Эталоны единицы длины

Но уже в 1837 г. французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Кроме того, примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем, пусть незначительно, изменяются. Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр Архива Франции. Кстати, измерения 1964-1967 гг. показали, что в четверти меридиана содержится 10 001 954, 4 м, т.е. метр Архива короче меридионального метра.

В 1889 г. был изготовлен 31 эталон метра платиноиридиевого стержня X-образного поперечного сечения.

Эталон №6 оказался при 0 ° С точно равным длине метра Архива и был принят в 1889 г. I Генеральной конференцией по мерам и весам в качестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов были переданы различным странам. Экземпляры №11, №28 в 1889 г. были переданы России, при этом экземпляр №28 был утвержден в качестве государственного эталона (вначале факультативно).

Как следует из рассмотрения рис., эталон в виде линейки Х-образного сечения вписывается в квадрат 20 на 20 мм.

Длина линейки составляет 102 см. на каждый из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояние между средними штрихами равно 1 м.

В 1960 г. ХI Генеральной конференцией по мерам и весам было принято новое, уже упоминающиеся определение метра: метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего перехода между уровнями 2P₁₀ и 5d₅ атома криптона-86.

Метр в длинах световых волн воспроизводится интерференционным методом с помощью излучения в газоразрядной трубке газа – изотопа криптона-86 (оранжевая линия). Принцип действия этого эталона заключается в следующем. В нормальном состоянии атомы не излучают свет и обладают некоторой минимальной энергией. Возбужденные атомы газов излучают линейный спектр, причем каждая линия этого спектра представляет монохроматическое излучение с определенной чистотой ν

Спектральные линии излучения атомов обычно имеют сложное строение, так называемую сверхтонкую струну. Существование сверхтонкой струны спектральной линии обусловлено наличием в естественных элементах изотопов. При этом элементы с четной атомной массой и четным номером в периодической системе элементов излучают более «тонкие» линии, что позволяет точнее определить максимум линии, а значит точнее определить длину волны излучения

где, c – скорость света; Т – период колебаний

Поскольку длина волны спектральных линий излучения атомов постоянна, то она используется для измерения единицы длины – метра.

Спектральные линии излучения атомов криптона-86 выделяются с помощью монохроматоров (по существу – светофильтров), а длина волны измеряется с помощью интерферометров.

Криптоновый эталон метра состоит из газоразрядной лампы, наполненной криптоном-86, помещенной с сосуд Дьюара с жидким азотом. При подаче электрического напряжения +1500В в лампе образуется свечение возбужденных атомов криптона-86. Капилляр, в котором происходит свечение (с внутренним диаметром около 3 мм), имеет оптический выход на автоматический интерференционный фотоэлектрический компаратор. С помощью интерференционного компаратора определяется расстояние между штрихами, что позволяет найти число длин волн, укладывающихся между средними штрихами линийки. Фактически определяется на все количество длин волн, «помещающихся» в метре, а оценивается разница между измеряемой длиной (например платиноиридиевого прототипа метра) и эталонной длиной, воспроизводимой газоразрядной лампой. Измерение длины волны и энергетических характеристик свечения проводится с помощью спектроинтерферометров.

Источник

Где хранится эталон длины или как мериться длинами

Идея разобраться в этом вопросе и в итоге написать данный текст родилась здесь же на сайте — под одной из публикаций увидел утверждение, что продаваемые в магазинах линейки калибруют по вторичным эталонам, те — по первичным, а первичные — по международным. Это лишь в малой части соответствует действительности, так что, если заинтересовались, давайте разбираться.

Disclaimer: я не метролог, так что текст является не очень нудной (я надеюсь) попыткой научно-популярного рассказа, так что в нём возможны некоторые неточности, о которых можно сообщать как в личку, так и в комментариях — как вам угодно.

Многие, наверное, помнят со школьной скамьи, что эталон метра хранится в Парижской палате мер и весов в стеклянной банке под вакуумом там же, где и эталон лошадиной силы — лошадь весом один килограмм. Обратимся к энциклопедии и почитаем подробности.

