Кварцевый генератор – своего рода «сердце» радиоэлектронного устройства, задающее частоту, определяющее стабильность его работы. Именно стабильность чаще всего подводит такого рода устройства. Например, навигатор из-за такой нестабильности не может сразу установить положение, будучи включенным.
Представители российской компании «Новые энергетические технологии», резидента «Сколково», представили разработанный самостоятельно атомный генератор миниатюрных размеров, способный выдать стабильный по частоте сигнал при минимальном потреблении энергии.
Работу электроники определяет стабильность работы генератора опорной частоты и счетчика времени. Эти два элемента обеспечивают синхронизацию внутренних процессов устройства и его синхронизацию с другими аппаратами. Частоты передачи сигнала при обмене данными и трансляции формируются именно генератором и счетчиком времени, при этом генератор заметно реагирует на внешние факторы, особенно на перепады температур. Устойчивость сигнала радиоэлектронных устройств зависит от их синхронизации – потере ее, начинаются потери сигнала, разрывы соединений, провалы в связи. Специалисты считают потерю синхронизации едва ли не главной причиной сбоев в связи, как в радио, так и оптоволоконной.
Даже попытка установить кварцевый генератор в изолированную среду путем герметизации в корпусе не дают эффекта повышения стабильности в работе. Специалист из группы разработчиков считает, что наибольшую стабильность при генерировании частот демонстрируют именно атомные генераторы. Название генераторов происходит вовсе не от реакций деления ядер, а от того, что синхронизация и стабилизация частоты достигаются за счет использования колебаний электронов на орбитах атомов, при этом частота такого рода процессов неизменна на протяжении многих десятилетий. Недаром именно часы атомного стандарта частоты используются в системах отсчета точного времени.
Основным препятствие к широкому использованию атомных генераторов частоты остается большой размер устройства, которое, в зависимости от использованного принципа работы, может занимать объемы от литровой банки до небольшого помещения. Наиболее компактный генератор рубидиевого стандарта занимает не менее 250 кубических сантиметров. Понятно, что при гораздо большей, по сравнению с кварцевым генератором, стабильности, такой генератор не может быть размещении в мобильном или компактном устройстве. Атомные стандарты имеют высокие показатели энергопотребления, кроме того, устройства получаются тяжелыми. Использовать такие генераторы приходится только в устройствах с большими размерами.
Физики из «Новых энергетических технологий» предлагают свою разработку – малогабаритные атомные часы, в основу которых положены не столько атомные, сколько квантовые принципы стабилизации частоты. Специалист разъясняет: если в работе компактных устройств рубидиевого стандарта используется принцип одновременного воздействия оптического и сверхвысокочастотного полей, то в новом устройстве воздействие осуществляется двумя оптическими полями при разнице частот, равной создаваемой полем СВЧ. Занимающий большую часть объема рубидиевого генератора резонатор СВЧ заменяется лазером, что существенно уменьшает размеры и вес устройства. Использование полупроводникового лазера позволяет свести размер атомных часов к размерам спичечного коробка.
Помимо размеров, новые атомные часы решают вопрос энергоэффективности – рубидиевый стандарт рассчитан на потребление десяти ватт энергии, квантовый – 0,3 ватта. Если сравнить работу МАЧ с работой прецезионного кварцевого генератора, то устойчивость связи между устройствами возрастет в десятки раз, поэтому специалисты полагают, что есть смысл заняться разработками технологии, по которой станет возможным заменить традиционные генераторы на квантовые, цена которых при серийном производстве окажется примерно 15 000 рублей, при цене рубидиевых в сотню тысяч рублей. работающие на новом принципе атомные часы окажутся востребованы всюду, где необходима устойчивая связь – от вооруженных сил до служб экстренного реагирования.
Специалисты «Росатома» рассматривают разработку в качестве особо перспективной для использования в системах управления атоиной энергетики, где устойчивость передачи данных становится вопросом безопасности тысяч людей.
В странах Европы и в США разработкой подобного устройства занимаются целые группы компаний и институтов. Американцам уже удалось выпустить прототипы, но они относятся к закрытым военным разработкам. Опережение объясняется тем, что финансирование такого рода разработок продолжается с начала века в США и только с прошлого года в России. Разработчики уверены, что их устройство сможет составить заметную конкуренцию зарубежным аналогам.
Работа коллектива российских физиков продолжается уже около десяти лет, причем в прошлом году ими был получен грант от «Сколково» для разработки прототипов. Уже в следующем году они рассчитывают произвести опытные образцы и начать серийное производство. Специалисты рассчитывают, что новое устройство окажется особо полезным в работе систем глобального геопозиционирования, в том числе «ГЛОНАСС». Разработка может способствовать появлению нового поколения сетей скоростной передачи данных, поскольку точная синхронизация снижает нежелательный эффект «наложения» сигналов друг на друга, а это существенно повышает скорость обмена информацией.