ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Основные единицы в настоящее время воспроизводятся только централизованно. Эталоны основных единиц воспро­изводят их на основании определений. Каждый эталон состоит из воспроизводящей части и приспособлений или устройств обеспечивающих съем и передачу информации о размере единицы. Во всех без исключения случаях результат воспроизве­дения является случайной величиной.

Основных единиц в Международной системе семь: секун­да, метр, килограмм, келъвин, кандела, ампер и моль Соот­ветственно должно было бы быть и семь государственных первичных эталонов основных единиц. Однако в эталоне моля нет необходимости. В 0,012 кг изотопа углерода-12 содержится 6,022×10²³ атомов. Это число называется чис­лом Авогадро. Если число структурных элементов, состав­ляющих вещество, известно, то деление его на число Авогад­ро дает количество вещества в молях. Можно при необходимости воспроизвести 1 моль любого вещества как 6,022×10²³ его структурных элементов. Масса одного моля водо­рода, например, составляет 2 г, кислорода - 32 г, воды -18 г и т.д.

Государственный первичный эталон единиц времени и частоты и шкалы времени Советского Союза воспроизводит основную единицу СИ секунду в соответствии с ее определе­нием (см. разд. 1.5). Принципиальная схема воспроизводя­щей части эталона показана на рис. 45. Атомы цезия-133 ис­пускаются нагретым источником 1. Пучок этих атомов попа­дает в область неоднородного магнитного поля создавае­мого магнитом 2. Угол отклонения атомов в таком магнит­ном поле определяется их магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное поле позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определенном энергетическом уров­не. Эти атомы направляются в объемный резонатор 3 пролетая через который взаимодействуют с переменным электро­магнитным полем сверхвысокой частоты. Частота электромагнитных колебаний в резонаторе может регулироваться в небольших пределах. При совпадении ее с частотой, соответствующей энергии квантовых переходов, происходит погло­щение энергии СВЧ-поля, и атомы цезия-133 переходят в основное состояние. Отклоняющей магнитной системой 4 они направляются на детектор 5. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Этой частоте приписывается значение 9192631770 Гц, а промежуток времени, равный 9192631770 периодам сверхвысокочастотных колебаний, принимается равным 1 с.

Выбор числа 9192631770 объясняется следующим обра­зом. До 1960 г. секунда определялась как 1/86400 часть средних солнечных суток (среднего значения суток в тече­ние года). Стандартное отклонение этой случайной величины составляет 10^-7 с. С1960 по 1967 гг. за секунду принималась 1/31556925,9747 часть тропического года – промежутка времени между, двумя последовательными прохождениями Солнцем точки весеннего равноденствия. Продолжительность тропического года не постоянна, поэтому для расчетов был выбран конкретный 1900 г. Период обращения Земли вокруг Солнца более стабилен, чем Земли вокруг оси. Поэтому стан­дартное отклонение секунды при воспроизведении по новому определению уменьшилось до 10^-10 с. Стремление к еще большему повышению точности воспроизведения секунды побудило XIII Генеральную конференцию по мерам и весам принять в 1967 г. современное ее определение, стандартное отклонение при котором составляет 10^-10 с. Размер секунды решено было не менять, чем и объясняется цифра 9192631770, связывающая события элементарного и плане­тарного масштабов.

Долговременная стабильность цезиевого репера частоты невелика. Поэтому для хранения единиц времени и частоты в состав государственного первичного эталона входит водо­родный мазер. Принцип действия его показан на рис 46.

Рис. 46. Принципиальная схема мазера на атомар­ном водороде

В стеклянной трубке 1 под действием высокочастотного электрического разряда происходит диссоциация молекул водорода. Пучок атомов водорода через коллиматор попа­дает в неоднородное магнитное поле шестиполюсного осевого магнита 2, где претерпевает пространственную сортировку. В результате последней на вход накопительной ячейки 3, расположенной в объемном резонаторе 4, попадают лишь ато­мы водорода, находящиеся на верхнем энергетическом уров­не. Находящийся внутри многослойного экрана 5 высоко-добротный резонатор настроен на частоту используемого кван­тового перехода. Взаимодействие возбужденных атомов с вы­сокочастотным полем резонатора (в течение примерно 1 с) приводит к их переходу на нижний энергетический уровень с одновременным излучением квантов энергии на резонансной частоте 1420405751,8 Гц. Это вызывает самовозбуждение ге­нератора, частота которого отличается высокой стабильностью. Ее значение периодически поверяется по цезиевому реперу.

