ЕДИНЫЙ ЭТАЛОН ВРЕМЕНИ-ЧАСТОТЫ-ДЛИНЫ (ВЧД).

–  Единый эталон⁹⁵ времени-частоты-длины, введенный РІ действие как государственный РІ 1992 РіРѕРґСѓ, представляет СЃРѕР±РѕР№ сложную техническую систему Рё состоит РёР· РґРІСѓС… частей - Государственного первичного эталона времени, частоты Рё национальной шкалы времени (ГЭВЧ) Рё Государственного первичного эталона длины – метр. Первая часть Единого эталона ВЧД, содержащая ГЭВЧ Рё радиочастотный РјРѕСЃС‚ (РОЧМ), необходимый для перевода радиочастот цезиевых атомных часов РІ оптические частоты лазеров, находится РІРѕ Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических Рё радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ); вторая часть, состоящая РёР· аппаратуры, реализующей Государственный первичный эталон длины – метр, - РІРѕ Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии (ВНИИМ) РёРј. Р”.И. Менделеева.

Государственный первичный эталон времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ) предназначен для воспроизведения и хранения:

1. единицы времени – «атомной» секунды (с);
2. единицы частоты – герца (Гц);
3. шкалы атомного времени  - ТА;
4. шкалы координированного времени – UTC.

Воспроизведение единиц времени и частоты (секунды и герца) производится со средним квадратическим отклонением, не превышающим 5*10^-14, при неисключенной составляющей систематической погрешности менее 10^-14 . Такая точность воспроизведения единиц времени и частоты необходима для решения многих научных и практических задач: осуществления дистанционного управления маневрами космических аппаратов вблизи далеких планет Солнечной системы, достижения высокой точности систем спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, развития нанотехнологий,  роботизированных технических систем и др.

Перед отечественной метрологией стоит задача дальнейшего повышения точности воспроизведения единиц времени Рё частоты, С‚.Рє. здесь имеется определённое отставание РѕС‚ мировых уровней⁹⁶.

1. История системной единицы времени - секунды

Первые системы единиц измеряемых величин возникли в Древнем Вавилоне и Древнем Египте и представляли собой не столько системы единиц, сколько системы мер используемых единиц, т.е. тех естественных или искусственных материальных образцов, которые определяют единицу измеряемой величины. Таким мерами были гири определенных достоинств, специально изготовленные тары определенного объема для сыпучих и жидких веществ, части тела человека, имеющие примерно одинаковые линейные размеры и т.п. Общепринятые единицы измерения времени, такие как год, месяц, сутки (день и ночь) хотя объективно имели свои меры в виде вращающейся вокруг своей оси Земли и обращающихся вокруг общих центром масс космических систем Солнце-Земля и Земля-Луна, но это были такие меры, которые не поддавались контролю со стороны государственных чиновников, да к тому же во времена Древних цивилизаций еще не были достаточно хорошо изучены. Что касается более мелких единиц времени, то они были весьма неопределенны и не имели своих мер. В первой научно обоснованной системе единиц физических величин, разработанной научной комиссией Академии наук революционной Франции также еще не было единицы времени.

Впервые единица длительности – секунда – появилась в разработанной Ф. Гауссом в 1832 году системе СГС – сантиметр – грамм – секунда, как третья основная единица системы. И хотя секунда в это время еще не имела меры, уже существовала и добилась значительных успехов созданная в 1676 г. Гринвичская астрономическая обсерватория специально предназначенная для определения и хранения точного времени.

Возможность придать секунде определенную меру возникла в 1929 году, когда Национальное бюро стандартов США начало использовать кварцевые часы. Мерой секунда могло стать определенное число колебаний кварцевого осциллятора, но секунда не была переопределена и ее величина осталась связанной с длительностью суток.

Впервые стабильная мера длительности, позволившая придать секунде определенную меру, возникла СЃ изобретением атомных часов. Такой мерой, РїРѕ определению Международного комитета РїРѕ мерам Рё весам (1967 Рі.), стала длительность 9 102 631 770 переходов между РґРІСѓРјСЏ сверхтонкими  СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ состояния атома цезия-133.

