Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ методов и средств измерений длины
1.1 Метрологические характеристики Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-85 10
1.2 Потребности науки и промышленности в высокоточных измерениях длины 12
1.3 Анализ измерительных возможностей ведущих метрологических центров мира в области измерений длины 14
1.4 Выбор основных направлений совершенствования Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-85 20
ГЛАВА 2. Исследование и анализ составляющих погрешности воспроизведения единицы длины усовершенствованным государственным первичным эталоном единицы длины - метра ГЭТ 2-2010
2.1 Физические принципы стабилизации частоты лазерного излучения 22
2.2 Физические явления, ограничивающие воспроизводимость частоты лазера 39
2.3 Описание эталонного источника излучения стабилизированного Не-Ne/Ь лазера из состава ГЭТ 2-2010 43
2.4 Анализ составляющих погрешности воспроизведения длины Государственным первичным эталоном единицы длины — метра ГЭТ 2-201046
ГЛАВА 3. Определение состава эталона длины и внедрение в его состав новых установок 53
3.1 Состав усовершенствованного Государственного первичного эталона единицы длины — метра ГЭТ 2-2010. Основные принципы и технические решения, реализованные при разработке новых установок 53
3.1.1 Установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения 55
3.1.2 Компаратор лазерный интерференционный для измерения длины в субмикронном и нанодиапазоне 57
3.1.3 Гетеродинный интерферометр 59
3.1.4 Универсальный интерференционный метровый компаратор 60
3.1.5 Тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор
3.2 Анализ погрешностей лазерных интерферометров 63
3.3 Результаты исследований основных метрологических характеристик установок 76
3.4 Выводы к главе 3 85
ГЛАВА 4. Результаты международных сличений в области измерений длины. подтверждение метрологических характеристикэталона единицы длины. перспективы дальнейшего совершенствования эталона 86
4.1 Подтверждение метрологических характеристик эталона единицы длины. Результаты сличений 86
4.2 Перспективы дальнейшего совершенствования государственного первичного эталона длины 92
Список использованных источников
- Потребности науки и промышленности в высокоточных измерениях длины
- Физические явления, ограничивающие воспроизводимость частоты лазера
- Установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения
- Перспективы дальнейшего совершенствования государственного первичного эталона длины
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Постоянный и повсеместный рост требований к точности измерений, наблюдаемый во всем мире, затрагивает и область механических измерений, в частности, геометрические измерения. В последние десятилетия стала бурно развиваться область линейных измерений, связанная с лазерами и приборами на их основе. Появились такие современные высокоточные средства измерений, как тахеометры, лазерные сканеры, высокоточные промышленные лазерные интерферометры, обладающие уникальными характеристиками, для метрологического обеспечения которых требуется расширение диапазона передачи единицы как в область «средних» длин так, и в область субмикронных длин и наноразмеров. В настоящее время в Российской Федерации эксплуатируется один военный эталон, более десяти вторичных эталонов, а эталонов 1 разряда более 10000. Кроме того, в Центрах Стандартизации и Метрологии (ЦСМ) и ведущих промышленных предприятиях эксплуатируются лазерные сканеры типа TOPKON, прецизионные лазерные интерферометры перемещений типа Renishaw, HP, Zigo, калибровка (поверка) которых требует от эталона единицы длины повышения точности и расширения диапазона измерений.
Вопросами повышения точности воспроизведения и передачи единицы длины занимались такие видные ученые, как: Чеботаев В.П., Коронкевич В.П., Витушкин Л.Ф., Захаренко Ю.Г., Федорин В.Л., Болонин А.А., Лейбенгардт Г.И., Шур В.Л. и др.
Задача совершенствования Государственного первичного эталона (ГПЭ) единицы длины с целью повышения точности воспроизведения и передачи единицы определяются требованиями различных отраслей промышленности, науки и техники.
