У гонитві за точністю: єдиний стандарт часу - частоти - довжини.

Часу-частоти-довжини, введений у дію як державний у 1992 році, є складною технічною системою і складається з двох частин - Державного первинного еталона часу, частоти та національної шкали часу (ГЕВЧ) та Державного первинного еталона довжини – метр. Перша частина Єдиного зразка ВЧД, що містить ГЭВЧ і радіочастотний міст (РОЧМ), необхідний перекладу радіочастот цезієвих атомних годинників в оптичні частоти лазерів, перебуває у Всеросійському науково-дослідному інституті фізико-технічних і радіотехнічних вимірів (ВНИИФТРИ); друга частина, що складається з апаратури, що реалізує Державний первинний стандарт довжини - метр, - у Всеросійському науково-дослідному інституті метрології (ВНДІМ) ім. Д.І. Менделєєва.

Державний первинний еталон часу, частоти та національної шкали часу (ГЕВЧ) призначений для відтворення та зберігання:

одиниці часу - "атомної" секунди (с);
одиниці частоти – герца (Гц);
шкали атомного часу – ТА;
шкали координованого часу – UTC.

Відтворення одиниць часу та частоти (секунди та герца) проводиться із середнім квадратичним відхиленням, що не перевищує 5 * 10 -14 при невиключеної складової систематичної похибки менше 10 -14 . Така точність відтворення одиниць часу та частоти необхідна для вирішення багатьох наукових та практичних завдань: здійснення дистанційного керуванняманеврами космічних апаратів поблизу далеких планет Сонячна система, досягнення високої точності систем супутникової навігації GPS та ГЛОНАСС, розвитку нанотехнологій, роботизованих технічних системта ін.

Перед вітчизняною метрологією стоїть завдання для подальшого підвищення точності відтворення одиниць часу і частоти, т.к. тут є певне відставання від світових рівнів.

1. Історія системної одиниці часу – секунди

Перші системи одиниць вимірюваних величин виникли у Стародавньому Вавилоні та Стародавньому Єгиптіі були не так системи одиниць, скільки системи заходів використовуваних одиниць, тобто. тих природних чи штучних матеріальних зразків, що визначають одиницю вимірюваної величини. Такими заходами були гирі певних переваг, спеціально виготовлені тари певного обсягу для сипучих і рідких речовинчастини тіла людини, що мають приблизно однакові лінійні розміри і т.п. Загальноприйняті одиниці вимірювання часу, такі як рік, місяць, доба (день і ніч) хоча об'єктивно мали свої заходи у вигляді Землі, що обертається навколо своєї осі і обертаються навколо загальних центром мас космічних системСонце-Земля і Земля-Луна, але це були такі заходи, які не піддавалися контролю з боку державних чиновників, та ще й за часів Стародавніх цивілізацій ще не були досить добре вивчені. Що ж до дрібніших одиниць часу, всі вони були дуже невизначені і мали своїх заходів. У першій науково обґрунтованій системі одиниць фізичних величин, Розроблена науковою комісією Академії наук революційної Франції також ще не було одиниці часу.

Вперше одиниця тривалості – секунда – з'явилася розробленої Ф. Гауссом в 1832 році системі СГС – сантиметр – грам – секунда, як третя основна одиниця системи. І хоча секунда в цей час ще не мала заходу, вже існувала і досягла значних успіхів, створена в 1676 р. Грінвічська астрономічна обсерваторія спеціально призначена для визначення та зберігання точного часу.

Можливість надати секунді певної міри виникла в 1929 році, коли Національне бюро стандартів США почало використовувати кварцовий годинник. Мірою секунда могло стати певна кількістьколивань кварцового осцилятора, але секунда була перевизначена і її величина залишилася пов'язаної з тривалістю доби.

Вперше стабільна міра тривалості, що дозволила надати секунді певну міру, виникла з винаходом атомного годинника. Такою мірою, за визначенням Міжнародного комітету з мір і ваг (1967 р.), стала тривалість 9102631770 переходів між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

2. Історія системної одиниці довжини – метра

Одиниця довжини – метр – вперше з'явилася у Франції у період Великої французької революції. Спеціальна комісія Французької академії наук вирішила пов'язати одиницю довжини з природним заходом - однією десятимільйонною часткою чверті Паризького меридіана і назвати цю одиницю «справжнім та остаточним метром» ( metre vrai et definitive ). З метою отримання цієї одиниці довжини було проведено вимірювання довжини дуги Паризького меридіана між Дюнкерком та Барселоною; на основі отриманих результатів виготовили зразок метра у вигляді платинової лінійки шириною близько 25 мм і товщиною 4 мм. Цей захід був зданий в архів Французької республіки і став називатися «архівним метром». Але з підвищення точності геодезичних і астрономічних вимірів з'ясувалося, що довжина однієї десятимільйонної частки чверті меридіана залишається постійною величиною. Тому «архівний метр» досить швидко втратив гідність природної міри довжини та став розглядатися як штучний стандарт одиниці довжини. Проте «архівний метр» майже сторіччя прослужив як міжнародний стандарт довжини.

У наприкінці XIXсторіччя вирішили уточнити цей стандарт. З цією метою було виготовлено 31 еталонів у вигляді стрижнів із платино-іридієвого сплаву з Х-подібним перерізом із двома штрихами, нанесеними за допомогою «архівного метра». Найбільш точну відповідність «архівному метру» (у межах точності виміру) показав еталон № 6 при 0° З повагою та в 1889 року в I Генеральної конференції в мірах і вагам його і прийняли як прототипу метра. Він зберігається в Міжнародному бюро заходів та ваг у місті Севре (біля Парижа). З 30 еталонів, що залишилися, 28 були розподілені за жеребом між країнами, що брали участь у конференції 1889 року, а два залишені як «еталон-копія» і «еталон-свідок». Росія отримала два зразки метра: № 11 і № 28. Останній декретом Раднаркому в 1918 був узаконений як державний зразок або прототип метра для СРСР. Він зберігається (досі) у ВНДІМ ім. Д. І. Менделєєва у Санкт-Петербурзі і використовується лише для порівняння з ним вторинних еталонів чи еталонів-копій.

З розвитком точних методів інтерферометричних вимірювань з'явилася ідея висловити метр у довжині світлових хвиль і в 1927 р. VII Генеральна конференція з мір і ваг ухвалила вважати, що 1 метр дорівнює довжині 1 553 164,13 хвиль червоної лінії кадмію за певних умов (температури, і т.д.). До 30-х років ХХ століття точність інтерферометричних вимірів перевищила ширину штрихів на зразку метра та його копіях. У 1960 році XI Генеральна конференція з мір і ваг прийняла нове визначення метра: він став дорівнює довжині 1650763,73 хвиль випромінювання у вакуумі, відповідної помаранчевої лінії ізотопу криптону з атомною вагою 86 (86 Kr). Ця лінія набагато вужча, ніж лінія кадмію. Нове визначення метра підвищило точність зразка у 100 разів. Однак вона відносною на чотири порядки нижче точності, досягнутої в стандартах часу. Це, зокрема, обмежувало точність вимірювання швидкості світла, оскільки швидкість світла визначалася виміром часу розповсюдження світла на базисі відомої довжинитому точність вимірювання лімітувалася точністю криптонового еталона довжини, а не точністю вимірювання часу.