2. История системной единицы длины - метра

Единица длины – метр – впервые появилась во Франции в период Великой французской революции. Специальная комиссия Французской академии наук решила связать единицу длины с естественной мерой -  одной десятимиллионной долей четверти Парижского меридиана и назвать эту единицу «подлинным и окончательным метром» (metre vrai et definitive). С целью получения этой единицы длины были проведены измерения длины дуги Парижского меридиана  между Дюнкерком и Барселоной; на основе полученных результатов изготовили образец метра в виде платиновой линейки шириной около 25 мм и толщиной в 4 мм. Эта мера была сдана в архив Французской республики и стала называться «архивным метром». Но по мере повышения точности геодезических и астрономических измерений выяснилось, что длина одной десятимиллионной доли четверти меридиана не остается постоянной величиной. Поэтому «архивный метр» довольно быстро потерял достоинство естественной меры длины и стал рассматриваться как искусственный стандарт единицы длины. Тем не менее «архивный метр» почти столетие прослужил в качестве международного стандарта длины.

В конце XIX столетия решили уточнить этот стандарт. С этой целью было изготовлено 31 эталонов в виде стержней из платино-иридиевого сплава с Х-образным сечением с двумя штрихами, нанесенными при помощи «архивного метра». Наиболее точное соответствие «архивному метру» (в пределах точности измерения) показал эталон № 6 при 0° С и в 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам его и приняли в качестве прототипа метра. Он хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре (близ Парижа). Из оставшихся 30 эталонов 28 были распределены по жребию между странами, участвовавшими в конференции 1889 года, а два оставлены как «эталон-копия» и «эталон-свидетель». Россия получила два эталона метра: № 11 и № 28. Последний декретом Совнаркома в 1918 году был узаконен в качестве государственного эталона или прототипа метра для СССР. Он хранится (до сих пор) во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и используется только для сравнения с ним вторичных эталонов или эталонов-копий.

РЎ развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр РІ длине световых волн Рё РІ 1927 Рі. VII Генеральная конференция РїРѕ мерам Рё весам постановила считать, что 1 метр равен длине 1 553 164,13 волн красной линии кадмия РїСЂРё определенных условиях (температуре, давлении Рё С‚.Рґ.). Рљ 30-Рј годам РҐРҐ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов РЅР° эталоне метра Рё его РєРѕРїРёСЏС…. Р’ 1960 РіРѕРґСѓ XI Генеральная конференция РїРѕ мерам Рё весам  приняла РЅРѕРІРѕРµ определение метра: РѕРЅ стал равен длине 1 650 763,73 волн излучения РІ вакууме, соответствующей оранжевой линии изотопа криптона СЃ атомным весом 86 (⁸⁶Kr). Эта линия намного уже, чем линия кадмия. РќРѕРІРѕРµ определение метра повысило точность эталона РІ 100 раз. Однако РѕРЅР° РІ относительной мере РЅР° четыре РїРѕСЂСЏРґРєР° ниже точности, достигнутой РІ эталонах времени. Это, РІ частности, ограничивало точность измерения скорости света, поскольку скорость света определялась измерением времени распространения света РЅР° базисе известной длины, поэтому точность измерения лимитировалась точностью криптонового эталона длины, Р° РЅРµ точностью измерения времени.

Путь к повышению точности измерения длины открыло использование изобретённых в 1960-м году лазеров.

