ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

тивным является создание наряду с часами цезиевыми, водород­ ными, рубидиевыми также и часов на атомном пучке таллия. Первый, кто указал еще в 1957 г. на то, что часы на пучке таллия могут обладать рядом преимуществ даже по сравнению с цезие­ выми часами, был профессор П. Куш (США). Опыты, проведен­ ные в этом направлении за последние шесть лет, оказались до­ вольно успешными. В 1962 г. Вонаноми были созданы часы на пучке таллия в Невшательской обсерватории. Несколькими ме­ сяцами позже таллиевые атомные часы были установлены и при­ ведены в действие Р. Бехлером и Д. Газе в Национальном бюро стандартов (США). А совсем недавно Р. Лицею удалось разра­ ботать специальную малогабаритную атомно-лучевую трубку с таллиевым атомным пучком, на основе которого фирмой «Гаулетт паккард» созданы портативные таллиевые часы [368, 70—78].

Таллий может быть использован в атомно-лучевых трубках с пучком этого элемента таким же образом, как цезий, но по срав­ нению с ним имеет ряд преимуществ: относительная чувстви­ тельность таллия к воздействию магнитного поля при переходе с основного энергетического уровня на другой в 48 раз меньше, чем у цезия. Предполагают, что при известном совершенстве резонаторного устройства в таллиевых часах можно получить более высокую долговременную стабильность частоты, чем та, которая достигнута в цезиевых часах и даже в водородных мазерах. Это подтверждается тем, что уже в первых, еще недостаточно совер­ шенных экспериментальных образцах таллиевых часов достиг­ нута точность, не уступающая точности лучших цезиевых часов и водородных мазеров.

Молекулярный мазер на пучке аммиака. Развитие техники мазера началось с 1953 г. и раньше всего— на использовании

Рас. 273. Схема молекулярного (аммиачного) генератора «Мазер»

пучка молекул аммиака. Мазер подобного типа был изобретен, как уже отмечалось, в Колумбийском университете Ч. Таунсом и независимо от него Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в Фи­ зическом институте АН СССР. Таунс вместе с Дж. Гордоном и X. Цайгером в 1953 г, детально изучали характеристики частот­ ных колебаний мазера на пучке аммиака.

Первая работающая модель молекулярных часов на пучке аммиака была создана в швейцарской лаборатории ZSRH в 1956 г. с относительной точностью порядка 10~9. Эти часы бы­ ли на 250 электронных лампах, весили 370 кг и имели довольно большие размеры. В 1960 г. эта швейцарская лаборатория на новых образцах часов довела их до стабильности 10-11 в то вре­ мя как в молекулярных аммиачных часах 1948 г. долговременная стабильность была лишь порядка 1-10-7 в первой модели и 2-10-8 во второй. Но при всем старании и несмотря на интенсив­ ные исследования в этой области, продолжавшиеся в Швейца­ рии, США, СССР, Японии, до сих пор не удалось полностью устранить имеющиеся трудности в эксплуатации этих мазеров; теперь стало очевидным, что водородный мазер обладает рядом крупных преимуществ по сравнению с аммиачным мазером и мо­ жет успешно с ним соперничать.

Молекулярный мазер на пучке аммиака до настоящего вре­ мени имел малый срок непрерывной работы (в основном это срок зарастания диафрагмы кристаллами аммиака). Поэтому применять его в схемах непрерывно работающих часов было затруднительно и их применяли в качестве реперов частоты, т. е. для контроля за изменением частоты регуляторов кварцевых часов.

