Massimo Inguscio and Richard Wallenstein, Solid State Lasers, New Developements 345

25 346 and Applications. Nato Asi Series, series B, Physics V.317,1993 [8]. R.W. Fox, C.S. Weimer, L.Hollberg, C.S.Türk Spectrochimica Açta Rev. Vol.15, No.5, pp , 1993 [9]. R.Gamidov, A.C. İsmailov, H. Uğur Optics and Spectroscopy, vol.77, pp. 6-10, January [10]. R. Gamidov, İ. Taşkın and V. Sautenkov in Proc.Int.Freq.Contr.Symp.IEEE (FCS), 31 May - 2 June 1995, San-Fransisco, USA.

26 ULUSAL METROLOJI ENSTİTÜSÜN'DE (UME) YAPILAN SUYUN ÜÇLÜ NOKTASI HÜCRELERİNİN İNGİLTERE (NPL), ve AMERİKA'DAKİ (NIST) ULUSAL METROLOJİ KURULUŞLARIYLA KARŞILAŞTIRILMASI ve YENİ ULUSAL SABİT NOKTALARIN YAPIMI Ahmet T. ince, TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), PK.21, Gebze-Kocaeli Özet Ulusal sıcaklık sabit noktaların yapımı amacıyla Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), İlk olarak termodinamik suyun üçlü noktası (SÜN) hücrelerinin yapımına 1987 yılında başlamış olup, ve değişik tasarımlarda SÜN hücreleri yapılmıştır. UME yapımı SÜN hücreleri hazırlanışlarında soğuk daldırıcı çubuğu ve kuru buz (katı CO 2 ) yöntemleri kullanılmaktadır. Bu hücreler, birinci düzeyde metroloji kuruluşları olan NPL (İngiltere), NIST (Amerika) ve INM (Fransa)'deki standart SÜN hücreleri ile karşılaştırılmışlardır. Karşılaştırma sonucunda UME yapımı SÜN hücrelerinin standart suyun üçlü noktası hücrelerinden en fazla -0.12mK farklı olduğu bulunmuştur. Aynı zamanda diğer metal sabit noktalarından kalay ve çinkonu yapımlanna başlanmıştır ve böylece ileride bütün sıcaklık ölçümlerinin izlenebilir olduğu ITS-90 ölçeğindeki sabit noktaların, ulusal sabit noktalar olarak UME'de yapımı gerçekleştirilecektir. 1. Giriş Termodinamik sıcaklık ölçümlerinin pratik olarak yapılması ve elde edilen sıcaklık değerlerinin doğruluğunun uluslararası alanda homojen olarak sağlanması amacı ile, ilk pratik sıcaklık ölçeği 1927 de belirlenmiş, bunu 1948, 1968 (1968 sıkalasında bazı değişiklikler 1978 yayınlanmıştır) ve son olarakda 1990 sıcaklık ölçeği izlenmiştir [1-5]. Şu ana kadar uluslararası alanda sıcaklık ölçümlerinin kontrolü mevcut pratik termodinamik ölçeği ile gerçekleştirilmektedir. Her bir sıcaklık ölçeği ile elde edilen termodinamik sıcaklık ölçümlerinin doğruluğu ve birbirleri ile ilişki içinde olabilmesi için zaman içerisinde değişikliğe uğramıştır. Uluslararası Sıcaklık Ölçeği 1990, (ITS-90), 1989 yılında Uluslararası Ağırlık Ölçü Komitesi (CIPM) tarafından kabul edilip, 1990 yılında resmi olarak tamamen uygulanmaya başlamıştır [5]. ITS-90 sıcaklık ölçeği ile ilk değişiklik termodinamik suyun üçlü noktasının (273.16K), suyun donma noktası (0 C) ile değiştirilmesi olmuştur. 347