Шлях до підвищення точності вимірювання довжини відкрило використання винайдених у 1960 році лазерів.

Виявилося, що газовий лазер на суміші гелію і неону (Не-Nе) може генерувати надзвичайно вузькі спектральні лінії (так звані поздовжні моди) - набагато вищу, ніж у криптонового стандарту. Однак частоти цих ліній можуть «плавати», змінюватися неконтрольованим чином (наприклад, внаслідок зміни довжини резонатора). Тому, щоб отримати джерело світла набагато краще, ніж криптонова лампа, необхідно стабілізувати частоту лазерного випромінювання. Такої стабілізації досягли використанням молекулярних ліній поглинання деяких газів, які мають частоту однієї з ліній поглинання близька до частоти випромінювання лазера. Наприклад, гелій-неоновий лазер може генерувати на трьох довжинаххвиль: 0,63, 1,15 та 3,39 мкм; при цьому лінії з довжиною хвилі 0,63 мкм дуже точно відповідає лінія поглинання молекули парів йоду J 2 а лінії з довжиною хвилі 3,39 мкм - лінія поглинання молекули метану СН 4 . Осередок з поглинаючим газом поміщають всередину резонатора лазера. Якщо змінювати довжину резонатора, налаштовуючи лазерну частоту на центр спектральної лінії поглинаючого газу, випромінювання лазера з'являється резонансний пік з гранично вузькою шириною спектра. Цей стан постійно підтримує система автопідстроювання довжини резонатора. Лазери Не-Nе/J 2 127 і особливо Не-Ne/CH 4 забезпечують генерацію дуже вузьких ліній випромінювання зі стабільністю частоти того ж порядку, що і в стандартах часу. Звичайно, виникла думка про використання стабілізованих лазерів як стандарти довжини замість криптонового зразка. Цьому сприяла ще одна обставина.

На початку 1970-х років у США, Англії та СРСР були виконані експерименти з уточнення швидкості світла у вакуумі з, засновані на незалежному вимірі частоти і довжини хвилі високостабільного лазера (твір дорівнює і). Обробка результатів цих експериментів дала значення = 299 792 458 ± 1,2 м/с з відносною похибкою 4.10 -9 . До цих експериментів вона дорівнювала 3.10 -7 , тобто вимірювання швидкості світла з використанням стабілізованих лазерів підвищили точність приблизно на два порядки. Але подальше уточнення значення було неможливо, оскільки величина 4.10 -9 практично цілком зумовлена недостатньою точністю криптонового еталона довжини, порівнянням з яким обчислювалася довжина хвилі λ. Вихід із цього положення виявився досить несподіваним та оригінальним. Було вирішено: не будемо прагнути уточнювати, а приймемо отримане значення 299 792 458 м/с за світову константу. Оскільки швидкість пов'язує відстань та час, це дозволило дати нове визначення метра – через одиницю часу. І в 1983 році на XVII Генеральній конференції з мір і ваги ухвалили: «Метр - це відстань, прохідне світлому вакуумі за 1/299792458 частку секунди».

3. Розробка єдиного зразка часу-частоти-довжини

Наведене вище визначення метра повністю скасовує криптоновий зразок довжини і взагалі робить метр незалежним від жодного джерела світла. Зате надає йому залежність від розміру секунди, отже, і герца - одиниці частоти. Так вперше було встановлено зв'язок між довжиною, часом та частотою. Цей зв'язок призвів до ідеї про створення єдиного зразка часу - частоти - довжини (ВЧД), заснованого на співвідношенні λ = с/ν, де λ - довжина хвилі випромінювання стабілізованого лазера, ν - його частота. Плідність цієї ідеї в тому, що частоту можна виміряти з похибкою, забезпеченою сучасним стандартом частоти (скажімо, 10 -13 і менше). Оскільки значення з фіксовано, то значення λ буде визначено з тією ж похибкою, що за Крайній міріна чотири порядку точніше, ніж при використанні колишнього криптонового зразка довжини.

Однак стандарт частоти, що задає атомну секунду, - цезієвий генератор, частота якого лежить в радіодіапазоні. І щоб виміряти частоту лазера порівнянням з еталонною частотою, треба здійснити перехід еталонної частоти в оптичний діапазон, тобто помножити її до оптичних значень. Однак еталонна частота має нецілочисленну величину і незручна для перетворень. Тому зазвичай замість цезієвого генератора використовують низькочастотний кварцовий генератор зі зручним значенням частоти, наприклад 5 МГц. Але такий генератор має набагато меншу стабільність частоти і сам собою служити еталоном не може. Необхідно стабілізувати його частоту за цезієвим стандартом, надавши йому таку ж стабільність.

Це здійснюється за допомогою схеми фазового автопідстроювання частоти. Низька частотакварцового генератора f кв збільшується радіотехнічними засобами в деяке число (n) разів і змішувачі віднімається з частоти цезієвого еталона f эт. Підбором конкретних значень n і f кв різницеву частоту (f ет - nf кв) можна зробити приблизно рівною частоті кварцового генератора: (f эт - nf кв) = f кв.

Сигнал різницевої частоти (f ет - nf кв) після посилення надходить однією вхід фазового детектора, але в інший його вхід подається сигнал частоти f кв від кварцового генератора. На виході фазового детектора виникає напруга, величина та знак якого залежать від відхилення різницевої частоти від частоти f кв. Ця напруга надходить на блок управління частотою кварцового генератора, зрушуючи її до тих пір, поки вона не стане точно рівною різницевою частотою. Інакше кажучи, будь-яка розлад частот (f эт - nf кв) і f кв викликає появу управляючого сигналу, що зводить цю розлад до нуля, завдяки чому частота кварцового генератора автоматично підтримується постійної та її стабільність виявляється майже рівної стабільності цезієвого стандарту. Тепер можна здійснювати передачу цієї частоти оптичний діапазон.

Для цієї мети використовується радіооптичний частотний міст (РОЧМ), в якому за допомогою багатоланкового ланцюжка різних НВЧ-генераторів та проміжних лазерів субміліметрового та інфрачервоного діапазонів виконується послідовне множення еталонної частоти 5 МГц до значень 1014 Гц. Так створюються зразки частоти оптичного діапазоні - оптичні стандарти частоти. Як такі стандарти затверджено п'ять стабілізованих газових лазерів.

Отже, стандарт довжини, що відтворює метр у його новому визначенні, реалізується з допомогою атомного (цезиевого) стандарту часу і частоти, доповненого РОЧМ. Цей комплекс і є єдиним стандартом ВЧД. При цьому характерно, що розміри всіх одиниць – одиниці часу (секунди), частоти (герца) та довжини (метра) – задаються всього двома природними константами: резонансною частотою переходу в атомі цезію-133 та швидкістю світла у вакуумі.

