S.Mihal' "Chasy.
Ot gnomona do atomnyh chasov",
Znanie/NiT<< Elektronnye naruchnye chasy s peredachei informacii o vremeni po radio | Oglavlenie | Bashennye chasy >>
Atomnye chasy
Esli ocenivat' tochnost' kvarcevyh chasov s tochki zreniya ih kratkovremennoi stabil'nosti, to nado skazat', chto eta tochnost' znachitel'no vyshe, chem u mayatnikovyh chasov, kotorye, odnako, pri dlitel'nyh izmereniyah obnaruzhivayut bolee vysokuyu stabil'nost' hoda1. U kvarcevyh chasov nepravil'nost' hoda vyzyvaetsya izmeneniyami vo vnutrennei strukture kvarca i nestabil'nost'yu elektronnyh sistem.
Glavnym istochnikom narusheniya stabil'nosti chastoty yavlyaetsya starenie kristalla kvarca, sinhroniziruyushego chastotu oscillyatora. Pravda, izmereniya pokazali, chto starenie kristalla, soprovozhdayusheesya povysheniem chastoty, protekaet bez bol'shih kolebanii i rezkih izmenenii. Nesmotrya na. eto, starenie narushaet pravil'nuyu rabotu kvarcevyh chasov i diktuet neobhodimost' regulyarnogo kontrolya drugim ustroistvom s oscillyatorom, imeyushim ustoichivuyu, neizmennuyu chastotnuyu harakteristiku.
Bystroe razvitie mikrovolnovoi spektroskopii posle vtoroi mirovoi voiny otkrylo novye vozmozhnosti v oblasti tochnogo izmereniya vremeni posredstvom chastot, sootvetstvuyushih podhodyashim spektral'nym liniyam. Eti chastoty, kotorye mozhno bylo schitat' etalonami chastoty, priveli k idee ispol'zovat' kvantovyi generator v kachestve etalona vremeni.
Eto reshenie bylo istoricheskim povorotom v istorii hronometrii, poskol'ku ono oznachalo zamenu ranee deistvovavshei astronomicheskoi edinicy vremeni novoi kvantovoi edinicei vremeni. Eta novaya edinica vremeni byla vvedena kak period izlucheniya tochno opredelennyh perehodov mezhdu energeticheskimi urovnyami molekul nekotoryh special'no vybrannyh veshestv. Posle intensivnyh issledovanii etoi problemy v pervye poslevoennye gody udalos' postroit' pribor, rabotayushii na principe upravlyaemogo poglosheniya mikrovolnovoi energii v zhidkom ammiake pri ves'ma nizkih davleniyah. Odnako pervye opyty s priborom, osnashennym absorbcionnym elementom, ne dali ozhidaemyh rezul'tatov, poskol'ku rasshirenie absorbcionnoi linii, vyzyvaemoe vzaimnymi stolknoveniyami molekul, zatrudnyalo opredelenie chastoty samogo kvantovogo perehoda. Lish' metodom uzkogo puchka svobodno letyashih molekul ammiaka v SSSR A.M. Prohorov i N.G. Basov, a v SShA Tauns iz Kolumbiiskogo universiteta sumeli sushestvenno ponizit' veroyatnost' vzaimnyh stolknovenii molekul i prakticheski ustranit' rasshirenie spektral'noi linii. V etih obstoyatel'stvah molekuly ammiaka mogli uzhe igrat' rol' atomnogo generatora. Uzkii puchok molekul, vpushennyi cherez soplo v vakuumnoe prostranstvo, prohodit cherez neodnorodnoe elektrostaticheskoe pole, v kotorom proishodit razdelenie molekul. Molekuly v bolee vysokom kvantovom sostoyanii napravlyalis' na nastroennyi rezonator, gde oni vydelyayut elektromagnitnuyu energiyu s neizmennoi chastotoi 23 870 128 825 Gc. Eta chastota zatem sravnivaetsya s chastotoi kvarcevogo oscillyatora, vhodyashego v shemu atomnyh chasov. Na etom principe byl postroen pervyi kvantovyi generator – ammiachnyi mazer (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
N.G. Basov, A.M. Prohorov i Tauns poluchili v 1964 g. za eti raboty Nobelevskuyu premiyu po fizike.
