Совершенствование и исследование государственного первичного эталона единицы длины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Чекирда, Константин Владимирович

• Чекирда, Константин Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Чекирда, Константин Владимирович

Оглавление ,

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛИНЫ

1.1 Метрологические характеристики Государственного первичного эталона

единицы длины - метра ГЭТ 2-85

1.2 Потребности науки и промышленности в высокоточных измерениях длины

1.3 Анализ измерительных возможностей ведущих метрологических центров мира в области измерений длины

1.4 Выбор основных направлений совершенствования Государственного

первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-85

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

2.2 Физические явления, ограничивающие воспроизводимость частоты лазера

2.3 Описание эталонного источника излучения стабилизированного Не-Не/12 лазера из состава ГЭТ 2-2010

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

3.1 Состав усовершенствованного Государственного первичного эталона единицы длины — метра ГЭТ 2-2010. Основные принципы и технические решения, реализованные при разработке новых установок

3.1.1 Установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения

3.1.2 Компаратор лазерный интерференционный для измерения длины в

субмикронном и нанодиапазоне

3.1.3 Гетеродинный интерферометр

3.1.4 Универсальный интерференционный метровый компаратор

3.1.5 Тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор

3.2 Анализ погрешностей лазерных интерферометров

3.3 Результаты исследований основных метрологических характеристик установок

3.4 Выводы к главе 3

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МЕЖДУНАРОДНЫХ СЛИЧЕНИЙ В ОБЛАСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛИНЫ. ПОДТВЕРЖДЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ. ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭТАЛОНА

4.1 Подтверждение метрологических характеристик эталона единицы длины. Результаты сличений

4.2 Перспективы дальнейшего совершенствования государственного

первичного эталона длины

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование и исследование государственного первичного эталона единицы длины»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Временем рождения метра следует считать 1792-1793 годы, когда физик, математик и астроном Пьер-Симон Лаплас возглавил работы по измерению длины четвертой доли части Парижского меридиана. Одна десятимиллионная часть этого меридиана и была принята за длину в один метр.

После подписания 20 мая 1875 года Метрической конвенции Россия получила два платиноиридиевых эталона. Можно считать, что с этого момента ведутся работы по исследованию и совершенствованию эталона длины - метра. С развитием физики совершенствовалось и определение метра. Кардинально на этот процесс повлияли результаты исследований, проведенных Томасом Юнгом, открывшим явление интерференции света, и Альбертом Майкельсоном, который экспериментально доказал, что точность воспроизведения длины интерференционным методом может быть выше, чем с использованием материальных мер длины. За свои работы Майкельсон в 1907 года получил Нобелевскую премию.

Потребовалось немало времени, прежде чем Консультативный Комитет по Мерам и Весам Международного бюро мер и весов (далее МБМВ) принял определение метра, и с 1960 года метр стал определяться через длину волны в вакууме оранжевой линии криптона. Это определение просуществовало до 1983 года, когда Консультативный Комитет принял новое, действующее сегодня, определение метра. Оно гласит, что «Метр есть длина пути, проходимая светом (плоской электромагнитной волной) в вакууме за интервал времени, равный 1/299792458 секунды» [1].

Консультативный Комитет по Мерам и Весам разработал рекомендации по практическому применению нового определения, суть которого заключается в том, что стандартом длины (с соответствующей погрешностью) может являться любое излучение, частота которого известна.

Также Комитет разработал Перечень рекомендованных излучений для практических применений в метрологии длины, физических исследованиях и

т.п. [2]. Перечень включает в себя более десятка типов квантовых генераторов в сантиметровом, инфракрасном и видимом диапазонах излучения, а также ряд спектральных ламп, традиционно используемых в интерферометрии. Перечень этот постоянно уточняется и расширяется.

Для практической интерферометрии наиболее подходящими являются источники излучения видимого диапазона, поскольку подавляющее число интерферометров работают именно в видимом диапазоне спектра.

Во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» в отделе геометрических измерений постоянно ведутся работы по исследованию и совершенствованию лазерных источников эталонного излучения [3,4].