У Останнім часомзнайдено перспективнішу можливість створення єдиного еталона ВЧД, пов'язана з розробкою фемтосекундного «оптичного годинника», здатного служити також «оптичним метром» («Наука і життя» № 9, 2003 р.). При цьому відпадає необхідність у ланцюжку передачі завдяки генеруванню високостабільного «оптичного гребінця» в надзвичайно широкому діапазоні спектру. Така гребінка, що сприймається як біле світло, виникає при проходженні фемтосекундних імпульсів від лазера на сапфірі з титаном через оптичне волокноіз спеціально створеною мікроструктурою. Подробиці про такі розробки можна знайти в нобелівської лекціїДж. Холла, опублікованій російською мовою під назвою «Визначення та вимірювання оптичних частот: перспективи оптичного годинника – і не тільки» (УФН, 2006, № 12).

Крім того, було знайдено можливість підвищення точності цезієвого зразка часу. Ще 1997 рокуМіжнародне бюро заходів та ваг підкреслило, що у визначенні атомної секунди фігурує атом цезію, що спочиває при температурі абсолютного нуля (за шкалою Кельвіна). У нових модифікаціях цезієвих годинників (які називають фонтанними) ця умова майже ідеально досягається шляхом лазерного охолодження атомів. З використанням такого методу в американському Національний інститутстандартів та технології (NIST) були побудовані еталонний цезієвий годинник, що забезпечують відносну точність відтворення одиниці часу – секунди – порядку 3.10 -16 ( догляд годинника становить 1 секунду за 70 мільйонів років). Але ще перспективніші стандарти частоти, засновані на переходах в іонах ртуті, ітербія або стронцію, що випромінюють не в мікрохвильовому, а в оптичному діапазоні. Точність окремих лабораторних розробок таких оптичних годинників вже зараз досягає 2.10 -15 , а в принципі вони можуть забезпечити точність відтворення одиниць часу та частоти на рівні 10 -17 -10 -18 . До такої точності впритул підійшли японські дослідники. В експериментальному зразку стронцієвого оптичного годинника, розробленого в Токійському університеті групою Хідетосі Каторі, іони стронцію знаходяться в оптичній пастці на перехресті шести лазерних променів, під впливом яких вони утримуються в «енергетичних ямах», майже не взаємодіючи і випромінюючи світло виключно стабільної частоти. Точність стронцієвого годинника в тисячу разів перевищує точність цезієвих, що використовуються сьогодні як зразок часу і частоти. Припускають, що незабаром еталон буде замінений і застосування таких надточних оптичних годин дозволить відповідно збільшити точність єдиного еталона часу – частоти – довжини.

Використана література: Голубєв А.У гонитві за точністю ... частоти-довжини / / Наука і життя. 2009. № 12.

Ільгіз А. Хасанов

Одиниця виміру часу – секунда. Згідно з колишнім визначенням, що діє до 1965 року, секунда приймалася рівною 1/86400 частині середньої сонячної доби. Це визначення було з обертанням Землі навколо своєї осі. Однак, як показали наступні дослідження, швидкість обертання Землі не можна вважати строго рівномірною: вона поступово, хоч і повільно, зменшується. Похибка, що виникає внаслідок цього, у визначенні секунди при зростаючому рівні розвитку науки і техніки стала вже неприйнятною.

Тому колишнє визначення секунди замінили новим, що встановлює її розмір залежно від значного більш постійного відрізка часу – тропічного року, тобто. проміжок часу між двома весняними рівноденнями. Згідно з новим визначенням, секунда – одиниця часу, що дорівнює 1/31556925,9747 частини тропічного року. Це нове визначення не запровадило нової одиниці часу, але дозволило підвищити її точність майже 100 разів.

Удосконалення еталонів – найважливіша науково-технічна та економічна проблема, вирішення якої потребує тісного союзу із фундаментальною наукою. Так, з початку 60-х років Фізичний інститут Академії наук СРСР та метрологічні інститути Держстандарту ведуть спільні дослідження щодо підвищення точності зразка часу та частоти. Саме така співпраця дозволила буквально слідом за створенням квантового генератора розробити на його основі перший молекулярний "хронометр" і заздалегідь підготуватися до переходу від астрономічного обчислення до атомного.

Вже 1967 року у нашій країні було реалізовано принципово нове визначення, секунда – " інтервал часу, протягом якого відбувається 9192631770 коливань, відповідних резонансної частоті енергетичного переходу між певними рівнями надтонкої структури основного стану атомах цезия-13. Точність зразка, 1967 року, де вперше роль маятника став виконувати " атом, що коливається ", була на ті часи високою - відносна похибка не перевищувала 10 -11 , тобто мільярдної частки відсотка. Ця на три порядки вище, ніж у заміненого ним "природного зразка" - Землі, що обертається. Надалі і цю похибку вдалося скоротити у 100 разів і до останнього часу вона становила 10-13.

У грудні 1983 року Держстандарт затвердив новий стандарт часу і частоти СРСР. Квантові заходи, що входять до його складу, поділяються на репери та зберігачі. Репери, на відміну квантових заходів, які у зразку служать власне годинами, включаються лише іноді. Вони генерують опорну, базову частоту, задаючи еталонний "початковий" розмір (тривалість) секунди. На цьому їхня роль закінчується. "Опираючись" на частоту репера, тобто, встановивши розмір секунди звіряння з ним, безперервний рахунок часу ведуть зберігачі, або, попросту кажучи, годинник.

У новому зразку репери двох видів – цезієвий та водневий. Цезій, як і належить міжнародною угодою, відтворюють розмір секунди у точній відповідності до її теоретичним визначенням і з двоє меншою похибкою, ніж його попередник. Завдання водневого репера – зберігати відтворену цезієм одиницю часу та частоти у її первозданному розмірі. Маючи більш високу порівняно з цезієвим репером стабільністю, водневий майже на порядок знизив похибку зберігання розміру секунди. До того ж, процедура відтворення секунди воднем значно простіше, ніж цезієм.

І, нарешті, сам еталонний годинник. Ними вперше у світовій практиці створення еталонів служать водневі зберігачі часу, що відрізняються неперевершеною точністю ходу. Їхня добова похибка не перевищує двох тисячних мікросекунди. Так і формують еталонну шкалу часу, працюючи пліч-о-пліч, прилади трьох типів: цезієвий репер задає опорний розмір секунди, водневий його зберігає, а водневі зберігачі-годинник, звіряючись з репером, відраховують час. Нині похибка Державного стандарту часу і частоти – 5∙10 -14 . Це означає, що за 700 тисяч років безперервної роботивін може нагромадити похибку лише за одну секунду. Державний еталон часу та частоти створено у ВНДІФТРІ у 1967 р., після неодноразових модернізацій затверджено Постановою Держстандарту у 1998 р.

Найточніший наручний або настінний годинник грішить проти еталонного часу в мільярди разів. Втім, у побуті і не потрібна точність до часток мікросекунди. Але вона абсолютно необхідна у дослідженні космосу, для створення систем навігації, управління повітряним рухом, підвищення якості теле- та радіопередач та багатьох інших цілей.

