Україна звіряє годинники за еталоном часу у Харкові
Будівля Національного наукового центру "Інститут метрології", що на вулиці Мироносицькій в центрі Харкова, звертає на себе увагу електронними табло на фасаді. На цих табло вдень і вночі змінюють один одного знайомі кожній людині цифри: час (з точністю до часток секунди), температура повітря і атмосферний тиск. Звірте свої годинники, а інші показники запишіть у блокнот - для пам'яті. Це найточніші дані в Україні. Вони буквально зняті синхронною системою електронних датчиків з первинних еталонів, які створені в наукових лабораторіях Інституту, виготовлені на інститутському дослідному заводі і зберігаються тут же в особливих приміщеннях, в які вхід заборонено всім, за винятком працівників, чия посада так і називається: вчений зберігач еталону. Загалом же в Інституті зберігаються 53 з 73-х еталонів мір і ваг України.
Екскурсію з обіцянкою показати святая святих - сховище еталонів - на прохання кореспондентів Укрінформу взявся провести вчений секретар ННЦ "Інститут метрології", кандидат технічних наук Володимир Скляров.
- Система мір супроводжує нас у житті, чи то 100 грамів цукерок, відстань від Харкова до Чорного моря, спека під 30 градусів Цельсія, чи літр холодного квасу. Ми також готові до сприйняття інших мір - відстаней до зірок або маси Сонця. Будь-які міри допомагають нам орієнтуватися в навколишньому світі, тобто жити, а також пізнавати і вдосконалювати цей світ. Головна вимога до мір - бути точними. Забезпечення саме таких мір - завдання нашого Інституту.
- А з чого все почалося у Харкові, яка історія Інституту?
- Для початку заглянемо в наш музей, - запрошує Володимир Васильович.
...Пройшовши повз вахтера та вертушку, заходимо всередину. Великий хол, ліфт, що з'єднує вісім поверхів головного корпусу (а у дворі ще три корпуси з критими переходами), направо і наліво - коридори з незліченними лабораторіями.
На одному з поверхів - Музей метрології. Таких, пояснює Володимир Васильович, всього лише три на просторі колишнього СРСР: у Харкові, Львові і у Санкт-Петербурзі.
У фонді музею - близько 400 експонатів: старовинні еталони, робочі засоби вимірювань, книги з метрології, наукові праці, фотоальбоми... Ось латунна смужка довжиною 1 метр, яка до початку 70-х років застосовувалася за зразок одиниці довжини. Це - позолочена гиря вагою 1 кг: з початку 20-го століття саме вона очолювала повірочну схему засобів вимірювань маси в Україні. А тут - зразкова міра електричного опору в 1,0 Ом, виготовлена у 1908 році фірмою "Отто Вольф" (Німеччина), вона застосовувалася в повірочній практиці аж до 1951 року. Тут же - унікальний експонат німецького виробництва - маятниковий годинник Рифлера. Виготовлений у 1925 році, він зберіг точність ходу з втратами 0,01 с/за добу...
- Вражає? Забігаючи наперед, скажу, що похибка еталону часу і частоти, який зберігається в нашому Інституті - така, що для відхилення показань годинника на 1 секунду має пройти близько 1 млн років, - каже Скляров.
Судячи з музейних документів, Інститут створено майже 120 років тому, причому за ініціативою відомого вченого Дмитра Менделєєва. Саме він восени 1901 року добився дозволу харківського губернатора на створення в центрі міста, на вулиці Римарській, першої в Україні і другої (після Москви) повірочної торговельної Палатки мір і ваг. Тут для всього торгового люду Харківської області, куди тоді входили частини сусідніх Полтавської та Сумської областей, з допомогою спеціального обладнання повіряли різноваги та обігові лінійки довжиною 1 метр. Послуга виявилася затребуваною. За 1 рік кількість повірочних мір і ваг зросла з 500 до 27 тисяч одиниць. Збори в казну за цю роботу склали 8 тис. царських рублів. Цієї суми вистачило, щоб Повірочна палатка не тільки себе окупила, але й розширила функції до проведення ревізій мір і ваг.
Нове життя для Повірочної палатки почалося у 1922 році, коли її перетворили на Головну палату мір і ваг - центральну метрологічну установу України - і поставили завдання вивчати і розробляти методику будь-яких фізичних вимірювань, створювати технології та зразки вимірювальних приладів.
Тоді в центрі міста, на вулиці Мироносицькій, і збудували нинішню будівлю Інституту метрології. А за десять років Інститут отримує статус Українського НДІ метрології та стандартизації, ще за рік - Українського НДІ метрології.
- А на якому обладнанні тоді працював Інститут?
- Майже все обладнання було імпортним, і коли воно виходило з ладу, потрібні були чималі кошти на придбання нового. Тому одним з основних завдань Інституту стала розробка вітчизняних приладів, створення власної метрологічної бази.