Реализация единицы длины - метра осуществляется интерференционным методом в соответствии с рекомендацией Генеральной конференции по мерам и весам. При этом длина измеряется через количество длин волн (целую и дробную часть) с учетом влияющих факторов.

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, например производства «TOPCON CORPORATION», промышленные лазерные интерферометры перемещений, например фирмы «Renishaw pic» или компании «Hewlett Packard». Кроме того, в настоящее время в Российской Федерации в центрах стандартизации и метрологии, а также на ведущих промышленных предприятиях эксплуатируется более десяти вторичных эталонов и более тысячи эталонных средств измерений 1 -го разряда. Поверка и калибровка данных средств измерений требует от Государственного первичного эталона единицы длины — метра повышения точности воспроизведения и расширения диапазона передачи единицы.

Особо можно отметить, что единица длины входит во многие производные единицы физических величин, например Па (Паскаль), H (Ньютон) и т.д. При реализации многих производных физических величин требуется передача

единицы от эталона единицы длины с высокой точностью. Цели работы

Целью работы является разработка и исследование новых методов и средств повышения точности 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. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

Задачи исследования

1. Обзор и анализ методов и средств измерений длины. Рассмотрение метрологических характеристик Государственного первичного эталона единицы длины — метра (далее ГЭТ 2-85).

2. Обзор измерительных возможностей ведущих зарубежных метрологических центров в области измерений длины.

3. Исследование составляющих погрешности воспроизведения единицы длины и комплексный анализ погрешностей передачи единицы длины с помощью новых и усовершенствованных установок, вошедших в состав Государственного первичного эталона единицы длины — метра (далее ГЭТ 2-2010).

4. Подтверждение на основе результатов международных сличений метрологических характеристик ГЭТ 2-2010.

5. 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;

- разработан 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 1 • 10"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.

Также на основе результатов, полученных в диссертационной работе:

- 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, средствам измерений 1-го разряда и современным высокоточным средствам измерений длины;

- усовершенствован и исследован эталон единицы длины, обеспечивающий

расширение диапазона воспроизведения и передачи единицы длины в область малых длин до 10~9 м 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. Методика калибровки» в соответствии с 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 1-10 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:

X 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-техническом комитете Росстандарта, г. Москва, 2010 г.;

- ХЬУ 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.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

ДЛИНЫ

1.1 Метрологические характеристики Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-85

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 — Не-№/12 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 (5-10"9 - 1) м.

Длина волны, воспроизводимая эталонным источником излучения Не-№/12 лазером 0,63299139822 мкм.

Суммарная относительная погрешность воспроизведения единицы длины 2,5-Ю"11.

Установка для измерения отношений длин волн обеспечивала передачу единицы длины источниками эталонных излучений в диапазоне (0,4 — 11,0) мкм с относительной суммарной погрешностью (3-1011 — Т10"9).

Эталонный комплекс обеспечивал передачу единицы длины материальным мерам длины, измерителям линейных перемещений, преобразователям линейных перемещений:

о

в диапазоне (1-10" — 1)мс суммарной погрешностью (0,015+0,01-1) мкм, где Ь — длина в метрах;

6 3

в диапазоне (1-10" — 1-10") м с суммарной погрешностью 0,015 мкм;

в диапазоне (5-10"9 — 1*10 6) м с суммарной погрешностью 0,003 мкм.

1.2 Потребности науки и промышленности в высокоточных

измерениях длины

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. С.П. 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

Наименование группы средств измерений Диапазон измерений Погрешность измерений

Интерферометры 0 - 40 м 0,5-1, Ь - в метрах

Интерферометры для малых перемещений 0-2 мм (0,5 - 5) нм

Датчики перемещений 0-5 м 0,3 - 10 мкм

Меры длины штриховые 0- 1 м ±(0,02+0,2-1) мкм ±(0,8+0,2-1) мкм

Меры длины концевые 0,1- 1 м ±(0,02+0,2-1) мкм ±(0,05+0,5-1) мкм

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 10~6 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).