Еталон часу – особливий. Решта зразки вводять у дію періодично, для звірення із нею вторинних і робочих стандартів. Але зразок, що зберігає шкалу часу, не можна зупинити, як не можна зупинити час. Він працює завжди. Є такий афоризм: час - дуже просте поняття, поки ви не намагаєтеся пояснити його будь-кому. З повною підставою ці слова можна віднести і до зразка часу. Найменше він нагадує годинник, а обладнання та наукові підрозділи, які забезпечують експлуатацію еталона, займають велика будівля. Знаходиться воно у Всеросійському науково-дослідному інституті фізико-технічних та радіотехнічних вимірювань (ВНДІФТРІ) під Москвою.

Еталон часу - це складний комплекс, до якого входять цезієві репери (генератори, що дають чітко визначену частоту) і водневі зберігачі частоти, зберігачі шкал часу, прилади для вимірювання часових інтервалів та інша апаратура. Деякі складові еталона унікальні, наприклад, радіооптичний частотний міст, який служить для вимірювання частот випромінювання лазерів. У світі крім Росії такий міст є лише у Канаді, Франції, США та Великобританії. Російський державний стандарт часу входить у групу кращих світових стандартів, його відносна похибка вбирається у 5.10-14, тобто 0,00000000000000 секунди. За півмільйона років зразок дасть похибку за одну секунду.

А ось історія цього питання:

Еталони для вимірювання часу мають бути засновані на періодичних процесах, період яких постійний з великою точністю. Спочатку єдиним відомим процесом такого роду було обертання Землі навколо своєї осі, і одиниця часу – секунда – визначалася як 1/86 400 частина періоду цього обертання, тобто доби. Тривалість доби визначалася з двох послідовних спостережень проходження якого-небудь небесного світила через площину меридіана місця спостереження. Вже давні астрономи переконалися, що тривалість інтервалу між двома проходженнями Сонця через площину меридіана не збігається з тривалістю інтервалу, визначеного за спостереженнями будь-якої з «нерухомих» зірок: сонячнідоба виявилася на 4 хвилини більшою зіркових. Це наслідок руху Землі орбітою (обертання Землі навколо осі та її орбітальний рух відбуваються щодо одного напрямі). Користуватися зоряним часом незручно, тому що все наше життя пов'язане зі зміною дня та ночі, із сонячною добою. Але визначити їхню тривалість з великою точністю дуже складно: по-перше, Сонце занадто «велике»; по-друге, сонячне випромінювання нагріває та деформує точні прилади та, нарешті, тривалість сонячної доби змінюється протягом року внаслідок зміни швидкості руху Землі по орбіті. Тому безпосереднє визначення періоду обертання Землі виконується за спостереженням зірок, а для практичних цілей враховують різницю між зоряною та сонячною добою. Так виникло своєрідне становище, за якого ми користуємося сонячним часом, визначаючи його за зірками.

Внаслідок зміни тривалості доби, яка збільшується в середньому на 1 мс за століття під впливом припливних сил Місяця, було переглянуто визначення секунди. Замість 1/86 400 частини середньої сонячної доби її тривалість з 1960 р. визначається як 1/315 569 259 747 частина сонячного (або тропічного) року за станом на 12 годин ефемеридного часу січня 1900 р.

У 1958 р. секунда прийнята рівною 9192631770 ± 20 періодів випромінювання, що відповідає переходу між рівнями основного стану атома цезію-133 без зовнішніх полів. Найбільша добова зміна була зареєстрована 8 серпня 1972 р., вона становила 10 мс і була викликана найпотужнішою сонячною бурею, яка спостерігалася за останні 370 років.

Точність цезієвого еталона частоти наближається до 8 частин на 10 14 що вище, ніж 2 частини на 10 13 для гелієво-неонового лазера, стабілізованого метаном, і чим 6 частин на 10 13 для водневого мазера.

Найдовшим мірою часу є кальпав індуїстській хронології. Вона дорівнює 4320 млн. років. В астрономії космічний рікє період звернення Сонця навколо центру Чумацького Шляху, Він дорівнює 225 млн років. У пізньому крейдяному періоді (близько 85 млн. років тому) Земля оберталася швидше, внаслідок чого рік складався з 370,3 діб. Є також свідчення того, що в епоху кембрію (600 млн років тому) рік тривав понад 425 діб.

Нерівномірність добового обертаннята орбітального руху Землі не дозволяє створити суворо рівномірні шкали часу. Тому було введено ще одну шкалу - ефемеридний час, названий пізніше динамічним часом. Під ним розуміють аргумент у диференціальних рівнянняхруху тіл Сонячної системи у гравітаційному полі. Це поступово поточний час застосовують щодо ефемерид (елементів кеплерової орбіти) супутників.

Будь-який час вимірюють за допомогою годинника. Після того як Галілей створив теорію маятника, а Гюйгенс винайшов обертовий балансир, з'явився маятниковий годинник. І незабаром найкращі з них дозволили виявити систематичне уповільнення добового обертання Землі, спричинене океанічними припливами.

Після винаходу кварцового годинника, в якому роль коливань маятника грають пружні коливання кварцових пластинок під дією електричної напруги (п'єзоефект), було встановлено, що і при врахуванні регулярного уповільнення тривалість доби все ж таки непостійна - вона може змінюватися в обидві сторони на тисячні і навіть соті частки секунди.

До середини XX століття стало ясно, що точність кращих годинників перевершила точність нашого природного зразка часу - доби. Можливості астрономічних методів виміру часу виявилися вичерпаними.

Принципово нові та точніші методи вимірювання часу прийшли з радіоспектроскопії та квантової електроніки.

Кожен атом чи молекула вибірково поглинає чи випромінює як світло, а й радіохвилі певної довжини хвилі λ, чи частоти f, які характеризуються неперевершеною сталістю. Це дозволило створити квантові стандарти частоти, а отже, і часу (згадаймо, що частота - величина, обернена до періоду, тобто часу одного коливання) і побудувати шкалу атомного часу AT, що задається конкретним атомним чи молекулярним еталоном.

Шкала АТмайже цілком рівномірна. У ній одиницею вимірювання служить атомна секунда - проміжок часу, протягом якого відбувається 9192631770 коливань, що відповідають резонансній частоті енергетичного переходу між рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133 (133 Cs). Іншими словами, за атомну секунду відбувається число періодів коливань цезієвого генератора, що дорівнює його частоті, що становить 9192631770 Гц (~ 9,2 Ггц). Стабільність цієї частоти дуже висока (тобто відносна нестабільність Δ f/f, де Δ f- Догляд частоти, дуже мала). Крім цезієвого як стандарти частоти використовують також рубідієвий і водневий генератори (останній найбільш стабільний, див. таблицю).

Існує Міжнародний атомний час ТАI(від французької назви Temps Atomic International). Воно встановлюється на основі показань атомних годинників у різних метрологічних установах відповідно до наведеного вище визначення атомної секунди.

Оскільки шкали ATі UTне узгоджуються між собою, запроваджено проміжну шкалу, звану всесвітнім координованим часом UTС (Universal Time Coordinated). Це атомний час, який коригується на 1 с, коли його розбіжність з UT 1 перевищує 0,5 с. Корекція проводиться в останню секунду 30 червня або 31 грудня або обидві дати.

