Эталон единицы времени и частоты
Бертран Рассел (1872 – 1970 – английский математик, физик и общественный деятель) сказал однажды: «Время – это очень простая вещь, пока Вы не попытаетесь объяснить, что это такое».
(Высота, длина, ширина - как все это ничтожно перед лицом времени. В.В. Бучарский)
(«Время проходит!» – привыкли вы говорить вследствие установившегося неверного понятия. Время вечно: проходите вы! Мориц-Готлиб Сафир)
(Время есть отношение бытия к небытию. Ф.М. Достоевский)
Некоторые физики-теоретики считают, что «наше время» родилось (мировые часы пошли) в момент Большого Взрыва. Все живое на Земле обладает чувством времени, подчиняется суточным и годовым ритмам. Ученые расходятся во мнениях, в каких структурах организмов расположены так называемые «биологические часы» и как они устроены, но мало кто сомневается в их существовании.
Еще в древности счет времени основывался на периоде обращения Земли вокруг своей оси. Первые часы были «нерукотворными» – звездное небо, которое являлось естественными ночными часами. Каждое созвездие или звезда появлялось над горизонтом или скрывалось за ним в определенное время. Точность этих часов была невелика, порядка нескольких минут, если не хуже, поскольку отсутствовали какие-либо приспособления для определения положений созвездий. Для измерений более длительных интервалов времени использовали фазы Луны. Лунный месяц лежал и лежит в основе многих календарей.
Самыми древними дневными часами были солнечные. Любой вертикально воткнутый в землю шест, любая колонна становились часами. Для этого было достаточно их «проградуировать» – отметить направление тени или положение ее конца в интересующие людей моменты времени. Солнечные часы делятся на три группы – с вертикальным указателем (гномоном) и горизонтальным циферблатом, с наклонным указателем (гномоном) и циферблатом (в соответствии с широтой места их нахождения) и с вертикальным циферблатом и горизонтальным указателем. Существуют переносные солнечные часы, учитывающие время года, часы с отсчетом времени по направлению тени и по месту ее конца.
Существенный вклад в совершенствование солнечных часов и методов их использования внес китайский астроном Цзу Чунчжи (около 460 г. н.э.), который с их помощью определил длительность тропического года (интервал между двумя весенними равноденствиями) более точно, чем греческие и арабские астрономы, и нашел его равным 365,24282 суток. Разница с современным значением 365,2422 суток всего 
%.
Основной недостаток солнечных часов – функционирование только в дневное время и только в солнечную погоду. Ощущалась необходимость в часах, которые могли бы функционировать круглосуточно, определять моменты времени, иными словами, хранить шкалу текущего времени. претендентами на эту роль выступили водяные часы. Первые их конструкции (III – II в. до н.э.) были примитивными, представляли собой сосуд с небольшим отверстием в дне. затем их конструкции стали быстро совершенствоваться. Сначала, чтобы компенсировать уменьшение скорости вытекания воды при уменьшении высоты ее столба в сосуде (клепсидре), его стали делать коническим. Это позволило на его стенке (прозрачной) наносить практически равномерную шкалу интервалов времени. конструкции водяных часов усложнялись в связи с тем, что в течение многих веков сутки делили на день и ночь, а их, в свою очередь, на 12 дневных и 12 ночных часов. Поэтому длительность часа не была постоянной, а менялась в течение года, причем в противоположном направлении для дневных и ночных часов. Длительность дневного и ночного часа совпадала только в дни равноденствия. И все эти тонкости и сложности приходилось учитывать. В одном из вариантов внутрь конусной клепсидры вставлялся соосно другой конус, глубина погружения которого ежемесячно менялась, изменяя таким образом рабочий объем основной клепсидры.
Существовали водяные часы с циферблатом и стрелкой, похожие на современные. Гирей служил поплавок, помещенный в клепсидру. Вода вытекала, поплавок опускался, вращая через систему блоков стрелку. Изготавливались, в основном в арабских государствах, и еще более сложные часы.
Несколько особняком в истории средств измерений интервалов времени стоят песочные часы. Их изобретение приписывается Луктпиранду, жившему в VIII веке н.э. Эти часы, во-первых, не имеют отсчетных устройств, во вторых практически отсутствуют пути их совершенствования. Они пригодны лишь для измерения фиксированных (причем небольших) интервалов времени. Определять с их помощью моменты времени принципиаьно невозможно. Их преимущества – простота, надежность, дешевизна, поэтому они нашли некоторое применение в быту, в медицине (для контроля за длительностью процедур). Пожалуй, полчаса – это наибольший интервал времени, реализуемый песочными часами. С точки зрения метрологии, песочные часы – тупиковая ветвь. По сути, это не часы, а таймеры, отмеряющие фиксированные интервалы времени.
