Postępy Astronomii nr 4/1954

POSTĘPY

A S T R O N O M II

C Z A S O P I S M O

POŚWI ĘCONE U P O WS Z E C H N I A N I U

WI E DZ Y A S T R ON O MI C Z N E J

PTA

TOM I I — Z E S Z Y T 4

1

9

5

4

P A Ń S T W O W E

W Y D A W N I C T W O

N A U K O W E

SPIS TREŚCI ZESZYTU 4

M. S c h e n b e r g, Mikołaj K opernik . . . . (65 A. S t r z a ł k o w s k i , Zastosowanie elektroniki w astro­

nomii (Część III) . ’ ... 169 Z PRACOWNI I OBSERWATORIÓW

W. D z i e w u l s k i , Nowe elem enty cefeidy SV Vulpe-c u l a e ...188 J. G a d o m s k i , RZ E r i d a n i ...189 A. G r a n a s i J. W. J a w o r o w s k i , Trzy wnioski

astrofizyczne z tw ierdzeń topologicznych . . . 190 C. I w a n i s z e w s k a , H. H u t o r o w i c z , A. L i ­

s i c k i , H. I w a n i s z e w s k i , Badanie struktury Drogi Mlecznej w w ybranych polach (Część I) . 192

Z LITERATURY NAUKOWEJ

K. S e r k o w s k i , Interpretacja obserwowanych prze­ sunięć widm ciał niebieskich ku czerwieni . . 193 K. R u d n i c k i , Częstość wybuchów supernowych

w G a la k ty c e ...195 K. R u d n i c k i , O trw ałości U kładu Lokalnego . . 195 K. R u d n i c k i , Określenie typów widmowych gwiazd

należących do „łańcuszków gwiazdowych" . . 196 KRONIKA

Zarys charakterystyki prac i działalności Obserwato­ rium Krakowskiego w okresie 1945—1953 . . . 197 30-lecie pracy dr K. K o rd y le w sk ie g o ...204

Z KORESPONDENCJI

F. K ę p i ń s k i , W związku z notatką dr T. Przypkow ­ skiego ... 205 Skorowidz n az w isk ...207 Spis treści tom u I I ...212

P O L S K I E T O W A R Z Y S T W O A S T R O N O M I C Z N E

POSTĘPY

A S T R O N O M I I

K W A R T A L N I K

T O M I I - Z E S Z Y T 4

K R A K Ó W • P A Ź D Z I E R N I K — G R U D Z I E Ń 1954

P A Ń S T W O W E

W Y D A W N I C T W O

N A U K O W E

KOLEGIUM REDAKCYJNE

Redaktor Naczelny: Stefan Piotrowski, Warszawa

Członkow ie:

Tadeusz Banachiewicz, Kraków Władysław Tęcza, K raków W łodzimierz Z onn, Warszawa

Sekretarz Redakcji: Kazimierz Kordylewski, K raków

Adres Redakcji: K raków 2, plac N a Groblach 8 m. 4 Adres Sekretariatu: K raków 2, ul. Kopernika 27 m. 4

P A Ń S T W O W E W Y D A W N I C T W O N A U K O W E — W A R S Z A W A ul. Krakowskie Przedmieście 79

Nakład 536 -j- 100 eg z. Podpisano do druku 3. X II. 1954 Arkuszy wyd. 4,2, ark. druk. 3,25 Druk ukończono 15. X II. 1954 Papier druk. sat. 70 g, kl. V, 7 0 /J0 0 N r zamówienia 500/54

Do składania 31. VIII. 1954 Cena zł 5.— M-5-1344S KRA KOW SKA D R U K A RN IA N A U K O W A, KRAKÓW , UL. C ZA P SK ICH 4

|P|

} \ v

T A D E U S Z B A N A C H I E W I C Z 1 882 — >954

Dnia 17 listopada 1954 r. zmarł w Krakowie prof, dr Tadeusz Banachiewicz, członek tytularny Polskiej Akademii Nauk, długoletni profesor Uniwersytetu Jagiellotiskiego 1 innych wyższych uczelni, dyrektor Obserwatorium Krakowskiego, odznaczony w 19^4 r. Orderem Sztandaru Pracy 1 klasy.

Śmierć ta żałobnym echem odbiła się zwłaszcza polskim świecie naukowym. Biorąc

udział w głębokim smutku powszechnym, jako wyraz czci dla pamięci prof. Banachiewicza, podajemy poniżej przemówienie prof. dr J. W i t k o w s k i e g o , reprezentującego na pogrzebie Poznańskie Towarzystwo Przyjaciół Nauk i Unhversytet Poznański:

— Stoimy przed trumną wielkiego uczonego Zarówno życie, jak i śmierć jego nie

mogą być oceniane z przeciętnego stanowiska ludzkiego. Nikt z tu obecnych nie potrafi jeszcze objąć znaczenia i rozmiarów straty poniesionej przćz naukę polską i naukę świata.

Dotknęła ona astronomów, matematyków, geodetów, inżynierów, architektów. IVszyscy oni przyjęli wiadomość o zgonie profesora Banachiewicza z głębokim żalem. Okryła ona żałobą obserwatoria, akademie i towarzystwa naukowe.

Z m arły astronom polski był boiviem czołową osobistością w śmiecie astronomicznym, powszechnie znaną, powszechnie cenioną i szanowaną. Jego twórczy, jasny i głęboki umysł zastanawiał się nad licznym i i najbardziej trudnym i problemami w astronomii, matema­ tyce, geodezji i geofizyce. W każde] z tych nauk pozostawił trwałe ślady swego geniuszu, zapisując swe im ię obok im ion największych uczonych świata. Śmierć zdmuchnęła ten jasny znicz myśli: ważne prace pozostały nie dokończone, a odkrycia — wstrzymane.

Dlatego zniknięcie tego potężnego umysłu w pełni jeszcze sił twórczych jest wielką stratą przede wszystkim dla astronomii polskiej.

Z punktu widzenia społeczności miarą wartości życia człowieka jest praca przezeń wykonana dla dobra ogółu. Oceniane pod tym kątem życic profesora Tadeusza Banachie- wicza było nieustanną słfiżbą dla dobra społeczeństwa. Sam w yraził się o własnej pracy w swym przemówieniu jubileuszowym, z cechującą go zawsze skromnością — ,J*akt, że

w ciągu j o lat pracowałem naukowo, nie stanowi specjalnej zasługi, gdyż pracowałem dlatego że podobała mi się ta praca, która wydawała mi się użyteczna dla nauki, harodu i państwa«.

IV osobie profesora \T. Banachiewicza żegnamy nie tylko uczonego, ale i człowieka —

dobrego przyjaciela, dobrego wychowawcę młodzieży. Z m arły był bowiem człowiekiem m ądrym i dobrym. M ądrość i dobroć to były w ujęciu fiłozofii antycznej tylko dwa oblicza nauki i medytacji. Transpozycją nauki w święcie m oralnym jest mądrość, ta zaś prowadzi do zrozumienia i um iłow ania przyrody i człowieka — człowieka w raz z jego błędami.

Z pobłażliwością więc obnosił się zm arły do głupoty ludzkiej, gdy towarzyszyła je j sama nieświadomość. »Oni nie\ wiedzą, co czyniąc — m aw iał często. Ale jako człowiek prawy,

potępiał tę głupotę, gdy widział w niej zabarwienie złośliwości i podłości ludzkiej.

■»Niebo gwiaździste nade mną, prawo moralne w głębi mego ja« — oto była dewiza

życiowa Zmarłego, której pozostawał wierny do ostatnich chwil swego życia.

Nisko schylam głowę nad Twoją trum ną i składam Ci w imienin Uniwersytetu P o ­ znańskiego hołd należny jako doktorowi honoris causa tegoż uniwersytetu. W imieniu Poznańskiego Towarzystwa Przyjaciół Nauk składam C i hołd wraz z podziękowaniem za T woją cenną współpracę i za sławę imienia naukowego, której udzieliłeś Towarzystwu. Obserwatorium Poznańskie wyraża Ci również hołd za Twe prace, za przychylność, której nie szczędziłeś Zakładowi. W imieniu seniora astronomów polskich, prof. Władysława Dziewulskiego, składam Ci koleżeńskie pożegnanie wraz z w yrazam i hołdu i gorącej wdzięczności, za to, że Sw ą wielką pracą naukową wsławiłeś imię polskie na cały świat. IV imieniu Twych uczniów składam Ci przyrzeczenie, że dołożymy wszelkich starań, aby uratować z Twej wielkiej spuścizny naukowej wszystko, co da się ocalić, czego śmierć przedwczesna nie zatarła całkowicie.