Молекулярные часы «Мазер» (рис. 273) состоят из источника аммиака 1 с жиклером 2, диафрагмы 3, «ловушки» 4, резонатора 5, волновода 6. Аммиак тщательно очищенный и обезвреженный, находится в резервуаре при комнатной температуре. Посредством крана с градуированной шкалой давление газа в источнике мо­ жет регулироваться в пределах 1,3- (10_s—10-4) Па. Газ поступа­ ет в жиклер, представляющий собой отверстие, перекрытое ме-

таллической сеткой 3 с ячейками диаметром 0,1 мм. Через сече­ ние жиклера в секунду проходит 1018 молекул аммиака. Газо­ образный аммиак подается через жиклер узким пучком посред­ ством тонкого вводного канала (капилляра). Для этого потока молекул не требуется применять печку, как в цезиевых часах.

Молекула аммиака в разных состояниях обладает разными энергетическими уровнями, поэтому посредством электрических полей можно управлять пучком, производить сепарацию и фоку­ сировку молекул путем создания фокусирующего устройства в виде квадрупольного конденсатора 4- Он выполнен из 12 парал­ лельных металлических стержнях толщиной 1 мм и длиной 200—300 мм, закрепленных концами в двух металлических ци­ линдрах: один из них имеет положительный, другой — отрица­ тельный статический заряд. Шесть стержней через один заряже­ ны положительно, а шесть — отрицательно. Внутри этого устрой­ ства образуется неоднородное электрическое поле, с помощью которого производится отбор молекул аммиака одного направ­ ления и рассеивание молекул другого направления. Такой отбор возможен потому, что молекулы аммиака отличаются знаком электрической поляризуемости, благодаря чему молекулярный пучок можно разделить на два пучка, разнородных по составу. Молекулы, обладающие свойством излучать, фокусируются вдоль оси цилиндра, где напряженность поля практически равна нулю, а молекулы с обратным свойством удаляются в «ловушку». Мо­ лекулы на выходе фокусирующего устройства, или квадрупольно­ го конденсатора, обладают избыточной энергией. «Ловушка» представляет собой сосуд Дьюара в виде полого цилиндра, ок­ ружающего фокусирующее устройство. Благодаря применению жиклера и вакуумной камеры с электростатическим фокусиро­ ванием молекул в основном одного направления достигается упо­ рядоченное движение молекул аммиака и заметное уменьшение ширины спектральной линии молекул аммиака (с 200 до б кГц).

Все части установки, где распространяется пучок молекул аммиака, находятся под глубоким вакуумом.

Пройдя через фокусирующее устройство, или длинную электрическую линзу, молекулярный пучок попадает в полый резонатор, куда излучаются радиоволны со стандартной часто­ той 23 870 МГц. Резонатор выполняется в виде отрезка прямо­ угольной трубы со стенками, обладающими хорошей электро­ проводностью в расчете на частоту соответствующей спект­ ральной линии аммиака со стандартной частотой, указанной выше. Он изготовляется из инвара и всегда термостатирован. Здесь поддерживается температура с точностью до сотой доли градуса. Поток молекул аммиака, попадая в резонатор, сразу же вступает во взаимодействие с ею переменным электромаг­ нитным полем. Возбужденный резонатор, действуя электромаг­ нитным полем на влетающие молекулы пучка аммиака, индуци­ рует излучение, и по мере того как оно усиливается, возбужде­ ние резонатора также усиливается. Обратное воздействие ре-

зонатора на молекулы играет роль обратной связи, необходи­ мой для всякого генерирования, чтобы могли совершиться автоколебания. Поток молекул оказывает постоянное воздейст­ вие на эту автоколебательную систему, подобную, по удачному сравнению профессора Л. Л. Мясникова, «действию смычка на скрипку, струи воздуха на свисток или электрической бата­ реи в ламповом генераторе» [315, 39].

