Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



3 еталони основних одиниць si у даному розділі дається стислий опис історії створення та принципів побудови первинних еталонів основних одиниць si

Скачати 358.48 Kb.

3 еталони основних одиниць si у даному розділі дається стислий опис історії створення та принципів побудови первинних еталонів основних одиниць si




Скачати 358.48 Kb.
Сторінка1/3
Дата конвертації22.04.2017
Розмір358.48 Kb.
  1   2   3

3 ЕТАЛОНИ ОСНОВНИХ ОДИНИЦЬ SI
У даному розділі дається стислий опис історії створення та принципів побудови первинних еталонів основних одиниць SI.
3.1 Секунда
Відзначимо, що пошуки найкращого еталона часу, що відповідає вимогам необхідної точності, відтворюваності і доступності, мають велику історію. Ще в стародавності відлік часу ґрунтувався на періоді обертання Землі навколо своєї осі. Донедавна секунду визначали як 1/86400 частину середньої сонячної доби, тобто еталоном часу була “Земля, що обертається навколо своєї осі”. Пізніше було виявлено, що обертання Землі навколо своєї осі відбувається нерівномірно. Відносна похибка відтворення одиниці часу відповідно до цього визначення становила близько 10-7, що було недостатньо для ряду практичних застосувань і наукових досліджень.
Оберта́ння Землі́ - процес переміщення точок «земної кулі» (геоїда) в просторі. Можна виділити два основні обертальні процеси: обертання навколо Сонця (якщо знехтувати розміром планети порівняно з відстанню до зірки та розглядати Землю як матеріальну точку) та обертання навколо своєї осі.
Дослі́дження, до́сліди - (широко розуміючи) пошук нових знань або систематичне розслідування з метою встановлення фактів; (вузько розуміючи) науковий метод (процес) вивчення чого-небудь.
Тому в основу визначення одиниці часу поклали період обертання Землі навколо Сонця – тропічний рік (тобто інтервал між двома весняними рівноденнями). Розмір секунди був визначений як 1/31556925,9744 частина тропічного року. Оскільки тропічний рік також змінюється (близько 5 с за 1000 років), то за основу був узятий тропічний рік, віднесений до 12 год. ефемеридного часу (рівномірний поточний час, що визначається астрономічним шляхом) 0 січня 1900 року, що відповідає 12 годині 31 грудня 1899 р.
Навколо Сонця (англ. Ring Around the Sun) - науково-фантастичне оповідання Айзека Азімова, вперше опубліковане у травні 1940 журналом Future Fiction. Увійшло до збірки «Ранній Азімов» 1972.
Ефемери́дний час (шкала ефемеридного часу, англ. ET) - рівномірний час, яким описували рух тіл Сонячної системи з 1950 до 1984 року.
Це визначення секунди було зафіксовано в Міжнародній системі одиниць 1960 р. Дане рішення дозволило на 3 порядки (у 1000 разів) знизити похибку визначення одиниці часу, а еталоном часу стала “Земля, що обертається навколо Сонця” [22].

Неважко бачити, що при такому формулюванні секунда набула достатню визначеність, більшу точність, проте утратила відтворюваність (оскільки була прив'язана до певного року) і не стала більш доступною. Тому пошуки найкращого еталона часу, а також конструкції годинників, за допомогою яких можна було б зберігати одиницю і шкалу часу, продовжувалися. Відомі стародавні пісочні, водяні, вогненні годинники, колісні більш близького до нас часу. З механічних конструкцій найкращого результату вдалося домогтися за допомогою маятникових годинників. У 50-х роках минулого століття радянський інженер Ф.М. Федченко шляхом удосконалення підвісу маятника і його термокомпенсації одержав рекордні для маятникових годинників цифри за стабільністю: добова варіація їхнього ходу становила (2–3)·10-4 с.

Значним подальшим кроком була розробка в 1927 році Морісоном і Хорстоном (США) кварцових годинників. У найбільш досконалих конструкціях цих годинників (генераторів) добова нестабільність складала (1–2)·10-6 с.

