Résonateur à jet atomique ou moléculaire pour étalon de fréquence
te résonateur à jet atomique ou moléculaire est un étalon passif de fréquence basé sur l'observation de transitions quantiques entre deux états d'énergie d'atomes ou de molécules dtune espèce déterminée. La mesure de la fréquence de la radiation correspondant à ces transitions est caractérisée par une très haute reproductibilité et stabilité. Un résonateur à jet comprend les cinq parties principales suivantes: la source, le premier sélecteur d'état, la région d'interaction, le deuxième sélecteur d'état, le détecteur La source sert à produire un jet atomique ou moléculaire. La vitesse de ces particules (atomes ou molécules) dépend principalement de leur masse et de la température de Ja source.
Le premier sélecteur d'état sélectionne, par une déviation de la trajectoire, les particules d'un état déterminé, de sorte que seules ces particules peuvent pénétrer dans la région d'interaction.
Dans la région d'interaction, un champ électromagnétique oscillant, produit par un générateur externe, agit sur le jet de particules afin d'induire des transitions d'un état d'énergie à l'autre. La probabilité que ces transitions aient lieu est maximale lorsque la fréquence du champ oscillant est égale à celle de la radiation correspondant à la transition. Le deuxième sélecteur d'état dévire les particules ayant subi la transition voulue vers le détecteur, tandis que les particules dont rétat d'énergie est resté inchangé ne sont pas détectées. Le détecteur est un dispositif produisant un signal électrique dont l'amplitude est -proportionnelle au flux de particules détectées.
Le type de résonateur à jet le plus connu est le résonateur à jet atomique de césium, et c'est à ce résonateur que l'on se référera ci-après pour exposer le but visé par l'invention. Les diverses figures du dessin seront commentées dans la description qui suit.
Les sélecteurs d'état jouent un râle primordial dans le rendement du résonateur. Jusqu'ici, deux variantes de la géométrie des sélecteurs d'état d'un résonateur à jet atomique sont utilisés ou ont été proposés. La plus ancienne variante est le résonateur à sélecteurs dipolaires, dérivés directement de l'expérience de Stern-Gerlarch et illustrée dans la fig. 1.
Les sélecteurs d'état sont des aimants dipolaires 1; 2 3, 4, dont le champ magnétique possède un fort gradient perpendiculaire à la direction du jet 5. On sait que la force agissant sur un atome est égale au gradient multiplié par le -moment magnétique. En traversant le champ magnétique, les atomes subissent une simple déflexion de sorte que le nombre d'atomes interceptés par le détecteur 6 est proportionnel à l'inverse du carré de la distance de la source 7 au détecteur. Le rapport signal bruit observé au détecteur est proportionnel à la racine carrée de l'intensité détectée, donc proportionnel à l'inverse de la distance:
N = const. - le atomes/s
s - I
- = const. n N = const.
T
B
La-largeur Av de la courbe-de résonance observée en variant la fréquence du générateur d'excitation externe 8 est donnée par la relation:
v
Av = 0,5 m
L où vm est la vitesse moyenne des atomes et L la longueur effective de la région d'interaction dans le cas d'une excitation selon la méthode,}es deux champs oscillants
séparés (méthode de Ramsey).
Les deux grandeurs N et
Av sont des paramètres importantes déterminant la stabilité à court terme de la fréquence du générateur lorsqu'il est asservi, par le circuit d'asservissement 9, à la résonance atomique. La -fluctuation quadratique moyeu pour une durée de mesure donnée, par exemple une seconde, est donnée par la relation:
av = = Is) = const. Av
À
Si l'on veut améliorer la stabilité d'un tel étalon de fréquence, il faut augmenter l'intensité N. Une augmentation de la longueur ne sert à rien puisque a est indépendant de la longueur du résonateur. La seule voie pour augmenter N sans augmenter la quantité de césium débitée par la source consiste dans l'amélioration du rendement des sélecteurs d'état.
Une méthode connue et proposée à plusieurs reprises est l'utilisation d'aimants quadripolaires ou hexapolaires pour les sélecteurs d'état.
Ces aimants sont utilisés couramment dans les masers à jet d'hydrogène atomique. De tels aimants permettent la focalisation des atomes de l'état hyperfin supérieur - pour le césium F = 4 - et d'obtenir ainsi un jet atomique intense dans le plan de focalisation.
La fig. 2 montre les trois variantes proposées jusqu'ici.
La variante 2a comprend deux aimants 10 et 11 identiques focalisant les atomes vers un détecteur 12 de petite surface. Lorsque des transitions ont lieu dans la région d'interaction 13, l'intensité détectée diminue. L'action est donc contraire à celle du système de la fig. 1.
Dans le cas du césium, le principal inconvénient d'un tel système (fig. 2a) est la présence d'atomes d'autres états d'énergie qui ne subissent pas de transitions, donc un bruit de fond élevé.
Les variantes 2b et 2c ne présentent pas cet inconvénient, car l'intensité détectée augmente lorsque des transitions ont lieu dans la région d'interaction, ce système étant appelé flop-in par opposition au système flop-out par l'homme du métier. Ces deux variantes présentent toutefois l'inconvénient que l'un des deux sélecteurs d'état défocalise le jet atomique.
Dans le cas 2b, une surface de détection annulaire est requise. Les atomes de césium étant détectés par ionisation sur une surface à 1000o C, ceci requiert une puissance de chauffage élevée. De plus, un détecteur d'une telle surface devient très sensible aux atomes provenant de toutes les directions et il est difficile d'obtenir un bruit de fond faible. Enfin, la détermination de la dimension optimum du détecteur est délicate, si l'on veut éviter la détection d'atomes n'ayant pas subi la transition.
