Очевидно, что поддержание боевой готовности войск невозможно обеспечить без выполнения измерений характеристик и параметров современных образцов вооружения и военной техники (ВВТ), находящихся в войсках. Измерения составляют неотъемлемую часть деятельности войск в мирное и, что особенно важно, военное время. Правильное применение измерительной техники по назначению, её своевременное техническое обслуживание, поверка и ремонт непосредственно влияют на точность и полноту оценки тактико-технических характеристик современного оружия.
Основным документом, в соответствии с которым в Российской Федерации осуществляются работы по стандартизации оборонной продукции, является государственный военный стандарт (ГСВ), принятый национальным органом по стандартизации, устанавливающий требования к военной продукции, обязательность применения которого определяется государственными заказчиками оборонного заказа и уполномоченными органами исполнительной власти.
ГСВ являются важной составной частью конструкторской и технологической документации, составляя основу для формирования тактико-технических заданий на разработку образцов ВВТ, опыт создания которых показывает, что в совокупности узлы, агрегаты и материалы невозможно использовать без жестких требований к их тактико-техническим характеристикам [1].
В соответствии с требованиями ГСВ, в Вооруженных Силах РФ исходными средствами измерений являются военные эталоны. По отношению к государственным эталонам они являются вторичными и изготавливаются так, чтобы обеспечивать единство измерений в войсковых условиях. Военные эталоны представляют собой средства измерений высокой точности, однако в современных условиях конструирования образцов ВВТ существует необходимость их совершенствования.
За последние годы в измерительной технике благодаря достижениям микроэлектроники произошли значительные изменения. В связи с разработкой новых датчиков в интегральном исполнении у средств измерений появились новые приложения и перспективы развития. Нашла широкое применение и цифровая измерительная техника. В связи с постоянным расширением и усложнением задач измерений в настоящее время достаточно часто применяются не только отдельные приборы, а измерительные системы, представляющие собой комплексы, обеспечивающие измерения различных величин с необходимой точностью, а также в ряде случаев передачу измерительной информации, её обработку и регистрацию [2].
Основой повышения точности, стабильности и воспроизводимости единиц физических величин с помощью эталонов нового поколения в настоящее время является использование квантовых закономерностей микрофизики и фундаментальных физических констант. Переход к квантовым эталонам в последние годы является основным направлением совершенствования эталонной базы метрологических организаций многих стран [3].
Квантовые методы в современной метрологии отличаются особыми свойствами, обусловленными стабильностью физических явлений, лежащих в их основе. Функции квантовых измерительных преобразователей и приборов базируются на фундаментальных законах микромира и квантово-механических соотношениях.
Поэтому во многих случаях в качестве коэффициентов преобразования таких средств измерений выступают фундаментальные физические константы, обычно известные с высокой точностью, или коэффициенты, поддающиеся точному теоретическому расчету. Это, кроме высокой точности преобразования, обеспечивает достижение значительной экономии в процессе эксплуатации современных средств измерений, поскольку они не нуждаются в градуировке и периодической поверке.
Потенциальные ресурсы стабильности параметров физических объектов микромира заключаются в наиболее эффективном способе повышения точности измерений, т.е. в использовании таких методов и средств измерений, которые свободны от многих видов погрешностей и которые не требуют применения сложных методов коррекции.
В этом отношении наиболее перспективными являются методы квантовой метрологии, основанные на квантовых эффектах, имеющих место на атомном и ядерном уровнях, а также бесконтактные спектрометрические (волновые) методы (особенно оптические), базирующиеся на естественных шкалах длин волн электромагнитного излучения.
Эффект Зеемана заключается в расщеплении энергетических уровней атомных частиц на магнитные подуровни, создаваемые магнитным полем, и основанные на этом эффекте квантовые магниторезонансные явления.
