Но прежде чем выделить сигналы нужной частоты, эту частоту надо знать и уметь измерить, а для этого нужен инструмент измерений.
Монолитный полосовой фильтр на ПАВ.
Эталоны времени и частоты
Представьте себе ситуацию: кварцевые кристаллы для фильтра изготавливались на разных заводах. На каждом кристалле имеется обозначение одной и той же частоты, скажем 10 МГц. Собрали фильтр… и ничего не вышло. Вместо требуемой почти прямоугольной характеристики с плавно скругленными скатами получился ряд каких-то зубцов. Проверили кристаллы — они оказались настроенными на разные частоты. Обратились на один завод, там отвечают: «Мы настраивали на 10 МГц». Обратились на другой — тот же ответ. Возникает естественный вопрос: а чем измеряли частоту? С чем ее сравнивали? С каким образцом или эталоном?
Мы рассмотрели совершенно немыслимый в современном производстве случай, когда каждый завод «на свой аршин меряет». Если бы все измеряли «своими аршинами», нельзя было бы из заводских деталей собрать ни станок, ни автомобиль, ни один подшипник не подошел бы к своему валу, ни одна гайка ни к одному винту, да что там говорить, произошло бы всеобщее и сокрушительное бедствие!
Вот как важны точные и стандартизованные измерения в современной индустрии. Этим занимается специальная наука метрология. В отношении же измерения частоты «аршин» теперь у всех один — эталонная частота атомного стандарта. Ну а где частоты, там и время.
Частота обращения Земли вокруг Солнца задает единицу времени — год. Частота вращения Земли вокруг оси — другую единицу — сутки. Сутки делятся на часы, часы на минуты и секунды. Долгие годы астрономическая секунда была единственным эталоном времени. Но требования науки и техники все возрастают, а астрономическая секунда оказалась недостаточно точна. Вращение Земли неравномерно, оно подвержено влиянию притяжения других планет, приливов и отливов, многих других факторов. Изменения частоты вращения Земли ничтожно малы, но для современных приборов весьма заметны. А время надо знать точно. Отсчет секунд перед стартом космического корабля должен вестись по одной шкале и на космодроме Байконур, и на удаленном дальневосточном наблюдательном пункте, и на корабле слежения, дрейфующем в Индийском океане. Только тогда сообщение наблюдателей, что через 78,35 с после старта «пошла телеметрия», будет иметь смысл.
Но не это главное. Например, надо очень точно измерить частоту принятого телеметрического сигнала, чтобы по ее доплеровскому сдвигу рассчитать и скорректировать орбиту вновь выведенного космического корабля.
Время нужно не только знать, его нужно хранить и беречь и в переносном, и в буквальном смысле. Когда участники экспедиции Витуса Беринга отправились на лошадях через всю Россию из Петербурга к берегам Охотского моря, они везли не только канаты, парусину, якоря и прочее оборудование, они везли с собой и хронометры. Тщательно упакованные хронометры держали на коленях в течение всего путешествия, чтобы нечаянным толчком не сбить, не нарушить отсчитываемый ими ход времени. «Привезя» в Охотск гринвичское время, удалось довольно точно определить долготу неизвестных ранее географических пунктов. Ведь долгота измеряется по разности местного, определяемого по солнцу, и гринвичского времени (напомню, что в Гринвиче, вблизи Лондона, находится обсерватория, через которую проходит нулевой меридиан).
Теперь все гораздо проще: гринвичское, да и любое другое время, можно узнать по радио. И не только по сигналам точного времени, передаваемым каждый час любой радиовещательной станцией. Есть и специальные станции, передающие эталонные частоты атомных стандартов. В европейской части СССР можно принять эталонную частоту 66,(6) кГц, передаваемую из Москвы, а в азиатской части 50 кГц, передаваемую из Иркутска. Передается ряд частот и из других мест, в том числе и в диапазоне коротких волн. С такой техникой долготу географических пунктов удается определять с точностью до малых долей угловой секунды. Этими же частотами синхронизируются вторичные эталоны Государственной службы времени и частоты.
Сказав о вторичных, надо рассказать и о первичном эталоне времени. Ведь эталоны нужны при любых измерениях. В СССР используется международная система единиц (СИ). Основными в этой системе являются: единица длины — метр, массы — килограмм и времени — секунда. Кроме того, к основным относятся: единица силы тока — ампер, температуры — кельвин и силы света — кандела. Все другие единицы — производные от основных.