Кроме того, для Государственного эталона единицы длины (ГЭТ 2-85), утвержденного в 1985 году, неисключенная систематическая погрешность воспроизведения составляет 1.10-9, при СКО 2.10-11, что не удовлетворяет требованиям к точности измерений и решаемым измерительным задачам в настоящее время. С появлением генераторов оптических гармоник (COMB генераторов) появилась возможность более точного определения точностных характеристик эталона единицы длины.
Цели работы.
Целью работы является совершенствование государственного эталона единицы длины, комплексный анализ источников составляющих погрешности аппаратуры воспроизведения единицы длины, исследование наиболее существенных источников погрешности с целью создания методов и измерительных установок, позволяющих повысить точность воспроизведения и передачи единицы длины. Были сформулированы следующие задачи:
Обзор и анализ методов и средств измерений длины. Рассмотрение метрологических характеристик Государственного первичного эталона единицы длины — метра (далее ГЭТ 2-85).
Обзор измерительных возможностей ведущих зарубежных метрологических центров в области измерений длины.
Выбор основных направлений совершенствования государственного первичного эталона единицы длины.
Исследование составляющих погрешности воспроизведения единицы длины и комплексный анализ погрешностей передачи единицы длины с помощью новых и усовершенствованных установок, включенных в состав эталона длины (далее ГЭТ 2-2010).
Подтверждение на основе результатов международных сличений метрологических характеристик ГЭТ 2-2010.
Анализ возможностей применения ядерных переходов, с целью создания сверхстабильных источников лазерного излучения и дальнейшего совершенствования ГЭТ 2-2010.
Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней:
исследованы физические явления, определяющие погрешность воспроизведения единицы длины государственным эталоном;
усовершенствован и исследован государственный эталон единицы длины ГЭТ 2-2010 с улучшенными метрологическими характеристиками и функциональными возможностями;
проведены международные сличения усовершенствованного ГЭТ 2-2010, подтверждающие его метрологические характеристики;
разработана и утверждена новая поверочная схема для средств измерений длины ГОСТ 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 110-9 до 50 м и длин волн в диапазоне
от 0,2 до 50 мкм».
определены пути дальнейшего совершенствования ГЭТ 2-2010.
Практическая ценность работы.
Основной практической ценностью данной диссертационной работы является определение основных составляющих погрешности воспроизведения единицы длины, что позволило уменьшить суммарную погрешность воспроизведения на 2 порядка. Также определены основные пути улучшения метрологических характеристик и функциональных возможностей государственного первичного эталона единицы длины, получено экспериментальное подтверждение этого улучшения.
На основе результатов, полученных в диссертационной работе также:
определены факторы, влияющие на погрешности воспроизведения единицы длины, и пути их компенсации;
разработан и создан эталонный источник лазерного излучения, проведены международные сличения, усовершенствованы оптические элементы и узлы, а также аппаратно-программные средства государственного первичного эталона длины, что привело к повышению точности и стабильности воспроизведения и передачи единицы длины вторичным эталонам, эталонам 1-го разряда и современным высокоточным рабочим средствам измерений длины;
усовершенствован и исследован эталон единицы длины, обеспечивающий расширение диапазона воспроизведения и передачи единицы длины в область малых длин до 10-9 и в область средних длин до 30 м;
приведены бюджеты неопределенностей измерений при воспроизведении и передаче единицы длины;
проведен ряд международных сличений с использованием установок из состава ГЭТ 2-2010;
разработана методика калибровки «Лазеры частотно стабилизированные» в соответствии со стандартом Системы менеджмента качества ВНИИМ
СК 02-31-09;
разработана и утверждена новая поверочная схема для средств измерений длины ГОСТ 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 110 -9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм»
определены пути дальнейшего совершенствования ГЭТ 2-2010.