Следующий период совершенствования средств измерений времени связан с механическими часами. Первые такие часы с гирями и балансиром появились примерно в XII веке. Это были довольно громоздкие конструкции. Чаще всего их устанавливали на башнях дворцов, крепостей и замков. В Европе первые такие часы были установлены в Лондоне, в башне Вестминстерского аббатства, над зданием парламента. Это событие произошло в царствование Эдурда Первого (1272 – 1307 гг.). Первые башенные часы на Руси появились в 1404 году на дворе великого князя Василия, сына Дмитрия Донского, дворец которого находился почти на том же месте, где сегодня стоит Большой Кремлевский дворец. Это были вторые часы в Европе, изготовил их монах Лазарь Сервин. В летописях сохранились записи о том, что каждый час молот ударял в колокол, ведя счет дневным и ночным часам. Спустя десятилетия часы появились в других городах Руси. Точность таких часов была также невелика, они, как правило, имели только одну часовую стрелку. Интересно, что у всех механических часов (до нашего времени) стрелки движутся в том же направлении, в котором движется по небу Солнце для наблюдателя, находящегося в северном полушарии Земли. Это убедительное доказательство того, что часы со стрелками впервые появились именно в северном полушарии.
Решительный шаг к повышению точности измерений времени был сделан с появлением маятниковых часов. Их рождение обязано трудам двух великих ученых – Галилео Галилея (1564 – 1642 гг.) и Христиана Гюйгенса (1629 – 1695 гг.). Галилей впервые обратил внимание на то, что период колебаний маятника почти (или совсем) не зависит от амплитуды его колебаний (то есть маятник обладает свойством изохронности). Гюйгенс обосновал применение маятника для стабилизации хода часов и создал первые работоспособные маятниковые часы. Он же указал на возможность применения вместо маятника упругой спирали, открыв таким образом путь к созданию точных переносных часов. Конец XVII-го и первая половина XVIII-го веков – время быстрого совершенствования механических часов. Совершенствовались сами маятники, в частности, разрабатывались различные схемы термокомпенсации (уменьшения изменений длины и периода колебаний при изменениях окружающей температуры), совершенствовались подвесы, обеспечивая все большую изохронность колебаний, совершенствовались «спуски» (или «ходы») – устройства, соединяющие маятник с остальным механизмом часов, преобразующие непрерывное вращательное движение в колебательное или возвратно-поступательное движение и обеспечивающие равномерное расходование энергии, запасенной в пружине или гире.
В 1675 г. английский часовщик У. Клемент (по другим данным в 1660г. Роберт Гук) разрабатывает прототип анкерного спуска. Томас Томпион в 1695 году разработал спуск без отхода, который, несмотря на несовершенство конструкции, широко использовался в часовом деле вплоть до начала XIX века. Его версией был цилиндрический спуск, усовершенствованный Джорджем Грагамом в 1725 году. Устройство облегчило создание плоских часов, но требовало очень большой осторожности при изготовлении. Потом, в 1748 году, появился свободный спуск Пьера Леруа. Швейцарский спуск был разработан Томасом Мюджем в 1759 году, но его было так трудно настраивать, что сам мастер от него отказался. Только в следующем веке этот спуск был доведен и адаптирован к качественным часам усилиями Жоржа Лешо. То был период активных технологических изысканий, важной частью которых были исследования в области часового дела, поразившие воображение очень многих людей. К ним, в частности, относился и будущий автор "Женитьбы Фигаро" Бомарше, который в 1752 году представил "двойной штриховой спуск". Робер Робэн (1742-1809), бывший часовщик короля Людовика XVI, был человеком своего времени и в 1791 году представил спуск, созданный на основе швейцарского и хронометрового спусков.