Наряду с водородным мазером для хранения шкал време­ни в состав государственного первичного эталона единиц вре­мени и частоты и шкалы времени Советского Союза входит группа квантово-механических часов. Это непрерывно дейст­вующий сложный технический комплекс, главное внимание в котором уделено поддержанию длительного режима работы с высокой стабильностью показаний. Кроме того, в состав эта­лона входит аппаратура для передачи информации о размерах единиц при внутренних и внешних сличениях (лазеры, СВЧ-генераторы, квантовые часы) и средства обеспечения. Диапазон временных интервалов, воспроизводимых эталоном, состав­ляет 10^-9... 10⁸ с.

Принятое XVII Генеральной конференцией по мерам и ве­сам в 1983 г. новое определение метра (см. разд. 1.5) позволи­ло выразить эту единицу СИ через единицу времени — секунду. Однако секунда воспроизводится в сверхвысокочастотном

диапазоне радиоволн, а метр по определению должен воспро­изводиться в оптическом. Оптические частоты на 3—4 порядка выше СВЧ. Потребовалось, образно говоря, из одного диапазо­на в другой перекинуть мост для передачи эталонной точности. Входящий в состав государственного первичного эталона еди­ниц времени и частоты и шкалы времени Советского Союза радиооптический частотный мост (РОЧМ) решает эту задачу в несколько этапов, на каждом из которых используется принцип повышения частоты, общий для всех синтезаторов частот: смешение на нелинейном элементе высокочастотных гармоник опорных сигналов. На первом этапе эталонная точ­ность воспроизведения единиц передается в субмиллиметро­вый диапазон. При этом частота 3557147,5 МГц D₂ O - лазера, работающего на длине волны l = 84 мкм, с помощью лазера на парах синильной кислоты HCN (l = 337 мкм) и клистро­нов с номинальными частотами 74 и 8,2 ГГц привязывается посредством специальной системы фазовой синхронизации к эталонной частоте цезиевого репера. На втором этапе эталон­ная точность передается из субмиллиметрового в инфракрас­ный диапазон электромагнитных волн. Для этого используется стабилизированный СО₂ -лазер (l = 10,6 мкм), частота кото­рого привязывается к восьмой гармонике D₂О — лазера и синхронизируется с частотой цезиевого репера. Специальной системой фазовой автоподстройки к частоте этого лазера при­вязывается частота СО₂ — лазера с l == 10,2 мкм, третья гармоника которой суммируется с частотой клистрона 48 ГГц и сравнивается на нелинейном элементе с частотой мощного гелий-неонового лазера, синхронизированного по стабилизиро­ванному Не — Ne/CH₄ -лазеру с длиной волны излучения l = 3,39 мкм. В результате измерения частоты биений последнее звено РОЧМ — Не — Ne/CH₄ -лазер аттестуется по первичному цезиевому реперу. В итоге частотный диапазон государствен­ного первичного эталона единиц времени и частоты и шкалы времени Советского Союза расширяется от 1 до 10¹⁴ Гц.

Расширить с помощью РОЧМ диапазон воспроизведения единиц времени и частоты до видимой части спектра электро­магнитных волн не удается. Между тем именно оптический диапазон наиболее удобен для перехода интерферометрическим методом от длин волн электромагнитного излучения к концевым и штриховым мерам длины. Поэтому по Не — Ne/CH₄ - лазеру, входящему в состав государственного пер­вичного эталона времени и частоты и шкалы времени Советс­кого Союза, аттестуется гелий-неоновый лазер, стабилизиро­ванный по линии насыщенного поглощения иода-127. Излуче­ние Не — Ne/I₂ — лазера относится уже к видимой части диа­пазона (l = 0,633 мкм). На специальной установке, основу которой составляет вакуумированный модуляционный интер­ферометр Фабри-Перо, сравнивается количество длин волн излучения лазера Не—Ne/CH₄ и Не — Ne/I₂, укладывающихся на одном и том же элементе длины. По их отношению с эталон­ной точностью определяется длина волны излучения Не — Ne/I₂ -лазера. Затем с помощью интерференционного компа­ратора на основании измерения порядка интерференции N аттестуются концевые и штриховые меры длины, согласно соотношению

L =Nl.

Таким образом, воспроизведение единиц времени, частоты и длины осуществляется единым техническим комплексом — государственным первичным, эталоном единиц времени, час­тоты и длины. Особенностью его является то, что часть этало­на, включающая цезиевый репер, водородный мазер, квантово-механические часы и РОЧМ, находится под Москвой в НПО „Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (НПО „ВНИИФТРИ"), а другая часть, в которую входит установка для измерения отношения длин волн инфракрасного и опти­ческого лазеров и интерференционный компаратор, — в Ле­нинграде в НПО „ВНИИМ им. Д. И. Менделеева". Такая тер­риториальная разобщенность эталона потребовала введения в его состав перевозного Не — Ne/CH₄ — лазера, длина волны излучения которого устанавливается по выходному Не— Ne/CH₄ -лазеру РОЧМ и служит для измерения длины вол­ны излучения Не — Ne/I₂ -лазера. Единица длины — метр вос­производится со стандартным отклонением S = 5 × 10^-10 м, что почти на порядок меньше стандартного отклонения ре­зультата воспроизведения метра по старому определению с помощью криптоновой лампы (4 × 10^-9 м). В перспекти­ве предполагается повысить точность воспроизведения метра еще не менее чем на порядок.