Rodzinę Zmarłego proszę o przyjęcie serdecznych wyrazów współczucia. Odszedł od nas ktoś wielki i szlachetny, po kim pamięci nie potrafi zatrzeć niszczycielski bieg czasu.

P o s t ę p y A s t r o n o m i i T. II. z. 4

Mikołaj Kopernik

Profesor Katedry m echaniki ciał niebieskich U niw ersytetu Sao Paulo

W 1543 roku, na łożu śmierci, K opernik mógł wreszcie zobaczyć pierw ­

sze odbitki swego nieśm iertelnego dzieła De Revolutionibus Orbium Coe-

lestium . Charles S i n g e r , pisząc o tym w ielkim wydarzeniu, stw ierdzał:

,.Kiedy k artk i pierwszej odbitki De Revolutionibus Orbium Coelestium

w ypadły z ręki um ierającego Kopernika, o wiele więcej aniżeli wielki duch

opuścił ziemię: przestał istnieć cały system nauki średniowiecza".

Ukazanie się teorii K opernika było w ydarzeniem pierwszorzędnej wagi

w historii ludzkości, i to z trzech różnych powodów: po pierwsze — poło­

żone zostały podwaliny całej astronom ii system u słonecznego; po drugie —

runęła koncepcja antropocentryczna W szechświata; po trzecie i przede

wszystkim — nauka przyrodnicza zadeklarow ała swą niezależność od teo­

logii i religii.

E n g e l s w przedm owie do D ialektyki Przyrody pisze: „Aktem rew o­

lucyjnym , którym przyrodoznaw stw o ogłosiło swą niezależność i niejako

powtórzyło spalenie bulli przez Lutra, było w ydanie nieśm iertelnego

dzieła, w którym K opernik nieśmiało jeszcze i, rzec można, dopiero na

łożu śmierci rzucił rękawicę autorytetow i kościoła w spraw ach przyrodni­

czych. Od tej chwili datuje się wyzwolenie przyrodoznaw stw a od teologii,

chociaż spór o poszczególne roszczenia w zajem ne przeciągnął się do na­

szych czasów a w wielu um ysłach nie zakończył się bynajm niej i obecnie.

Ale odtąd też rozwój nauk posuwał się naprzód milowymi krokam i, przy­

bierając na sile, rzec można, proporcjonalnie do kw adratu odległości (cza­

sowej) od swego pun k tu w yjścia" *.

Tak jak wszyscy wielcy nowatorzy, K opernik dokonał syntezy dzieła

swych poprzedników i podniósł naukę na wyższy poziom, wzbogacając ją

swym genialnym wkładem . Już E u f a n t o s z Syrakuzy odkrył obrót

Ziemi dookoła osi. Koncepcja heliocentryczna uczniów P i t a g o r a s a

otrzym ała genialne sform ułow anie A r y s t a r c h a z Samos w epoce helle­

nizmu. Jednakże Hipparch i Klaudiusz Ptolemeusz odrzucili system A ry-

starcha, przyjm ując koncepcję geocentryczną E u d o x o s a z Knidos.

Uczynili to, zasugerowani pozorami oraz obawiając się prawdopodobnie

zaatakować poglądy religijne i astrologiczne związane już w owym czasie

z koncepcją kręgów kryształow ych krążących we wspólnym układzie ze

Słońcem, Księżycem, ze znanym i wówczas planetam i i z tak zwanymi

* Engels, D ialektvka przyrody, W arszawa 1953, s. 9.

166 M ario S c h e n b e r g

„gw iazdam i stałym i". W ciągu 1300 la t przeszło system geocentryczny

, A lm agestu'- P tolem eusza dom inow ał w m yśli astronom icznej. Nie zostały

jed n a k zapom niane idee uczniów P i t a g o r a s a i A r y s t a r c h a z S a ­

mos. M arciano C a p e 11 a pow oływ ał się na nich, co praw dopodobnie

w płynęło na rozum ow anie K opernika. Z resztą w liście sw ym do papieża

P a w ła III K op ern ik p rzy tacza uw agi C y c e r o n a i P l u t a r c h a o tym ,

że Z iem ia się porusza.

W czasach K o p ern ik a re z u lta ty ob serw acji zgadzały się z system em

Ptolem eusza; p o trzeb a odrzucenia system u geocentrycznego pochodziła

więc jed y n ie z poczucia, że zaw iły system kół ek scen try czny ch i epicyklów

jest sztuczny i niep o trzeb n ie skom plikow any. U w agi k ry ty c z n e w tej sp ra ­

w ie zostały sfo rm u łow ane przez D o m e n i c o M a r i a N o v a r a , n a u ­

czyciela K o p ern ik a w Bolonii. A by zw yciężyć system geocentryczny,

trz e b a było w ykazać, że w szystkie znane fa k ty m ogą być w ytłu m aczo ne

ilościowo w sposób o w iele p rostszy i bard ziej przek o n y w ający przez sy­

stem h eliocentryczny. To g igantyczne zadanie zostało dokonane przez K o­

p ern ik a, k tó ry opracow ał tab lice ruchów p la n e ta rn y c h oraz przew idział

nowe, dotychczas n ieznan e fak ty , np. istn ien ie faz W enus. P rz y pom ocy

lu n e ty G alileusz zaobserw ow ał fazy W enus i p o tw ierd ził g en ialn e przew i­

d y w an ia K opernika. Je d n y m z n ajw iększych zw ycięstw K o p ern ik a było

w y jaśn ien ie zagadkow ego cofania się p lan et. K ry te ria p ro sto ty i harm o n ii

m atem atyczn ej, k tó re służyły K opernikow i, służyły też później K eplerow i

w w y k ry ciu jego sław n y ch p ra w ru ch u p lan etarn eg o . Z resztą w e w szyst­

kich późniejszych teo riach fizycznych k ry te ria m odelów m echanicznych

oraz h arm onii m atem aty czn ej o d eg rały rolę zasadniczą.

W szystkie koncepcje astronom iczne starożytności i średniow iecza opie­

ra ły się n a idei, że ciała n iebieskie opisują o rb ity kołowe. K op ernik nie

m ógł uw olnić się jeszcze od p rzesąd u ru ch u kołow ego ciał niebieskich.

D latego nie mógł odrzucić całkow icie koncepcji w szystkich epicyklów sy­

stem u Ptolem eusza. Przez w p ro w ad zenie system u heliocentrycznego K o­

p ern ik ow i udało się w y d a tn ie zm niejszyć liczbę po trzeb n y ch epicyklów ,

w y k azu jąc w te n sposób, że w system ie h elio centrycznym w y tłu m aczenie

rez u lta tó w obserw acji astronom icznych je s t nieskończenie bardziej proste.

W ielki k o n ty n u a to r K o p ern ik a — K e p l e r — w yzw olił astron o m ię z p rze ­

sąd u ru c h u kołowego odk ryw ając, że o rb ity p la n e t są eliptyczne. K ep ler

zadał w te n sposób ostateczn y cios koncepcji sfe r kry ształo w y ch unoszą­

cych ciała niebieskie.

J e s t niem al niem ożliw e dla nas, ludzi żyjących w okresie p o -ko perni-

kow skim , ocenić in te le k tu a ln ą odw agę p o trz e b n ą dla zaatak o w an ia w XVI

w ieku koncepcji geocentrycznej, uśw ięconej przez średniow ieczną teologię

i p rzez a u to ry te t B iblii oraz cieszącego się ty siącletn im u znaniem sy stem u

Ptolem eusza.

Mikołaj Kopernik ₁₆₇

W systemie kopernikowskim zasadniczą rolę odgrywa ruch kołowy

Ziemi wokół Słońca oraz obrót dzienny Ziemi dookoła osi, którego istnie­

nie sugerował jeszcze E u f a n t o s . Skutki najbardziej wstrząsające dla

teologii i codziennych spostrzeżeń wynikają zresztą z obrotu Ziemi do­

okoła osi. Jeden z najważniejszych aspektów dzieła Kopernika polega

właśnie na wspaniałym zrozumieniu względności ruchu — idei, która od­

grywała później coraz ważniejszą rolę w fizyce.

Skutki filozoficzne systemu kopernikowskiego zostały natychmiast

przyswojone przez Giordano B r u n o : nieskończony wszechświat i mno­

gość światów; swobodny ruch ciał niebieskich i nieobecność nieruchomych

kręgów kryształowych.

Cios, jaki poniosła teologia, był druzgocący, a reakcja władz kościelnych

przeciwko ideom Kopernika i jego uczniów była niezmiernie gwałtowna.