1.3 Анализ измерительных возможностей ведущих метрологических центров мира в области измерений длины

Анализ измерительных возможностей ведущих метрологических центров мира позволяет сделать вывод, что для метрологического обеспечения нужд науки и промышленности развитых стран используются подобные по своему назначению и метрологическим характеристикам средства измерений. Приведенные на сайте МБМВ данные можно обобщить, условно разделив на средства воспроизведения единицы длины и средства передачи единицы длины рабочим средствам измерений, используемым в промышленности и науке. В таблице 2 приведены заявленные измерительные возможности разных стран в части воспроизведения частот (длин волн в вакууме) стабилизированных лазеров [5].

Таблица 2 - Измерительные возможности стран в части воспроизведения частот

(длин волн в вакууме) стабилизированных лазеров

Страна Номинальная длина волны в вакууме стабилизированного лазера, нм Расширенная неопределенность при к=2

Австрия 633 0,04 фм

Великобритания 633 543 612 0,15 фм 0,35 фм 0,52 фм

Бразилия 633 0,04 фм

Германия 633 532 0,04 фм 0,009 фм

Канада 633 1510-1550 0,03 фм 0,15-0,16 фм

Китай 633 0,04 фм

Финляндия 633 532 543 0,04 фм 0,08 фм 0,28 фм

Франция 633 532 0,04 фм 0,08 фм

Южная Корея 633 1542 0,03 фм 0,15 фм

В таблице 3 приведены основные измерительные возможности, заявленные ведущими метрологическими центрами в части передачи единицы длины материальным мерам и средствам измерений, используемым в промышленности и науке [5].

Таблица 3 - Основные измерительные возможности, заявленные ведущими метрологическими центрами в части передачи единицы длины материальным

мерам

Страна Измерительные возможности Диапазон измерений

Австрия Плоскопараллельные концевые меры длины (0 - 3000) мм

Страна Измерительные возможности Диапазон измерений

Штриховые меры длины Измерительные ленты, рулетки Структура поверхности (0 - 3000) мм (0 - 30) м (0,01 - 10,00) мкм

Великобритания Плоскопараллельные концевые меры длины Штриховые меры длины Измерительные ленты, рулетки Структура поверхности (период, высота) (0 - 1270) мм (0 - 1000) мм (0 - 30) м (0,0013 - 10,00) мкм

Бразилия Плоскопараллельные концевые меры длины Структура поверхности (0- 1000) мм (0,01 - 20,00) мкм

Германия Плоскопараллельные концевые меры длины Штриховые меры длины Измерительные ленты, рулетки Структура поверхности (0 - 1000) мм (0 - 4000) мм (0 - 50) м (0,005 -100,000) мкм

Канада Плоскопараллельные концевые меры длины (0 - 1000) мм

Китай Плоскопараллельные концевые меры длины Штриховые меры длины Структура поверхности (0 - 1000) мм (0 - 4000) мм (0,025 - 40,000) мкм

Финляндия Плоскопараллельные концевые меры длины Штриховые меры длины (0 - 1000) мм (0 - 1000) мм

Страна Измерительные возможности Диапазон измерений

Измерительные ленты, рулетки Структура поверхности (0 - 40)м (0,005 - 20,000) мкм

Франция Плоскопараллельные концевые меры длины Штриховые меры длины Измерительные ленты, рулетки (0 - 1000) мм (0 - 3000) мм (0 - 50) м

Южная Корея Плоскопараллельные концевые меры длины Штриховые меры длины Измерительные ленты, рулетки (0 - 1500) мм (0 - 2500) мм (0 - 50) м

Для примера рассмотрим состав и метрологические характеристики национального эталона единицы длины Германии применяемого в Physikalisch-Technische Bundesanstalt (далее РТВ). За реализацию единицы длины и ее передачу в РТВ отвечают два подразделения. Одно подразделение квантовой оптики и единицы длины, а другое точного машиностроения.

В задачи подразделения квантовой оптики и единицы длины входят:

- реализация, техническое обслуживание и передача единицы длины;

- исследование и разработки стандартов частоты (длины волны в вакууме) в оптическом диапазоне.

