Среднее время жизни естественно радиоактивного изотопа
полония с атомным весом 212 составляет десятимиллионные доли секунды.

 

В космических лучах имеются полутяжёлые нестабильные частицы
— мезоны. Средняя продолжительность жизни различных типов мезонов равняется миллионным,
стомиллионным и десятимиллиардным долям секунды.

 

Определение тех промежутков времени, в течение которых протекают
эти явления, часто является необходимым для понимания их природы и выяснения возможности
технического использования. В частности, изучение скоростей различных процессов,
связанных с атомным ядром, важно для понимания строения вещества и необходимо при
разработке устройств для получения ядерной энергии.

 

Таким образом, для изучения ряда важных проблем, связанных со
строением атома и атомного ядра, радиоактивностью и космическими лучами,
необходимо измерение миллионных, миллиардных долей секунды и даже ещё меньших промежутков
времени.

 

В данном случае задача измерения очень коротких промежутков времени
осложняется тем, что изучаемые явления носят не периодический характер, а являются
однократными и нерегулярными. Таков радиоактивный распад атомных ядер, таково появление
тех или иных частиц в потоке космических лучей и т. д. Для изучения этих
явлений в настоящее время разработаны специальные электронные приборы.
Применение именно электронных приборов обусловлено тем, что они обладают малой
инерционностью и предоставляют большие возможности в отношении вариации самих
принципов измерения времени.

 

ИЗМЕРЕНИЕ МИЛЛИОННЫХ И МИЛЛИАРДНЫХ ДОЛЕЙ СЕКУНДЫ

 

 

Схема запаздывающих совпадений

 

В одном из электронных приборов, служащих для измерения очень
коротких промежутков времени, используется метод запаздывающих совпадений.

 

Метод запаздывающих совпадений состоит в том, что при измерении
промежутков времени между двумя сигналами первый сигнал искусственно замедляется
в приборе как раз на величину измеряемого промежутка времени. При этом оба
сигнала достигают выхода прибора одновременно и срабатывает соответствующий элемент
схемы. Таким образом, измерение сводится к подбору соответствующей величины
замедления.

 

Прибор, работающий по методу запаздывающих совпадений,
состоит из двух усилительных каналов, двух замедлителей и смесительной лампы. Электрические
сигналы, промежуток времени между которыми нужно измерить, поступают на вход прибора.
В приборе каждый из них проходит через свой усилитель и свой замедлитель. Затем
оба сигнала поступают на отдельные управляющие сетки смесительной лампы.

 

Работа смесительной лампы в этой схеме похожа на действие
тамбура с двумя дверями. Можно сколь угодно долго держать открытой только
первую дверь или только вторую — свет через тамбур не пройдёт. Достаточно, хотя
бы на мгновение, открыть обе двери одновременно, чтобы свет через тамбур
прошёл.

 

Подобно такому тамбуру смесительная лампа не реагирует на какой-либо
сигнал в отдельности, но если оба сигнала достигают смесительной лампы одновременно,
то лампа отпирается, и вся схема срабатывает.

 

Схема запаздывающих совпадений была использована советскими
физиками Г. Б. Ждановым и А. А. Наумовым при исследовании космических лучей.
Применение этой схемы позволило по величине запаздывания срабатывания счётчиков
из большого числа различных частиц, входящих в состав космического излучения,
выделить и исследовать медленные мезоны.

 

С помощью прибора, работающего по схеме запаздывающих совпадений,
было измерено также среднее время жизни покоящегося ,и-мезона (р-мезон является
одним из типов мезонов, обнаруживаемых в космических лучах). Для этих измерений
воспользовались тем обстоятельством, что ц-мезон превращается в электрон и
нейтрино.

 

Прибор для измерения времени жизни покоящегося мезона
состоит из двух частей: в одной регистрируется застрявший в свинцовой пластине,
то есть остановившийся ;«-мезон, а в другой его части регистрируется электрон, получающийся
при распаде остановившегося мезона. С помощью схемы запаздывающих совпадений измеряется
промежуток времени между двумя этими моментами.

 

В результате измерений было установлено, что средняя продолжительность
жизни движущегося .«-мезона равна 2,8—2,9 микросекунды, а среднее время жизни
покоящегося ^-мезона составляет 2,15 + 0,07 микросекунды (миллионной доли секунды).
Таким образом, в согласии с теорией относительности было установлено, что среднее
время жизни движущегося мезона несколько больше, чем среднее время жизни
покоящегося мезона.

 

Метод запаздывающих совпадений позволил продвинуться в
область измерения коротких промежутков времени до миллиардных долей секунды
(нонасекунд).

 

Нужно заметить, что успехи, достигнутые с помощью этого
метода, получались путём крайне длительных и утомительных измерений.

 

Дело в том, что прибор, работающий по методу запаздывающих
совпадений, позволяет измерять только те промежутки времени, которые заданы
заранее путём установки замедления на определённое значение. Таким образом, для
определения длительности какого-нибудь процесса нужно поочерёдно измерять ряд различных
промежутков времени, пока не будет подобран интервал, соответствующий
изучаемому явлению.

 

В этом отношении схему запаздывающих совпадений можно
уподобить не секундомеру, позволяющему отмечать любые промежутки времени, а
скорее набору песочных часов, приспособленных для измерения разных, но заранее определённых
интервалов времени.

 

Для непрерывного измерения любых весьма коротких,
нерегулярно изменяющихся промежутков времени между двумя следующими друг за
другом событиями в недавнее время разработаны электронные приборы, работающие
на основе других принципов.

