В Концерне «РТИ» начались испытания малогабаритных атомных часов

В Концерне «РТИ», специализирующемся на разработке и производстве высокотехнологичных продуктов и инфраструктурных решений с использованием собственных микроэлектронных технологий, создается опытный образец устройства временного и частотного обеспечения, который позволит сделать качественный шаг в разработке нового поколения малогабаритных атомных часов (МАЧ).

Сертифицированные образцы перспективных МАЧ должны появиться уже в 2018 году, а серийный продукт планируется запустить в продажу еще через два года.

Включая с утра навигатор, чтобы без пробок доехать до работы, мы редко задумываемся о том, как именно это обеспечивается. Сигнал для определения координат, смартфон получает со спутников ГЛОНАСС, находящихся на средневысотной круговой орбите. На высоте 19400 километров находятся несколько космических аппаратов, подающих сигнал. Время прохождения сигнала с нескольких спутников и позволяет определить, где именно находится ваш автомобиль, стоящий в пробке на Кутузовском. Для этого требуется подача сигналов со спутника с максимальной точностью. Расхождение даже в тысячную долю секунды внесет фатальную ошибку в позиционирование. Для этого внутри спутника используется несколько дублирующих друг друга часов, например на европейских аппаратах Gallileo их четыре штуки на каждый аппарат, двое основных, двое резервных. Сердце российских спутников «Глонасс-М», составляющих основу современной группировки, это цезиевые атомные часы.

Внутри таких часов атомы Цезия, у каждого из них электроны переходят со своего энергетического уровня на более высокий или низкий. Электрон может получать энергию из электромагнитного излучения, при каждом переходе поглощая или испуская электромагнитное излучение определенной частоты. За секунду такой электрон совершает более девяти миллиардов колебаний. Если точнее, то 9192631770. Атомные часы считающие колебания электрона, считаются самым точным механизмом из созданных людьми. За сутки такие часы уходят от точного времени всего на 1,8 наносекунды за 12 часов. То есть часы могут отстать либо опередить время на четыре миллиардных доли секунды за период немногим более одних суток. Нетрудно посчитать, что за десять лет работы спутника, отклонение от точного времени составит менее одной стотысячной боли секунды.

Атомные часы являются по своей сути квантовыми стандартами частоты, т. е. генераторами, частота которых точно определена и стабильна во времени. Стандартная частота такого генератора — 10 МГц (точнее 9192631770 Герц атом Цезия взятых за стандарт), но, при необходимости, она может быть и иной.

Данные устройства необходимы для корректного хранения шкалы времени автономными потребителями и также могут служить источниками эталонных сигналов при создании самых различных систем, построенных на измерениях частоты и времени.

Основные преимущества атомных часов, позволяющие использовать их в современных космических аппаратах это их легкость и компактность, а также очень низкий уровень энергопотребления. Питание для нескольких атомных часов легко обеспечивается стандартным отсеком солнечных батарей спутника. Кстати, на Международной космической станции (МКС) тоже есть атомные часы. С их помощью, удалось определить, что на борту МКС из-за высокой скорости время действительно течет медленнее, чем на Земле. Замедление времени, вызванное скоростью МКС, составляет -0,00003 секунды в день. Это совсем немного, чтобы выиграть одну секунду относительно земного времени, придется провести на орбите около 100 лет. Подобная точность измерения была бы невозможна без атомных часов.

В 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби предложил часы, созданные на основе технологии атомного пучка магнитного резонанса. К 1949 году Национальное бюро стандартов объявило о создании первых в мире атомных часов на основе считывания колебаний электронов молекулы аммиака, а к 1952 году — создала первые в мире атомные часы на основе атомов цезия, NBS-1.

В 1967 году в ходе тринадцатой Генеральной конференции по мерам и весам была определена система измерения секунды на основе вибраций в атоме цезия. В мировой системе хронометража не было точнее определения, чем это. NBS-4, самые стабильные в мире цезиевые часы, были созданы в 1968 году и использовались до 1990 года. Однако это были достаточно громоздкие и энергоемкие механизмы. Использовать их в космических аппаратах было сложно, требовалась миниатюризация всего механизма.

Впервые МАЧ в современном понимании этого слова были разработаны в США в начале этого века и выпущены на рынок несколько лет назад фирмой Symmetricom, приобретенной позднее компанией Microsemi. Свое устройство с объемом в 17 см3 (это в два раза меньше, чем большинство современных пятидюймовых смартфонов) и энергопотреблением в 120 мВт американцы назвали CSAC (Chip Scale Atomic Clock -атомные часы размером с микросхему). Эта аббревиатура в России форматировалась в МАЧ. Такие часы были в тридцать раз меньше, чем стандартные рубидиевые атомные часы прошлого поколения. Энергопотребление же уменьшилось более чем в сто раз.

