Эталонный быт

Человечество окончательно отказывается от материальных эталонов, теперь все главные единицы СИ будут привязаны к фундаментальным физическим константам. От точных измерений времени, расстояний и масс сегодня зависит множество вещей — от спутниковой навигации до правильной работы магазинных весов. А точность этих измерений зависит от эталонов — сложных устройств, которые сегодня обслуживают тысячи ученых и инженеров. Нужны ли будут они в новой «нематериальной» метрологии, разбиралась редакция N + 1.

В международной системе единиц измерения СИ (от французского Le Systeme International d’Unites, SI) приняты семь основных величин, через которые определяются все остальные, производные единицы. Для точного измерения этих величин ученые создают эталоны, ведь измерение и есть сравнение чего-либо с эталоном. Первый эталон системы СИ — эталон килограмма — был официально принят в июне 1799 года во Французской республике. С тех пор основные единицы не единожды переопределялись, например единица длины, метр, первоначально была привязана к длине парижского меридиана, потом — к длине волны излучения атома криптона-86 и, наконец, — к скорости света в вакууме. Почти все другие единицы тоже постепенно оказались привязаны к фундаментальным физическим константам (ФФК).

Сейчас во Франции проходит 26-я Генеральная конференции по мерам и весам, и на ней будет принято решение еще раз переопределить килограмм, моль, кельвин и ампер. Американский Национальный институт стандартов (NIST) называет это будущее решение «поворотным пунктом в истории человечества». Система СИ будет обновлена, и из нее исчезнет последний материальный эталон — эталон килограмма. Все единицы будут привязаны к константам, не подверженным износу.

В Россию, согласно реестру Росстандарта, хранятся 165 различных эталонов основных и производных единиц. Что же будет с ними дальше, после новой реформы?

«Система СИ будет окончательно „отвязана“ от материального мира. Килограмм, вслед за остальными единицами, будет переопределен через фундаментальную физическую константу. Но это не значит, что и метрология станет „нематериальной“. Останутся эталоны, останется необходимость их сличений, нужно будет, как и раньше, обеспечивать единство и точность измерений, технически совершенствовать оборудование, передавать единицы измерения основным потребителям — промышленности, медицине, науке. Более того, у нас прибавится работы — понадобится разрабатывать новые измерительные технологии для квантовых единиц», — сказал N + 1 руководитель ВНИИ метрологии имени Дмитрия Менделеева Антон Пронин.

В этой статье мы расскажем о том, как «живут» российские эталоны, как ученые следят за их «здоровьем» и какое будущее их ожидает.

Национальный килограмм

Российский национальный эталон килограмма (его номер в ресстре — ГЭТ 3-2008, у каждого эталона есть такой номер) — это цилиндр из сплава платины и иридия с массовыми долями 90 и 10 процентов соответственно, диаметром и высотой около 39 миллиметров. Хранится образец в лаборатории массы и силы петербургского ВНИИ метрологии. На самом деле эталонов сразу два — это копии № 12 и № 26. 12-й играет роль национального прототипа килограмма, а 26-й — роль эталона-свидетеля, способный в случае порчи или утраты 12-го его заменить.

Цифры 12 и 26 — это порядковые номера копий Международного прототипа килограмма (МПК), хранящегося в Международном бюро мер и весов (МБМВ) во французском городе Севр. Согласно парижскому соглашению 1875 года, за прототип — «истинный килограмм» — был принят оригинальный платино-иридиевый цилиндр, а 42 его точных копии были пронумерованы и разделены: две остались «дежурными» копиями прототипа, а остальные 40 поделили между собой страны-участницы метрической конвенции. Сплав платины и иридия химически инертен, имеет высокую твердость и износоустойчивость, относительно малый коэффициент теплового расширения, большую плотность и наделен парамагнитными свойствами.

Вес российского эталона килограмма менялся примерно на 0,3 микрограмма в год, то есть на 30 микрограмм за более чем 100 лет. Похудел эталон за счет испарения атомов с поверхности цилиндра. Остальные копии показали похожие темпы «потери массы» — от 20 до 50 микрограмм. Это достаточно большие значения для современных требований к точности. Килограмм является одной из семи основных единиц СИ, и накопленные отклонения могут стать причиной так называемого технического системного кризиса. Именно поэтому научное сообщество решило переопределить килограмм через точно измеренную и фиксированную постоянную Планка.

Свои копии килограмма Россия получила в 1893 году, и с тех пор эталон не покидал стены института метрологии, он оставался здесь даже во время блокады Ленинграда. Обе копии являются государственным достоянием и хранятся в историческом здании, спроектированном при участии самого Дмитрия Менделеева для хранения эталонов. Помещение имеет изолированный от остального здания собственный фундамент массой 750 тонн, а температура воздуха поддерживается постоянно на уровне от 18 до 22 градусов Цельсия, причем скорость изменения температуры не может меняться быстрее 0,1 градуса в час.