Магнитные подуровни могут создаваться как внешними магнитными полями, так и магнитными моментами микрочастиц. Например, взаимодействие магнитных моментов электронной оболочки и ядра атома вызывает расщепление энергетических уровней атома и соответствующих спектральных линий, называемое сверхтонкой структурой энергетического спектра атома. Переходы между уровнями сверхтонкой структуры используются, в частности, для создания квантовых стандартов частоты, лазеров и высокочувствительных тесламетров.
Эффект Джозефсона обусловлен макроскопическими квантовыми состояниями свободных электронов (куперовских пар) в сверхпроводниках. Эффект возникает в контактах двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Если средняя скорость куперовских пар отлична от нуля, то говорят, что имеет место явление сверхпроводимости.
На использовании эффекта Джозефсона основаны современные эталоны единиц напряжения – вольта. В состав эталона входит дискретный переход, возбуждаемый сверхвысокочастотным излучением на частоте 8…10 ГГц. Значение квантового напряжения составляет при этом 4…10 мВ.
Высокая стабильность эталонов на основе эффекта Джозефсона открывает широкие перспективы для совершенствования естественного эталона вольта (стандартное отклонение при воспроизведении составляет в настоящее время ≈ 10–8 В).
Не менее интересные возможности для метрологии дает квантовый эффект Холла. Суть его состоит в том, что в специальных структурах типа металл ‒ диэлектрик ‒ полупроводник при температуре жидкого гелия и в сильном магнитном поле электрическое сопротивление принимает строго фиксированное значение.
Качественное объяснение данного явления, открытого в 1980 г. и названного квантовым эффектом Холла, связано с наличием в слое примесей. Эффект, заключающийся в квантовании холловской проводимости (отношение тока через образец к напряжению Холла), имеет место в сильных магнитных полях.
В начале 20 века немецкий физик Макс Планк показал, что основные единицы для нашей Вселенной, однозначно предопределенные наиболее общими законами физики, могут быть составлены из фундаментальных физических констант: скорости света с, постоянной Планка h и гравитационной постоянной g. Значения этих констант, фигурирующие в виде коэффициентов в уравнениях основных физических теорий – классической и квантовой электродинамике и общей теории относительности, – являются максимально стабильными и не зависящими от различных внешних условий.
Однако единицы длины, времени и массы Планка лежат достаточно далеко от используемых на практике диапазонов. Кроме того, значение гравитационной постоянной до сих пор известно с недостаточной точностью. Необходимо отметить, что самым главным недостатком этих единиц является то, что мы не располагаем реальными физическими процессами, в которых бы они воспроизводились [4].
Для измерения скоростей подвижных объектов, жидких, газообразных и сыпучих сред, а также для измерения параметров вибраций широкое применение находят способы, основанные на использовании эффекта Доплера. Эти способы используются для измерения скоростей в широком диапазоне – от 0,001 мкм/с до скоростей, близких к скорости света.
Эффект Доплера, заключающийся в изменении частоты излучения при движении его источника или приемника, нашел широкое применение в акустике, радиофизике, оптике, а также для ряда прикладных целей, особенно для измерения параметров движения. Относительное изменение частоты излучения пропорционально отношению измеряемой скорости к скорости распространения колебаний.
Измерение напряжения с использованием электрооптических эффектов Керра и Поккельса основано на возникновении лучепреломления поляризованного света, распространяющегося в электрическом поле, создаваемом измеряемым напряжением.
Возникновение квадратичного эффекта Керра можно пояснить следующим образом. Поляризованный луч света, образуемый с помощью источника света и поляризатора, проходит через электрическое поле, создаваемое конденсатором, к электродам которого приложено измеряемое напряжение Ux. При этом луч света направлен перпендикулярно вектору напряженности этого поля. После анализатора свет попадает в фотоприемник, где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором. интенсивность света на выходе преобразователя связана с измеряемым напряжением Ux.
Линейный электрооптический эффект Поккельса наблюдается в пьезоэлектрических кристаллах, находящихся в электрическом поле, и применяется для измерения напряжения [5].
Использование физических явлений, происходящих на атомном или ядерном уровнях, т.е. в недрах атома, позволяет создавать высокочувствительные средства измерений с порогом чувствительности, равным кванту энергии одной или небольшого ансамбля атомных частиц.