27 Aynı zamanda yeni sıcaklık ölçeği ile daha önce belirlenen bazı sabit noktalar [4] sıcaklık ölçeğinden çıkartılarak yeni sabit noktalar ilave edilmiştir. ITS-90 ölçeğinin pratik uygulamasında belli özelliklere sahip platin direnç termometresi, (PRT), (5) interpolasyon aleti olarak kullanılır. Argonun üçlü noktasından Gümüşün donma noktasına kadar, değişik sabit sıcaklıklarda, PRT rlin ölçülen direnç değerleri, suyun üçlü noktasında ölçülen direnç değerine bölünerek istenilen sıcaklık veya PRT'lerin ITS-90 ölçeğine göre kalibrasyonları gerçekleştirilir. R(T 2ıil6 ) (D ); Platin direnç termometrenin belli,bir sabit noktadaki direnç değeri (ohm), R(T ); Pljjtin direnç termometrenin suyun üçlü noktasındaki (273.16K) direnç değeri (ohm). Temel fiziksel birimlerinden termodinamik sıcaklık birimi (sembol T) K, suyun üçlü noktasının termodinamik sıcaklığının 'da biri (1/273.16) olarak tanımlanmaktadır. Daha önce tanımlanan uluslararası sıcaklık ölçeği buz noktasına göre tanımlandığı için, pratikte kullanımı kolaylığı açısından, sıcaklık ölçümü genel olarak ölçülen sıcaklığın buz noktasına (273.15K) göre farkı olarak verilir. t/ o C=TIK-273.l5 (2) t/ C sıcaklık birimi, derece santigrat olup, bu sıcaklığın büyüklüğü aynı zamanda Kelvine eşittir. Sıcaklık değişimi kelvin veya derece santigrat olarak ifade edilebilir. Sıcaklık ölçümlerinde kullanılan SÜN ölçümü, ITS-90 sıcaklık ölçeğinin ile daha da önem kazanmış olup, bu noktanın hazırlanmasında kullanılan metodların doğruluğu, ITS-90 sıcaklık ölçeğinin doğruluğunu tamamen etkiler. Bu nedenle, diğer sabit noktaların ölçümün doğruluğundan önce suyun üçlü noktası ölçümünün iyi ve güvenilir metodla yapılması sıcaklık ölçümlerinde son derece önemlidir. Bunun önemi Şekil 1 'de verilen grafikde görülmektedir. Eğer SÜN ölçümlerinmdeki hatanın ±0.1 mk olduğunu varsaydığımızda bunun ITS-90 ölçeğine ne ölçüde bir belirsizlik ile yansıdığını açık olarak görebiliriz. 348

28 M 80VÎK ile I2M <MK nıasiıula I IS 90 Bdiı sizlik dahilimi Beliısizlik/mK / / / I > \ Sicaklik/K Sekil Suyun üçlü noktasinda ±0. lmk. olcum belirsizliğinin 1TS-90 ölçeğine etkisi Bu yayında, esas olarak UME, suyun üçlü noktalan hazırlanışları için şu anda kullanılmakla oian yöntemlerin kısaca açıklanması ve IJME'de 1987'den beri yapılmakta olan SUN hücrelerinin diğer Ulusal Metroloji kuruluşları ile karşılaştırma sonuçlan verilecektir. 349