Результаты работы внедрены в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
технические решения, реализованные при совершенствовании Государственного первичного эталона единицы длины, которые обеспечили возможность уменьшение составляющих суммарных погрешностей воспроизведения и передачи единицы длины, а также позволили расширить диапазон измерений;
результаты исследований составляющих погрешности воспроизведения и передачи единицы длины ГЭТ 2-2010;
результаты международных сличений;
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и отдельные её результаты докладывались и обсуждались на:
Х Международном научно-техническом семинаре «Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума», г. Санкт-Петербург, 2006 г.;
научно-практической конференции, посвященной 30-летию базовой кафедры метрологии СЗТУ при ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»,
г. Санкт-Петербург, 2010 г.;
научно-технической комиссии Росстандарта, г. Москва, 2010 г.;
XLV Международной конференции по ядерной физике, г. Закопань (Польша), 2011 г.;
Ученом совете ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»;
семинарах лаборатории 2511 и научно-исследовательского отдела 251 ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».
Публикации, структура и объем работы. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 50 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 128 страниц, включая 28 рисунков, 17 таблиц.
В диссертационной работе изложены и обобщены результаты работы, выполненной в период с 2006 по 2012 гг.
Потребности науки и промышленности в высокоточных измерениях длины
В 1985 г. во ВНИИМ был создан и утвержден Государственный первичный эталон единицы длины — метра ГЭТ 2-85. Он состоял из комплекса следующих средств измерений: - источники эталонного излучения — He-Ne/I2 лазеры №01 и №02, стабилизированные по линии поглощения в молекулярном йоде 127; - установка для измерения отношений длин волн источников излучения, № 1; интерференционный компаратор с лазерным интерференционным рефрактометром № 03 (далее интерференционный компаратор).
В состав интерференционного компаратора (рисунок 1) входили: лазерный интерферометр для измерения длины штриховых и плоскопараллельных концевых мер длины; фотоэлектрический микроскоп для фиксации штриха штриховой меры; интерферометр с нулевой разностью хода для фиксации измерительных поверхностей плоскопараллельной концевой меры; интерференционный рефрактометр.
Лазерный интерферометр был построен по схеме интерферометра Майкельсона с применением уголковых отражателей и обеспечивал: - измерения длины штриховых мер длиной до 1 м; - измерения длины плоскопараллельных концевых мер длиной до 1 м; - сличения штриховых мер с плоскопараллельными концевыми мерами. Измерение штриховых мер проводилось лазерным интерферометром методом счета числа интерференционных полос при фиксации центра штрихов меры фотоэлектрическим микроскопом. Интерференционный компаратор был установлен в специальной термокамере размером 4,0x2,5x3,0 м с двойными теплопроводящими стенками. Температура воздуха внутри термокамеры в месте расположения измеряемой меры поддерживалась в пределах (20±0,05)С. Градиент температуры при измерении меры длиной 1 м не превышал 0,005 С, изменение температуры внутри термокамеры составляло не более 0,003 С. Термокамера была размещена на фундаменте в помещении, в котором при помощи активной системы стабилизации поддерживалась температура воздуха (20±0,1)С. Все тепловыделяющие элементы, источники излучения были установлены на пульте управления, расположенном за пределами термокамеры. Световые лучи вводились в интерференционный компаратор через специальные окна. 1, 3, 4, 6 — фотоприемные устройства; 2, 7 — источники света; 5 — источник когерентного излучения; 8 — источник белого света; 9, 13, 26 — коллимирующая система; 10 — светоделитель; 11 — зеркало; 12, 24, 27, 28 — плоские зеркала; 14 — уголковый отражатель; 15, 23 — призмы Дове; 16 — фотоэлектрический микроскоп; 17 — камера рефрактометра; 18 — штриховая мера; 19 — подвижная каретка; 20 — вакуумированная кювета; 21 — плоскопараллельная концевая мера; 22 — отражатель; 25 — двугранное зеркало Рисунок 1 - Схема интерференционного компаратора с лазерным интерференционным рефрактометром Метрологические характеристики ГЭТ 2-85 приведены ниже. Диапазон измерений длины (5-109 - 1) м. Длина волны, воспроизводимая эталонным источником излучения He-Ne/Ь лазером 0,63299139822 мкм. Суммарная относительная погрешность воспроизведения единицы длины 2,540й. Установка для измерения отношений длин волн обеспечивала передачу единицы длины источниками эталонных излучений в диапазоне (0,4 — 11,0) мкм с относительной суммарной погрешностью (3-Ю"" — 1-Ю"9). Эталонный комплекс обеспечивал передачу единицы длины материальным мерам длины, измерителям линейных перемещений, преобразователям линейных перемещений: в диапазоне (1-10" — 1) м с суммарной погрешностью (0,015+0,01L) мкм, где L — длина в метрах; в диапазоне (1-10"6— 1-10"3)м с суммарной погрешностью 0,015 мкм; в диапазоне (5-Ю9 — 1-Ю"6) м с суммарной погрешностью 0,003 мкм.