Giordano Bruno został spalony na stosie jako heretyk w roku 1600 a G a-

1 i 1 e u s z był prześladowany przez świętą inkwizycję od 1615 roku, teoria

Kopernika zaś została ogłoszona jako „fałszywa i całkowicie sprzeczna

z Pismem świętym*'.

W 1616 roku dzieło Kopernika znalazło się na Indeksie i dopiero w 1822

papież Pius V II zezwolił na jego opublikowanie. Mimo to w 8 lat później

nie można było znaleźć księży, którzy by zechcieli odprawić mszę z okazji

odsłonięcia pomnika Kopernika w Warszawie.

Kopernik był jedną z największych i najbardziej charakterystycznych

postaci najświetniejszego okresu ludzkości — Odrodzenia. Jak pisze

Engels: „Był to największy przewrót postępowy, jaki ludzkość kiedy­

kolwiek do owych czasów przeżyła, epoka, która wymagała olbrzymów

i olbrzymów zrodziła —- olbrzymów myśli, uczucia i charakteru, wszech­

stronności i wiedzy. Mężom, którzy założyli podwaliny współczesnego

panowania burżuazji, można przypisać wszystko — prócz burżuazyjnej

ograniczoności... Bo też bohaterowie owego czasu nie byli jeszcze niewol­

nikami podziału pracy, którego wpływ, prowadzący do ciasnoty i jedno­

stronności, tak często wyczuwamy u ich następców. Najbardziej zaś cha­

rakterystyczną ich cechą jest to, iż prawie wszyscy oni pochłonięci są

życiem swej epoki, praktyczną walką; że stają po stronie tego, czy innego

stronnictwa i walczą — ten słowem i piórem, ów mieczem, a wielu jed­

nym i drugim. Stąd owa pełnia i siła charakteru, która czyni z nich mę­

żów w każdym calu. Uczeni gabinetowi stanowią wyjątek: są to ludzie

bądź drugo- czy trzeciorzędni, bądź ostrożni filistrzy, którzy nie chcą

sobie palców poparzyć" *.

Astronom, matematyk, lekarz i prawnik, Kopernik brał również udział

w życiu politycznym narodu polskiego i wzbogacił ekonomię ważkim

168 Mario Schenberg

wkładem teoretycznym. W 1519 i w 1526 roku napisał prace ekonomiczne

dla sejmu pruskiego. W swym dziele z 1526 roku, De M onetde Cuden-

dae Ratione, Kopernik odrzucił całkowicie feudalne koncepcje pieniądza

i wskazał, po raz pierwszy, zasady rodzącego się kapitalizmu.

Tak jak wszyscy wielcy ludzie Odrodzenia, Kopernik był artystą i po­

zostawił nam dwa autoportrety, jedyne oryginalne portrety Kopernika,

0 jakich dotychczas wiemy.

Naród polski, wyzwolony, obchodzi w tym roku 4.10-łecie śmierci

jednego z najsławniejszych swych synów, wielkiego uczonego i humanisty,

jednej z najwybitniejszych postaci historii ludzkości. Tak jak wszystkie

narody świata, naród brazylijski czci pamięć wielkiego oswobodziciela

myśli naukowej.

Dla naukowców i intelektualistów brazylijskich, Kopernik będzie

zawsze przykładem miłości do nauki i niezachwianego zaufania w rozum,

przykładem patriotyzmu i wiecznym źródłem natchnienia.

S. Paulo, grudzień 1953.

Przetłum aczył z portugalskiego Beniamin Zeibel

* *

*

P u bliku jąc n ader in teresu jący artyku ł prof. M. S chen berga z Sao-

Paulo, R ed akcja pragnie zaznaczyć, że je j opinia co do n iektóry ch zagad­

nień poruszonych w arty ku le jest inna niż autora. Autor w ielokrotn ie d aje

w yraz przekonaniu, iż głów nym i kry teriam i trafności teorii jest „prostota

1 harm onia m atem atyczn a1'. Uważa też, że dążenia do prostoty i harm onii

m atem atyczn ej były głów nym i m otyw am i tw órczości M ikołaja K opern ika,

K ep lera i w szystkich innych w ielkich tw órców astronom ii. Tym czasem ,

naszym zdaniem , niesłuszne jest w ogóle narzucanie naturze ja k ich k o lw iek

bądź w łaściw ości m atem atycznych. Po drugie niesłuszne w y d aje się przy­

pisyw anie tego rodzaju dążeń K opern ikow i, o którym J . R etyk napisał

coś w ręcz przeciw nego: ...„Mistrz m ój stosow ał ty lko tak ie hipotezy, które

były w stanie potw ierdzić słuszność o b s e r w a c y j w ieków m iniony ch “.

K op ern ik zaś, om aw iając hipotezy astronom ów starożytnych p od kreśla

rów nież, że zgodność z obserw acją traktu je ja k o kryteriu m naczelne tra f­

ności w szelkich hipotez:

...„gdyby stosow ane przez nich hipotezy nie były m ylne, w szystko co

z nich w ynika, pow inno było się s p r a w d z i ć“.

Zatem nie „prostota i harm onia m atem atyczn a11, lecz zgodność teorii

z ob serw acją uw ażał K op ern ik i uw ażam y m y dziś za głów ne kryteriu m

słuszności w szelkich teorii.

Za niesłuszne uw ażam y rów nież tw ierdzen ie autora, ja k o b y w czasach

K op ern ika „rezultaty obserw acyj zgadzały się z system em P tolem eu sza1'.

C hociażby na przykładzie ruchu K siężyca w iem y, że w cale tak nie było.

Postępy Astronomii T. II. z. 4

Zastosowanie elektroniki w astronomii

Część I I I

ELEKTRONOW E METODY PO M IA RU CZASU

Jednym z najważniejszych problemów astronomii obserwacyjnej, ma­

jącym również ogromne znaczenie zarówno dla innych nauk, jak i dla

życia gospodarczego i społecznego, jest problem wyznaczania i przecho­

wywania czasu. Według prawzorca czasu, danego przez ruch Obrotowy

Ziemi dokoła osi i według którego określona jest podstawowa jednostka

czasu naszego systemu miar: sekunda — wyznacza się z obserwacji astro­

nomicznych średni czas słoneczny; nazywać go tu będziemy czasem praw­

dziwym. Zagadnienie przechowywania czasu polega na wyznaczaniu czasu

pomiędzy obserwacjami astronomicznymi za pomocą wzorców pierwot­

nych; według ich wskazań wzorcuje się z kolei wzorce wtórne, czyli róż­

nego typu zegary używane do wyznaczania czasu w życiu codziennym.

Wzorce pierwotne winny być możliwie często porównywane z prawzor-

cem poprzez obserwacje astronomiczne.

Oznaczmy przez Tp czas prawdziwy wyznaczony" z prawzorca czasu,

a przez T,„ wskazania wzorca pierwotnego. Różnica między tym i czasami

U —Tp — Tw

zmienia się z upływem czasu zarówno skutkiem różnic jednostek, w któ­

rych oba te czasy mierzymy, jak i skutkiem niejednorodności upływu

czasu wzorca pierwotnego. Jeżeli różnice takie będziemy tworzyć każdego

•dnia, to wyrażenie

&

== ^ «+1

Un

nazywamy chodem dziennym wzorca pierwotnego. Na skutek wspomnia­

nych niejednorodności w upływie czasu wzorca pierwotnego chód ten nie

będzie m iał stałej w czasie wartości, lecz będzie się zmieniał według ja ­

kiejś funkcji, którą staramy się przedstawić w formie szeregu potęgowego:

g — g (t)= g 0+ at + bt2+ct3+ . .. +bg+w.

Stały wyraz tego szeregu g0 wynika z różnic między jednostkami czasu

prawzorca i wzorca pierwotnego; 5gf obejmuje wszystkie przypadkowe

zmiany chodu wzorca pierwotnego wynikające z trudnych do ujęcia wpły­

wów zewnętrznych, jak wpływ temperatury, ciśnienia powietrza,

wstrzą-170

sów, zmian stru ktu ralny ch w elem entach konstrukcyjnych wzorca; w yraz

w pochodzi z doświadczalnych błędów w ystępujących przy porów naniu

w skazań obydwóch wzorców. Przez utw orzenie średnich z w ielu w artości

chodu, czyli średniego chodu dziennego gm, możemy znacznie zmniejszyć

wartości 8g i w. Tak na przykład dla miesięcznych średnich chodu dzien­

nego w ma w artość około ± 0,0004 sek/d.

