Без помех и искажений
Предприятие, на котором изготавливают атомные часы, было основано группой специалистов приборостроительного института «Кварц» в 1993 году. Это было трудное время, но оно давало возможность реализовать новые идеи и смелые планы.
Конечно, изготовлением атомных часов в нашем городе заинтересовались гораздо раньше.
В конце 1960-х годов в нашем городе начали проводиться первые исследования атомных часов, тогда они были на молекулах аммиака. А в 1970-х годах производство водородных сверхточных механизмов, отсчитывающих время, было поставлено на поток.
— Наше предприятие занимается разработкой и изготовлением прецизионной (высокоточной) радиоизмерительной аппаратуры для систем хранения времени, — рассказывает начальник отделения радиотехнических, оптических и информационных систем и технологий одного из нижегородских предприятийкандидат физико-математических наук, доцент, член совета директоров предприятия Сергей Медведев. — Весь мир опутан цифровыми линиями связи, сейчас в основном оптическими. Из-за изменения температуры и появления шумов сигналы точного времени при передаче искажаются. Нужно добиться того, чтобы они приходили без ошибок при огромной скорости передачи информации и время на двух концах (на передающем и на приеме) было одинаковым. Специальную аппаратуру в том числе и для атомных часов, мы и делаем.
В компании почти 300 сотрудников. Много молодежи, в основном выпускников ННГУ имени Н. И. Лобачевского, Нижегородского технического университета имени Р. Е. Алексеева и Нижегородского технического колледжа.
На каждую модель — 1500 чертежей
Атомные часы — механизм сложный, поэтому чрезвычайно важно перед началом производства все просчитать и проверить.
В ННГУ имени Н. И. Лобачевского есть две специальные лаборатории, где занимаются расчетами прочности конструкции приборов (на механико-математическом факультете) и уделяют внимание лазерной оптике применительно к стандартам частоты (на радиофизическом).
Предприятие направляет в вуз чертежи и информацию о том, из каких материалов, какой прочности и теплопроводности будут сделаны приборы. И в лабораториях проходят научные исследования для расчета надежности на математических моделях, которые здесь же и создают. Результаты моделирования представляют заказчикам.
— Без такой предварительной работы невозможно изготовить сверхточные приборы, — продолжает Сергей Медведев. — На это уходит несколько месяцев, в результате скрупулезной работы появляются полторы тысячи чертежей на каждую модель атомных часов.
Принципы «сковородки» и «сита»
— Вот прогонная комната, — продолжает экскурсию Медведев. — Это помещение, где отстаиваются уже готовые приборы. Кстати, цикл производства атомных часов занимает полгода-год. Нужно несколько месяцев, чтобы каждая деталь устоялась, а вместе они притерлись друг к другу.
Атомные часы совсем не похожи на привычные: нет циферблата. Они скорее похожи на плоские музыкальные проигрыватели, металлические сейфы с электронными табло и пивоваренные бочки, от которых отходит множество разных гофрированных трубок, внешне напоминающих пылесосные шланги.
В таких емкостях необходимый для работы приборов водород хранится не в сжатом состоянии, а в растворенном в специальном интерметаллическом соединении. Внутри водород, возбуждаемый электромагнитным полем, излучает сигнал и светится ярким розово-красным цветом. После этого он попадает в кварцевую колбу, размещенную в резонаторе, и излучает квант радиоволны. Кварцевая колба изнутри покрыта тефлоном, похожим на тот, которым покрывают сковородки, чтобы к ним ничего не прилипало. Тут действует тот же принцип — атомы водорода не прилипают к стенкам колбы.
— Из чего сделаны атомные часы?
— Можно сказать, из всего, — отвечают специалисты, — ведь перечень материалов насчитывают примерно сотню строк: из железа, кремния, никеля, пермаллоя, алюминия, серебра, кварца и многого, многого другого. Эти материалы взяты неслучайно: они уникальны по своим природным свойствам. Например, никелевая трубочка для очистки водорода. Если никель разогреть до определенной температуры, то водород через нее проникает как сквозь сито, а все остальные газы не проходят — так получается чистый водород.
Кстати, атомные часы обязательно проходят температурные испытания.