За последнее время существенно возросла потребность в высокоточных измерениях длины, как в области малых, так и больших длин, в ряде важнейших отраслей национальной промышленности - машиностроении, автомобильной, аэрокосмической, энергетической, оборонной, микроэлектронной, а также при задачах, решаемых фундаментальной наукой. Ведущие промышленные предприятия и научно-исследовательские институты, такие как ОАО «Производственное объединение «Северное машиностроительное предприятие», ОАО «Ижорские заводы», ОАО «Компания «Сухой», ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. СП. Королева», ФГУП «ВНИИФТРИ», ФГУП «СНИИМ», НИИЦПВ и т. д., эксплуатируют высокоточные средства измерений длины, которые требуют комплексной поверки и калибровки с применением практически всех возможностей усовершенствованного ГЭТ 2-2010.
В таблице 1 представлены метрологические характеристики некоторых современных средств измерений отечественного и импортного производства. Таблица 1 - Метрологические характеристики некоторых современных средств измерений отечественного и импортного производства
В 2007 г. во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» была поставлена задача совершенствования ГЭТ 2-85. Это было вызвано тем, что: в период утверждения ГЭТ 2-85 в 1985 г. основными средствами для метрологического обеспечения науки и промышленности были плоскопараллельные концевые и штриховые меры длины, которые обеспечивали хранение единицы длины в диапазоне от 10" до 1 м, в то время как современные измерительные задачи требуют расширения диапазона измерений; потребность фундаментальных исследований по определению и уточнению физических констант требует уменьшения погрешности ГЭТ 2-85; материально-техническая база ГЭТ 2-85 морально и физически устарела по элементной базе и уровню автоматизации процесса измерений; в настоящее время отечественной промышленностью производятся средства измерений, работающие на новых принципах и имеющие высокие метрологические характеристики. Также из-за рубежа ввозятся современные средства измерений ведущих зарубежных производителей в области измерений длины. Это требует развития новых методов и средств их метрологического обеспечения. В связи с этим, в 2008 г. в рамках программы «Совершенствование государственного эталона единицы длины ГЭТ 2-85» на основании приказа Минпромэнерго России от 24 января 2008 года № 23 и приказа Ростехрегулирования от 28 апреля 2008 года №1281 был создан ряд новых установок, вошедших в состав усовершенствованного эталона. В период 2008-2010 гг. ГЭТ 2-2010 был исследован и утвержден (Приказ Росстандарта от 23 декабря 2010 г., № 5377).