Эта необычная изобретательная комбинация позволяла использовать преимущества обоих устройств – эффективность хронометрового и надежность швейцарского спусков. Однако, несмотря на эти достоинства, «спуск прямого действия» Робэна не стали использовать – устройство имело огромный дефект. Геометрия спуска делала его чрезвычайно чувствительным к ударам и встряске. Кроме того, он был очень сложен в производстве, поскольку требовал такой точности изготовления отдельных частей, которая в то время была технически невозможна. Поэтому спуск Робэна вместе со многими другими был отправлен в архив, и началось безраздельное господство швейцарского спуска. Часовщики тем не менее не прекращали попыток улучшить точность, надежность и прочность часов. Исследования активизировались в середине 80-х годов XX века, когда началось возрождение культа механических часов. Работа шла в двух направлениях. Первое заключалось в усовершенствовании швейцарского спуска, особенно в плане материалов (например, стали использовать силикон), смазки (улучшилось качество масел) и геометрии (например, профиля зубцов). Второе – эволюция самого спуска, которая привела бы к появлению новых механизмов. Это был малоизведанный путь, поскольку единственной инновацией до тех пор считался коаксиальный спуск, разработанный Джорджем Дэниелсом в 1988 году и принятый маркой Omega, которая снабдила этой системой большинство своих часов.
В 1715 году Джорджем Грахамом изобретен ртутный маятник. В 1726 г. Джон Гаррисон применяет маятник со стержневой компенсацией, а немного позже для переносных часов конструирует разрезной латунно-стальной баланс, дошедший до наших дней. В 1890-х годах Рифлером изобретены ртутный маятник и компенсационный инварный маятник (1897 год).
На дальнейшее совершенствование переносных пружинных часов с балансом большое влияние оказала учрежденная английским парламентом в 1714 г. премия «за перевозку времени». Это было связано с необходимостью точно, быстро и сравнительно просто определять долготу места нахождения неподвижного или подвижного объекта (например, корабля).
До недавнего времени секунду определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток, т.е. эталоном времени являлась «вращающаяся вокруг своей оси Земля». Позднее было обнаружено, что вращение Земли вокруг своей оси происходит неравномерно. Относительная погрешность определения единицы времени в соответствии с этим определением составляла около 10–7, что было недостаточно для ряда практических применений и научных исследований. Поэтому в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца – тропический год. Размер секунды был определен как 1/31556925,9744 часть тропического года. Поскольку тропический год также изменяется (около 5 с за 1000 лет), то за основу был взят тропический год, отнесенный к 12 ч эфемеридного времени (равномерно текущее время, определяемое астрономическим путем) 0 января 1900 года, что соответствует 12 ч 31 декабря 1899 г. Это определение секунды было зафиксировано в Международной системе единиц 1960 г. Данное определение позволило на 3 порядка (в 1000 раз) снизить погрешность определения единицы времени, а эталоном времени стала «Земля, вращающаяся вокруг Солнца».
Нетрудно видеть, что при такой формулировке секунда приобрела достаточную определенность, точность, однако утратила воспроизводимость (т.к. была привязана к определенному году) и не стала более доступной. Поэтому поиски наилучшего эталона времени, а также конструкции часов, с помощью которых можно было бы хранить единицу и шкалу времени, продолжались.
В конце XIX – начале XX вв. получили распространение часы Рифлера, изменение суточного хода которых не превышало ±0,01 с. В часах Рифлера впервые был применен свободный спуск маятника. Появившиеся в 1910 г. часы Шорта имели два маятника – основной (свободный), размещенный в стеклянном цилиндре, в котором давление воздуха поддерживается на уровне 20 мм ртутного столба, и синхронизированный с ним с помощью электрической схемы рабочий, приводящий в движение механизм часов и вырабатывающий импульсы для поддержания колебаний основного маятника. Основной маятник обычно устанавливали в термостатированном подвале, рабочий – в месте, удобном для наблюдения за ним. Погрешность часов Шорта не превышала (2…4)·10-8, то есть(0,002…0,003) с за сутки.
Следующий (и, очевидно, последний) шаг на пути совершенствования маятниковых часов сделал в 1952 г. Феодосий Михайлович Федченко (позднее сотрудник ВНИИФТРИ), предложивший наилучшую конструкция изохронного подвеса. Наиболее совершенная модель часов Федченко, созданная в 1965 г., имела среднюю квадратическую суточная вариация хода порядка 2·10-9. это и на сегодня рекордные данные для механических часов, но часам Федченко не суждено было стать сердцем эталона времени – они появились слишком поздно. В сороковых годах прошлого столетия началась эпоха кварцевых часов, точнее радиотехнических генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.
