Глава восьмая. Измерение коротких промежутков времени

Что происходит за малые доли секунды

Казалось бы, стоит ли заниматься секундами, а тем более тысячными, миллионными, миллиардными или биллионными долями секунды? Многое ли может произойти за столь короткое время?

Когда на спортивных соревнованиях бегуны, вырвавшись со старта, энергично рассекая воздух, несутся к финишу - доли секунды решают успех. Поэтому для бегуна секунда - это уже совсем не маленький отрезок времени. В течение секунды он продвигается на 5-10 метров и совершает много довольно сложных движений, из которых каждое отнимает всего лишь сотые доли секунды. От правильности построения этих движений зависят его успех и победа. Нередко месяцы и даже годы тренировки тратятся спортсменами на то, чтобы суметь пробежать некоторое расстояние на несколько секунд или даже всего лишь на несколько десятых долей секунды быстрее.

В автомобильном, тракторном и самолетном моторах, называемых двигателями внутреннего сгорания, вал делает несколько тысяч оборотов в минуту. В течение каждого оборота вала происходят довольно сложные процессы, знание которых весьма существенно для улучшения работы двигателя и повышения его коэффициента полезного действия. Так, например, в течение каждого оборота четырехтактного двигателя происходят: всасывание, сжатие, затем сгорание рабочей смеси и рабочий ход и, наконец, выхлоп. При этом в течение сотых долей секунды резко меняются давление и механическое напряжение, испытываемые отдельными деталями двигателя.

Своеобразным "двигателем внутреннего сгорания", цикл которого не замкнут, является артиллерийское орудие. Во время его действия каждый раз совершается только один рабочий ход. Для увеличения дальнобойности артиллерийского орудия большой интерес представляет изучение движения снаряда внутри и вне ствола орудия. В этом случае исследованию подлежат процессы, происходящие за тысячные доли секунды, и поэтому необходимо применение достаточно быстро действующих приборов.

Кроме упомянутых, еще ряд процессов, имеющих важное значение в науке и технике, протекает за тысячные доли секунды или в еще меньшие промежутки времени. Таковы, например, колебательные и ударные нагрузки различных механических конструкций, вибрация крыла самолета или лопаток турбины.

Еще более быстро протекают различные процессы в атомах и атомных ядрах. Переход атома из одного состояния в другое происходит за миллионные доли секунды. Среднее время жизни атомных ядер некоторых изотопов составляет миллиарды лет, а других - лишь тысячные и миллионные доли секунды. Среднее время жизни некоторых элементарных частиц меньше миллиардных и биллионных долей секунды.

В настоящее время уже разработан ряд специальных методов и приборов для записи быстро протекающих процессов и измерения различных промежутков времени, в том числе и очень коротких.

Обычный стрелочный секундомер с часовой пружиной позволяет измерять различные промежутки времени между двумя моментами с точностью до 0,1 сек. Электрический стрелочный секундомер с вращающимися механическими частями, приводимыми в движение электромотором, позволяет производить отсчет промежутков времени с точностью до 0,01 сек.

Изучение более быстро протекающих процессов с помощью механических устройств встречает большие трудности, так как тяжелые детали обладают большой инерцией. Чтобы сообщить им некоторую скорость или изменить направление их движения, требуется приложение больших сил. Нужно заметить, что при изучении процессов, длящихся тысячные и миллионные доли секунды, слишком "тяжелыми", т. е. обладающими большой инерцией, оказываются детали, вес которых не превышает долей грамма. Поэтому механические измерительные устройства с движущимися частями - колесиками, стрелками, пусть даже очень тонкими и легкими, применяются при измерении промежутков времени только до десятых или сотых долей секунды.

Между тем в целом ряде случаев требуется измерять более короткие промежутки времени. Например, типичная артиллерийская задача по внешней баллистике заключается в измерении скорости пули, снаряда или его осколков. Эта задача аналогична определению скорости бегуна на дистанции. Для ее решения тоже нужно уметь измерить длительность движения от одной точки до другой и знать расстояние между ними.