Обнаружилось, что газовый лазер РЅР° смеси гелия Рё неона (РќРµ-NРµ) может генерировать чрезвычайно СѓР·РєРёРµ спектральные линии (так называемые продольные РјРѕРґС‹ ) — гораздо ýже, чем Сѓ криптонового стандарта. Однако частóты этих линий РјРѕРіСѓС‚ «плавать», меняться неконтролируемым образом (например, вследствие изменения длины резонатора). Поэтому, чтобы получить источник света намного лучший, чем криптоновая лампа, необходимо стабилизировать частоту лазерного излучения. Такой стабилизации достигли использованием молекулярных линий поглощения некоторых газов, Сѓ которых частота РѕРґРЅРѕР№ РёР· линий поглощения близка Рє частоте излучения лазера. Например, гелий-неоновый лазер может генерировать РЅР° трёх длинах волн: 0,63, 1,15 Рё 3,39 РјРєРј; РїСЂРё этом линии СЃ длиной волны 0,63 РјРєРј весьма точно соответствует линия поглощения молекулы паров Р№РѕРґР° J₂, Р° линии СЃ длиной волны 3,39 РјРєРј — линия поглощения молекулы метана РЎРќ₄. Ячейку СЃ поглощающим газом помещают внутрь резонатора лазера. Если изменять длину резонатора, настраивая лазерную частоту РЅР° центр спектральной линии поглощающего газа, РІ излучении лазера появляется резонансный РїРёРє СЃ предельно СѓР·РєРѕР№ шириной спектра. Это состояние непрерывно поддерживает система автоподстройки длины резонатора. Лазеры РЅР° РќРµ-NРµ/J₂¹²⁷ Рё особенно РќРµ-Ne/CH₄ обеспечивают генерацию очень СѓР·РєРёС… линий излучения СЃРѕ стабильностью частоты того же РїРѕСЂСЏРґРєР°, что Рё РІ стандартах времени. Естественно, возникла мысль РѕР± использовании стабилизированных лазеров РІ качестве стандартов длины вместо криптонового эталона. Этому способствовало ещё РѕРґРЅРѕ обстоятельство.

Р’ начале 1970-С… РіРѕРґРѕРІ РІ РЎРЁРђ, Англии Рё РЎРЎРЎР  были выполнены эксперименты РїРѕ уточнению скорости света РІ вакууме СЃ, основанные РЅР° независимом измерении частоты ν Рё длины волны λ высокостабильного лазера (произведение νλ равно СЃ). Обработка результатов этих экспериментов дала значение СЃ = 299 792 458 В± 1,2 Рј/СЃ СЃ относительной погрешностью 4.10^-9. До этих экспериментов РѕРЅР° была равна 3.10^-7, то есть измерения скорости света СЃ использованием стабилизированных лазеров повысили точность примерно РЅР° РґРІР° РїРѕСЂСЏРґРєР°. РќРѕ дальнейшее уточнение значения СЃ было невозможно, так как величина 4.10^-9 практически целиком обусловлена недостаточной точностью криптонового эталона длины, сравнением СЃ которым вычислялась длина волны λ. Выход РёР· этого положения оказался довольно неожиданным Рё оригинальным. Было решено: РЅРµ будем стремиться уточнять СЃ, Р° примем полученное значение 299 792 458 Рј/СЃ Р·Р° РјРёСЂРѕРІСѓСЋ константу. Поскольку скорость связывает расстояние Рё время, это позволило дать РЅРѕРІРѕРµ определение метра — через единицу времени. И РІ 1983 РіРѕРґСѓ РЅР° XVII Генеральной конференции РїРѕ мерам Рё весам постановили: «Метр — это расстояние, РїСЂРѕС…РѕРґРёРјРѕРµ светом РІ вакууме Р·Р° 1/299 792 458 долю секунды».