РТВ имеет разные стандарты длины волны лазерного излучения в инфракрасном (1,5 мкм), красном (633 нм) и зеленом (532 нм) спектральном диапазоне. Также РТВ имеет «СОМВ»-генератор, обеспечивающий возможность измерений частот (длин волн в вакууме) в широком оптическом диапазоне с точностью не хуже 10"14, а также обеспечивать прослеживаемость измерений к первичным стандартам частоты в микроволновом диапазоне.

На рисунке 2 показан стабилизированный по поглощению в молекуле йода лазер и йодная ячейка.

Рисунок 2 - Стабилизированный по поглощению в молекуле йода лазер

и йодная ячейка

Для измерения длины в диапазоне от нанометров до нескольких метров, используются методы оптической интерферометрии, когда длина измеряется с помощью длины волны стабилизированного лазера с учетом условий окружающей среды. Для этого РТВ развивает исследования источников лазерного излучения, стабильность длины волны которых достигается с помощью соответствующих мер по стабилизации, например, по атомной линии поглощения.

Главная задача подразделения точного машиностроения — это проведения исследований и разработок в области измерений длины, а также совершенствование процедур измерения, первичных эталонных и рабочих средств измерений для промышленной метрологии в соответствии с международным уровнем.

Данное подразделение обладает большим количеством оборудования, основным из которого является:

- интерференционная установка для измерения плоскопараллельных концевых мер длины;

- интерференционная установка для измерения штриховых мер длины;

- 50-метровый интерференционный компаратор;

- оборудование для измерения длин и перемещений в нанодиапазоне.

На рисунке 3 приведена структурная схема интерференционной установки

для измерения плоскопараллельных мер длины до 1000 мм и плоскопараллельная концевая мера длины.

Рисунок 3 - Структурная схема интерференционной установки для измерения плоскопараллельных мер длины до 1000 мм и плоскопараллельная концевая мера

длины

На рисунке 4 представлен 50-метровый интерференционный компаратор

РТВ.

Рисунок 4 - 50-метровый интерференционный компаратор РТВ

На рисунке 5 представлено оборудование для измерения линейных шкал и нанообъектов РТВ.

interferometer ц^.

Srarwe

"Microscope""......MMIurgrrHf* №06

Scale

linear motor

cantilever

4 sample

.. ' z-lnterferometer ! flexure hinge stage beam splitter

y-interferometer

✓'.x-interf ero meter

, focus sensor

piezoactuator x-axis

piezoactuator y-axis

piezoactuator

z-axis

Рисунок 5 - Оборудование для измерения линейных шкал и нанообъектов

Из рассмотренного примера видно, что национальный эталон длины Германии отвечает современным требованиям науки и промышленности, а при его реализации были использованы новейшие технологии.

1.4 Выбор основных направлений совершенствования Государственного первичного эталона единицы длины - метра

ГЭТ 2-85

На основании анализа потребностей отечественной промышленности и современного развития науки и техники, а также анализа зарубежного опыта по созданию национальных эталонов единицы длины были определены основные пути совершенствования ГЭТ 2-85:

разработка и совершенствование высокостабильных эталонных источников лазерного излучения в соответствие с современным уровнем и требованиями МКМВ;

- модернизация метрового интерференционного компаратора в части замены морально устаревших, изношенных и не удовлетворяющих современным требованиям элементов и узлов, а также автоматизация процесса управления и измерения в соответствии с современным развитием вычислительной техники;

- расширение диапазона измерений от 10"9 до 30 м за счет включения в состав эталона новых установок, реализующих современные достижения науки и техники и обеспечивающих высокий технический уровень, сравнимый с лучшими зарубежными аналогами.

Обеспечение единства измерений длины на территории Российской Федерации регламентируется действующей поверочной схемой ГОСТ Р 8.763-2011 и достигается путем передачи единицы длины от первичного эталона с помощью вторичных эталонов и рабочих эталонов 1-го, 2-го и 3-го разрядов рабочим средствам измерений.

