Эталоны единиц системы СИ

Единица времени - секунда впервые определялась через период вращения Земли вокруг оси или Солнца. До недавнего времени секунда равнялась 1/86400 части солнечных средних суток. За средние солнечные сутки принимался интервал времени между двумя последовательными кульминациями "среднего" Солнца. Однако продолжительные наблюдения показали, что вращение Земли подвержено нерегулярным колебаниям, которые не позволяют рассматривать его в качестве достаточно стабильной естественной основы для определения единицы времени. Средние солнечные сутки определяются с погрешностью до 10^-7с. Эта точность совершенно недостаточна при нынешнем состоянии техники.

Проведенные исследования позволили создать новый эталон секунды, основанный на способности атомов излучать и поглощать энергию во время перехода между двумя энергетическими состояниями в области радиочастот. С появлением высокоточных кварцевых генераторов и развитием дальней радиосвязи появилась возможность реализации нового эталона секунды и единой шкалы мирового времени. В 1967 г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды как интервала времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Данное определение реализуется с помощью цезиевых реперов частоты. Репер, или квантовый, стандарт частоты., представляет собой устройство для точного воспроизведения частоты электромагнитных колебаний в сверхвысокочастотных и оптических спектрах, основанное на измерении частоты квантовых переходов атомов, ионов или молекул. В пассивных квантовых стандартах используются частоты спектральных линий поглощения, в активных - вынужденное испускание фотонов частицами. Применяются активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (так называемые молекулярные генераторы) и атомов водорода (водородные генераторы). Пассивные стандарты частоты выполняются на пучке атомов цезия (цезиевые реперы частоты).

До июля 1997 г. государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты определялись ГОСТ 8.129-83. С 1997 г. он заменен правилами межгосударственной стандартизации ПМГ 18-96 "Межгосударственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты". Государственный первичный эталон единицы времени состоит из комплекса следующих средств измерений:

• метрологических цезиевых реперов частоты, предназначенных для воспроизведения размеров единицы времени и частоты в международной системе единиц;
• водородных стандартов частоты, предназначенных для хранения размеров единиц времени и частоты и одновременно выполняющих функцию хранителей шкал времени. Использование водородных реперов позволяет повысить стабильность эталонов. В настоящее время за период времени от 100 с до нескольких суток она не превышает (1-5)·10 ^-7 ;
• группы квантовых часов, предназначенных для хранения шкал времени. Квантовые часы - это устройство для измерения времени, содержащее генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, и управляемое квантовыми стандартами частоты;
• аппаратуры для передачи размера единицы частоты в оптический диапазон, состоящей из группы синхронизированных лазеров и сверхвысокочастотных генераторов;
• аппаратуры внутренних и внешних сличений, включающей перевозимые квантовые часы и перевозимые лазеры;
• аппаратуры средств обеспечения.

Диапазон значений интервалов времени, воспроизводимых эталоном, составляет 1•10^-10 - 1•10⁸ с, диапазон значений частоты 1-1•10¹⁴ Гц. Воспроизведение единиц времени обеспечивается со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1•10 ^-14 за три месяца, неисключенная систематическая погрешность не превышает 5•10 ^-14. Нестабильность частоты эталона за интервал времени от 1000 с до 10 суток не превышает 1•10 ^-15

Метр был в числе первых единиц, для которых были введены эталоны. Первоначально в период введения метрической системы мер за первый эталон метра была принята одна десятимиллионная часть четверти длины Парижского меридиана. В 1799 г. на основе ее измерения изготовили эталон метра в виде платиновой концевой меры (метр Архива), представлявший собой линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами 1 м.

До середины XX века проводились неоднократные уточнения принятого эталона. Так, в 1889 г. был принят эталон в виде штриховой меры из сплава платины и иридия. Он представлял собой платиноиридиевый брусок длиной 102 мм, имеющий в поперечном сечении форму буквы X, как бы вписанную в воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм,

Требования к повышению точности эталона длины (платиноиридиевый прототип метра не может дать точности воспроизведения выше 0,1-0,2 мкм), а также целесообразность установления естественного и неразрушимого эталона привели к принятию (1960) в качестве эталона метра длины, равной 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀ и 5d₅, атома криптона-86 (криптоновый метр). Этот эталон мог воспроизводится в отдельных метрологических лабораториях, точность его по сравнению с платиноиридиевым прототипом была на порядок выше.

Дальнейшие исследования позволили создать более точный эталон метра, основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения, генерируемого стабилизированным лазером. За эталон метра в 1983 г. было принято расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долей секунды. Данное определение метра было законодательно закреплено в декабре 1985 г. после утверждения единых эталонов времени, частоты и длины.

Метр может быть реализован одним из следующих способов, рекомендованных Международным комитетом мер и весов:

1. через длину пути L, проходимого в вакууме плоской электромагнитной волной за измеренный промежуток времени t. Длина L определяется по формуле L = c₀t, где с₀ = 299 792 458 м/с - скорость света в вакууме. При этом необходимо вносить поправки, учитывающие реальные условия (дифракцию, гравитацию и неидеальность вакуума). Этот вариант используется в государственном первичном эталоне единиц времени, частоты и длины, воспроизводящем метр в диапазоне от нуля до 1 м со средним квадратическим отклонением не более 5•10 ^-9 м
2. через длину волны ? в вакууме плоской электромагнитной волны с известной частотой v. Эта длина получается из соотношения ? = c₀/v
3. через длину волн в вакууме излучений ряда источников, включенных в специальный список. В нем перечислены рекомендованные источники излучения, указаны частоты и длины волн в вакууме, а также перечислены технические требования, которые необходимо выполнить при создании этих источников, приведены погрешности воспроизведения длин волн и частот.

Во вторичных эталонах и образцовых средствах измерений метр реализуется третьим способом, а именно путем создания He-Ne и аргоновых лазеров, стабилизированных по резонансам насыщенного поглощения в йоде или метане .

Государственная поверочная схема для СИ длины в диапазоне от 1•10^-6 - 50 м определяется рекомендациями МИ 2060-90.

Другой важной основной единицей в механике является килограмм. При становлении метрической системы мер в качестве единицы массы приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4°С). Изготовленный при этом первый прототип килограмма представляет собой платиноиридиевую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Данное определение эталона килограмма действует до сих пор.

Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения массы определяются ГОСТ 8.021-84. Государственный эталон состоит из комплекса следующих средств измерений:

• национального прототипа килограмма - копии № 12 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава и предназначенного для передачи размера единицы массы гире R1;
• национального прототипа килограмма - копии № 26 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава и предназначенного для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимой национальным прототипом килограмма - копией N° 12, и замены последнего в период его сличений в Международном бюро мер и весов;
• гири R1 и набора гирь, изготовленных из платиноиридиевого сплава и предназначенных для передачи размера единицы массы эталонам-копиям;
• эталонных весов.

Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1 кг. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы массы со средним квадратическим отклонением результата измерений при сличении с международным прототипом килограмма, не превышающим 2•10^-3 мг.

Эталонные весы, с помощью которых производится сличение эталона массы, с пределами взвешивания от 2•10^-3 до 1 кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдения на весах от 5•10^-4 до 3•10^-2 мг.

Похожие материалы