Izucheniem stabil'nosti chastoty ammiachnyh mazerov zanimalis' takzhe uchenye Shveicarii, Yaponii, FRG, Velikobritanii, Francii i, ne v poslednyuyu ochered', Chehoslovakii. V period 1968 - 1979 gg. v Institute radiotehniki i elektroniki Chehoslovackoi Akademii nauk postroeno i pusheno v opytnuyu ekspluataciyu neskol'ko ammiachnyh mazerov, kotorye vypolnyali rol' chastotnyh etalonov dlya hraneniya tochnogo vremeni v atomnyh chasah chehoslovackogo proizvodstva. U nih byla dostignuta stabil'nost' chastoty poryadka 10 - 10, chto sootvetstvuet sutochnym izmeneniyam hoda v 20 millionnyh chastei sekundy.
V nastoyashee vremya atomnye standarty chastoty i vremeni ispol'zuyutsya v osnovnom dlya dvuh glavnyh celei – dlya izmereniya vremeni i dlya kalibrovki i kontrolya osnovnyh standartov chastoty. V oboih sluchayah sravnivayut chastotu generatora kvarcevyh chasov s chastotoi atomnogo standarta.
Pri izmerenii vremeni chastota atomnogo standarta i chastota generatora kristallicheskih chasov regulyarno sravnivayutsya, i po vyyavlennym otkloneniyam opredelyayut lineinuyu interpolyaciyu i srednyuyu popravku vremeni. Istinnoe vremya poluchaetsya togda iz summy pokazanii kvarcevyh chasov i etoi srednei popravki vremeni. Pri etom pogreshnost', voznikshaya vsledstvie interpolyacii, opredelyaetsya po harakteru stareniya kristalla kvarcevyh chasov.
Isklyuchitel'nye rezul'taty, dostignutye s atomnymi standartami vremeni, s pogreshnost'yu, ravnoi lish' 1 s za celuyu tysyachu let, byli prichinoi togo, chto na Trinadcatoi general'noi konferencii po meram i vesam, prohodivshei v Parizhe v oktyabre 1967 g., bylo dano novoe opredelenie edinicy vremeni – atomnoi sekunde, kotoraya opredelyalas' teper' kak 9 192 631 770 kolebanii izlucheniya atoma ceziya-133.
Kak my ukazali vyshe, pri starenii kristalla kvarca postepenno narastaet chastota kolebanii kvarcevogo oscillyatora i nepreryvno uvelichivaetsya raznica mezhdu chastotami kvarcevogo i atomnogo oscillyatora. Esli krivaya stareniya kristalla pravil'na, to dostatochno korrektirovat' kolebaniya kvarca lish' periodicheski, hotya by cherez intervaly v neskol'ko dnei. Takim obrazom, atomnyi oscillyator mozhet ne byt' postoyanno svyazan s sistemoi kvarcevyh chasov, chto ves'ma vygodno, poskol'ku ogranichivaetsya pronikanie meshayushih vliyanii v izmeritel'nuyu sistemu2.
Shveicarskie atomnye chasy s dvumya ammiachnymi molekulyarnymi oscillyatorami, demonstrirovavshiesya na Vsemirnoi vystavke v Bryussele v 1958 g., dostigli tochnosti v odnu stotysyachnuyu sekundy v sutki, chto prevyshaet tochnost' tochnyh mayatnikovyh chasov primerno v tysyachu raz. Eta tochnost' uzhe pozvolyaet izuchat' periodicheskie nestabil'nosti skorosti vrasheniya zemnoi osi. Grafik na ris. 39, kotoryi predstavlyaet soboi kak by izobrazhenie istoricheskogo razvitiya hronometricheskih priborov i sovershenstvovaniya metodov izmereniya vremeni, pokazyvaet, kak chut' li ne chudodeistvennym obrazom povysilas' za neskol'ko stoletii tochnost' izmereniya vremeni. Lish' za poslednie 300 let eta tochnost' uvelichilas' bolee chem v 100000 raz.
