§ 100. Астрономические часы и хронометры

При всех астрономических наблюдениях необходимо с той или иной степенью точности отмечать и записывать моменты наблюдаемых явлений. Для этой цели служат астрономические часы и хронометры самых разнообразных конструкций.

Маятниковые часы основаны на свойстве маятника сохранять в идеальных условиях постоянным период своего колебания, который зависит от длины маятника. В астрономических часах маятники делаются секундные, т.е. совершающие одно колебание (справа налево, или слева направо) за одну секунду. Длина такого маятника около 1 м. Циферблат имеет часовую, минутную и секундную стрелки. Часовой механизм устроен так, что каждое колебание маятника сопровождается четким ударом, хорошо слышимым на расстоянии нескольких метров. Это позволяет считать секунды, не глядя на часы, и отмечать моменты по часам с точностью до десятой доли секунды.

Период колебания маятника очень чувствителен к изменению внешних условий и прежде всего к изменениям температуры и атмосферного давления. Изменение температуры вызывает изменение длины маятника, а следовательно, и его периода. Для уменьшения этих изменений стержень маятника изготовляется из материалов с небольшим температурным коэффициентом линейного расширения (из инвара или суперинвара) и устраиваются приспособления, компенсирующие температурные изменения длины маятника. Кроме того, маятник часов помещают в термостатированное помещение, или в подвал, на глубине 10-20 м, где суточные изменения температуры отсутствуют, а годичные не превышают 0°,5.

Непостоянство атмосферного давления, т. е. изменение плотности окружающей маятник среды, устраняется тем, что маятник помещают в герметический медный цилиндр, в котором создается постоянное низкое давление около 20 мм.

Наиболее совершенными маятниковыми часами являются часы Шорта и часы Федченко.

Часы английского инженера Шорта (рис. 80) состоят из двух маятников — свободного и вторичного, колебания которых автоматически синхронизируются. Свободный маятник не связан непосредственно с часовым механизмом и помещается в герметическом цилиндре, находящемся в подвале или в термостатированном помещении. С помощью электрической связи свободный маятник управляет колебаниями вторичного маятника, который связан с часовым механизмом и помещается в обычных условиях.

Маятниковые часы советского конструктора Федченко (рис. 81) состоят из одного свободного маятника и часового механизма с циферблатом, связанных между собой только электрической цепью. Свободный маятник в герметическом цилиндре помещается в подвале, или в термостатированном помещении, а часовой механизм с циферблатом может находиться в обычных условиях.

Хронометры (переносные часы) используются главным образом в экспедициях и в мореплавании (рис. 82). Устройство хронометра аналогично устройству карманных часов. Движущей силой в них является сила упругости сильной спиральной пружины, а регулятором движения стрелок — баланс (балансир), колеблющийся то в одну, то в другую сторону под действием cлабой спиральной пружины. От карманных часов хронометры отличаются большими размерами и большей точностью механизма. Размер циферблата хронометра около 10 см. На нем имеются часовая, минутная и секундная стрелки. Механизм хронометра устроен так, что секундная стрелка резко перескакивает каждые полсекунды с четким ударом, слышимым на расстоянии нескольких метров.

Хронометры менее точны, чем маятниковые часы, но они имеют то преимущество перед часами, что их можно переносить, не нарушая их хода. Для этого они помещаются в ящике на карданном подвесе (подвес с двумя взаимно перпендикулярными осями), так что при любых наклонах ящика хронометр сохраняет горизонтальное положение.

Качество часов и хронометров характеризуется равномерностью их хода, его постоянством; так, например, колебания суточного хода маятниковых часов Федченко — не более ± 0^s,0003, а часов Шорта — порядка ± 0^s,001-0^s,002. У хорошего хронометра колебания суточного хода обычно не превосходят ± 0^s,3.

Часы, или хронометры, регулируются так, чтобы стрелки их циферблатов отсчитывали ровно 24^h 00^m 00^s либо за время звездных суток, либо за время средних солнечных суток. В первом случае часы будут идти по звездному времени, и тогда они называются звездными часами, во втором случае — по среднему солнечному времени, и тогда они называются средними.

Для более точных отметок моментов времени во время наблюдений часы и хронометры снабжаются контактным приспособлением, замыкающим или размыкающим ток в цепи регистрирующего прибора. Эти приборы дают возможность отмечать (или сами записывают, фотографируют) показания часов и хронометров в моменты наблюдений тех или иных явлений с точностью гораздо большей, чем отметка моментов на слух.

Развитие радиотехники и электроники привело к созданию колебательных систем, стабильность которых, при определенных условиях, оказалась значительно выше, чем у механических маятниковых часов. Поэтому в настоящее время маятниковые часы используются только в тех случаях, когда достаточно знать время с небольшой точностью. В современных же службах времени для его хранения и распространения используют кварцевые часы, молекулярные и атомные стандарты частоты.

Во всех этих приборах измерение времени основано на точном счете числа колебаний, возникающих в системе прибора и происходящих с исключительным постоянством частоты,

Кварцевые часы (рис. 83) представляют собой генератор переменного электрического напряжения, колебания которого задаются пьезоэлектрическими деформациями кристаллической кварцевой пластинки, происходящими в переменном электрическом поле. В зависимости от формы и величины кварца частота колебаний может достигать сотен кгц или десятков Мгц. Упругие деформации кварцевой пластинки подобно колебаниям маятника в обычных часах обеспечивают постоянство частоты кварцевого генератора с относительной стабильностью, достигающей l0^–10-l0^-11. Это означает, что частота, скажем, в 1 Мгц выдерживается с точностью 10^-4-10^-5 гц. С такой же относительной точностью при помощи кварцевых часов измерится какой-либо интервал времени. В итоге колебания суточного хода кварцевых часов (т.е. за 10⁵ сек) составляют 10^-5-10 ^-6 сек, что по крайней мере на два порядка выше точности маятниковых часов. Однако на больших интервалах времени ход кварцевых часов плавно изменяется за счет деформаций кристаллической структуры кварца, называемых его “старением”.

В атомных часах используется частота электромагнитных колебаний, возникающих при дискретных переходах между энергетическими уровнями в атоме (см. § 106) и сопровождающихся излучением спектральных линий. Однако вследствие тепловых движении атомов обычные спектральные линии слишком широки, т.е. содержат излучение в заметном интервале частот. Поэтому их нельзя использовать в качестве точного эталона частоты. Для этой цели пригодны источники только очень узких спектральных линий, так же как, например, квантовые генераторы, излучающие запрещенные спектральные линии, возникающие при переходах с метастабильных уровней. В реально осуществленных атомных часах использовались мазеры, работавшие на аммиаке и атомарном водороде, которые позволили получить относительную стабильность частоты вплоть до 10^-12-10^-13.

Чтобы регистрировать моменты времени на практике, необходимо создать колебания с частотой значительно меньшей, чем у мазеров и даже кварцевых генераторов. Для этого кварцевые и атомные часы снабжают электронными делителями частоты, позволяющими на выходе получать импульсы различной длительности, вплоть до секундных, которые используются для приведения в движение секундной стрелки часов. Атомные часы могут также работать в паре с кварцевыми, регулярно подправляя частоту их колебания.

Возможен и другой принцип использования молекулярного генератора, когда для его возбуждения используется умноженная в соответствующее число раз частота кварцевого генератора. В этом случае квантовый генератор служит индикатором, контролирующим частоту колебаний кварца. Так работает наиболее распространенный в настоящее время эталон частоты — цезиевый стандарт, с точностью около 10 ^-12 воспроизводящий основную единицу измерения времени — атомную секунду (см. §75).