Od dobrego wzorca pierw otnego wymagam y, aby:

1) przypadkow e w ahania jego średniego chodu dziennego 8gm były

możliwie najm niejsze, a w każdym razie by były m niejsze od w artości

0,001 — 0,002 sek/d, odpowiadających stw ierdzonym wahaniom sezono­

wym czasu prawdziwego, które wynikać m ają ze zmian okresu obrotu

Ziemi dokoła osi;

2) zależność chodu wzorca od czasu przedstaw iona być mogła w moż­

liwie najdłuższym okresie czasu przez szereg potęgowy ze stałym i współ­

czynnikami.

Stosowane jako wzorce pierw otne czasu zegary wahadłowe typu

S h o r t t a , R i e f l e r a , czy w Z S R R — konstrukcji I. I. K w a r e n -

b e r g a , w ykazują przypadkow e w ahania średniego chodu dziennego

8gfm od ± 0,0024 sek/d do ± 0,0112 sek/d [1], a współczynniki w szeregu

przedstaw iającym zależność chodu od czasu zm ieniają swą w artość w sto­

sunkowo krótkim okresie czasu rzędu roku. Widzimy zatem, że zegary tego

typu nie spełniają naszych żądań staw ianych wzorcom pierw otnym czasu.

Ogromny postęp w budowie pierw otnych wzorców czasu uzyskano dopiero

w trzydziestych latach bieżącego w ieku dzięki zastosowaniu m etod elektro­

niki i w ykorzystaniu zjaw iska piezoelektrycznego w tzw. zegarach k w ar­

cowych.

Zegary kwarcowe

O rganem sterującym zegarów kw arcow ych jest lampowy generator

szybkozmiennych prądów elektrycznych o częstości bardzo dokładnie

utrzym ujem y przez drgający kwarc.

Rysunek 1 przedstaw ia blokowy schem at zegara kwarcowego [2], [3], [4],

Generator sterowany

A worcem D zielniki częstości

Rys. 1. Blokowy schemat zegara kwarcowego

Zegar synchroniczny

Zastosow anie e le k tro n ik i w astronom ii

171

Z egar ta k i sk łada się z trz e ch zasad­

niczych części:

1) g e n e ra to ra lam pow ego ste ro w a ­

nego d rg ający m kw arcem , w y tw a rz a ­

jącego p rąd zm ienny o częstości k il­

kudziesięciu tysięcy Hz,

2) dzielników częstości, k tó ry ch

celem je s t stopniow e obniżenie czę­

stości p rą d u w y tw arzan eg o przez ge­

n e ra to r do w artości kilkudziesięciu

lu b k ilk u se t Hz;

3) sto pn ia w yjściow ego z a w iera ją ­

cego synchroniczny zegar ele k try c z ­

ny, załączony przez w zm acniacz m o­

cy n a o statn i z dzielników częstości,

urządzenia do n ad aw an ia im pulsów ,

np. sekundow ych, i u rząd zen ia re je ­

stru jąc e , k tó re pozw ala na po ró w n a­

nie

z praw zorcem

lu b w zorcam i

w tórnym i.

O m ów im y kolejno poszczególne

elem en ty takiego zegara.

1) G e n e r a t o r k w a r c o w y [5].

Z asadniczym elem en tem g e n e ra to ra

kw arcow ego jest d rg ają cy kw arc.

D ziałanie jego polega na tzw . zjaw i­

sku p iezoelektrycznym , k tó re w y stę ­

p u je w pew nych ciałach k ry sta lic z ­

n ych ja k kw arc, tu rm a lin . R ysunek 2

p rze d staw ia k ry sz ta ł k w arcu . Oś Z

łączącą w ierzchołki ostrosłupów k ry ­

ształu n azyw am y osią optyczną, trz y

osie X, X', X" przechodzące przez

w ierzchołki sześciokątnego p rze k ro ju

Oś optyczna

> Z

Oś \ Oś

e le k try c z n o \ m echan iczn o

Rys. 2. Kryształ kwarcu i sposób wycięcia płytk i z kryształu

poprzecznego nazyw am y osiam i elek tryczn ym i, a trz y pro sto p ad łe do nich

osie Y, Y ', Y — osiam i m echanicznym i k ry sz ta łu . Jeżeli z k ry sz ta łu

takiego w y tn iem y p ły tk ę w zdłuż osi Y, ja k to w sk azu je ry su n e k 2, i p ły tk ę

ta k ą po ddam y ciśnieniu działającem u w k ie ru n k u osi Y, w ów czas m iędzy

płaskim i ściankam i p ro sto p ad ły m i do osi X w y stą p i napięcie elektryczne.

P rz y rozciąganiu p ły tk i w k ie ru n k u osi Y p o jaw ia się rów nież napięcie

o k ie ru n k u p rzeciw n y m niż p rzy ściskaniu. N a odw rót, jeżeli n a ścianki

p ły tk i załączym y pew n e napięcie elek tryczne, w ów czas w p ły tce w y stą p ią

172

A

Rys. 3. Typy drgań płytki kwarcowej

UsM

odkształcenia o kierunku zależnym od kierunku

przyłożonego napięcia. Zjawisko to nosi nazwę

zjawiska

piezoelektrycznego.

Przy nacisku

w kierunku osi optycznej

Z

zjawisko to nie wy­

stępuje.

Jeżeli na ścianki płytki kwarcowej przyło­

żymy napięcie elektryczne zmienne, wówczas

płytka wykonywać będzie drgania mechaniczne.

Jeśli częstość tych wymuszonych przez zmienne

napięcie drgań będzie równa częstości drgań

własnych płytki, określonej przez jej wymiary

i sposób wycięcia z kryształu, wówczas powstanie rezonans i amplituda

drgań znacznie się powiększy.

Płytki kwarcowe wykonywać mogą różne drgania, np. podłużne i po­

przeczne (rys. 3) z częstością podstawową lub częstościami odpowiadają­

cymi wyższym harmonicznym. Częstości drgań różnego typu są różne.

Pewne punkty płytki, tzw. punkty węzłowe, pozostają podczas drgań

w spoczynku.

Kwarc pobudzony do drgań impulsem elektrycznym lub mechanicznym

wykonuje drgania swobodne o częstości własnej i na elektrodach

przyło-Kryształ

Elektrody

Kwarc drga/qcy Równoważny obwód elektryczn y

Rys. 4. Obwód elektryczny równoważny drgającej płytce kwarcowej

żonych do jego ścianek pojawi się przy tym napięcie elektryczne zmienne

o tejże częstości. W idzimy stąd, że płytka kwarcowa zachowuje się analo­

gicznie jak drgający obwód elektryczny złożony z kondensatora i cewki

indukcyjnej. Równoważny płytce kwarcowej elektryczny obwód drgający

przedstawia rysunek 4.

Cj

oznacza pojemność elektryczną między elektro­

dami płytki, a

R, L, C

— opór rzeczywisty, indukcyjnOść i pojemność

równoważnego obwodu drgającego. Częstość własna drgań poprzecznych

płytki wyciętej prostopadle do osi

X

wynosi w przybliżeniu:

W

E

J

q d '

gdzie

E

oznacza moduł Younga (dla kwarcu

E -

7,9.1011 dyn/cm2),

o — gęstość (dla kwarcu = 2,65 g/cm:!)

d — grubość płytki w cm.

Z astosow anie elek tron ik i w astronom ii

173

Podstaw iając

w artości

liczbowe

otrzym am y

2 73

/o = ^ k H Z.

Równoważne płytkom kw arcow ym

elektryczne obwody drgające odzna­

czają się bardzo wysoką dobrocią Q

określoną stosunkiem energii drgań

w obwodzie

E

do energii stra t

A E

O

płytki kwarcowej *£

ą £

Dobroć tych obwodów w ynosi norm alnie kilkadziesiąt tysięcy a przy

szczególnie starannym w ykonaniu i umieszczeniu kw arcu w próżni celem

zm niejszenia oporów dochodzić może do kilkuset tysięcy.

P łytka kwarcow a np. o w ym iarach 2,75 X 3,33 X 0,636 cm posiada przy

drganiach poprzecznych następujące param etry charakteryzujące równo­

ważny obwód drgający:

L = 3,3 H, C== 0,042 pF, Ci = 5,8 pF, R = 4500 Q, /o = 430 kHz, Q = 23000.

