Часы. От гномона до атомных часов

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.

Рис. 39. Точность хода хронометрических приборов в период с 1930 до 1950 г.

Химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899) первым открыл цезий, атомы которого при надлежаще выбранных условиях способны поглощать электромагнитное излучение с частотой около 9192 МГц. Это свойство использовали Шервуд и Мак Кракен для создания первого цезиевого пучкового резонатора. На практическое использование цезиевого резонатора для измерения частот и времени направил свои усилия вскоре за этим Л. Эссен, работающий в Национальной физической лаборатории в Англии. В сотрудничестве с астрономической группой «Юнайтед Стейтс Нэвел Обсерватори» он уже в 1955-1958 гг. определил частоту квантового перехода цезия в 9 192 631 770 Гц и связал с действующим тогда определением эфемеридной секунды, что намного позднее, как указано выше, привело к установлению нового определения единицы времени. Следующие цезиевые резонаторы были сконструированы в Национальном исследовательском совете Канады в Оттаве, в лаборатории «Суисс де Речерс Хорлоджерес» в Невшателе и др. Первый коммерческий тип атомных часов промышленного производства выпустила на рынок в 1956 г. под названием «Атомихрон» американская фирма «Нешнл Компани Уолден» в Массачусетсе.

Сложность атомных часов заставляет предполагать, что применение атомных осцилляторов возможно лишь в области лабораторного измерения времени, выполняемого с помощью крупных измерительных аппаратов. В действительности так и было до последнего времени. Однако миниатюризация проникла и в эту область. Известная японская фирма «Сэйко-Хаттори», производящая сложные, хронографы с кристаллическими осцилляторами, предложила первые наручные атомные часы, изготовленные опять-таки в сотрудничестве с американской фирмой «Мак-Доннелл Дуглас Астронавтике Компани». Эта фирма производит также миниатюрный топливный элемент, являющийся энергетическим источником для упомянутых часов. Электрическую энергию в этом элементе размером 13 x 6,4 мм производит радиоизотоп прометия-147; срок службы этого элемента равен пяти годам. Корпус часов, изготовленный из тантала и нержавеющей стали, является достаточной защитой от бета-лучей элемента, излучаемых в окружающую среду[26].