Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
92
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
5.22 Mб
Скачать

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

Из наблюдения продолжительности суток или высоты Солнца над горизонтом видно, что на протяжении года продолжительность суток изменяется. Число средних солнечных суток, прошедших от одного весеннего равноденствия до другого, т. е. между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия, равно продолжительности тропического года. Продолжительность среднего тропического года (1 троп. = 365,24220 среднего солнечного дня) превышает 365 дней примерно на 1/4 дня. Поэтому каждые 4 года прибавляется один день (високосный год). Чтобы правильно учитывались следующие десятичные знаки, первый год столетия не считается високосным, а 1972 г. был специально удлинен – кроме добавочного (високосного) дня, в него вклю- чили две дополнительные секунды (по 1 с добавили также 1 января 1973 г. и 1 января 1974 г.).

Необходимость введения среднего тропического года основывается на том, что нужно учитывать малые колебания его продолжительности. Земля не является совершенно жесткой, и к тому же она не шарообразна, а сплюснута к экватору. Были обнаружены существование широтных колебаний и явления нутации. И то и другое приводит к малым колебаниям положения экватора Земли. Но так как пересечения эклиптики и небесного экватора определяют точ- ки весеннего и осеннего равноденствия, то и эти точки также совершают малые колебательные движения.

Вообще, в развитии единицы времени можно выделить несколько этапов повышения точности определения (воспроизведения) этой единицы. Исходя из длительности солнечных суток, единицу времени приняли как 1 с = 1/86400 часть этих суток. Но эта единица связана с вращением Земли вокруг своей оси. Обнаружив, что это вращение неравномерно, в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца – тропический год. Но тропический год тоже изменяется, правда, всего лишь на 5 с за 1000 лет. Поэтому договорились за основу взять 12 ч эфемеридного времени (равномерно текущего времени, определяемого астрономическим путем) 0 января 1900 г., что соответствует 12 ч 31 декабря 1899 г. Другими словами, в основу легла годовая орбита Земли на 1900 г. Точные данные об этой орбите взяли из эфемерид – специ-

204

7.3. Эталон единицы времени

альных таблиц значений координат звезд, планет и других астрономических объектов, составляемых на каждый год.

Эфемеридную секунду утвердили на МКМВ в 1956 г. и определили как 1/31556925,9747 часть тропического года. Соотношение эфемеридного и среднего солнечного времени по годам приведено на рис. 7.6.

Впоследствии эфемеридная секунда также перестала удовлетворять возросшим требованиям к точности. Поиски ученых-физиков и метрологов привели к успеху – появилась атомная секунда. Она была получена на основании последних достижений науки, весьма удовлетворяет требованиям потребителей, которые «крепко привязаны к Земле» и не обременены проблемами астрономии и космоса. Специалисты же в области движения небесных светил, космонавтики, навигации и геофизики не утратили интерес к «старой» астрономической секунде, эфемеридной секунде и соответствующей ей эфемеридной астрономической шкале времени. Локальная атомная шкала лишь уточняет глобальную астрономическую шкалу времени.

Современные методы хранения и воспроизведения размеров основных единиц СИ – длины, времени и массы – связаны с тенденцией уменьшения погрешностей воспроизведения размеров единиц

Рис. 7.6. Отклонение эфемеридного времени от среднего солнечного

205

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

на основе использования при этом результатов теоретических рас- четов характеристик микропроцессов и уточненных значений ряда фундаментальных физических констант.

Переход к атомным эталонам единиц времени (частоты) позволяет существенно повысить точность воспроизведения единицы и улучшить ее стабильность. Для атомной секунды, определение которой было принято на Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 г., относительная неопределенность ее воспроизведения не превышает 10–13.

Как же в России проходили работы по воспроизведению, хранению и передаче точного времени?

Началом работ по распространению точного времени в России считается 1863 г., когда время, основанное на астрономических определениях в Пулковской обсерватории, начали передавать по проводам в Главную петербургскую телеграфную контору, по часам которой его проверяли во всех телеграфных учреждениях России. В 1902 г. лаборатории времени Главной палаты мер и весов (теперь ВНИИМ им. Д.И. Менделеева) начали проводить регулярные астрономические определения времени, которые использовали для поверки хронометров морского ведомства и часов различных учреждений. Это было необходимо главным образом для установления географических координат (долгот) при составлении карт и в навигации. И сейчас это важнейшие задачи службы времени, но решаются они с несравненно более высокой точностью. Первые переда- чи по радио сигналов точного времени в России состоялись в 1914 г. в ходе работ по определению разности долгот Пулково – Париж.