Bardzo duże znaczenie ma sposób umocowania kw arcu. Różne typy

umocowań przedstaw ia rysunek 5. Sposób wskazany na rysunku 5a stosuje

się przy sztabkach kwarcowych w ykonujących drgania podłużne; przy

b ) E lektro d y Kwarc; [ E le k t r o d y / Kwarc

m

d)

c

Rys. 5. Różne sposoby umocowania

174

d rg an iach poprzecznych sto su je się jed e n ze sposobów p rzed staw io n ych

na ry su n k a c h 5b, c i d, p rzy czym w układzie b ele k tro d a górna um iesz­

czona je s t w pew nej odległości od p ły tk i, w układzie d e le k tro d y są doci­

skane do p ły tk i w punk cie w ęzłow ym drgań. Celem zm niejszenia oporów

i s tr a t energii, a zatem celem pow iększenia dobroci k w a rc u um ieszcza się

go zw ykle w b ańce szklanej, z k tó re j w ypom pow uje się po w ietrze (rys. 6).

Częstość d rg ań p ły tk i kw arcow ej zależy w p ew nym sto pn iu od tem p e ­

ra tu ry . A by uzyskać m ożliw ie dużą stałość częstości drgań, należy się s ta ­

rać p rzede w szystkim o m ak sym aln e

zm niejszenie tej zależności. M ożna to

uzyskać przez odpow iednie w ycięcie p ły t­

ki z k ry ształu . T ak np. d la w ycięcia ty p u

GT w skazanego n a ry su n k u 7 i stosow a­

nego w am ery k ań sk ich zegarach k w arco­

w ych [6] o trz y m u je m y zależność od tem ­

p e ra tu ry , k tó rą przed staw ia ry su n e k 8.

W te m p e ra tu rz e około 50 °C te m p e ra tu ­

row y w spółczynnik częstości w ynosi ża-

ledw ie 10—7 n a 1 °C. W zegarach k w a r­

cow ych P T R stosuje się sztabki kw arcow e

w ycięte w zdłuż osi elektryczn ej i w y ko ­

n u jąc e d rg an ia podłużne [7], Zależność

częstości d rg ań od te m p e ra tu ry dla ty ch

9. W pobliżu te m p e ra tu ry 36°C krzy w a

ta posiada p łask ie m ak sim u m a w spółczynnik te m p e ra tu ro w y częstości

ró w n y je s t zeru. Celem u zy sk ania bardzo dużej stabilności częstości należy

u trz y m y w a ć k w arc w stałej tem p e ra tu rz e . W ty m celu p ły tk ę w y cin a się

z k ry sz ta łu w ten sposób, aby p rzy te m p e ra tu rz e nieco wyższej od tem p e ­

r a tu r y otoczenia w spółczynnik te m p e ra tu ro w y częstości b ył ró w n y zeru,

i um ieszcza się ją w term o stacie u trz y m u ją c y m tę te m p e ra tu rę z d okładn o­

ścią do 0,01 czy n a w e t 0,001°C. W ten sposób uzyskać m ożna stabilność czę­

stości dochodzącą w k ró tk ic h odstęp ach czasu n a w e t do w artości 1 : 1010.

w

5

-5 -10

Rys. 8. Zależność częstości od temperatury dla płytki kwarcow ej typu GT Rys. 7. W ycięcie płytki typu GT

z kryształu kwarcu

Zastosowanie elektroniki w astronomii ]

75

Kwarc włącza się jako elem ent sterujący w obwód lampowego genera­

to ra prądów wysokiej częstości. Przy doborze układu połączeń takiego

generatora należy zwracać uwagę, aby układ możliwie mało oddziaływał

na częstość w łasną kwarcu. Najczęściej stosowany jest układ P i e r c e’a

przedstaw iony na rysunku 10. Sprzężenie między obwodem siatkowym,

w który włączony jest kwarc, a strojonym obwodem anodowym następuje

przez pojemność między siatką a anodą lampy. Obwód drgający w anodo­

wym obwodzie lam py w inien być przy tym nastrojony na częstość nieco

większą od częstości w łasnej kw arcu, tak aby przy tej ostatniej m iał opor­

ność indukcyjną.

Rys. 9. Zależność częstości od temperatury dla kwar­ ców stosowanych w zegarach kwarcowych PTR

W am erykańskich i angielskich zegarach kw arcow ych stosuje się inny

układ generatora typu M e a c h a m a [8], w którym kw arc włączony

w układ mostkowy sprzężony jest transform atorow o z samym generatorem .

Częstości prądów, w ytw arzanych przez generatory kw arcow e stosowane

w zegarach kwarcowych, wynoszą zwykle 60 lub 100 kHz, ponieważ przy

tych częstościach najłatw iej jest uzyskać dużą stabilność drgań. Kwarc,

a niekiedy naw et cały generator, zam knięty jest w term ostacie. Napięcia

służące do zasilania całego układu w inny być bardzo dobrze stabilizowane.

Rys. 10. Układ połączeń generatora kwar­ cowego Pierce’a

Rys. 11. Układ połączeń multiwibratora

176

2) D z i e l n i k i c z ę s t o ś c i . Generator w zegarze kwarcowym w y ­

twarza prądy zm ienne dość dużej częstości, 60 lub 100 kHz, gdy tym cza­

sem do pomiaru czasu potrzebujem y zasadniczo impulsów sekundowych

o częstości 1 Hz. Z drugiej strony, ze względu na to, że zegarów kwarco­

w ych używam y również często jako wzorców przy dokładnych pomiarach

częstości, pożądane jest posiadanie częstości o różnych wartościach pom ię­

dzy wartością częstości generatora kwarcowego a częstością 1 Hz. Z tych

w zględów pomiędzy generator a urządzenie wskazujące czas włączam y

układ służący do stopniowego obniżania częstości. Ponieważ za pomocą

takich urządzeń trudno jest obniżać bardzo niskie częstości, częstość gene­

ratora obniża się zw ykle do wartości od 100 do 1000 Hz i prądy tej częstości

w ykorzystuje się do napędzania silniczka synchronicznego wskazującego

czas.

Istnieje cały szereg układów służących do dzielenia częstości [9]. Naj­

częściej stosowanym układem jest układ multiwibratora. M ultiwibratorem

(rys. 11) nazywam y niestrojony wzmacniacz dw ustopniow y o sprzężonym

przez pojemność C w ejściu i w yjściu. Działanie takiego multiwibratora

najłatwiej przedstawić w oparciu o podane na rysunku 12 oscylogram y

przebiegów prądów i napięć. Jeżeli na siatce pierwszej lam py pojawi się

m ały impuls dodatni

(Us

i), to spowo­

duje on wzrost prądu anodowego

pierwszej lampy (Jat), a zarazem po­

w iększenie spadku napięcia na opo­

rze

R\

i zm niejszenie napięcia anodo­

wego

U

„i pierwszej lampy. Spow o­

duje to również obniżenie napięcia na

siatce lampy drugiej

U s2

,

któremu

towarzyszyć będzie zm niejszenie prą­

du anodowego

J„2

płynącego przez tę

lampę i wzrost napięcia anodowego

UB2.

Następnie poprzez opór

R s2

kon­

densator Ci rozładuje się powoli, na­

pięcie na siatce lam py drugiej

U

stopniowo wzrośnie i gdy osiągnie

pewną wartość, odpowiadającą odblo­

kowaniu lampy, prąd anodowy

J

nagle wzrośnie, napięcie anodowe

TJ

zmaleje. Pociągnie to za sobą nagłe

obniżenie napięcia siatkowego lampy

pierwszej

U s

, prąd anodowy

Ja

zma-

R ys.

12.

przebiegów

^eje i napięcie

Ua

wzrośnie, lam p\

i n a p ięć w m u ltiw ib ra to rze

zam ieniły tu sw e role. Zjawisko to

N a pięcie s ia tk i o d b lo k o w u jc ie la m pę ai t

W

r

r

/

Zastosowanie e le k tro n ik i w astronom ii

₁₇₇

po w tarzać się będzie periodycznie, a zatem u k ład ta k i będzie w y k ony w ał

d rg an ia elek try czn e p rzed staw io n e przez k rzy w ą o kształcie zbliżonym do

prostok ąta. Częstość ty ch drgań, w w y p ad k u gdy elem en ty obydw óch

stop ni są identyczne, w ynosi

Częstość d rg ań takiego m u ltiw ib ra to ra m ożem y synchronizow ać p rzy ­

łożonym n a siatk ę z zew n ątrz napięciem zm iennym w te n sposób, że sto ­

sun ek częstości sy n ch ro n izu jącej do częstości d rg ań m u ltiw ib ra to ra będzie

ró w n y stosunkow i liczb całkow itych. S y n ch ro n izacja ta polega n a tym ,

że sy n ch ro n izu jące napięcie zm ienne n a k ła d a się tu n a napięcie n a siatce

lam p y (rys. 13) i re g u lu je m o m en t odblokow ania lam p y w te n sposób, że

na jed no d rg an ie napięcia m u ltiw ib ra to ra p rzy p a d a całkow ita liczba d rg ań

napięcia synchronizującego. P rzez odpow iednie do b ran ie a m p litu d y n a ­

pięcia syn chronizującego m ożem y otrzym ać żądan e obniżenie częstości.

