[번역] 진동자의 진화

진동자의 진화 by Nava Whiteford

[출처] http://hackaday.com/2015/11/03/the-evolution-of-oscillations/

내가 사용하고 있는 랩탑은 아키하바라의 중고 물품통에서 50 달러에 구입한 것으로 2.53GHz에서 동작하는 CPU를 가지고있다.이건 초당 2조5억3천만번 전자들이 체계적으로 정확히 신호를 발생한다는 것을 의미한다. 인간의 관점에서 이것은 상상할 수 없는 것이다. 2백년전만해도 인류는 아직 전자적인 진동에 관한 지식이 전혀 없었다.

물론 명확한 자연적인 진동 소스는 물론 태양이 아마도 가장 분명할 것이다. 피타고리언의 시스템은 처음 지구의 자전이 태양의 일상적인 사이클을 유발한다고 생각하였습니다. 그들의 시스템은 우리가 알고 있는 사실보다 더 난해하고 복잡하고,  중앙의 불꽃 뒤에 보이지 않게 놓인 가상의 Counter-Earth를 포함한다. 그들의 이론에 내포된 오류와 관계없이, 중앙링크는 회전과 진동사이에 만들어 졌다.

그리고 회전 운동은 초기의 전기 진동기에 이용되었다. 오늘날 이와 유사하게 사용되는 발전기에서 부터 더 난해한 장치인 차단기같은 것들이 이에 해당한다. 1838년에 Charles Page에 의해서 개발된 차단기는 단순한 진동을 만들어내기 위해 주기적으로 차단하도록 전선을 수은 통에 담글 수 있도록 수평운동이나 회전 운동을 이용하였다.

산업적인 전자 발생기쪽으로 진보하면서 전류를 발전하는 것은 일반적이 되었다. 그러나 점점 더 고 주파수가 라디오 전송을 위해서 요구되었다. 첫 번째 전송기는 spark gaps이 사용되었다. 이 단순한 전송기는 두 선로 사이의 공간에 항복전압이 발생할때 까지 캐패시터를 충전하기 위해 DC 서플라이를 사용하였다. 그러고 나서 전기는 이 공간에 기체화된 분자로 이온화 된다. 이와같이 전류가 흐르도록 허용하면 빠르게 캐패시터를 충전한다. 다시 캐패시터가 충전되면 이와 같은 과정이 반복된다.

spark gaps이 노이즈를 발생하는 동영상에서 듣고 보듯이, 실제 싸인파 출력과는 거리가 멀다. 그래서, 더 효율적인 진동을 위해서, 공학자들은 다시 회전에 의존하였다.

Alexanderson 발전기는 수백 개의 슬롯들로 나뉘어진 곳에 바퀴를 사용한다. 이 바퀴는 두 개의 코일사이에 위치한다. 한 코일은 직류 전류가 가해져서 다른 곳에서 전류를 발생하는 자기장을 만들어 낸다. 슬롯화된 디스크는 주기적으로 이 영역을 가로지르며 유도전류를 생산한다. Alexanderson 발전기는 대부분 해군 용도에 맞게 15에서 30Khz의 주파수를 생산하도록 되어있었다. 놀랍게도 Alexanderson 발전기중 하나는 1996년까지 여전히 동작하였고 아직도 동작할 수 있는 상태에 있다.

An Alexanderson Alternator 

유사한 원리가 Hammond 오르간에 사용되었다. 여러분은 아마도 이 이름을 알지 못할 것이다. 그러나 이 초기의 전자적인 기기의 소리는 알아 차릴 수 있을 것입니다.

Hammond 오르간은 울림바퀴와 픽업들의 연속된 배열을 이용하였다. 픽업은 코일과 자석으로 구성된다. 울림을 발생하기 위해서 픽업은 표면에 주름을 가지고 있는 회전 바퀴쪽으로 밀려지게 된다. 이런것들은  Alexanderson 발전기의 슬롯들과 유사하고, 울림을 만들기 위해 자석과 코일 사이에 자기장을 효과적으로 생성한다.

증폭된 진동기

지금까지 우리는 순전히 전자기계적인 기술에만 의존하는 것을만 다루었다. 그러나, 능동형 기기의 요구 측면에서 증폭기 모든 현대의 진동기에서 핵심이다. 이러한 것들 중 가장 단순한 형태는 tank 회로를 형성하는 인덕터와 캐패시터를 사용한다. tank 회로에서 에너지가 인덕터와 캐패시터 사이를  왔다 갔다 한다. 증폭기가 없다면 손실이 발생하여 진동기가 곧 멈춰 버리게 된다. 그러나 Colpitts 진동기와 같이 증폭기를 사용함으로써 이과정은 무한정 동작하도록 유지 될 수 있다.