В отличие от маятниковых, ход кварцевых часов не зависит от значения ускорения силы тяжести в месте их нахождения. Их можно перевозить в рабочем состоянии, устанавливать на подвижных объектах. Вариации суточного хода у них на (2…3) порядка меньше, чем у маятниковых часов. Наконец, они одновременно являются источниками сетки высокостабильных частот и позволяют создавать эталоны времени и частоты.
В 1927 году Маррисоном и Хорстоном (США) были разработаны первые кварцевые часы. В наиболее совершенных конструкциях этих часов (генераторов) к концу шестидесятых годов была достигнута относительная суточная нестабильность порядка 5·10–12. однако кварцевым генераторам присущ существенный и практически неустранимый недостаток. Из-за процессов старения как элементов схемы, так и в особенности самого кварцевого резонатора, у них наблюдается постоянны уход частоты, который даже у самых лучших конструкций достигает 3·10–12 за сутки. Поэтому кварцевые часы необходимо периодически корректировать по результатам астролномических наблюдений или квантовым часам. Трудно также изготовить кварцевый резонатор на определенное (удобное для дальнейших манипуляций) значение частоты, а любые подстроечные элементы неизбежно снижают добротность колебательной системы генератора и стабильность его частоты. Появилась насущная проблема в устройствах, генерирующих стабильные и заранее известные значения частот.
К настоящему прорыву в создании эталона времени привели успехи атомной и квантовой физики, которые позволили использовать частоту излучения или поглощения молекулами и атомами при энергетических переходах для определения размера единицы времени.
Первым шагом (1953 г.) в этом направлении было использование электромагнитного излучения молекул и создание молекулярных аммиачных часов, у которых практически отсутствовал систематический уход частоты, кратковременная нестабильность частоты не превышала 1·10–12 (для лучших образцов). Однако они не могли работать длительное время (хранить шкалу текущего времени), а относительная вариация частоты от включения к включению в лучшем случае лежала в пределах (1…5)·10–11, что ограничивало их применение. Была установлена причина, ограничивающая возможности молекулярного генератора – хаотичное тепловое движение частиц газа (так называемый продольный эффект Доплера). Дальнейшие исследования позволили в значительной мере преодолеть влияние этого эффекта.
Некоторое распространение получили рубидиевые генераторы. Их относительная суточная нестабильность не превышала 1·10–11 при систематическом суточном уходе частоты не более 1·10–12.
В начале шестидесятых годов группа ученых из NBS, США (ныне NIST) создала квантовый генератор на основе цезия, в котором удалось почти полностью избежать продольного эффекта Доплера. В первых моделях цезиевого генератора нестабильность составила около 1·10–12, но в дальнейшем ее удалось существенно снизить. Лучшие современные цезиевые генераторы (стандарты частоты) имеют нестабильность на уровне 10–14 при воспроизводимости частоты порядка 5·10–14.
Примерно в эти же годы были созданы первые водородные квантовые стандарты, которые сегодня, после серии усовершенствований по ряду параметров, не уступают цезиевому, в частности, по стабильности. Считается, что цезиевые генераторы превосходят все другие по воспроизводимости, определяющей систематическую погрешность эталона, а водородные являются наилучшими по стабильности. Именно поэтому сегодня определение и воспроизведение единицы времени осуществляется через период излучения атомов цезия, а ее хранение реализуется с использованием водородных генераторов.
XIII Генеральная конференция по мерам и весам в 1967 г. приняла новое определение единицы времени – секунды: «Секунда – это время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия–133». Выбор количества колебаний произведен таким образом, чтобы привязать «цезиевую» секунду к «тропической».
В соответствии с определением единицы времени воспроизведение ее осуществляется цезиевым репером.
Сущность работы репера заключается в стабилизации частоты кварцевого генератора по частоте излучения атомов цезия. Основой эталона является атомно–лучевая трубка. Атомы цезия–133 испускаются нагретым до температуры 100–150 0С источником – цезиевой печью. Пучок этих атомов попадает в область неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом. Угол отклонения атомов в таком магнитном поле определяется их магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное поле позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определенном энергетическом уровне. Эти атомы направляются в объемный резонатор, пролетая через который взаимодействуют с переменным электромагнитным полем СВЧ. Частота электромагнитных колебаний может регулироваться в небольших пределах.