Государственная служба времени в нашей стране ведет свое на- чало с декабря 1920 г., когда Пулковская обсерватория организовала первые регулярные передачи сигналов точного времени (один сеанс в сутки) через петроградскую радиостанцию «Новая Голландия», с которой она была связана прямыми телеграфными линиями. Эти передачи продолжались до закрытия радиостанции в 1923 г.

В 1923 г. вступила в строй Детскосельская радиостанция, которая до 23 июня 1941 г. регулярно передавала сигналы времени, ритмические сигналы и секундные сигналы звездных часов.

Постановление Совнаркома СССР от 24 июня 1924 г. об образовании при Главной астрономической обсерватории в Пулково Ко-

206

7.3. Эталон единицы времени

митета службы времени для организации сети служб времени и разработки мероприятий по распространению точного (астрономического) времени на территории СССР определило развитие этой службы на два ближайших десятилетия.

С 1925 г. Комитет службы времени начал регулярно издавать бюллетени, в которых публиковались суточные значения времени в средние моменты передач ритмических сигналов советских и иностранных радиостанций.

К 1940 г. в результате научно-организационной деятельности указанного комитета в СССР действовали семь служб (третья часть служб времени, работающих в мире). Сигналы точного времени передавали семь раз в сутки из Москвы, Ленинграда и Ташкента.

Великая Отечественная война явилась серьезным испытанием для служб времени. Прекратили работу службы в Пулкове, Харькове и Николаеве. Служба времени ВНИИМ продолжала свою работу, ежесуточно велись передачи сигналов поверки времени для авиации, армии и флота.

Новый виток в развитии Государственной службы времени на- чался в 1947 г., когда постановлением Совета министров СССР была утверждена Межведомственная комиссия единой службы времени при Комитете по делам мер и измерительных приборов при СМ

СССР. В качестве ее рабочего органа было образовано Центральное научно-исследовательское бюро единой службы времени (ЦНИБ).

Деятельность межведомственной комиссии и ЦНИБ способствовала развитию и централизации Государственной службы времени и частоты (ГСВЧ), расширению сети передающих станций, широкому внедрению радиоэлектронной аппаратуры.

В 1955 г. на базе ЦНИБ был создан Всесоюзный научно-иссле- довательский институт физико-технических и радиотехнических измерений. С этого времени на один из отделов ВНИИФТРИ были возложены функции главного метрологического центра ГСВЧ (ГМЦ ГСВЧ).

1959 г. знаменателен в истории Главной службы времени и частоты тем, что впервые в ее практической работе начали использовать более точные квантово-механические меры частоты – аммиач- ные молекулярные генераторы. До внедрения в ГСВЧ квантово-ме- ханических генераторов астрономические наблюдения являлись

207

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

единственным способом определения времени и установления размеров единицы времени – секунды.

В 1964 г. в ГМЦ ГСВЧ был разработан и исследован макет стандарта частоты на водороде, который в большой степени определил дальнейший путь развития работ по созданию атомного эталона времени и частоты в нашей стране. Во многих странах за рубежом (Англия, США, ФРГ и др.) велись активные исследования по созданию цезиевых и водородных стандартов, предназначаемых для будущих атомных эталонов. С 1964 г. в ГМЦ начали разработку и исследование комплексов аппаратуры для эталона, воспроизводящего и хранящего размер атомной секунды и атомной шкалы времени.

На XIII Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 г. было принято новое определение секунды. Секунда – это длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. В 1967 г. государственный эталон, воспроизводящий размер секунды в соответствии с ее определением, был аттестован межведомственной комиссией и утвержден Госстандартом СССР в качестве государственного первичного эталона времени, частоты и атомной шкалы времени.

