Эталон единицы длины

В конце ХVIII в., в период введения метрической системы мер, Национальное собрание Франции приняло одну десятимиллионную часть четверти Парижского меридиана в качестве единицы длины – метра. В 1799 г., на основе геодезических измерений (триангуляций) части дуги меридиана от Дюнкерка до Барселоны экспедициями ученых во главе с Мешеном и Деламбром был изготовлен эталон метра в виде платиновой концевой меры, переданной на хранение в национальный Архив Франции и получившей название «метра Архива». Метр Архива представляет собой платиновую линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами, равным 1 м.

Повторные измерения длины дуги меридиана, выполненные в XIX в., показали, что длина принятого метра несколько короче подлинного «естественного» метра. Так как в дальнейшем, при более точных измерениях, вероятно, можно было получить различные значения основной единицы длины, Международная комиссия по прототипам метрической системы, созданная по инициативе Петербургской академии наук, в 1872 г. решила отказаться от естественного эталона метра и принять в качестве исходной меры длину метра Архива. В соответствии с решением этой комиссии был изготовлен 31 эталон метра в виде штриховой меры из сплава платины и иридия. Из них метр номер 6 оказался при 0 ⁰С равным метру Архива и был принят в качестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов были распределены между различными государствами.

Эталон метра представляет собой платиноиридиевый брусок длиной 102 см, имеющий в поперечном сечении форму X, как бы вписанную в воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм.

Платиноиридиевый эталон метра номер 28, полученный Россией в 1889 г., был в последующем утвержден в качестве государственного эталона. Единица длины – метр определяется расстоянием между осями двух средних штрихов, нанесенных на бруске, при 0 ⁰С. Хотя эталон был изготовлен из сплава иридия и платины, отличающегося значительной твердостью и устойчивостью к окислению, не было полной уверенности в том, что длина эталона с течением времени не изменится. Это объясняется тем, что металлические стержни, подвергшиеся ранее термической и механической обработке, получают внутренние упругие напряжения, которые вызывают медленные микрокристаллические изменения их структуры. При периодических сличениях национальных эталонов с международным прототипом нельзя обнаружить малых изменений их длины, т.к. все эталоны изготовлены из одного и того же сплава и, следовательно, претерпевают одни и те же изменения. Кроме того, штрихи, нанесенные на бруски, имеют некоторую ширину, что ограничивает погрешность сличения на уровне 10^–7 м.

Поэтому необходимо было ввести новый естественный эталон метра. В 1895 г. II Генеральная конференция по мерам и весам признала, что естественным носителем размера метра может являться длина волны монохроматического света. После изучения спектральных линий ряда элементов было найдено, что наибольшую точность воспроизведения единицы длины обеспечивает оранжевая линия изотопа криптона-86. ХI Генеральная конференция по мерам и весам (1960 г.) приняла выражение размера метра в следующем виде: «Метр – длина, равная 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀ и 5d₅ атома криптона–86». Как известно, квант световой энергии излучается или поглощается атомом при переходе из одного энергетического состояния в другое. Частота излучения (поглощения) пропорциональна разности энергий состояний

,

где и – уровни энергий; – постоянная Планка.

Если , происходит излучение электромагнитных волн, если – поглощение. При распространении излучения в вакууме со скоростью , длина волны монохроматического света равна

.

При исследовании спектров различных веществ было обнаружено, что элементы с четным номером в таблице Менделеева и четной атомной массой (т.н. четно–четные элементы) имеют линии спектра с простым контуром. Наиболее тонкие и симметричные линии излучения соответствуют переходу между вышеупомянутыми уровнями атома криптона-86. Метр в длинах световых волн воспроизводится интерференционным методом на специальной установке с помощью лампы, заполненной изотопом криптона-86.

С целью получения необходимых условий для излучения линии криптон заключают в капилляр и охлаждают жидким азотом до (50...60) К. Возбуждение атомов криптона производят путем пропускания через него электрического тока (напряжения порядка 1500 В). При этом капилляр, в котором происходит свечение возбужденных атомов, имеет оптический выход на интерференционный компаратор, с помощью которого определяется число длин волн, укладывающихся между штрихами меры (линейки), т.е. длина. Осуществление этого метода дало возможность снизить погрешность воспроизведения метра примерно до 4×10^–9 м. Однако и этой точности оказалось недостаточно для решения ряда научно–технических задач. Поиски лучшего эталона продолжались.

В 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла следующее определение метра: «Метр – единица длины, равная пути, проходимому в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды». При таком определении скорость света постулируется равной 299 292 458 м/с (точно), а метр определяется из соотношения , где – скорость света; с.