La variante 2c permet l'utilisation d'un détecteur de petite surface. Toutefois, le rendement du premier sélecteur d'état 16 est mauvais, parce que les atomes dont la trajectoire initiale n'est pas située dans un plan contenant l'axe du système sont fortement défocalisés. De ce fait, le nombre d'atomes détectés dans le cas de la variante 2c n'est pas supérieur à celui d'un autre système dipolaire.
L'invention vise précisément à améliorer le rendement par une nouvelle géométrie.
Elle a pour objet un résonateur à jet atomique ou moléculaire pour étalon de fréquence, comprenant une source produisant le jet, un premier et un deuxième sélecteur d'état séparés par une zone d'interaction, des moyens pour engendrer un champ oscillant dans ladite zone d'interaction et un détecteur, caractérisé par le fait que le deuxième sélecteur d'état est constitué par un ensemble dipolaire dans le champ duquel est disposée une pièce métallique destinée à concentrer les lignes de force du champ entre ladite pièce et chacun des pôles.
Les fig. 3 à 5 du dessin annexé représentent, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'invention.
La fig. 3 montre une vue schématique d'un résonateur à jet de césium.
La fig. 4 représente le deuxième sélecteur d'état.
La fig. 5 représente une vue en coupe, à plus grande échelle, de la fig. 4.
Le résonateur représenté comprend une source 20 produisant le jet de césium, un premier sélecteur d'état constitué par un aimant 21, hexapolaire ou quadripo laire, analogue à ceux utilisés dans les variantes antérieures, une zone d'interaction 22, un deuxième sélecteur d'état 23 et un détecteur 24. Le reste du circuit est analogue à celui de la fig. 1.
Le deuxième sélecteur 23 est constitué par un aimant dipolaire à pôle central tel que représenté aux fig. 4 et 5.
La fig. 4 montre les deux pôles 25 et 26 de l'ensemble dipolaire et le pôle central 27. La fig. 5 en montre une coupe perpendiculaire à l'axe du jet atomique. La forme des pièces polaires 25, 26 et 27 est choisie de telle sorte qu'elle se rapproche de la configuration correspondant à un champ produit par deux paires de fils parallèles.
Chaque moitié de cet aimant est donc analogue à un aimant dipolaire conventionnel. Cette configuration est obtenue simplement par des surfaces cylindriques 28, 29, 30 et 31, dont l'intersection deux à deux est constituée par les droites 32, 33, 34 et 35 parallèles à l'axe du jet atomique. La configuration du champ ainsi obtenue correspond à celle d'un champ produit par deux paires de fils parallèles. Chaque moitié de cet aimant est donc analogue à un aimant dipolaire conventionnel.
Cette solution permet d'intercepter environ 600 d'angle du jet presque parallèle produit par l'aimant 21. Les forces que subissent les atomes de césium de l'état hyperfin F = 3 (atomes ayant subi la transition de F =4 à
F = 3) sont presque parallèles à la direction X et dirigées vers le plan D-D contenant l'axe du système.
Dans la zone utilisable contenue entre les deux plans parallèles 36 et 37, les atomes de césium subissent donc une déviation vers ce plan D-D et de plus une faible focalisation vers le plan contenant l'axe X. Les atomes de l'état F = 4 subissent une déviation dans le sens opposé et ne peuvent heurter le détecteur 24 constitué par un ruban disposé derrière l'aimant dans la zone utilisable.
Les calculs de trajectoire ont montré qu'il est possible de détecter 900/0 des atomes de l'état F= 3 entrant dans la zone utile, tandis que la détection d'atomes de l'état F = 4 est impossible. De plus, la détection d'atomes très rapides provenant de la source et n'ayant subi qu'une faible déflexion par l'aimant 21 est également impossible. Le bruit de fond du détecteur est donc limité à un niveau faible dû à la pression partielle résiduelle dans le récipient à vide poussé dans lequel est enfermé l'ensemble représenté à la fig. 3.
L'amélioration introduite par cette nouvelle géométrie du deuxième sélecteur d'état se caractérise par une augmentation de l'intensité de plusieurs centaines par rapport à celle obtenue avec la géométrie à sélecteurs dipolaires connue, y compris celle proposée antérieurement par la déposante, toutes les autres dimensions et le débit total de la source étant égaux. Ainsi la stabilité à court terme est améliorée de plus d'un ordre de grandeur sans que la durée de vie du résonateur soit raccourcie.
Le fait que les trajectoires des atomes puissent être calculées aisément est également un avantage qui n'est pas à négliger.
La pièce polaire centrale 27 est à haute perméabilité magnétique, par exemple en alliage vanadium, tel que le Permendur .
La nouvelle géométrie du deuxième sélecteur d'état est bien entendu applicable à un sélecteur électrostatique pour résonateur à jet moléculaire. Dans ce cas, les pôles 25 et 26 sont constitués par deux pièces métalliques reliées l'une à un potentiel positif, l'autre à un potentiel négatif, la partie centrale, également métallique, étant reliée au potentiel 0.
La configuration selon l'invention n'est en outre pas limitée à la configuration géométrique représentée, et il n'est pas exclu que d'autres configurations permettent d'obtenir des résultats encore meilleurs, mais ces configurations sont difficilement calculables.
La protection de l'invention décrite dans ce mémoire n'est pas revendiquée pour le domaine de la technique de la mesure du temps.