Чем же привлекли исследователей атомные часы? Почему именно цезий был выбран в качестве материала для воспроизведения эталонной секунды? Стабильностью, т. е. неизменностью во времени основных свойств за счет постоянства частоты спектральной линии. Кроме того, цезий имеет сравнительно низкие температуры плавления (tïë = 28,4 °С) и кипения, что обеспечивает удобство использования его в эталонах.

Вспомним, что «сердцем» любых часов (кроме, конечно, солнечных, водяных или песочных) является маятник. Еще недавно, в 60-х годах XX в., были разработаны часы Федченко. Колебания маятника в них возбуждались специальным электромагнитным устройством, а стабильность обеспечивалась весьма хитроумными приспособлениями. За 15 лет часы Федченко отставали всего на 1 с. Нужна ли более высокая точность?

Конечно, нужна – например, в космосе, здесь ошибка момента включения (выключения) двигателя в долю секунды может привести к катастрофе: летательный аппарат либо сгорит в плотных слоях

208

7.3. Эталон единицы времени

атмосферы, либо навсегда оторвется от родной Земли. Подобных примеров можно привести множество. Представьте самолет, идущий на слепую посадку. Запоздают службы управления воздушным движением аэропорта выдать экипажу навигационный сигнал всего на 1 с – погрешность в определении местонахождения самолета составит сотни метров! Операции высокопроизводительных автоматических станков рассчитаны с точностью до сотых долей секунды. Чуть промедлят средства автоматики – и деталь пойдет в брак. Поэтому наладка станков, весь режим их работы управляются сигналами особо точного времени.

Высокая точность измерения времени нужна для согласования работы автоматических телефонных станций и повышения качества радио- и телепередач, для автоматического регулирования транспортных потоков и обеспечения синхронной работы генераторов в объединенных энергетических системах. Без нее не обойтись при организации эффективной работы электронно-вычислительных машин, осуществляющих автоматизированную систему сбора и обработки информации для учета, планирования и управления народным хозяйством страны (табл. 7.2).

Вот почему часы Федченко в эталоне были заменены атомными часами, в которых роль массивного инерционного маятника

 

 

Таблица 7.2

Точность стандартов времени

 

 

 

 

Исторический период

Приборы времени

Относительная

погрешность

 

 

 

 

 

3000–500 äî í. ý.

Солнечные, водяные часы

10–1 – 10–2

500 äî í. ý. – XVII â. í. ý.

Песочные часы

10–2

Начало XVIII в.

Маятниковые часы

10–3

Конец XVIII – начало XIX в.

Морские хронометры

10–4

1950 – 1960 ãã.

Астрономические часы

10–7

 

Федченко

 

1960 – 1967 ãã.

Кварцевые часы

10–9 – 10–10

Ñ 1967 ã.

Атомные часы

10–13 – 5·10–14

209

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

выполняет невидимый электрон. При переходе с одного энергети- ческого уровня на другой электрон совершает очень большое, но очень стабильное число скачков – колебаний. То есть вместо груза – электрон, вместо нити (стержня, пружины) – сила притяжения электрона к атому.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в этих часах. Энергетический уровень – это значение энергии Е, которой обладает квантовая система (атом, молекула) (рис. 7.7). Это значение не может быть произвольным, оно должно принадлежать дискретному, прерывистому набору характерных (разрешенных) для данной квантовой системы уровней энергии (Е1, Å2, Å3, ..., Ån). Переход системы с одного энергетического уровня на другой (из одного со-

стояния в другое) называется квантовым.

à)

á)

â)

Рис. 7.7. Энергетические уровни (а), квантовые переходы излучения (б) и поглощения (в)

210

7.3. Эталон единицы времени

При переходе из состояния энергии Е2 в состояние Е1 ïðè Å2 > Å1 квантовая система испускает электромагнитное излучение с частотой ν . При обратном переходе она поглощает его с той же ча- стотой, называемой квантовой.

Идеальная квантовая система обладает строго определенными значениями энергии каждого уровня и поэтому должна излучать (поглощать) единственную частоту ν при каждом переходе. В реальности же энергетические уровни (Е1 è Å2) размываются и система вместо единственной частоты ν излучает (поглощает) целую полосу частот – спектральную линию (рис. 7.8). Для повышения мощности этой линии можно влиять на ее ширину или сдвинуть в другую область частот. Все это делается с помощью вспомогательных устройств – как правило, различных электромагнитов.