29 2. Süirnın Oluşturulması ve Uluslararası Karşılaştırılmaları Ü) SÜN'ı)_ııı Oluşturulması Suyun üçlü noktası hücresi [61, değişik yapılarda havası alınmış cam borsilika canı liipden yapılmışın. İçinde cin 3 hücresi görülmektedir. İçi ınoıııptıpııin Onlrtırılrlıgt Iııp saf su içeren kapalı bir sistemdir. Şekil 2"de SÜN B1.17 Mıılın(n7n Knbı Ruh'iıı Ru7/Sıı Knır,ımı Şekil 2. Buz Banyosu İçindeki Suyun Iklıi Moktnsı HıJCıPSI Termodinamik SÜN ölçümünün gerçekleştirilebilmesi için suyun katı, sıvı ve gaz fazlarının termal dengede olması gerekir. Bunun sağlanabilmesi için hücre içinde bulunan sal suyun önce dondurulur ve sonra bir miktar eritilerek, katı, sıvı ve gaz fazlarının bir arada olması sağlanır. SÜN hücresi içindeki saf suyun dondurulması için, uzun yıllar uygulanan yöntemlerden biri; uygun uzunlukda ve çapta metal çubuk, sıvı azota daldırma yöntemi 7] ile soğutulur. Bu sıvı azot ile soğutulmuş çubuk suyun üçlü noktası hücresindeki termometrenin girdiği tüpün içine (tüp içine genellikle ısı transfer sıvısı olarak alkol konur) islenilen kalınlıkta buz elde edilene kad^ar daldırılır (yaklaşık dakika). 350

30 Diğer suyun üçlü noktasını hazırlama metodu ise katı CO 2 kullanılmasıdır. Bu metot ile ufaltılmış katı CO 2 parçacıkları termometrenin girdiği tüpün içine doldurulur ve istenilen kalınlıkta buz tabakası elde edilinceye kadar doldurma işlemi devam eder. Her iki metod ile hazırlanan suyun üçlü noktası hücreleri ile karşılaşılan problemler sıvı azot kullanımındaki problemlerin daha az olduğu gözlenmiş olmasına rağmen hazırlanışı ve uygulanması hücreyi hazırlayan kişinin deneyimine bağlıdır. Yukarıda anlatılan her iki metot Ulusal Metroloji Enstitüsü tarafından uygulanmakta olup, istenilen belirsizlikde suyun üçlü nokta hücreleri başarı ile hazırlanıp kullanılmaktadır. Şimdiye kadar anlatılan iki metoda alternatif olarak soğuk daldırıcı çubuğu kullanılmaktadır. Soğuk daldırıcı çubuğunun kullanımı diğer metodlara göre daha verimli ve kullanıcı açısından kolaylık sağlamakta olup, son zamanlarda diğer metodlara göre yaygın olarak kullanıldığı gözlenmektedir [7-8]. UME'de yapılan suyun üçlü noktası hücreleri kullanrak önce Fransa daha sonra İngiltere ve Amerika'daki Ulusal Metroloji kuruluşları ile yapılan uluslararası karşılaştırmalarda yukarıda verilen suyun üçlü noktası hazırlama metodları kullanılmıştır. (ii) SÜN Hücrelerinin Standart Hücreler ile Karşılaştırılması SÜN hücrelerinin standart hücreler ile karşılaştırılmasına başlamadan önce, standart hücrelerin (en az iki tane) yukarıdaki suyun üçlü noktası hazırlanış metodlarından biri kullanılması ile hazırlanır. Bu işlem bittikden sonra hücreler ya buz banyosuna ya da suyun üçlü noktası muhafaza banyosuna konarak muhafaza edilir. Standart hücreler hazırlandıktan 24 saat sonra test hücrelerin hazırlanmasına başlamr. Test hücreler de standart hücreler için uygulanan hazırlanma metotu kullanılarak hazırlanır. Ölçümlere test hücreler hazırlandıktan 24 saat sonra başlanır. Standart ve test hücreler en az üç gün olmak üzere ortalama 10 gün karşılaştırılır. Standart ve test hücrelerin karşılaştırılması esnasında 25.5 ohm referans platin direnç termometresi kullanılır. Termometreye uygulanan akım lma ve V2mA dir. Böylece termometrenin OmA akımdaki direnç değeri test ve standart hücreler için ölçülür. Standart dirençlerin bulunduğu yağ banyosu sıcaklığı kontrolü ±0.01 C dir. Uluslararası karşılaştırmaya katılan suyun üçlü noktası hücrelerinin teknik özellikleri ve karşılaştırma için gerekli diğer unsurlar Tablo l'üe detaylı olarak verilmektedir. 351