Наведене вище визначення атомної секунди прийнято міжнародними організаціями в 1967 році, і в тому ж році на основі цього визначення в СРСР було створено новий Державний зразок часу та частоти. Сучасний його варіант включає цезієвий і водневий генератори і забезпечує зберігання і відтворення секунди і герца з похибкою, близькою до 1·10 -14 .

Так, і ще нагадаю вам, що Міжнародна служба обертання Землі повідомляє, що 30 червня 2015 року до часу UTC буде додано чергову секунду координації. Це означає, що день 30 червня 2015 року триватиме на одну секунду більше, ніж зазвичай:
…
2015 Червень 30, 23г 59м 59с
2015 Червень 30, 23г 59м 60с
2015 Липень 1, 0ч 0м 0с
…
Починаючи з 1 липня 2015 року, Міжнародний атомний час (TAI) відрізнятиметься від Всесвітнього координованого часу (UTC) на 36 секунд.
Що це таке і навіщо це потрібно

UTC є міжнародним стандартом, на основі якого обчислюється локальний («місцевий» або цивільний) час у різних часових поясах. Час UTC "іде" синхронно з міжнародним атомним часом - TAI. Еталон атомного часу має надзвичайно високу стабільність, він не має добових чи вікових коливань, і його висока точність не змінюється з часом. Саме в стабільності і точності атомного годинника криється проблема, яка робить їх застосування не зовсім зручним для людини.

Так вже склалося, що найбільш звичним для більшості людей є час, заснований на русі Сонця (або інших астрономічних об'єктів, наприклад зірок) по небесній сфері. Проте, швидкість обертання Землі навколо своєї осі постійно змінюється. По-перше, ця величина не зовсім рівномірна на коротких проміжках (від доби до століть, ця нерівномірність викликається різними кліматичними та геологічними процесами), а по-друге, приливне прискорення, що викликається Місяцем, постійно уповільнює обертання Землі, скорочуючи земну добу приблизно на 2 ,3 мс у сторіччя.

Як зазначалося вище, UTC використовує строго рівномірну шкалу атомного часу. Для того, щоб максимально наблизити UTC до шкали часу, заснованої на добовому обертанні Землі, в UTC періодично доводиться вносити секунди координації - подібно до того, як у високосний рікдодаються одну добу. Істотна різниця цих процесів у тому, що заздалегідь розрахувати момент введення секунди координації через коливань швидкості обертання Землі неможливо. Тому рішення про застосування секунди координації приймається Міжнародною службою обертання Землі (IERS) на підставі астрономічних спостережень. Додавання секунди проводиться наприкінці доби 31 грудня або 30 червня таким чином, щоб UTC відрізнялося від середньосонячного часу (точніше, всесвітнього часу UT1) не більше ніж на 0,9 с.

Вперше додаткова секунда була додана до UTC 30 червня 1972 року. Теоретично швидкість обертання Землі може змінитися так, що знадобиться вводити і негативну секунду (тобто відняти її з UTC), проте з 1972 року використовувалися тільки позитивні секунди координації.

Вплив припливного прискорення і сповільнення швидкості обертання Землі, що викликається ним, вимагатиме вводити секунди координації в майбутньому все частіше і частіше. Однак неможливість точного розрахунку або передбачення чергового моменту, коли потрібно вносити додаткову секунду, створює ряд проблем - наприклад, збої в роботі операційних системпри некоректній обробці доданої секунди або неможливості точного розрахунку майбутнього часу UTC на термін понад 6 місяців. Для таких сфер діяльності, як навігація, транспорт, телекомунікації, енергетика, подібні помилки можуть виявитися вкрай критичними. Останнім часом висловлюється думка про необхідність скасування додавання секунд координації та їх заміни сумарним додаванням однієї години, яка буде застосовуватись близько 1 разу на 6000 років. Очікується, що остаточне рішення з цього питання буде ухвалено Міжнародним союзом електрозв'язку (International Telecommunication Union, ITU) у 2015 році.

Людина живе у часі та просторі, і вже в давнину з'явилася необхідність вимірювати час і довжину - характеристику простору. Виміряти - означає порівняти величину, що вимірюється, з іншою величиною того ж роду, званої одиницею виміру. Ця одиниця має бути чітко визначеною та незмінною величиною - еталоном. Створенням стандартів займається наука, названа метрологією. За зразок часу прийнята секунда, за зразок довжини - метр. Але як їх визначити? Скажімо, секунда – це проміжок часу, протягом якого... що? Метр - це відстань, яка дорівнює... чому? Ці питання аж ніяк не прості. Подивимося, як на них відповідає сучасна метрологія.

Час

Оскільки справжня сонячна доба не залишається однаковою протягом року, то повсякденному життіза основну одиницю часу приймають середня сонячна доба, розраховані у припущенні рівномірного руху Землі орбітою. Час у такій добі називають середнім часом. Зрозуміло, що його значення змінюється зі зміною географічної довготимісця: коли у Москві 12 годин дня, то, скажімо, у Красноярську вже 16 годин, тобто виникає поняття місцевого часу. Місцевий середній час на Грінвічському меридіані називають всесвітнім часомі позначають UT (Universal Time). Цей всесвітній час покладено основою створення кількох астрономічних шкал часу.

Насамперед зауважимо, що, хоча UT- середній сонячний час, тобто визначено з умови рівномірного руху Землі по орбіті, на його основі важко створити рівномірну шкалу з тієї причини, що становище будь-якого меридіана, і зокрема Грінвічського, схильне до змін через обертання Землі. Відбувається це тому, що Земля - не абсолютно тверде тіло: маси в ній безперервно перерозподіляються, внаслідок чого полюси Землі незначно (до 10-15 м) змінюють становище, викликаючи усунення меридіанів, що їх з'єднують.

Існує кілька модифікацій шкал всесвітнього часу. Зі спостережень добових рухів зірок виходить всесвітній час UT 0, що не утворює рівномірної шкали. Якщо врахувати поправку за усунення миттєвого полюса щодо його середнього становища, отримаємо рівномірнішу шкалу UT 1. Якщо взяти до уваги ще й сезонні варіації кутової швидкості обертання Землі, отримаємо рівномірнішу шкалу UT 2. Зрештою, облік дії приливних явищ дає шкалу UT 1R.

Нерівномірність добового обертання та орбітального руху Землі не дозволяє створити строго рівномірні шкали часу. Тому було введено ще одну шкалу - ефемеридний час, названий пізніше динамічним часом. Під ним розуміють аргумент у диференціальних рівняннях руху тіл Сонячної системи у гравітаційному полі. Це поступово поточний час застосовують щодо ефемерид (елементів кеплерової орбіти) супутників.

Принципово нові та точніші методи вимірювання часу прийшли з радіоспектроскопії та квантової електроніки.