В результате атомная секунда воспроизводится с относительной погрешностью не более σ = 1,5 · 10–13, а впоследствии и 5·10–14. Много ли это или мало? Простой расчет показывает, что если за абсолютную погрешность принять 1 с ( = 1 с), то измеряемая (воспроизводимая) величина А = / σ составит А = 1/1,5 · 10–13 = 6,71012 с. В сутках 86 400 с, а один год содержит 86 400 · 365,2422 = 31 556 926 с. Это значит, что абсолютная погрешность в 1 с ( = 1 с) в атомных

Рис. 7.8. Область частот с максимумом интенсивности излучения или поглощения электромагнитных волн

211

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

часах будет получена за 6,7 · 1012/31 556 926 = 213 000 ëåò, à ïðè σ = = 5 · 10–4 – за 636 000 лет. Такая вот точность современных атомных часов первичного эталона времени, частоты и длины.

В основе эталона частоты – источник цезиевого атомного пуч- ка. Для реализации метода резонанса атомного пучка используется вакуумная камера (рис. 7.9). В ней размещены цезиевая печь, система управляющих магнитов и индикатор атомов. При температуре в печи до 150 °С кипящий цезий выделяет пары атомов. Из паров цезия каналы камеры формируют пучки атомов с необходимыми резонансными параметрами. Поскольку температура в печи невысока, скорость атомов тоже невелика и их линия резонансной частоты достаточно узка, т.е. не размыта, стабильна.

Рис. 7.9. Установка для возбуждения резонанса в атомном пучке

Основной электронный уровень атома цезия разделен на ряд подуровней, образуя так называемую сверхтонкую структуру атома. При переходе электрона с одного на другой уровень такой структуры атом излучает энергию на определенной сверхвысокой частоте. Именно эта частота, называемая частотой спектральной линии, обладает устойчивым постоянством и практически не зависит от внешних факторов (электромагнитных полей, давления, температуры и др.). Для атома цезия она равна 9192,63177 МГц.

Пучок атомов облучается внешним сверхвысокочастотным радиосигналом в системе магнитов и обстреливает раскаленную воль-

212

7.3. Эталон единицы времени

фрамовую нить – приемник, который заряжается электрически и фиксируется индикатором. Наибольший заряд получается, если ча- стота облучающего радиосигнала совпадает с частотой собственных колебаний атомов цезия. При отклонении облучающего сигнала от заданной частоты частота облучения автоматически подстраивается. Но ведь частота – это число колебаний в единицу времени. Стабильна частота – стабильна и единица времени. Этим и дости-

гается то, что погрешность ∆ = 1 с накапливается в данном эталоне за 600–700 тыс. лет, что приближается к фантастически абсолютной точности. Сопоставление астрономического всемирного времени с атомным дает фактические данные об изменении скорости вращения Земли.

Решение XIII Генеральной конференции по мерам и весам о новом определении секунды способствовало введению новой международной координированной системы передач радиосигналов времени и эталонных частот. В 1972 г. большинство стран мира, в том числе и СССР, перешли на передачу сигналов в этой системе. По ней согласовывается время выхода сигналов с антенн передат- чиков в разных странах с международной шкалой координированного времени, вычисляемого в Международном бюро времени (МБВ).

В 1974–1975 гг. был разработан и введен Государственный эталон времени и частоты (ГЭВЧ) – метрологический цезиевый репер частоты. Репер, или квантовый стандарт частоты, представляет собой устройство для точного воспроизведения частоты электромагнитных колебаний в сверхвысокочастотных и оптических спектрах. Устройство основано на измерении частоты квантовых переходов атомов, ионов или молекул. С этого времени ГЭВЧ стал воспроизводить размер секунды в полном соответствии с ее определением, данным на XIII Генеральной конференции по мерам и весам.

Государственный эталон времени и частоты – это сложный аппаратурный комплекс. Он состоит из цезиевых, водородных, рубидиевых квантовых реперов частоты и часов-хранителей, устройств внутренних и внешних сличений, систем автоматики, контроля параметров внешней среды, электропитания – всего из 35 различных приборов.

213