Государственный первичный эталон единицы длины

 

Каким длительным и сложным бывает путь к новому определению основных единиц и к их практи-

ческой реализации, наглядно свидетельствует история создания современного первичного государственного

эталона длины - метра.

В 1791 г. Национальное собрание Франции постановило принять за основную единицу длины

1/10000000 часть четверти земного меридиана. В 1799 г. на основе геодезических измерений Парижского

меридиана и его соответствующей части был изготовлен вещественный образец (прототип) метра в соответ-

ствии с его определением. Этот образец, изготовленный в виде платиновой концевой меры и получивший

название "архивного метра" прослужил в качестве единственного эталона метра почти 90 лет. К 1889 г. Ме-

ждународное бюро мер и весов, изготовило из платиноиридиевого сплава 34 копии архивного метра, одна из

которых (№ 6 — наиболее близкая к архивному метру) была принята 1-й ГКМВ (1889 г.) в качестве между-

народного прототипа метра, а остальные копии переданы странам, подписавшим метрическую конвенцию.

Две такие копии (№28 и №11) получила Россия, из них копия №28 явилась первым Государственным

эталоном метра в нашей стране, утвержденным в 1918 г., и просуществовавшим в этом ранге вплоть до 1968

г., когда в качестве государственного первичного был утвержден новый эталон метра, соответствующий но-

вому "световому" определению единицы длины. Размер новой единицы (1 650 763,73 длин волн оранжевой

линии криптона-86) соответствовал размеру прежнего международного прототипа метра.

В основе Государственного первичного эталона метра, как и в основе определения этой единицы,

были заложены два фундаментальнейших свойства материи:

1) атомное "происхождение" оптического излучения, имеющего квантово-механический характер и

2) явление интерференции электромагнитных волн.

В 1983 г. ХVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: "Метр

– длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды". Новый эталон метра опирается

на эталон единиц времени и частоты.

Создание единого эталона единиц времени-частоты-длины является значительным шагом в исполь-

зовании современной физики в метрологии, в осуществлении программы перехода на естественные эталоны,

основанные на фундаментальных физических константах. Преодолеть технические трудности, стоящие на

пути создания единого эталона, стало возможным лишь после разработки систем, использующих фундамен-

тальные достижения квантовой механики. Возможность создания единого эталона, т. е. возможность

воспроизведения в одном физическом процессе - распространении плоской электромагнитной волны в

вакууме - двух единиц физических величин - единиц времени и длины, базируется на фундаментальной

 

 

 

постоянной - скорости света в вакууме с = 299792458 м/с и соотношении c = , связывающем пространст-

во и время ( - частота,  - длина волны).

Ранее использовать значение скорости света как фундаментальной физической константы было за-

труднительно. К 1980 г. ее значение принималось как (299792,458 ± 0,0012) км / с, т.е. не могло рассматри-

ваться как константа. Использование высокостабильных лазеров при измерении скорости света позволило

постулировать значение скорости света точно равной 299792,458 км / с.

В настоящее время для обеспечения высокой степени стабилизации важнейшего параметра лазер-

ного излучения – частоты широко применяются гелий – неоновые лазеры на длине волны излучения  = 3,39

мкм (инфракрасная область спектра) и  = 0,63 мкм (видимая область спектра), стабилизированные соответ-

ственно по насыщенному поглощению в метане (He–Ne/ CH4) и молекулярном йоде (He–Ne/I2). Лазеры на

основе (He–Ne/ CH4) по воспроизводимости частоты приближаются к цезиевому стандарту частоты, являю-

щемуся основой эталона единиц времени и частоты. Работающий в видимом диапазоне спектра He–Ne/I2

лазер позволяет реализовать новое определение метра через скорость распространения света в вакууме. На-

личие излучения на двух длинах волн( = 0,63 мкм и  = 3,39 мкм) дает возможность с помощью интерфе-

рометра обеспечить высокую точность измерений.

На рисунке 4 приведена структурная схема единого эталона. В состав его входят: государственный

первичный эталон единиц времени и частоты, включающий государственный эталон единиц времени и час-

тоты (радиодиапазона), радиооптический частотный мост, лазеры ( = 3,39 мкм), а также государственный

первичный эталон единицы длины (метра), включающий лазеры ( = 0,633 мкм), интерферометры 1 и 2 и

установку для измерения отношения длин волн.

 

 

Государственный Государственный

первичный эталон Периодические сличения

первичный эталон

единиц времени и длины

частоты

 

 

Лазеры Интерферометр 1

 

Радиооптический Лазеры Интерферометр 2

частотный мост

 

 

Государственный Установка для

эталон времени и измерения

частоты отношения длин

волн

 

Кратные и дольные единицы длины

 

Кратные и дольные единицы времени и частоты

 

Рисунок 4. Государственный единый эталон единиц времени, частоты и длины

 

Этот эталон имеет погрешность воспроизведения в виде среднего квадратического отклонения ре-

зультата измерений 110-11.

Единый эталон метра – секунды – герца введён в действие как государственный в 1992 году. Эталон единиц

времени, частоты и длины состоит из двух частей: эталон времени и частоты, а также РОЧМ, составляющие

его первую часть, находятся в ГП «ВНИИФТРИ», вторая же часть, составляющая интерферометр для срав-

нения длин волн, He–Ne/CH4 и He–Ne/I2 лазеры и интерференционный компаратор, находится во ВНИИМ

им. Д.И. Менделеева. С целью объединения обеих частей эталона в единый был разработан и введён в со-

став эталона транспортируемый He–Ne/CH4 лазер, длина волны которого устанавливается по выходному He–

Ne/CH4 лазеру РОЧМ и служит для измерения длины волны He–Ne/I2 лазеров, находящихся во ВНИИМ им.

Д.И. Менделеева.