Посвящение в радиоэлектронику - Страница 21

Но не это главное. Например, надо очень точно измерить частоту принятого телеметрического сигнала, чтобы по ее доплеровскому сдвигу рассчитать и скорректировать орбиту вновь выведенного космического корабля.

Время нужно не только знать, его нужно хранить и беречь и в переносном, и в буквальном смысле. Когда участники экспедиции Витуса Беринга отправились на лошадях через всю Россию из Петербурга к берегам Охотского моря, они везли не только канаты, парусину, якоря и прочее оборудование, они везли с собой и хронометры. Тщательно упакованные хронометры держали на коленях в течение всего путешествия, чтобы нечаянным толчком не сбить, не нарушить отсчитываемый ими ход времени. «Привезя» в Охотск гринвичское время, удалось довольно точно определить долготу неизвестных ранее географических пунктов. Ведь долгота измеряется по разности местного, определяемого по солнцу, и гринвичского времени (напомню, что в Гринвиче, вблизи Лондона, находится обсерватория, через которую проходит нулевой меридиан).

Теперь все гораздо проще: гринвичское, да и любое другое время, можно узнать по радио. И не только по сигналам точного времени, передаваемым каждый час любой радиовещательной станцией. Есть и специальные станции, передающие эталонные частоты атомных стандартов. В европейской части СССР можно принять эталонную частоту 66,(6) кГц, передаваемую из Москвы, а в азиатской части 50 кГц, передаваемую из Иркутска. Передается ряд частот и из других мест, в том числе и в диапазоне коротких волн. С такой техникой долготу географических пунктов удается определять с точностью до малых долей угловой секунды. Этими же частотами синхронизируются вторичные эталоны Государственной службы времени и частоты.

Сказав о вторичных, надо рассказать и о первичном эталоне времени. Ведь эталоны нужны при любых измерениях. В СССР используется международная система единиц (СИ). Основными в этой системе являются: единица длины — метр, массы — килограмм и времени — секунда. Кроме того, к основным относятся: единица силы тока — ампер, температуры — кельвин и силы света — кандела. Все другие единицы — производные от основных.

Первичным эталоном килограмма является масса бруска из платиново-иридиевого сплава, мало подверженного коррозии и другим химическим воздействиям. Эталон с максимальными предосторожностями хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа, и лишь изредка извлекается из хранилища для проверки (сличения) привозимых вторичных эталонов.

За эталон метра ранее считали 1/40 000 000 часть длины меридиана Земли, проходящего через Париж. Был и более реальный эталон — стержень метровой длины, изготовленный из инвара — сплава с малым температурным коэффициентом расширения. Точность этого эталона была невысока и определялась точностью и тщательностью геодезических измерений на поверхности Земли. Был выбран более точный, атомный стандарт. Метр определили как длину, равную 1 650 763, 73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего одной из спектральных линий (оранжевой) атомов криптона-86. Длины волн спектральных линий атомного излучения очень стабильны и практически не зависят от внешних условий, поэтому у нового стандарта появилось важное достоинство — повторяемость и воспроизводимость в разных условиях.

Наконец, в самое последнее время предложен новый эталон. Длиной в один метр стали считать путь, проходимый световой волной в вакууме за 1/299792458 часть секунды. В основе нового эталона лежит фундаментальный факт постоянства скорости света в вакууме. Но теперь метр оказался связан с другой основной единицей СИ — секундой, и точное определение эталона времени приобрело особо важное значение. Здесь уместно отмстить, что измерение времени и частоты теперь научились выполнять намного точнее всех других физических измерений.

Основой любого эталона времени является элемент, который совершает (или в котором совершаются) колебания. В часах это маятник, в астрономическом эталоне — сама планета Земля, ведь ее вращение, как мы уже убедились, можно представить суммой двух колебаний с одинаковыми частотами, совершаемых в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В электронных часах колебательным элементом служит кварцевый кристалл, а в атомном стандарте — электронные оболочки атомов рабочего вещества. Секунда сейчас определяется как время, за которое совершается 9192 631 770 периодов колебаний в излучении, соответствующем переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Вероятно, вы знаете, что атомы поглощают и излучают электромагнитную энергию порциями — квантами. В атоме любого вещества электроны располагаются не на каких попало, а на вполне определенных орбитах. Каждой орбите соответствует определенный уровень энергии атома. Если состояние электрона изменяется, то излучается или поглощается квант, энергия которого в точности равна разности энергий в новом и прежнем состоянии атома. Энергия кванта прямо пропорциональна его частоте, поэтому частоты переходов между энергетическими уровнями очень стабильны.

На частотах радиодиапазона энергия квантов очень мала, и для создания эталонов приходится подбирать атомы, имеющие сверхтонкую структуру энергетических уровней. Кроме цезия такую структуру уровней имеют и атомы водорода.

Атом водорода, наипростейший из всех известных, состоит из единственного протона, образующего ядро, и единственного электрона. Спектр излучения водорода содержит серии линий в областям ультрафиолетовых, видимых, и инфракрасных волн. Но есть одна особая линия. Электрон вращается вокруг ядра не только по своей орбите, но и вокруг собственной оси. Такое вращение назвали спином (от англ. spin — волчок, веретено). Спины электрона в ядре могут быть параллельны (вращение в одну сторону) и антипараллельны (вращение в разные стороны). Переход атома из одного состояния в другое соответствует сверхтонкой структуре энергетических уровней. При этом переходе излучается электромагнитная волна около 21 см, лежащая в радиодиапазоне.

Устройство атомного эталона рассмотрим на примере водородного стандарта частоты. В камере, из которой до глубокого вакуума откачан воздух, имеется «атомная пушка» — окно из губчатой платины, тоненькой струйкой пропускающее атомы водорода. Они подвергаются нагреву высокочастотным полем, которое возбуждает часть атомов, т. е. переводит их на уровень с большей энергией. Затем пучок атомов пропускают через фокусирующую систему — магнит с сильно неоднородным полем. Он «отсеивает» невозбужденные атомы, а возбужденные попадают в металлический цилиндр — объемный резонатор, где и отдают энергию в виде электромагнитных колебаний. Энергия отводится из резонатора коаксиальным кабелем. Метрологический водородный стандарт имеет очень хорошую долговременную стабильность и воспроизводимость частоты. Его частота равна 1420405751, 786 ± 0,001 Гц, а стабильность порядка 10^-13. Выходной сигнал резонатора усиливают, многократно делят по частоте и получают стандартные интервалы времени 0,1; 1 с и т. д. Для повышения стабильности водородный стандарт тщательно термостатируют и экранируют даже от магнитного поля Земли.

Надо отметить, что колебания могут существовать не только в электрических цепях, но и в свободном пространстве. Этот особый вид колебаний называют электромагнитными волнами. О них мы поговорим в следующей главе.

Устройство водородного стандарта частоты.