Физические явления, ограничивающие воспроизводимость частоты лазера
Также на воспроизводимость частоты лазерного излучения влияют ошибки сервосистемы (системы автоподстройки частоты (АПЧ)) которая обеспечивает приведение к нулю сигнала ошибки, возникающего при отклонении частоты генерации лазера от частоты центра пика насыщенного поглощения. Минимизацией таких влияний АПЧ достигается увеличением контраста пиков и уменьшением паразитных сигналов, особенно в цепях постоянного тока. В общем, при выборе прецизионных и надежных электронных элементов и реализации такой электронной схемы АПЧ, где отсутствуют или сведены к минимуму собственные внутренние дрейфы и нестабильности, можно достичь вклада в погрешность воспроизведения частоты 10
Основой резонатора стабилизированного He-Ne/Ь лазера ВНИИМ являются четыре инварных стержня. Концы стержней с двух сторон соединяются с концевыми пластинами, снабженными юстирующими устройствами для настройки резонатора. На котировочных узлах закреплены пьезокерамические цилиндры с диэлектрическими зеркалами. В резонаторе применена малошумящая усилительная трубка длиной 210 мм. Длина поглощающей ячейки составляет 100 мм, отросток ячейки помещается в термохолодильнике, обеспечивающем температуру отростка (15±0,05) С. В качестве датчика температуры использовано термосопротивление, включенное в мостовую схему. Сигнал разбаланса мостовой схемы усиливается операционным усилителем (далее ОУ) и определяет ток транзистора, регулирующего ток через элемент Пельтье и, таким образом, регулирующего температуру отростка ячейки. Предварительный усилитель содержит фотодиод, избирательный усилитель и усилитель постоянного тока. Использование отдельного канала постоянного тока позволяет контролировать выходную мощность излучения в процессе работы лазера. Резонатор размещается в алюминиевом кожухе, предохраняющем полость резонатора от потоков воздуха в помещении и частично снижающем акустические влияния. Система автоподстройки частоты (далее АПЧ) включает в себя: малошумящий высоковольтный источник для питания усилительной трубки; блок питания системы АПЧ и терморезистора; генератор fo-3fo , фазовый детектор 3fo\ усилитель постоянного тока; интегратор; генератор развертки; систему индикации йодных пиков.
Генератор/о-3/0 синхронизируется кварцевым генератором, работающим на частоте 12 МГц, делитель частоты на логических микросхемах обеспечивает на выходе частоты 10 и 30 кГц. В делителе частоты приняты меры для обеспечения постоянного фазового сдвига между частотами 10 и 30 кГц. Прямоугольный сигнал частотой 10 кГц поступает на цепочку фильтров, обеспечивающих на выходе гармонический сигнал с содержанием высших гармоник около 70 дБ. Кроме того, генератор включает в себя фазовращатель с диапазоном сдвига фазы от -180 до 180 и блок стабилизации амплитуды, обеспечивающий точность поддержания амплитуды около 3 %. Выходное напряжение генератора поступает на пьезопривод модуляции лазера и может контролироваться в процессе работы внешним вольтметром.
В синхронном детекторе использованы полевые транзисторы, работающие в ключевом режиме, и прецизионный ОУ, выполняющий также роль фильтра низких частот. В качестве управляющего сигнала для полевых транзисторов применяется напряжение частотой 30 кГц. Использование достаточно высокой частоты модуляции (10 кГц) и рабочей частоты синхронного детектора (30 кГц) позволяет получить на выходе синхронного детектора сигнал дискриминационной характеристики с соотношением сигнал/шум 40 дБ. Линейность характеристики синхронного детектора обеспечивается в диапазоне ±3 В. Сдвиги нуля на выходе синхронного детектора не превосходят нескольких микровольт.
Усилитель постоянного тока представляет собой балансный транзисторный усилитель, выполненный на высоковольтных транзисторах. Напряжение, снимаемое между коллекторами этих транзисторов, поступает на пьезопривод и управляет частотой излучения лазера.
Интегратор содержит два интегратора, которые обладают высоким усилением, последовательно включенных с различными постоянными времени. Использование прецизионных операционных усилителей позволило обеспечить низкий уровень дрейфа. При включении системы АПЧ в режиме стабилизации частоты включение второго интегратора происходит с задержкой (0,8—1) с, что обеспечивается специальной схемой задержки. При выключении режима стабилизации происходит автоматическое приведение к нулю показаний обоих интеграторов.
