ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

синхронного двигателя. Питание схемы осуществляется от батарейки, имею­ щей размеры элемента для карманного электрического фонаря. Работа тун­ нельных диодов отличается высокой стабильностью, а вся схема обладает малой чувствительностью к температурным колебаниям.

Двумя швейцарскими фирмами «Улис Нарден» и «Эбош» создан кварце­ вый морской хронометр габаритом 250X180X130 мм с приводом стрелочного механизма от синхронного двигателя с самопуском. Этими же фирмами выпу­ щен малогабаритный морской хронометр (200X150X150 мм) с миниатюрным шаговым двигателем, обеспечивающим полминутные скачки секундной стрелки.

Швейцарская фирма «Лонжин» выпускает наиболее малогабаритный кварцевый хронометр: размер его всего 104X72X82 мм. В нем применен кварцевый осциллятор с частотой 12 кГц. Он снабжен специальной схемой термокомпенсации. Делитель частоты состоит из предварительного делителя с каскадом деления на 5 и двух параллельных каналов с коэффициентами деле­ ния соответственно 5,5 и 6,4. С выхода делителя частоты поступают сигналы времени с частотой 96 и 100 Гц, а сигнал с частотой 4 Гц, снимаемый с выхо­ да схемы совпадения, подается на шаговый двигатель стрелочного механизма. Хронометр обладает большой точностью хода. При постоянной температуре

Английская фирма «Автоматик телефон энд электрик компани» выпускает малогабаритный кварцевый хронометр ATE на транзисторах. Осциллятор имеет форму бруска прямоугольного сечения и работает на колебаниях изгиба. Соб­ ственная частота колебания кварцевого осциллятора равна 4,096 кГц. Кварце­ вый регулятор собран по схеме с термокомпенсацией. Отклонение частоты ко­ лебаний не выходит за пределы 0,2 с по суточному ходу, что превышает точ­

Применение кварцевых часов в астрономических обсервато­ риях. Высокое постоянство частоты кварцевого осциллятора позволило создать астрономические кварцевые часы и исполь­ зовать их в обсерваториях вместо астрономических маятнико­ вых часов. Они применяются группами по двое, трое и более. Поэтому блок-схема кварцевых часов, объединенных в группы, может быть представлена в несколько усложненном виде (рис. 265) по сравнению с обычной схемой кварцевых часов. В связи с этим возникает необходимость применения добавоч­ ных устройств, как то: умножителя частоты, контактного уст­ ройства для подачи сигналов точного времени, схемы сравне­ ния между собой частоты кварцевых часов, образующих груп­ пу, и т. д.

Комплексный характер использования кварцевых часов в обсерваториях имеет следующие преимущества: 1) группа кварцевых часов продолжает работать, если даже один из них выйдет из строя (например, при перегорании лампы); 2) имеет-

ся возможность обнаружения неправильности в работе любых кварцевых часов; 3) обеспечивается высокая точность в тече­ ние долгого промежутка времени.

При Бюро стандартов (США) имелось семь кварцевых ча­ сов, из них шесть имеют пластинки среза GT на 100 кГц в мо­ стовой схеме стабилизации и один — брусок специальной фор­ мы на 200 кГц. Кристалл — в небольшом герметически заку­ поренном металлическом ящике в термостате. Для лучших образцов кварцевых часов при нормальных условиях работы кратковременные отклонения частоты меньше, чем ±2-10-9; сползание частоты за месяц меньше, чем 2-10-9, а за день — меньше, чем 10-10.

Стабилизируемый кристаллом стандарт при Национальной физической лаборатории в Англии содержит кольцо на 100 кГц. В вакууме при постоянной температуре нестабильность состав­ ляет ±4- 10- 1 0 за час и 1-10-8 за месяц. Длиннопериодная устойчивость, согласно Л. Эссену, составляет 2-10"8.

