SPECTRUM INSTRUMENTATION tarafından geliştirilen PXIe formatındaki keyfi dalga biçimi üreteci (AWG) kartları, Almanya’nın ulusal metroloji enstitüsü Physikalisch-Technische Bundesanstalt’ın (PTB) sezyum çeşme saatlerinde lazer kontrolünü dijital ortama taşıyor. Atomların soğutulması, yukarı fırlatılması ve algılanması için gereken sinyalleri üreten kartlar, saatlerin yeni kontrol düzeninde önemli bir rol üstleniyor.
Dünya genelinde yüzlerce atomik saat, Uluslararası Atomik Zaman’ın (TAI) oluşturulması için sürekli karşılaştırılıyor. PTB, dünyanın önde gelen sezyum çeşme saatlerinden CSF1 ve CSF2 ile bu sürece katkı sağlıyor. Bu iki saat, ulusal referans zaman ölçeği UTC (PTB)’yi yönlendiriyor; PTB’nin zaman hizmetlerinin ve Almanya genelindeki yasal saatin temelini oluşturuyor. Saatlerden demiryollarına, hava trafiğinden haberleşme, yayıncılık ve bilgisayar sistemlerine kadar çok sayıda uygulamanın eşzamanlanması bu altyapıya dayanıyor.
Saniyenin atomik temeli
Sezyum çeşme saatleri, sezyum atomlarının kuantum davranışından yararlanıyor. Bir saniye, sezyum-133 atomunun temel durumundaki iki enerji seviyesi arasındaki geçişe karşılık gelen ışınımın tam 9.192.631.770 periyodunun süresi olarak tanımlanıyor. Vakum odasındaki aşırı soğuk atom bulutu, Ramsey mikrodalga kavitesinden iki kez geçiyor. Ardından atomların son durumu, lazerle uyarılan floresans spektroskopisiyle ölçülüyor.
Lazerlerle birkaç mikrokelvine soğutma
PTB’nin Zaman ve Frekans Bölümü’nden Dr. Johannes Rahm’ın aktardığına göre, ölçümden önce aşırı soğuk bir atom bulutunun hazırlanması gerekiyor. Bunun için CSF1’de manyeto-optik tuzak, CSF2’de ise optik melas yöntemi kullanılıyor. Her iki yöntemde de belirli bir geometrik düzende hizalanan lazerlerin frekansı, sezyum-133’ün optik geçiş frekansının biraz altına ayarlanıyor.
Atomların kalan termal hareketi nedeniyle lazer ışığı, atomların referans çerçevesinde Doppler etkisiyle geçiş frekansına kayıyor. Lazer fotonlarının soğurulması ve momentumun korunumu sonucunda atomlar yavaşlıyor; böylece bulut birkaç mikrokelvin sıcaklığa kadar soğutuluyor.
Her 1,2 saniyede yeni ölçüm
Lazerler arasındaki küçük bir frekans farkı, atom bulutunu havaya atılan bir top gibi yukarı doğru itiyor. “Çeşme” etkisi bu hareketle oluşuyor: Atomlar Ramsey kavitesinden önce yükselirken, ardından yerçekimi etkisiyle düşerken geçiyor. İkinci geçişin ardından geçiş olasılığı floresans spektroskopisiyle belirleniyor.
Kaviteden her geçişte bir mikrodalga darbesi uygulanıyor. Darbenin frekansı, elde edilen geçiş olasılığı yaklaşık %50 olacak şekilde ayarlanıyor. Atomların yüklenmesi, fırlatılması, Ramsey sorgulaması, algılanması ve bu aşamalar arasındaki balistik uçuşlardan oluşan her çevrimde mikrodalga frekansının geçiş frekansına göre sapma yönü tersine çevriliyor. Böylece simetrik geçiş olasılığı eğrisinin iki yanı örnekleniyor. Gerçek geçiş frekansı, %50 geçiş olasılığına ayarlanan iki frekansın ortalamasından elde ediliyor. Yaklaşık 1,2 saniye süren ölçümün ardından çevrim yeniden başlıyor ve sistem günün 24 saati çalışıyor.
Analog devrelerden dijital kontrole
Sezyum çeşme saatlerinin çalışması, lazerlerin hassas biçimde kontrol edilmesini gerektiriyor. PTB’de bu görev, başlangıçta önceki kuşak mühendis ve araştırmacıların geliştirdiği özel analog devrelerle yerine getiriliyordu. Ancak böylesine karmaşık bir sistemin uzun vadeli bakımını sürdürmek giderek zorlaşıyor. Bu nedenle deney düzeneğiyle birlikte onu destekleyen elektronik altyapının da yenilenmesi gerekiyor.
Analog sistemin yerini alabilecek dijital bir çözümü araştıran Dr. Rahm, Spectrum Instrumentation’ın PXIe formatındaki AWG kartlarını sisteme entegre etti. Kartlar, akusto-optik modülatörler aracılığıyla lazer frekanslarını kontrol etmek için gereken radyo frekansı (RF) sinyallerini üretiyor. Böylece atomların soğutulması, fırlatılması ve algılanması aşamalarındaki lazer kontrolü sağlanıyor.
İki günde geliştirilen yeni çalışma modu
M4x.6622-x4 AWG kartları doğruluk gereksinimlerini başarıyla karşılamasına rağmen, mevcut sinyal üretim modlarının hiçbiri PTB’nin özel çalışma koşullarına tam olarak uymuyordu. Sezyum çeşme saatinin çevrimini verimli biçimde yürütmek için her lazerin, çevrimin belirli bir anında kendisine özgü bir dalga biçimi kümesine ihtiyaç duyması bu gereksinimi doğuruyordu.
Dr. Rahm, doğrudan tasarım mühendisleri tarafından yürütülen Spectrum Instrumentation teknik desteğiyle iletişime geçti. Yazılım mühendisleri iki gün içinde “Sequence Restart Mode” adlı yeni bir özellik geliştirdi. Rahm’ın testleri başarılı sonuç verdi ve yeni mod, hedeflenen çalışma düzenini sağladı.
Spectrum Instrumentation daha sonra Sequence Restart Mode özelliğini, 65xx ve 66xx serilerindeki tüm AWG’ler için ücretsiz güncelleme olarak kullanıma sundu. Yeni mod, güncel sürücülerin yüklenmesiyle etkinleştirilebiliyor.
Modüler ölçüm ve sinyal üretimi
1989 yılında kurulan Spectrum Instrumentation, modüler bir yaklaşımla PCIe ve PXIe kartları ile bağımsız Ethernet (LXI) birimleri geliştiriyor. Portföyünde 200’den fazla sayısallaştırıcı ve sinyal üreteci ürünü bulunan şirket, 35 yılı aşan faaliyet süresinde dünya genelindeki sanayi kuruluşları ve üniversitelere ulaştı. Merkezi Almanya’nın Hamburg kenti yakınlarında bulunan şirket, beş yıllık garanti ve doğrudan tasarım mühendisleri tarafından sağlanan teknik destek sunuyor.
Endüstri-Dünyası’nın amacı; endüstriyel mühendisliğine dünyanın her yerinde üretilip Türkiye pazarına sunulan yeni ürünler ve hizmetler ile ilgili bilgi vermektir. Eğer siz de firmanızın yeni ürünlerinin Endüstri Dünyası’nda yer almasını istiyorsanız lütfen teknik basın bültenlerinizi editörlerimize gönderin.