Эта задача распадается на две части: получение сигналов о прохождении снарядом начала и конца мерного участка и измерение промежутка времени между этими сигналами. Для решения первой части задачи на мерном участке длиной в несколько метров ставятся приемники: механические, электрические или световые, отмечающие моменты пролета снаряда. Так как скорость пуль и снарядов бывает порядка 500-2000 м/сек, а длина мерного участка обычно выбирается около 1-2 м, то при решении артиллерийской задачи нужно уметь измерять промежутки времени в тысячные доли секунды. Если при этом требуется точность измерений в один-два процента, то соответствующий прибор должен обеспечить измерение стотысячных долей секунды.

Одним из первых приборов, примененных артиллеристами для этой цели, был искровой хронограф (рис. 30), представляющий собой вращающийся с большой скоростью барабан Б, вблизи которого помещены иглы-разрядники u₁ u₂, u₃, u₄. Барабан покрыт слоем сажи. Разрядники через трансформаторы (Т₁,...) соединены с приемниками.

Рис. 30. Искровой хронограф

Приемник (щит Бамберга) представляет собой раму с навитой на нее проволокой (Щ₁,...). Эта проволока соединена с трансформатором через электрическую батарею Б₁ и ключ К₁. Когда снаряд, пролетая сквозь раму, разрывает проволоку, то ток в первичной обмотке трансформатора прерывается. При этом во вторичной его обмотке возбуждается импульс тока высокого напряжения, у иглы происходит разряд и на барабане выжигается слой сажи так, что получается метка в виде светлой точки. Измерив расстояние между метками и зная скорость вращения барабана, нетрудно определить величину измеряемого промежутка времени, а следовательно и скорость движения снаряда.

В последних моделях этого прибора скорость вращения барабана была доведена до 16 000 об/мин и таким образом удавалось измерять промежутки времени до стотысячных долей секунды.

Искровой хронограф - прибор наполовину электрический, а наполовину механический. Его барабан во время работы не меняет направления движения. Поэтому и удается придать ему столь большую скорость. И все же предел увеличению разрешающей способности этого прибора кладет его механическая часть, так как дальнейшее повышение скорости вращения барабана и увеличение его размеров ограничено прочностью материала.

Приемники явлений

По существу, определение длительности какого-либо процесса требует решения двух задач: получения сигналов о начале и окончании исследуемого процесса и измерения промежутка времени между этими сигналами. Пока изучались не очень быстрые процессы, первая задача не вызывала особых затруднений. Так, например, спортсменов в большинстве случаев устраивает использование в качестве приемников явлений людей, которые, следя глазами за бегунами, в нужные моменты нажимают пальцами кнопки своих секундомеров. Лишь в особых случаях на соревнованиях финиш спортсменов фиксируется с помощью киносъемки.

При решении артиллерийской задачи в свое время в качестве приемников явлений использовались щиты Бамберга, при разрушении которых возбуждаются электрические импульсы. Ныне для этой цели применяются оптические устройства и специальная киносъемка.

При исследовании работы двигателя или отдельных его частей, при изучении вибраций крыла самолета и т. п. оказывается удобным подлежащие измерению механические величины (силы, давление, деформации) сначала преобразовать в электрические величины: токи и напряжения, а после этого производить измерения с помощью быстродействующих электрических приборов.

Механические величины преобразуются в пропорциональные им электрические сигналы с помощью разного рода приемников.

Для преобразования деформаций в электрические сигналы применяются проволочные приемники сопротивления - тензометры. Чувствительный элемент тензометра представляет собой очень тонкую проволоку, уложенную зигзагом и приклеенную к папиросной бумаге. Действие тензометра основано на том, что величина его электрического сопротивления зависит от малейших деформаций чувствительного элемента. Достаточно хотя бы немного его растянуть или сжать или слегка изогнуть, чтобы величина сопротивления изменилась.