В Гринвичской обсерватории группа кварцевых часов со­ стояла из 16 штук. Осциллятор—в виде кольца на 100 кГц. В четырех кварцевых часах Физико-технической палаты мер (ГДР) применены кварцевые бруски с длиной, параллельной X или Y. Частота 69 кГц. Бруски отделяются от электродов за­ зором в 1 мм и монтируются в вакуумном термостате. Для этих часов дневное изменение составляет меньше 2-10-10, месяч­ ное— около 3-10-9.

В кварцевых часах «Дженерал радио» используется 50-ки- логерцевый кварцевый брусок среза X с длиной, параллельной X или Y. Температура коэффициента частоты составляет от 0,7-10_6 до 1,5-10~". Электроды состоят из химически нанесен-

ного серебра, защищенного слоем меди или золота (или того и другого).

Многолетняя практика применения кварцевых часов в астрономических обсерваториях убедительно свидетельствует о необходимости учитывать при выборе схемы кварцевого генера­ тора то, что срок работы таких часов должен быть максималь­ ный, а вариация их хода — минимальной,: В астрономических кварцевых часах генератор должен работать непрерывно в те­ чение многих месяцев в условиях, обеспечивающих высокую стабильность частоты.

Рис. 266. Схема работы передающей системы

Для уменьшения влияния внешней среды на работу кварце­ вого генератора его помещают в стеклянный вакуумированный баллон. Этим практически исключается вредное влияние изме­ нения атмосферного давления и влажности на стабильность частоты кварцевого резонатора. Стабильность повышается, ког­ да кварцевые генераторы помещены в специальных подвалах на массивных столбах. Если подвалы глубоки, они играют еще и роль дополнительных термостатов. Постоянство температуры

Поскольку резонансная частота кварцевого осциллятора за­ метно меняется при неустойчивой температуре, необходимо поддерживать постоянную температуру кварца. Для этого кварцевый резонатор помещается в термостат, где и поддержи­ вается постоянная рабочая температура с точностью до 0,0001°. Усилитель, включенный в диагональ моста, должен об­ ладать высокой стабильностью и значительным коэффициен­ том усиления.

В астрономических кварцевых часах высокое требование предъявляется и к источникам питания. Источники питания термостата, делителей и генератора должны быть независимы, при этом питание отдельных блоков должно обладать высокой стабильностью. Особенно это относится к генератору, так как стабильность его частоты зависит от качества источника пита­ ния. Применение специальных электронных стабилизаторов позволяет поддерживать напряжение питания с постоянством до долей процентов [8, 93].

Если регулировать температуру с указанной точностью и строго контролировать напряжение питания и амплитуду коле­ баний, можно достигнуть стабильности частоты, которая для коротких промежутков времени равна 10- 1 0 , а для длинных —

От 10-7 до 10~8 (причем ограничивающим фактором служит старение кварца). Это значит, что через год такие часы отста­ нут или уйдут вперед приблизительно на 1 с. Старение кварца является основным недостатком кварцевых часов, не позволяю­ щим использовать их в качестве постоянного эталона времени и частоты.

Сигналы времени теперь передаются службой времени, имеющей в своем распоряжении группу первоклассных квар­ цевых часов и атомный эталон. Схема работы передающей си­ стемы приведена на рис. 266. Передача сигналов точного вре­ мени производится по определенным программам через радио­ станции.

Атомные часы

До 40-х годов XX в. приборы времени были основаны только на

от ряда дестабилизирующих факторов (температуры, баромет­ рического давления, степени старения материалов и т. д.). По­ этому они не могут обладать такой высокой стабильностью, ка­ кая нужна для точного измерения времени.

Эталон времени и частоты, основанный на астрономическом определении его, также оказался величиной непостоянной. Было установлено, что угловая скорость вращения Земли из­ меняется, в результате чего продолжительность суток в тече­ ние года может отличаться от средней их продолжительности за год на ±0,001 с. Поэтому пришлось отказаться от меры вре­ мени— секунды как основного эталона времени (1/86 400 доли солнечных суток).