При совпадении частоты электромагнитного поля с частотой квантовых переходов происходит поглощение энергии СВЧ–поля, и атомы переходят в основное состояние. В магнитной системе осуществляется вторичная сепарация, в результате чего атомы, находящиеся в соответствующем состоянии направляются в детектор. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Это служит основой стабилизации частоты в цезиевом репере, в котором электромагнитные колебания кварцевого генератора (обычно 5 Мгц) умножаются до частоты спектральной линии цезия, принятой за рабочую.
Системы с использованием атомно–лучевой трубки на цезии обычно строятся по пассивной схеме, когда КСЧ играет роль квантового дискриминатора, т.е. энергия СВЧ колебаний поглощается атомами цезия.
При отклонении частоты кварцевого генератора от номинального значения интенсивность переходов атомов и, следовательно, плотность атомного пучка на выходе трубки резко сокращается. Блок автоподстройки, связанный с трубкой, вырабатывает сигнал ошибки, возвращающий частоту кварцевого генератора к номинальному значению. Делитель частоты, находящийся в кварцевых часах, позволяет получить на их выходе требуемые частоты и временные интервалы (в том числе и частоту 1 Гц).
Воспроизведение единиц времени и частоты с помощью метрологического цезиевого репера классического пучкового типа (ВНИИФТРИ) осуществляется с НСП около 3∙10–14.
Отметим, что в последние годы создан цезиевый репер новой конструкции, получивший название «цезиевого фонтана», уже работающий в настоящее время в эталонах Франции, США, Германии, Канады, Японии и Южной Кореи (на очереди Россия). Свое название он получил потому, что охлажденные до температуры около 1 мкК атомы цезия в определенном квантовом состоянии запускаются вверх в вакууме, а затем, под действием силы тяжести опускаются вниз и в баллистическом полете проходят через резонатор, где взаимодействуют с магнитным полем, под действием которого переходят в другое состояние. По данным зарубежной прессы он позволяет снизить нестабильность частоты до нескольких единиц пятнадцатого знака за счет снижения практически до нуля тепловых скоростей атомов. Работы по «цезиевому фонтану» ведутся и в России.
Как уже было сказано, роль основного хранителя единиц времени и частоты играет водородный генератор. В баллоне под действием высокочастотного электрического разряда происходит диссоциация молекул водорода. Пучок атомов водорода через коллиматор, обеспечивающий его направленность, попадает в неоднородное магнитное поле многополюсного осевого магнита, где претерпевает пространственную сортировку (сепарацию). В результате последней на вход накопительной ячейки, расположенной в объемном резонаторе, попадают лишь атомы водорода, находящиеся на нужном энергетическом уровне. Находящийся внутри многослойного экрана высокодобротный резонатор настроен на частоту используемого квантового перехода. Взаимодействие возбужденных атомов с высокочастотным полем резонатора (в течение примерно 1 с) приводит к их переходу на нижний энергетический уровень с одновременным излучением квантов энергии на резонансной частоте 1420405751,8 Гц. Это вызывает самовозбуждение генератора, частота которого отличается высокой стабильностью.
Водородный стандарт частоты обычно является активным устройством, т.е. играет роль квантового генератора, по частоте которого через систему синтеза частот и фазовой автоподстройки частоты подстраивается частота кварцевого генератора.
В состав первичного эталона времени и частоты развитых стран обычно входят ряд систем, обеспечивающих выполнение его основных функций:
– аппаратура воспроизведения и хранения единиц времени и частоты, основными элементами которой является цезиевый репер и водородные стандарты частоты;
– аппаратура формирования и хранения шкал атомного и координированного времени;
– система внутренних сличений для проведения взаимных сличений частот и сигналов времени различных хранителей и проведения их корректировки (фазовые и частотные компараторы, измерители характеристик сигналов и др.);
– система внешних сличений, обеспечивающая передачу размеров единиц и шкалы времени вторичным и рабочим эталонам, а также сличение национальной шкалы со шкалами времени других стран. Это могут быть специальные устройства для сличения с помощью навигационных систем, телевизионная аппаратура, радиометеорная система, аппаратура фазовых сличений, перевозимые квантовые часы.
Кроме того, в состав первичных эталонов некоторых стран (в том числе, России) входит комплекс аппаратуры радиооптического частотного моста (РОЧМ), представляющий собой систему переноса стабильных частот из радиочастотного в оптический диапазон.