นาฬิกาอะตอม (atomic clock) เล็กที่สุดในท้องตลาด
Atomic clock is smallest on the market

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          นักวิจัยชาวสหรัฐอเมริกาได้พัฒนานาฬิกาอะตอมสำหรับการจำหน่ายทั่วไป ที่มีขนาดเล็กที่สุดในโลก มีชื่อว่า “นาฬิกาอะตอมชิปสเกลเอสเอ 45 เอส” (SA.45s Chip Scale Atomic Clock: CSAC) ซึ่งคุณอาจหาซื้อได้ในราคา 1500 ดอลลาร์อเมริกัน นาฬิกานี้แรกเริ่มเดิมทีพัฒนาขึ้นใช้ในทางทหาร มีขนาดเท่ากล่องไม้ขีด หนักราว 35 กรัม และกินไฟ 115 มิลลิวัตต์ ไม่ได้ใช้ดูเวลาอย่างที่พวกเราใช้กัน โดยทีมนักพัฒนาอ้างว่านาฬิกานี้ใช้งานได้กว้างขวาง ตั้งแต่การตัดสัญญาณจุดลูกระเบิดไปจนกระทั่งใช้ค้นหาน้ำมันนั่นเทียว

          นาฬิกาอะตอมใช้ควมถี่จำเพาะของการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนภายในอะตอม (electronic transition frequency) เป็นความถี่มาตรฐาน โดยนาฬิกาเดินแต่ละ “ติ๊ก” ก็คือการแกว่งกวัด (oscillation) ระหว่าง สองสถานะ (ระดับ) ของพลังงานภายในอะตอม ซึ่งการบังคับระดับพลังงานสองระดับที่ต้องการนั้น โดยทั่วไป เขาใช้ “วงวนป้อนกลับ” (feedback loop) สำหรับล็อกความถี่ของต้นกำเนิดแสง (light source) มาเป็นต้นกำเนิดพลังงาน ที่ทำให้อิเล็กตรอนเกิดการเปลี่ยนระดับพลังงานเอาไว้ วิธีนี้ทำให้สามารถสร้างความถี่มาตรฐานที่เสถียรได้

          นาฬิกาที่ว่านี้ได้รับการพัฒณาร่วมกันระหว่าง Symmetricom กับ Draper Laboratory และกับ Sandia National Laboratories ในสหรัฐอมเริกา ประกอบด้วยชั้นนอกเป็น “หีบห่อกายภาพ” ("physics package") ที่อัดแน่น ภายในมี กล่องเล็ก ๆ เรียกว่าเซลล์เรโซแนนซ์ (resonance cell) บรรจุด้วยอะตอมซีเซียม (caesium) ที่วางอยู่บนแผงวงจรไฟฟ้า และข้างบน-ข้างล่างของกล่องเป็นแผ่นให้ความร้อนแก่อะตอมซีเซียมเพื่อให้มีสถานะแก๊ส

การกล้ำสัญญาณด้วยคลื่นไมโครเวฟ (Modulating microwaves)
แสงเลเซอร์แบบวีซีเอสอีแอล (vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL) ถูกฉายผ่านเข้าไปในไอแก๊ส เพื่อกระตุ้นอะตอมซีเซียม ซึ่งควบคุมแสงเลเซอร์โดยการกล้ำสัญญาณ (modulation) ด้วยสัญญาณคลื่นไมโครเวฟ ที่ปล่อยออกมาจากวงจรรวม (chip) ให้เป็นลำแสงเลเซอร์เดี่ยวที่กระตุ้นอะตอมซีเซียม ณ พลังงานสองระดับที่ต้องการ จากนั้นไดโอดทำงานด้วยแสง (photodiode) จะทำหน้าที่ตรวจจับการแทรกสอด (interference) ที่เกิดจาก ความแตกต่างระหว่างพลังงานสองระดับ เกิดเป็น วงวนป้อนกลับ ที่ทำหน้าที่คอยปรับจำนวนโฟตอนที่อะตอมซีเซียม จะดูดกลืนไว้ให้พอดี ผลลัพท์คือ นาฬิกานี้จะบอกเวลาผ่านไปแต่ละ 1 วินาทีเมื่อนับสัญญาณสั่นของไมโครเวฟได้ 4596,315,885 รอบพอดิบพอดี

          หีบห่อกายภาพ “กันรั่ว” (seal) ด้วยระบบสุญญากาศ แล้วหุ้มอีกทีด้วยฉนวนแม่เหล็ก (magnetic shielding) จากนั้นจึงติดตั้งลงบนแผงวงจร (printed circuit board: PCB) และกันรั่วอีกชั้นไม่ให้ถูกอากาศ ซึ่งทั้งฝา และแผ่นฐานรองของชั้นกันรั่วนี้ยังทำหน้าที่ฉนวนแม่เหล็กเป็นชั้นที่สองด้วย

          ประสิทธิภาพการใช้พลังงานขององค์ประกอบทั้งหมดบนแผงวงจรได้จัดการให้กินไฟน้อยที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ กล่าวคือ วงจรรอบ ๆ “หีบห่อกายภาพ” กินไฟ 95 มิลลิวัตต์ และตัว “หีบห่อกายภาพ” เอง กินไฟประมาณ 10 มิลลิวัตต์ ทั้งนี้ สตีฟ ฟอสซี (Steve Fossi) ผู้อำนวยการฝ่ายพัฒนาธุรกิจของ Symmetricom บอกว่า เมื่อเผื่อความผิดพร่อง จากการผลิตแล้ว CSAC ก็ยังกินไฟทั้งหมดเพียง 115 มิลลิวัตต์