Вже у довоєнні роки Інститут забезпечував єдність мір і ваг в Україні і створював нові зразки вимірювальних приладів. Саме тут створили еталонні радіочастоти для всього СРСР, лічильники реактивної енергії, датчики для першого в Радянському Союзі обладнання з вивчення Сонця.
Після війни Інститут почав проводити дослідження у новітніх галузях вимірювань, таких як високі температури, квантова електроніка, радіофізика... Тут, зокрема, створили перші в СРСР кварцові резонатори для кварцових годинників, перші маятниковий годинник для астрономічних обсерваторій країни, перший у вітчизняній практиці зразковий ядерний вимірювач напруженості магнітного поля.
- Вже тоді, - пояснює Володимир Скляров, - світове визнання отримали і визначені нашими вченими надточні фундаментальні константи, тобто незмінні значення величин. Серед них - швидкість світла, виміряна за допомогою двопроменевого інтерферометра, і лазерний світлодалекомір для уточнення великих і надвеликих довжин.
У 60-ті роки Інститут обзавівся спеціальним конструкторським бюро і експериментальним заводом "Еталон". А за десять років Держстандарт СРСР затвердив перший харківський державний еталон: це був еталон одиниці потужності електромагнітних коливань у певному діапазоні частот. Через деякий час до нього додався унікальний прилад, призначений для вимірювання електронної температури імпульсної плазми в діапазоні температур від 10 тис. градусів до 10 млн градусів Кельвіна - для великих термоядерних установок.
- Черговий розквіт Інституту припав, ймовірно, на роки незалежності?
- З перших років незалежності України Інститут став головною організацією із забезпечення єдності мір в Україні, потім - метрологічним центром Державної служби єдиного часу і еталонних частот. У 2002 році Інститут отримав статус Національного наукового центру. Тоді ж досягнення наших учених зі створення національної еталонної бази України, інакше кажучи, метрологічної незалежності країни, були відзначені Державною премією України в галузі науки і техніки за розробку метрологічних лазерів і їх впровадження в первинний еталон одиниці довжини, - пояснює Володимир Скляров.
- Так що ж це за еталони? Можна їх побачити в дії?
- Для цього доведеться спуститися під землю...
Слідом за Володимиром Скляровим спускаємося сходами на нульовий поверх. Вхід огороджений важкими дверима. На нихпроста табличка: "Державний еталон одиниці довжини". Нас зустрічає охоронець еталону, старший науковий співробітник Сергій Ковшов. Ще кілька кроків - і ми перед термобарокамерою, де у вакуумі якраз і знаходиться лазерний промінь - еталон довжиною 1 метр, чия точність вимірюється цифрою з одинадцятьма нулями. За словами Сергія, це найбільш точна одиниця довжини, визнана в Європі - національне надбання України...
Кілька поверхів на ліфті вгору - і ми біля інших заповітних дверей. Цього разу на табличці написано: "Державна служба єдиного часу і еталонних частот". На перший погляд, ситуація простіше: за подвійним склом - звичайні електронні годинники, звуку не чути, але око бачить рух цифр в особливому віконечку: секунди складаються в хвилини, хвилини - в години. Однак, пояснює зберігач еталону, начальник лабораторії Володимир Солдатов, не все так просто, адже секунди відраховуються на атомарному рівні, з урахуванням понад 9 мільярдів коливань ядра атома цезію в секунду. Точність така, що за 1 млн 300 тисяч років годинники можуть відстати або піти вперед лише на 1 секунду. Моніторинг стану еталону здійснюється цілодобово, він зберігається при постійній температурі - плюс-мінус 0,01 градуса Цельсія. Ніяких форс-мажорів тут просто не може бути. Еталон часу скоординований зі шкалою часу 66-ти країн світу. Шкала часу України звіряється зі всесвітньо координованим часом UTC (Париж)...
А ми переходимо на другий поверх, де зберігається державний первинний еталон одиниці температури. В затишному приміщенні ростуть квіти і хіба лише кавника не вистачає. Тут же розміщені мудрі прилади і пристрої, без яких, виявляється, такого еталону просто не може бути.
- Річ у тому, - пояснює охоронець еталону, провідний науковий співробітник, кандидат фізико-математичних наук Катерина Іванова, - що сучасна метрологія знає лише одну температуру: термодинамічну. У природних умовах вона не існує, а з'являється лише завдяки динаміці, зв'язкам з іншими видами енергії. Значить, потрібно створити умови, при яких ця температура можлива, наприклад, застосувати нагрівання.