Однак, до справжнього “прориву” у створенні еталона часу привели успіхи атомної і квантової фізики, що дозволили використовувати частоту електромагнітного випромінювання або поглинання при енергетичних переходах молекул і атомів для визначення розміру одиниці часу.

Ква́нтова меха́ніка - фундаментальна фізична теорія, що в описі мікроскопічних об'єктів розширює, уточнює і поєднує результати класичної механіки і класичної електродинаміки. Ця теорія є базою для багатьох напрямів фізики та хімії, включаючи фізику твердого тіла, квантову хімію та фізику елементарних частинок.
Електромагн́ітне випром́інювання (англ. electromagnetic radiation) - взаємопов'язані коливання електричного (Е) i магнітного (B) полів, що утворюють електромагнітне поле а також, процес утворення вільного електро-магнітного поля при нерівномірному русі та взаємодії електричних зарядів.

Першим кроком у цьому напрямку було використання електромагнітного випромінювання молекул і створення молекулярних аміачних годинників (1953, Г.

Електромагні́тна хви́ля - процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі у вигляді змінних зв'язаних між собою електричного та магнітного полів. Прикладами електромагнітних хвиль є світло, радіохвилі, рентгенівські промені, гамма-промені.
Ліокс), нестабільність ходу яких становила близько 1·10-7. Усі подальші зусилля не дозволили знизити нестабільність менше за 1·10-8, але була встановлена причина, що обмежує можливості молекулярного генератора – хаотичний тепловий рух часток газу (так званий подовжній ефект Допплера). Подальші дослідження дозволили значною мірою подолати вплив цього ефекту.

На початку 60-х р. група вчених з NBS, США (нині NIST) створила квантовий генератор на основі цезію, в якому вдалося майже цілком уникнути подовжнього ефекту Допплера.

Ефект Доплера - явище зміни частоти хвилі, яку реєструє приймач, викликане переміщенням джерела або приймача.
Квáнтовий генерáтор - загальна назва джерел електромагнітного випромінювання, що працюють на основі вимушеного випромінювання атомів і молекул. Залежно від того, хвилі якої довжини випромінює квантовий генератор, він може називатися по різному: лазер, мазер, разер, газер.
У перших моделях цезієвого генератора нестабільність становила близько 1·10-9, але надалі її вдалося істотно знизити. Кращі сучасні цезієві генератори (стандарти частоти) мають нестабільність на рівні 10-14 при відтворюваності частоти порядку 5·10-14.

Приблизно в ці ж роки були створені перші водневі квантові стандарти, що сьогодні, після серії вдосконалень, за рядом параметрів не поступаються цезієвому, зокрема, за стабільністю. Вважається, що цезієві генератори перевершують усі інші за відтворюваністью, що визначає систематичну похибку еталона, а водневі є найкращими за стабільністю. Саме тому сьогодні визначення і відтворення одиниці часу здійснюються через період випромінювання атомів цезію, а її збереження реалізується з використанням водневих генераторів.

XIII Генеральна конференція з мір та ваг у 1967 р. прийняла нове визначення одиниці часу – секунди: “Секунда – це час, який дорівнює 9192631770 періодам випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133”. Вибір кількості коливань зроблений таким чином, щоб прив'язати “цезієву” секунду до “тропічної”.

Відповідно до визначення одиниці часу, її відтворення здійснюється цезієвим репером (рис. 3.1). Суть роботи репера полягає в стабілізації частоти кварцового генератора за частотою випромінювання атомів цезію. Основою еталона є атомно-променева трубка. Атоми цезію-133 випромінюються нагрітим до температури 100-150 0С джерелом 1 (цезієва піч). Пучок цих атомів потрапляє до області неоднорідного магнітного поля, створюваного магнітом 2. Кут відхилення атомів у такому магнітному полі визначається їхнім магнітним моментом.

