Эталон единицы времени и частоты

Единица измерения времени – секунда. Согласно прежнему определению, действующему до 1965 года, секунда принималась равной 1/86400 части средних солнечных суток. Это определение было связано с вращением Земли вокруг своей оси. Однако, как показали последующие исследования, скорость вращения Земли нельзя считать строго равномерной: она постепенно, хоть и медленно, уменьшается. Возникающая вследствие этого погрешность в определении секунды при возрастающем уровне развития науки и техники стала уже неприемлемой.

Поэтому прежнее определение секунды было заменено новым, устанавливающим ее размер в зависимости от значительного более постоянного отрезка времени – тропического года, т.е. промежутка времени между двумя весенними равноденствиями. Согласно новому определению, секунда – единица времени, равная 1/31556925,9747 части тропического года. Это новое определение не ввело новой единицы времени, но позволило повысить ее точность почтив 100 раз.

Совершенствование эталонов – важнейшая научно-техническая и экономическая проблема, решение которой требует тесного союза с фундаментальной наукой. Так, с начала 60-х годов Физический институт Академии наук СССР и метрологические институты Госстандарта ведут совместные исследования по повышению точности эталона времени и частоты. Именно такое сотрудничество позволило буквально вслед за созданием квантового генератора разработать на его основе первый молекулярный "хронометр" и заблаговременно подготовиться к переходу от астрономического времяисчисления к атомному.

Уже в 1967 году в нашей стране было реализовано принципиально новое определение, секунда – "интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния в атомах цезия-133". Точность эталона, 1967 года, где впервые роль маятника стал выполнять "колеблющийся атом", была по тем временам высокой – относительная погрешность не превышала 10^-11, то есть миллиардной доли процента. Эта на три порядка выше, чем у замененного им "естественного эталона" – вращающейся Земли. В дальнейшем и эту погрешность удалось сократить в 100 раз и до последнего времени она составляла 10^-13.

В декабре 1983 года Госстандарт утвердил новый эталон времени и частоты СССР. Квантовые меры, входящие в его состав, делятся на реперы и хранители. Реперы, в отличие от квантовых мер, которые в эталоне служат собственно часами, включаются только время от времени. Они генерируют опорную, базовую частоту, задавая эталонный "изначальный" размер (продолжительность) секунды. На этом их роль заканчивается. "Опираясь" на частоту репера, то есть, установив размер секунды сличением с ним, непрерывный счет времени ведут хранители, или, попросту говоря, часы.

В новом эталоне реперы двух видов – цезиевый и водородный. Цезий, как ему и положено по международному соглашению, воспроизводят размер секунды в точном соответствии с ее теоретическим определением и с двое меньшей погрешностью, чем его предшественник. Задача водородного репера – хранить воспроизведенную цезием единицу времени и частоты в ее первозданном размере. Обладая более высокой по сравнению с цезиевым репером стабильностью, водородный почти на порядок снизил погрешность хранения размера секунды. К тому же процедура воспроизведения секунды водородом значительно проще, чем цезием.

И, наконец, сами эталонные часы. Ими впервые в мировой практике создания эталонов служат водородные хранители времени, отличающиеся непревзойденной точностью хода. Их суточная погрешность не превышает двух тысячных микросекунды. Так и формируют эталонную шкалу времени, работая бок о бок, приборы трех типов: цезиевый репер задает опорный размер секунды, водородный его хранит, а водородные хранители-часы, сверяясь с репером, отсчитывают время. Ныне погрешность Государственного эталона времени и частоты – 5∙10^-14. Это значит, что за 700 тысяч лет непрерывной работы он может накопить погрешность не более чем в одну секунду. Государственный эталон времени и частоты создан во ВНИИФТРИ в 1967 г., после неоднократных модернизаций утвержден Постановлением Госстандарта в 1998 г.

Дата добавления: 2014-12-27