Rys. 13. Zasada synchronizacji drgań m ultiwibratora przez zew nętrzne napięcie zm ienne

W zegarach kw arcow ych stosuje się zw ykle obniżanie częstości w k ilk u

m u ltiw ib ra to ra ch , w każd y m o czynnik 10 (np. z częstości 105 Hz n a czę­

stość 102 Hz w trz e c h m u ltiw ib rato rach ). K rzyw a d r g a ń m u ltiw ib ra to ra

m a k s z ta łt zbliżony do p ro sto k ą ta i jest bogata w w yższe harm oniczne,

k tó re m ożna w y korzystać do pom iarów częstości.

Oprócz ty ch uk ładów sto su je się n iekiedy u k ład y inne, np. u k ład

przed staw io n y n a ry su n k u 14, w k tó ry m p rzy ob niżaniu n -k ro tn y m czę­

stości

f

w y tw a rz a się w g e n erato rze w yższych harm o n iczn y ch ( n — 1) —

harm on iczną d rg an ia o częstości w yjściow ej

f / n

i n a stę p n ie przez nałożenie

w m o du lato rze tej częstości n a częstość w ejściow ą

f,

o trz y m u je się częstość

Napięcie /

J

synchronizujqce \z nałożonym napięciem

^synchronizującym

f-

( « — 1) ^ _ /

n

n

178 A dam S trza łk o w sk i

M o d u la to r

In n y jeszcze u k ład zastosow a­

ny w zeg arach kw arcow y ch P IT

przed staw ia rys. 15.

W układzie

ty m oprócz g e n e ra to ra kw arco w e­

go m am y jeszcze g e n e ra to r pom oc­

niczy o częstości 750 Hz n ap ęd za­

jący zegar synchroniczny. N apię­

cie tego g e n e ra to ra odkształca się

w sp ecjaln y m w zm acniaczu od­

kształcający m i jego 80 h arm o nicz­

n ą o częstości 0,75 . 80 = 60 kHz,

p o rów nuje się z napięciem pocho­

dzącym z g e n e ra to ra kw arcow ego

rów nież o częstości 60 kHz. P rzy

w y stępow aniu różnic ty ch często­

ści p ojaw ia się napięcie o w artości

zależnej od w ielkości tej różnicy. N apięciem ty m po w zm ocnieniu k o ry g u ­

jem y częstość g e n e ra to ra pom ocniczego aż do zupełnego zniknięcia różnicy

częstości. W te n sposób, bez sp ecjaln y ch dzielników częstości, g e n e ra to r

k w arcow y re g u lu je częstość pom ocniczego g e n e ra to ra zasilającego zegar

synchroniczny.

Generator w y ż s z y c h J h a rm o n ic zn y ch

Rys. 14. Dzielnik częstości z generatorem harm onicznych

Generator

kwarcowy W zm acniacz D e te kto r

Wzmacniacz o d k sz ta lc a ja c y

G enerator p om ocn iczy

Rys. 15. Schem at blokowy układu do obniżania częstości stosowanego w zegarach kw arcowych PIT

3) S t o p i e ń w y j ś c i o w y . N apięcie n iskiej częstości, otrzy m an e

przez obniżenie w ysokiej częstości n ap ięcia pochodzącego z g e n e ra to ra

kw arcow ego, załączam y zw ykle poprzez w zm acniacz m ocy n a silniczek

Zastosowanie elektroniki w astronomii 179

synchroniczny. Stosuje się tu

przew ażnie takie same sil-

niczki jak w zwykłych syn­

chronicznych zegarach sie­

ciowych (rys. 16). Silniczek

ten posiada w irnik w for­

mie pełnego walca żelaznego

z pew ną liczbą zębów na ob­

wodzie. W irnik umieszczony

jest

pomiędzy uzębionymi

również biegunami stojąna.

Przez cewki naw inięte na

tych biegunach przepuszcza­

my prąd zmienny. Liczba

obrotów na sekundę takiego

silniczka zależy tylko od czę­

stości prądu zmiennego i licz-

by zębów w irnika

f

n =

-gdzie

f

oznacza częstość prądu, a z liczbę zębów w irnika. Jeżeli częstość

prądu nie ulega zmianie, silniczek ten obraca się ze stałą liczbą obrotów.

Silniczek taki, jak każdy silnik synchroniczny, nie rusza od razu po załą­

czeniu napięcia, lecz trzeba mu nadać, najpierw synchroniczną ilość

obrotów.

Jeżeli napięcie wyjściowe z ostatniego stopnia dzielnika częstości zegara

kwarcowego o częstości 1000 Hz załączymy na uzwojenie silniczka, któ­

rego w irnik ma 100 zębów, to silniczek ten będzie w ykonyw ał 10 obrotów

w sękundzie. Silniczkiem takim można by, jak w zwykłym zegarze syn­

chronicznym, poruszać za włączeniem odpowiedniej przekładni zębatej

wskazówki zegara. Zwykle jednakże, aby uniknąć niepotrzebnych stra t

energii, postępuje się inaczej. W irnik silniczka zaopatruje się mianowicie

w odpowiednie urządzenia kontaktow e dające np. im pulsy sekundowe

i dopiero tym i im pulsam i porusza się skokami wskazówki zegara. Oprócz

impulsów sekundowych silniczek taki nadawać może również im pulsy

inaczej rozmieszczone w czasie. Mianowicie dla porów nania wskazań ze­

gara z praw zorcem wygodnie jest otrzym ywać w prost z zegara im pulsy

w odstępach czasu rów nych sekundzie gwiazdowej. K ontakty nadające te

im pulsy urucham iane są przez silniczek poprzez przekładnię zębatą o sto­

sunku rów nym stosunkowi sekundy słonecznej i gwiazdowej. Okazuje się,

Adam Strzałkowski

że przekładnia j^ą x 3 3 9 aproksym uje ten stosunek z dostateczną dokład­ nością.

Silniczek synchroniczny zegara kwarcowego m ożna zaopatrzyć rów ­ nież w kontakty um ożliw iające automatyczne nadaw anie radiowych sygna­ łów czasu, np. rytmicznych. W tym celu należy posłużyć się jeszcze jedną przekładnią o stosunku 60/61. Przy takim autom atycznym nadaw aniu

ra-Rys. 17. Silniczek synchroniczny z urządzeniami kontaktowymi do nadawania sygnałów

diowych sygnałów czasu w ystępuje jednak pewna trudność. Mianowicie, skutkiem istnienia pewnego chodu zegara wskazania jego odbiegać będą od czasu prawdziwego o coraz to inne wartości. Zegar m usim y zatem, uzu­ pełnić pew nym urządzeniem um ożliw iający m w yrów nanie tych różnic. M ożna by to uzyskać przez odpowiednie przestawianie kontaktów nad ają­ cych im pulsy, bardziej celową okazała się jednak inna metoda. Obracając m ianow icie stator silniczka w kierunku jego ruchu lu b przeciwnie do tego kierunku, użyskać możem y zm ianę fazy jego ruchu, a zatem zm ianę wska­ zań zegara. Poniew aż silniczek taki w ykonuje np. 10 obrotów w ciągu 1 sek., zatem obrotowi statora o 360° będzie odpowiadać zm iana

nastawie-nia zegara o 0,1 sek. Widać stąd, że bez trudu uzyskać można w ten sposób

nastawienie wskazań zegara z dokładnością rzędu 10—* sek. Silniczki zega­

rów kwarcowych Obserwatorium Greenwich [10] posiadają jeszcze szereg

innych kontaktów pozwalających na automatyczne nadawanie różnego

typu sygnałów czasu, np. sygnałów BBC, czy sygnałów pocztowych (ze­

garynka) (rys. 17).