Магнітний момент - векторна величина, що характеризує взаємодію тіла з магнітним полем. Найпростішою фізичною системою, що має магнітний момент є елементарне коло електричного струму. Магнітний момент атома визначається рухом електронів довкола ядра (орбітальний момент), спіном електронів і магнітним моментом атомного ядра.
Магні́тне по́ле - складова електромагнітного поля, за допомогою якої здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.
Тому неоднорідне магнітне поле дозволяє виділити з пучка ті атоми, що знаходяться на визначеному енергетичному рівні. Ці атоми спрямовуються в об'ємний резонатор 3, пролітаючи через який взаємодіють із змінним електромагнітним полем надвисоких частот (НВЧ).
Електромагні́тне по́ле - це поле, яке описує електромагнітну взаємодію між фізичними тілами. Розділ фізики, який вивчає електромагнітне поле, називається електродинамікою. Постійні електричні поля вивчаються електростатикою, а галузь фізики, яка досліджує постійні магнітні поля називається магнетизмом.
Частота електромагнітних коливань може регулюватися в невеликих межах.

При збігу частоти електромагнітного поля з частотою квантових переходів відбувається поглинання енергії НВЧ-поля, і атоми переходять в основний стан. У магнітній системі 4 здійснюється вторинна сепарація, у результаті чого атоми, що знаходяться у відповідному стані, спрямовуються в детектор 5. Струм детектора при настроюванні резонатора на частоту квантових переходів є максимальним. Це є основою стабілізації частоти в цезієвому репері. Для замикання кільця автопідстроювання частота коливань кварцового генератора (зазвичай 5 МГц) помножується до частоти квантового переходу в цезії.


1

2

4



3

5

Помножувач частоти



Кварцовий генератор

Подільник

частоти

Блок


автопідстроювання

Кварцовий годинник

Атомно-променева

трубка


Індикатор відхилення частоти


fвих






Рис. 3.1. Структурна схема цезієвого репера: 1 – джерело атомів цезію-133;

Структу́рна схе́ма - схема, яка визначає основні функціональні частини виробу, їх взаємозв'язки та призначення. Під функціональною частиною розуміють складову частину схеми: елемент, пристрій, функціональну групу, функціональну ланку.

2, 4 – магніти; 3 – резонатор; 5 – детектор
Системи з використанням атомно-променевої трубки на цезії, як правило, будуються за пасивною схемою, коли кварцовий стандарт частоти (КСЧ) відіграє роль квантового дискримінатора, тобто енергія НВЧ коливань поглинається атомами цезію (рис. 3.1).

Рис. 3.2. Цезієвий репер частоти (ВНИИФТРИ)
При відхиленні частоти кварцового генератора від номінального значення інтенсивність переходів атомів і, отже, щільність атомного пучка на виході трубки різко зменшується. Блок автопідстроювання, зв'язаний з трубкою, виробляє сигнал помилки, що повертає частоту кварцового генератора до номінального значення. Подільник частоти, що знаходиться в кварцовому годиннику, дозволяє одержати на їхньому виході необхідні частоти і часові інтервали (у тому числі і частоту 1 Гц).

Відтворення одиниць часу і частоти за допомогою метрологічного цезієвого репера класичного пучкового типу здійснюється з НСП близько (3-5) · 10-14 (рис. 3.2).

Відзначимо, що в останні роки створено цезієвий репер нової конструкції, що одержав назву “цезієвого фонтана” і вже працює нині в еталонах Англії, Німеччини і США (рис. 3.3).

Свою назву він одержав тому, що охолоджені до температури близько 1 мкК атоми цезію у визначеному квантовому стані запускаються угору у вакуумі, а потім, під дією сили ваги опускаються вниз і в балістичному польоті проходять через резонатор, де взаємодіють з магнітним полем, під дією якого переходять в інший стан. За даними зарубіжної преси цезієвий фонтан дозволяє знизити нестабільність частоти до декількох одиниць п'ятнадцятого знака за рахунок зниження практично до нуля теплових швидкостей атомів.