Но даже очень мощный фундамент не вполне спасает: все работы по передаче единицы для вторичных эталонов и метрологические сличения производятся в ночное время. Рядом с институтом — станция метро и днем возможны погрешности из-за вибраций. Кроме двух копий прототипа килограмма, в состав государственного эталона входят компараторы массы (специальные приборы для сравнения массы двух образцов), аппаратура для измерений плотности воздуха. После перехода СИ на определение всех величин через фундаментальные физические константы передача единицы должна осуществляться в условиях вакуума, поэтому недавно в лаборатории появился вакуумный компаратор.

Наша российская платино-иридиевая копия № 12 сличалась с главным эталоном недавно, в 2014 году, и перекалибровка потребуется только в 2024–2029 годах. К этому сроку в России планируется осуществить работы для независимой реализации килограмма через постоянную Планка с необходимой точностью порядка 2 × 10^-8 килограмма.

После переопределения килограмма процедура сличений останется неизменной: техническим протоколом назначается лаборатория-пилот, организующая определенную программу мероприятия с указанием сроков и участников, она же посылает поочередно всем участникам сличений артефакт и рассчитывает отклонение каждой лаборатории от опорного значения.

Единственное новшество будет заключаться в следующем. Ранее единица (килограмм) передавалась от национального эталона вторичным эталонам при помощи компаратора массы (прибора для измерений разности массы между двумя эталонами) в условиях атмосферного воздуха. Теперь же передача единицы от национального прототипа килограмма вторичным эталонам будет осуществляться с помощью вакуумного компаратора в условиях вакуума, то есть в тех же условиях, в которых калиброван прототип.

От вторичных эталонов единица передается рабочим эталонам при помощи обычных компараторов в условиях атмосферного воздуха. Далее сохраняется вся действующая иерархическая система передачи единицы, вплоть до рабочих средств измерений масс: весов торговых, аналитических, весов для взвешивания вагонов и других.

Фонтаны времени

Единица измерения времени — секунда — с 1967 года определяется как интервал времени, соответствующий 9 192 631 770 периодов излучения между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это позволяет государствам создавать свои первичные эталоны единиц времени независимо от других государств.

Российский государственный первичный эталон единицы времени (его номер в реестре ГЭТ 1-2018) хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Это устройство на основе фонтана атомов цезия. «Фонтан» устроен так: облако сверххолодных атомов цезия помещают в оптическую ловушку, а затем под действием лазера они «подпрыгивают» вверх. Затем лазеры выключают, облако медленно опускается, а другой лазер считывает значения.

Этот прибор работает не в постоянном режиме: значение частоты воспроизводится примерно каждые 150 секунд. Чтобы потребители имели доступ ко времени непрерывно, время хранят более простые устройства — водородные генераторы частоты. Но у них есть недостаток — дрейф, для компенсации которого используется рубидиевый хранитель. Все устройства комплекса работают сообща, как единый организм.

Государственный первичный эталон единицы времени существует в нашей стране с конца 1950-х годов. В лесном массиве в окрестностях поселка Менделеево, недалеко от Зеленограда, для эталона на территории ВНИИФТРИ построено отдельное трехэтажное здание. Такое расположение продиктовано требованиями к хранению и эксплуатации эталона: чтобы генератор не подвергался внешним воздействиям, рядом с ним не должно быть больших дорог и сильных электромагнитных полей.

Внутри здания специальная система кулеров следит за отсутствием больших перепадов температур (не более 0,3 градуса Цельсия). Для устранения блуждающих токов проведено высокоэффективное заземление. Предусмотрена защита от перебоев электропитания: в случае необходимости система аккумуляторов способна поддерживать работу всего комплекса в течение часа; если за это время неполадки не будут устранены, подключатся дизельные генераторы, способные снабжать эталон энергией в течение нескольких дней.

Каждые сутки данные от российского эталона поступают с помощью спутников в Международное бюро мер и весов для сличения: бюро сравнивает показатели нашего эталона с показателями эталонов других стран, анализирует полученные результаты и каждый месяц предоставляет информацию о точности работы эталона и отличии национальной шкалы времени от шкалы, формируемой самим бюро. Это отличие в настоящее время не превышает пяти наносекунд.