Единица массы — килограмм. — воспроизводится до сих пор гирей из платиноиридиевого сплава (90 % Pt и 10 % Ir), изготовленной в 1883 г. английской фирмой Джонсон, Маттей и К° и полученной по жребию Россией в 1889 г. согласно Метрической конвенции. Гиря, фотография которой приве­дена на рис. 47, имеет форму цилиндра с высотой и диаметром основания, равными 39 мм. Она хранится на кварцевой под­ставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шка­фу особого сейфа, находящегося в термостатированном по­мещении НПО „ВНИИМ им. Д. И. Менделеева". В состав государственного первичного эталона единицы массы кроме гири выходят эталонные весы, на которых один раз в 10 лет с помощью манипуляторов дистанционно сличаются с эталон­ной гирей эталоны - копии. Несмотря на все предосторожнос­ти, как показывают результаты международных сличений, за 90 лет масса эталонной ги­ри, воспроизводящей кило­грамм со стандартным откло­нением (1, . .2) × 10^-8 кг, увеличилась на 0,02 мг. Объ­ясняется это адсорбцией мо­лекул из окружающей среды, оседанием пыли на поверх­ность гири и образованием тонкой коррозионной плен­ки. В перспективе предпола­гается перейти к воспроиз­ведению единицы массы че­рез счетное число атомов ка­кого-нибудь химического элемента, скорее всего изото­па кремния-28. Для этого, однако, необходимо повы­сить точность определе-ния числа Авогадро, на что сей­час направлены усилия мно­гих метрологических лабора­торий в мире.

Воспроизведение единицы термодинамической темпера­туры —кельвина—как 1/273,16 части термодинамической тем­пературы тройной точки воды не представляет особого труда. Температуру тройной точки воды удается поддерживать со стандартным отклонением 0,2 мК, чем и определяется стан­дартное отклонение воспроизведения кельвина, составляющее примерно 10^-3 К. Трудности возникают тогда, когда появ­ляется необходимость измерить температуру, отличающуюся от 273,16 К. Свойство нагретости тел можно представить в виде отдельных частей только мысленно. На практике для определения количественной характеристики этого свойства используют тепловое расширение тел (например, столба ртути или спирта), изменение электрического сопротивления и т. п. Термометрические свойства различных веществ (газов, жид­костей, твердых тел) сложным образом и недостаточно точно отражают изменение в широком диапазоне их термодинами­ческой температуры. Поэтому на температурной шкале уста­навливается несколько реперных точек, температура в ко­торых определяется газовым термометром, использующим соотношение между объемом, давлением и температурой идеального газа. Это наиболее точные, но очень трудоемкие измерения, выполняемые лишь в немногих ведущих метрологических лабораториях мира. Основная сложность их состоит в учете несоответствия реального газа идеальному. В проме­жутках между реперными точками температура измеряется с помощью термометрических веществ, градуированных по этим точкам.

С 1968 г. по решению XIII Генеральной конференции по мерам и весам Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68)* включала 12 реперных точек, значение температуры в которых приведено ниже.

Реперная точка Температура, К

Тройная точка водорода 13,81

Точка кипения водорода при

давлении 33330,6 Па 17,042

Точка кипения водорода при

нормальном давлении 20,28

Точка кипения неона 27,102

Тройная точка кислорода 54,361

Точка кипения кислорода 90,188

Тройная точка океанской воды 273,16

Точка кипения океанской воды 373,15

Точка затвердевания олова 505,118

Точка затвердевания цинка 692,73

Точка затвердевания серебра 1235,08

Точка затвердевания золота 1337,58

В диапазоне 1,5. . . 4,2 К воспроизведение температуры обеспечивается государственным специальным эталоном еди­ницы температуры на основе шкалы ⁴He 1958 г.

В диапазоне 4,2. . . 13,81 К температура воспроизводится государственным специальным эталоном единицы температу­ры на основе температурной шкалы германиевого термометра сопротивления.

В диапазоне 13,81. . . 273,15 К государственным первич­ным эталоном единицы температуры воспроизводится шесть реперных точек, а значение температуры в интервалах между ними определяется эталонным платиновым термометром сопротивления.

