Толковый словарь по темпорологии
Copyright © 2001
All rights reserved.


Энциклопедия времени

ЕДИНЫЙ ЭТАЛОН ВРЕМЕНИ-ЧАСТОТЫ-ДЛИНЫ (ВЧД).

–  Единый эталон95 времени-частоты-длины, введенный в действие как государственный в 1992 году, представляет собой сложную техническую систему и состоит из двух частей - Государственного первичного эталона времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ) и Государственного первичного эталона длины – метр. Первая часть Единого эталона ВЧД, содержащая ГЭВЧ и радиочастотный мост (РОЧМ), необходимый для перевода радиочастот цезиевых атомных часов в оптические частоты лазеров, находится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ); вторая часть, состоящая из аппаратуры, реализующей Государственный первичный эталон длины – метр, - во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии (ВНИИМ) им. Д.И. Менделеева.

Государственный первичный эталон времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ) предназначен для воспроизведения и хранения:

  1. единицы времени – «атомной» секунды (с);
  2. единицы частоты – герца (Гц);
  3. шкалы атомного времени  - ТА;
  4. шкалы координированного времени – UTC.

Воспроизведение единиц времени и частоты (секунды и герца) производится со средним квадратическим отклонением, не превышающим 5*10-14, при неисключенной составляющей систематической погрешности менее 10-14 . Такая точность воспроизведения единиц времени и частоты необходима для решения многих научных и практических задач: осуществления дистанционного управления маневрами космических аппаратов вблизи далеких планет Солнечной системы, достижения высокой точности систем спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, развития нанотехнологий,  роботизированных технических систем и др.

Перед отечественной метрологией стоит задача дальнейшего повышения точности воспроизведения единиц времени и частоты, т.к. здесь имеется определённое отставание от мировых уровней96.

1. История системной единицы времени - секунды

Первые системы единиц измеряемых величин возникли в Древнем Вавилоне и Древнем Египте и представляли собой не столько системы единиц, сколько системы мер используемых единиц, т.е. тех естественных или искусственных материальных образцов, которые определяют единицу измеряемой величины. Таким мерами были гири определенных достоинств, специально изготовленные тары определенного объема для сыпучих и жидких веществ, части тела человека, имеющие примерно одинаковые линейные размеры и т.п. Общепринятые единицы измерения времени, такие как год, месяц, сутки (день и ночь) хотя объективно имели свои меры в виде вращающейся вокруг своей оси Земли и обращающихся вокруг общих центром масс космических систем Солнце-Земля и Земля-Луна, но это были такие меры, которые не поддавались контролю со стороны государственных чиновников, да к тому же во времена Древних цивилизаций еще не были достаточно хорошо изучены. Что касается более мелких единиц времени, то они были весьма неопределенны и не имели своих мер. В первой научно обоснованной системе единиц физических величин, разработанной научной комиссией Академии наук революционной Франции также еще не было единицы времени.

Впервые единица длительности – секунда – появилась в разработанной Ф. Гауссом в 1832 году системе СГС – сантиметр – грамм – секунда, как третья основная единица системы. И хотя секунда в это время еще не имела меры, уже существовала и добилась значительных успехов созданная в 1676 г. Гринвичская астрономическая обсерватория специально предназначенная для определения и хранения точного времени.

Возможность придать секунде определенную меру возникла в 1929 году, когда Национальное бюро стандартов США начало использовать кварцевые часы. Мерой секунда могло стать определенное число колебаний кварцевого осциллятора, но секунда не была переопределена и ее величина осталась связанной с длительностью суток.

Впервые стабильная мера длительности, позволившая придать секунде определенную меру, возникла с изобретением атомных часов. Такой мерой, по определению Международного комитета по мерам и весам (1967 г.), стала длительность 9 102 631 770 переходов между двумя сверхтонкими  уровнями основного состояния атома цезия-133.

2. История системной единицы длины - метра

Единица длины – метр – впервые появилась во Франции в период Великой французской революции. Специальная комиссия Французской академии наук решила связать единицу длины с естественной мерой -  одной десятимиллионной долей четверти Парижского меридиана и назвать эту единицу «подлинным и окончательным метром» (metre vrai et definitive). С целью получения этой единицы длины были проведены измерения длины дуги Парижского меридиана  между Дюнкерком и Барселоной; на основе полученных результатов изготовили образец метра в виде платиновой линейки шириной около 25 мм и толщиной в 4 мм. Эта мера была сдана в архив Французской республики и стала называться «архивным метром». Но по мере повышения точности геодезических и астрономических измерений выяснилось, что длина одной десятимиллионной доли четверти меридиана не остается постоянной величиной. Поэтому «архивный метр» довольно быстро потерял достоинство естественной меры длины и стал рассматриваться как искусственный стандарт единицы длины. Тем не менее «архивный метр» почти столетие прослужил в качестве международного стандарта длины.

