Государственный первичный эталон единицы времени и частоты

 

В 1967 г. на XIII ГКМВ было принято новое определение единицы времени - секунды как промежут-

ка времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной часто-

те энергетического перехода между уровнями (F = 4, mF = 0) и (F= 3, mF = 0) сверхтонкой структуры ос-

новного состояния атома цезия - 133 при отсутствии внешних возмущающих полей.

Государственный первичный эталон единиц времени и частоты является самым сложным из всех

эталонов. В его состав входит большой комплекс аппаратуры, каждое звено которого представляет весьма

сложное техническое устройство.

Эталон в целом предназначен для воспроизведения и хранения:

1) единицы времени — "атомной" секунды (с);

2) единицы частоты — герца (Гц);

3) шкалы атомного времени — TA;

4) шкалы координированного времени — UTC.

Воспроизведение единицы времени (и частоты) в соответствии с ее определением осуществляет в

эталоне специально созданная, уникальная по своим характеристикам установка—цезиевый репер частоты

— реализующая с наивысшей точностью принцип цезиевой меры частоты (рисунок 3).

Государственный эталон времени и частоты обеспечивает воспроизведение размеров единиц времени

и частоты (секунды и герца) со средним квадратическим отклонением, не превышающим 510-14, при не ис-

ключенной составляющей систематической погрешности менее 10-14.

 

 

 

 

Ионизатор Детектор

 

Экран

2-й магнит Блок

2-й резонатор автоподстройки

 

 

Пучок 9192,631770 МГц

Умножитель

атомов

частоты u = f(F)

цезия

 

Кварцевый

1-й резонатор генератор

 

1-й магнит 1с

 

Цезивая Делитель

Вакуум печь частоты

 

Рисунок 3. Государственный первичный эталон единицы времени и частоты

 

Эталон соответствует определению единицы времени—секунды как интервала времени, в течение

которого совершается 9192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверх-

тонкими уровнями (F= 4, тF= 0 и F= 3, тF = 0) основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних

полей.

Принцип действия эталона (рисунок 3) заключается в следующем. Атомы цезия-133 испаряются це-

зиевой печью при температуре около 400 К и со скоростью 20 км/с попадают в неоднородное поле первого

магнита, которое направляет к центру установки атомы с квантовым числом F = 4 и рассеивает все осталь-

ные частицы. В центре установки расположена система из 1-го и 2-го резонаторов, где на атомы цезия дей-

ствует высокочастотное магнитное поле, создаваемое кварцевым генератором. При настройке частоты гене-

ратора в резонанс с частотой квантового перехода возникает лавинообразный процесс перехода атомов це-

зия от уровня F = 4 к уровню F = 3. Затем атомы цезия попадают в неоднородное поле второго сортирующе-

го магнита, которое фокусирует на детекторе атомы с уровнем F = 3 и рассеивает все другие. Создаваемый

детектором ток ионизации достигает максимума при совпадении частоты кварцевого генератора с частотой

квантового перехода. При неравенстве этих частот уменьшается ток ионизации, что служит сигналом для авто-

матической подстройки частоты генератора.

В состав эталона входят два цезиевых квантовых стандарта частоты и 4 водородных стандарта час-

тоты. Входящие в состав эталона водородные реперы частоты имеют другой принцип действия, основан-

ный на резонансном излучении с меньшей частотой (1 420 405 751,8 Гц). Они выполняют роль эталона-

копии и позволяют долгое время хранить однажды установленный с помощью первичного (цезиевого) репе-

ра размер секунды, не прибегая к его частому включению. Однако все реперы воспроизводят значение час-

тоты, определяющей размер секунды, лишь периодически.

Хранители частоты — это непрерывно работающие меры (кварцевые плюс квантовые), обеспечи-

вающие формирование и хранение шкал времени.

Основная шкала, хранимая эталоном - шкала равномерного атомного времени - ТА. Это равномер-

ная шкала интервалов с фиксированным нулем отсчета. Размер ее секунды соответствует определению 1967

г. Шкала никак не связана с вращением Земли, с ее положением в пространстве. Наряду с ней существует

группа неравномерных шкал времени, связанных с положением Земли в пространстве и калибруемых по ре-

зультатам астрономических и радиоастрономических наблюдений:

 шкала всемирного времени UT0, длительность секунды в которой равна средней солнечной се-

кунде.

 шкала всемирного времени UT1, которая отличается от UT0 поправкой на колебания полюсов

Земли:

UTI = UT0 + Δλ.

 шкала всемирного времени UT2, которая отличается от UTI поправкой на сезонную неравномер-

ность вращения Земли:

UT2 = UT1 + ΔTs.

 

 

 

 

Шкалы ТА и UT постепенно и постоянно расходятся. Чтобы максимально устранить последствия

этого, введена шкала координированного времени UTC. Секунда UTC равна секунде ТА, а начало счета мо-

жет меняться ровно на 1 секунду с первого числа каждого месяца (предпочтительно 1 января или 1 июня) в 0

часов по шкале UT2 с тем, чтобы расхождения между UTC и UT2 не превышали бы 0,9 секунды. Практиче-

ски поправка вводится раз в год - 1 января.

Шкала UTC (точнее, ее национальная версия UTC-SU) также поддерживается эталоном времени и

частоты России.

Именно шкала UTC-SU используется для передачи сигналов времени через радио- и телевизионные

каналы.

Постепенно точность «горизонтальных» цезиевых реперов перестала удовлетворять требованиям

науки и техники. Выход был найден в разработке нового репера, получившего полуофициальное название

"фонтан". В нем атомы цезия движутся вертикально со скоростями порядка единиц сантиметров в секунду

(применяется так называемое лазерное охлаждение). При таких скоростях уже можно пренебрегать эффек-

том Допплера и рядом других мешающих факторов. В результате можно ожидать значений относительной

погрешности порядка 1·10-16.

Главным недостатком нового репера является очень большая стоимость, от 500000 до миллиона

долларов. На сегодня работают три «фонтана»: французский, американский и германский. На очереди чет-

вертый - российский.

Комплекс аппаратуры Государственного первичного эталона хранится и применяется во ВНИИФ-

ТРИ, где он размещен в пяти термостатных комнатах и четырех аппаратных залах. Аппаратура размещена

на специальных фундаментах, развязанных от корпуса здания, и экранирована от внешних магнитных полей

Температура в термостатных комнатах в течение года изменяется не более чем на 4°С, в течение суток - не

более 0,2°С. Влажность колеблется в пределах 70±10%.