（苏）ВНПипуныров 著   张遐龄 译

第二章

电子机械和量子机械计时仪器的发展

应用电子学制造计时仪器和统一时间系统从20 世纪30~40 年代至今，科学——技术进步特别是以量子力学和无线电电子学的巨大发展为特征的，几乎在所有科学和技术领域都有其印迹。精密计时学的发展，也没有离开这条总的发展路线。

由于在计时仪器中应用了量子振荡器，精密计时学与量子力学和电子学就等同齐观了。后者给了下列振子维持高频振动的可能性=如原子、分子，用于制造原子钟，音叉、石英，用于制造现代手表。从出现电子管放大器时起，光电元件就成为电精密计时学的技术手段。应用通过和反射光线的光电工作系统，在二次世界大战之前就开始了。在巴黎的国际时间局，根据费利（Фери）的建议，在摆钟里就曾经应用过这样的一个系统。光电元件的电流经过放大后，通入脉冲线圈，维持强的振动，在摆前端部固定有永久磁铁。

公元1932年，马克思•舒列尔(Макс Щулер) 建议在双摆(主摆和辅助摆)钟里利用光电元件作为辅助钟给主钟传递同步冲量的补充措施。

在苏联伟大的卫国战争结束后，为了控制自由摆的脉冲机构，М.П.巴甫洛夫(Павлов)制造的钟应用了光电效应，代替在肖尔特钟里利用的次级工作摆。

在装有自由擒纵机构的电摆钟里，有一计数轮，在摆的每一次摆动时，它都直接影响摆的走时，类似大气压力和空气密度变化的影响。摩擦值的变化——在轮的支撑里和来自棘爪和锁键的作用——都与计数轮有联系。如果仅仅利用机械手段，从它们的负作用下解脱出来，是不可能的。

为了计数摆A的振动，利用光电管的办法最先成功地克服了这个困难。灯D的光(图1)通过摆的孔，在相应的时刻投在光电管E上。光电管给出的电流，经过放大之后，作用在磁铁F和H，代替摆一步一步地转动计数轮I。重量杠杆G 的释放， 同样可以直接控制这样的元件。

蓄电池或电池组的充电，用以增加摆轮振荡器无阻尼振动所需的电源能量，利用光电元件是很有前途的。

世界各国生产的光电钟牌号有：“Филипп Патек”“Кинцле”和“Сейко”。在钟里应用硒光电管（前三个牌号）和硅光电管(日本“Сейко”牌)。“Сейко”牌11钻光电钟是从公元1964年开始生产的，有8个硅光电管， 1.2伏镍——镉碱性蓄电池，摆轮振荡器和晶体管振荡器。

尽管现代电子管的质量很高，以及它们不断的微型化，但应用的可能性还是有限的。随着半导体技术的出现和发展，这些在电子学的限制都消失了，重新组成了称之为半导体三极管或晶体管的装置。无论是对于摆钟的进一步完善，还是制造带有音叉或石英振荡器的电——机械钟，半导体技术手段在精密计时领域都得到应用。在电摆钟ATO (公元1953年)的结构中，根据M.列夫（Лев）和Ж.里特察（Литча）的建议，取消了接触装置G，这所以成为可能，是由于在钟的电系统里利用了晶体管。当摆运动时，弧形永久磁铁左端在控制线圈里感应电流，它在半导体三极管得到放大，通向工作圈，在其中，吸引永久磁铁右端的磁场得到加强。这样，借助控制线圈和三极管向放大的电流，能均衡摆在运动时损失的机械能和保证它的摆幅的稳定。

为了提高大规格接触钟的可靠性和稳定性，半导体器件得到了广泛的应用。在这些钟里，硅二极管用于保护触点脱开时免于放电火花的破坏。

在Ф.А.费德钦柯的电子——机械天文摆钟（АЧФ-3）里，上边已提到的，应用了特殊的无触点的磁——电脉冲机构，它同等时悬挂一起可以在摆钟里实现精确的走时。

磁电驱动由两部分组成：运动的和不运动的。运动部分(图2 )是由封闭对称的磁驱动1 和两个棱镜形永久磁铁2 、3 组成。驱动的运动部分，借助套管5 固定在摆杆8 的下端。为了形成单向集中的磁场，收敛反向放置的磁极做成足够窄。磁驱动是可以拆卸的。它的下部分伸入线圈，只能在这之后，才可以和上部分连接。

驱动的不动部分由长方形线圈W和电子系统组成。系统装配在塑料夹板的专门切口处。线圈绕组分为两组：一组为释放组，给出开启系统信号，另一组为脉冲组，外接电源的电流脉冲输入这一组。机构的电子系统由晶体三极管T 1 、T 2 装配成。机构的不动部分，借助套管6 固定在单独的因瓦尔合金杆7 的端部，杆7 与摆平行下垂。在间隙一样的磁铁极之间，在不动摆上安装有线圈的外露部分。两个杆是用二种材料制成的，借以保证这些间隙是一个常量。