Zegary kwarcowe przewyższają znacznie pod względem dokładności

zegary wahadłowe. Ponieważ zegary te są zarazem generatorami wysokiej

częstości, mamy możliwość stałej kontroli ich chodu przez proste porów­

nanie częstości. Z badań przeprowadzonych w ciągu kilkunastoletniego

okresu stosowania zegarów kwarcowych w służbie czasu [1] okazało się, że

w krótkich odstępach czasu, rzędu doby, częstość ich nie ulega zmianom

większym od 10—9 częstości nominalnej, co odpowiada wahaniom chodu

zegara rzędu ±0,0001 sek/d. W większych okresach czasu, np. roku, wa­

hania te powiększają się nieco, utrzymując się jednak w granicach

:t

0,0001 sek/d do ± 0,001 sek/d. Funkcja chodu zegarów tych może być

przedstawiona w postaci

g

= g„ + at + bt

przy czym wartości współczynników a i b są bardzo małe i np. dla zegara

nr IV PTR dopiero po 1000 dobach dają różnicę 0,87 sek. Wartości tych

współczynników zachowują stałą wartość w ciągu długich, wieloletnich

okresów czasu.

Widzimy, że zarówno pod względem wielkości wahań chodu, jak i pod

względem stałości funkcji chodu, zegary kwarcowe przewyższają znacznie

najlepsze zegary wahadłowe. Z ich pomocą udało się stwierdzić np. sezo­

nowe zmiany ruchu obrotowego Ziemi. Stwierdzono mianowicie, że

w pierwszej połowie roku Ziemia obraca się wolniej dokoła swej osi niż

w drugiej połowie, przy czym wynikające z tych zmian wahania chodu

są rzędu 0,001 sek/d. Przy dotychczasowej dokładności nie można mieć

jednak nadziei na stwierdzenie wiekowych zmian ruchu obrotowego

Ziemi.

;

Zegary a tom ow e

Rozwój techniki mikrofal w ostatnich latach umożliwił zastosowanie

do sterowania zegarów kwarcowych mikrofalowych linii widmowych emi­

towanych lub absorbowanych przez atomy czy drobiny. Przed kilku laty

zbudowano pierwsze zegary oparte na tej zasadzie. Otrzymały one nazwę

zegarów atomowych. Korzyść, jaką spodziewano się przy tym osiągnąć,

w porównaniu z zegarami kwarcowymi, wynikać miała z niezależności

częstości odpowiadających tym liniom widmowym od czynników ze­

wnętrznych.

Zastosowanie elektroniki w astronomii

18

182

D o pnm p y próżniow ej i zbiornika z amoniakiem

Rys. 18. Komora absorpcyjna zegara atom owego z parami amoniaku

W zegarach tego ro d zaju do n a stro je n ia g e n e ra to ra d rg ań ele k try c z ­

nych na sta łą częstość posługiw ano się ab sorpcją m ikrofal przez atom y

czy d robiny. W pierw szy ch zegarach tego ty p u w y k o rzy stan o absorpcję

l'al o częstości 23870 MHz (długość fali około 1,25 cm) przez dro b in y am o­

niak u NH;J [12].

Z asadniczym elem en tem zegara atom ow ego z p a ra m i am o niak u jest

kom ora ab so rp cy jn a p rzed staw io n a n a ry su n k u 18. K om orę tę stanow i

Zastosowanie elektroniki w astronomii

183

falow ód m ied ziany o p rze k ro ju p ro sto k ą tn y m 1/2” X 1/4'' i długości 30 stóp

w yp ełnio n y p a ra m i am oniaku pod ciśnieniem 0,01 m m Hg. Jeżeli przez tę

kom orę przepuścim y falę o częstości zm iennej w pobliżu częstości rezo­

nansow ej 23 870,13 MHz, w ów czas w m o m entach przechodzenia przez tę

częstość rezonansow ą w y stąp i w kom orze silne po chłan ian ie fali przez dro ­

biny NH;j i n a d ete k to rz e w yjściow ym p ojaw i się o stry im puls.

Z egar ta k i je s t urząd zen iem b ardzo skom plikow anym . R ysunek 19

p rze d staw ia jego schem at blokow y [13]. G e n e rato r k w arcow y w y tw a rz a

d rg an ia elek try czn e o częstości 100 kHz. D rgan ia te są z jed n e j stro n y —

jak w n o rm aln y m zegarze k w arco w y m — obniżone do częstości 1000 Hz,

z d ru g iej stro n y częstość ich je s t podw yższona do w artości 270 MHz. D rg a­

nia o częstości 270 MHz zo stają zm ieszane z d rg an iam i o częstości 13,8 MHz

o zm odulow anej za pom ocą d rg ań rela k sac y jn y ch częstości w g ran icach

± 0,12 MHz, ponow nie pom nożone 11-krotnie, ta k że w w y n ik u o trz y m u ­

jem y d rg an ia o częstości 2983,8 + 0,12 MHz. W g e n erato rze w yższych h a r­

m onicznych w y b ie ra m y 8-m ą h arm o n iczn ą ty ch d rg ań o częstości 23870,4

MHz, zm iennej w g ran icach ± 0,96 MHz odpow iadającej ju ż częstości

rezonansow ej lin ii w idm ow ej am oniaku. F alę tę doprow adzam y do ko ­

m ory ab sorpcy jnej. < łdy częstość tej fali w czasie sw ych zm ian przechodzi

przez w artość częstości o d pow iadającą danej linii w idm ow ej, ab sorpcja

pow iększa się i o trz y m u je m y w d etek to rze im puls. D rug i pom ocniczy im ­

puls ste ro w a n y przez g e n e ra to r kw arcow y o trz y m u je m y przez zm ieszanie

d rg ań o częstości 12,5 MHz o db ierany ch z pierw szego m nożnika częstości

z d rg an iam i 13,8 ± 0,12 MHz.

Różnica w czasie m iędzy tym i dw om a im p ulsam i je s t m ia rą odchyłek

częstości g e n e ra to ra kw arcow ego od w artości nom inaln ej określonej przez

lin ię w idm ow ą am oniaku. Po p rzejściu przez d y sk ry m in a to r różnica ta

zo staje zam ieniona na im p ulsy napięcia służące do reg u la cji częstości g ene­

r a to ra kw arcow ego. W oltom ierz lam pow y służy do k o n tro li odchyłek czę­

stości.

S k u tk iem różnych zjaw isk, ja k zderzenia drobin am o niak u m iędzy

sobą i ze ścianam i ko m ory ab sorpcyjnej (efekt D o p p l e r a ) , o raz

sk u tk iem n a tu ra ln e j szerokości linii, lin ia w idm ow a am on iaku nie je s t zu­

pełn ie o stra, lecz nieco ro zm y ta f 14]. O dpow iadające tem u rozm yciu linii

rozm ycie częstości w ynosi około 4.10-8 częstości rezonansow ej, co pow o­

d u je w a h a n ia chodu zegara ± 0,004 sek/d. Z egary atom ow e z p a ra m i am o­

n iak u u stę p u ją w ięc znacznie pod w zględem dokładności dobrym zegarom

kw arcow ym .

W opraco w yw an y m obecnie in n y m ty p ie zeg ara atom ow ego [15] w yk o­

rzy stan o zjaw isko rezonansu jądrow ego dla atom ów cezu przy częstości

9192,54 MHz. E lem en t s te ru ją c y takiego zegara p rze d staw ia ry su n e k 20.

S tru m ie ń atom ów cezu w ysyłan y ch ze źródła

1

przechodzi w opróżnionej

do ciśnień 10~7 mm Hg komorze przez ogniskujące pola m agnetyczne 3 i 7,

dalej przez pola m agnetyczne zmienne 4 i 6 o częstości zmiennej w pobliżu

częstości rezonansowej i przez jednorodne stałe pole m agnetyczne 5. W wy­

padku rezonansu zmienia się m om ent m agnetyczny atomów, atomy te

zostają odchylone i usunięte ze strum ienia, a w detektorze 10 otrzym uje

]84

się impuls służący — podobnie jak w zegarze z param i amoniaku — do

regulacji częstości generatora kwarcowego.

Ponieważ rezonansowa linia widmowa jest tu bardzo wąska, niepew ­

ność częstości je st rów na około 10~10 częstości nom inalnej, co odpowiada

wahaniom chodu zegara rzędu ± 10—5 sek/d, dziesięciokrotnie mniejszym

niż dla najlepszych zegarów kwarcowych. Je st jednakże w ątpliwe, czy

uda się skonstruować zegary takie pracujące bez ppzerwy przez dłuższe

okresy czasu. W ydaje się raczej, że mogą mieć one zastosowanie tylko do

kontroli pracy zegarów kwarcowych.

Elektronowe chronografy i chronoskopy

W astronom ii spotykam y się często z zadaniem dokładnego wyznacze­

nia m om entu lub interw ału czasu, w których zachodzi pew ne zjawisko.

