Часы. От гномона до атомных часов - Станислав Михаль

В чехословацких магазинах кристаллические наручные часы впервые появились в начале 1976 г. Первыми из них были часы «Мондейн Диджи Кварц» (ЛЭД), затем последовали часы «Цертина Диджи Кварц» (ЛСД) (рис. 38а) и «Рондо Кварц» (рис. 38б) с классическим циферблатом с указанием даты, с центральной секундной стрелкой. Все эти часы швейцарского производства работают с точностью ±1 с/сутки.

Человеческая фантазия, стимулируемая коммерческими интересами производителей и острой конкурентной борьбой на мировых рынках, вынуждает конструкторов разрабатывать все более сложные приборы многоцелевого назначения. Эти обстоятельства привели в последнее время и к производству кварцевых наручных часов, сочетающихся с другими измерительными приборами или с электронной миниатюрной вычислительной машиной, со сложными интегральными схемами, заменяющими работу нескольких тысяч транзисторов.

Электронные наручные часы с передачей информации о времени по радио

В 1962 г. американская фирма «Гамильтон Уотч Компани» получила патент на электрические балансовые наручные часы со встроенным микрорадиоприемником для приема радиосигнала, синхронизирующего ход часового механизма. Электрические импульсные сигналы в виде радиосигналов времени принимались и использовались для синхронизации частоты баланса наручных часов. Первоначальная конструкция, разработанная 15 лет назад, исходила еще из электроконтактной системы с балансовым осциллятором. Нынешняя техника интегральных схем в сочетании с высокочастотными кварцевыми осцилляторами воскрешает эту идею. При условии, что в международном масштабе были бы унифицированы частота передачи, вид модуляции и способ передачи информации о времени, можно было бы вновь вернуться к созданию системы синхронизации часов сигналами точного времени, передаваемого радиоволнами в целях весьма точного и надежного обеспечения измерения времени.

Если представить себе радиопередачу сигналов эталона времени на миллионы микрорадиоприемников, встроенных в наручные часы граждан земного шара, живущих в той же полосе, то мы поймем, насколько неэкономично и излишне сложно то, что в часах каждого из нас работает отдельный часовой механизм. Ведь его ход также приходится дополнительно корректировать по сигналу времени, передаваемому с центральной часовой станции, но делать это вручную. Напрашивается перспективное решение, согласно которому вместо часового механизма мы бы имели на своих «часах» лишь электронное устройство — радиоприемник с подходящим дешифратором сигналов времени, который дешифровал бы первоначальные сигналы от сильно удаленного передатчика и превращал бы их в оптические или акустические сигналы времени. Такой приемник имел бы совершенно незначительный расход энергии, поскольку энергия расходовалась бы лишь в тот момент, когда нажимается кнопка информации о времени, а во все остальное время приемник был бы выключен. Одновременно отпала бы надобность в сложной и сравнительно дорогой системе из кварцевых кристаллов и генераторов, делителей частоты и счетчиков колебаний, которые теперь являются обязательным элементом для выработки сигналов времени в каждых электронных часах с кварцем[23].

Атомные часы

Если оценивать точность кварцевых часов с точки зрения их кратковременной стабильности, то надо сказать, что эта точность значительно выше, чем у маятниковых часов, которые, однако, при длительных измерениях обнаруживают более высокую стабильность хода[24]. У кварцевых часов неправильность хода вызывается изменениями во внутренней структуре кварца и нестабильностью электронных систем.

Главным источником нарушения стабильности частоты является старение кристалла кварца, синхронизирующего частоту осциллятора. Правда, измерения показали, что старение кристалла, сопровождающееся повышением частоты, протекает без больших колебаний и резких изменений. Несмотря на. это, старение нарушает правильную работу кварцевых часов и диктует необходимость регулярного контроля другим устройством с осциллятором, имеющим устойчивую, неизменную частотную характеристику.

Быстрое развитие микроволновой спектроскопии после второй мировой войны открыло новые возможности в области точного измерения времени посредством частот, соответствующих подходящим спектральным линиям. Эти частоты, которые можно было считать эталонами частоты, привели к идее использовать квантовый генератор в качестве эталона времени.