Одной из первых попыток создать универсальную, т.е. воспроизводящуюся, меру длины, стала в 1668 году длина (математического) маятника, полупериод колебаний которого равен одной секунде. Идея хорошая, но во время путешествия в Южную Америку астроному Жану Рише пришлось укорачивать длину эталона, т.к. период его колебаний увеличился. Связано это было со сплющеностью геоида и, соответственно, уменьшением силы тяжести на экваторе. 1790 году было предложено уточнение, что эталон длины должен быть измерен на широте 45°N (примерно между Бордо и Греноблем), эта длина составляет 0.994 современного метра. Предложение, несмотря на изящность, тем не менее, не было принято. В 1791 году метр был определён Французской Академией как одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа). Простота калибровки вызывает некоторые сомнения, но аналогичная привязка есть и у морской мили (перемещение на одну морскую милю вдоль меридиана соответствует изменению географических координат на одну минуту широты). Можно подумать, что влияние неровности рельефа будет катастрофически влиять на точность эталона, но это не так — изменение высоты на 1000 метров приведёт к удлинению меридиана всего на 6283 метра, что даёт относительную ошибку в полторы десятитысячных (известная задачка про удлинение экватора на метр и муху). В реальности измерения проводились гораздо точнее, преимущественно на высоте уровня моря. Заинтересовавшиеся найдут тут много интересного. Я ограничусь впечатляющей картинкой:

Теперь разберёмся с иерархией эталонов. Ниже по вертикали находятся вторичные эталоны, за ними следуют рабочие эталоны последовательно с первого по четвёртый разряд, ниже — рабочие средства измерений с классами точности от 0 до 5 (точные измерительные приборы, которые проходят иерархическую калибровку, прослеживаемую вплоть до международного эталона). Последние используются непосредственно для измерений и (по крайней мере должны) для изготовления приспособлений, наносящих риски (чёрточки) на массово изготавливаемую продукцию — те самые линейки, рулетки и прочие бытовые средства измерения. Итого я насчитал по вертикали 13 ступеней, которые проходятся перед изготовлением конечной продукции. На самом деле их будет чуть меньше, т.к. рабочие средства измерений отщепляются от иерархии на разной высоте в зависимости от класса точности.

У системы эталонов есть также и горизонтальное разделение на четыре независимых ответвления по типу проводимых измерений. Эти ветвления называются частями (с первой по четвёртую) и предназначены для следующего:

Часть 1. Источники излучений и средства измерений длин волн;
Часть 2. Меры длины штриховые и измерители перемещений;
Часть 3. Меры длины концевые плоскопараллельные;
Часть 4. Измерители перемещений, меры рельефные и микроскопы в области нанодиапазона;

Итак, пройдёмся по интересующей нас части 2. Первичный эталон сличают с помощью компаратора со вторичными — интерференционными установками для поверки штриховых мер длины в диапазоне от 0,001 до 1000 мм. С ними сличают рабочие эталоны 1-го разряда — штриховые меры длины, дифракционные голографические меры длины; далее поочерёдно с помощью компараторов сличают. Рабочие эталоны 2-го разряда — штриховые меры длины, голографические измерительные системы линейных перемещений. Рабочие эталоны 3-го разряда — штриховые меры длины, растровые измерительные преобразователи. Рабочие эталоны 4-го разряда — штриховые меры длины.

Рабочие средства измерений нулевого и первого класса точности сличают с рабочим эталоном первого разряда, второго и третьего — с рабочим эталоном второго разряда, четвёртого и пятого класса — с рабочим эталоном третьего разряда. Рабочие эталоны 4-го разряда используются для измерений с помощью непосредственного сличения. Рабочие средства измерения пятого класса точности, по идее, должны использоваться при производстве штампов для изготовления линеек и рулеток или, по крайней мере, для поверки станков, использующихся на производстве.