Работы по совершенствованию ГЭТ 2-85 сопровождались разработкой проекта новой поверочной схемы, в которую внесены следующие изменения: повышена точность воспроизведения единицы длины, расширен диапазон передачи единицы вторичным эталонам и эталонным средствам 1-го, 2-го и 3-го разрядов.

Выводы к главе 1

В данной главе приведен обзор методов и средств измерений длины, потребностей современных науки и техники, дано краткое описание ГЭТ 2-85. Кроме того, на примере состава национального эталона единицы длины Германии (РТВ), обоснован выбор основных направлений совершенствования ГЭТ 2-85, в связи с тем, что его диапазон и точностные характеристики не удовлетворяют требованиям современной науки и промышленности.

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

Разработка методов и средств стабилизации частоты лазерного излучения началась одновременно с появлением первого лазера непрерывного действия. Воспроизводимость длины волны первых лазеров была определена путем интерференционных сравнений с длиной волны оранжевой линии криптона-86 и оказалась равной 5ТО"9. Таким образом, уже первые опыты показали возможность получить вторичный эталон длины волны удобный для проведения прецизионных измерений, а также, что значительно более важно, появились источники когерентного излучения, ничем не уступающие применяемым в то время некогерентным источникам эталонных длин волн (криптон-86, кадмий-114, ртуть-198).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чекирда, Константин Владимирович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Definition of Metre. // Metrología 19, 163-165 (1984).

2. Practical realization of the definition of the metre.// Metrologia 19, 165-166 (1984).

3. Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Мельников H.A., Федорин В.Л., Чекирда К.В. Современное состояние воспроизведения единицы длины метра // Приборы. - 2007. - № 8 (86). - С. 53-55.

4. Александров B.C., Захаренко Ю.Г., Кононова Н.А., Мельников Н.А., Пастернак А.А., Федорин В.Л., Чекирда К.В. Использование ядерных переходов в качестве эталонов, в том числе для стабилизации частоты лазеров // «Актуальные вопросы метрологии», сборник материалов научно-практической конференции, посвященной 30-летию базовой кафедры метрологии СЗТУ при ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». - СПб. - 2010. - С. 16-22.

5. http://kcdb.bipm.org/appendixC/.

6. K.Shimoda, A.Javan. J. Appl. Phys. 1965. Vol. 36. P. 718.

7. W.R. Bennett, S.F Jacobs, J.T. LaTourrette, P. Rabinowitz. Appl. Phys. Lett. 1964. Vol. 5.

8. A.D.White, E. Gordon, E.F.Labuda. Appl. Phys. Lett. 1964. Vol. 5. P.97

9. G.R. Hanes, C.E. Dahlstrom. Iodine hiperfine structure observed in saturated absorption at 633 nm. Appl. Phys. Lett., 1971, v. 18, P. 360-361.

10. A.J. Wallard. Frequency stabilization of the helium-neon laser by saturated absorption in iodine vapour. Jorn. of Phys. E; Scient. Instrum., 1972, Vol. 5, P. 626-630.

11.G.V.H. Wilson. Modulation broadening of unsaturated Lorential lines. Jorn. of Chemical Physics, 1961, v.35, P.1708-1710.

12.Chartier J.-M., Chartier A., 12 Stabilized 633 nm He-Ne Lasers: 25 Years of International Comparisons, Laser Frequency Stabilization, Standards, Measurement, and Applications, Proceedings of SPIE, 2001, 4269, 123-132.

13.Rowley W. R. C., Wallard A. J., Wavelength values of the 633 nm laser, stabilized with 12712-saturated absorption, J. Phys. E., 1973, 6, 647-651.

14.Ju. Helmcke, F. Bayer-Helms. Modulation broadening of spectral profiles. PTB Bericht, Me-17,1977, P85-109.

15.J. Morinaga, K. Tanaka. Hiperfine structure of R(127) - line of 127I2 and their application for stabilizing wavelength of lasers. Document CCDM/78-6e, BIPM, 1978.

16. B.M. Акулин, H.B. Карлов. Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике. Учеб. руководство.- М.: Наука. 1987

17. B.C. Летохов, В.П. Чеботаев "Принципы нелинейной лазерной спектроскопии". Издательство "Наука", 1975..

18. Г.С. Ландсберг. Оптика. 6-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 848с.

