309
ตั้งแต่วันที่ 20 พฤษภาคม 2562 เป็นต้นมา ได้มีการกำหนดค่าเชิงตัวเลข (numerical value) ให้กับค่าคงตัวทางฟิสิกส์ (physical constant) ทั้ง 7 ตัว
ในส่วนของ “เวลา (time)” ที่มีหน่วยฐานคือ วินาที (second, s) ได้รับการนิยาม โดยกำหนดให้ “ความถี่ของการเปลี่ยนชั้นพลังงานไฮเปอร์ไฟน์ของสถานะพื้นที่ไม่ถูกรบกวนของอะตอมซีเซียม 133 มีค่า 9 192 631 770 Hz” ซึ่งเป็นการนิยามโดยอ้างอิงกับธาตุทางวิทยาศาสตร์ คือ ธาตุซีเซียม (Caesium) ที่มีค่าความเสถียร ผิดพลาด 1 วินาที ต่อ 100 ล้านปี และสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติได้ใช้นาฬิกาอะตอมซีเซียม เป็นมาตรฐานเวลาและความถี่ของประเทศไทย (UTV[NIMT])
แหล่งกำเนิดเวลาและความถี่มาตรฐานประเทศไทย (Ceasium clock and Hydrogen frequency standard)
อย่างไรก็ดี นักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์ ค้นพบว่า ยังมีธาตุที่มีค่าความเสถียรแม่นยำกว่าซีเซียมอีกหลายตัว เช่น อิตเทอร์เบียม (Ytterbium, Yb), ลูทีเชียม (Lutitium, Lu) หรือ สตรอนเชียม (Strontium; Sr) เป็นต้น จึงได้มีการทำวิจัยในหลายประเทศชั้นนำทั่วโลก รวมถึงประเทศไทย เพื่อร่วมเป็นส่วนหนึ่งในการกำหนดนิยามใหม่ของ “วินาที” โดยใช้นาฬิกาอะตอมเชิงแสง (Optical Atomic Clock) ซึ่งมีความเที่ยงตรงแม่นยำกว่านาฬิกาอะตอมซีเซียมที่ใช้กันทั่วโลกในปัจจุบันถึง 10,000 เท่า
สิ่งประดิษฐ์และชิ้นงานชุดนี้
เป็นระบบที่พัฒนาขึ้น เพื่อใช้ในการสร้างนาฬิกาอะตอมเชิงแสง (optical atomic clock) ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ ในการวิจัยด้านเทคโนโลยีควอนตัมได้ ประกอบด้วย ชิ้นงานต้นแบบ 4 ชุดดังนี้
ต้นแบบอุปกรณ์ขับ Piezo actuator
เพื่อใช้ปรับความถี่ของเลเซอร์ที่มีความเสถียรสูง (Ultra-High Stability Laser) โดยอุปกรณ์จะจ่ายความต่างศักย์ 0-150 V ให้กับ Piezo เพื่อปรับความถี่ของเลเซอร์แบบ External Cavity Diode Laser โดยวงจรที่ออกแบบขึ้น จะมีการตัดสัญญาณรบกวนที่ความถี่สูง และสร้างวงจร PID เพื่อลดสัญญาณรบกวนที่ความถี่ต่ำ ซึ่งมีมากในห้องปฏิบัติการ เช่น การสั่นไหวของอาคาร เสียงจากเครื่องมือ หรือเสียงคนสนทนากัน เป็นต้น
ต้นแบบอุปกรณ์
Linear Quadrupole Trap
สำหรับการกักขังไอออน