Иллюстрация из ГОСТа (мелко, но кликабельно):

Про принцип работы оптических интерференционных компараторов писать не буду, так как это описано много где, кроме того, для широкой аудитории будет, пожалуй, скучновато. Желающие могут ознакомиться тут.

В завершение статьи подсуну пару своих картинок. В своё время было необходимо проверить стабильность нескольких генераторов, для чего была собрана простейшая схема компаратора — сигналы от двух генераторов очень известной фирмы подаются на два вентиля (аналог диода), за ними стоят два аттенюатора, далее Т-образный мост, в котором происходит смешение сигналов, на выходе моста — детектор. Генераторы выставляются на близко расположенные частоты, с помощью аттенюаторов добиваемся равенства амплитуд колебаний двух сигналов, после чего получаем с детектора разностный сигнал, частота которого и будет индикатором стабильности двух генераторов. Два очень хороших генератора в тесте длительностью в трое суток:

Долговременная стабильность у отечественного примерно такая же, а вот кратковременная — гораздо хуже. Цена, правда, у них тоже отличается не слабо.

На этом, пожалуй всё, спасибо за внимание и хороших выходных! Надеюсь, что было познавательно и не очень нудно.

Источник

Метрология, стандартизация и сертификация

Лекция 3. Эталоны единиц физических величин

1. Эталоны единиц физических величин.

2. Методы обработки экспериментальных данных.

1. Эталоны единиц физических величин

Государственные эталоны единиц величин используются в качестве исходных для воспроизведения и хранения единиц величин с целью передачи их размеров всем средствам измерений данных величин на территории Российской Федерации.

Государственные эталоны единиц величин являются исключительной федеральной собственностью, подлежат утверждению Госстандартом России и находятся в его ведении.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Эталон должен обладать следующими существенными признаками (по М. Ф. Маликову): неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Различают следующие виды эталонов: первичный; специальный; государственный; вторичный; эталон-свидетель; эталон-копия; эталон сравнения; рабочий эталон; международный эталон и др.

Наивысшей в стране точностью воспроизведения единицы физической величины обладает первичный эталон.

Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью.

В случае, когда одним первичным эталоном технически нецелесообразно обслуживать весь диапазон измеряемой величины, создают несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона с таким расчетом, чтобы был охвачен весь диапазон. В этом случае проводят согласование размеров единиц, воспроизводимых «соседними» первичными эталонами.

Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.

Эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Исходный эталон – эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений.

Исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства (ведомства) или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон. Вторичный или рабочий эталон, являющийся исходным эталоном для министерства (ведомства) нередко называют ведомственным эталоном.

Эталоны, стоящие в поверочной схеме ниже исходного эталона, обычно называют подчиненными эталонами.

Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.

Термин рабочий эталон заменил собой термин образцовое средство измерений (ОСИ), что сделано в целях упорядочения терминологии и приближения ее к международной. При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, n-й), как это было принято для ОСИ.

В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений.

Пример — Государственные эталоны метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы, ньютона, паскаля, вольта, беккереля.

Национальный эталон – эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны. Данное определение по существу совпадает с определением понятия государственный эталон. Это свидетельствует о том, что термины государственный эталон и национальный эталон отражают одно и то же понятие.

Вследствие этого термин национальный эталон применяют в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран.

Международный эталон – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Пример — Международный прототип килограмма, хранимый в международном бюро мер и весов (МБМВ), утвержден 1-й Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ).

Одиночный эталон – эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы.

Групповой эталон – эталон, в состав которого входит совокупность средств измерений одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения.

Групповые эталоны подразделяют на групповые эталоны постоянного или переменного составов.

За результат измерений принимают обычно среднее арифметическое значение результатов измерений однотипными средствами измерений или эталонными установками.

Эталонный набор – эталон, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств.

Эталонные наборы создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической величины.

Пример — Эталонные разновесы (наборы эталонных гирь) и эталонные наборы ареометров.