В конце XIX столетия решили уточнить этот стандарт. С этой целью было изготовлено 31 эталонов в виде стержней из платино-иридиевого сплава с Х-образным сечением с двумя штрихами, нанесенными при помощи «архивного метра». Наиболее точное соответствие «архивному метру» (в пределах точности измерения) показал эталон № 6 при 0° С и в 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам его и приняли в качестве прототипа метра. Он хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре (близ Парижа). Из оставшихся 30 эталонов 28 были распределены по жребию между странами, участвовавшими в конференции 1889 года, а два оставлены как «эталон-копия» и «эталон-свидетель». Россия получила два эталона метра: № 11 и № 28. Последний декретом Совнаркома в 1918 году был узаконен в качестве государственного эталона или прототипа метра для СССР. Он хранится (до сих пор) во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и используется только для сравнения с ним вторичных эталонов или эталонов-копий.

С развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр в длине световых волн и в 1927 г. VII Генеральная конференция по мерам и весам постановила считать, что 1 метр равен длине 1 553 164,13 волн красной линии кадмия при определенных условиях (температуре, давлении и т.д.). К 30-м годам ХХ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов на эталоне метра и его копиях. В 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам  приняла новое определение метра: он стал равен длине 1 650 763,73 волн излучения в вакууме, соответствующей оранжевой линии изотопа криптона с атомным весом 86 (86Kr). Эта линия намного уже, чем линия кадмия. Новое определение метра повысило точность эталона в 100 раз. Однако она в относительной мере на четыре порядка ниже точности, достигнутой в эталонах времени. Это, в частности, ограничивало точность измерения скорости света, поскольку скорость света определялась измерением времени распространения света на базисе известной длины, поэтому точность измерения лимитировалась точностью криптонового эталона длины, а не точностью измерения времени.

Путь к повышению точности измерения длины открыло использование изобретённых в 1960-м году лазеров.

Обнаружилось, что газовый лазер на смеси гелия и неона (Не-Nе) может генерировать чрезвычайно узкие спектральные линии (так называемые продольные моды ) — гораздо ýже, чем у криптонового стандарта. Однако частóты этих линий могут «плавать», меняться неконтролируемым образом (например, вследствие изменения длины резонатора). Поэтому, чтобы получить источник света намного лучший, чем криптоновая лампа, необходимо стабилизировать частоту лазерного излучения. Такой стабилизации достигли использованием молекулярных линий поглощения некоторых газов, у которых частота одной из линий поглощения близка к частоте излучения лазера. Например, гелий-неоновый лазер может генерировать на трёх длинах волн: 0,63, 1,15 и 3,39 мкм; при этом линии с длиной волны 0,63 мкм весьма точно соответствует линия поглощения молекулы паров йода J2, а линии с длиной волны 3,39 мкм — линия поглощения молекулы метана СН4. Ячейку с поглощающим газом помещают внутрь резонатора лазера. Если изменять длину резонатора, настраивая лазерную частоту на центр спектральной линии поглощающего газа, в излучении лазера появляется резонансный пик с предельно узкой шириной спектра. Это состояние непрерывно поддерживает система автоподстройки длины резонатора. Лазеры на Не-Nе/J2127 и особенно Не-Ne/CH4 обеспечивают генерацию очень узких линий излучения со стабильностью частоты того же порядка, что и в стандартах времени. Естественно, возникла мысль об использовании стабилизированных лазеров в качестве стандартов длины вместо криптонового эталона. Этому способствовало ещё одно обстоятельство.

В начале 1970-х годов в США, Англии и СССР были выполнены эксперименты по уточнению скорости света в вакууме с, основанные на независимом измерении частоты ν и длины волны λ высокостабильного лазера (произведение νλ равно с). Обработка результатов этих экспериментов дала значение с = 299 792 458 ± 1,2 м/с с относительной погрешностью 4.10-9. До этих экспериментов она была равна 3.10-7, то есть измерения скорости света с использованием стабилизированных лазеров повысили точность примерно на два порядка. Но дальнейшее уточнение значения с было невозможно, так как величина 4.10-9 практически целиком обусловлена недостаточной точностью криптонового эталона длины, сравнением с которым вычислялась длина волны λ. Выход из этого положения оказался довольно неожиданным и оригинальным. Было решено: не будем стремиться уточнять с, а примем полученное значение 299 792 458 м/с за мировую константу. Поскольку скорость связывает расстояние и время, это позволило дать новое определение метра — через единицу времени. И в 1983 году на XVII Генеральной конференции по мерам и весам постановили: «Метр — это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды».

