ساعة ذرية بمقياس الشريحة
ساعة ذرية بمقياس الشريحة (CSAC) هي ساعة ذرية مدمجة ومنخفضة الطاقة تم تصنيعها باستخدام تقنيات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) وتتضمن ليزر أشباه الموصلات منخفض الطاقة كمصدر للضوء. تم عرض أول حزمة فيزياء CSAC في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ( NIST ) في عام 2003، [1] بناءً على اختراع تم إجراؤه في عام 2001. [2] تم تمويل العمل من قبل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية (DARPA) بهدف تطوير ساعة ذرية بحجم شريحة دقيقة لاستخدامها في المعدات المحمولة. ومن المتوقع أن توفر في المعدات العسكرية موقعًا محسنًا ووعيًا بموقف ساحة المعركة للجنود الراجلين عندما لا يكون نظام تحديد المواقع العالمي متاحًا، [3] ولكن من المتوقع أيضًا العديد من التطبيقات المدنية. بدأ التصنيع التجاري لهذه الساعات الذرية في عام 2011. [4] يبلغ حجم CSAC، أصغر ساعة ذرية في العالم، 4 × 3.5 × 1 سم (1.5 × 1.4 × 0.4 بوصة)، ويزن 35 جرامًا، ويستهلك 115 ميغاواط فقط من الطاقة، ويمكنه الحفاظ على الوقت في حدود 100 ميكروثانية في اليوم بعد عدة سنوات من التشغيل. وقد أظهر المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في عام 2019 تصميمًا أكثر استقرارًا يعتمد على اهتزاز ذرات الروبيديوم . [5]
كيف يعمل
مثل غيرها من الساعات الذرية للسيزيوم، تحافظ الساعة على الوقت من خلال إشارة ميكروويف دقيقة تبلغ 9.192631770 جيجاهرتز تنبعث من انتقالات دوران الإلكترون بين مستويين للطاقة فائقي الدقة في ذرات السيزيوم-133 . تحافظ آلية التغذية الراجعة على مذبذب بلورة الكوارتز على الشريحة مقفولاً على هذا التردد، والذي يتم تقسيمه بواسطة عدادات رقمية لإعطاء إشارات ساعة تبلغ 10 ميجاهرتز و1 هرتز مقدمة إلى دبابيس الإخراج. على الشريحة، يتم تسخين معدن السيزيوم السائل في كبسولة صغيرة 2 مم، مصنوعة باستخدام تقنيات التصنيع الدقيق للسيليكون، لتبخير المعدن القلوي. يسلط ليزر أشباه الموصلات شعاعًا من ضوء الأشعة تحت الحمراء المعدل بواسطة مذبذب الميكروويف عبر الكبسولة على كاشف ضوئي . عندما يكون المذبذب عند التردد الدقيق للانتقال، يتم تقليل الامتصاص البصري لذرات السيزيوم، مما يزيد من خرج كاشف الضوء . يتم استخدام خرج الكاشف الضوئي كإشارة راجعة في دائرة حلقة مقفلة التردد للحفاظ على المذبذب عند التردد الصحيح.
تطوير
تبلغ حجم الساعات الذرية التقليدية التي تعمل بخلية بخارية حجم مجموعة أوراق اللعب، وتستهلك حوالي 10 وات من الطاقة الكهربائية وتكلف حوالي 3000 دولار. تطلب تقليص حجمها إلى حجم شريحة أشباه الموصلات تطويرًا مكثفًا والعديد من الاختراقات. [6] كان جزء مهم من التطوير هو تصميم الجهاز بحيث يمكن تصنيعه باستخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات القياسية حيثما أمكن ذلك، للحفاظ على تكلفته منخفضة بما يكفي ليصبح جهازًا في السوق الشامل. تستخدم ساعات السيزيوم التقليدية أنبوبًا زجاجيًا يحتوي على السيزيوم، والذي يصعب صنعه بحجم أصغر من 1 سم. في CSAC، تم استخدام تقنيات MEMS لإنشاء كبسولة السيزيوم بحجم 2 مليمتر مكعب فقط. مصدر الضوء في الساعات الذرية التقليدية هو مصباح تفريغ بخار ذري من الروبيديوم ، والذي كان ضخمًا ويستهلك كميات كبيرة من الطاقة. في CSAC، تم استبداله بالليزر الباعث للسطح ذي التجويف الرأسي بالأشعة تحت الحمراء (VCSEL) المصنوع على الشريحة، مع شعاعه يشع لأعلى في كبسولة السيزيوم الموجودة فوقه. كان التقدم الآخر هو التخلص من تجويف الميكروويف المستخدم في الساعات التقليدية، والذي كان حجمه يساوي طول موجة تردد الميكروويف، حوالي 3 سم، مما شكل الحد الأدنى الأساسي لحجم الساعة. [6] أصبح التجويف غير ضروري من خلال استخدام تقنية الكم، محاصرة السكان المتماسكة .
