Эталоны, их виды и назначение

Получить новый, действительно точный эталон массы ученые, а особенно физики, мечтали давно. Часть работы выполнена, но впереди еще огромный объем. Дело в том, что в микроэлектронике химически чистый кремний получать в основном научились. Но природный кремний состоит из трех изотопов с разной, естественно, массой атомов - 28 (92%), 29 (5%) и 30 (3%) углеродных единиц. А для эталона массы атомы нужны только одинаковые. Только после получения в России изотопически-чистого кремния в Австралии сделают идеальный гладкий шар. И потом шар будут долго и тщательно проверять в Германии и Франции. Таким образом, впервые появляется возможность уточнить одну из самых фундаментальных химических величин - число Авогадро.

1.2.3 Эталон времени

В 1967 г. на XIII ГКМВ было принято новое определение единицы времени - секунды как промежутка времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями (F = 4, mF = 0) и (F= 3, mF = 0) сверхтонкой структуры основного 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) единицывремени — "атомной" секунды (с);

2) единицычастоты — герца (Гц);

3) шкалыатомного времени  — TA ;

4) шкалыкоординированного  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 1).

Государственный эталон времени и частоты обеспечивает воспроизведение размеров единиц времени и частоты (секунды и герца) со средним квадратическим отклонением, не превышающим 5x10-14

Рисунок 1.

Эталон соответствует определению единицы времени—секунды как интервала времени, в течение которого совершается 9192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями (F= 4, тF= 0 и F= 3, тF = 0) основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей.

Принцип действия эталона (рисунок 1) заключается в следующем. Атомы цезия-133 испаряются цезиевой 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 остальные частицы. В центре установки расположена система из 1-го и 2-го резонаторов, где на атомы цезия действует высокочастотное магнитное поле, создаваемое кварцевым генератором. При настройке частоты генератора в резонанс с частотой квантового перехода возникает лавинообразный процесс перехода атомов цезия от уровня F = 4 к уровню F = 3. Затем атомы цезия попадают в неоднородное поле второго сортирующего 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 автоматической подстройки частоты генератора.

В состав эталона входят два цезиевых квантовых стандарта частоты и 4 водородных стандарта частоты. Входящие в состав эталона водородные реперы частоты имеют другой принцип действия, основанный 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) репера размер секунды, не прибегая к его частому включению. Однако все реперы воспроизводят значение частоты, определяющей размер секунды, лишь периодически.

Хранители частоты — это непрерывно работающие меры (кварцевые плюс квантовые), обеспечивающие формирование и хранение шкал времени.

Основная шкала, хранимая эталоном - шкала равномерного атомного времени - ТА. Это равномерная 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 результатам астрономических и радиоастрономических наблюдений:

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 эффектом Допплера и рядом других мешающих факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены. Мы оперируем такими физическими величинами как длина, время, температура, сила, давление, скорость и т.д. Все они определяют общие в качественном отношении физические свойства, количественные же характеристики их могут быть совершенно различными. Получение сведений о количественных отношениях величин и является задачей измерений.

С древних времен люди пользовались различными единицами для количественного оценивания расстояния, массы тел, продолжительности дня и т.д.

Самые древние из единиц относятся к антропометрическим, т.е. те, которые отождествлялись с названиями частей человеческого тела.

В  данной работе дается определение понятия "эталон", приводится классификация эталонов в соответствии с их местом в поверочной схеме для средств измерений физических величин. Рассмотрены основные требования к государственным эталонам, структура и состав эталонов единиц массы, длины и времени. Даны краткие описания государственных первичных эталонов основных единиц международной системы единиц физических величин. Нами рассмотрены и охарактеризованы эталоны единиц массы, времени и длины.

В результате проделанной работы можно сделать вывод, что задачи поставленные для достижения цели решены.

Список использованных источников

1. Эталоны . Сост. К.В.Сафронова.– Пенз. гос. ун-т, каф. МСК, 2006
2. Российская метрологическая энциклопедия. – Санкт-Петербург. Лики России, 2001.
3. ГОСТ 8.057-80 ГСИ. Эталоныединиц физических величин. Основные положения.
4. КузнецовВ. А., Ялунина Г. В. Метрология (теоретические, прикладные и законодательные основы): Учеб. пособие. – М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.
5. Сергеев А. Г., КрохинВ. В. Метрология: Учебное пособие для вузов. – М.: Логос, 2000.
6. БрянскийЛ. Н. Непричесанная метрология.- М.: ПОТОК – ТЕСТ, 2002