— В специальных кабинах, куда устанавливаются приборы для испытаний, происходят перепады температуры от –50 до +50 градусов по Цельсию, — объясняет слесарь-механик Виталий Клуцис. — Это занимает несколько месяцев. А моделирование в условиях космоса длится намного дольше, примерно два года. Мы ставим прибор на платформу, поднимаем, а дальше все почти как в космосе. Такая платформа называется стендом для измерения параметров выходного сигнала водородного стандарта частоты в рабочих условиях, то есть в космических.
Хранители времени и покорители пространства
Атомные часы используются в системах точного времени. В каждой стране существует национальный эталон частоты времени, например московское время.
— В Подмосковье есть Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), — говорит Сергей Медведев. — В Институте метрологии времени и пространства ВНИИФТРИ хранится национальный эталон времени и частоты — время для всей России. Таким образом, там занимаются поддержанием национальной шкалы времени. Есть и мировое время — координированное, UTC. Это время задают 76 лабораторий в 55 странах с помощью 450 атомных часов, в том числе и наших. Так рождается время.
Для чего нужно знать точное время? В первую очередь для навигации — и для военной, и для гражданской. Требования к точности с развитием технологий постоянно повышаются.
В последнее десятилетие появились навигационные системы GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия), сейчас в космос запускаются спутники европейской навигационной системы Galileo. И здесь без атомных часов не обойтись.
— Если вы высчитываете точное время, например, до одной миллиардной доли секунды (наносекунды), то вы сможете определить и координаты с погрешностью до 30 сантиметров, — объясняет научный сотрудник.
Заказы со всего мира
С 1993 года нижегородские специалисты ездили по миру, ремонтировали атомные часы в других странах, зарабатывали деньги на организацию производства. Наконец, настало время первого заказа.
— Его мы получили в 1997 году из Австралии, — вспоминает Сергей Медведев. — Тогда австралийцы заказали сразу пять атомных часов. В Австралии большое количество радиоастрономических обсерваторий. Радиоастрономия — это национальная идея. В мире вообще очень мало производителей атомных часов, они буквально наперечет. Конечно, в некоторых странах тоже изготавливают атомные часы, но не ставят производство на массовый поток, а занимаются лишь научными испытаниями. Самые крупные производители находятся в США и в России, в нашем городе. Причем нижегородцы их создают раз в десять больше, чем американцы. В год мы изготавливаем 20 атомных часов высокой точности и 40 прецизионных приборов классом чуть ниже. Кстати, американские и нижегородские часы отличаются и внутренним устройством: их работают на атомах цезия, наши — на водороде. Австралийцам мы смогли предложить конкурентное преимущество: кроме выгодной цены дистанционное управление прибором по обычной телефонной линии и долговечность — наши приборы у них работают до сих пор. В Австралии есть две радиоастрономические станции, где нет персонала. Они управляются нашим специальным устройством. Наши сотрудники периодически приезжают туда для обслуживания атомных часов.
Потом заказы посыпались из Японии, Южной Кореи, Китая, России, Казахстана, Белоруссии, Польши, Германии, Финляндии, Швейцарии, Бельгии, Франции, Италии, Канады, США.
На орбите Луны
— 18 июня 2011 года наши атомные часы запустили на орбиту Луны, — говорит Сергей Медведев. — И там они до сих пор летают, делая круг в 600 с лишним тысяч километров от Земли и возвращаясь через 7–10 дней. Это был заказ Астрокосмического центра Физического института Академии наук имени Лебедева. Работа с ним началась еще в прошлом веке. Сначала атомные часы для центра должны были делать швейцарцы. Но потом заказали атомные часы у нас. Это уникальный опыт, аналогов которому нет во всем мире. До этого подобный эксперимент проводили японцы. Но прибор взлетел и, не совершив витка, опустился на Землю. А наш до сих пор летает. Это достижение!
Расчетный срок службы водородных атомных часов — от трех до десяти лет.
Французское с нижегородским
— Сейчас мы работаем над созданием атомных часов будущего по заказу ВНИИФТРИ, — рассказывает выпускник радиофизического факультета ННГУ, аспирант Константин Павленко. — Это будут часы совершенно нового типа.
В мире всего несколько научных лабораторий, где создают такие приборы. Нижегородцы проходят обучение во Франции, где накоплен уникальный багаж знаний по этому направлению.
Продукт французского опыта и нижегородского производства наверняка скоро станет очередным поводом для гордости.
Ирина Белова
Фото Алексея Манянина