12

а б


Рис. 3.3. Цезієвий фонтан NPL: а − структурна схема;

б − зовнішній вигляд


Як уже було сказано, роль основного зберігача одиниць часу і частоти відіграє водневий генератор. Стисло розглянемо принцип його роботи (рис. 3.4). У балоні 1 під дією високочастотного електричного розряду відбувається дисоціація молекул водню. Пучок атомів водню через коліматор 2, який забезпечує його спрямованість, потрапляє в неоднорідне магнітне поле багатополюсного осьового магніту 3, де проходить просторове сортування (сепарацію).
А́том во́дню (Гідроген) - найпростіший із атомів хімічних елементів.
У результаті останньої на вхід накопичувального осередку 4, розташованого в об'ємному резонаторі 5, потрапляють лише атоми водню, що знаходяться на потрібному енергетичному рівні. Високодобротний резонатор, що знаходиться усередині багатошарового екрана 6, настроєний на частоту квантового переходу. Взаємодія збуджених атомів з високочастотним полем резонатора (протягом приблизно 1 с) приводить до їхнього переходу на нижній енергетичний рівень з одночасним випромінюванням квантів енергії на резонансній частоті 1420405751,8 Гц.
Енергетичний рівень - дозволене значення енергії в квантовій механіці. Сукупність енергетичних рівнів називають енергетичним спектром. Математично енергетичний рівень є власним значенням оператора енергії - гамільтоніана.
Це викликає самозбудження генератора, частота якого відзначається високою стабільністю.

Рис. 3.4. Структурна схема водневого генератора: 1 – балон з воднем;

2 – коліматор; 3 – осьовий магніт; 4 – накопичувальний осередок;

5 – резонатор; 6 – багатошаровий екран


Водневий стандарт частоти зазвичай є активним пристроєм, тобто відіграє роль квантового генератора, за частотою якого через систему синтезу частот і фазового автопідстроювання частоти стабілізується частота кварцового генератора (рис. 3.5, 3.6) [23].

Водневий генератор

Змішувач

Підсилювач

проміжної

частоти


Фазовий

детектор


Помножувач частоти

Кварцовий генератор

Синтезатор

частоти




Рис. 3.5. Структурна схема водневого стандарту частоти


Рис. 3.6. Зовнішній вигляд водневих стандартів частоти
До складу первинного еталона часу і частоти розвинутих країн, як правило, входять такі системи, що забезпечують виконання його основних функцій:

  • апаратура відтворення і збереження одиниць часу і частоти, основними елементами якої є цезієвий репер і водневі стандарти частоти;
    Розвинені країни - країни з найбільшим розвитком економіки, в яких домінує третинний і четвертинний сектори. Цей рівень економічного розвитку зазвичай характеризується високим прибутком на душу населення і максимальним індексом розвитку людського потенціалу (ІРЛП).


  • апаратура формування і збереження шкал атомного і координованого часу;

  • система внутрішніх звірень для проведення взаємних звірень частот і сигналів часу різних зберігачів і проведення їхнього коригування (фазові і частотні компаратори, вимірювачі характеристик сигналів тощо);

  • система зовнішніх звірень, що забезпечує передачу розмірів одиниць і шкали часу вторинному і робочому еталонам, а також звірення національної шкали зі шкалами часу інших країн. Це можуть бути спеціальні навігаційні системи, телевізійна апаратура, радіометеорна система, апаратура фазових звірень, транспортабельний квантовий годинник.

Крім того, до складу первинних еталонів деяких країн входить комплекс апаратури радіооптичного частотного моста (РОЧМ), що являє собою систему переносу стабільних частот з радіочастотного в оптичний діапазон (рис. 3.7). Це важливо для багатьох областей науки і техніки, зокрема, для створення єдиного еталона часу-частоти-довжини, про що буде сказано нижче.

Наведемо метрологічні характеристики державного еталона часу і частоти України [24]:

  • діапазон відтворених значень інтервалів часу становить від 1·10-10 до 1·108 с, частоти − від 1 до 7·1010 Гц;
    Метрологічні характеристики - це характеристики властивостей засобу вимірювань, які впливають на результат вимірювання. Для кожного типу засобу вимірювань встановлюють свої метрологічні характеристики.