В качестве генератора развертки использован цифро-аналоговый преобразователь, управляемый отдельным генератором с варьируемой частотой, что обеспечивает диапазон времени развертки от 2 до 15 с. Диапазон выходных напряжений генератора развертки соответствует изменению частоты лазера от 0 до 400 МГц. При включении режима стабилизации частоты происходит остановка генератора развертки, и уровень его выходного напряжения автоматически фиксируется.
Система индикации йодных пиков включает в себя счетчик пиков и индикатор на светодиодах, отображающий номер пика. Дополнительный звуковой индикатор сигнализирует о моменте, когда следует включить режим стабилизации при прохождении выбранного йодного пика.
Установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения
При интерференционных измерениях предполагают, что в интерферометр поступает параллельный пучок света. В реальных лазерных пучках всегда имеются лучи, распространяющиеся под некоторым углом к оптической оси. Вследствие этого измеряемый на выходе порядок интерференции т отличается от значения, получившегося бы при параллельном пучке. Следует отметить, что при освещении интерферометра спектральной лампой рассчитаны и вводятся поправки на размер осветительной диафрагмы, однако, в связи с отсутствием пространственной когерентности, пучки, выходящие из различных точек диафрагмы независимы, т.к. выходят из различных точек источника, а результат интерференции получается вследствие сложения интенсивностей при наложении интерференционных картин.
При освещении пучком лазера световые колебания в любой точке сечения пучка когерентны и суперпозиция лучей, выходящих из разных точек источника на выходе интерферометра, происходит когерентно, т.е. с учетом фазы.
Запишем уравнения световых колебаний основной моды лазера в опорном и измерительном плечах интерферометра Eon = Е0 ехр (--) exp i(-№n - Фоп) - Ч (29) won Won "on где Е0 - напряженность электрического поля на оси пучка в плоскости с минимальным диаметром 2и 0; г2=х +у , где х,у— координаты в поперечном сечении пучка; к=2ж/А -волновое число; 0On=arctg(izo„/7rwo2) _ фазовый сдвиг на оси (г=0); Лои=го„[1+(л Уо /Az0„) - радиус волнового фронта. Уравнение для волны измерительного плеча аналогично (29) Суммарная интенсивность определяется как 1{г) = (Е0п + Еп)-(Е0п + Еп). (30) После преобразований получим 1{г) = Acos[A:(z„ - z0„) + ДФі + АФ2], (31) где Дф,=(фп - Ф0п), и приближенно Ф2 arctg(b/a), где a=(l/w0„2 + w„2); b=fc(l/2R„ - l/2R0n). Выражение [k(z„ - z0„) + ДФі + ДФ2] определяет эффективное значение регистрируемой разности фаз. Член k(z„-Zo„)=(2n/X)(n2L) выражает значение разности фаз, полученное при интерференции плоских волн. Член ДФі определяет дополнительный фазовый сдвиг, не зависящий от размеров выходной диафрагмы. Фазовый сдвиг ДФг обусловлен искривлением волновых фронтов интерферирующих пучков.
Приведенные выражения позволяют проводить оценки влияния отклонений волны лазерного излучения от плоской волны. Например, при неколлимированном излучении и разности хода zH-z0„=l м, ДФ] 1, изменение порядка интерференции Ат=АФ/2тг составляет 0,15. Это означает, что можно проводить измерения с относительной погрешностью 110" , не учитывая отклонения волны лазерного излучения от плоской волны. При более точных измерениях нужно вводить поправку, равную ДФ. Применение телескопической системы дает возможность уменьшить погрешность вплоть до ПО"9. Параметры телескопической системы можно определить, исходя из требуемой точности измерений и пользуясь представленными выше уравнениями.