Это решение было историческим поворотом в истории хронометрии, поскольку оно означало замену ранее действовавшей астрономической единицы времени новой квантовой единицей времени. Эта новая единица времени была введена как период излучения точно определенных переходов между энергетическими уровнями молекул некоторых специально выбранных веществ. После интенсивных исследований этой проблемы в первые послевоенные годы удалось построить прибор, работающий на принципе управляемого поглощения микроволновой энергии в жидком аммиаке при весьма низких давлениях. Однако первые опыты с прибором, оснащенным абсорбционным элементом, не дали ожидаемых результатов, поскольку расширение абсорбционной линии, вызываемое взаимными столкновениями молекул, затрудняло определение частоты самого квантового перехода. Лишь методом узкого пучка свободно летящих молекул аммиака в СССР А.М. Прохоров и Н.Г. Басов, а в США Таунс из Колумбийского университета сумели существенно понизить вероятность взаимных столкновений молекул и практически устранить расширение спектральной линии. В этих обстоятельствах молекулы аммиака могли уже играть роль атомного генератора. Узкий пучок молекул, впущенный через сопло в вакуумное пространство, проходит через неоднородное электростатическое поле, в котором происходит разделение молекул. Молекулы в более высоком квантовом состоянии направлялись на настроенный резонатор, где они выделяют электромагнитную энергию с неизменной частотой 23 870 128 825 Гц. Эта частота затем сравнивается с частотой кварцевого осциллятора, входящего в схему атомных часов. На этом принципе был построен первый квантовый генератор — аммиачный мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Таунс получили в 1964 г. за эти работы Нобелевскую премию по физике.

Изучением стабильности частоты аммиачных мазеров занимались также ученые Швейцарии, Японии, ФРГ, Великобритании, Франции и, не в последнюю очередь, Чехословакии. В период 1968-1979 гг. в Институте радиотехники и электроники Чехословацкой Академии наук построено и пущено в опытную эксплуатацию несколько аммиачных мазеров, которые выполняли роль частотных эталонов для хранения точного времени в атомных часах чехословацкого производства. У них была достигнута стабильность частоты порядка 10-10, что соответствует суточным изменениям хода в 20 миллионных частей секунды.

В настоящее время атомные стандарты частоты и времени используются в основном для двух главных целей — для измерения времени и для калибровки и контроля основных стандартов частоты. В обоих случаях сравнивают частоту генератора кварцевых часов с частотой атомного стандарта.

При измерении времени частота атомного стандарта и частота генератора кристаллических часов регулярно сравниваются, и по выявленным отклонениям определяют линейную интерполяцию и среднюю поправку времени. Истинное время получается тогда из суммы показаний кварцевых часов и этой средней поправки времени. При этом погрешность, возникшая вследствие интерполяции, определяется по характеру старения кристалла кварцевых часов.

Исключительные результаты, достигнутые с атомными стандартами времени, с погрешностью, равной лишь 1 с за целую тысячу лет, были причиной того, что на Тринадцатой генеральной конференции по мерам и весам, проходившей в Париже в октябре 1967 г., было дано новое определение единицы времени — атомной секунде, которая определялась теперь как 9 192 631 770 колебаний излучения атома цезия-133.

Как мы указали выше, при старении кристалла кварца постепенно нарастает частота колебаний кварцевого осциллятора и непрерывно увеличивается разница между частотами кварцевого и атомного осциллятора. Если кривая старения кристалла правильна, то достаточно корректировать колебания кварца лишь периодически, хотя бы через интервалы в несколько дней. Таким образом, атомный осциллятор может не быть постоянно связан с системой кварцевых часов, что весьма выгодно, поскольку ограничивается проникание мешающих влияний в измерительную систему[25].

Швейцарские атомные часы с двумя аммиачными молекулярными осцилляторами, демонстрировавшиеся на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г., достигли точности в одну стотысячную секунды в сутки, что превышает точность точных маятниковых часов примерно в тысячу раз. Эта точность уже позволяет изучать периодические нестабильности скорости вращения земной оси. График на рис. 39, который представляет собой как бы изображение исторического развития хронометрических приборов и совершенствования методов измерения времени, показывает, как чуть ли не чудодейственным образом повысилась за несколько столетий точность измерения времени. Лишь за последние 300 лет эта точность увеличилась более чем в 100000 раз.