1. Рычаг вторичных часов освобождается выступом счетного колеса.
2. Маятник вторичных часов получает импульс, а рычаг возвращается в исходное положение; при замыкании контакта возникает импульс электрического тока, передвигающий на полминуты стрелки на циферблате вторичных часов и возбуждающий катушку (А).
3. Рычаг часов со свободным маятником освобождается от захвата.
4. Свободный маятник получает импульс, и его рычаг возвращается в исходное положение; через замкнутый контакт проходит импульс тока, передвигая на полминуты стрелку часов и возбуждая синхронизирующую катушку (В).
Вторичные часы отрегулированы на небольшое отставание, что позволяет синхронизировать их маятник при помощи корректирующего импульса главных часов. Синхронизация производится в тот момент, когда тонкая пластинка (а), связанная со стержнем вторичного маятника, отклоняется выступом якоря (b). В этот момент период колебаний уменьшается.
Стержень маятника в часах Шорта изготавливается из сплава никеля и стали и практически не реагирует на изменение температуры. Этот сплав, называемый инваром, впервые был получен в 1899 г. швейцарским физиком Шарлем Гийомом, работавшим во Франции. Коэффициент расширения инвара имеет величину порядка 10-6дюйм на градус. Некоторые образцы имеют отрицательный коэффициент расширения, вследствие чего они слегка сжимаются при увеличении температуры. Естественно, что этот материал был выбран для изготовления точных маятниковых часов; он же, обеспечивая температурную компенсацию, используется в подвесной пружине.
IV. Современные точные часы(Это приложение написано Джоном Пилкингтоном, руководителем отдела времени Гринвичской обсерватории в Хёрстмонсо)
Усовершенствования маятниковых часов, которые постепенно позволили обеспечить однородные шкалы времени, касались ослабления факторов, воздействующих на колебание главного маятника, и уменьшения влияния изменений внешних условий и трения в механизме часов. Однородность шкалы в дальнейшем была повышена объединением показаний разных часов, изолированных, насколько это было возможно, друг от друга. Наивысший эффект был достигнут с появлением радиосигналов, что позволило использовать показания часов, разнесенных на большие расстояния друг от друга. Прогресс электроники привел в конечном счете к совершенствованию самих часов: отныне единицы промежутков времени в них устанавливались на основе явлений, ни коим образом не связанных с движением маятника или какого-нибудь другого физического тела под действием гравитационного поля Земли.
Действие первых электронных часов, качественно превосходящих часы Шорта со свободным маятником, было основано на работе кварцевого генератора колебаний. Эти часы до сих пор входят как составная часть в большинство «атомных часов», используемых сегодня в службах времени, но при этом выполняют только роль махового колеса, сглаживающего короткопериодические вариации хода, а долгопериодическии контроль осуществляется на основе более фундаментальных принципов. Кварцевый генератор используется в телевизионных устройствах свыше 50 лет, а в последнее время начинает применяться в кварцевых наручных часах, обеспечивая их ход со стабильностью порядка несколько секунд в месяц. В настоящее время достигнута стабильность в несколько тысяч раз выше, что позволяет применять кварц в дорогостоящих прецизионных приборах.
Кварц - это природный минерал, но его можно производить и в искусственных условиях. Обладая постоянными механическими свойствами, не зависящими от температуры, и пьезоэлектрическим эффектом, он с успехом используется в приборах хранения времени. Пьезоэффект заключается в следующем: при наложении вдоль некоторого направления в кристалле электрического поля форма кристалла несколько изменяется, и наоборот, изменение формы кристалла приводит к появлению электрических зарядов на его поверхности. Механические колебания вызывают колебания напряжения между металлическими электродами, прикрепленными к поверхности кристалла. Если же эти электроды подсоединить соответствующим образом к входу и выходу электрического усилителя, то он будет поставлять энергию, необходимую для поддержания колебаний кварца на одной из его собственных резонансных частот.
Частота, на которой кристалл кварца будет резонировать, определяется его размерами и формой, а также упругими и механическими свойствами кварца, поэтому кристалл вырезается, шлифуется и полируется таким образом, чтобы резонанс происходил на нужной частоте. Конструкция электродов и подвески кристалла рассчитывается так, чтобы они в возможно меньшей степени приводили к изменению выбранной моды колебания. Возникновение нежелательных мод подавляется уменьшением коэффициента усилителя на соответствующих частотах.
Таким образом, в кварцевых часах роль маятника играют упругие колебания кристалла кварца, а механическое спусковое устройство и передаточный механизм, поддерживающий колебания маятника и считающий их, заменены электронным усилителем и делителем частоты, производящим электрические метки времени и управляющим табло времени. Все кварцевые часы, приобретенные гринвичской службой времени в период 1939-1964 гг., имели резонаторы, настроенные на частоты около 100 кГц, и были сконструированы или в Национальной физической лаборатории или в научно-исследовательских лабораториях почтового управления. Современные точные кварцевые генераторы работают на более высокой частоте - около 5 или 10 МГц.