Довжина

Звернемося тепер до одиниці довжини – метра. Його історія також досить цікава. Вперше поняття метра з'явилося у Франції під час Великої французької революції. Вчені того часу вирішили запозичувати одиницю виміру довжини, так би мовити, із самої природи, і як постійний прототип довжини спеціальна комісія Французької академії наук запропонувала взяти довжину однієї десятимільйонної частки чверті Паризького меридіана. Цю відстань і назвали метром ( metre vrai et definitif- метр справжній та остаточний). Після цього були проведені вимірювання довжини дуги Паризького меридіана між Дюнкерком та Барселоною, на підставі яких, а також відповідно до теоретичного визначення виготовили зразок метра у вигляді платинової лінійки – кінцевої міри шириною близько 25 мм та товщиною 4 мм. Цей захід зданий до архіву Французької республіки, тому його надалі стали називати «архівним метром». Але далі виявилося, що внаслідок дедалі більшої точності геодезичних вимірювань значення метра та відповідної частини меридіана будуть розходитися. Крім того, довжина меридіанів, як зазначалося вище, не залишається строго постійною через зміщення полюсів. І тоді вирішили більше не пов'язувати значення міри довжини із однією сорокамільйонною частиною Паризького меридіана. Метр перестав бути «природним» заходом.

За точне значенняметра було прийнято так званий міжнародний прототип, обраний в такий спосіб. Виготовили 31 еталон у формі стрижнів Х-подібного перерізу з платино-іридієвого сплаву з двома штрихами, відстань між якими дорівнює розміру метра, і порівняння цих еталонів з «архівним метром». У межах точності вимірювань еталон № 6 при 0 про С дорівнював довжині «архівного метра», і в 1889 році на I Генеральній конференції з мір і ваг його прийняли як міжнародний прототип метра. Він зберігається в Міжнародному бюро заходів та ваг у місті Севре (біля Парижа). З 30 еталонів, що залишилися, 28 були розподілені за жеребом між країнами, що брали участь у конференції 1889 року, а два залишені як «еталон-копія» і «еталон-свідок». Росія отримала два зразки метра: № 11 і № 28. Останній декретом Раднаркому в 1918 був узаконений як державний зразок або прототип метра для СРСР. Він зберігається (досі) у ВНДІМ ім. Д. І. Менделєєва у Санкт-Петербурзі і використовується лише для порівняння з ним вторинних еталонів чи еталонів-копій.

Так як існуючі зразки хоча і дуже мало, але все ж таки змінюються з часом і метр не можна вважати природним заходом одиниці довжини, метрологи запитали: чи не можна все-таки встановити природний еталон довжини, «прив'язавши» його до стабільних природних процесів або явищ. І тут, як і у випадку з еталоном часу, рішення прийшло зі спектроскопії та квантової електроніки. Оскільки, як зазначалося, частоти і довжини хвиль атомів і молекул відрізняються винятковим сталістю, це природні константи, і у принципі атом чи молекула кожного (будь-якого) речовини має властивості еталону частоти і довжини.

З розвитком точних методів інтерферометричних вимірювань з'явилася ідея виразити метр у довжинах світлових хвиль, і в 1927 році VII Генеральна конференція з мір і ваг ухвалила: 1 метр дорівнює 1 553 164,13 довжини хвилі червоної лінії кадмію при певних умовах (температурі, .) До 30-х років ХХ століття точність інтерферометричних вимірів перевищила ширину штрихів на зразку метра та його копіях. І в 1960 році XI Генеральна конференція з мір і ваг прийняла нове визначення метра: він став дорівнює 1650763,73 довжини хвилі випромінювання у вакуумі, відповідної помаранчевої лінії спектру ізотопу криптону з атомною вагою 86 (86 Kr). Оскільки ця лінія набагато вужча, ніж у кадмію (чому зокрема сприяє те, що криптонову лампу поміщають у кріостат з рідкою вуглекислотою), нове визначення метра підвищило точність еталона довжини приблизно в 100 разів.

Однак вона відносно була на чотири порядки нижче точності, досягнутої в еталонах часу. Це, зокрема, обмежувало точність виміру швидкості світла. Справді, вона визначалася шляхом виміру часу поширення світла базисі відомої довжини. Але якщо час можна було виміряти з похибкою порядку 10-12-10-13, то точність вимірювання довжини базису лімітувала точність криптонового зразка довжини.

У тому ж 1960 року, коли зразок довжини прийняли криптоновий стандарт, було створено принципово новий джерело випромінювання - лазер, і почався бурхливий розвиток лазерної техніки. Виявилося, що газовий лазер на суміші гелію та неону (Не-Nе) може генерувати надзвичайно вузькі спектральні лінії (так звані поздовжні моди, див. «Наука і життя» № 9, 2003 р.) – набагато yж, ніж у криптонового стандарту. Однак частоти цих ліній можуть "плавати", змінюватися неконтрольованим чином (наприклад, внаслідок зміни довжини резонатора). Тому, щоб отримати джерело світла набагато краще, ніж криптонова лампа, необхідно стабілізувати частоту лазерного випромінювання. Такої стабілізації досягли використанням молекулярних ліній поглинання деяких газів, які мають частоту однієї з ліній поглинання близька до частоти випромінювання лазера. Наприклад, гелій-неоновий лазер може генерувати на трьох довжинах хвиль: 0,63, 1,15 та 3,39 мкм; при цьому лінії з довжиною хвилі 0,63 мкм дуже точно відповідає лінія поглинання молекули парів йоду I 2 а лінії з довжиною хвилі 3,39 мкм - лінія поглинання молекули метану СН 4 . Осередок з поглинаючим газом поміщають всередину резонатора лазера. Якщо змінювати довжину резонатора, налаштовуючи лазерну частоту на центр спектральної лінії поглинаючого газу, випромінювання лазера з'являється резонансний пік з гранично вузькою шириною спектра. Цей стан постійно підтримує система автопідстроювання довжини резонатора. Лазери на Не-Nе/I 2127 і особливо Не-Ne/CH 4 забезпечують генерацію дуже вузьких ліній випромінювання зі стабільністю частоти того ж порядку, що і в стандартах часу. Звичайно, виникла думка про використання стабілізованих лазерів як стандарти довжини замість криптонового зразка. Цьому сприяла ще одна обставина.

На початку 1970-х років у США, Англії та СРСР були виконані експерименти щодо уточнення швидкості світла у вакуумі з, засновані на незалежному вимірі частоти ν та довжини хвилі λ високостабільного лазера (твір νλ одно з). Обробка результатів цих експериментів дала значення з= 299792458 ± 1,2 м / с з відносною похибкою 4 · 10 -9. До цих експериментів вона дорівнювала 3 · 10 -7, тобто вимірювання швидкості світла з використанням стабілізованих лазерів підвищили точність приблизно на два порядки. Але подальше уточнення значення збуло неможливо, оскільки величина 4 · 10 -9 практично цілком обумовлена недостатньою точністю криптонового еталона довжини, порівнянням з яким обчислювалася довжина хвилі λ. Вихід із цього положення виявився досить несподіваним та оригінальним. Було вирішено: не намагатимемося уточнювати з, а приймемо отримане значення 299792458 м/с за світову константу. Оскільки швидкість пов'язує відстань та час, це дозволило дати нове визначення метра – через одиницю часу. І в 1983 році на XVII Генеральній конференції з мір і ваги ухвалили: «Метр - це відстань, що проходить світлом у вакуумі за 1/299 792 458 частку секунди».