Та ж вода при нагріванні до 100 градусів перетворюється на пар, а при охолодженні до 0 градусів - на лід. Контрольні точки зміни стану субстанції - в даному випадку, води - називаються реперними або опорними. Потрійна точка - такий стан речовини, за якого тверда, рідка і газоподібна фази знаходяться в тепловій рівновазі. Якщо взяти надчисті, без домішок, метали - галій, індій, олово, цинк, алюміній, срібло, мідь, то при нагріванні вище точки плавлення вони плавляться, а при охолодженні нижче точки плавлення - тверднуть. У чому значення реперних точок? - Вони фіксують справжнє значення температури, по суті, еталонне, з урахуванням якого здійснюється калібрування або повірка усіх видів пристроїв для вимірювання температури - від звичайного медичного термометра до високоточних термопар в сталеливарній промисловості. У цьому еталоні реалізована класична схема відтворення одиниці температури з допомогою основних реперних точок міжнародної температурної шкали МТШ-90. Це національне надбання країни...
Нас чекає ще один еталон, цього разу - одиниці тиску, причому в 4-х примірниках: два - надлишкового тиску, і два - абсолютного. Як пояснює вчений зберігач еталону, провідний інженер профільної лабораторії Олексій Зуєв, широко відомі звичайні тонометри для вимірювання артеріального тиску людини. Інші прилади, наприклад, технічні манометри та перетворювачі тиску, застосовуються в промисловій сфері, наприклад, там, де використовуються преси.
Цей еталон - не одиничний зразок, - пояснює Олексій Зуєв. - Це цілий комплекс засобів вимірювальної техніки, їх не менше тридцяти, для відтворення тиску в конкретному діапазоні з найвищою точністю. Еталон застосовується для калібрування інших, вторинних еталонів з метою єдності вимірювань в області тисків в Україні. Теж національне надбання. Як, втім, усі 53 еталони, які створені і зберігаються в Інституті.
Зроблено багато. Над чим сьогодні працюють співробітники Інституту?
Про це розповідає генеральний директор ННЦ "Інститут метрології", доктор технічних наук, професор Павло Іванович Неєжмаков, нещодавно обраний членом Міжнародного Комітету мір і ваг (Франція).
- Відразу скажу, що ННЦ "Інститут метрології" за своїми можливостями в сотні разів перевершує повірочну Палатку мір і ваг, створену в Харкові завдяки Дмитру Менделєєву. Площа корпусів - 36 тисяч квадратних метрів, кількість співробітників - більше двохсот, і три десятки з них - кандидати та доктори наук. На 2019 рік із загального фонду державного бюджету на розробки Інситуту виділено 16,5 млн грн, тод як у 2014-му році було всього 1,6 млн грн. Тоді віце-прем'єр-міністр України Степан Кубів особисто доводив необхідність створення і фінансування держпрограми розвитку еталонної бази країни, і у 2015 році така програма була створена. Тоді ж почалося поетапне виділення коштів на її реалізацію.
У період 2013-2018 років в рамках бюджетної програми сприяння взаємній торгівлі між Україною та Європейським Союзом наш Інститут отримав 95 млн грн на модернізацію державних первинних еталонів. Інститут здійснює госпрозрахункову діяльність, щоб поповнити скарбничку коштів, які необхідні для модернізації старих і створення нових еталонів. За кордоном в розвинених країнах - США, Німеччина, Британія, Франція, Італія, Швейцарія - на такі цілі витрачають багато мільярдів доларів або євро.
Скажу, чому не шкодують коштів: сучасна метрологія як повітря пронизує всю соціальну структуру суспільства. Уявіть, що повітря не стало, як довго ми зможемо дихати? Без метрології як системи вимірювань немає держави. Якщо метрологія піде в небуття, людство повернеться до неандертальскому періоду.
Тепер - про координацію дій вчених. Європейська Асоціація національних метрологічних інститутів ЕВРАМЕТ (EURAMET) об'єднує 33 країни діючих членів і ще 77 - асоційованих. Україна як партнер бере участь у реалізації науково-дослідних проектів в рамках ЕВРАМЕТ, зокрема, здійснює вимірювання великих довжин, наприклад, десяти кілометрів в атмосфері з точністю до 1 мм, у поширенні сучасних заходів маси (новітній еталон міри ваги ват-баланс, 5-й зразок якого створено за десятки млн доларів США, має точність 10 мінус 8-го ступеня, і він повинен циркулювати в усіх країнах світу), вимірюванні рівня випромінювань в рентген-кабінетах, у звірянні міжнародних еталонів...
Щоб стати повноправним членом такої організації як ЕВРАМЕТ, Україні потрібен статус членства в ЄС і... гроші. У названих вище розвинених країнах 100 відсотків досліджень у галузі метрології фінансується з держбюджетів. Сподіваємося, що з часом ми станемо членом ЄС, у будь-якому разі, мріємо. Кажете, потрібно створити еталон мрії? Було б непогано (сміється)...
