Время неумолимо движется вперед, и на ход его мы повлиять не в состоянии. Остается лишь наблюдать да отсчитывать уходящие годы, месяцы, часы и секунды. Этим и занимается ученый — хранитель времени Елена Такун из Белорусского государственного института метрологии. Она показала нам, где хранится белорусская секунда, и рассказала, зачем та нужна.
Всего в республике насчитывается 58 эталонов различных единиц измерения. Большинство хранится именно в Белорусском государственном институте метрологии. Находится там и эталон секунды. Его создали в 1995 году самым первым среди других национальных эталонов Беларуси.
С тех пор отечественный эталон секунды пережил две модернизации, последняя закончилась в прошлом году. В России было закуплено новейшее оборудование — мазеры, в которых и происходит вся магия по измерению времени.
Существует семь основных единиц измерения: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. Почти в половине из них секунда задействована в формуле расчета. Например, эталон длины опирается на путь, пройденный светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Это однозначно фундаментальная единица, на точность которой возлагаются большие надежды. Согласно принятой большинством стран мира Международной системе единиц, секунда в свою очередь опирается на частоту излучения цезия-133. Если говорить очень просто, то она равна времени, за которое происходит 9 192 631 770 колебаний этого атома.
Сектор измерений времени и частоты занимает два больших помещения. В одном располагаются персонал и оборудование, на которое выводится поступающая от измерительных приборов информация и картинка из второй комнаты. В последней за стальной дверью прячутся сами приборы.
Как поясняет Елена Такун, долго в комнате, где хранится эталон времени, находиться нельзя. Чем больше там народу, тем выше поднимается температура в помещении. А она поддерживается на одном уровне с помощью кондиционеров, чтобы свести на нет погрешности в измерениях.
Раньше персонал обслуживал эталон круглосуточно в три смены. Сегодня создана система, которая позволяет не сидеть за пультом постоянно. В комнате, где находится эталон, установлена видеосистема, система пожаротушения и перехода на резервное питание. Дизельные источники питания позволяют поддерживать работу эталона в течение двух часов.
— Единица времени сейчас — это частота перехода между двумя тонкими структурами атома, — рассказывает ученый — хранитель времени. Эта должность официально так уже не называется, но звучит она куда приятнее, чем ведущий инженер по метрологии — исследователь. — Согласно решению, принятому Международной системой единиц, этим атомом должен быть цезий-133. Но в наших измерительных приборах используется водород.
Эталон — это большой и сложный комплекс. Условно я его делю на несколько частей. Первый — это сердце эталона, где работает вся ядерная физика.
Сердце белорусского эталона секунды заключено в водородном мазере, которые разрабатывают в Нижнем Новгороде. Внизу этого шкафчика, у истока квантового водородного генератора, находится источник атомарного водорода (интерметаллическое соединение LaNi5Hx).
В высокочастотном разряде при нагревании молекулярный водород распадается на два атома, после чего попадает в очиститель — тонкостенную никелевую спиральную трубку. Оттуда — в разрядную колбу и сортирующую систему, а после — в накопительную колбу, которая прячется глубоко в корпусе мазера.
Эти колбы делают из кварцевого стекла, которое с внутренней стороны покрыто фторопластом. Внутри этой колбы атомы сталкиваются друг с другом и не меняют своего квантового состояния благодаря покрытию. Влияние внешних электромагнитных полей снижается за счет пятислойного магнитного экрана, который в миллион раз снижает магнитное поле внутри прибора.
Накопительную колбу накрывает резонатор, который настроен на частоту атомного перехода. Излучение атомов сигналом через петлю съема поступает на электронный блок и передается на кварцевый генератор. Он синхронизируется с поступающим сигналом от квантового водородного генератора и в свою очередь излучает достаточно сильный сигнал, который можно использовать для сверхточного хранения времени. На выходе из мазера формируется выходной сигнал в 1 Гц, который по сути и является той самой секундой.
В комнате находится шесть таких мазеров, в которых и генерируется сигнал. На передней части их корпусов беспрерывно мигают зеленые лампочки, которые отсчитывают бег времени.
— Приборы рассчитаны на 10 лет работы. Процесс в них не вечный. Это как двигатель внутреннего сгорания — ему дали толчок, и он работает. Выключать их нельзя. Чем они дольше работают, тем точнее становятся.
Данные с самого точного мазера подаются на другой блок, на котором ученый — хранитель времени может корректировать и отстраивать частоту. На этих же приборах установлены экранчики, на которых отображается текущее время.