Данное определение принципиально отличается от определения 1960 г: новый метр опирается на эталон времени и известное значение скорости света (константу), что создает предпосылки для создания единого эталона времени–частоты–длины.

Нетрудно видеть, что для реализации эталона длины в соответствии с этим определением необходимо решить следующие задачи:

– создать высокостабильный (по частоте) источник светового излучения;

– измерить частоту этого излучения для определения длины его волны из соотношения ;

– передать размер единицы длины из диапазона длин световых волн (микрометры) в диапазон практического использования (вблизи метра).

Таким образом, классическая структура эталона единицы длины включает в себя эталонный источник колебаний в видимой области спектра; систему стабилизации и измерения частоты; систему передачи размера единицы длины от «волнового метра» к его материальным носителям – штриховым и концевым мерам, измерителям и преобразователям.

В состав эталонного источника излучения государственного первичного эталона России в соответствии с рекомендацией МБМВ входит группа лазеров, стабилизированных с использованием эффекта насыщенного поглощения в йоде-127 (длина волны =0,633 мкм, частота 473613,… ГГц). Данный групповой источник имеет нестабильность 7·10^-12, СКО =1,4·10^-11, НСП =5,5 кГц (10^-11).

Точное измерение частоты лазерного источника осуществляется с помощью упомянутого выше радиооптического частотного моста (РОЧМ), представляющего собой сложный измерительный комплекс, позволяющий измерить очень высокие частоты лазерного излучения относительно более низкой частоты (5 МГц) государственного эталона времени и частоты, с погрешностью, близкой к эталонной. Основу РОЧМ составляют умножители частоты, СВЧ генераторы, лазеры, нелинейные элементы, обеспечивающие преобразование и синтез частот, системы фазовой автоподстройки частоты.

Однако напрямую измерить с помощью РОЧМ частоту лазера (около 473 ТГц) – чрезвычайно сложная задача, которую решили лишь несколько стран (США, Англия, Франция). В России эти измерения провели на частоте лазера – 88 ТГц, в Украине – до 27 ТГц. Дальнейшие измерения (повышение измеряемой частоты) осуществляется с помощью интерференционных методов, осуществляющих сравнение длин волн лазеров. В России таким методом проведены измерения частоты лазера на =0,633 мкм путем определения отношений по измеренной напрямую частоте лазера.

Третья задача – передача размера единицы «волнового» метра от лазера к штриховым и концевым мерам длины осуществляется с помощью того же интерференционного метода путем подсчета числа полуволн , укладывающихся на измеряемой длине , где – дробная часть порядка интерференции (измеряется модуляционным методом).

Для осуществления этих измерений в составе эталонов России и Украины имеется специальный интерференционный компаратор с лазерным интерференционным рефрактометром.

Заметим, что для высокоточных измерений длины с помощью интерферометров необходимо обеспечивать стабильные параметры окружающей среды, с высокой точностью измерять температуру, влажность, учитывать показатель преломления среды и т.д. Все это требует создания специальных термостатированных помещений и достаточно сложного дополнительного оборудования. В эталонах единицы длины России и Украины вся соответствующая аппаратура размещена в специальной термобарокамере, а процесс измерения и обработки результатов автоматизирован.

Метрологические характеристики государственного первичного эталона единицы длины России:

- диапазон измерений, м (0...1,0);

- случайная погрешность (СКО) 2·10^-11;

- неисключенная систематическая погрешность 1,2·10^-11.

Эталон обеспечивает передачу размера единицы длины вещественным мерам длины, измерителям и преобразователям линейных перемещений в следующих поддиапазонах: (1·10^-3...1,0) м; (1·10^-6...1·10^-3) м; (5·10^-9...1·10^-6) м.

Аналогичные характеристики имеет государственный эталон Украины.

Как уже было сказано, принятие нового определения метра, привело к прямой связи единиц времени (частоты) и длины. Таким образом, в совокупности государственный эталон времени-частоты, система переноса частоты в оптический диапазон – РОЧМ, система стабилизированных лазеров и интерферометрический компаратор, формирующий и передающий размер метра его материальным носителям – штриховым и концевым мерам, составляют эталон единиц времени, частоты и длины. При этом в основе этого эталона лежат две константы: скорость света в вакууме и частота перехода атома цезия-133, числовые значения которых приняты по международному соглашению.

Особенностью этого эталона является то, что эталон времени и частоты и РОЧМ находится во ВНИИФТРИ (Московская область), а остальная аппаратура – во ВНИИМ им. Менделеева (г. С.-Петербург). Территориальная разобщенность этих институтов потребовала введения в состав эта­лона перевозимого лазера, длина волны которого устанавливается по выходному лазеру РОЧМ и используется для точного измерения длины волны лазера, входящего в состав интерферометра.