При измерении деформаций той или иной детали проволочный приемник сопротивления непосредственно наклеивается на измеряемую деталь, а концы проволочного зигзага включаются в электрическую схему. Выход этой электрической схемы подключается к регистрирующему устройству.

Для преобразования механической силы или давления в пропорциональное им по величине электрическое напряжение часто применяются пьезоэлектрические приемники. Действие пьезоэлектрических приемников основано на том, что под влиянием механических напряжений и деформаций на поверхности некоторых кристаллов появляются электрические заряды. Такими свойствами обладают кристаллы кварца и некоторые другие. Электрическое напряжение, возникающее на противоположных поверхностях пьезокварца, после соответствующего усиления подается на вход быстродействующего записывающего устройства.

При изучении ядерных процессов и радиоактивных излучений понадобились приемники явлений, способные реагировать на тот или иной вид излучения и давать при этом чрезвычайно короткие сигналы. Последнее условие существенно потому, что чем меньше изучаемый промежуток времени, тем короче должны быть сигналы о его начале и окончании,- между тем имеется целый ряд чрезвычайно быстрых ядерных процессов.

Физики в качестве приемников ядерных явлений используют различного типа счетчики. Рассмотрим два типа счетчиков, наиболее часто употребляемых при такого рода измерениях.

Счетчик типа Гейгера - Мюллера обычно выполняется в виде заполненной газовой смесью трубки с двумя электродами. В качестве одного электрода служит тонкая металлическая нить, натянутая по оси цилиндрической трубки; в качестве второго - внутренняя металлизированная поверхность стеклянной трубки или металлический цилиндр. Газовая смесь состоит из аргона с примесью паров спирта или бромистых и хлористых соединений. Давление в трубке - около десятых долей миллиметра ртутного столба. К электродам счетчика от специальной батареи подводится электрическое напряжение порядка сотен вольт (рис. 31).

Рис. 31. Схема включения счетчика Гейгера - Мюллера

Когда в рабочий объем счетчика попадают заряженные альфа- или бета-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, то они ионизируют нейтральные атомы газа, заполняющего счетчик. Каждая заряженная частица, разрушая нейтральные атомы, создает на своем пути в веществе некоторое число пар ионов, т. е. положительно и отрицательно заряженных частиц. Отрицательно заряженные частицы - электроны - устремляются к положительно заряженной нити счетчика, а положительные ионы - к отрицательно заряженному цилиндру.

Электрическое поле, созданное между электродами счетчика подключенной к ним батареей, играет для заряженных частиц ту же роль, что наклонная плоскость для тяжелых шаров,- оно ускоряет их движение. При движении к нити электроны, всё более ускоряясь, приобретают энергию, достаточную для того, чтобы при встрече с нейтральными атомами газа ионизировать их. Так появляются вторичные ионы. Вторичные электроны на пути к нити счетчика тоже ускоряются и в свою очередь ионизируют нейтральные атомы} получаются третичные ионы, и т. д. Таким образом, внутри счетчика происходит "газовое размножение" частиц.

Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц. Величина электрического сигнала на выходе счетчика оказывается тем больше, чем больше заряженных частиц участвует в направленном движении и чем меньше время, в течение которого они собираются на электроде. Благодаря "газовому размножению" общее число заряженных частиц оказывается много больше количества первичных, а весь описанный процесс движения электронов и собирания их на нити счетчика происходит за время, меньшее одной миллионной доли секунды (10-6 сек). В результате величина сигнала на выходе счетчика оказывается порядка единиц или десятков вольт.

Положительные ионы в несколько тысяч раз тяжелее электронов, поэтому их движение к отрицательно заряженному цилиндру счетчика происходит значительно медленнее, занимая около трех десятитысячных долей секунды (3*10^-4 сек). Поэтому импульс электрического тока, даваемый счетчиком типа Гейгера - Мюллера, имеет характерную для газонаполненных приборов форму с крутым фронтом нарастания сигнала и довольно пологим его спадом.