Ris. 39. Tochnost' hoda hronometricheskih priborov v period s 1930 do 1950 g.
Himik Robert Vil'gel'm Bunzen (1811 - 1899) pervym otkryl cezii, atomy kotorogo pri nadlezhashe vybrannyh usloviyah sposobny pogloshat' elektromagnitnoe izluchenie s chastotoi okolo 9192 MGc. Eto svoistvo ispol'zovali Shervud i Mak Kraken dlya sozdaniya pervogo cezievogo puchkovogo rezonatora. Na prakticheskoe ispol'zovanie cezievogo rezonatora dlya izmereniya chastot i vremeni napravil svoi usiliya vskore za etim L. Essen, rabotayushii v Nacional'noi fizicheskoi laboratorii v Anglii. V sotrudnichestve s astronomicheskoi gruppoi "Yunaited Steits Nevel Observatorii on uzhe v 1955 - 1958 gg. opredelil chastotu kvantovogo perehoda ceziya v 9 192 631 770 Gc i svyazal s deistvuyushim togda opredeleniem efemeridnoi sekundy, chto namnogo pozdnee, kak ukazano vyshe, privelo k ustanovleniyu novogo opredeleniya edinicy vremeni. Sleduyushie cezievye rezonatory byli skonstruirovany v Nacional'nom issledovatel'skom sovete Kanady v Ottave, v laboratorii "Suiss de Rechers Horlodzheres" v Nevshatele i dr. Pervyi kommercheskii tip atomnyh chasov promyshlennogo proizvodstva vypustila na rynok v 1956 g. pod nazvaniem "Atomihron" amerikanskaya firma "Neshnl Kompani Uolden" v Massachusetse.
Slozhnost' atomnyh chasov zastavlyaet predpolagat', chto primenenie atomnyh oscillyatorov vozmozhno lish' v oblasti laboratornogo izmereniya vremeni, vypolnyaemogo s pomosh'yu krupnyh izmeritel'nyh apparatov. V deistvitel'nosti tak i bylo do poslednego vremeni. Odnako miniatyurizaciya pronikla i v etu oblast'. Izvestnaya yaponskaya firma "Seiko-Hattori", proizvodyashaya slozhnye, hronografy s kristallicheskimi oscillyatorami, predlozhila pervye naruchnye atomnye chasy, izgotovlennye opyat'-taki v sotrudnichestve s amerikanskoi firmoi "Mak-Donnell Duglas Astronavtike Kompani". Eta firma proizvodit takzhe miniatyurnyi toplivnyi element, yavlyayushiisya energeticheskim istochnikom dlya upomyanutyh chasov. Elektricheskuyu energiyu v etom elemente razmerom 13 x 6,4 mm proizvodit radioizotop prometiya-147; srok sluzhby etogo elementa raven pyati godam. Korpus chasov, izgotovlennyi iz tantala i nerzhaveyushei stali, yavlyaetsya dostatochnoi zashitoi ot beta-luchei elementa, izluchaemyh v okruzhayushuyu sredu3.
Astronomicheskie izmereniya, izuchenie dvizheniya planet v kosmose i razlichnye radioastronomicheskie issledovaniya ne obhodyatsya teper' bez znaniya tochnogo vremeni. Tochnost', kotoraya v takih sluchayah trebuetsya ot kvarcevyh ili atomnyh chasov, kolebletsya v predelah millionnyh dolei sekundy. S rastushei tochnost'yu podavaemoi informacii o vremeni narastali problemy sinhronizacii hoda chasov. Kogda-to vpolne udovletvoryayushii vseh metod peredavaemyh po radio signalov vremeni na korotkih i dlinnyh volnah okazalsya nedostatochno tochnym dlya sinhronizacii dvuh nedaleko drug ot druga raspolozhennyh hronometricheskih priborov s tochnost'yu bol'shei, chem 0,001 s, a teper' i eta stepen' tochnosti uzhe neudovletvoritel'na.