Все эти эталоны хранятся в НПО „Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотех­нических измерений”

В диапазоне 273,15. . .1337,58 К государственным первич­ным эталоном единицы температуры, хранящимся в НПО „ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", воспроизводятся тройная точка воды, а также точки затвердевания олова, цинка, сереб­ра и золота. В промежутках между ними значение температу­ры устанавливается платиновым термометром.

В диапазоне 1337,58. . . 2800 К этим же эталоном значение температуры определяется по яркости накала рабочего тела температурной лампы, которая градуируется последователь­ным удвоением яркости черного тела при температуре затвер­девания золота.

В диапазоне 10000. . . 150000 К в Харьковском научно-производственном объединении „Метрология" создан госу­дарственный специальный эталон единицы температуры, предназначенный для обеспечения единства измерений тем­пературы плазменных источников излучения.

Перспективы дальнейшего совершенствования эталонов в области контактной термометрии (273,15. . . 1337,58 К) свя­заны с созданием более точного газового термометра. Рассматривается также возможность использования для создания го­сударственных эталонов термометрических свойств электри­ческого сопротивления, напряжение шумов которого имеет квантовую природу, и температурной зависимости частоты ядерного квадрупольного резонанса.

Единица силы света — кандела — по последнему определе­нию, данному XVI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1979 г., воспроизводится в НПО „ВНИИОФИ" госу­дарственным первичным эталоном, утвержденным в 1983 г. Основу эталона составляет модель черного тела при темпера­туре 2700 К. Излучение черного тела при такой температуре мало отличается по своему спектральному составу от излу­чения ламп накаливания, широко используемых в качестве источников света. Это облегчает аттестацию последних в качестве вторичных эталонов.

Спектральную составляющую излучения черного тела на частоте 540 × 10¹² Гц (длина волны 555,016 нм) выделяют светофильтром, а энергию ее контролируют радиометром. Стандартное отклонение при воспроизведении канделы сос­тавляет 10^-3 кд.

________

· Согласно резолюции № 7 XVIII Генеральной конференции по мерам и весам, в 1989 г. Международным комитетом мер и весов была принята Международная температурная шкала (МТШ-90), которая с 1990 г. стала основой измерений температуры, заменив действовавшие МПТШ-68 и Предварительную температурную шкалу (ПТШ-76).

Единица силы электрического тока — ампер — по опреде­лению воспроизводиться не может, так как в нем фигурируют проводники „бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения". Однако в некоторых част­ных случаях (например,

в случае двух соленоидов) можно рассчитать силу взаимодействия электрических токов, проте­кающих по проводникам конечных размеров, с достаточно высокой точностью.

В государственном первичном эталоне единицы силы электрического тока —ампера—, хранящемся в НПО „ВНИИМ им. Д. И. Менделеева”, используется взаимодействие электри­ческих токов в последовательно соединенных коаксиальных соленоидах (катушках) с однослойной обмоткой (рис. 48). Наружный соленоид непод-вижен, а внутренний, подвешенный к одному из плеч коромысла весов, при включении электричес-кого тока втягивается внутрь неподвижного с силой

F = k I²,

где расчетный коэффициент пропорциональности k зави­сит от геометрических соот­ношений в электродинами­ческой системе. На равно­плечих весах эта сила урав­новешивается массой гирь. Согласно расчетам, при массе уравновешивающих гирь около 8 г сила элек трического тока I составляет 1 ам­пер.

Стандартное отклонение при воспроизведении ампера государственным пер-вичным эталоном не превышает 4-10^-6 А. В дальнейшем предполагается в качестве основной единицы СИ вместо ампера утвердить единицу электрического напряжения — вольт, стан­дартное отклонение при воспроизведении которого государст­венным первичным эталоном, созданным в НПО ,,ВНИИМ им. Д. И. Менделеева” и утвержденным в 1980 г., не превы­шает 5 × 10^-8 В.

Производные единицы воспроизводятся как централизо­ванно (государственными первичными и специальными эта­лонами) , так и децентрализованно. В обоих случаях при этом используется информация о размерах основных единиц.

Эталонная база СССР насчитывает в настоящее время около 145 государственных эталонов, причем их число про­должает увеличиваться. Такую тенденцию нельзя оценить положительно. Независимое воспроизведение основных еди­ниц, невысокая точность и несогласованность воспроизведе­ния на их основе производных единиц в разных условиях и

диапазонах их значений не способствуют обеспечению единст­ва, точности, сопоставимости и достоверности измерений. Поэтомуглавной задачей современной метрологии является создание полной системы взаимосвязанных естественных эталонов на основе использования фундаментальных физи­ческих констант и высокостабильных квантовых явлений.