В течение времени, необходимого для прохождения одного сигнала, счетчик нечувствителен к другим сигналам.

Важно отметить, что если с помощью счетчика Гейгера - Мюллера производится счет числа заряженных частиц, попадающих в него, то длительность восстановления счетчика ограничивает скорость их счета. В нашем же случае, когда счетчики Гейгера - Мюллера дают лишь управляющие сигналы пуска и остановки измерительного прибора, скорость срабатывания устройства определяется не длительностью всего сигнала, а лишь длительностью его нарастания. Нарастание сигнала происходит не за десятитысячные, а за миллионные доли секунды.

При регистрации гамма-излучения механизм работы счетчика Гейгера - Мюллера оказывается несколько иным. Гамма-лучи представляют собой электромагнитные колебания и электрического заряда не имеют. Попадая в счетчик, гамма-кванты передают свою энергию электронам тех атомов, из которых состоят стенки счетчика, и при этом выбивают их из атомов. Часть этих электронов попадает в рабочий объем счетчика, ионизирует на своем пути нейтральные атомы газа и дает начало ионной лавине. В результате этого на выходе счетчика получается сигнал электрического тока.

Существенной особенностью счетчика Гейгера - Мюллера является то, что для развития электронной лавины достаточно появления в нем хотя бы одной пары ионов. Этим объясняется высокая чувствительность счетчика" его способность считать отдельные заряженные частицы и отдельные гамма-кванты, а также то, что счетчик Гейгера-Мюллера не различает вида радиоактивных излучений; любое из них создает на его выходе сигналы одинаковой величины.

Для выяснения предела точности, которая может быть достигнута при использовании счетчиков Гейгера - Мюллера в качестве спусковых устройств, рассмотрим еще одну сторону их работы. Счетчики, управляющие пуском и остановкой измерительного прибора, дают электрические сигналы с определенной крутизной фронта. Измерительный прибор срабатывает, когда на его вход попадают сигналы, величина которых больше некоторой определенной. На то, чтобы сигнал в счетчике достиг нужной величины, требуется некоторое время. Таким образом, от момента попадания в счетчик заряженной частицы до момента пуска измерительного прибора проходит некоторый промежуток времени. Точно так же некоторый промежуток времени проходит от момента попадания заряженной частицы во второй счетчик до момента остановки измерительного прибора.

Влияет ли указанное запаздывание в спуске и остановке измерительного прибора на точность определения измеряемого промежутка времени?

Важно отметить, что если оба запаздывания равны между собой, то их наличие на точность измерения не влияет. Потеря точности в определении измеряемого промежутка времени происходит лишь от неконтролируемого различия в величине запаздываний срабатывания первого и второго приемников явления. При выполнении некоторых условий это различие не превышает десятой части от длительности нарастания сигнала в счетчике, т. е. десятимиллионных долей секунды.

Для многих процессов этого оказывается достаточно, но есть и такие, которые протекают в миллиардные (10^-9 сек) доли секунды. Для их измерения нужны еще более быстродействующие спусковые устройства. Одним из таких может служить сцинтилляционный счетчик.

Сцинтилляционный счетчик представляет собой устройство, состоящее из кристалло-фосфора (кристалла, в котором пдп попадании в него радиоактивного излучения возбуждается вспышка света) и фотоэлектронного умножителя, преобразующего этот свет в сигнал тока (рис. 32).

Рис. 32. Схема сцинтилляциочного счетчика

Кристалло-фосфбры различных типов обладают более или менее длительным послесвечением. Среди них имеются такие, у которых длительность свечения составляет миллионные доли секунды (неорганические фосфоры), и такие, у которых длительность свечения составляет лишь стомиллионные и даже миллиардные доли секунды. Столь малым послесвечением обладают некоторые органические вещества, например, нафталин (8,1*10^-8 сек), антрацен (3*10^-8 сек), терфенил (8,5*10^-9 сек), стильбен (7*10^-9 сек).

