Появление и развитие этих приборов времени произвело революцию в области измерения времени. Она явилась одним из важных направлений научно-технической революции XX в.
В развитии квантовой колебательной хронометрии до наших дней можно выделить два периода, из которых начальный приходится на подготовку и создание в 1948 г.: первый – молекулярных (на аммиаке) часов, а второй падает уже на наши дни, так как именно за последние тридцать лет были созданы все модели молекулярных и атомных часов.
Первые молекулярные часы, 1948 г. В молекулах возможны такие энергетические состояния, для которых изменение энергии (Еп – Ет), входящей в уравнения Бора, настолько мало, что частоты, соответствующие этим энергетическим разностям, лежат в области миллиметровых и сантиметровых волн.
В сантиметровом диапазоне радиоволн систематические исследования начались с 1946 г., после освоения этого диапазона в результате развития радиолокации. Особенное значение для создания первых молекулярных часов имело изучение радиоспектра газообразного аммиака в области сантиметровых и миллиметровых радиоволн. В газообразном аммиаке имеет место сильное избирательное поглощение на волне 1,25 см и существует еще ряд частот, при которых оно происходит. В разреженном газе эти области поглощения настолько узки, что образуют спектральные линии поглощения. Совокупность спектральных линий дает радиоспектр газа.
В 1947 г. спектральные линии поглощения аммиака были применены для стабилизации частоты отражательного клистрона – широко распространенной электронной лампы для генерации радиоволн сантиметрового диапазона, а в 1948 г. – для создания молекулярных (аммиачных) часов. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой, поэтому их легче было связать с механической или электрической системой, показывающей время. Этим и объясняется то, что раньше всего появились молекулярные, а не атомные часы.
Первые практические результаты, показавшие возможность создания молекулярных часов, постоянных в качестве эталона времени и частоты, были достигнуты в Национальном комитете стандартов в Вашингтоне на основе использования принципа, разработанного Гарольдом Лайонсом – сотрудником научно-исследовательской лаборатории по изучению микроволн.
Опытным путем было обнаружено, что в волноводных трубках, заполненных аммиаком при атмосферном давлении 10 – 2, т.е. в сильно разреженном состоянии, на волне 1,25 см можно получать довольно узкие спектры поглощения аммиака. Впервые это явление было замечено в отношении газов в 1934 г. Клеетоном и Вильямсом.
9. Электрические и электронные наручные часы
В последние десятилетия в развитии наручных часов отчетливо наметились две основные тенденции. Одна связана с дальнейшим усовершенствованием традиционных механических наручных часов с целью повышения точности и стабильности их хода, другая направлена на создание новых конструкций электрических и электронных наручных часов.
Основная идея совершенствования механических наручных часов заключается в стабилизации импульса, сообщаемого часовым механизмом, и в обеспечении изохронизма колебательной системы в различных положениях. Так, часы с автоматическим заводом, непрерывно подзаводящим пружину, часы со стабилизатором, выравнивающим момент на оси анкерного колеса, отличаются более стабильным режимом работы, чем часы, не имеющие их. Однако на этом пути трудно ожидать каких-либо кардинально новых технических решений, поскольку за длительный период существования механические часы в большей мере исчерпали ресурсы своего развития. Поэтому особый интерес представляет быстро развивающаяся область электрохронометрии. Электрические наручные часы способны работать в течение года (и более) от одной батареи. Увенчались успехом и усиленные поиски путей и средств для замены классической системы баланс–спираль новыми высокочастотными осцилляторами (камертон, кварц). Наручные камертонные часы выпускаются в США фирмой Бюлова миллионами штук. В настоящее время кварцевые наручные часы могут считаться уже вполне освоенными, серийное их производство налажено во многих странах (Швейцария, Япония, СССР и др.). Добротность новых осцилляторов значительно выше, чем добротность системы баланс–спираль. Необходимость преобразования относительно высокой частоты таких осцилляторов в сравнительно медленное движение стрелок связано с рядом трудностей. Они стали причиной того, что малогабаритные часы с такими осцилляторами появились с большим запозданием.
Однако в настоящее время основные проблемы, стоящие на пути создания электронно-механических часов, получили более или менее удовлетворительное решение.