19. A.J. Wallard. Report of NPL activity. - PTB bericht Me-17, Brauncshweig, 1977, P. 43-53.

20. L Robertsson et al. Results from the CI-2004 campaign at the BIPM of the BIPM.L-K11 ongoing key comparison. 2005 Metrologia 42 04002

21. ГОСТ 8.381-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны. Способы выражения точности.

22. Захаренко Ю.Г., Кононова Н.А., Лейбенгардт Г.И., Чекирда К.В. Тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор, входящий в состав государственного первичного эталона единицы длины - метра // Измерительная техника. - 2012. - № 5. - С. 22-26.

23. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры. «Наука», 1983, 180с.

24. Е. Peik, K.Zimmermann, M.Okhapkin and Chr. Tamm, Proc. of the 7th Symposium of Frequency Standards and Metrology, edited by Lute Maleki, p. 532, arXiv:0812.3458 (209).

25. S.G. Porsev, V.V. Flambaum, E.Peik and Chr. Tamm. Phys. Rev. Lett. 105, 182501 (2010).

26. C.J. Campbell, A.V. Steele, L.R. Churchill, M.V. DePalatis, D.E. Naylor, D.N. Matsukevich, A. Kuzmich and M.S. Chapman, Phys. Rev. Lett. 102, 233004 (2009).

27. C.J. Campbell, A.G. Radnaev and A. Kuzmich, Phys. Rev. Lett. 106, 223001 (2011).

28. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. - М.: Физматлит, 2006.-238 с.

29. Борн М., Вольф Э. Основы Оптики. - 2-ое изд. - М.: Наука, 1973

30. Кирьянов В.П., Коронкевич В.П. Лазерные интерферометры перемещений. Автометрия, 1998,№6, с. 65 - 84.

31. Основы конструирования оптических приборов. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982, Стр.9-96, 136-153.

32. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М.: Машиностроение, - 1987. - С. 98 - 101.

33. Марков Н.Н., Ганевский Г.М. Конструкция, расчет и эксплуатация контрольно-измерительных инструментов и приборов. - М.: Машиностроение, - 1993.

34. Guide to the expression of uncertainty in measurement. 2-nd ed., Geneva, ISO, TAG, 1995,101 p.

35. ГОСТ 8.763-2011«Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 1-10"9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм»

36. ГОСТ 8.395-80. «Государственная система обеспечения единства измерений. Нормальные условия измерений при поверке. Общие требования»

37. Фридман А.Э. Основы метрологии. Современный курс. - С.-Пб.: НПО «Профессионал», 2008. - 284 с.

38. ГОСТ 8.009-84 «Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».

39. ГОСТ 8.417-02 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».

40. РМГ 29-99 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения». Минск: Изд-во стандартов, 2000. 47 с.

41. Окрепилов В.В. Управление качеством. СПб.: Наука, 2000. 911 с.

42. Guidelines for CIPM Key Comparisons. 1 March 1999. With Modifications by the CIPM in October 2003, 9p.

43. KOOMET R/GM/14:2006. Руководство по оцениванию данных ключевых сличений КООМЕТ.

44. РМГ 74-2004. Руководство по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Методы определения межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений.

45. Камке Д., Кремер К. Физические основы единиц измерения. М.: Мир, 1980.208 с.

46. Лоудон Р. Квантовая теория света. Издательство «Мир». Москва 1976.

47.Бломберген Н. Нелинейная оптика. Издательство «Мир». Москва 1966.

48. Скоков И.В.. Оптические интерферометры. - М.: «Машиностроение», 1979.- 128 с.

49. Карташев А.И., Эцин И.Ш. Методы измерения малых изменений разности фаз в интерференционных устройствах. - Успехи физических наук, 1972, 106, вып. 4, с. 687-721.

50. Скоков И.В. К вопросу чувствительности многолучевого интерферометра. - Заводская лаборатория, 1967, № 5, с 580-582.