Вспышка света, получающаяся в кристалло-фосфоре в результате попадания в него отдельной заряженной частицы или одного гамма-кванта, очень коротка по времени и очень слаба. Для того чтобы использовать вспышку света для управления измерительным прибором, нужно превратить ее в электрический сигнал достаточной величины, но при этом по возможности не утратить точности в измерении промежутка времени.

Превращение светового сигнала в электрический производится с помощью вакуумного фотоэлемента. Б вакуумном фотоэлементе кванты света выбивают из фоточувствительного слоя электроны, которые затем собираются на положительно заряженном аноде фотоэлектрической трубки. Так как движение электронов происходит с большой скоростью (около 10⁹ см/сек), а длина трубки небольшая (несколько сантиметров) и одинаковая для всех фотоэлектронов, то время их пролета в трубке оказывается небольшим (около 10^-9 сек), а главное - постоянным.

Получающийся на выходе фотоэлемента сигнал элек-трического тока оказывается слишком малым для того, чтобы его можно было непосредственно использовать для управления измерительным прибором. Необходимо предварительно его усилить в миллионы и сотни миллионов раз.

Обычные радиотехнические усилители, содержащие электронные лампы, сопротивления и конденсаторы, в данном случае неприменимы, так как в таких усилителях длительность прохождения сигнала недостаточно мала, а главное, не очень постоянна. Значительно более удобным оказалось использовать в качестве усилителя вторичный электронный умножитель и связать его непосредственно с фотоэлементом.

В таком приборе - фотоэлектронном умножителе - фотоэлектроны, выбитые светом с поверхности катода фотоэлемента, направляются с помощью электрического поля на ряд электродов вторичного умножителя. При ударе об электрод, покрытый специальным чувствительным слоем, каждый электрон выбивает несколько электронов. После прохождения серии электродов, расположенных в одной и той же трубке, поток электронов возрастает в миллионы и сотни миллионов раз, и на выходе фотоэлектрического умножителя получается достаточно большой сигнал электрического тока.

Так как скорость движения электронов в такой трубке велика, а размеры трубки малы и одинаковы для всех электронов, то время пролета электронов оказывается Достаточно малым (около 2*10^-8 сек), а главное, почти постоянным. Разброс длительности пролета для отдельных электронов не превышает половины миллиардной

доли секунды (0,5*10^-9 сек). Именно эта величина и определяет предел точности данного приемника явления. Выбор типа приемника явления определяется характером решаемой задачи и той точностью измерений, которой необходимо достигнуть. Так, если при решении какой-либо задачи нужно измерять десятитысячные доли секунды с точностью до одного процента или стотысячные доли секунды с точностью до десяти процентов, то должна быть обеспечена чувствительность в одну миллионную долю секунды. В противном случае высокая точность измерительного прибора окажется бесполезной. Точно так же применение приемника явлений, обладающего высокой точностью, целесообразно лишь в том случае, когда измерительный прибор имеет точность того же порядка.

Электронные секундомеры

В настоящее время для измерения коротких промежутков времени между двумя событиями широко применяются различного типа электронные устройства. Такие устройства состоят из трех блоков: 1) стандарт-генератор, вырабатывающий периодические сигналы заданной частоты; 2) пересчетная схема, служащая для подсчета числа сигналов, попавших в нее за измеряемый промежуток времени, и 3) управляющий блок, осуществляющий пуск и остановку прибора.

По существу, это секундомер, в котором вместо маятника, колеблющегося с определенной частотой, сигналы определенной частоты выдает стандарт-генератор; вместо часового механизма, сосчитывающего число качаний маятника, число сигналов сосчитывает пересчетная схема и вместо пусковой кнопки пуск и остановку устройства осуществляет электронный выключатель.

