Кварцевые часы

КОТОРЫЙ ЧАС?

Ответ на этот вопрос мы привыкли находить, взглянув на часы; ручные, карманные, настольные, стенные, уличные, башенные. Можно узнать время по телефону и по радио. Вещательные станции Советского Союза передают сигналы точного времени четыре раза в сутки.

А как следили за временем наши предки?

Пять тысяч лет назад люди для этого пользовались солнечными Часами - обыкновенным шестом, установленным вертикально и отбрасывающим в разное время суток тень разной длины и направления.

Позже время стали измерять с помощью водяных и песочных часов. Точность этих примитивных приборов была, разумеется, весьма приближенной.

К XI столетию нашей эры относится изобретение механических - башенных часов, а пятьсот лет спустя появились первые пружинные часы. Однако и они не отличались большой точностью, так как регулятор скорости движения-балансир - у них колебался неравномерно. Этот недостаток удалось устранить, когда было открыто свойство свободно подвешенного маятника сохранять постоянным период своих колебаний. Связав маятник с часовым механизмом, получили прибор для измерения времени с достаточной точностью. Непрерывное конструктивное совершенствование маятниковых часов сделало их надёжным измерителем времени.

ТРЕБОВАТЕЛЬНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ

Но наука и техника не стоят на месте. Одновременно с их развитием всё возрастали требования к точности определения времени. Точное до одной секунды время перестало удовлетворять многих его «потребителей». Они хотели знать время с точностью до сотых, тысячных, даже десятитысячных долей секунды.

Это были не только астрономы, изучающие движение небесных светил. Самого точного времени требовали штурманы кораблей и самолётов для правильной ориентировки на море и в воздухе, топографы и геодезисты, ведущие съёмки местности. Чтобы установить, в каком пункте земного шара они находятся, им надо было определить географическую широту - расстояние от экватора - и долготу - угол между плоскостью меридиана данного места и плоскостью нулевого меридиана. Чтобы правильно определить долготу, необходимо с предельной точностью знать местное время и время на нулевом меридиане, так как долготу вычисляют из разности этих двух величин.

Точное время необходимо знать также геологам, гравиметристам, изучающим изменения силы тяжести в различных точках земной поверхности, что имеет большое значение для разведки полезных ископаемых.

НЕБЕСНЫЕ ЧАСЫ

Как же определяют точное время, играющее такую важную роль в жизни людей? С какими сверхточными часами сверяют показания своих часов учёные? Эти замечательные часы созданы самой природой. Их циферблат - ночное небо, а цифрами, обозначающими часы, минуты и секунды, служат звёзды. Со строгим постоянством они следуют по своему извечному пути на небосводе. Неизменно, в точно установленный астрономами момент каждая звезда достигает своего наивысшего положения и пересекает небесный меридиан. Достаточно уловить это мгновение, чтобы узнать идеально точное время. Справиться с этой задачей астрономам помогает «стрелка» небесных часов - специальная астрономическая труба, называемая пассажным инструментом. Вращаясь одновременно с Землёй, пассажный инструмент всегда направлен по меридиану, обозначенному в поле зрения инструмента тонкой вертикальной нитью. Отметив прохождение звезды через эту нить, астроном вычисляет, какую поправку он должен внести в показания своих часов.

Каждую, ночь астрономы всех обсерваторий мира садятся за пассажные инструменты. Но далеко не всегда погода благоприятствует наблюдениям. Для них необходимо ясное небо, а, например, в Москве безоблачных ночей насчитывают только около 90 в году, в солнечном Ташкенте - примерно 250. Нередко небо бывает затянуто тучами целый месяц кряду, а иногда и дольше. Надо было найти способ устанавливать точное время и в эти вынужденные перерывы от одного астрономического наблюдения до другого. Так возникла задача «хранения» времени. Разрешение этой сложной задачи было облегчено созданием высокоточных астрономических часов.

ДВА МАЯТНИКА

Основная и самая ответственная часть астрономических часов - маятник. Это понятно. Ведь главное достоинство часов заключается в равномерности и постоянстве их хода. Но часы могут идти равномерно лишь в том случае, если длина маятника всегда остаётся строго постоянной и амплитуда его качаний неизменна. А что может влиять на эти величины? Прежде всего изменения температуры и воздушного давления. Отсюда вытекает, что маятник должен быть сделан из материала, на который изменения температуры оказывают наименьшее влияние. Таким материалом оказался инвар - сплав, состоящий из 36% никеля и 64% стали и обладающий коэффициентом линейного расширения, в 10-12 раз меньшим, чем сталь. Из инвара и изготовили маятник. Конструкторы астрономических часов приняли и другие меры предосторожности. Они поместили часы в подвале, где температура мало изменяется, и заключили их в герметически закрытый медный цилиндр со стеклянным колпаком. Из цилиндра почти полностью выкачан воздух, и атмосферное давление в нём постоянно поддерживается в пределах 20-25 мм ртутного столба. Часы установили на специальном, изолированном от здания фундаменте. Поэтому они мало чувствительны к вибрациям здания, в котором они находятся.

Позаботились и о том, чтобы освободить маятник от всякой, даже малейшей, механической нагрузки. В этом и состоит основная идея высокоточных астрономических часов. Свободно качающийся на подвесе маятник, о котором мы рассказали, не связан с какими-либо передаточными и указывающими время механизмами. Он так и называется - «свободный» маятник. Его задача ограниченна. Он лишь отмеряет время, а вся «чёрная» - механическая работа возложена на другой, вспомогательный маятник.

Раскачивающие импульсы свободный маятник получает через каждые 30 сек. Их посылает ему по проводам вспомогательный маятник. С помощью специальных электрических приборов свободный маятник как бы командует вспомогательным, заставляя его колебаться строго синхронно с собой. Вспомогательный маятник управляет передаточным механизмом, который передвигает стрелки на циферблате. Эти вторые часы, связанные электрическими проводами с первыми, можно установить где угодно, на любом расстоянии от основного маятника - подлинного хранителя времени.

Все астрономические обсерватории и метрологические институты мира используют сейчас в своей работе часы с двумя маятниками. Точность таких часов чрезвычайно высока: их ход, будучи отрегулирован, изменяется от суток к суткам не более чем на 0,003 сек. Такая точность представляется сказочной, однако и она не достаточна для современной науки, ибо погрешность даже в несколько тысячных долей секунды препятствует изучению некоторых явлений, интересующих астрономов, метрологов и геофизиков.

ЧУДЕСНОЕ СВОЙСТВО КРИСТАЛЛОВ

Где же искать выход? Механики как будто исчерпали все свои возможности и достигли предела: дальнейшее усовершенствование маятниковых часов казалось немыслимым. И тогда за конструирование астрономических часов взялись электрики и радиоинженеры.

Маятник отжил свой век, утверждали они. Даже поставленный в идеальные условия, маятник не способен удовлетворить возросших требований учёных. Значит, надо заменить его другим регулятором, обеспечивающим получение колебаний постоянной частоты.

В поисках такого регулятора они вспомнили о кварце.

Рис. 1.

В 1880 году было открыто замечательное свойство некоторых кристаллов, наиболее ярко выраженное в кварце. Кварц обычно встречается в виде кристаллов-шестигранников с заострёнными концами пирамидальной формы (рис. 1,а). Линия zz представляет собой оптическую ось кристалла. Если разрезать кристалл поперёк, перпендикулярно к оптической оси, то получится шестиугольник, все углы которого равны 120° (рис. 1,б). Линии хх, х1х1 Х2Х2, проходящие через биссектрисы этих углов, обозначают электрические оси, линии уу, У1У1, У2У2 - механические оси кристалла. Оказалось, что если из кристалла кварца вырезать пластинку, поверхности которой перпендикулярны одной из его электрических осей, то при механическом сжатии или растяжении пластинки на её поверхностях возникают электрические заряды. Это явление получило название прямого пьезоэлектрического эффекта (древнегреческое слово «пьезо» означает: давлю, сжимаю.).

Обратный пьезоэлектрический эффект выражается в деформации кварцевой пластинки, помещённой в электрическое поле.

Радиолюбителям-коротковолновикам хорошо известно это свойство кварца. Они знают, что кварцевая пластинка обладает способностью поддерживать постоянство частоты генератора. Кварцевые стабилизаторы широко применяются на радиостанциях.

Вот эту-то стабилизующую способность кварца решили использовать и создатели нового хранителя времени.

КВАРЦЕВЫЕ ЧАСЫ

Конструкторы кварцевых часов вырезали из кристалла прямоугольный брусок сечением 7х7 мм и длиной около 60 мм. На две противоположные поверхности бруска они нанесли тончайший слой золота. Получился конденсатор, диэлектриком которого служит брусок, а обкладками - два слоя металла. Назначение этого устройства в кварцевых часах то же, что и у маятника в обычных часах: это регулятор. И регулятор, на который можно вполне положиться.

Рис. 2.

Затем кварц включили в схему лампового генератора. Кристалл поместили в цепь сетка - катод генераторной лампы - триода (рис. 2). Параллельно поставили сопротивление большой величины. В анодную цепь схемы включили колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора. Это необходимо для того, чтобы благодаря связи через ёмкость анод - сетка лампы были созданы условия для поддержания незатухающих колебаний. Контур настроили так, чтобы его собственная частота была выше частоты колебаний кварцевого бруска.

Таково в общих чертах устройство кварцевого генератора - основной части кварцевых часов. Их точность находится в прямой зависимости от стабильности частоты генератора. Постоянство собственных колебаний кварца очень велико. На него не оказывают действия ни изменения силы земного притяжения, ни сейсмические колебания земной коры. Однако он чувствителен к колебаниям температуры и атмосферного давления. Для того чтобы температура кварца оставалась постоянной, конструкторы приняли специальные меры. Они поместили кварцевый генератор в термостат с многослойными стенками, внутри которого поддерживается постоянная температура с точностью до одной сотой градуса. Такое постоянство температуры достигается электрическим обогревом термостата, управляемым ртутным контактным термометром. Это обеспечивает сохранение частоты с точностью около 1*10^-8. Сам кварц заключили в герметический сосуд, в котором создали вакуум.

Рис. 3.

Конструкторы выточили из кристалла кварца брусок такой формы и размеров, чтобы частота его собственных колебаний составляла 100 кГц. Но ток такой частоты не пригоден для вращения мотора, приводящего в движение часовой механизм. Пришлось создать ряд промежуточных устройств, показанных на блок-схеме (рис. 3).

Здесь конструкторам очень помогла электроника.

Ряд электронных генераторных схем обладает способностью синхронизироваться с частотой другого генератора, если она в кратное число раз выше или ниже собственной частоты синхронизируемого генератора или достаточно близка к такому кратному значению. Конструкторы кварцевых часов использовали способность таких схем, как, например, мультивибратор или блокинг-генератор, синхронизироваться с более высокими частотами, чем их собственная. Такой синхронизированный, более высокой частотой генератор обычно называют делителем частоты.

Наивысшей частотой тока, могущего приводить во вращение синхронный мотор, является частота около 1000 Гц. Однако делитель частоты с коэффициентом деления 1:100 работает очень неустойчиво. Поэтому для получения частоты в 1000 Гц, синхронной с частотой кварца в 100 кГц, пришлось установить ряд делителей с коэффициентами 1:4 и 1:5, синхронизирующих друг друга последовательно.

Применяемые в качестве делителей частоты генераторы обладают большим количеством гармоник. Надо было предотвратить проникновение вредных высокочастотных колебаний в схему кварцевого генератора, где они могли вызвать ухудшение стабильности.

Чтобы этого не случилось, между кварцевым генератором и первым делителем частоты включили буферный усилитель, работающий без сеточных токов. Такой режим способствует уменьшению нагрузки кварцевого генератора и повышению стабильности его работы.

В схемах делителей частоты обычно применяются маломощные лампы. Ток, который они дают, слишком слаб, чтобы вращать синхронный мотор, приводящий в движение часовой механизм с секундным контактом. Поэтому после делителя частоты (дающего ток с частотой 1000 Гц) включили усилитель, отдающий в обмотки мотора мощность в несколько ватт.

По стабильности кварцевые часы превосходят все существующие маятниковые часы. Среднее суточное колебание их хода составляет две десятитысячные доли секунды.

Создание сверхточные часов - выдающееся достижение современной науки.

Кварцевыми часами уже обзавелись многие научные учреждения. В Москве, в Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэросъёмки и картографии неустанно отмеряют секунды первые отечественные кварцевые часы, построенные П. С. Поповым. Кварцевыми часами располагают институт радиоизмерений, астрономический институт имени Штернберга и другие институты и обсерватории.

Энтузиасты нового способа, измерения времени утверждают что кварцевые часы скоро полностью вытеснят маятниковые и станут единственными хранителями, времени. Находятся и скептики, оспаривающие подобные утверждения. Не отрицая очевидных преимуществ кварцевых часов, они указывают и на их недостатки.

О достоинствах кварцевых часов мы уже говорили; это - пока непревзойдённая их точность и постоянство хода, независимость почти от всех внешних факторов.

Каковы же их недостатки?

Астрономы требуют, чтобы часы, с помощью которых они измеряют время, могли идти безостановочно в течение двух, трёх лет и более. Удовлетворяют ли этому требованию кварцевые часы? Не вполне. Вспомним, что они питаются током от электрической сети. Прекратит станция подачу тока, и часы остановятся. Но ведь этого не произойдёт, если питать часы не от сети, а от аккумуляторов.

- Верно, - соглашаются скептики. - А как быть со старением кварца, с износом радиоламп?

Действительно, кварц с течением времени стареет, и частота его колебаний изменяется. Нельзя поручиться и за то, что какая-нибудь лампа внезапно не выйдет из строя. Однако энтузиастов кварца не страшит и такая случайность. Они устанавливают в своих лабораториях не одни часы, а трое, работающих синхронно. Не беда, если одни из них остановятся. Пока их не починят, хранить время будут двое других.

Спор продолжается, а между тем десятки кварцевых часов исправно служат науке. Сегодня их точность удовлетворяет учёных, проводящих самые тонкие исследования. А что будет завтра? Не удастся ли найти новый эталон времени, ещё более точный? Быть может в основу такого эталона будут положены молекулы, точнее, частота их колебаний. Советские учёные уже работают и в этом направлении.

А. Бродский, Рис. С. Наумова