Нові завдання перед метрологами світу ставить саме життя. Наприклад, тільки-но виникла тема енергозбереження, з'явилася необхідність у створенні еталону одиниці світлового потоку - люмена. Завдяки такому еталону ми можемо оцінити параметри продукції виробників тих же електричних лампочок. Перед тим, як потрапити на ринок, така продукція повинна бути всебічно перевірена на предмет відповідності заявленим параметрам. Як правило, параметри завищені на 10-20 відсотків. У тих же розвинутих країнах виробників товарів штрафують за невідповідність заявленим параметрам. У нас це теж повинно стати нормою, тим більше, що у 2018 році Україна стала членом Метричної Конвенції, яка об'єднує 60 країн у статусі повноправних членів і 42 - асоційованих, а я був обраний членом Міжнародного Комітету мір і ваг, що об'єднує країни, де діє Міжнародна система одиниць SI.
Сьогодні ми працюємо над найсучаснішим напрямком в метрології: використанням квантових ефектів для створення еталонів та вимірювальної техніки вищого рівня точності. І досягли успіху: вже створені квантові еталони електричної напруги на основі ефекту Джозефсона, електричного опору на основі квантового ефекту Голла, магнітної індукції на основі ядерного магнітного резонансу.
Чи досліджуємо ми можливість створення еталонів для цифрових технологій, де йдеться про кількість інформації? Таких еталонів поки немає. Для цього потрібна модернізація самої системи одиниць SI. Це справа майбутнього. Але в системі вимірювань майбутнє теж займає своє місце, так як часом настає швидко. Ось один приклад: похибка в 1 секунду при вимірюванні часу буде наступати за 20 млрд років. Така точність необхідна в навігації і дистанційному вимірюванні гравітаційного поля Землі, і це вже реальність...
Щодо міжнародних контактів, то наш Інститут підтримує міжнародні зв'язки з національними метрологічними інститутами Європи. Підписані двосторонні міжнародні угоди з Польщею, Молдовою, Білоруссю та Узбекистаном. На завершальному етапі - договір з Грузією.
Інститут забезпечує діяльність Національного секретаріату Євро-Азійського співробітництва державних метрологічних установ (СООМЕТ), співпрацює з Європейською асоціацією національних метрологічних інститутів (EURAMET), з Генеральною конференцією з мір та ваг (CGPM), бере участь у виконання "Угоди про взаємне визнання національних еталонів і сертифікатів калібрування та вимірювань, що видаються національними метрологічними інститутами" (CIPM MRA), проводить міжнародні звіряння, має власні калібрувальні та вимірювальні можливості. Ми отримали дозвіл на право наносити логотип CIPM MRA на усі сертифікати калібрування. Сам факт є офіційним визнанням можливостей України в цій сфері діяльності.
- Досвід величезний. А кадри? Хто готує фахівців для метрології?
- В Інституті діє філія кафедри метрології та вимірювальної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки, який і я свого часу закінчив. У нас проходять практику студенти Харківського національного технічного університету "ХПІ", Харківського національного аерокосмічного університету імені Жуковського "ХАІ", Харківського национальнойго університету міського господарства імені Бекетова.
Студентам є чому повчитися: в Інституті діє відразу сім наукових центрів вимірювань: температурних, оптичних, механічних, просторово-часових, квантових і електромагнітних, а також - інформаційних технологій та міжнародного співробітництва.
Звідси зрозуміло, що усі наші 53 еталони, внесені в Держреєстр України, охоплюють температурні та теплофізичні, оптичні та оптико-фізичні вимірювання, а також вимірювання частотно-часових і лінійно-кутових величин, електричні, магнітні, радіоелектронні і механічні вимірювання, вимірювання тиску, витрат, рівня й обсягу, іонізуючих випромінювань... При цьому вся створена в Інституті еталонна база є національним надбанням України.
Через особливості режиму роботи ми не завжди відкриті для преси, але вже більше 30 років поспіль видаємо "Український метрологічний журнал" (свого часу - перший в країні) та "Інформаційний бюлетень з міжнародної метрології". Минулого року Інститут перереєстровано у Державному комітеті телебачення і радіомовлення України, входить до Державного реєстру видавців, виготовлювачів і розповсюджувачів видавничої продукції.
Замість епілогу. Павло Іванович Неєжмаков як недавно обраний член престижного Международонго комітету мір і ваг (Париж) сьогодні стурбований головним: після приєднання України до міжнародної Метричної Конвенції наступним важливим кроком має стати затвердження ННЦ "Інститут метрології" у новій якості: Національного метрологічного інституту (NMI) України, який буде представляти нашу країну в Європейській Асоціації національних метрологічних інститутів.
Сам факт, переконаний генеральний директор, дозволить Україні увійти в європейську метрологічну систему та інтегруватися в європейський ринок.
Світлана Лігостаєва, Харків
Фото В'ячеслава Мадієвського