التسويق
حقق برنامج CSAC تخفيضًا في الحجم بمقدار مائة ضعف مع استخدام طاقة أقل بمقدار 50 مرة من الساعات الذرية التقليدية، مما أدى إلى استخدام CSAC على نطاق واسع في التطبيقات العسكرية والتجارية. [7] [8] وفقًا لتقرير صادر في أكتوبر 2023، من المتوقع أن ينمو سوق CSAC بمعدل نمو سنوي مركب "ملحوظ" (CAGR) من عام 2023 إلى عام 2030. [9] تشمل الجهات التجارية الرئيسية Microsemi ( Microchip Technology )، وTeledyne ، وChengdu Spaceon Electronics، وAccuBeat. [9] [10]
روابط خارجية
NIST على الشريحة
مراجع
- ^ Knappe, Svenja; Shah, Vishal; Schwindt, Peter DD; Hollberg, Leo; Kitching, John; Liew, Li-Anne; Moreland, John (2004-08-30). "ساعة ذرية مصنعة بدقة متناهية". رسائل الفيزياء التطبيقية . 85 (9): 1460–1462. رمز Bibcode :2004ApPhL..85.1460K. doi :10.1063/1.1787942. ISSN 0003-6951. S2CID 119968560.
- ^ ليو هولبيرج وجون كيتشينج، معيار التردد المصغر القائم على الإثارة البصرية الكاملة ووعاء احتواء مُجهز بالميكروميكانيكا، براءة اختراع الولايات المتحدة 6,806,784 B2 ، تم استرجاعها في 2018-10-10
- ^ "ساعة ذرية مصغرة لدعم الجنود في غياب نظام تحديد المواقع العالمي". Defense-Aerospace.com . مؤرشف من الأصل في 2018-10-11 . تم الاسترجاع في 2020-04-19 .
- ^ جونز، ويلي د. (16 مارس 2011). "ساعة ذرية بمقياس الشريحة". IEEE Spectrum . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . تم الاسترجاع في 2 فبراير 2017 .
- ^ "فريق المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا يستعرض قلب الساعة الذرية بحجم الرقاقة من الجيل التالي". المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 17 مايو 2019.
- ^ ab Kitching, John (2018). "Chip-scale atomic devices". Applied Physics Reviews . 5 (3): 031302. Bibcode :2018ApPRv...5c1302K. doi : 10.1063/1.5026238 . ISSN 1931-9401.
- ^ "قصة نجاح: ساعة ذرية بحجم الشريحة". المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 2020-12-02.
- ^ تقييم أربعة أقسام لمختبر القياسات الفيزيائية في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. مطبعة الأكاديميات الوطنية. 2018. doi :10.17226/25281. ISBN 978-0-309-48545-6تم الاسترجاع في 7 يونيو 2024 .
{{cite book}}:|website=تم تجاهله ( مساعدة ) - ^ "سوق الساعة الذرية العالمية على نطاق الرقاقة (CSAC) حسب النوع (الحجم: أقل من 4.2 سم، الحجم: 4.2 سم-4.5 سم)، حسب التطبيق (عسكري، تجاري)، حسب النطاق الجغرافي والتوقعات". verifiedmarketreports.com . أكتوبر 2023 . تم الاسترجاع في 5 يونيو 2024 .
- ^ "Chip Scale Atomic Clock (CSAC) | Microsemi". www.microsemi.com . تم الاسترجاع في 2018-10-08 .