Zagadnienie takie w ystępuje już w samej służbie czasu przy porów nyw a­

niu z sobą dwu wzorców pierw otnych lub wzorca pierwotnego z praw zor-

cem. W wielu pom iarach astronomicznych, jak np. w obserwacjach zakryć

gwiazd przez Księżyc, które przy zastosowaniu metod fotoelektrycznych

można wykonywać z olbrzym ią dokładnością, w ynika konieczność bardzo

dokładnego wyznaczenia mom entu czasu.

Stosowane dotychczas metody subiektyw ne (np. m etoda ucha i oka

przy porów nywaniu zegarów czy przy obserwacji zakryć gwiazd przez

Księżyc) albo metody obiektyw ne przy użyciu chronografów, zapisujących

mechanicznie na taśm ie papieru nie są ani zbyt dokładne, ani zbyt pew ne

i wygodne w obsłudze. Pow odują one włączenie bądź to pewnego czynnika

subiektywnego, bądź urządzenia mechanicznego posiadającego dość dużą

bezwładność i ulegającego łatwo zmianom.

Dążenie do opracowania coraz dokładniejszych i czulszych m etod po­

m iaru skierowało również i w tym zagadnieniu uwagę na m etody elektro­

nowe. Opracowano cały szereg różnych typów chronografów czy

chrono-Zastosowanie elektroniki w astronomii

185

skopów elektro n ow ych , nie zaw ierający ch żadnych części m echanicznych

w chodzących w sposób isto tn y do p om iaru, a poza ty m d o kładnych i p ew ­

nych w obsłudze.

N ajp rostszy m i najw cześniej stosow anym ty p em ch ro n o grafu e le k tro ­

nowego jest chro n o g raf z neonów kam i. Na przesu w ającej się w sposób

ciągły taśm ie film ow ej re je s tru je się n a drodze fotograficznej m om enty

zapłonu dw óch neonów ek, załączanych za pom ocą przekaźników e le k tro ­

now ych przez k o n ta k ty sekundow e dw óch p orów nyw an ych z sobą zega­

rów, czy przez k o n ta k ty sekundow e zeg ara i sygnały radiow e.

P ew n ą m odyfikację tej m etod y stanow i zastosow anie zam iast neonów ek

d w u stru m ien io w ej lam py oscylograficznej. W ty m w y p ad k u sygnały po­

chodzące np. od p o ró w n y w any ch z sobą zegarów w yw oływ ać m ogą albo

odchylenia pionow e p lam k i n a ek ranie, jeżeli załą­

czone są n a p ły ty odch ylające lam py, albo też za­

palan ie się plam ek, jeżeli d ziałają n a elek tro d ę

reg u lu jąc ą jasność plam ki. P odobnie jak p rzy za­

stosow aniu neonów ek, re je s tra c ję p rzep ro w ad za­

m y tu na p rzesu w an ej w sposób ciągły przed e k ra ­

nem lam p y taśm ie film ow ej.

Zasadniczą w adę tego ty p u chronogram ów sta ­

now i jed n a k to, że odczyt nie je st m ożliw y n a ty c h ­

m iast, lecz w y m aga uprzedniego w yw ołania i op ra­

cow ania film u. Pow ażny postęp uzyskano tu przez

zastosow anie szybkoliczących liczników im pulsów

elek try czn y ch [16]. Liczniki takie, zw ane re d u k to ­

ram i im pulsów lub sk aleram i, opracow ano w zw ią­

zku z b ad an iam i w fizyce ją d ra atom ow ego w y ­

m agającym i liczenia dużej liczby szybko po sobie

n astę p u jąc y c h im pulsów pochodzących z liczników

cząstek [17], P rzypuśćm y, że za pom ocą takiego

licznika im pulsów chcem y porów nać w skazania

jakiegoś zegara z rad io w ym i sy g n ałam i czasu.

W ty m celu posłużym y się u rządzeniem , w k tó ry m

sygnał czasu załącza n a licznik im pulsów p rąd

zm ienny o częstości np. 10 kH z z zegara k w arco ­

wego, a sy gnał seku n do w y z zegara w yw oła w y ­

łączenie tego p rąd u . Licznik policzy n am liczbę

p ełny ch cykli załączonego p rą d u zm iennego w cza­

sie pom iędzy im pulsem załączającym i w yłącza­

jącym , czyli zm ierzy odstęp czasu m iędzy sygna- Ryg 2J ZeĘary kwarcowe

łem radiow y m a im pulsem z zegara w jed n o stk ach z iicznikami czasu w Obser-

rów nych okresow i zastosow anego p rą d u zm ień-

Adam Strzałkowski

nego, a zatem z dokładnością ± 0,0001 sek. Początkowo stosowano takie

liczniki liczące w systemie dwójkowym, których odczyt był niezbyt wy­

godny, obecnie opracowano również liczniki liczące w systemie dziesięt­

nym. Liczniki takie zastosowano np. w Obserwatorium Greenwich dla po­

równywania z sobą zegarów kwarcowych i porównywania wskazań zega­

rów kwarcowych z radiowymi sygnałami czasu nadawanymi przez inne

obserwatoria (rys. 21).

Pomysłowy chronoskop elek­

tronowy do porównywania z so­

bą zegarów lub zegarów z sy­

gnałami czasu zastosowano w In ­

stytucie im. Sternberga w Mo­

skwie [18]. Zasadę tego chrono-

skopu ilustruje rysunek 22. Sil-

niczek synchroniczny S napę­

dzany napięciem z generatora

kwarcowego o ćzęstości 1000 Hz

i wykonujący 10 obrotów na se­

kundę, obraca tarczę T z prze­

źroczystą skalą stopodziałkową

poprzez przekładnie o stosunku

1/10, tak że tarcza wykonuje

1 obrót w ciągu sekundy. Pod

tarczą znajduje się neonówka N

załączana na naładowany kon­

densator C przez przekaźnik P, uruchamiany przy zamkniętym kluczu A

przez kontakty pierwszego zegara. Stała czasu obwodu t

RC jest tak

dobrana, aby błysk neonówki przy załączeniu trwał około 1 msek. Jeżeli

zegar idzie równomiernie, przez okienko O będziemy widzieli stale tę samą

podziałkę skali. Wyłączając klucz A a włączając klucz B załączamy na­

stępnie przekaźnik na kontakty drugiego zegara lub sygnały radiowe.

Rozbłyski neonówki będą teraz wypadać na ogół przy innych położeniach

tarczy i w okienku O odczytamy inną liczbę. Różnica odczytanych liczb

podaje nam wprost różnicę wskazań obydwóch zegarów w częściach se­

kundy z dokładnością do 0,01 sek. Różnicę wskazań w minutach i sekun­

dach odczytujemy wprost z tarczy zegarów.

Rys. 22. Układ połączeń chronoskopu elektronowego konstrukcji A. A. Wodara

Z astosow anie elektron ik i w astronom ii

187

L I T E R A T U R A

[1] L. N. S t o y ko, Buli. Hor. 6, 25 (1936).

[2] A. J e 11 o n e k, M iernictw o radiotechniczne, PW N W -w a (1952).

[3] L. R h o d e , R. L e o n h a r d t , Z. f. H fr. u. El. Ak. 57, 90 (1941).

[4] J. K e l l e r , Przegl. El. N r 2, 3, 90 (1950).

|5] B. A. C m h p e

h h, CupaBOHHHK no pa^HOTexHHKe, I’oc3HeproH.'i«ai (1950).

[6] C. F. B o o t h , F. J. H. L a v e r , J. IEE 93, 228 (1946).

[7] A. S c h e i b e , U. A d e l s b e r g e r , Z. f. Hfr. u. El. Ak. 43, 37 (1943).

[8] L. A. M e a c h a m , Proc. IRE 26, 1278 (1938).

[9] M. L. D u q u e r o i x, Ann. Fr. de Chronom . 3, 145, (1949).

[10] H. M. S m i t h , B rit. Sci. News, 2, 169 (1949).

[11] A. S c h e i b e, Z. f. angew. Phys. 5, 307 (1953).

[12] H. L y o n s , NBS Techn. News Buli. 33, 17 (1949). NBS Techn. Rep. 1320. Horol.

Inst, of Am er. 4 (1949).

[13] II. 0. H e i H K . PaAHOTexmiKa if ajioKTpoimica

b

acTpoHOMim, Foc3Hepron3^aT

(1935).

[14] C. H. T o w n e s , J. app. Phys. 22, 1365 (1951).

[15] H. L y o n s , Proc. d. URSI, 8, II, 49 (1950).

[16] H. M. S m i t h , B rit. Sci. News 2, 207 (1949).

[17] J. M. M a s s a l s k i , Post. Fiz. 4, 170 (1953).