Приборы связаны с третьей системой, которая носит название системы внешних сличений. По антеннам она принимает сигнал от спутников навигации. Здесь надо сделать небольшое отступление и заметить, что на этих спутниках установлены собственные атомные часы, которые являются краеугольным камнем в принципе работы навигационных систем. Подробнее об этом можно почитать в нашей предыдущей статье о GPS-спутниках. Бортовые часы на всех навигационных спутниках синхронизированы как между собой, так и с приемными станциями. Также они привязаны к системному времени.
— Чем точнее время, тем с большей точностью можно вычислять расстояния. Сейчас мы пришли к точности до минус 16-го знака. Если у нас уход 1 секунды теоретически случается раз в 360 млн лет, то сейчас передовые атомные часы доходят до показателей в миллиарды лет с секундной погрешностью.
Атомные часы можно совершенствовать и дальше, но все упирается в системы передачи, которые бы отвечали таким требованиям. Сейчас сигнал передается по оптоволокну на определенное расстояние, и без усиливающего передатчика все равно будет появляться погрешность. Конечно, можно возить сам стандарт к потребителю, у которого будет проводиться синхронизация и поверка времени, но где гарантия, что во время транспортировки стандарт не собьется.
Наш стандарт времени сравнивается с данными, поступающими из космоса. Они обрабатываются и отправляются в Международное бюро мер и весов.
— И каждый раз они нам присылают данные о том, где мы стоим на координированной всемирной шкале времени (UTC). Таким образом мы формируем национальную шкалу времени. У каждой страны есть такой маленький или большой эталон.
Имеется в этой комнатке и система внутренних сличений. С ее помощью сравнивают данные со всех мазеров, которые находятся в комнате, и выбирают лучший показатель, который будет ведущим в ближайший год.
Последняя из самых важны систем эталона — это передача данных потребителю. Институт закупил сервер времени, который позволяет синхронизировать время на потребительских компьютерах. Это тот самый загадочный чекбокс в настройках времени в Windows — «Выполнять синхронизацию с сервером времени в Интернете». Есть выделенная оптоволоконная линия, по которой точным временем обеспечивают местных провайдеров. А на белорусском радио, например, до сих пор можно услышать «шеститочку» — короткие сигналы в прямом эфире, которые отсчитывают точные секунды, а последний сигнал означает начало нового часа. Данные для «шеститочки» поступают именно из этой комнатки.
Но не это самое главное применение эталона:
— Средства измерения регулярно проходят процедуру метрологического контроля, поверки, калибровки, аттестации, чтобы подтвердить их правильное и точное функционирование. Конечно, далеко не все приборы проходят эти процедуры. Все зависит от важности сферы, в которых они применяются. Существует сфера законодательной метрологии, где государство решает, что подлежит обязательной поверке.
Часовой завод «Луч», например, использует свои средства измерения времени-частоты, которые проходят метрологический контроль в виде поверки и калибровки. Естественно, точность у самих наручных часов не та, чтобы для их калибровки нужен был непосредственно сам эталон. Есть менее точные приборы, которые позволяют произвести контроль заводских средств измерений, применяемых для производства часов.
Это нужно для того, чтобы защитить потребителей, граждан от последствий неточный измерений. Первичная поверка производится на всех новых средствах измерения, которые производятся в Беларуси или ввозятся в нашу страну. Периодическая поверка нужна для поддержания точности приборов в актуальном состоянии.
В сфере законодательной метрологии есть перечень областей, в которых средства измерений можно использовать только если их поверка происходит с определенной периодичностью. Например, металлические измерительные рулетки в осуществлении торговли должны проходить поверку раз в год. С такой же периодичностью поверке подлежат GPS-приемники, которые используются в геодезии. При этом либо на саму рулетку или приемник, либо на их эксплуатационную документацию наносится специальный штамп о прохождении поверки.
Такая же процедура поверки проводится для секундомеров (механических, электрических и электронных), которые используются в области защиты жизни и здоровья человека, на диагностических станциях, где проводится техосмотр, в области проведения экспертиз и регистрации спортивных рекордов.
Ну и как мы уже упоминали в начале статьи, секунда является фундаментально важной для определения с большой точностью эталона длины — метра. В современном мире на производстве требуются сверхточные измерения. И отступление даже на капельку в ту или иную сторону может дорого обойтись предприятию, которое выпустит партию устройств, не соответствующих стандарту.
Читайте также:
Библиотека Onliner: лучшие материалы и циклы статей
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!
Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. nak@onliner.by
