ห้องปฏิบัติการเวลาและความถี่

      เวลาและความถี่เป็นส่วนหนึ่งในชีวิตประจำวันของทุกคนทั้งโดยทางตรง และทางอ้อม มีการกำหนดเวลาในการทำกิจกรรมต่างๆ ในสังคม เพื่อที่จะให้ทุกคนสามารถทำกิจกรรมได้อย่างสอดคล้องกันอย่างเป็นระบบ เช่น การค้าขาย การสื่อสาร การขนส่ง เป็นต้น โดยในอดีตนั้นเวลามาตรฐานอาศัยการคำนวนทางดาราศาสตร์จากตำแหน่งของดวงดาวต่างๆ เช่น ดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์ ต่อมาจึงมีแนวคิดที่จะใช้กลไกชุดเฟืองและลูกตุ้มในการหาเวลามาตรฐานจากการแกว่งของลูกตุ้มแต่เนื่องจากผลกระทบของความโน้มถ่วง ทำให้เวลาที่ได้ไม่เท่ากันในแต่ละพื้นที่ ดังนั้นในยุคปัจจุบันจึงมีการใช้อะตอมของธาตุต่างๆ ที่มีความถี่เฉพาะในแต่ละระดับชั้นพลังงาน เพื่อนำมาใช้เป็นความถี่มาตรฐาน โดยมีการกำหนดให้ระดับชั้นพลังงานที่สถานะพื้นของธาตุซีเซียมที่มีความถี่ 9.192631770 GHz ให้เป็นความถี่มาตรฐานสากล และทำการถ่ายทอดค่าความถี่มาตรฐานนั้นไปยังเครื่องมือต่างๆ เพื่อใช้ให้เป็นมาตรฐานเดียวกันทั้งโลก
      นอกจากนี้มาตรฐานทางด้านเวลาและความถี่ ยังถูกนำไปใช้ในการกำหนดมาตรฐานทางด้านความยาวโดยจากนิยามของความยาว 1 เมตรมาตรฐานนั้น มาจากการที่แสงเคลื่อนที่ในสูญญากาศในเวลา 1/299,792,458 วินาที ซึ่งจะเห็นได้ว่าถ้ามีการวัดเวลาผิดพลาดจะทำให้การวัดความยาวนั้นผิดพลาดเช่นกัน ในปัจจุบันเทคโนโลยีการผลิตในระดับนาโนเข้ามามีบทบาทในภาคอุตสาหกรรมมากขึ้น ดังนั้นถ้าสามารถทำการวัดและปรับเวลามาตรฐานได้อย่างถูกต้องแม่นยำก็จะส่งผลให้ความสามารถในการผลิตของภาคอุตสาหกรรมนาโนมีความแม่นยำสูงขึ้นด้วย และในอนาคตมีแนวโน้มที่จะมีการเปลี่ยนแปลงนิยามของหน่วยพื้นฐาน ซึ่งจะทำให้มาตรฐานทางด้านเวลาส่งผลกระทบต่อหน่วยฐานอื่นๆ คือ มาตรฐานด้านมิติ (m) มาตรฐานด้านมวล (kg) มาตรฐานด้านกระแสไฟฟ้า (A) มาตรฐานด้านการส่องสว่าง (cd) และมาตรฐานทางด้านอุณหภูมิ (K)

ภารกิจ

      ห้องปฏิบัติการเวลาและความถี่มีภารกิจหลักในการดูแลรักษา และถ่ายทอดค่าเวลาและความถี่มาตรฐานประเทศไทยที่เรียกว่า UTC[NIMT] ไปสู่ผู้ใช้งาน โดยระบบที่ใช้ในการรักษาเวลามาตรฐานประเทศไทยนั้น จะประกอบด้วยนาฬิกาอะตอมซีเซียมจำนวน 3 เรือนเพื่อใช้ในการหาค่ามาตรฐานเวลาที่มีความถูกต้องและมีเสถียรภาพสูงที่สุด และมีการส่งค่าเวลามาตรฐานประเทศไทยเพื่อไปเปรียบเทียบกับเวลามาตรฐานสากลผ่านทางระบบดาวเทียมนำทาง (GPS) ซึ่งทำให้ค่าเวลามาตรฐานประเทศไทยมีค่าที่สามารถสอบกลับได้ไปยังค่าเวลามาตรฐานสากล
                                      ระบบการรักษาเวลามาตรฐานประเทศไทย

      สำหรับการถ่ายทอดค่าเวลาและความถี่มาตรฐานประเทศไทยไปสู่ผู้ใช้งานนั้นมีดังนี้
1. ผ่านระบบการสอบเทียบ
2. ผ่านระบบอินเตอร์เน็ต
3. ผ่านระบบ FMRDS 

ระบบการสอบเทียบ

      การสอบเทียบความถี่ของห้องปฏิบัติการมี 4 วิธีคือ
1. วิธีการวัดตรง Direct Frequency Measurement ซึ่งมีความสามารถในการสอบเทียบความถี่ที่ 1 Hz ถึง 225 MHz โดยมีความสามารถในการวัดดังนี้
   1 Hz   to 1000 Hz  CMC = 3.6E-9
   1 kHz  to 10 kHz   CMC = 1.2E-10
   10 kHz to 225 MHz  CMC = 8.6E-12
2. วิธีการวัดเฟส Phase Measurement ซึ่งมีความสามารถในการสอบเทียบความถี่ที่ 5 MHz และ 10 MHz โดยมีความสามารถในการวัดดังนี้
   5 MHz and 10 MHz   CMC = 1.0E-13
3. วิธีการวัดความถี่ระยะไกล Remote Frequency Measurement ซึ่งผู้ขอรับบริการต้องมีแหล่งจ่ายความถี่ที่สามารถรับสัญญาณจากดาวเทียมนำทาง และทางห้องปฏิบัติการจะต้องสามารถนำเครื่องมือมาตรฐานไปติดตั้งเพื่อทำการสอบเทียบได้ โดยมีความสามารถในการวัดดังนี้
   10 MHz             CMC = 1.0E-12
4. วิธีการวัดช่วงของเวลา Time Interval ซึ่งมีความสามารถในการสอบเทียบ 100 ns ถึง 10000 s โดยมีความสามารถในการวัดดังนี้
   100 ns to 1000 s   CMC = 2 ns
   1000 s to 10000 s  CMC = 4 ns

