Статьи, Обзоры, Аналитика

Метрология: с точностью до кванта

Метрология занимает особое место среди наук: без ее постулатов не может обойтись ни один специалист любой отрасли. Более того, сегодня метрология пронизывает все сферы жизни. С количественными оценками человек сталкивается с самого рождения, становясь объектом измерений длины, массы и температуры в первые минуты жизни.

Каждый день мы оцениваем температуру воздуха на улице, следим за временем. С измерениями связана деятельность человека на любом предприятии: современное производство невозможно без измерительной техники. В связи с развитием науки и техники сегодня появляются уникальные технологии, которые открывают новые возможности в фундаментальной и прикладной метрологии.

От аршина к метру

Метрологов разных стран впервые объединила в 1870 году Международная комиссия в Париже. Примечательно, что одним из инициаторов ее организации выступила Петербургская академия наук. Тогда впервые заговорили о введении метрической системы мер в различных странах, а также об изготовлении новых эталонов мер и их копий.

Спустя всего пять лет, 20 мая 1875 года, знаменитую Метрическую конвенцию (Metre Convention) подписали 17 стран, в числе которых была и Россия. Так была создана Международная организация мер и весов – первая международная научно-исследовательская лаборатория.

У нас в стране большую роль в становлении современной метрологии сыграл Дмитрий Менделеев. Период с 1892 по 1918 годы даже называют менделеевским этапом развития метрологии. Он возглавлял в Петербурге Главную палату мер и весов – многолабораторный метрологический институт. Ныне это Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева. Сегодня здесь хранятся российский эталон длины, а также эталонные весы.

Но все же Менделееву не удалось внедрить в России метрическую систему. С 1899 года она применялась в России факультативно, наряду со старой русской и британской (дюймовой) системами. Международная метрическая система мер и весов официально была введена в 1918 году, уже в советской России.

Первые радиоизмерения

С введением метрической системы началось бурное развитие метрологии. Так, под руководством известного физика Михаила Бонч-Бруевича в 1918 году была создана Нижегородская лаборатория, которая стала первым НИИ в области радиоизмерений. Сегодня это Нижегородское научно-производственное объединение имени М.В. Фрунзе, входящее в КРЭТ.

Именно на этом предприятии Концерна были разработаны первые в стране радиоизмерительные приборы для измерения частот, первый отечественный генератор стандартных сигналов, а в 1935 году – первый ламповый вольтметр, допускавший измерение напряжения с частотой всего до нескольких сот килогерц.

На базе Нижегородской лаборатории позже был образован и Научно-исследовательский институт №11, нынешний Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц», также в составе КРЭТ. Сегодня это крупнейшее предприятие России по разработке и производству радиоэлектронной измерительной аппаратуры. Продукция «Кварц» соответствует мировому уровню и активно экспортируется за рубеж.

В настоящее время на предприятиях КРЭТ ведется работа по созданию радиоизмерительной аппаратуры нового поколения. К примеру, разработаны и освоены в серийном производстве современные аппаратные средства системы единого времени. Они применяются даже в интересах Центра управления полетами космических аппаратов.

Квантовые технологии для метрологии

Прогресс в развитии средств измерений требует наличия большого количества эталонов нового поколения. В наши дни одна из основных задач метрологии – это разработка системы эталонов с использованием квантовых физических эффектов. Эта задача реализована, в частности в России, при создании единого эталона единиц времени, частоты и длины.

К примеру, единица времени (секунда) воспроизводится с помощью квантового эталона частоты. Секунда определяется интервалом, в котором укладывается 9 192 631 770 периодов колебаний излучения, соответствующего квантовому переходу между уровнями сверхтонкой структуры атома.

В стадии разработки в России находятся квантовые эталоны единицы переменного низкочастотного напряжения, единицы мощности на низких частотах, единицы постоянного тока, а также единицы массы.

Недавно специалистами Нижегородского научно-исследовательского приборостроительного института «Кварц» был впервые создан рабочий образец квантового эталона напряжения. Эталон был разработан на основе известного в квантовой физике эффекта Джозефсона. Это физическое явление в 1962 году теоретически предсказал молодой английский физик Брайан Джозефсон. На сегодняшний день неизвестны другие физические эффекты, которые могли бы составить конкуренцию эффекту Джозефсона по точности воспроизведения единицы напряжения.

Этот новый прибор найдет свое применение в метрологических институтах в составе эталонов вольта, в центрах стандартизации, метрологии и испытаний. Кроме того, устройство может использоваться в аналогичных организациях зарубежных стран, метрологических лабораториях предприятий, а также в научных учреждениях и метрологических службах Минобороны.

Источник: КРЭТ