Способы передачи информации о времени от эталона потребителю зависят от требуемой точности. Один из наиболее массовых каналов передачи единицы времени у нас в стране использует для этого ГЛОНАСС: с его помощью данные непосредственно от эталона распространяются с точностью в несколько наносекунд. Также информацию о времени передают специальные серверы: чтобы воспользоваться ими, пользователи должны обратиться по установленному IP-адресу. Например, для пользователей операционной системы Windows достаточно поставить «галочку» в настройках, чтобы время на компьютере сверялось с серверами ВНИИФТРИ. Четыре сервера российского эталона обслуживают ежедневно несколько десятков миллионов запросов на предоставление данных о точном времени, с погрешностью в миллисекунды.

Специфический и дорогой способ получать точное время предоставляют специализированные радиостанции — это важно для тех, кто обязан его знать даже в том случае, если ГЛОНАСС выйдет из строя. Четвертый способ — использовать мобильные часы, изготовленные во ВНИИФТРИ.

Государственный первичный эталон единицы времени работает сегодня по принципу определения секунды через фундаментальную физическую константу, и изменения данного определения в ближайшее время не предвидится. Однако требования потребителей к точности измерения частоты и времени непрерывно возрастают, и все ведущие исследовательские лаборатории мира, в том числе и ВНИИФТРИ, разрабатывают все более точные часы на других атомных переходах, но уже в оптическом диапазоне, например с использованием стронция и иттербия. В результате этого развития «цезиевая» секунда может однажды смениться на «стронциевую» или «иттербиевую».

Градусы из чистых веществ

В России существуют два государственных первичных эталона температуры. Первый (ГЭТ 35-2010) находится во ВНИИФТРИ и работает в диапазоне от 0,3 кельвина до 273,16 кельвина. В его состав входят наборы эталонных термометров сопротивления в трех блоках сравнения, откалиброванные по газовому термометру постоянного объема, а также аппаратура для реализации плавления гелия-3, комплект аппаратуры для реализации температуры реперных точек международной температурной шкалы МТШ-90, криостаты сравнения, аппаратура для точных измерений сопротивления.

Сейчас этот эталон воспроизводит единицу температуры (которая по действующему до сегодняшнего дня определению равна 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды) по температурным зависимостям эталонных термометров, стабильность которых проверяется сличением между собой в криостатах сравнения, а также с температурой реперных точек, что обеспечивает воспроизведение единицы температуры в соответствии с Международной шкалой МТШ-90 и Предварительной низкотемпературной шкалой ПНТШ-2000.

Кроме того, во ВНИИФТРИ разработали акустический газовый термометр, определяющий термодинамическую температуру по скорости звука в газообразном гелии с высокой точностью — в диапазоне от 4,2 до 273,16 кельвина. Именно этот термометр планируется ввести в состав ГЭТ 35-2010 для улучшения точности воспроизведения и передачи единицы температуры — кельвина на основе первичного метода акустической газовой термометрии, основанного на законах термодинамики и статистической физики. Это позволит воспроизводить и передавать единицу температуры в соответствии с новым определением кельвина и обеспечивать единство измерений в области низких температур после переопределения кельвина.

Второй государственный эталон (ГЭТ 34-2007) предназначен для высоких температур (от 0 до 3000 градусов Цельсия) и размещен во ВНИИ метрологии. В этот комплекс, во-первых, входят три платиновых термометра сопротивления для диапазона от 0 до 660,323 градуса Цельсия и три — для диапазона 419,527–961,78 градуса Цельсия. Во-вторых, установки для воспроизведения различных температур: тройной точки воды, плавления галлия, затвердевания индия, олова, цинка, алюминия, серебра. Далее, комплекс аппаратуры для измерения сопротивления термометров, фотоэлектрический компаратор яркостей тепловых излучателей, излучатель «черное тело» для воспроизведения температур затвердевания серебра, золота и меди, группа из трех температурных ламп и высокотемпературный излучатель «черное тело» для передачи размера единицы температуры.

Как и его низкотемпературный коллега, этот эталон работает на основе метода воспроизведения температур фазовых переходов чистых веществ, позволяющих определить точные значения сопротивлений стабильных платиновых интерполяционных термометров в реперных точках МТШ-90.

В связи с переопределением единицы кельвина во ВНИИ метрологии создают экспериментальный эталон единицы температуры, который будет основан на новом определении — через постоянную Больцмана. Завершить разработку и утвердить новый эталон планируется в 2019 году, но уже сейчас часть созданной аппаратуры была исследована и подтвердила высокие метрологические характеристики нового эталона на уровне лучших мировых достижений в области измерений температуры.

Сила через сопротивление

Государственный первичный эталон (ГЭТ 4–91) единицы силы постоянного электрического тока — ампера — тоже хранится во ВНИИМ. Он состоит из двух комплексов аппаратуры — в первом используются термостатированные меры (работающие при температуре около 30 градусов Цельсия) с номинальным сопротивлением 1 ом и 1 килоом для воспроизведения силы тока 1 ампер и 1 миллиампер соответственно и мера напряжения 1 вольт.