  • СКВ відтворення одиниць − не більше 5·10-14;

  • НСП відтворення – не більше 1·10-13.



Рис. 3.7. Радіооптичний частотний міст
Еталон України активно співпрацює з еталонами інших країн, зокрема Росії.
3.2 Метр
Наприкінці ХVIII ст., у період уведення метричної системи мір, Національні збори Франції прийняли одну десятимільйонну частину чверті Паризького меридіана як одиницю довжини – метр. У 1799 р.
Метрична система - система вимірювання, заснована на метрі як мірі довжини та кілограмі (грамі) як мірі маси. Зокрема, метричною є Міжнародна система одиниць СІ.
Паризький меридіан (фр. Méridien de Paris) - меридіан , що проходить через Паризьку обсерваторію. До Міжнародної меридіанної конференції 1884 року поряд з меридіаном Ферро широко використовувався як нульовий меридіан для відліку географічних довгот.
Національна асамблея або Національне зібрання (фр. Assemblée nationale) французької П'ятої республіки - нижня палата парламенту Франції, його верхня палата - Сенат. Національна асамблея засідає в Бурбонському палаці, розташованому на лівому березі Сени навпроти площі Згоди.
на основі геодезичних вимірювань (тріангуляцій) частини дуги меридіана від Дюнкерка до Барселони експедиціями вчених на чолі з Мешеном і Деламбром був виготовлений еталон метра у вигляді платинової кінцевої міри, переданої на збереження в національний Архів Франції.
Національне управління архівів та документації, також:Національні архіви (англ. National Archives and Records Administration (NARA) ) - незалежне урядове агентство Сполучених Штатів Америки. Створено в 1984 р.
Цей еталон отримав назву “метра Архіву”. Метр Архіву являє собою платинову лінійку шириною близько 25 мм, товщиною близько 4 мм із відстанню між кінцями, що дорівнює 1 м (рис. 3.8, а).

Повторні вимірювання довжини дуги меридіана, виконані в XIX ст., довели, що довжина прийнятого метра дещо коротше справжнього “природного” метра. Оскільки надалі, при більш точних вимірюваннях, можливо було б одержати різні значення основної одиниці довжини, Міжнародна комісія з прототипів метричної системи, створена з ініціативи Петербурзької академії наук, у 1872 р. вирішила відмовитися від природного еталона метра і прийняти як вихідну міру метр Архіву. Відповідно до рішення цієї комісії був виготовлений 31 еталон метра у вигляді штрихової міри зі сплаву платини й іридію. З них метр номер 6 виявився при 0 0С рівним метру Архіву і був прийнятий як міжнародний прототип метра. Інші 30 еталонів були розподілені між різними державами.

Еталон метра являв собою платино-іридієвий брусок довжиною 102 см, що має в поперечному перерізі форму X (рис. 3.8 б).

Платино-іридієвий еталон метра номер 28, отриманий Росією в 1889 р., був у подальшому затверджений як державний еталон. Одиниця довжини – метр визначається відстанню між осями двох середніх штрихів, нанесених на бруску, при 0 0С. Хоча еталон був виготовлений зі сплаву іридію і платини, що відрізняється значною твердістю і стійкістю до окислювання, не було повної впевненості в тому, що довжина еталона з часом не зміниться. Це пояснюється тим, що металеві стрижні, які піддалися раніше термічній і механічній обробці, одержують внутрішні напруження, що викликають повільні мікрокристалічні зміни їх структури.

Механі́чна обро́бка - обробка заготовок із різних матеріалів за допомогою фізичної дії різної природи з метою створення виробу за заданими розмірами або проміжної заготовки для подальших технологічних операцій.
При періодичних звіреннях національних еталонів з міжнародним прототипом не можна виявити малих змін їхньої довжини, тому що всі еталони виготовлені з того самого сплаву і, отже, зазнають тих самих змін. Крім того, штрихи, нанесені на бруски, мають деяку ширину, що приводить до похибки звірення на рівні 10-7 м.


meter

а б


Рис. 3.8. Платинова кінцева міра довжини (метр Архіву) (а) і платино-іридієвий штриховий еталон метра (б), що зберігаються в Архіві Франції

Тому необхідно було ввести новий природний еталон метра. У 1895 р.