Це визначення повністю скасовує криптоновий зразок довжини і взагалі робить метр не залежним від жодного джерела світла. Зате надає йому залежність від розміру секунди, отже, і герца - одиниці частоти. Так вперше було встановлено зв'язок між довжиною, часом та частотою. Цей зв'язок призвів до ідеї створення єдиного зразка часу - частоти - довжини (ВЧД), заснованого на співвідношенні λ = з/ν , де λ - Довжина хвилі випромінювання стабілізованого лазера, ν - Його частота. Плідність цієї ідеї в тому, що частоту можна виміряти з похибкою, забезпеченою сучасним стандартом частоти (скажімо, 10 -13 і менше). А оскільки значення зфіксовано, те й значення λ буде визначено з тією ж похибкою, що принаймні на чотири порядки точніше, ніж при використанні колишнього еталону криптонового довжини.

Однак стандарт частоти, що задає атомну секунду, - цезієвий генератор, частота якого fет = 9192631770 Гц лежить в радіодіапазоні. І щоб виміряти частоту лазера ν порівнянням із еталонною частотою, треба здійснити перехід еталонної частоти в оптичний діапазон, тобто помножити її до оптичних значень. Однак еталонна частота має нецілочисленну величину і незручна для перетворень. Тому зазвичай замість цезієвого генератора використовують низькочастотний кварцовий генератор зі зручним значенням частоти, наприклад 5 МГц. Але такий генератор має набагато меншу стабільність частоти і сам собою служити еталоном не може. Необхідно стабілізувати його частоту за цезієвим стандартом, надавши йому таку ж стабільність.

Це здійснюється за допомогою схеми фазового автопідстроювання частоти. Низька частота кварцового генератора fкв збільшується радіотехнічними засобами в кілька ( n) раз і в змішувачі віднімається з частоти цезієвого зразка fпов. Добором конкретних значень nі fкв різницеву частоту ( fет - nfкв) можна зробити приблизно рівною частоті кварцового генератора: ( fет - nfкв) = fкв.

Сигнал різної частоти ( fет - nfкв) після посилення надходить однією вхід фазового детектора, але в інший його вхід подається сигнал частоти fкв від кварцового генератора. На виході фазового детектора виникає напруга, величина та знак якого залежать від відхилення різницевої частоти від частоти fкв. Ця напруга надходить на блок керування частотою кварцового генератора, зрушуючи її доти, доки вона не стане точнорівної різницевої частоти. Іншими словами, будь-яка розлад частот ( fет - nfкв) та fКВ викликає появу управляючого сигналу, що зводить цю розлад до нуля, завдяки чому частота кварцового генератора автоматично підтримується постійною і її стабільність виявляється майже рівною стабільності цезієвого стандарту. Тепер можна здійснювати передачу цієї частоти оптичний діапазон.

Для цієї мети використовується радіооптичний частотний міст(РОЧМ), в якому за допомогою багатоланкового ланцюжка різних НВЧ-генераторів та проміжних лазерів субміліметрового та інфрачервоного діапазонів виконується послідовне множення еталонної частоти 5 МГц до значень 1014 Гц. Так створюються зразки частоти оптичного діапазоні - оптичні стандарти частоти. Як такі стандарти затверджено п'ять стабілізованих газових лазерів.

Слід згадати, що останнім часом знайдено перспективнішу можливість створення єдиного еталона ВЧД, пов'язана з розробкою фемтосекундного «оптичного годинника», здатного служити також «оптичним метром» («Наука і життя» № 9, 2003 р.). При цьому відпадає необхідність у ланцюжку передачі завдяки генеруванню високостабільного «оптичного гребінця» в надзвичайно широкому діапазоні спектру. Така гребінка, що сприймається як біле світло, виникає при проходженні фемтосекундних імпульсів від лазера на сапфірі з титаном через оптичне волокно зі спеціально створеною мікроструктурою. Подробиці про такі розробки можна знайти в нобелівській лекції Дж. Холла, опублікованій російською мовою під назвою «Визначення та вимірювання оптичних частот: перспективи оптичних годин - і не тільки» (УФН, 2006, № 12).

Крім того, було знайдено можливість підвищення точності цезієвого зразка часу. Ще в 1997 році Міжнародне бюро мір і ваг підкреслило, що у визначенні атомної секунди фігурує атом цезію, який спочиває при температурі абсолютного нуля (за шкалою Кельвіна). У нових модифікаціях цезієвих годинників (які називають фонтанними) ця умова майже ідеально досягається шляхом лазерного охолодження атомів. З використанням такого методу в американському Національному інституті стандартів і технології (NIST) були побудовані еталонний цезієвий годинник, що забезпечує відносну точність відтворення одиниці часу - секунди - близько 3 · 10 -16 (догляд годин становить 1 секунду за 70 мільйонів років). Але ще перспективніші стандарти частоти, засновані на переходах в іонах ртуті, ітербія або стронцію, що випромінюють не в мікрохвильовому, а в оптичному діапазоні. Точність окремих лабораторних розробок таких оптичних годинників вже зараз сягає 2·10 –15 , а в принципі вони можуть забезпечити точність відтворення одиниць часу та частоти на рівні 10 –17 –10 –18 . До такої точності впритул підійшли японські дослідники. В експериментальному зразку стронцієвого оптичного годинника, розробленого в Токійському університеті групою Хідетосі Каторі, іони стронцію знаходяться в оптичній пастці на перехресті шести лазерних променів, під впливом яких вони утримуються в «енергетичних ямах», майже не взаємодіючи і випромінюючи світло виключно стабільної частоти. Точність стронцієвого годинника в тисячу разів перевищує точність цезієвих, що використовуються сьогодні як зразок часу і частоти. Припускають, що незабаром еталон буде замінений і застосування таких надточних оптичних годин дозволить відповідно збільшити точність єдиного еталона часу-частоти-довжини.

Одиниця часу

Зразок часу. Коротка історична довідка. Умови зберігання зразка – секунди. Рівняння зв'язку. Використання зразка часу визначення частоти і швидкості.

Час –це фізична категорія, тому його визначення повинно виходити з певних законів фізики стверджую, що період обертання Землі повинен залишатися постійним високим ступенемточності. Цей факт можна використовувати для визначення основної одиниці часу, яка називається середньою сонячною добою. Крім того, згідно із законом фізики, період коливань пластинки кристала в генераторі з кварцовою стабілізацією частоти повинен залишатися постійним, якщо не змінюються температура та інші зовнішні умови. Таким чином, на основі електронного генератора можна зробити дуже точний годинник. Те саме можна сказати про частоту коливань атомів у молекулі. І справді атомний годинник, який «вважає» ці коливання, є найточнішим годинником у світі. Основна одиниця часу, застосовувана як і англійської, і у метричної системах, - це секунда.