Для создания российских малогабаритных атомных часов, концерну РТИ пришлось проделать серьезную работу. Для организации производства необходима тесная кооперация с разработчиками интегральных микросхем и лазеров, излучающих с поверхности (чаще их называют вертикально излучающие лазеры, VCSEL). Без этой технологии создание современных атомных часов просто невозможно.

Для обеспечения полной производственной цепочки по созданию российских атомных часов в структуре дочерних компаний Концерна «РТИ» есть множество компаний занимающихся высокоточной электроникой. Среди них — лидер российской микроэлектроники ПАО «Микрон», а также единственный в нашей стране промышленный изготовитель вертикально-излучающих лазеров (VCSEL)компания «Коннектор Оптикс». Также специально под этот проект был организован Центр научной и технической компетенции по атомным часам — АО «Лазертех», — рассказывает генеральный директор Концерна «РТИ» Игорь Бевзюк.

Создание МАЧ стало возможным именно благодаря появлению в мире вертикально-излучающих лазеров и развитию современной электронной компонентной базы. Сам физический эффект, который реализуется в МАЧ, известен уже около 30 лет и называется эффектом когерентного пленения населённостей (КПН). Его использование позволяет отказаться от необходимого в классической конструкции СВЧ резонатора. При частоте СВЧ около 7-9 ГГц, длина такого резонатора составляет около 2 см, что накладывает ограничение «снизу» на характерный размер так называемого квантового дискриминатора — блока устройства, непосредственно в котором реализуется физический эффект. Эффект КПН подразумевает модуляцию источника оптического излучения на половине рабочей частоты СВЧ, и именно поэтому его практическое применение стало возможным лишь с появлением полупроводниковых лазеров типа VCSEL.

Помимо широкой полосы модуляции, эти лазеры отличаются также большим ожидаемым сроком службы (в десятки тысяч часов), устойчивостью к внешним механическим воздействиям и принципиально одномодовым режимом генерации. И, конечно, экстремально низким энергопотреблением, которое составляет лишь несколько мВт для лазера вместе со всей управляющей электроникой. В классических устройствах для оптической накачки применяются газоразрядные лампы, энергопотребление которых составляет 8-10 Вт. Использование лазера одновременно позволяет уменьшить энергопотребление и реализовать в устройстве эффект КПН, который, в свою очередь, убирает принципиальные ограничения на размер устройства. В результате — становится возможным создать МАЧ.

По словам руководителя проектов проектного центра Концерна «РТИ» Евгения Лобашова, в целом ряде электронных приложений МАЧ могут заменить собой используемые кварцевые генераторы и качественно улучшить работу соответствующих систем. Например, МАЧ могут быть использованы в навигационной аппаратуре малых БПЛА, что сделает короче необходимые сигналы связи при определении собственного местоположения по сигналам ГЛОНАСС и повысит безопасность передачи сигналов управления на БПЛА.МАЧ, которые разработаны в Концерне «РТИ» уже превосходят классические стандарты по энергопотреблению (~500 см3 и 2 Вт), но пока не достигают уровня американских CSAC.

— Мы ставим перед собой цель выйти в ближайшее время на показатели объема и энергопотребления в 100 см3 и 200 мВт соответственно. При этом дополнительные по сравнению с CSAC объем и энергопотребление должны помочь нам выиграть в качестве продукта: мы ожидаем лучшие показатели временной стабильности сигнала и существенной меньший уровень его фазовых шумов, — говорит генеральный конструктор — директор по НИОКР АО «Лазертех» Александр Кузнецов.

Проект создания перспективных МАЧ реализуется в Концерне «РТИ» с 2015 года и сейчас уже находится на завершающей стадии. Данная работа является примером развития стандарта частоты в сторону устройства временного и частотного обеспечения (УВЧО). Это уже не совсем атомные часы, а гораздо более сложное и комплексное устройство.

В отличие от обычных атомных часов, устройство временного и частотного обеспечения генерирует множество различных частотных сигналов, формирует, хранит и предоставляет потребителям шкалу времени в различных форматах, осуществляет синхронизацию собственной шкалы времени со шкалой времени ГЛОНАСС/GPS, а также может выступать в роли NTP сервера для вычислительных средств. Оно более стабильно, чем малогабаритные атомные часы и более удобно по параметрам спектральной частоты сигнала. — поясняет научный сотрудник АО «Лазертех» Виталий Шутов.Но если заглянуть внутрь каждого такого устройства, мы обнаружим его маленькое, но удивительно точное сердце размером с атом. На всей нашей планете пока не нашлось более точного способа определения времени, чем невидимый глазу электрон, каждую секунду колеблющийся с частотой 9192631770 колебаний.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.