Зависимость частоты колебаний от температуры можно сделать очень малой, подбирая соответствующий угол между срезами кварцевого резонатора и естественными гранями кристалла, а также уменьшая размеры кристалла, что позволяет достаточно просто поддерживать его температуру постоянной и предохранять его от изменения атмосферного давления. Полностью смонтированный кварцевый генератор вместе с термостатом занимает объем менее 1 л и весит менее 1 кг, так что работа с ним не представляет особого труда. Гораздо сложнее было в свое время изолировать маятниковые часы от воздействия внешних условий.
Но и современные кварцевые часы постепенно изменяют ход в пределах нескольких микросекунд в сутки. Этот эффект, называемый старением, часто вызывается остаточным поверхностным загрязнением, дефектами в молекулярной структуре кристалла, изменением давления поддерживающих кристалл опор и воздействием излучения радиоактивных материалов или космических лучей. Более того, кристалл не обеспечивает независимый эталон частоты или временного промежутка, так как частота, первоначально заданная размерами кварца, с легкостью может измениться вследствие изменения его размеров, которые слишком малы, чтобы их можно было измерить. Из-за отсутствия других средств измерения частоты вплоть до середины 50-х гг. определенным образом увязывались с астрономическими определениями времени. Когда было установлено, что вращение Земли не обладает постоянством, возникла необходимость в астрономических наблюдениях, связанных с движением Луны и планет относительно звезд. Точность таких определений была низка (около 0,1 с), так как подобные наблюдения занимали несколько лет и только после этого анализировались совместно. К счастью, теперь имеются более точные и доступные эталоны промежутков времени, основанные на идентичных резонаторах, которые можно получить в большом количестве, причем эти резонаторы не зависят от заводских допусков - это неразличимые атомы одного и того же сорта (т.е. одного какого-либо элемента).
В середине прошлого века стало известно, что газы в разогретом состоянии или под действием электрического разряда излучают свет, состоящий из спектральных линий, длины волн которых характерны для химических элементов, присутствующих в газе. Возможно, самый известный пример такого рода - желтое свечение лампы, наполненной парами натрия. Современная астрономия в значительной мере основана на изучении спектров небесных объектов. Эти же факты лежат в основе квантовой теории строения атома. Отдельный атом может испускать или поглощать электромагнитное излучение (т.е. свет, радиоволны) только при переходе между двумя более или менее четко определенными энергетическими состояниями, причем частота излучения атома прямо пропорциональна разности энергий этих двух состояний. Частоты видимого света слишком высоки, чтобы их можно было непосредственно измерить (при современном развитии науки и техники), но их точные значения можно очень точно рассчитать, зная измеренные длины волн и скорость света.
Почти во всех атомных часах, применяемых в службах времени для установления соотношения временных шкал, используется частота, связанная с особым сверхтонким переходом атома цезия - 133; определение секунды в международной системе единиц СИ основано на этом же переходе. Цезий - это мягкий, светлый, активный металл, в химическом отношении похожий на натрий. Обозначение «сверхтонкий переход» произошло от сверхтонкой структуры, наблюдаемой в линиях видимого спектра элемента и обусловленной тем, что основные энергетические уровни атома расщеплены на несколько подуровней, имеющих почти одинаковые энергии. В часах как раз и используется переход между двумя такими подуровнями.
При таком специфическом переходе спин самого удаленного от ядра электрона атома цезия, заставляющий атом цезия вести себя как слабый магнит, поворачивается относительно спина атомного ядра, но ориентация обоих спинов определяется воздействием слабого внешнего магнитного поля. Такие часы управляют работой кварцевого генератора путем создания определенной связи между его частотой и микроволновым излучением, которое испускает атом при указанном переходе.
Впервые идею создания атомного эталона частоты предложил в 1945 г. Раби из Колумбийского университета, а первое атомно-лучевое устройство для систематической калибровки частоты было применено в 1955 г. Эссеном и Парри из Национальной физической лаборатории.
Металлический цезий помещают в специальную печь, где происходит его испарение; пары цезия попадают в трубку, в которой поддерживается вакуум, и проходят через серию диафрагм, формирующих пучок атомов; в этом пучке содержится одинаковое количество атомов, находящихся в двух различных энергетических состояниях. Сильно локализованное неоднородное магнитное поле по-разному отклоняет атомы в разных энергетических состояниях, формируя таким образом два расходящихся пучка. Далее пучки проходят через резонансную полость, ил