Электрические наручные часы. Отдельные попытки использовать достижения электротехники для создания электромеханических хронометров (с балансовым регулятором) имели место еще во второй половине XIX в. Именно к 1872 г. относится создание электромеханических хронометров И.А. Данишевским и к 1882 г.-И.А. Тимченко [19, 192–197] на основе работ русской электротехнической школы, во главе которой тогда стояли Р.Н. Яблочков, А.Н. Лодыгин и др. В 1904 г. в Женеве был выдан Н.А. Комприче патент на электрический морской хронометр. К концу XIX в. среди изобретателей разных стран появляется интерес к созданию карманных часов с электрическим приводом. В 1899 г. патент на электромеханические часы обычного типа был выдан Д. Бютхеру (США), а в 1900 г. – на электромеханический спусковой регулятор И. Купцову (Россия) [19, 200]. В 1920 г. два французских изобретателя изготовили электрические карманные часы. Хотя в данной области было заявлено множество патентов, их реализация задерживалась из-за непреодолимых в то время Трудностей, связанных с отсутствием миниатюрных батарей и с проблемой осуществления контактов и надежного спускового регулятора.
Исследования с целью создания наручных часов с электрическим приводом становятся более интенсивными начиная с 1945 г. В США и Франции на проведение этих исследований были вложены значительные средства. В печати того времени высказывались оптимистические прогнозы о том, что в 1953 г. появятся электронные наручные часы и часовая промышленность переключится на их изготовление взамен механических часов. К сожалению, производство таких наручных часов вызвало большие трудности; их выпуск был на время прекращен. Тем не менее в производстве электрических часов крупного калибра были достигнуты значительные успехи; эти часы стали вытеснять даже механические часы.
Производство нового типа наручных часов началось не с электронных, а с электромеханических контактных часов. Они были созданы на основе традиционной, хорошо освоенной часовщиками системы баланс–спираль с применением в качестве источника энергии миниатюрной батареи. Первые промышленно изготовленные образцы наручных электрических часов появились во Франции в 1954 г., а серийное их изготовление впервые осуществила в январе 1957 г. американская фирма Гамильтон. Особенно интенсивно производство наручных электрических часов стало развиваться с 1965 г.
10. Электронно-механические наручные часы
Рассмотренные конструкции электромеханических часов из-за наличия контакта не могут обеспечить надежность в работе в течение длительного срока службы. Другим принципиальным их недостатком является значительное рассеивание магнитного потока, что приводит к большим энергетическим потерям. Это вызвало поиски других конструктивных решений, в первую очередь таких, где не требовались бы электрические контакты. Дальнейший прогресс и заключался в применении в наручных часах бесконтактного спускового механизма на транзисторах.
В 1918 г. В. Экклс и Ф, Джордан в Англии и в 1919 г. Г. Абрахам и Э. Блох во Франции применили трехэлектродные вакуумные радиолампы для бесконтактного управления импульс-ной катушкой маятника. Одновременно же они предложили первую схему электронно-механического камертонного регулятора. Но такая схема привода не нашла широкого примене-ния из-за малого срока службы электронных ламп и других причин. Положение изменилось после изобретения транзисторов – кристаллических триодов точечного типа.
Джон Бардин и Уолтер Бреттейн 23 декабря 1947 г. обнаружили, что германий может выполнять функции выпрямителя. В 1951 г. им удалось осуществить разработку конструкции германиевого плоскостного триода – транзисторакак основного элемента современной полупроводниковой техники. В 1956 г. эти изобретатели за открытие способности транзистора осуществлять все функции приемно-усилительных ламп получили Нобелевскую премию. Это открытие имело своим следствием возникновение и развитие полупроводниковой техники и, в частности, применение германиевых транзисторов для создания электронно-механических часов. В электронно-механических часах имеется электронная система – формирования импульса для приведения осциллятора в колебательное состояние. В качестве осциллятора раньше всего был применен маятник и баланс, а затем камертон.
Система привода в электронно-механических регуляторах представляет собой электронно-механическое устройство, преобразующее электрическую энергию тока источника питания в механическую энергию импульса привода.
В настоящее время основное отличие электромеханических часов от электронно-механической практики сводится к способу переключения цепи источника тока в момент передачи энергии часовому осциллятору. В электромеханических часах это переключение осуществляется путем замыкания обычных контактов, а в электронно-механических – переключением транзистора, т.е. процесс формирования импульса в этих часах осуществляется не с помощью контакта, а с помощью транзистора. Соответственно этому электромеханические часы называют контактными, а электронно-механические – бесконтактными.