Кінце́ва мі́ра довжини́ (КМД, плоскопаралельні кінцеві міри довжини, плитки Йогансона) - зразкова міра довжини (еталон) від 0,5 до 1000 мм, виконана у формі прямокутного паралелепіпеда або круглого циліндра, з нормованим розміром між вимірювальними площинами.
II Генеральна конференція з мір та ваг визнала, що природним носієм розміру метра може бути довжина хвилі монохроматичного світла. Після вивчення спектральних ліній ряду елементів було знайдено, що найбільшу точність відтворення одиниці довжини забезпечує оранжева лінія ізотопу криптону-86. ХI Генеральна конференція з мір та ваг (1960 р.) прийняла визначення розміру метра в такому вигляді: “Метр – довжина, що дорівнює 1 650 763,73 довжин хвиль у вакуумі випромінювання, що відповідає переходу між рівнями 2р10 і 5d5 атома криптону-86”. Як відомо, квант світлової енергії випромінюється або поглинається атомом при переході з одного енергетичного стану в інший. Частота випромінювання (поглинання) пропорційна різниці енергій станів:



,

де і − рівні енергій; стала Планка.

Світлови́й поті́к - кількісна характеристика випромінювання, яке випромінюється джерелом світла. Одиниця вимірювання СІ: люмен.
Стала Планка - елементарний квант дії, фундаментальна фізична величина, яка відображає квантову природу Всесвіту. Загальний момент кількості руху фізичної системи може змінюватись лише кратно величині сталої Планка.

Якщо E2 > E1, відбувається випромінювання електромагнітних хвиль, якщо E2 < E1 – поглинання. При поширенні випромінювання у вакуумі зі швидкістю , довжина хвилі монохроматичного світла дорівнює

.

При дослідженні спектрів різних речовин було виявлено, що елементи з парним номером у таблиці Менделєєва і парною атомною масою (т.зв. парно-парні елементи) мають лінії спектра з простим контуром. Найбільш тонкі і симетричні лінії випромінювання відповідають переходу між вищезгаданими рівнями атома криптону-86.

Метр у довжинах світлових хвиль відтворюється інтерференційним методом на спеціальній установці за допомогою лампи, заповненої ізотопом криптону-86.

Періоди́чна систе́ма елеме́нтів - класифікація хімічних елементів, розроблена на основі періодичного закону.
Довжина́ хви́лі - характеристика періодичної хвилі, що позначає найменшу відстань між точками простору, в яких хвиля має однакову фазу. Крива на представленому малюнку може розглядатися, наприклад, як миттєвий знімок збурень в струні, коли відхилення точок струни від положнення рівноваги задається виразом
Схему лампи з криптоном наведено на рис. 3.9.

З метою одержання необхідних умов для випромінювання лінії криптон укладають у капіляр і охолоджують рідким азотом до 50 – 60 К. Атоми криптону збуджують шляхом пропускання через нього електричного струму (напруга порядку 1500 В).

Рідкий азот (англ. Liquid nitrogen, LIN, LN2) - рідина прозорого кольору, є азотом у рідкому стані при надзвичайно низькій температурі. Рідкий азот має питому густину 0,808 г/см³, точна точка кипіння складає 77,4 K (-195,75 °C).
Електри́чний струм (англ. electric current) - упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у просторі.
При цьому капіляр, у якому відбувається світіння збуджених атомів, має оптичний вихід на інтерференційний компаратор (рис. 3.10), за допомогою якого визначається кількість довжин хвиль, що укладаються між штрихами міри (лінійки), тобто довжина. Здійснення цього методу дало можливість знизити похибку відтворення метра приблизно до 410-9 м (СКВ). Однак і цієї точності виявилося недостатньо для вирішення ряду науково-технічних задач. Пошуки кращого еталона продовжувалися.