การสร้างนาฬิกาอะตอมเชิงแสงด้วยไอออนของธาตุ Ytterbium จำเป็นที่จะต้องกักขังไอออน โดยอาศัยหลักการง่าย ๆ ของแรงที่เกิดขึ้นบนจุดประจุเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า ในแนวแกนตามยาวจะใช้แผ่นอิเล็กโทรด 2 แผ่นที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก และในแกนตามขวางจะใช้แกนอิเล็กโทรดจำนวน 4 แกน โดยจ่ายศักย์ไฟฟ้ารูปคลื่นไซน์ในแนวทะแยงมุมคู่หนึ่ง ส่วนอีกคู่หนึ่งจะเป็นกราวนด์ซึ่งจะทำให้เกิดหลุมพลังงานศักย์ลักษณะพาราโบลา
ต้นแบบอุปกรณ์นับจำนวนพัลส์จาก Photomultiplier Tube ด้วย FPGA
Photomultiplier Tube ส่งข้อมูลออกมาเป็นสัญญาณพัลส์ ในการอ่านค่าทำโดยการนับจำนวนพัลส์ที่ส่งออกมาด้วยวงจร Decode Counter ซึ่งทำหน้าที่แปลงจำนวนพัลส์เป็นข้อมูลบิต (Bit) และใช้ JK Flip Flop เป็นพื้นฐานในการเขียนโปรแกรม โดยจะใช้ JK Flip Flop จำนวน 24 ชุด หรือ 224 (16,777,216) พัลส์ จากนั้นข้อมูลจะถูกแปลงเป็นเลขฐานสิบ และนำไปแสดงผล โดยสามารถกำหนดเวลาในการรีเซ็ตข้อมูลทุกๆ 0.01 ถึง 1 วินาที
ระบบถ่ายภาพไอออนกำลังขยายสูง
Electron Multiplier Charge-Coupled Device (EMCCD) มีความสามารถในการตรวจวัดแสงที่มีปริมาณน้อย ๆ จึงนิยมนำมาใช้ในการถ่ายภาพไอออน หรืออะตอมเดี่ยว ซึ่งจะต้องใช้ควบคู่กับชุดเลนส์ เพื่อเพิ่มกำลังขยายภาพ เนื่องจากไอออนมีขนาดเล็กมาก โดยปกติที่ระยะประมาณ 50 ไมโครเมตร จะสามารถมีไอออนได้ 3 ถึง 5 ตัว โดยจะมีระยะระหว่างไอออนประมาณ 10 – 20 ไมโครเมตร ชุดเลนส์ที่ใช้มีความยาวโฟกัสประมาณ 75 มิลลิเมตร ภายในท่อเลนส์จะมีแผ่นกรองแสง และแผ่นปรับรูรับแสงขนาดต่างๆ เพื่อลดแสงรบกวนจากภายนอก
ผู้ใช้ประโยชน์
ห้องปฏิบัติการวิจัย, นักวิจัยควอนตัม
เจ้าของผลงาน
ดร.ปิยพัฒน์ พูลทอง และ ดร.รัฐกร แก้วอ่วม
กลุ่มงานมาตรฐานปฐมภูมิไฟฟ้า เวลาและความถี่ ฝ่ายมาตรวิทยาไฟฟ้า
NIMT แจกฟรี EBook “นวัตกรรมมาตรวิทยา 2562-2564” หนังสือเล่มนี้ได้รวบรวมผลงานนวัตกรรมของ มว. ในช่วงระหว่างปีงบประมาณ พ.ศ. 2562 ถึง 2564 ไม่ว่าจะเป็นนวัตกรรมเครื่องมือวัด หรือระบบการวัดต้นแบบ ที่มุ่งเน้นพัฒนาขีดความสามารถทางการวัด เพื่อช่วยยกระดับคุณภาพงานวิจัยให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น นอกจากนั้นยังมีนวัตกรรมด้าน Software ที่มุ่งเน้นการเพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการสอบเทียบ ซึ่งจะช่วยยกระดับให้อุตสาหกรรมการผลิตและบริการสามารถต่อยอดไปสู่ธุรกิจนวัตกรรมได้ต่อไป
Click ที่ภาพ เพื่ออ่านหรือดาวน์โหลด PDF
จัดทำโดย
ส่วนประชาสัมพันธ์ กลุ่มงานสื่อสารองค์การ
Picture Credit: www.freepik.com