 

Фазовый прибор

 

Возьмём два колеса со спицами. У каждого из них выкрасим по
одной спице в красный цвет. Установим эти колёса рядом так, чтобы красные спицы
находились точно друг против друга. Если одновременно закрутить эти колёса с
одинаковой скоростью, то и при вращении колёс красные спицы будут находиться
друг против друга. Пусть для определённости вращение колёс совершается со
скоростью одного оборота в секунду.

 

Закрутим оба колеса с одинаковой скоростью, но второе колесо
на 0,1 секунды позже первого. Теперь красные спицы уже не будут находиться друг
против друга.

 

Решим следующую задачу: на какой угол отстаёт красная спица
второго колеса от красной спицы первого колеса, если оба колеса вращаются со
скоростью один оборот в секунду, но второе колесо начало вращаться на 0,1
секунды позже первого?

 

Очевидно, красная спица второго колеса отстаёт от красной
спицы первого колеса на 0,1 окружности, или на угол в 36°, причём такое
отставание сохраняется и во время вращения, поскольку колёса движутся с
одинаковой скоростью.

 

Можно решить и обратную задачу. Если известно, с какой скоростью
вращаются колёса и насколько второе колесо отстало от первого, то удаётся
определить, насколько позже первого начало вращаться второе колесо.

 

Однако при решении обратной задачи нужно учесть, что при
отставании второго колеса на \’/4 оборота и на 1 ‘А оборота угол между красными
спицами оказывается одинаковым. Таким образом, получается некоторая неопределённость.
Впрочем, этого затруднения не возникает, если время запаздывания заведомо
меньше, чем длительность одного оборота колёс.

 

Чем быстрее вращаются колёса, тем больший сдвиг
соответствует данному запаздыванию. Если время запаздывания очень мало, то
нужна очень большая скорость вращения колёс для того, чтобы можно было заметить
сдвиг спиц. Следовательно, для измерения очень коротких промежутков времени
колёсам нужно было бы сообщить огромную скорость. Вместо этого пользуются электрическими
приборами, работающими сходным образом.

 

Вместо двух колёс используют два генератора высокой частоты,
вырабатывающие переменный электрический ток синусоидальной формы. Оба генератора
дают ток одинаковой частоты.

 

Если оба генератора начинают работать точно одновременно, то
максимумы и минимумы тока каждого из них получаются тоже одновременно. В этом
случае говорят, что оба колебания совершаются с одинаковой фазой или что разность
фаз равна нулю. Если второй генератор начинает работать несколько позже первого,
то максимум второго колебания соответственно отстаёт от максимума первого колебания.
В этом случае колебания совершаются с некоторой разностью фаз.

 

Пусть частота тока, вырабатываемого генераторами, равна десяти
тысячам колебаний в секунду, и, следовательно, длительность каждого периода
колебаний составляет десятитысячную долю секунды. Если второй генератор начал
работать позже первого на одну миллионную долю секунды, то разность фаз между колебаниями
составляет 0,01 периода.

 

Наоборот, если известно, что разность фаз между колебаниями равна
определённой доле периода, то можно найти промежуток времени между началом
работы первого и второго генератора.

 

Таким образом, для измерения промежутка времени нужно определить
разность фаз колебаний двух высокочастотных генераторов.

 

Принцип действия разработанного автором фазового прибора следующий:
два электрических сигнала, промежуток времени между которыми нужно измерить, поступают
на вход прибора. Каждый из этих сигналов с помощью соответствующей электрической
схемы включает свой высокочастотный генератор. Оба («ждущих») генератора настроены
на одну и ту же частоту. Запаздывание во времени включения второго генератора
вызывает сдвиг фазы между их колебаниями, по величине которого определяется измеряемый
промежуток времени.

 

Для измерения величины сдвига фазы колебания от обоих генераторов
подаются на отклоняющие пластины электроннолучевого осциллографа. Первый генератор
создаёт отклонение луча в горизонтальном, а второй в вертикальном направлении.
Таким образом складываются два взаимно перпендикулярно направленных синусоидальных
колебания одинаковой частоты. При этом на экране электроннолучевого
осциллографа наблюдаются так называемые фигуры Лиссажу: при разности фаз,
равной нулю, получается наклонная прямая линия; затем по мере увеличения разности
фаз последовательно получаются: эллипс, окружность, эллипс и прямая,
наклонённые в другую сторону. При больших разностях фаз картина повторяется. По
форме эллипсов (отношению их полуосей) можно определить величину разности фаз,
а следовательно, и измеряемый промежуток времени.

 

Для того чтобы исключить интервалы времени, большие периода,
оба канала связываются специальной схемой, которая управляет фотографической камерой.
Эта схема включает фотографическую камеру только в тех случаях, когда
промежуток времени между сигналами не превышает половины периода колебаний
высокочастотных генераторов.

 

В фазовом приборе та часть схемы, которая управляет работой
генераторов, устроена так, что каждый из них включается в момент,
соответствующий приходу внешних сигналов, а затем оба они остаются включёнными
и продолжают работать в течение нескольких десятых долей секунды. Этим
достигается задержка изображения на экране осциллографа. Благодаря такой
задержке чрезвычайно облегчается отсчёт по прибору.

 

Каким бы кратковременным ни был измеряемый «промежуток времени,
изображение на экране осциллографа задерживается достаточно долго для того,
чтобы его удобно было сфотографировать. При этом нет необходимости прибегать к высоковольтному
осциллографу: задержка изображения позволяет пользоваться более простым
низковольтным осциллографом.

 

В зависимости от выбора частоты генераторов фазовый прибор
может служить для измерения промежутков времени порядка тысячных, миллионных или
иных долей секунды.