Рассмотрим поочередно отдельные блоки этого прибора. К стандарт-генератору предъявляются жесткие требования в отношении постоянства частоты и формы вырабатываемых им сигналов. Применение стабилизации колебаний с помощью пьезокварца (см. гл. 6, стр. 77) обеспечивает постоянство частоты с высокой степенью точности. Формирующий каскад преобразует синусоидальные колебания, вырабатываемые генератором, в П-образные и имеющие строго одинаковую амплитуду.

Таким образом достаточно хорошо решается первая Е часть задачи.

Если частота колебаний стандарт-генератора равна 100 000 гц, то длительность одного периода составляет стотысячную долю секунды. Это и есть наименьший отрезок времени, который можно отсчитать при данной частоте генератора. Однако сосчитать сигналы столь высокой частоты ни одно механическое устройство не в состоянии. Для этого применяются пересчетные схемы на электронных лампах или полупроводниках. Для пуска и остановки таких приборов также применяются электронные устройства.

Основой большинства пересчетных схем является триггерная ячейка с двумя устойчивыми состояниями. Такая двоичная ячейка в каждом из состояний может находиться неопределенно долго. Приходящий сигнал переводит ее из одного состояния в другое. Присоединив к этой ячейке сигнальные лампы, наблюдают, в каком состоянии она находится. Подав на такую ячейку серию сигналов и подсчитав, сколько раз она побывала во втором своем состоянии, мы сосчитаем половину всех сигналов. Соединив выход двоичной ячейки с входом другой такой же ячейки, а выход той - с входом третьей и т. д., получают пересчет соответственно на 2-4-8-16-32-64 и т. д. Таким образом в случае необходимости достигается большая скорость работы и нужный объем счета.

В дальнейшем радиоинженеры сконструировали из триггерных ячеек пересчетные схемы, в которых отсчет ведется в более привычной нам десятичной системе, а объем счета достигает 100 000 или 1 000 000. Однако "такие приборы оказались очень громоздкими. Для преодоления этой трудности учеными и инженерами были разработаны и построены специальные радиолампы - декатроны.

Декатрон представляет собой газонаполненную радиолампу, в которой один общий анод окружен десятью отдельными катодами. Прибор устроен так, что приходящие внешние сигналы перебрасывают разряд последовательно с одного катода на другой. Таким образом, по номеру Работающего катода можно определить, сколько сигналов прошло через прибор.

Отдавая должное простоте и изяществу, с которым решается задача десятичного пересчета с помощью декатронов, нужно иметь в виду, что поскольку они являются газонаполненными приборами, то их применение ограничено не очень большими скоростями счета сигналов. Это обстоятельство является серьезным дефектом, однако имеется возможность обойти указанную трудность. При большом коэффициенте пересчета, например равном 1 000 000, в пересчетном устройстве должно быть шесть декад. При частоте поступления сигналов от стандарт-генератора, равной 100 000 в секунду, в последнюю, шестую декаду сигнал будет приходить лишь один раз в секунду; в предпоследнюю, пятую декаду - 10 раз в секунду и т. д. Таким образом, лишь первая или первые две декады должны производить счет сигналов с очень большой скоростью, а от последующих этого уже не требуется.

В связи с этим в пересчетном устройстве первая или первые две декады выполняются на электронных лампах и позволяют производить счет сигналов с очень большой скоростью, а последующие декады делаются на декатронах. При этом разрешающая способность всего устройства получается достаточно большой.

Ныне эти идеи уже реализованы и промышленностью ряда стран (в том числе и Советского Союза) выпускаются различного типа электронные секундомеры, позволяющие измерять промежуток времени от стомиллионных долей секунды до нескольких часов с точностью до долей процента от величины измеряемого промежутка времени.

Это, конечно, хорошие чувствительность и точность, однако для решения целого ряда научных задач понадобились еще лучшие. Кроме того, в ряде случаев потребовалось не только измерять интервалы времени между двумя событиями, а еще и получать непрерывную запись течения очень быстрых процессов. Далее будет показано, как это удалось сделать.