Дифракционные эффекты могут вызвать заметные изменения в интерференционной картине с большой разностью хода, т.к. диаметры пучков обычно сравнимы с размерами оптических элементов.
Вследствие дифракции происходят следующие явления: величина «видности» интерференционной картины (или степени взаимной когерентности пучков) будет уменьшаться, положение максимумов и минимумов в картине будет сдвигаться относительно величины Ф-2жъ1Х. Задача оценки влияния дифракции Френеля гауссова пучка на круговой диафрагме была решена методом стационарной фазы. Результаты позволяют оценить величину сдвига интерференционной картины при введении диафрагмы, ограничивающей пучок. Если размер диафрагмы меньше размера гауссова пучка, например, ro=0,5 w0 , то этот сдвиг значителен и может превысить фазовый сдвиг ДФ,., вызываемый «гауссовостью» волны (т.е. кривизной фронта исходной волны). При введении диафрагмы радиусом ro=wo дополнительный сдвиг не превышает 0,2АФГ, даваемого не срезанным гауссовым пучком, а для r0=2w0 - не превышает 0,05ДФ. Для получения относительной погрешности регистрируемой разности фаз менее ПО" требуемый диаметр гауссова пучка должен быть не менее 8 мм. С увеличением разности хода (z„-z0„) дополнительный фазовый сдвиг увеличивается, приближаясь к значению л/2 тем быстрее, чем меньше отношение радиуса диафрагмы к радиусу пучка. При уменьшении радиуса диафрагмы до значений r0 X{zn — z0n) сдвиг ДФ=7г/2.
Перспективы дальнейшего совершенствования государственного первичного эталона длины
Уран-235, он вполне доступен для исследователей. В работе [29], вышедшей в 2007 году и в работе [30], вышедшей в 2009 году, рассмотрены проблемы использования тория в качестве репера для стабилизации лазера, причём рассмотрены вопросы постановки эксперимента как «на поглощение», так и на «испускание» после акта резонансного поглощения. В статье [31] показано, что именно оптические кванты могут вылетать из ядра и быть зарегистрированы. В работе [26] установлено, что изомерный уровень 3.5 эВ распадается совсем с другими энергиями альфа-частиц и другим периодом полураспада, что позволяет детектировать по этим распадам факт возбуждения изомерного уровня столь низкой энергии. Скорее всего, что благодаря именно этому, вообще был обнаружен этот уровень. Однако для того, чтобы резонансно возбудить этот уровень, нужно знать достаточно точно его энергию. В этом и состоит проблема, её собираются решить в [25], примерно такой же вариант предложил и автор. Однако, пока эта проблема не решена. Чтобы её решить, необходимо осуществить механизм заселения этого уровня, причём достаточно плотно, чтобы мог работать хотя бы спектрофотометр. Автор предлагает использовать для этого синхротронное излучение, или фемтосекундный лазер. После точного определения этой энергии возможно осуществление резонансной флуоресценции с применением лазеров и «СОМВ»-генератора. Энергия перехода Уран-235 выше примерно в 30 раз оптической (в отличие от Тория-229). Линия также очень узкая, как и у Тория, т.е. её ширина составляет десятитысячные доли Герца. Есть работы, например [13], из которых следует, что при взаимодействии с атомами сверхкоротких лазерных импульсов эффективно генерируются гармоники по крайней мере до 100 электронвольт. Это в 50 раз выше оптической частоты, вместе с «СОМВ»-генератором можно достичь энергии 76 электронвольт у Урана-235. Проблема та же, что и для Тория, т.е. необходимо точное измерение энергии перехода. В нобелевской лекции Дж. ХОЛЛА [14] высказано предположение о возможности продления диапазона работы «СОМВ»-генератора до десятков килоэлектронвольт и тем самым использовать в метрологии высокостабильные Мёссбауэровские изомерные переходы.