Транспортируемый эталон – эталон (иногда специальной конструкции), предназначенный для его транспортирования к местам поверки (калибровки) средств измерений или сличений эталонов данной единицы.

Хранение эталона – совокупность операций, необходимых для поддержания метрологических характеристик эталона в установленных пределах.

Эталонная база страны (эталонная база) – совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране.

Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребностей экономики страны. Обычно прослеживается увеличение их числа во времени, что обусловлено постоянным развитием рабочих средств измерений.

Эталон может состоять из нескольких эталонных установок.

Источник

Эталон единицы величины

Эталон – средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы, а так же передачу её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

В Федеральном законе N 102-ФЗ от 26.06.2008 г. «Об обеспечении единства измерений» эталону дано следующее определение: эталон единицы величины – техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.

Основным назначением эталонов является хранение и воспроизведения единицы физической величины для передачи ее размера другим эталонам и рабочим средствам измерений. Под передачей размера единицы величины понимается приведение размера величины, хранимой средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой эталоном. Эта процедура осуществляется при поверке средств измерений.

Виды эталонов:

Ученый-хранитель – ответственное лицо, назначаемое для ведения работ с эталонами, наблюдения за правильным хранением, сличением и исследованием эталонов в метрологических институтах, в том числе и межденародным сличением.

Эталонная база РФ насчитывает 118 государственных эталонов и более 300 вторичных эталонов. Государственные эталоны служат для воспроизведения физических величин, поэтому структура эталонной базы соответствует структуре единиц СИ. Основа этой базы – эталоны основных единиц СИ, кроме эталона единицы количества вещества (моль). Одной из причин того, что эталон единицы количества вещества не создан, является недостаточная четкость определения этой единицы и отсутствие метода ее измерения в соответствии с определением. Тем более, эту единицу трудно назвать основной, так как ее определение связано с единицей массы. Вполне возможно, что эта единица будет переведена в разряд специальных единиц массы.

Крупнейшие хранители эталонов РФ – метрологические институты: Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ФГУП ВНИИМ) и Всероссийскй научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ФГУП ВНИИФТРИ).

Кроме национальных эталонов единиц существуют международные эталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов (МБМВ). Программой деятельности МБМВ предусмотрены систематические международные сличения национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами и между собой.

По инициативе международных метрологических организаций в октябре 1999г. директора национальных метрологических институтов большинства стран мирового сообщества – членов Метрической конвенции подписали «Договоренность» о взаимном признании национальных эталонов и сертификатов на измерения и калибровки, выдаваемых национальными метрологическими институтами». Согласно этому документу степень эквивалентности национальных эталонов будет определяться на основе результатов их международных сличений друг с другом, проводимых под эгидой консультативных комитетов Международного комитета по мерам и весам и региональных метрологических организаций и являющихся юридической основой признания эквивалентности сличаемых эталонов и соответственно правильности измерений и сертификационных испытаний в странах-участниках ключевых сличений.

Источник

В погоне за точностью: единый эталон времени — частоты — длины

Человек живёт во времени и пространстве, и уже в глубокой древности появилась необходимость измерять время и длину — характеристику пространства. Измерить — значит сравнить измеряемую величину с другой величиной того же рода, называемой единицей измерения. Эта единица должна быть чётко определённой и неизменной величиной — эталоном. Созданием эталонов занимается наука, именуемая метрологией. За эталон времени принята секунда, за эталон длины — метр. Но вот как их определить? Скажем, секунда — это промежуток времени, в течение которого. что? Метр — это расстояние, равное. чему? Эти вопросы отнюдь не просты. Посмотрим, как отвечает на них современная метрология.