По этой же причине метрологические характеристики квантовых приборов достаточно мало или вообще не зависят от изменений внешних факторов. При этом чем более глубинные явления используются, тем меньше эта зависимость. Квантовые преобразователи обычно не искажают состояния объекта исследования.
В качестве информативного параметра выходного сигнала квантовых средств измерений во многих случаях выступает частота, являющаяся наиболее точно измеряемой физической величиной, которую легко, без искажений можно передавать на большие расстояния. Это позволяет сделать общедоступной высокую точность измерения не только в метрологической практике, но и при технических измерениях.
Квантовые методы уже нашли применение в метрологии для создания естественных эталонов единиц ряда физических величин. На их основе уже созданы эталоны единиц длины, времени и частот, электрического напряжения, магнитной индукции, вторичный эталон температуры.
Проводятся исследования по созданию естественных эталонов единиц массы на основе уточнения значения числа Авогадро, электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла, силы тока на основе ядерного магнитного резонанса и др.
Совершенствование квантовых методов и их сочетание с современной элементной базой позволяют на их основе создавать не только высокоточные эталоны единиц физических величин, но также образцовые и рабочие средства измерений с уникальными характеристиками, которые не могут быть получены на основе применения классических методов. Уже созданы усилители и аналого-цифровые преобразователи с порогом чувствительности 10–14 В, бесконтактные расходомеры и концентратомеры на основе ядерного магнитного резонанса, измерители сверхмалых линейных и угловых размеров с порогом чувствительности соответственно 10–12 м, лазерные интерферометры, обеспечивающие измерение линейных размеров с погрешностью 2·10–7, концентратомеры и измерители сверхмалых скоростей на основе эффекта Мессбауэра [3, 6].
Высокая точность измерений, проводимых с использованием квантовых методов, позволяет выполнять метрологическое сопровождение технологических процессов производства материалов, структур, объектов и иной продукции с использованием нанотехнологий. В свою очередь, за разработку теории, методов и инструментов для измерения параметров объектов, линейные размеры которых находятся в нанодиапазоне, отвечает нанометрология.
Именно в нанотехнологии актуален тезис: «Если нельзя правильно измерить, то невозможно создать». Все страны, вступившие в нанотехнологический прорыв, прекрасно представляют необходимость опережающего развития метрологии в этой области, ибо уровень точности и достоверности измерений способен либо стимулировать ее развитие, либо быть сдерживающим фактором.
Развитие нанотехнологий ужесточает требования к измерительным системам, погрешности измерений которых должны быть сравнимы с межатомными расстояниями, что требует серьезного отношения к обеспечению единства линейных измерений в нанометровом диапазоне [7].
Уже сейчас для обеспечения нормативной базы нанометрологии разработаны и внедрены семь российских стандартов [7, 8].
В перспективе одной из основных задач «военной» нанометрологии будет метрологическое обслуживание средств измерений, входящих в состав новейших образцов ВВТ. Необходимым условием успешного выполнения данной задачи является практическое использование квантовых закономерностей микрофизики.
Применение описанных квантовых методов в приборостроении позволяет создавать высокоточные средства измерений, обладающие высокой чувствительностью. В свою очередь, успех современного боя зависит во многом от того, насколько полно реализуются тактико-технические характеристики образцов ВВТ, значения которых контролируются с помощью современных средств измерений.
Рецензенты:
Умывакин В.М., д.г.н., к.т.н., профессор, Воронежский государственный университет, г. Воронеж;
Лагунов В.С., д.т.н., профессор кафедры безопасности жизнедеятельности и медицинских знаний, Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж.
Работа поступила в редакцию 24.02.2015.
Библиографическая ссылка
Боков М.М., Гришаев М.Е., Мищенко М.В. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ КВАНТОВОЙ МЕТРОЛОГИИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ВООРУЖЕНИЯ И ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 4. – С. 28-31;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37118 (дата обращения: 23.11.2024).