当摆运动时，在两个线圈组里产生相反的电流脉冲，它们几乎是同时并存的，因为两个脉冲是在线圈导线切割磁铁磁场时出现的。负脉冲略微提前些，但两个脉冲同时结束。
由正负脉冲差值确定的线圈磁场和永久磁铁磁场的相互作用，产生必需的推动脉冲。只在摆向同一方向运动时才给出脉冲。钟安装在压力室。为了获得必需的摆幅，系统中的一个电阻放在压力室外边，并且在压力室形成10.6~11.13×102 巴压力之后，再来选定电阻值。对于АЧФ-3型钟来说，正常摆幅在90~110弧分。钟电源是氧化汞电池，电压为1.4伏。
半导体技术的发展，为利用高频振荡器和区别于传统的摆轮——游丝手表的出现，创造了条件。公元1959年，出现了音叉手表，这里，应用了带有释放线圈和脉冲线圈的磁电晶体管驱动。释放线圈用于开启晶体管，之后，经过晶体管电流通入脉冲线圈，维持音叉的无阻尼振动。公元1967年，由于微电子学的发展和完善，导致集成电路的产生，出现了石英振荡器手表。

应用微电机使发条手表上条，同样是与半导体技术的发展相联系的。电机由梅洛利（Меллори）汞低氧化物的干原电池供电，电机的转子是在直径方向上排列磁极的永久磁铁，转子在构成定子的两个电磁铁极端之间转动，磁铁心之间是联系着的，但绕组是不同的，右边的是工作绕组，左边的是激励绕组。发条经过一定时间放松之后(例如，一小时一次) ，转子转动，激励右边绕组，其结果晶体管系统起动，接通电机，上条。

石英钟和原子钟连同天文摆钟一起使用，开创了利用它作为母钟的可能性，为子钟传递高精度的时间。这样的综合体不止一次地在周期性举办的瑞士巴塞尔和比利时布鲁塞尔博览会上展出。在公元1960年布鲁塞尔博览会上，展出的综合体使用了两只分子钟。曾经应用了如下的系统，使石英频率(频率为100千赫兹)和分子振荡器频率(频率为24兆千赫兹)同步：辅助石英振荡器产生8.5兆赫兹频率，经过若干级变频，使其频率接近分子振荡器的频率值。失调的信号（差频）输送到阴极射线示波器的屏幕上，石英钟的微调一直进行，直到失调信号消失为止。同时，借助十进位计数器测量辅助石英振荡器的频率。在石英钟里，使用振动频率为100千赫兹的石英条。钟的指示，能够借助相位转动装置进行修正。石英钟每2 秒钟给母钟输送脉冲，并且使母摆钟振动同步，同时供给子钟电源。分子振荡器和带有秒摆的精密钟组成的电钟作为母钟，秒摆和控制装置一起放在共同壳体里。专用的电系统使石英振荡器脉冲和输送给子钟的摆钟脉冲同步。

在精密计时领域里所取得的进步，开创了制造统一时间系统的可能性，适应对精度、可靠性和寿命更高的要求。现今，在莫斯科就有若干个独立工作的电钟装置站(电话报时、电车时间网、地铁钟、各种机关网的微型钟), 由于没有统一的标准时间，造成了许多不方便，尚且不说在分散服务情况下，不可避免的大量经营和维修费用。

装有沃伦（Уоррен）电机的同步钟走时的修正，可以用不同的方法实现，但最根本的办法是用电子控制这些钟。现今，众所周知的保证同步钟走时稳定的电钟装置站系统，其短控制电流脉冲的载波工业频率为3500赫兹。这些控制脉冲是由自动电上条的发条式母摆钟传送的。母钟的月走时误差不超过15秒钟。延续时间为4 秒钟、频率为3500 赫兹的信号，在每小时的第58分钟时，通过放大器、输入变压器和电容耦合，传送给变压器低压端的每一相位。此外，母钟的条盒轮6小时转一圈，并有360个凹槽，可以按一星期前制定的任何程序给出补充信号。

除了沃伦电机外，同步子钟还装有冷阴极的电子管，对信号进行检波和放大.放大的信号接通电磁继电器和机械装置，以便修正走时——每小时将分针向前赶一个刻度或当钟走快时在一小时末尾将机心锁住一分钟。

中央时间站同样能够以4、200、5000、和6000赫兹频率工作，用于传递光和声信号、接通启动开关门的机构。

毫无疑问，这样复杂和贵重的修正同步钟走时的装置，如电子控制，不可能得到普遍的推广。因此，只能是在必须保证检查和维持配电网电流频率稳定的条件下，才能广泛使用同步电钟。

出现了根据准确时间信号自动调准钟的装置，信号是沿电话线以一定的频率由中央站传出的，由专门的频率——控制电磁继电器接收。继电器作用于钟指针的指示修正机构，强制钟按标准时间走时。母钟本身可以自动接入修正线路的频率，例如，在半夜。为了在普通电话步进选线器上，按预先规定的数字，用手工接入这个线路，还有一个线路方案。

虽然关于制造手表无线电系统问题是属于将来的问题，但实现它的可能性不应该否定.应用集成电路元件，可以保证将微型无线电接收器安装在手表表壳里。那时，借助接收的准确时间信号，可以使摆轮——游丝系统同步。

现今，将表上条柄头拉出，使中心秒针停在秒刻度的零位上，并且在准确时间的元线电信号传递来时，将柄头恢复到上条位置，中心秒针又重新开始走动，这样的装置已经登记了专利。


图1-应用光电管的钟。


图2-费德钦柯钟（АЧФ-3）里的磁电驱<