3. Разработка единого эталона времени-частоты-длины

Приведенное выше определение метра полностью отменяет криптоновый эталон длины Рё вообще делает метр РЅРµ зависящим РЅРё РѕС‚ какого источника света. РќРѕ зато придаёт ему зависимость РѕС‚ размера секунды, Р° значит, Рё герца — единицы частоты. Так впервые была установлена СЃРІСЏР·СЊ между длиной, временем Рё частотой. Эта СЃРІСЏР·СЊ привела Рє идее Рѕ создании единого эталона времени — частоты — длины (ВЧД), основанного РЅР° соотношении λ = СЃ/ν, РіРґРµ λ — длина волны излучения стабилизированного лазера, ν — его частота. Плодотворность этой идеи РІ том, что частоту можно измерить СЃ погрешностью, обеспеченной современным эталоном частоты (скажем, 10^-13 Рё менее). Рђ так как значение СЃ фиксировано, то Рё значение λ будет определено СЃ той же погрешностью, что РїРѕ крайней мере РЅР° четыре РїРѕСЂСЏРґРєР° точнее, чем РїСЂРё использовании прежнего криптонового эталона длины.

Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, — цезиевый генератор, частота которого  лежит РІ радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением СЃ эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты РІ оптический диапазон, то есть умножить её РґРѕ оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину Рё неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор СЃ удобным значением частоты, например 5 РњРіС†. РќРѕ такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты Рё сам РїРѕ себе служить эталоном РЅРµ может. Необходимо стабилизировать его частоту РїРѕ цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.

Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора f_кв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона f_эт. Подбором конкретных значений n и f_кв разностную частоту (f_эт — nf_кв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (f_эт — nf_кв) = f_кв.

Сигнал разностной частоты (f_эт — nf_кв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты f_кв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты f_кв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (f_эт — nf_кв) и f_кв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.

Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 1014 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне — оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.

Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц — единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) — задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.

В последнее время найдена более перспективная возможность создания единого эталона ВЧД, связанная с разработкой фемтосекундных «оптических часов», способных служить также «оптическим метром» («Наука и жизнь» № 9, 2003 г.). При этом отпадает необходимость в цепочке передачи благодаря генерированию высокостабильной «оптической гребёнки» в чрезвычайно широком диапазоне спектра. Такая гребёнка, воспринимаемая как белый свет, возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера на сапфире с титаном через оптическое волокно со специально созданной микроструктурой. Подробности о такого рода разработках можно найти в нобелевской лекции Дж. Холла, опубликованной на русском языке под названием «Определение и измерение оптических частот: перспективы оптических часов — и не только» (УФН, 2006, № 12).

Кроме того, была найдена возможность повышения точности цезиевого эталона времени. Ещё в 1997 году Международное бюро мер и весов подчеркнуло, что в определении атомной секунды фигурирует атом цезия, который покоится при температуре абсолютного нуля (по шкале Кельвина). В новейших модификациях цезиевых часов (которые называют фонтанными) это условие почти идеально достигается путём лазерного охлаждения атомов. С использованием такого метода в американском Национальном институте стандартов и технологии (NIST) были построены эталонные цезиевые часы, обеспечивающие относительную точность воспроизведения единицы времени — секунды — порядка 3.10^-16 (уход часов составляет 1 секунду за 70 миллионов лет). Но ещё более перспективны стандарты частоты, основанные на переходах в ионах ртути, иттербия или стронция, излучающие не в микроволновом, а в оптическом диапазоне. Точность отдельных лабораторных разработок таких оптических часов уже сейчас достигает 2.10^-15, а в принципе они могут обеспечить точность воспроизведения единиц времени и частоты на уровне 10^-17—10^-18. К такой точности вплотную подошли японские исследователи. В экспериментальном образце стронциевых оптических часов, разработанном в Токийском университете группой Хидетоси Катори, ионы стронция находятся в оптической ловушке на перекрестье шести лазерных лучей, под воздействием которых они удерживаются в «энергетических ямах», почти не взаимодействуя и излучая свет исключительно стабильной частоты. Точность стронциевых часов в тысячу раз превосходит точность цезиевых, используемых сегодня в качестве эталона времени и частоты. Предполагают, что вскоре эталон будет заменён и применение таких сверхточных оптических часов позволит соответственно увеличить точность единого эталона времени — частоты — длины.

Использованная литература: Голубев А. В погоне за точностью… частоты-длины//Наука и жизнь. 2009. № 12.

Ильгиз А. Хасанов