Можно рассматривать и другие изомеры, так как при исследовании ядерных распадов не всегда удаётся (скорее, очень редко) идентифицировать переход с низкой энергией. А уж точно никогда не удастся, если энергия совсем низкая, о чём говорилось выше. Можно использовать мощное прерывистое синхротронное излучение, проводя анализ вторичного излучения с помощью спектрофотометров и приёмников низкочастотных излучений (в диапазоне Мегагерц-терагерц). Есть ряд изотопов, которые после захвата нейтронов (на реакторе) могут быть обследованы аналогичным образом. К примеру, это Рутений-103 (из природного 102), Серебро-110 (из 109), Празеодим-142 (из 141), Самарий-151 (из 150), Европий-154 (из 153), Платина-193 (192), Ртуть-201 (200), все они имеют низкоэнергетические уровни от 1 до 100 электронвольт. Их не очень много пока, но зато очень много изотопов, получаемых на ядерных реакциях, например, на циклотроне. Там достаточно много переходов, которые не являются столь узкими и легко могут быть использованы лазерами.
Для работы с Торием и Ураном необходим «СОМВ»-генератор и импульсный фемтосекундный лазер, чувствительный современный спектрофотометр и несколько лазеров, которые перекрывают как можно более полный диапазон излучений. Необходим приёмник — высокочувствительный анализатор спектров до 40 Гигагерц (или до 100).
Необходимо также привлечь физиков-ядерщиков для анализа и исследования возможных изотопов - кандидатов на наличие необходимых уровней, а также для проведения работ на реакторе, синхротроне и циклотроне (ФТИ им. А.Ф. Иоффе). Для работ на ядерных реакциях (для ФТИ) необходимо также изготовить несколько перестраиваемых лазеров (ВНИИМ).
Все перечисленные работы важны для выполнения обязательств Российской Федерации как полноправного члена Метрической конвенции, а также занимать ведущие роли в рабочем комитете по длине МБМВ, где исследованиям новых перспективных реперов частоты и созданию лазеров на их основе придается огромное значение. Повышение точности воспроизведения единицы длины метр также важно и для уточнения физических констант. Связь основных единиц и физических констант показана на рисунке 28.
Помимо разработки новых средств воспроизведения длины также важно продолжать совершенствовать и средства передачи единицы длины. Особенно востребованными в ближайшее время, по мнению автора, будут средства измерений для передачи единицы длины лазерным интерферометрам, лазерным 3D сканерам и лазерным дальномерам. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По итогам комплекса теоретических и экспериментальных исследований на аппаратуре Государственного первичного эталона единицы длины были получены следующие основные результаты: - проведен анализ потребностей науки и промышленности в метрологическом обеспечении высокоточных средств измерения длины. На основании проведенного анализа и обзора состава эталонов длины ведущих национальных метрологических институтов мира обоснован состав Государственного первичного эталона единицы длины-метра ГЭТ 2-2010; - проведен анализ составляющих погрешности воспроизведения единицы длины Государственного первичного эталона ГЭТ 2-2010; - рассмотрены физические принципы стабилизации частоты (длины волны в вакууме) лазерного излучения. На основе анализа факторов, влияющих на воспроизводимость и стабильность частоты лазерного излучения, были сформированы требования к конструкции элементов стабилизированного лазера для ГЭТ 2-2010. Доработан, исследован и включен в состав эталона ГЭТ 2-2010 источник эталонного излучения — He-Ne/I2 лазер, стабилизированный по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде -127, № 2, - исследованы и включены в состав эталона интерференционные компараторы: компаратор лазерный интерференционный для измерения длины в субмикронном и нанодиапазоне, № 01-2010, интерферометр гетеродинный, № 02-2009, компаратор универсальный интерференционный метровый, № 01-2009, компаратор лазерный интерференционный тридцатиметровый, № 01-2008. Данные компараторы позволили существенно расширить диапазон передачи единицы длины Государственным первичным эталоном единицы длины.