В последние десятилетия развитие атомной физики и микро­ волновой радиоспектроскопии привело к созданию принци­ пиально нового эталона частоты и времени на атомных посто­ янных, разработанного на основе изобретения молекулярных и атомных часов. Последние основаны на применении таких осцилляторов, как атом и молекула, частота колебаний кото­ рых в микромире строго стабильна и не зависит от внешних воздействий и для которых справедливы законы квантовой ме­ ханики. В молекулярных часах в качестве осцилляторов ис­ пользуются группы молекул, в атомных часах — группы от­ дельных атомов. Кроме того, эти квантовомеханические прибо­ ры времени можно разделить, в зависимости от выбранного вида осциллятора, на аммиачные, цезиевые, водородные,, руби­ диевые и др.

Появление и развитие этих приборов времени произвело рево­ люцию в области измерения времени. Она явилась одним из важ­ ных направлений научно-технической революции XX в.

Вразвитии квантовой колебательной хронометрии до наших дней можно выделить два периода, из которых начальный при­ ходится на подготовку и создание в 1948 г.: первый — молекуляр­ ных (на аммиаке) часов, а второй падает уже на наши дни, так как именно за последние тридцать лет были созданы все модели молекулярных и атомных часов.

Первые молекулярные часы, 1948 г. В молекулах возможны такие энергетические состояния, для которых изменение энергии

(Еп — Ет), входящей в уравнения Бора, настолько мало, что ча­ стоты, соответствующие этим энергетическим разностям, лежат

вобласти миллиметровых и сантиметровых волн.

Всантиметровом диапазоне радиоволн систематические ис­ следования начались с 1946 г., после освоения этого диапазона в результате развития радиолокации. Особенное значение для соз­ дания первых молекулярных часов имело изучение радиоспектра газообразного аммиака в области сантиметровых и миллиметро­ вых радиоволн. В газообразном аммиаке имеет место сильное избирательное поглощение на волне 1,25 см и существует еще ряд частот, при которых оно происходит. В разреженном газе эти области поглощения настолько узки, что образуют спектральные линии поглощения. Совокупность спектральных линий дает радиоспектр газа.

В1947 г. спектральные линии поглощения аммиака были при­ менены для стабилизации частоты отражательного клистрона — широко распространенной электронной лампы для генерации радиоволн сантиметрового диапазона, а в 1948 г. — для создания молекулярных (аммиачных) часов. Колебания атомов в молеку­ ле происходят с относительно меньшей частотой, поэтому их лег­ че было связать с механической или электрической системой, показывающей время. Этим и объясняется то, что раньше всего появились молекулярные, а не атомные часы.

Первые практические результаты, показавшие возможность создания молекулярных часов, постоянных в качестве эталона времени и частоты, были достигнуты в Национальном комитете стандартов в Вашингтоне на основе использования принципа, разработанного Гарольдом Лайонсом — сотрудником научно-ис­ следовательской лаборатории по изучению микроволн.

Опытным путем было обнаружено, что в волноводных трубках,

заполненных аммиаком при атмосферном давлении 10- 2 , т. е. в сильно разреженном состоянии, на волне 1,25 см можно полу­ чать довольно узкие спектры поглощения аммиака. Впервые это явление было замечено в отношении газов в 1934 г. Клеетоном и Вильямсом (336,234—237).

Когда стало очевидным, что такой спектр поглощения может служить надежной основой для новых эталонов частоты и време­ ни, ученые Комитета стандартов в Вашингтоне начали искать пути применения этого спектра для осуществления контроля над радиотехническим генератором, который в свою очередь мог быть использован в качестве двигателя часов.

Таким образом, была сделана попытка заменить корректи­ рование хода кварцевых часов по астрономическим наблюдени­ ям автоматической коррекцией по спектральной линии погло­ щения аммиака. Этому устройству было дано претенциозное, но не совсем точное название «атомные часы».

Квантовая система, использованная в первых молекулярных часах, состоит из газообразного аммиака NH3. Его атомы распо­ лагаются в пространстве по вершинам воображаемой трехгран­ ной пирамиды с атомом водорода по углам ее основания и ато­ мом азота у ее вершины. Атом азота по отношению к трем атомам водорода может занимать два крайних положения. Эти два положения молекулы отличаются знаком проекции электри­ ческого момента диполя на ось вращения молекулы, находящей­ ся в магнитном поле. Частота, с которой атом водорода совер­ шает свои колебания, зависит от энергии вращающихся моле­ кул.