У 1983 р. XVII Генеральна конференція з мір та ваг прийняла таке визначення метра: Метр одиниця довжини, що дорівнює шляху, який проходить у вакуумі світло за 1/299792458 частку секунди. При такому визначенні швидкість світла постулюється рівною 299292458 м/с (точно), а метр визначається зі співвідношення , де швидкість світла;

Швидкість світла - фізичний термін, який використовується у двох, пов'язаних між собою, але концептуально різних значеннях.
Світловий конус
Перш за все швидкість світла - фундаментальна фізична стала, швидкість розповсюдження електромагнітної взаємодії у вакуумі.
с.

Рис. 3.9. Схема криптонового еталона метра: 1 – капіляр; 2 – газорозрядна трубка з криптоном; 3 – розжарений катод; 4 – манометр; 5 – судина Дюара з рідким азотом; 6 – герметична камера; 7 - термопара; 8 – окуляр; 9 – мотор з лопаткою для перемішування рідкого азоту



Рис. 3.10. Криптоновий еталон метра
Дане визначення принципово відрізняється від визначення 1960 р.: новий метр спирається на еталон часу і відоме значення швидкості світла (сталу), що створює передумови для створення єдиного еталона часу-частоти-довжини.

Неважко бачити, що для реалізації еталона довжини відповідно до цього визначення необхідно вирішити такі задачі:




  • створити високостабільне (за частотою) джерело світлового випромінювання;

  • виміряти частоту цього випромінювання для визначення довжини його хвилі зі співвідношення ;

  • передати розмір одиниці довжини з діапазону довжин світлових хвиль (мікрометри) у діапазон практичного використання (поблизу метра).
    Оптичне випромінювання (Світлове випромінювання) - 1) випромінювання, електромагнітна хвиля оптичного діапазону; термін, що поєднує видиме світло, інфрачервоне випромінювання і ультрафіолетове випромінювання.
    Св́ітло - електромагнітні хвилі видимого спектру. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7.5×1014 - 4×1014 Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нанометрів.


Таким чином, класична структура еталона одиниці довжини містить у собі еталонне джерело коливань у видимій області спектра; систему стабілізації і вимірювання частоти; систему передачі розміру одиниці довжини від “хвильового метра” до його матеріальних носіїв – штрихових і кінцевих мір, вимірювачів і перетворювачів.

До складу еталонного джерела випромінювання державного первинного еталона України відповідно до рекомендації MБMВ, входить група лазерів (рис. 3.11), стабілізованих з використанням ефекту насиченого поглинання в йоді-127 (довжина хвилі =0,633 мкм, частота 473613, … ГГц). Дане групове джерело має нестабільність 7·10-12, СКВ () і НСП () близько 1·10-11.


высокостабильный he-ne/j<sub>2</sub> лазер, стабилизированный по йоду
Рис. 3.11. лазер
Точне вимірювання частоти лазерного джерела здійснюється за допомогою згаданого вище радіооптичного частотного моста (РОЧМ), що являє собою складний вимірювальний комплекс, який дозволяє виміряти дуже високі частоти лазерного випромінювання відносно більш низької частоти (5 МГц) державного еталона часу і частоти, з похибкою, близькою до похибки еталона. Основу РОЧМ складають помножувачі частоти, НВЧ генератори, лазери, нелінійні елементи, що забезпечують перетворення і синтез частот, системи фазового автопідстроювання частоти.

Однак напряму виміряти за допомогою РОЧМ частоту лазера (близько 473 ТГц) – надзвичайно складна задача. У Росії ці вимірювання провели на частоті лазера – 88 ТГц, в Україні – до 27 ТГц. Подальше підвищення вимірюваної частоти виконується за допомогою інтерференційних методів, шляхом порівняння довжин хвиль лазерів. У Росії таким методом проведені вимірювання частоти лазера на =0,633 мкм шляхом визначення відношення (частота лазера вимірюється напряму). Структурну схему вимірювання частоти лазера подано на рис. 3.12.