В 1959 г. в одной из швейцарских лабораторий были прове­ дены исследовательские работы по сравнительному изучению работы атомных цезиевых часов и молекулярных часов «Ма­ зер». Выводы, полученные в результате этих исследований, имели практическое значение. В цезиевых атомных часах уда­

3-10-11. Опытами подтверждена воспроизводимость этой вели­ чины. В этой же лаборатории была измерена ширина спектраль­

мерения времени получили атомные часы с применением пучка цезия, водородные часы, в которых используется эффект ма­ зера, и рубидиевые часы (либо с газовым осциллятором, либо с оптическим управлением). Мазеры на пучке аммиака имеют меньшее распространение. Мазеры с оптическим управлением являются новым типом мазеров. Регулятор этого типа откры­ вает новые возможности для создания как сравнительно мало­ габаритных переносных атомных часов, так и портативных дат­ чиков времени высокой точности.

Дальнейшее повышение точности атомных часов предпола­ гается осуществить за счет усиления сигнала по сравнению с шумами помех. Перспективным в этом отношении считается применение атомных пучков повышенной плотности и примене­ ние для этого метода оптической подкачки, или «двойного ре­ зонанса», путем создания среды с оптимальной температурой и защищенной от влияния магнитного поля и химически актив­ ных газов.

В настоящее время наибольшую нестабильность (порядка 10~13) имеют водородные часы. Резонансные частоты водород­ ных, рубидиевых и цезиевых часов равны 1420, 6835 и 9193 МГц. Объем современных атомных часов (в той же последователь­ ности) составляет: 0,4; 0,015 и 0,04 м3, масса —350, 20, 30 кг, потребляемая мощность — 200, 40 и 60 Вт.

Предельно возможная точность современных атомных ча­ сов—порядка 10-23 с [352, 23].

Атомное время

Первым эталоном, с которым сравнивали показания часов службы вре­ мени, был период вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд, т. е. звездные сутки. Астрономические наблюдения были важнейшей задачей службы времени: от частоты и точности этих наблюдений фактически зависе­ ла равномерность шкалы времени. Хранение времени между астрономически­ ми наблюдениями, осуществлявшимися с помощью различных типов астро­ номических часов, приводило к тому, что шкала времени сильно искажалась. С изобретением в 1930 г. кварцевых часов и использованием их в службах времени появилась возможность надежно хранить время в перерывах между наблюдениями. Кварцевые часы быстро совершенствовались и стало воз­ можным использовать их как независимый эталон времени для небольших, в несколько месяцев, отрезков времени: на больших интервалах сказалось старение кварца, заметно изменившее ход часов. По этой причине кварцевые часы нельзя было использовать в качестве постоянного эталона времени. Поэтому с 1956 г. поправки часов стали вычисляться в системе всемирного времени (TV2) по эфемеридному времени (ЕТ). В качестве эталона была при­

Коренной перелом в вопросах хранения времени произошел с изобретением атомных и молекулярных стандартов частоты, с помощью которых физикам удалось создать независимые от вращения Земли эталоны времени исключи­ тельно высокой стабильности. Мы свидетели окончившегося соревнования между незримыми атомами и молекулами с небесными светилами за право быть хранителем времени. Если теперь и существует такое соревнование, то уже только между двумя системами: одна основана на применении атомов

шкала времени, задаваемая с помощью атомных и молекулярных стандартов частоты, получила название атомного времени и условно обозначена ТА-1. Результаты сравнения шкал атомного времени некоторых обсерваторий по­

Наличие атомного времени дает астрономам возможность производить самые тонкие исследования неравномерности вращения Земли, так как мож­ но сравнить астрономическую секунду с другой, более точной и независимой от вращения Земли единицей времени. Астрономические наблюдения по-преж­ нему будут производиться, а их результаты использоваться для решения науч­ ных и практических задач, связанных с вращением Земли, для уточнения дол­ гот и исходных данных, необходимых для геофизических исследований, и т. д. Атомную шкалу времени бессмысленно непрерывно контролировать с по­ мощью астрономических наблюдений, так как точность этих наблюдений зна-

Рис. 274. Общий вид атомных часов

чительно ниже из-за ошибок наблюдений и неучтенных флуктуации во вра­ щении Земли.