Odno iz vozmozhnyh reshenii – perevozki vspomogatel'nyh chasov na mesto sravnitel'nyh izmerenii – dala miniatyurizaciya elektronnyh elementov. V nachale 60-h godov byli postroeny special'nye kvarcevye i atomnye chasy, kotorye mozhno bylo transportirovat' na samoletah. Ih mozhno bylo perevozit' mezhdu astronomicheskimi laboratoriyami, i pri etom oni davali informaciyu o vremeni s tochnost'yu odnoi millionnoi doli sekundy. Tak, naprimer, kogda v 1967 g. osushestvili mezhkontinental'nuyu perevozku miniatyurnyh cezievyh chasov, izgotovlennyh kaliforniiskoi firmoi "H'yulett-Pakkard", etot pribor proshel cherez 53 laboratorii mira (on byl i v ChSSR), i s ego pomosh'yu byl sinhronizirovan hod mestnyh chasov s tochnost'yu 0,1 mks (0,0000001 s).
Dlya mikrosekundnogo sravneniya vremeni mozhno ispol'zovat' i sputniki svyazi. V 1962 g. etot metod ispol'zovali Velikobritaniya i Soedinennye Shtaty Ameriki putem peredachi signala vremeni cherez sputnik "Telestar". Namnogo bolee blagopriyatnye rezul'taty pri men'shih zatratah dala, odnako, peredacha signalov s pomosh'yu televizionnoi tehniki.
Etot metod peredachi tochnogo vremeni i chastoty s pomosh'yu sinhroniziruyushih televizionnyh impul'sov byl razrabotan i razvit v chehoslovackih nauchnyh uchrezhdeniyah. Vspomogatel'nym nositelem informacii o vremeni tut yavlyayutsya sinhroniziruyushie videoimpul'sy, kotorye ni v kakoi stepeni ne narushayut peredachu televizionnoi programmy. Pri etom net nikakoi nadobnosti vvodit' v televizionnyi signal izobrazheniya kakie-libo dopolnitel'nye impul'sy.
Usloviem dlya ispol'zovaniya etogo metoda yavlyaetsya vozmozhnost' priema odnoi i toi zhe televizionnoi programmy v mestah nahozhdeniya sravnivaemyh chasov. Sravnivaemye chasy predvaritel'no reguliruyutsya do tochnosti v neskol'ko millisekund, a izmerenie dolzhno potom proizvodit'sya na vseh izmeritel'nyh postah odnovremenno. Krome togo, neobhodimo znat' raznicu vo vremeni, potrebnuyu dlya peredachi sinhroniziruyushih impul'sov ot sovmestnogo istochnika, kotorym yavlyaetsya televizionnyi sinhronizator, k priemnikam v meste nahozhdeniya sravnivaemyh chasov.
1 Eto nepravil'no, sovremennye kvarcevye chasy obespechivayut znachitel'no bolee vysokuyu tochnost', chem mayatnikovye – i kratkovremennuyu i dolgovremennuyu (v 100 raz i bolee). (Prim. nauch. red.)
2 V nastoyashee vremya shiroko ispol'zuyutsya rabochie etalony vremeni i chastoty seriinogo vypuska, nepreryvno deistvuyushie i obespechivayushie tochnost' poryadka menee odnoi millionnoi sekundy v sutki, tochnost' pervichnyh etalonov eshe v 100 raz vyshe. (Prim. nauch. red.)
3 Opisyvaemye naruchnye chasy s izotopnym elementom pitaniya yavlyayutsya obychnymi kvarcevymi chasami i ne imeyut nikakogo otnosheniya k atomnym chasam s kvantovymi generatorami. (Prim. nauch. red.)
<< Elektronnye naruchnye chasy s peredachei informacii o vremeni po radio | Oglavlenie | Bashennye chasy >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
istoriya astronomii - vremya - Chasy
Publikacii so slovami: istoriya astronomii - vremya - Chasy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