ДЕЧЧ

РОЧМ


5 МГц

He-Ne/CH4

лазер
Интерферометр



He-Ne/J2

лазер


λ=3,39 мкм
f=88 ТГц

λ=0,63 мкм


f=473 ТГц

Рис. 3.12. Схема вимірювання частоти лазера


Третя задача – передача розміру одиниці “хвильового” метра від лазера до штрихових і кінцевих мір довжини здійснюється за допомогою того ж інтерференційного методу шляхом підрахунку числа напівхвиль , що укладаються на вимірюваній довжині , де − дробова частина порядку інтерференції (виміряється модуляційним методом).

Для здійснення цих вимірювань до складу еталона входить спеціальний інтерференційний компаратор (рис. 3.13).



Рис. 3.13. Інтерференційний компаратор (усередині термостата)
Зазначимо, що для високоточних вимірювань довжини за допомогою інтерферометрів необхідно забезпечувати стабільні параметри навколишнього середовища, з високою точністю вимірювати температуру, вологість, враховувати показник заломлення атмосфери середовища і т.д.
Показник заломлення або абсолютний показник заломлення- це характерне для середовища число, яке визначає в скільки разів швидкість розповсюдження світла в середовищі менша за швидкість світла у вакуумі.
Усе це вимагає створення спеціальних термостатованих приміщень і досить складного додаткового устаткування. В еталонах одиниці довжини Росії й України всю відповідну апаратуру розміщено в спеціальній термобарокамері, а процеси вимірювання й обробки результатів автоматизовано.

Наведемо метрологічні характеристики державного первинного еталона одиниці довжини України [25]:



  • діапазон вимірювань, м 0 – 1,0;

  • випадкова похибка (СКВ) 2·10-11;

  • невиключена систематична похибка 2,5·10-11.
    Систематична похибка (англ. systematic error) - складова загальної похибки вимірювання, яка залишається постійною або закономірно змінюється під час повторних вимірювань однієї і тієї ж величини.


Еталон забезпечує передачу розміру одиниці довжини мірам довжини, вимірювачам і перетворювачам лінійних переміщень.

Ці характеристики відповідають світовому рівню.

Як зазначалося вище, прийняття нового визначення метра привело до прямого зв'язку одиниць часу (частоти) і довжини. Отже, у сукупності державний еталон часу-частоти, система переносу частоти в оптичний діапазон – РОЧМ, система стабілізованих лазерів та інтерферометричний компаратор, що формує і передає розмір метра його матеріальним носіям – штриховим і кінцевим мірам, складають еталон одиниць часу, частоти і довжини. При цьому в основі цього еталона лежать дві сталі: швидкість світла у вакуумі і частота переходу атома цезію-133, числові значення яких прийняті за міжнародною згодою. Наведемо для прикладу структуру російського державного еталона часу довжини і частоти (рис. 3.14).
ДЕЧЧ

5 МГц


РОЧМ

Група високостабільних



He-Ne/J2 лазерів

Інтерферометричний

компаратор

Міри


довжини

Інтерферометр

Возимий

He-Ne/CH4

лазер

  1   2   3


Скачати 358.48 Kb.

  • 3 ЕТАЛОНИ ОСНОВНИХ ОДИНИЦЬ SI У даному розділі дається стислий опис історії створення та принципів побудови первинних еталонів основних одиниць SI. 3.1 Секунда
  • “Секунда – це час, який дорівнює 9192631770 періодам випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133”
  • Рис. 3.5. Структурна схема водневого стандарту частоти
  • Наведемо метрологічні характеристики
  • СКВ відтворення одиниць − не більше 5·10 -14 ; НСП відтворення – не більше 1·10 -13 .
  • Рис. 3.7. Радіооптичний частотний міст Еталон України активно співпрацює з еталонами інших країн, зокрема Росії. 3.2 Метр
  • “ Метр – одиниця довжини, що дорівнює шляху, який проходить у вакуумі світло за 1/299792458 частку секунди ” .