Tank 회로의 동작 (출처 : 위키피디아)

진동기의 안정성은 라디오 전송기 같이 많은 응용분야에서 중요하다. 더 좋은 진동기는 전송신호가 스펙트럼상에서 밀리거나 겹치는 문제 없이 서로 더 밀착된 상태로 변조되도록 해주어야 한다. 그래서, 더 좋고 안정적인 진동기에 대한 추구는 계속되었다. 결국 Crystal 진동기가 발견되었고, 생산되었따. 이것은 기념비적인 노력이었다.

Crystal 진동기의 생산

아래의 비디오는 Crystal 진동기의 생산에 대해서 1940년대에 사용된 일반적인 과정을 보여준다.

브라질에서 채굴된 자연 Quartz Crystal은 미국으로 배송되고 처리된다. 내가 세어본 봐로는 총 13개의 비 단순 가공/에칭 과정들과 (엄격한 품질 제어를 포함하는)16개의 측정단계인 것으로 파악되었다. 이러한 과정들의 일부분은 X-선 Crystalography와 유사한 기술을 사용하여 X-선 아래서 Crystal의 배치하는 것 같이 매우 발전되었다.

요즘의 Crystal 진동기 생산 과정은 더 발전되었다. 1970년대 이후로 Crystal 진동기는 Photolithographic 공정에서 제조된다. crystal을 좀 더 안정화히기 위해서 열소자(OCXO)를 사용해서 제어된 온도에서 crystal을 동작하거나 온도 보상(TCXO)같은 추가적인 기술들이 적용되어 왔다. 대부분의 응용분야에서 이것은 충분히 정확하다는 것이 증명되었다. 그러나 timenuts에 대해선 충분히 정확하지 않다.

timenut의 원자 사용

timenut를 위해 충분히 정확한 것은 없다. 많은 해커들이 그들이 할 수 있는 가장 정확한 타이밍 시스템을 만들려고 노력한다. 이것은 모두 물론 그들이 만들 수 있는 가장 정확한 진동기에 의존한다.

일반적인 timenut 입는 원자 손목시계

많은 timenut들이 측정하는데 원자시계에 의존한다. 원자시계들은 가장 잘 온도가 제어된 crystal 진동기 보다 더 정확한 크기의 차원을 가지고 있다.

Bill Hammack은 cesuim beam 진동기의 동작을 설명하는 훌룡한 비디오를 가지고 있다. 기본적인 과정은 아래의 사진에서 보여진다. 요점은 cesuim 기체가 두 개의 에너지 상태로 존재하고 자기장에서 분리될 수 있다는데 있다. 낮은 에너지의 원자는 crystal 진동기에서 결정된 주파수를 갖는 라디오파 소스에 노출된다. 정확히 9,192,631,770Hz의 주파수만이 낮은 에너지의 cesuim 원자를 높은 에너지의 형태로 바꿀 수 있다. 높은 에너지의 원자는 검출기로 향하게 되고, 이 출력은 진동기의 출력의 주파수가 어긋나고 cesium 원자들이 더 이상 검출기로 향하지 않으면, 출력은 정확한 값으로 내주게 되는 것 같이 crystal 진동기를 훈련시키는데 사용된다. 이와 같은 기본 물리적 상수가 원자 시계를 보정하는데 사용된다.

cesium 원자 시계의 기본적인 작동 원리

cesium 표준은 가장 정확한 진동자로 알려지는 동안, 또 다른 원자 시계인 Rubidium 진동자 또한 많은 timenuts에서 정확하고 상대적으로 저렴한 옵션을 제공한다. 이 진동자의 가격은 전화산업의 대량 생산 때문에 낮아져왔다. 이들은 GSM과 다른 이동 라디오 시스템에 핵심이고 지금은 eBay에서 구할 수 있다.

손안에 정확한 시간 조각을 가지고 timenuts 은 수많은 흥미로운 실험들을 수행해 왔다. 내 기억에 가장 흥미로왔던 것은 상대론적 효과들에 의한 시간 차이를 측정하는 것이다. 하나의 timenut을 가지고 원자시계로 채운 자동차를 가족을 태우고 주말동안 Rainier 산까지 올라가는 경우에는 도착하였을때 그가 여행에 가져간 시계와 집에 놓아둔 것 사이에 20n초의 차이를 측정할 수 있었다. 이러한 시간 감소 효과는 거의 정확히 상대성 이론에 의해서 예측된 대로이다. 아주 인상적으로 놀라운 가족의 외출이다!

아인슈타인이 1950에 특수 상대성 이론을 제안하였을 때 기초적인 crystal 진동기 조차 존재하지 않았다는 것을 생각하면 놀라운 것이다. 그때는 Spark gap과 Alexanderson 발전기들이 여전히 일상적으로 사용되어왔을 것이다. 나는 그가 언젠가 그의 이론의 과실이 주말 취미 프로젝트로 아이들과 함께하는 여행하는 누군가에 의해서 확인되어 질 수 있을 것이라고 상상할 수 있었다고 생각하지 않는다. 세계의 해커들이여 즐기시라.