Атомное время хранится и поддерживается в результате непрерывной работы атомных часов, основа которых — атомный (квантовый) эталон час­ тоты. Наилучшим способом построения атомных часов (рис. 274) является, как известно, управление ходом непрерывно работающих кварцевых часов с

полями. В дальнейшем XIII Генеральная конференция по мерам и весам (Па­ риж, 1967 г.) утвердила это новое определение единицы времени.

В основу атомной секунды были положены результаты экспериментов, выполненные в Национальной физической лаборатории (Англия) над цезиевыми часами. Шкала атомного времени может основываться на одном эталоне или на осреднении показаний нескольких атомных эталонов отдельных ла­ бораторий мира. Интегрирование частот атомных эталонов и вывод шкалы атомного времени проводит Международное бюро времени.

Теперь шкала атомного времени используется не только для научно-тех­ нических целей, но и во всей промышленности и в народном хозяйстве. В свя-

зи с этим стало возможным точное сравнение всех вторичных мер времени к, частоты с государственным эталоном, сопоставлять результаты выполненных измерений с единой шкалой времени.

Хотя шкалы атомного и астрономического времени являются независи­ мыми, тем не менее взаимосвязь между ними необходимо поддержать с вы­ сокой степенью точности как относительно единицы времени, так и эпохи; 1900 г. Астрономические и атомные шкалы времени будут существовать па­ раллельно и дополнять друг друга. В том случае, когда накопится расхож­ дение между шкалой атомного времени, в которой транслируются сигналъг точного времени системы всемирного координированного времени, и шкалой; астрономического всемирного времени, эта секунда атомного времени будет введена скачком — добавлением и вычитанием целой секунды. Иначе говоря,, если через несколько месяцев обнаружится «лишняя» секунда, то после сигна­ ла точного времени 23h 59m 58a наступит момент 0h. Каких-либо принципиаль­ ных трудностей в преобразовании атомного времени в другую шкалу с уста­ новленным смещением или в обратном преобразовании с незначительной ошиб­ кой не имеется [8,436].

В СССР шкалу атомного времени контролируют с помощью государст­ венного эталона времени и частоты, который основан на группе кварцевых часов, подстраиваемых по стабильной частоте водородного мазера и молеку­ лярных квантовых генераторов. Ведущие лаборатории служб времени других стран, имеющих атомные часы, формируют свои шкалы атомного времени,, например в Англии, на применении цезиевых часов.

Сигналы точного времени передаются службой времени, имеющей в своем; распоряжении группу первоклассных кварцевых часов и атомные эталоны. На рис. 266 показана схема работы службы времени при подаче сигналов.

При подаче сигналов точного времени используется высокостабильная се­ кунда, получаемая с помощью атомного эталона. Продолжительность этой се­ кунды остается постоянной в течение всего года. От года к году продолжи­ тельность секунды может быть изменена, если шкала эфемеридного времени TVz будет расходиться со временем, задаваемым сигналами. Значение рас­ хождения определяется ежегодно в Международном бюро времени после предварительной консультации с различными службами времени. Чтобы сис­ тема подач сигналов, производимая с помощью атомного эталона, была хорошо согласована с астрономической шкалой времени, ежегодно определя­ ется среднегодовое значение частоты атомного эталона по шкале времени TV2~

Сигналы передаются радиопередатчиками с кварцевых часов-датчиков. Разнообразие программ передачи сигналов времени обусловлено требованиями, предъявляемыми к сигналам точного времени промышленностью и наукой. Часы-датчик снабжены программным устройством для подачи сигналов вре­ мени в определенные моменты и фазовращателем для установки на точное: время с учетом поправки основных часов — хранителей времени.