Первичным эталоном килограмма является масса бруска из платиново-иридиевого сплава, мало подверженного коррозии и другим химическим воздействиям. Эталон с максимальными предосторожностями хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа, и лишь изредка извлекается из хранилища для проверки (сличения) привозимых вторичных эталонов.
За эталон метра ранее считали 1/40 000 000 часть длины меридиана Земли, проходящего через Париж. Был и более реальный эталон — стержень метровой длины, изготовленный из инвара — сплава с малым температурным коэффициентом расширения. Точность этого эталона была невысока и определялась точностью и тщательностью геодезических измерений на поверхности Земли. Был выбран более точный, атомный стандарт. Метр определили как длину, равную 1 650 763, 73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего одной из спектральных линий (оранжевой) атомов криптона-86. Длины волн спектральных линий атомного излучения очень стабильны и практически не зависят от внешних условий, поэтому у нового стандарта появилось важное достоинство — повторяемость и воспроизводимость в разных условиях.
Наконец, в самое последнее время предложен новый эталон. Длиной в один метр стали считать путь, проходимый световой волной в вакууме за 1/299792458 часть секунды. В основе нового эталона лежит фундаментальный факт постоянства скорости света в вакууме. Но теперь метр оказался связан с другой основной единицей СИ — секундой, и точное определение эталона времени приобрело особо важное значение. Здесь уместно отмстить, что измерение времени и частоты теперь научились выполнять намного точнее всех других физических измерений.
Основой любого эталона времени является элемент, который совершает (или в котором совершаются) колебания. В часах это маятник, в астрономическом эталоне — сама планета Земля, ведь ее вращение, как мы уже убедились, можно представить суммой двух колебаний с одинаковыми частотами, совершаемых в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В электронных часах колебательным элементом служит кварцевый кристалл, а в атомном стандарте — электронные оболочки атомов рабочего вещества. Секунда сейчас определяется как время, за которое совершается 9192 631 770 периодов колебаний в излучении, соответствующем переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Вероятно, вы знаете, что атомы поглощают и излучают электромагнитную энергию порциями — квантами. В атоме любого вещества электроны располагаются не на каких попало, а на вполне определенных орбитах. Каждой орбите соответствует определенный уровень энергии атома. Если состояние электрона изменяется, то излучается или поглощается квант, энергия которого в точности равна разности энергий в новом и прежнем состоянии атома. Энергия кванта прямо пропорциональна его частоте, поэтому частоты переходов между энергетическими уровнями очень стабильны.
На частотах радиодиапазона энергия квантов очень мала, и для создания эталонов приходится подбирать атомы, имеющие сверхтонкую структуру энергетических уровней. Кроме цезия такую структуру уровней имеют и атомы водорода.
Атом водорода, наипростейший из всех известных, состоит из единственного протона, образующего ядро, и единственного электрона. Спектр излучения водорода содержит серии линий в областям ультрафиолетовых, видимых, и инфракрасных волн. Но есть одна особая линия. Электрон вращается вокруг ядра не только по своей орбите, но и вокруг собственной оси. Такое вращение назвали спином (от англ. spin — волчок, веретено). Спины электрона в ядре могут быть параллельны (вращение в одну сторону) и антипараллельны (вращение в разные стороны). Переход атома из одного состояния в другое соответствует сверхтонкой структуре энергетических уровней. При этом переходе излучается электромагнитная волна около 21 см, лежащая в радиодиапазоне.
Устройство атомного эталона рассмотрим на примере водородного стандарта частоты. В камере, из которой до глубокого вакуума откачан воздух, имеется «атомная пушка» — окно из губчатой платины, тоненькой струйкой пропускающее атомы водорода. Они подвергаются нагреву высокочастотным полем, которое возбуждает часть атомов, т. е. переводит их на уровень с большей энергией. Затем пучок атомов пропускают через фокусирующую систему — магнит с сильно неоднородным полем. Он «отсеивает» невозбужденные атомы, а возбужденные попадают в металлический цилиндр — объемный резонатор, где и отдают энергию в виде электромагнитных колебаний. Энергия отводится из резонатора коаксиальным кабелем. Метрологический водородный стандарт имеет очень хорошую долговременную стабильность и воспроизводимость частоты. Его частота равна 1420405751, 786 ± 0,001 Гц, а стабильность порядка 10-13. Выходной сигнал резонатора усиливают, многократно делят по частоте и получают стандартные интервалы времени 0,1; 1 с и т. д. Для повышения стабильности водородный стандарт тщательно термостатируют и экранируют даже от магнитного поля Земли.