Время

Эталоны для измерения времени должны быть основаны на периодических процессах, период которых постоянен с большой точностью. Первоначально единственным известным процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси, и единица времени — секунда — определялась как 1/86 400 часть периода этого вращения, то есть суток. Длительность же суток определялась из двух последовательных наблюдений прохождения какого-нибудь небесного светила через плоскость меридиана места наблюдения. Уже древние астрономы убедились в том, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям любой из «неподвижных» звёзд: солнечные сутки оказались на 4 минуты больше звёздных. Это следствие движения Земли по орбите (вращение Земли вокруг оси и её орбитальное движение происходят в одном направлении). Пользоваться звёздным временем неудобно, так как вся наша жизнь связана со сменой дня и ночи, с солнечными сутками. Но определить их продолжительность с большой точностью весьма сложно: во-первых, Солнце слишком «велико»; во-вторых, солнечное излучение нагревает и деформирует точные приборы и, наконец, длительность солнечных суток изменяется в течение года вследствие изменения скорости движения Земли по орбите. Поэтому непосредственное определение периода вращения Земли выполняется по наблюдению звёзд, а для практических целей учитывают разницу между звёздными и солнечными сутками. Так возникло своеобразное положение, при котором мы пользуемся солнечным временем, определяя его по звёздам.

Так как истинные солнечные сутки не остаются одинаковыми в течение года, то в повседневной жизни за основную единицу времени принимают средние солнечные сутки, рассчитанные в предположении равномерного движения Земли по орбите. Время в таких сутках называют средним временем. Понятно, что его значение меняется с изменением географической долготы места: когда в Москве 12 часов дня, то, скажем, в Красноярске уже 16 часов, то есть возникает понятие местного времени. Местное среднее время на Гринвичском меридиане называют всемирным временем и обозначают UT (Universal Time). Это всемирное время положено в основу создания нескольких астрономических шкал времени.

Прежде всего заметим, что, хотя UT — среднее солнечное время, то есть определено из условия равномерного движения Земли по орбите, на его основе трудно создать равномерную шкалу по той причине, что положение любого меридиана, и в частности Гринвичского, подвержено изменениям из-за вращения Земли. Происходит это потому, что Земля — не абсолютно твёрдое тело: массы в ней непрерывно перераспределяются, вследствие чего полюса Земли незначительно (до 10–15 м) меняют положение, вызывая смещение меридианов, их соединяющих.

Существует несколько модификаций шкал всемирного времени. Из наблюдений суточных движений звёзд получается всемирное время UT0, не образующее равномерной шкалы. Если учесть поправку за смещение мгновенного полюса относительно его среднего положения, получим более равномерную шкалу UT1. Если принять во внимание ещё и сезонные вариации угловой скорости вращения Земли, получим более равномерную шкалу UT2. Наконец, учёт действия приливных явлений даёт шкалу UT1R.

Неравномерность суточного вращения и орбитального движения Земли не позволяет создать строго равномерные шкалы времени. Поэтому была введена ещё одна шкала — эфемеридное время, названное позже динамическим временем. Под ним понимают аргумент в дифференциальных уравнениях движения тел Солнечной системы в гравитационном поле. Это равномерно текущее время используют при определении эфемерид (элементов кеплеровой орбиты) спутников.

Любое время измеряют при помощи часов. После того как Галилей создал теорию маятника, а Гюйгенс изобрёл вращающийся балансир, появились маятниковые часы. И вскоре лучшие из них позволили обнаружить систематическое замедление суточного вращения Земли, вызванное океаническими приливами.

После изобретения кварцевых часов, в которых роль колебаний маятника играют упругие колебания кварцевых пластинок под действием электрического напряжения (пьезоэффект), было установлено, что и при учёте регулярного замедления длительность суток всё же непостоянна — она может изменяться в обе стороны на тысячные и даже сотые доли секунды.

К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона времени — суток. Возможности астрономических методов измерения времени оказались исчерпанными.

Принципиально новые и более точные методы измерения времени пришли из радиоспектроскопии и квантовой электроники.