ประกายความคิดถือกำเนิดขึ้นที่ NIST
เมื่อปี 2004 ที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (US National Institute of Standards and Technology: NIST) ตั้งอยู่ที่เมือง Boulder มลรัฐโคโลราโด จอห์น คิตชิง (John Kitching) กับคณะได้เคยประดิษฐ์ นาฬิกาอะตอมชิปสเกลขนาดพกพา (portable chip-scale atomic clock) ที่มีขนาด กะทัดรัดที่สุดในขณะนั้น ซึ่งความแตกต่างกับอุปกรณ์ล่าสุดนั้น คิตชิงให้อรรถาธิบายว่า ผลิตภัณฑ์ชิ้นใหม่นี้ เป็นผลิตภัณฑ์ในเชิงพาณิชย์ของผลงานที่บุกเบิกโดยกลุ่มของเขาที่ NIST ในระหว่างปี 2001 – 2005 ทั้งนี้ “ในระหว่างนั้น Symmetricom ก็กำลังมีโครงการวิจัยที่ได้รับทุนคู่ขนานไปกับโครงการของเราจาก สำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงแห่งกระทรวงกลาโหม (Defense Advanced Research Project Agency: DARPA)”

          ในขณะที่นาฬิกาอะตอมของ Symmetricom และ NIST มีขนาดเท่า ๆ กัน แต่ข้อได้เปรียบสำคัญ ของนาฬิกาใหม่นี้ได้แก่การกินไฟน้อยกว่านาฬิกาอะตอมเชิงพาณิชย์ก่อน ๆ เป็นอย่างมาก เมื่อเปรียบเทียบ 115 มิลลิวัตต์กับนาฬิกาอื่น ๆ ที่กินไฟ 1 วัตต์ “นั่นคือ การใช้ประโยชน์ใหม่ ๆ ที่ต้องการความแม่นยำในการจับเวลา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเป็นงานที่ใช้แหล่งพลังงานจากแบตเตอรี่เท่านั้น” คิตชิงกล่าว

          “มีเทคโนโลยีของ DARPA เพียงไม่กี่อย่าง ที่ทำออกมาเป็นอุตสาหกรรมในเชิงพาณิชย์ อย่างเต็มรูปแบบ สำหรับการใช้ประโยชน์ทั้งสองด้าน (การทหารและการค้า) นี่จึงเป็นเรื่องใหญ่ทีเดียว” กิล เฮอเรรา (Gil Herrera) ผู้อำนวยการของ Sandia's Microsystems and Engineering Sciences Application centre กล่าว “แทบไม่น่าเชื่อ ว่าเดี๋ยวนี้ CSAC เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีฉลากข้อมูลพร้อมราคาเสร็จสรรพ”

          “ผลงานระหว่าง 3 องค์การไม่มีวันถูก ‘โยนทิ้งน้ำ’ ” ชาร์ลส์ ซัลลิแวน ผู้จัดการของ Sandia กล่าวด้วยสำนวน ที่แสดงถึงการแบ่งแยกหน้าที่กันทำอย่างสมบูรณ์ “เพราะมีความร่วมมือกันอย่างแนบแน่นตั้งแต่ต้นจนจบโครงการ”

การตัดสัญญาณระเบิดริมถนน
นาฬิกาอะตอมสามารถใช้หยุดการทำงานของระเบิดแสวงเครื่อง (improvised explosive devices: IED) หรือระเบิดริมถนน (roadside bombs) ที่จุดระเบิดแบบไร้สายชนวน แต่ใช้ทุกอย่างจุดชนวนตั้งแต่โทรศัพท์มือถือ ไปจนถึงเครื่องควบคุมระยะไกลจากของเด็กเล่น ระเบิดพวกนี้ทำให้หยุดการระเบิดได้โดยใช้เครื่องตัดสัญญาณ แบบเคลื่อนย้ายได้ (portable jammer) ซึ่งจะตัดสัญญาณการสื่อสารทั้งหมดในพื้นที่ อุปกรณ์นี้แก้ปัญหาระเบิดได้ก็จริง แต่ก็ตัดการสื่อสารทางวิทยุของหน่วยกู้ระเบิดไปด้วย ในขณะที่นาฬิกาอะตอม CSAC สามารถกำหนดเวลาได้แน่นอน ว่าจะตัดสัญญาณจุดระเบิดตอนไหน และยอมให้สัญญาณฝ่ายเดียวกันไม่ถูกตัด

          อุปกรณ์นี้ยังใช้ได้ในบริเวณที่สัญญาณตั้งเวลาจีพีเอส (GPS timing signals) ไปไม่ถึง เช่น ขณะดำน้ำทะเลลึก งานในเหมือง และงานวิจัยแผ่นดินไหว ที่เห็นได้ชัดเจนคือ นาฬิกานี้สามารถใช้ได้กับ ตัวรับรู้ใต้น้ำ (underwater sensors) ที่ใช้จับสัญญาณไหวสะเทือน (seismic signals) ที่ต้องจับเวลาได้แม่นยำ เพื่อการสำรวจหาแก๊สและน้ำมัน ซึ่งกรณีนี้ นาฬิกาที่ใช้กับตัวรับรู้ต้องแม่นยำ มีขนาดเล็ก และกินไฟต่ำมาก ๆ เพื่อให้ตัวรับรู้อยู่ใต้น้ำได้นาน ๆ ซึ่งนาฬิกาอะตอม CSAC กินไฟเพียง 10–20% ของนาฬิกาที่ใช้กับตัวรับรู้ในปัจจุบัน แต่การจับเวลาแม่นยำกว่ากัน ถึงร้อยเท่าตัว

จาก Atomic clock is smallest on the market โดย Tushna Commissariat http://physicsworld.com/cws/article/news/45951

โพสต์เมื่อ : 23 พฤษภาคม 2554