Фазовращатели представляют собой специальные установочные механиз­ мы, позволяющие изменять фазу частоты 100 кГц, подаваемой на вход дели­ теля частоты. При этом повороту фазы на 360° соответствует сдвиг секундного' импульса на выходе делителя на 0,00001 с. Поэтому ставить часы на точное время при помощи фазовращателя можно с высокой точностью. Чтобы изме­ нить показание часов на 0,5 с, нужно, чтобы экранный диск сделал 50 тыс.. оборотов, для чего ставят мотор. Направление вращения мотора можно из-

менять. Это позволяет как увеличивать, так и уменьшать показания часов. Фазовращатели могут быть изготовлены на различные частоты: I, 10, 100 кГц, [8,436].

Когда изменение суточного хода контролируется по атомному эталону и с его учетом производятся сигналы времени, точность подачи их резко повы­ шается. В этом случае изменение суточного хода контролируется с точностью порядка ±0S,00001.

Электрические и электронные наручные часы

В последние десятилетия в развитии наручных часов отчетли­ во наметились две основные тенденции. Одна связана с даль­ нейшим усовершенствованием традиционных механических на­ ручных часов с целью повышения точности и стабильности их хода, другая направлена на создание новых конструкций элект­ рических и электронных наручных часов.

Основная идея совершенствования механических наручных часов заключается в стабилизации импульса, сообщаемого ча­ совым механизмом, и в обеспечении изохронизма колебательлой системы в различных положениях. Так, часы с автоматиче­ ским заводом, непрерывно подзаводящим пружину, часы со •стабилизатором, выравнивающим момент на оси анкерного ко­ леса, отличаются более стабильным режимом работы, чем ча­ сы, не имеющие их. Однако на этом пути трудно ожидать ка­

-особый интерес представляет быстро развивающаяся область электрохронометрии. Электрические наручные часы способны работать в течение года (и более) от одной батареи. Увенчались успехом и усиленные поиски путей и средств для замены классической системы баланс—спираль новыми высокочастот­ ными осцилляторами (камертон, кварц). Наручные камертон­ ные часы выпускаются в США фирмой «Бюлова» миллионами штук. В настоящее время кварцевые наручные часы могут счи­ таться уже вполне освоенными, серийное их производство на­ лажено во многих странах (Швейцария, Япония, СССР и др.). Добротность новых осцилляторов значительно выше, чем доб­ ротность системы баланс—спираль. Необходимость преобразо­ вания относительно высокой частоты таких осцилляторов в сравнительно медленное движение стрелок связано с рядом трудностей. Они стали причиной того, что малогабаритные ча­ сы с такими осцилляторами появились с большим запозданием. Однако в настоящее время основные проблемы, стоящие на пути создания электронно-механических часов, получили более или менее удовлетворительное решение.

Электрические наручные часы. Отдельные попытки использо­ вать достижения электротехники для создания электромехани-

ческих хронометров (с балансовым регулятором) имели место еще во второй половине XIX в. Именно к 1872 г. относится соз­ дание электромеханических хронометров И. А. Данишевским и к 1882 г.—И. А. Тимченко [19, 192—197] на основе работ рус­ ской электротехнической школы, во главе которой тогда стояли Р. Н. Яблочков, А. Н. Лодыгин и др. В 1904 г. в Женеве был выдан Н. А. Комприче патент на электрический морской хро­ нометр [339]. К концу XIX в. среди изобретателей разных стран появляется интерес к созданию карманных часов с электри­ ческим приводом. В 1899 г. патент на электромеханические часы обычного типа был выдан Д. Бютхеру (США), а в 1900 г.— на электромеханический спусковой регулятор И. Куп­ цову (Россия) [19, 200]. В 1920 г. два французских изобрета­ теля изготовили электрические карманные часы [33, 6, 68]. Хотя в данной области было заявлено множество патентов, их реализация задерживалась из-за непреодолимых в то время Трудностей, связанных с отсутствием миниатюрных батарей и с проблемой осуществления контактов и надежного спускового регулятора.