งานวิจัย

Dual Mixer Time Difference

      งานวิจัยนี้เป็นการออกแบบและสร้างระบบ Dual Mixer Time Difference เพื่อใช้ในการสอบเทียบแหล่งจ่ายความถี่ที่มีเสถียรภาพสูง ณ ห้องปฏิบัติการเวลาและความถี่ สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ โดยในงานวิจัยนี้ได้ทำการสร้างแบบจำลองชุดสัญญาณของระบบการสอบเทียบด้วยระบบ Dual Mixer Time Difference เพื่อที่จะได้เข้าใจการทำงานของระบบ จากนั้นทำการออกแบบระบบขึ้นโดยคำนึงถึงการลดสัญญาณรบกวนให้ได้มากที่สุด เนื่องจากจะส่งผลต่อเสถียรภาพรวมของระบบการวัด โดยทำการออกแบบให้มีระบบแผ่นกราวด์ และทำการแยกระบบกราวด์ของสัญญาณความถี่สูง และสัญญาณความถี่ต่ำออกจากกัน ทำให้ได้แผ่นวงจรรวมระบบ Dual Mixer Time Difference เพื่อใช้ในการทดสอบ 
      ระบบ Dual Mixer Time Difference ที่สร้างขึ้นมีเสถียรภาพที่ดีมากเมื่อเทียบกับระบบการสอบเทียบด้วยวิธีดั้งเดิม โดยที่เสถียรภาพจะขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการลดทอนความถี่ ซึ่งที่ค่าเฉลี่ยของการวัดที่ 10,000 วินาที มีเสถียรภาพที่ต่ำกว่า 1E-16 Hz/Hz และเมื่อนำมาคำนวนความไม่แน่นอนรวมของระบบ Dual Mixer Time Difference จะพบว่ามีค่าอยู่ที่ 7E-14 Hz/Hz


                                       เปรียบเทียบเสถียรภาพของการสอบเทียบด้วยวิธีต่างๆ

Frequency Standard via Fiber Optic

     การส่งสัญญาณความถี่มาตรฐานผ่านสายทองแดงที่ระยะทางไกลมักพบว่าแอมปลิจูดของสัญญาณจะมีค่าลดลง และมักพบสัญญาณรบกวนที่เกิดจากสายไฟในระบบ ยกตัวอย่างเช่น สัญญาณรบกวนที่ 50 Hz ดังนั้นระบบต้นแบบของการส่งความถี่มาตรฐานระยะไกลจึงถูกพัฒนาขึ้น เพื่อที่จะรักษาความถูกต้องและเสถียรภาพของสัญญาณความถี่มาตรฐาน และทำให้การส่งสัญญาณสามารถทำได้ไกลขึ้น สำหรับการส่งสัญญาณระยะไกลนั้นสามารถทำได้หลายวิธีแต่วิธีที่มีสัญญาณรบกวนน้อยที่สุดนั้น คือ การใช้เส้นใยแก้วนำแสงซึ่งสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่สามารถรบกวนสัญญาณความถี่มาตรฐานที่ส่งไปได้
 
      อุปกรณ์ต้นแบบระบบการส่งสัญญาณความถี่มาตรฐานผ่านสายไฟเบอร์ออพติกสามารถส่งความถี่มาตรฐานได้ด้วยเสถียรภาพที่ดีกว่าการส่งด้วยสายทองแดงนำสัญญาณที่ระยะ 30 เมตรขึ้นไป เนื่องจากสายทองแดงจะถูกสัญญาณรบกวนจากสายนำสัญญาณต่างๆ เช่ย สายสัญญาณเครือข่าย สายส่งไฟฟ้า คลื่นสัญญาณความถี่ต่างๆ เป็นต้น ทำให้การส่งความถี่มาตรฐานในระยะทางที่ไกลมีเสถียรภาพที่ลดลงไปมาก ดังนั้นเมื่อมีการเปลี่ยนตัวนำเป็นสายไฟเบอร์ออพติก ทำให้ลดปัญหาของสัญญาณรบกวนที่จะเกิดขึ้นได้เป็นอย่างมาก ส่งผลดีต่อเสถียรภาพของความถี่มาตรฐานที่จะถูกนำไปใช้งาน โดยพบว่าการใช้อุปกรณ์ต้นแบบนี้จะช่วยทำให้เสถียรภาพดีขึ้นประมาณ 3 เท่าจากการส่งความถี่มาตรฐานด้วยสายทองแดง นอกจากนี้ระบบต้นแบบที่พัฒนาขึ้นสามารถใช้ไฟเลี้ยงจากพอร์ต USB ของคอมพิวเตอร์ได้โดยตรงทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็ก

ติดต่อสอบถาม

ดร.ปิยพัฒน์ พูลทอง   :piyaphat@nimt.or.th
ดร.ทยาทิพย์ ทองตัน   :thayathip@nimt.or.th
โทรศัพท์ 0 2577 5100 ต่อ 1335
โทรสาร 0 2577 5093