1 секунда [с] спочатку визначалася, як 1/86400 частина середньої сонячної доби. При сучасному рівнівимірювань часу виявилося, що тривалість середньої сонячної доби змінюється рік у рік. Точність визначення секунди необхідно було збільшити, і 1960 р. було прийнято її визначення:

1 с = 1/31556925,9747 частина тропічного року, що розпочалося опівдні 31 грудня 1899 р., тобто, певного тропічного року в рубежі XIXта XX століть.

В даний час на XIII Генеральній конференції з мір і ваг у 1967 році прийнято спектральне визначення секунди:

Еталон секунди, заснований на переходах у нейтральних атомах стронцію

У стронцієвому оптичному годиннику іони стронцію поміщені в оптичну пастку на перехресті шести лазерних променів. Під впливом електромагнітних хвиль лазерів іони міцно «сидять» в енергетичних ямах, слабо взаємодіючи один з одним і випромінюючи блакитне світло з частотою близько 429 терагерц. Стронцієвий годинник у тисячу разів точніший за цезієвий, що використовується сьогодні як еталон часу і частоти. Можливо, незабаром зразок буде замінено.

Державний первинний еталон одиниці часу та частотиУ 1967 р. на XIII ГКМВ було прийнято нове визначення одиниці часу - секунди як проміжку часу, протягом якого відбувається 9192631770 коливань, відповідних резонансної частоти енергетичного переходу між рівнями (F = 4, mF = 0) і (F = , mF = 0) надтонкої структури основного стану атома цезію - 133 за відсутності зовнішніх полів, що обурюють. Державний первинний стандарт одиниць часу і частоти є найскладнішим із усіх стандартів. До його складу входить великий комплекс апаратури, кожна ланка якого представляє дуже складний технічний пристрій. Еталон в цілому призначений для відтворення та зберігання: 1) одиниці часу - "атомної" секунди (с); 2) одиниці частоти - герца (Гц); 3) шкали атомного часу - TA ;4) шкали координованого часу - UTC. Відтворення одиниці часу (і частоти) відповідно до її визначення здійснює в еталоні спеціально створена, унікальна за своїми характеристиками установка-цезієвий репер частоти- реалізує з найвищою точністю принцип цезієвої міри частоти Державний еталон часу та частоти забезпечує відтворення розмірів одиниць часу 10-14, при не ис-і частоти (секунди і герца) із середнім квадратичним відхиленням, що не перевищує 5 ключової складової систематичної похибки менше 10-14. Еталон відповідає визначенню одиниці часу-секунди як інтервалу часу, протягом якого здійснюється 9192631770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями (F=4, тF=0 і F=3, тF=0) основного стану атома цезію-133 відсутність зовнішніх полів. Принцип дії зразка полягає в наступному. Атоми цезію-133 випаровуються цезієвою піччю при температурі близько 400 К і зі швидкістю 20 км/с потрапляють у неоднорідне поле першого магніту, яке направляє до центру установки атоми з квантовим числом F = 4 і розсіює решту частинок. У центрі установки розташована система з 1-го та 2-го резонаторів, де на атоми цезію діє високочастотне магнітне поле, що створюється кварцовим генератором. При налаштуванні частоти генератора в резонанс із частотою квантового переходу виникає лавиноподібний процес переходу атомів цезію від рівня F = 4 до рівня F = 3. Потім атоми цезію потрапляють у неоднорідне поле другого сортуючого магніту, яке фокусує на детекторі атоми з рівнем F = 3 усі інші. Створюваний детектором струм іонізації досягає максимуму при збігу частоти кварцового генератора з частотою квантового переходу. При нерівності цих частот зменшується струм іонізації, що є сигналом для автоматичного підстроювання частоти генератора. До складу еталона входять два цезієві квантові стандарти частоти і 4 водневі стандарти частоти. Водневі репери частоти, що входять до складу еталона, мають інший принцип дії, заснований на резонансному випромінюванні з меншою частотою (1 420 405 751,8 Гц). Вони виконують роль еталона-копії і дозволяють тривалий час зберігати один раз встановлений за допомогою первинного (цезієвого) репера розмір секунди, не вдаючись до його частого включення. Однак усі репери відтворюють значення частоти, що визначає розмір секунди, лише періодично. Зберігачі частоти - це безперервно працюючі заходи (кварцові плюс квантові), що забезпечують формування та зберігання шкал часу. Основна шкала, що зберігається зразком - шкала рівномірного атомного часу - ТА. Це рівномірна шкала інтервалів із фіксованим нулем відліку. Розмір її секунди відповідає визначенню 1967р. Шкала ніяк не пов'язана з обертанням Землі, з її становищем у просторі. Поряд з нею існує група нерівномірних шкал часу, пов'язаних зі становищем Землі в просторі і каліброваних за результатами астрономічних і радіоастрономічних спостережень: шкала всесвітнього часу UT0, тривалість секунди в якій дорівнює середній сонячній секунді. шкала всесвітнього часу UT1, яка відрізняється від UT0 поправкою на коливання полюсів Землі: UTI = UT0 + Δλ. шкала всесвітнього часу UT2, яка відрізняється від UTI поправкою до сезонної нерівномірності обертання Землі: UT2 = UT1 + ΔTs. Шкали ТА та UT поступово та постійно розходяться. Щоб максимально усунути наслідки цього, введено шкалу координованого часу UTC. Секунда UTC дорівнює секунді ТА, а початок рахунку може змінюватися рівно на 1 секунду з першого числа кожного місяця (переважно 1 січня або 1 червня) о 0 годині за шкалою UT2 з тим, щоб розбіжності між UTC і UT2 не перевищували б 0,9 секунди . Фактично поправка вводиться щорічно - 1 січня. Шкала UTC (точніше, її національна версія UTC-SU) також підтримується еталоном часу та частоти Росії. Саме шкала UTC-SU використовується передачі сигналів часу через радіо- і телевізійні канали. Поступово точність «горизонтальних» цезієвих реперів перестала задовольняти вимоги науки та техніки. Вихід був знайдений у розробці нового репера, який отримав напівофіційну назву "фонтан". У ньому атоми цезію рухаються вертикально зі швидкостями порядку одиниць сантиметрів за секунду (застосовується так зване лазерне охолодження). При таких швидкостях вже можна нехтувати ефектом Допплера і рядом інших факторів, що заважають. У результаті очікується значень відносної похибкипорядку 1 · 10-16. Головним недоліком нового репера є дуже велика вартість, від 500 000 до мільйона доларів. На сьогодні працюють три «фонтани»: французький, американський та німецький. На черзі четвертий – російський. Комплекс апаратури Державного первинного зразка зберігається і застосовується у ВНДІФ-ТРІ, де він розміщений у п'яти термостатних кімнатах та чотирьох апаратних залах. Апаратура розміщена на спеціальних фундаментах, розв'язаних від корпусу будівлі, і екранована від зовнішніх магнітних полів. Температура в термостатних кімнатах протягом року змінюється не більше ніж на 4°С, протягом доби - не більше 0,2°С. Вологість коливається не більше 70±10%.