3. Разработка единого эталона времени-частоты-длины

Приведенное выше определение метра полностью отменяет криптоновый эталон длины и вообще делает метр не зависящим ни от какого источника света. Но зато придаёт ему зависимость от размера секунды, а значит, и герца — единицы частоты. Так впервые была установлена связь между длиной, временем и частотой. Эта связь привела к идее о создании единого эталона времени — частоты — длины (ВЧД), основанного на соотношении λ = с/ν, где λ — длина волны излучения стабилизированного лазера, ν — его частота. Плодотворность этой идеи в том, что частоту можно измерить с погрешностью, обеспеченной современным эталоном частоты (скажем, 10-13 и менее). А так как значение с фиксировано, то и значение λ будет определено с той же погрешностью, что по крайней мере на четыре порядка точнее, чем при использовании прежнего криптонового эталона длины.

Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, — цезиевый генератор, частота которого  лежит в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением с эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты в оптический диапазон, то есть умножить её до оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину и неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор с удобным значением частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты и сам по себе служить эталоном не может. Необходимо стабилизировать его частоту по цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.

Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора fкв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона fэт. Подбором конкретных значений n и fкв разностную частоту (fэт — nfкв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (fэт — nfкв) = fкв.

Сигнал разностной частоты (fэт — nfкв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты fкв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты fкв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (fэт — nfкв) и fкв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.

Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 1014 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне — оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.

Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц — единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) — задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.

В последнее время найдена более перспективная возможность создания единого эталона ВЧД, связанная с разработкой фемтосекундных «оптических часов», способных служить также «оптическим метром» («Наука и жизнь» № 9, 2003 г.). При этом отпадает необходимость в цепочке передачи благодаря генерированию высокостабильной «оптической гребёнки» в чрезвычайно широком диапазоне спектра. Такая гребёнка, воспринимаемая как белый свет, возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера на сапфире с титаном через оптическое волокно со специально созданной микроструктурой. Подробности о такого рода разработках можно найти в нобелевской лекции Дж. Холла, опубликованной на русском языке под названием «Определение и измерение оптических частот: перспективы оптических часов — и не только» (УФН, 2006, № 12).

Кроме того, была найдена возможность повышения точности цезиевого эталона времени. Ещё в 1997 году Международное бюро мер и весов подчеркнуло, что в определении атомной секунды фигурирует атом цезия, который покоится при температуре абсолютного нуля (по шкале Кельвина). В новейших модификациях цезиевых часов (которые называют фонтанными) это условие почти идеально достигается путём лазерного охлаждения атомов. С использованием такого метода в американском Национальном институте стандартов и технологии (NIST) были построены эталонные цезиевые часы, обеспечивающие относительную точность воспроизведения единицы времени — секунды — порядка 3.10-16 (уход часов составляет 1 секунду за 70 миллионов лет). Но ещё более перспективны стандарты частоты, основанные на переходах в ионах ртути, иттербия или стронция, излучающие не в микроволновом, а в оптическом диапазоне. Точность отдельных лабораторных разработок таких оптических часов уже сейчас достигает 2.10-15, а в принципе они могут обеспечить точность воспроизведения единиц времени и частоты на уровне 10-17—10-18. К такой точности вплотную подошли японские исследователи. В экспериментальном образце стронциевых оптических часов, разработанном в Токийском университете группой Хидетоси Катори, ионы стронция находятся в оптической ловушке на перекрестье шести лазерных лучей, под воздействием которых они удерживаются в «энергетических ямах», почти не взаимодействуя и излучая свет исключительно стабильной частоты. Точность стронциевых часов в тысячу раз превосходит точность цезиевых, используемых сегодня в качестве эталона времени и частоты. Предполагают, что вскоре эталон будет заменён и применение таких сверхточных оптических часов позволит соответственно увеличить точность единого эталона времени — частоты — длины.

Использованная литература: Голубев А. В погоне за точностью… частоты-длины//Наука и жизнь. 2009. № 12.

Ильгиз А. Хасанов

95              Эталон (франц etalon – образец, мерило) – измерительное устройство, предназначенное и утвержденное  для воспроизведения и/или хранения и передачи шкалы измерений или размера единицы измерений средствам измерений. Эталоны призваны обеспечивать единство измерений в той или иной области науки, а также в других областях деятельности человека.

96             Так, в американском Национальном институте стандартов и технологий (NIST) путем охлаждения атомов цезия практически до абсолютного нуля (по шкале Кельвина) достигли точности воспроизведения секунды порядка 3*10-16, что равносильно накоплению ошибки воспроизведения в 1 с за 70 млн. лет; в Японии созданы стронциевые часы, точность которых в тысячу раз выше точности цезиевых часов; в США, Германии и некоторых других странах ведутся работы по созданию ядерных часов, которые будут давать погрешность порядка одной десятой секунды за 14  миллиардов лет. Подобная сверхвысокая точность воспроизведения единицы времени - секунды - необходима для решения таких проблем, как проблема стабильности или изменчивости мировых констант и законов физики (см.: http://www.lenta.ru/articles/2012/03/15/clocks/).