1.1 Государственный первичный эталон длины

Известно каким длительным и сложным был путь к новому определению основной  единице длины и к ее практической реализации  – создания современного первичного государственного эталона длины – метра.

В 1791 г. Национальное собрание Франции постановило принять за основную единицу длины 1/10000000 часть четверти земного меридиана. В 1799 г. на основе геодезических измерений Парижского меридиана и его соответствующей части был изготовлен вещественный образец (прототип) метра в соответствии с его определением. Этот образец, изготовленный в виде платиновой концевой меры. Сейчас его  назвают “архивным метром”. Он прослужил в качестве единственного эталона метра почти 90 лет. К 1889 г. Ме-ждународное бюро мер и весов, изготовило из платиноиридиевого сплава 34 копии архивного метра, одна из которых (№ 6 — наиболее близкая к архивному метру) была принята в 1889 г. в качестве международного прототипа метра, а остальные копии переданы странам, подписавшим метрическую конвенцию.

Две такие копии (№28 и №11) получила Россия, из них копия №28 явилась первым Государственным эталоном метра в нашей стране, утвержденным в 1918 г., и просуществовавшим в этом ранге вплоть до 1968 г., когда в качестве государственного первичного эталона был утвержден новый эталон метра, соответствующий новому “световому” определению единицы длины. Размер новой единицы (1 650 763,73 длин волн оранжевой линии криптона-86) соответствовал размеру прежнего международного прототипа метра.

В основе современного Государственного первичного эталона метра, как и в основе определения этой единицы, были заложены два фундаментальнейших свойства материи:

1) атомное “происхождение” оптического излучения, имеющего квантово-механический характер и

2) явление интерференции электромагнитных волн.

В 1983 г. ХVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: “Метр – длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды”. Новый эталон метра опирается на эталон единиц времени и частоты.

Создание единого эталона единиц времени-частоты-длины является значительным шагом в использовании современной физики в метрологии, в осуществлении программы перехода на естественные эталоны, основанные на фундаментальных физических константах. Преодолеть технические трудности, стоящие на пути создания единого эталона, стало возможным лишь после разработки систем, использующих фундаментальные достижения квантовой механики. Возможность создания единого эталона, т.е. возможность воспроизведения в одном физическом процессе – распространении плоской электромагнитной волны в вакууме – двух единиц физических величин – единиц времени и длины, базируется на фундаментальной

постоянной – скорости света в вакууме с = 299792458 м/с и соотношении c = λ ν, связывающем пространство и время (ν – частота,  λ  длина волны).

Ранее использовать значение скорости света как фундаментальной физической константы было затруднительно. К 1980 г. ее значение принималось как (299792,458 ± 0,0012) км/с, т.е. не могло рассматриваться как константа. Использование высокостабильных лазеров при измерении скорости света позволило постулировать значение скорости света точно равной 299792,458 км/с.

В настоящее время для обеспечения высокой степени стабилизации важнейшего параметра лазерного излучения – частоты широко применяются гелий–неоновые лазеры на длине волны излучения λ = 3,39 мкм (инфракрасная область спектра) и λ = 0,63 мкм (видимая область спектра), стабилизированные соответственно по насыщенному поглощению в метане (He–Ne/CH4) и молекулярном йоде (He–Ne/I2). Лазеры на основе (He–Ne/CH4) по воспроизводимости частоты приближаются к цезиевому стандарту частоты, являющемуся основой эталона единиц времени и частоты. Работающий в видимом диапазоне спектра He–Ne/I2 лазер позволяет реализовать новое определение метра через скорость распространения света в вакууме. Наличие излучения на двух длинах волн (λ = 0,63 мкм и λ = 3,39 мкм) дает возможность с помощью интерферометра обеспечить высокую точность измерений.

. В состав единого эталона  входят: государственный первичный эталон единиц времени и частоты, включающий государственный эталон единиц времени и час-тоты (радиодиапазона), радиооптический частотный мост, лазеры (λ=3,39 мкм), а также государственный первичный эталон единицы длины (метра), включающий лазеры (λ=633 мкм),  и установку для измерения отношения длин волн.

Этот эталон имеет погрешность воспроизведения в виде среднего квадратического отклонения результата измерений 1•10-11.

Единый эталон метра–секунды–герца введён в действие как государственный в 1992 году.

Эталон единиц времени, частоты и длины состоит из двух частей :

– эталона времени и частоты и,

–  интерферометра для сравнения длин волн, He–Ne/CH4 и He–Ne/I2 лазеров и интерференционного компаратора.

Так устроен отечественный Государственный первичный этало. Установки для поверки эталона в международных метрологических центрах и крупных фирмах могут отличаться по конструкции и комплектации, но общий принцип, конечно, сохраняется.

 

Ю.Г. Захаренко, Н.А. Кононова, Г.И. Лейбенгардт, К.В.Чекирда.
Тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор, входя-
щий в состав государственного первичного эталона единицы длин. Измерительная техника, 2012, №5
В.С. Александров, Ю.Г. Захаренко, Н.А. Кононова, Г.И. Лейбенгардт,  В.Л. Федорин, К.В.Чекирда. Государственный первичный эталон единицы длины –  метра ГЭТ-2 2010. Измерительная техника, 2012, №6