Исследования с целью создания наручных часов с электри­ ческим приводом становятся более интенсивными начиная с 1945 г. В США и Франции на проведение этих исследований были вложены значительные средства. В печати того времени высказывались оптимистические прогнозы о том, что в 1953 г. появятся электронные наручные часы и часовая промышлен­ ность переключится на их изготовление взамен механических часов. К сожалению, производство таких наручных часов выз­ вало большие трудности; их выпуск был на время прекращен. Тем не менее в производстве электрических часов крупного ка­ либра были достигнуты значительные успехи; эти часы стали вытеснять даже механические часы.

Производство нового типа наручных часов началось не с электронных, а с электромеханических контактных часов. Они были созданы на основе традиционной, хорошо освоенной часов­ щиками системы баланс—спираль с применением в качестве источника энергии миниатюрной батареи. Первые промышленно изготовленные образцы наручных электрических часов поя­ вились во Франции в 1954 г., а серийное их изготовление впер­ вые осуществила в январе 1957 г. американская фирма «Га­ мильтон». Особенно интенсивно производство наручных элект­ рических часов стало развиваться с 1965 г.

Кинематическая схема электрических контактных часов су­ щественно отличается от кинематической схемы обычных ме­ ханических наручных часов. В механических часах движение стрелок осуществляется за счет энергии, подаваемой от завод­ ной пружины, а в контактных электрических наручных часах — за счет энергии миниатюрной батареи, обладающей свойством сохранять длительное время электродвижущую силу на одном уровне. Соединение батареи с механизмом часов осуществля-

ется при помощи гибкого провода, проходящего сквозь ушки корпуса.

Энергия от батареи непосредственно сообщается системе баланс—спираль без использования для этой цели колесной передачи и спускового устройства. Преобразователем и распре­ делителем этой энергии является электромагнитный или магни­ тоэлектрический привод. Взаимодействие между магнитным полем, возникающим в импульсной катушке, когда через нее вследствие замыкания электрического контакта проходит ток, и полем постоянного магнита обеспечивает передачу импульса балансу.

Баланс у контактных электромеханических часов имеет зна­ чительно большую свободу колебания, чем в механических ча­ сах. Однако поскольку в этих часах сохраняется система ба­ ланс—спираль, то и сохраняются свойственные этой системе недостатки. Одним из недостатков является то, что в кончиках оси баланса — цапфах (несмотря на наличие рубиновых кам­ ней) — имеет место весьма значительное трение. Баланс трудно уравновесить таким образом, чтобы центр его тяжести был приведен строго к оси вращения, а это безусловно необходимо для обеспечения устойчивости колебания баланса.

Кроме того, система баланс—спираль выполняет одновре­ менно функцию передачи движения колесной системы для счет­ ного или индикаторного механизма, что также нежелательно с точки зрения точности часов.

Но наиболее уязвимым местом в контактных электрических часах являются сами контакты. Они замыкаются до 150 раз в минуту, т. е. около 80 млн. раз в год, и часы довольно быстро выходят из строя.

Все выпускаемые в настоящее время электрические наруч­ ные часы можно разделить на две основные категории: часы с подвижной катушкой (или с магнитоэлектрическим приводом) и часы с подвижным сердечником (или с электромагнитным приводом). Система с подвижным сердечником более проста, но менее эффективна. Система с подвижной катушкой более сложна, в ней использован принцип отталкивания одноименных магнитных полей. Но она имеет ряд преимуществ: ее импульс­ ный режим менее подвержен действию блуждающих магнитных полей, она не требует для искрогашения ни диода, ни сопротив­ ления. Недостаток системы—довольно высокая стоимость производства.

Электрические наручные часы с подвижной катушкой изго­ товляются в настоящее время фирмой «Гамильтон», «Таймекс», «Электрик», часы с подвижным сердечником — фирмами «Лип», «Эбош» и «Эльджин» [356, 22, 24].

В деле разработки конструкции наручных часов с магнито­ электрическим приводом большую роль сыграла фирма «Га­ мильтон»; в вопросе же разработки часов с электромагнитным приводом такую же роль сыграла французская фирма «Лип».