Эталон единицы силы тока, таким образом, реализуется через закон Ома, а меры сопротивления и напряжения получают свою единицу от квантовых эталонов, участвующих в международных ключевых сличениях. Учитывая высокую точность передачи единиц вольта и ома эталону силы тока в диапазоне 10^-3—1 ампер, а также отсутствие в указанном диапазоне высокоточных транспортируемых мер тока, международные сличения в данной области не проводятся. Передача единицы силы тока средствам измерения происходит с помощью компаратора.

Вторая часть госэталона ГЭТ 4–91, предназначенная для реализации диапазона малых токов (10^-16—10^-9 ампер), основана на электрометрическом методе, в котором значение силы тока определяется через напряжение на электрической емкости, через которую ток протекает в течении заданного времени. Для обеспечения необходимой точности сличений эталонов силы тока в данной области был разработан транспортируемый госэталон ГВЭТ 4-01-2010, соответствующий международным метрологическим требованиям.

Со скоростью света

Национальный эталон единицы длины находится во ВНИИМ. Это комплекс, состоящий из лазера, обеспечивающего воспроизведение единицы длины, и ряда компараторов для ее передачи. Согласно современному определению, метр есть длина пути, которую проходит плоская электромагнитная волна в вакууме за интервал времени равный 1/299792458 секунды. Воспроизведение единицы длины в государственном первичном эталоне осуществляется He-Ne/I2 лазером, стабилизированным по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде-127. Номинальная длина волны лазерного излучения в вакууме — 633 нанометра. Такой лазер рекомендован Международным комитетом по мерам и весам в качестве эталона для воспроизведения единицы длины.

История метра похожа на историю килограмма. После подписания Метрической конвенции Россия получила два платино-иридиевых эталона. В 1960 году Консультативный комитет Международного бюро мер и весов принял новое определение метра, с этого времени метр стал определяться через длину волны в вакууме оранжевой линии излучения криптона. Это определение просуществовало до 1983 года, когда Консультативный комитет принял новое, действующее сегодня, определение метра.

Передача единицы длины вторичным и рабочим эталонам от источника лазерного излучения, He-Ne/I2 лазера, осуществляется с помощью установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения и ряда интерференционных компараторов.

Так как определение метра уже реализовано через фундаментальную константу — скорость света, метрологическая конференция середины ноября 2018 года не повлияет на судьбу госэталона.

Сила света

Эталон канделы, последней из основных величин СИ, живет во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений (ВНИИОФИ). В состав госэталона входит оборудование, позволяющее воспроизводить канделу за счет измерения коэффициента преобразования интегрирующей сферы по световому потоку, формируемому высокотемпературной широкоапертурной моделью «черного тела» в определенном телесном угле.

В 1979 году 16-я Генеральная конференция мер и весов (ГКМВ) приняла новое определение единицы силы света: «кандела представляет собой силу света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540 × 10¹² герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 ватта на стерадиан» (здесь 683 — значение максимальной световой эффективности, установленное ГКМВ). Точное значение коэффициента максимальной световой эффективности, используемое вместе с функцией, дает отношение силы света к энергетической силе света для монохроматического излучения любой длины волны.

Как и метр с секундой, кандела уже была определена через константу, и ее судьбу грядущее метрологическое обсуждение не затронет.

Считанные атомы

Хотя единица количества вещества — моль — входит в перечень основных единиц Международной метрической системы, отдельного эталона для него нет. По определению, моль — это количество вещества, число молекул которого равно числу атомов в 12 граммах углерода-12, — то есть, по большому счету, моль дублирует единицу массы. На ближайшей международной конференции планируется принять решение об переопределение моля через число Авогадро, что не потребует создания эталона, но избавит величину от формального определения через массу.

Екатерина Жданова

Статья подготовлена на основе информации, предоставленной пресс-службами ВНИИМ имени Д. И. Менделеева и ВНИИФТРИ, заместителем генерального директора, начальником Главного метрологического центра Государственной службы времени и частоты ФГУП «ВНИИФТРИ» Игорем Блиновым, начальником научно-исследовательского отделения метрологии в механике, термодинамике и строительстве (НИО-3) ФГУП «ВНИИФТРИ» Эдуардом Асланяном, ученым-хранителем эталона массы Виктором Снеговым, ученым-хранителем эталона термодинамической температуры Анатолием Походуном, ученым-хранителем эталона метра Натальей Кононовой и ученым-хранителем эталона ампера Александром Катковым.