Собственная частота колебания молекулы аммиака 23870,14 МГц. Это соответствует длине волны 1,25 см. Следова­ тельно, период ее колебания длится всего одну двадцатичетырех­ миллионную долю секунды. Эта частота в миллион раз превыша­ ет частоту осветительного переменного тока и в тысячу раз пре­ восходит частоты, применяемые при обычных радиовещатель­ ных передачах, приближаясь к области световых волн.

Первые молекулярные часы состояли из высокочастотного кварцевого генератора со схемой автоматической подстройки ее частоты к частоте автоколебаний опорного —в данном случае молекулярного — осциллятора. Частота сигнала подстроенного кварцевого генератора предварительно умножается на число п, чтобы она была примерно равна частоте собственных колебаний аммиака. Устройство, корректирующее частоту колебаний кварцевого генератора, именуемого дискриминатором, произво­ дит сравнение частоты генератора с собственной частотой коле­ баний молекул аммиака и при наличии различия этих частот вырабатывает «сигнал погрешности». Сигнал ошибки с выхода дискриминатора подается на подстроенный генератор и с по­ мощью особых устройств корректируется его частота колеба­ ний таким образом, чтобы они сравнялись с частотой молекуляр­ ного осциллятора, деленной на п. В итоге получается временный сигнал, частота которого в n раз ниже частоты сигнала опорно­ го осциллятора, а мощность значительно выше.

В конечном счете в молекулярных часах роль «маятника», т. е. устройства, отмеряющего время, играют молекулы аммиака.

Все части (агрегаты) часов размещены в стандартном шка­ фу, имеющем вид стеллажа. На верху двухъящичного стеллажа смонтированы синхронные часы и волновод. Последний представ­ ляет собой медную прямоугольного сечения (12,7X6,35 мм) трубку длиной 9,14 м в виде спирали. В полости волновода нахо­ дится аммиачный газ в сильно разреженном состоянии. Колеба­ ния молекул в нем возбуждаются и поддерживаются действием

электромагнитного поля, создаваемого задающим кварцевым генератором, имеющим частоту в 100 Гц. Эта частота предвари­ тельно умножается и усиливается посредством цепей вакуумных ламп и диодов с кристаллами кремния. Одна из гармоник часто­ ты кварца подается в волновод.

Если частота этого источника электромагнитных волн соот­ ветствует частоте одной из спектральных линий аммиака, т. е. линий с частотой 23 870 130 190 Гц, то в волноводе они будут усиленно поглощаться аммиаком. Наоборот, радиоволны, часто­ та которых отличается от этой частоты хотя бы даже на 1000 Гц, уже не будут иметь достаточного поглощения.

Когда микроволновой сигнал, полученный путем умножения и усиления частоты кварцевого генератора, будет настроен по частоте спектра поглощения, генератор блокируется с неизмен­ ной частотой спектра поглощения аммиака. Мощность радио­ волн, доходящая до приемника, зависит как раз от поглощения электромагнитных волн на пути к этому приемнику, и поэтому можно судить, имеют ли приходящие туда радиоволны частоту колебаний 23 870 130 190 Гц или иную.

Блок-схема молекулярных аммиачных часов показана на рис. 267. Сигнал частоты, возникающий в кварцевом генераторе А, питает цепь умножителей частоты В. Частота кварцевого генератора, умноженная несколькими ступеня­ ми в 2700 раз, т. е. до 270 МГц, смешивается с частотой 13,8 МГц, модулиро­ ванной по частоте генератором пилообразных колебаний на ±0,12 МГц. Это смешивание и дальнейшее умножение в 11 раз производится с помощью клист­ рона Dit на выходе которого создается модулированное по частоте напряжение с частотой 2983,8±0,12 МГц. Далее это напряжение подводится к диоду с кристаллом кремния D2, создающим гармоники подводимого напряжения. Восьмая гармоника подводимого напряжения имеет частоту 23 870±0,96 МГц и подается в волновод F, где будет происходить усиленное резонансное погло­ щение. От этого возникает резкий импульс, который выдается после детектора, расположенного на конце волновода. Второй импульс возникает от ответвле­ ния первого умножителя напряжения с частотой в 12,7 МГц, а также от ча­ стотно-модулированного напряжения с частотой в 13,8±0,12 МГц и снимается после смесителя и другого детектора. Оба импульса поступают к дискримина­ тору; на его выходе образуется напряжение постоянного тока, величина кото­ рого пропорциональна сдвигу во времени между обоими импульсами.

В зависимости от принятой схемы эти импульсы могут во времени совпа­ дать или иметь определенную разность. В том и другом случае они служат ме­ рой степени выравнивания умножительно-частотной цепи кварцевого генера­ тора с собственной частотой аммиака. Напряжение постоянного тока, пропор­ циональное сдвигу, подводится к реактивной лампе, автоматически управляю­ щей частотой кварцевого генератора. Таким образом, частота колебаний, вы­ рабатываемых кварцевым генератором, приводится в соответствие с собствен­ ной частотой колебаний молекул аммиака.

Показанный на блок-схеме делитель частоты служит для понижения вы­ сокой частоты с помощью ряда каскадов, чтобы иметь частоту тока, равную 1 Гц, нужную для приведения в действие синхронного мотора.

ствие этих молекул (соударение) как между собой, так и со стен­ ками прибора вызывает уширение спектральной линии и вместе с тем изменение собственной частоты колебания осциллятора. Это взаимодействие приводит к тому же эффекту, что и наличие тре­ ния в механических осцилляторах — падает добротность осцил­ лятора и вместе с тем снижается стабильность суточного хода реальных молекулярных часов.

Если бы можно было единичную молекулу надежно связать с прибором, то она имела бы весьма стабильную частоту, не под­ верженную изменению под влиянием различных внешних усло­ вий. Тогда частота колебаний аммиака зависела бы только от строения и свойств молекулы, а не от влияния внешних факто­ ров. Часы с таким осциллятором могли бы обладать точностью хода, превышающей на несколько порядков точность хода обыч­ ных молекулярных часов.

Однако создать молекулярные часы с использованием единич­ ной молекулы в качестве осциллятора фактически невозможно. Не найдено было и средств для эффективного уменьшения шири­ ны спектральной линии аммиака.

Создание современных атомных и молекулярных часов. Пу­ тем создания современных атомных часов на пучке атомов и молекулярных часов на пучке молекул (вместо газообразного ам­ миака) удалось избежать имевшихся недостатков в молекуляр­ ных часах 1948 г. Был устранен допплеровский сдвиг частоты и уничтожено уширение спектральной линии, связанные с соударе­ ниями молекул. Атомы и молекулы в атомном молекулярном пучке практически изолированы от взаимодействия между собой и от действия на них стенки прибора. В атомных и молекулярных пучках поэтому предел разрешающей их способности ограничи­ вается не свойствами прибора, а только шириной наблюдаемых у них спектральных линий.

Метод резонансного исследования атомов и молекул, проле­ тающих в вакууме в виде атомных и молекулярных пучков, стал разрабатываться в США с 1937 г. И. И. Раби. Впоследствии этот метод развивался в важную область науки, приобретшую зна­ чение и для ряда технических применений [378, 318]. В 1940 г. Раби и Куш получили спектральную линию поглощения редкого элемента цезия, частота которой соответствовала длине волны 3,26 см. На этой основе Куш в Комитете стандартов создает на пучке атомов цезия атомно-лучевой радиоспектроскоп.

Продолжая исследования П. Куша, И. Р. Захариас в Массачусетском технологическом институте разработал конструкцию атомных часов, использовав для этого элемент цезия величиной с булавочную головку. Эти исследования послужили основой для изготовления цезиевых часов, известных под названием «Атомихрона»; он стал объектом производства одной из национальных промышленных компаний США.

Л. Эссен и П. Перри в Британской физической лаборатории изготовили в 1955 г. превосходные цезиевые атомные часы для