Приложение 3
Как это устроено?
Астрономические часы
Часы Шорта
Часы Шорта со свободным маятником — точные электромеханические маятниковые астрономические часы, изобретённые в 1921 году английским железнодорожным инженером Уильямом Гамильтоном Шортом (William Hamilton Shortt) при участии известного часовщика Фрэнка Хоупа-Джонса (Frank Hope-Jones) и производимые компанией Synchronome в Лондоне. До изобретения в 1954 году советским инженером Ф. М. Федченко часов АЧФ, они были наиболее точными маятниковыми часами в мире. С момента создания и до конца 1940-х годов были эталоном хранения времени и закупались для астрономических и военно-морских обсерваторий, научных институтов и служб точного времени по всему миру, но затем уступили место кварцевым часам. Часы Шорта были первым устройством определения времени, которое было точнее, чем Земля ; в 1926 году они были использованы для определения мельчайших сезонных изменений в скорости вращения планеты. Стандартная точность часов Шорта была порядка 1 секунды в год, хотя более поздние измерения показали, что эти часы были ещё более точными. В период с 1922 по 1956 годы было произведено около 100 экземпляров часов.
Часы имели два маятника. Один из них, «свободный» (англ. master), был помещён в колбу с разреженной атмосферой и обеспечивал точность часов. Второй, «рабочий» (англ. slave pendulum), был синхронизирован со свободным посредством электрической цепи и электромагнитов, а также связан со стрелочной индикацией.
Часы Шорта состояли из двух блоков. Первый, представлявший собой медную вакуумную колбу диаметром 26 см и высотой 125 см со свободным маятником внутри, был прикреплён к стене. Второй, вспомогательные точные маятниковые часы, представлявшие собой несколько изменённые контролирующие часы (англ. precision regulator clock) Synchronome, размещались на некотором расстоянии от первого. Однако, в Ликской обсерватории, чтобы исключить возможность любой физической связи между маятниками, рабочий блок размещался даже в другом здании; блоки размещались таким образом, чтобы плоскости колебания маятников были перпендикулярны друг другу. Два блока были связаны электрическими цепями, управлявшими электромагнитами, которые синхронизировали колебания маятников. Стержень свободного маятника и его груз массой в 5,6 килограмм были сделаны из инвара для уменьшения температурного расширения и сжатия размеров маятника, которые приводили бы к изменению периода при изменении температуры. Остаточная скорость температурного расширения компенсировалась до нуля при помощи металлической вставки под отвесом. Воздух из первого блока откачивался при помощи ручного насоса до давления примерно в 30 мм рт. ст. для устранения воздействия изменений атмосферного давления на скорость хода маятника, а также для существенного уменьшения аэродинамического сопротивления, что привело к увеличению добротности маятника с 25 000 до 110 000 и улучшению точности в четыре раза. Эксперименты Шорта показали, что при 30 мм рт. ст. энергия, потребляемая изгибанием подвесной пружины, равна энергии, потребляемой отражением оставшихся молекул воздуха; таким образом, большая степень вакуума не требовалась.
Оба маятника имели длину около 1 метра и были секундными (англ. seconds pendulum), т. е. каждое колебание занимало 1 с, а период составлял 2 с, хотя естественная скорость хода рабочего маятника была чуть меньше. Для поддержания колебаний каждые 30 с маятники получали толчок от специального механизма. В целях наблюдения за состоянием синхронизации рабочие часы имели два циферблата, показывавших время на каждом из маятников. Часы также имели электронный терминал, производивший сигнал с частотой 1 Гц. Этот сигнал мог передавать точное время часам в других городах или транслировать его по радио.
В 1984 году Пьер Бушерон (фр. Pierre Boucheron) провёл исследование точности часов Шорта, хранившихся в Военно-морской обсерватории США. При помощи современных оптических датчиков, которые позволили засекать точное время колебания маятника без воздействия на него, Бушерон наблюдал скорость хода часов Шорта в сравнении с атомными часами в течение месяца. Он обнаружил, что их отклонение не превышало 200 мкс в сутки, или 1 с в 12 лет, что существенно улучшало предыдущую оценку точности в 1 с в год. Его работа показала, что часы были настолько точными, что позволяли обнаруживать мельчайшие отклонения в гравитации на поверхности Земли, вызванные притяжением Луны и Солнца.
Астрономические часы Федченко
Астрономические часы Федченко (АЧФ) — серия электронно-механических часов конструкции Ф. М. Федченко с изохронным маятником. Высокоточные электронно-механические часы, завершившие эволюцию маятниковых приборов времени. Точность достигнута за счет подвеса маятника на специальном трехпружинном подвесе (изобретение Ф. М. Федченко), который обеспечивает изохронные (не зависящие от амплитуды) колебания маятника. Погрешность составляет 0,0002-0,0003 секунды в сутки, что на порядок ниже, чем у часов Шорта, сделанных в 1920-х годах в Англии, которыми долгое время оснащались обсерватории мира. С 1968 года АЧФ применяются как самый чувствительный гравиметр.