Каждый атом или молекула избирательно поглощает или излучает не только свет, но и радиоволны определённой длины волны λ, или частоты f, которые характеризуются непревзойдённым постоянством. Это позволило создать квантовые стандарты частоты, а следовательно, и времени (вспомним, что частота — величина, обратная периоду, то есть времени одного колебания) и построить шкалу атомного времени AT, задаваемую конкретным атомным или молекулярным эталоном.

Шкала АТ практически совершенно равномерна. В ней единицей измерения служит атомная секунда — промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 ( 133 Cs). Другими словами, за атомную секунду совершается число периодов колебаний цезиевого генератора, равное его частоте, составляющей 9 192 631 770 Гц (

9,2 Ггц). Стабильность этой частоты очень высока (то есть относительная нестабильность Δf/f, где Δf — уход частоты, очень мала). Кроме цезиевого в качестве стандартов частоты используют также рубидиевый и водородный генераторы (последний наиболее стабилен, см. таблицу).

Существует Международное атомное время ТАI (от французского названия Temps Atomic International). Оно устанавливается на основе показаний атомных часов в различных метрологических учреждениях в соответствии с приведённым выше определением атомной секунды.

Так как шкалы AT и UT не согласуются между собой, введена промежуточная шкала, называемая всемирным координированным временем UTС (Universal Time Coordinated). Это атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его расхождение с UT1 превышает 0,5 с. Коррекция производится в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря либо в обе даты.

Длина

Обратимся теперь к единице длины — метру. Его история также довольно интересна. Впервые понятие метра появилось во Франции в период Великой французской революции. Учёные того времени решили заимствовать единицу измерения длины, так сказать, из самoй природы, и в качестве неизменного прототипа длины специальная комиссия Французской академии наук предложила взять длину одной десятимиллионной доли четверти Парижского меридиана. Это расстояние и назвали метром (metre vrai et definitif — метр подлинный и окончательный). После этого были проведены измерения длины дуги Парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной, на основании которых, а также в соответствии с теоретическим определением изготовили образец метра в виде платиновой линейки — концевой меры шириной около 25 мм и толщиной 4 мм. Эта мера сдана в архив Французской республики, поэтому её в дальнейшем стали называть «архивным метром». Но далее оказалось, что вследствие всё возрастающей точности геодезических измерений значения метра и соответствующей части меридиана будут расходиться. Кроме того, длина меридианов, как уже отмечалось выше, не остаётся строго постоянной из-за смещения полюсов. И тогда решили больше не связывать значение меры длины с одной сорокамиллионной частью Парижского меридиана. Метр перестал быть «естественной» мерой.

За точное значение метра был принят так называемый международный прототип, выбранный следующим образом. Изготовили 31 эталон в форме стержней Х-образного сечения из платино-иридиевого сплава с двумя штрихами, расстояние между которыми равно размеру метра, и провели сравнение этих эталонов с «архивным метром». В пределах точности измерений эталон № 6 при 0 о С оказался равным длине «архивного метра», и в 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам его приняли в качестве международного прототипа метра. Он хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре (близ Парижа). Из оставшихся 30 эталонов 28 были распределены по жребию между странами, участвовавшими в конференции 1889 года, а два оставлены как «эталон-копия» и «эталон-свидетель». Россия получила два эталона метра: № 11 и № 28. Последний декретом Совнаркома в 1918 году был узаконен в качестве государственного эталона или прототипа метра для СССР. Он хранится (до сих пор) во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и используется только для сравнения с ним вторичных эталонов или эталонов-копий.

Так как существующие эталоны хотя и очень мало, но всё же изменяются с течением времени и метр нельзя считать естественной мерой единицы длины, метрологи задались вопросом: нельзя ли всё-таки установить естественный эталон длины, «привязав» его к стабильным природным процессам или явлениям. И здесь, как и в случае с эталоном времени, решение пришло из спектроскопии и квантовой электроники. Поскольку, как уже отмечалось, частоты и длины волн атомов и молекул отличаются исключительным постоянством, это природные константы, и поэтому в принципе атом или молекула каждого (любого) вещества обладает свойствами эталона частоты и длины.

С развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр в длинах световых волн, и в 1927 году VII Генеральная конференция по мерам и весам постановила: 1 метр равен 1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия при определённых условиях (температуре, давлении и пр.) К 30-м годам ХХ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов на эталоне метра и его копиях. И в 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: он стал равен 1 650 763,73 длины волны излучения в вакууме, соответствующей оранжевой линии спектра изотопа криптона с атомным весом 86 ( 86 Kr). Поскольку эта линия намного более узкая, чем у кадмия (чему, в частности, способствует то, что криптоновую лампу помещают в криостат с жидкой углекислотой), новое определение метра повысило точность эталона длины примерно в 100 раз.

В том же 1960 году, когда за эталон длины приняли криптоновый стандарт, был создан принципиально новый источник излучения — лазер, и началось бурное развитие лазерной техники. Обнаружилось, что газовый лазер на смеси гелия и неона (Не-Nе) может генерировать чрезвычайно узкие спектральные линии (так называемые продольные моды, см. «Наука и жизнь» № 9, 2003 г.) — гораздо yже, чем у криптонового стандарта. Однако частоты этих линий могут «плавать», меняться неконтролируемым образом (например, вследствие изменения длины резонатора). Поэтому, чтобы получить источник света намного лучший, чем криптоновая лампа, необходимо стабилизировать частоту лазерного излучения. Такой стабилизации достигли использованием молекулярных линий поглощения некоторых газов, у которых частота одной из линий поглощения близка к частоте излучения лазера. Например, гелий-неоновый лазер может генерировать на трёх длинах волн: 0,63, 1,15 и 3,39 мкм; при этом линии с длиной волны 0,63 мкм весьма точно соответствует линия поглощения молекулы паров йода I₂, а линии с длиной волны 3,39 мкм — линия поглощения молекулы метана СН₄. Ячейку с поглощающим газом помещают внутрь резонатора лазера. Если изменять длину резонатора, настраивая лазерную частоту на центр спектральной линии поглощающего газа, в излучении лазера появляется резонансный пик с предельно узкой шириной спектра. Это состояние непрерывно поддерживает система автоподстройки длины резонатора. Лазеры на Не-Nе/I₂ 127 и особенно Не-Ne/CH₄ обеспечивают генерацию очень узких линий излучения со стабильностью частоты того же порядка, что и в стандартах времени. Естественно, возникла мысль об использовании стабилизированных лазеров в качестве стандартов длины вместо криптонового эталона. Этому способствовало ещё одно обстоятельство.

Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, — цезиевый генератор, частота которого f_эт = 9 192 631 770 Гц лежит в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением с эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты в оптический диапазон, то есть умножить её до оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину и неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор с удобным значением частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты и сам по себе служить эталоном не может. Необходимо стабилизировать его частоту по цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.

Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора f_кв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона f_эт. Подбором конкретных значений n и f_кв разностную частоту (f_эт – nf_кв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (f_эт – nf_кв) = f_кв.

Сигнал разностной частоты (f_эт – nf_кв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты f_кв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты f_кв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (f_эт – nf_кв) и f_кв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.

Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 10 14 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне — оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.

Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц — единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) — задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.

Следует упомянуть, что в последнее время найдена более перспективная возможность создания единого эталона ВЧД, связанная с разработкой фемтосекундных «оптических часов», способных служить также «оптическим метром» («Наука и жизнь» № 9, 2003 г.). При этом отпадает необходимость в цепочке передачи благодаря генерированию высокостабильной «оптической гребёнки» в чрезвычайно широком диапазоне спектра. Такая гребёнка, воспринимаемая как белый свет, возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера на сапфире с титаном через оптическое волокно со специально созданной микроструктурой. Подробности о такого рода разработках можно найти в нобелевской лекции Дж. Холла, опубликованной на русском языке под названием «Определение и измерение оптических частот: перспективы оптических часов — и не только» (УФН, 2006, № 12).

Источник