Были распространены в СССР с 1950-х до конца 1980-х годов. Использовались в обсерваториях, аэропортах, космодромах, телестудиях и др., где была важна точность времени (±0,0002 секунды в день, или ±1 секунда в 10 лет). В обсерватории Гринвича так же использовали АЧФ-2 (сейчас - музейный экспонат).
Впоследствии были заменены более совершенными электронными и атомными часами.
Кварцевые часы
Кварцевые часы — часы, в которых в качестве колебательной системы применяется кристалл кварца. Хотя электронные часы также являются кварцевыми, выражение «кварцевые часы» обычно применяется только к электромеханическим часам (электронным часам со стрелками).
Качественные бытовые кварцевые часы имеют точность ±15 секунд/месяц (в специально спроектированных особо точных хронометрах до 0,3 секунды/месяц). Таким образом, выставлять их надо дважды в год. Однако кристалл кварца подвержен старению, и со временем часы начинают, как правило, спешить.
Электронная часть часов состоит из генератора колебаний, стабилизированных кварцевым резонатором, и делителя. Частота колебаний генератора, как правило, равна 32 768 Гц.
Выбор именно этой частоты обусловлен тем, что для получения секундного такта, используемого для работы механической части часов, частоту кварцевого генератора требуется разделить на 215. Это делается простейшим двоичным счётчиком, что упрощает электронную часть. Это было особенно важно до начала производства специализированных часовых микросхем.
Импульсы с периодом 1 с (в некоторых случаях частота выше) подаются на шаговый электродвигатель (как правило, это двигатель Лаве), вал которого через систему зубчатых колёс приводит в движение стрелки. Также существуют часы (как правило, настенные с относительно большим циферблатом), у которых частота импульсов на шаговом двигателе выше (около 5 Гц), соответственно у них другое соотношение редукции (механической передачи через зубчатые колёса), что обеспечивает более плавный ход секундной стрелки.
Электромеханические часы состоят из таких узлов:
• источник питания;
• генератор с кварцевым резонатором;
• счётчик-делитель частоты;
• шаговый электродвигатель (чаще используется шаговый электродвигатель Лаве);
• система шестерён, которая передаёт вращение электродвигателя на стрелки;
• фрикцион перевода стрелок;
• колесо и стрелка будильника (если таковой есть).
Некоторые модели наручных кварцевых часов имеют цифровой дисплей электронных часов (так называемые гибридные часы) и механический генератор хода ("Полёт").
Атомные часы
Атомные часы (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.
Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.
С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.
Стабильность атомных часов Δ ν / ν (где Δ ν — отклонение частоты ν часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10−14 — 10−15, а в специальных конструкциях достигает 10−17, и является наилучшей среди всех существующих типов часов.
Часы состоят из нескольких частей:
• квантовый дискриминатор,
• кварцевый генератор,
• комплекс электроники.
Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило, 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10−6, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δ ν / ν = 10 − 7. С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой ν0 постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии νa, регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня Δ ν / ν = 10 − 14.
В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов.
Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты:
• Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), п. Менделеево Московской области;
• Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Боулдер (США, Колорадо);
• Национальный институт передовой промышленной науки и технологии (англ.) (AIST), Токио (Япония);
• Федеральное физико-техническое агентство (нем.) (PTB), Брауншвейг (Германия);
• Национальная лаборатория метрологии и испытаний (фр.) (LNE), Париж (Франция).
• Национальная физическая лаборатория Великобритании (NPL), Лондон, Великобритания.
Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева.
Типы атомных часов
Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы, это атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекулы водорода, йода, метана, оксид осмия и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ.) — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна, в котором происходит уширение спектра до одной октавы.
В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist) разработали часы, действующие на одном атоме ртути. При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США, погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.
В 2006 году сообщалось, что в атомных часах нового поколения будут использоваться атомы стронция.
Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства). В начале 2011 американская компания "Symmetricom" объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему; часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости, их стабильность — 5 · 10-11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт.
На XXVII Генеральной конференции по мерам и весам во Франции (2022 год) решили к 2030 году разработать новое определение секунды. Сейчас в большинстве лабораторий рассматривают часы на основе атомов стронция или иттербия, способных излучать или поглощать фотоны в видимой части спектра; также работают с рубидием, алюминием, ртутью. Так, в российском ФИАН занимаются тулием. Вместе с тем, российские физики изучают принципиально другую схему — ядерные часы, где переходы не электронов, а изомеров (метастабильных состояний ядра, в которых один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические уровни); ожидается, что ядерные часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные часы, и приблизятся к уровню 10-19.
Источник:
1. Часы Шорта
2. Часы Федченко
3. Кварцевые часы
4. Атомные часы
Источник:
