La présente invention concerne une cavité électromagnétique pour un résonateur à jet atomique ou moléculaire, et un procédé de fabrication d'une telle cavité électromagnétique.
Des résonateurs à jet atomique sont décrits notamment dans les documents DE-A2 1 260 049, US- 3 670 171 et CH-599 712. Ces résonateurs fonctionnent avec des atomes de césium, de thallium ou de rubidium, ou avec des molécules d'ammoniac.
Le principe d'un résonateur à jet atomique ou moléculaire consiste à détecter une résonance dans un état hyperfin de l'atome ou de la molécule pour obtenir une fréquence étalon. A cette fin, les particules sont émises sous forme de vapeur à partir d'une source, puis sont limitées à un jet étroit par un collimateur. Ce jet de particules traverse un premier sélecteur d'état, communément appelé aimant A, qui sélectionne les particules ayant un premier état d'énergie déterminé. Ces particules sont dirigées vers un module d'interaction micro-onde dans laquelle elles sont soumises à un champ magnétique d'interrogation. Lorsque la fréquence de ce champ magnétique est égale à une fréquence de résonance des particules, celles-ci subissent une transition du premier état d'énergie dans un deuxième état d'énergie déterminé.
Le jet de particules sortant du module d'interaction micro-onde traverse ensuite un second sélecteur d'état, communément appelé aimant B, qui sélectionne les particules ayant le second état d'énergie pour les diriger vers un détecteur. Le nombre de particules détectées est utilisé pour produire un signal de commande de la fréquence d'un oscillateur qui émet, vers le module d'interaction micro-onde, un signal électrique engendrant le champ magnétique d'interrogation. De cette manière, on obtient un oscillateur dont la fréquence est asservie à la fréquence de résonance des particules.
Le champ magnétique d'interrogation est créé par une cavité électromagnétique appelée cavité de Ramsey. Une telle cavité électromagnétique, de structure connue, est représentée sur la fig. 1.
Cette cavité électromagnétique est formée principalement de deux tubes creux 2, 16 de section rectangulaire en matériau non-magnétique, tel que le cuivre ou le monel. Un premier tube 2 est plié en forme de U et est percé à proximité de chacune de ses deux extrémités de deux ouvertures 4, 6, 8, 10 qui sont alignées pour permettre le passage du jet de particules à travers elles suivant l'axe 12. Le premier tube 2 comporte en outre sur l'une de ses faces une ouverture de couplage 14, située à égale distance de ses deux extrémités, sur laquelle est brasée une extrémité du second tube 16. Il convient de noter que l'ouverture de couplage 14 a exactement les dimensions de la section transversale du tube 16.
La cavité électromagnétique est disposée dans un écran de blindage magnétique dont on a représenté uniquement le socle 17, et est montée sur la face interne de l'enceinte à vide 18 du résonateur par l'intermédiaire d'une plaque de montage 20, fixée à l'enceinte 18 par une bague d'entretoisement 21. Cette cavité électromagnétique se prolonge à l'extérieur de l'enceinte à vide 18 par une portion de tube creux 22 de section rectangulaire comportant une vis 24 d'adaptation d'impédance, une vis 26 d'adaptation d'amortissement et un connecteur 28 pour recevoir un câble coaxial 30 amenant le signal électromagnétique d'interrogation délivré par l'oscillateur. A la traversée de l'enceinte 18, l'étanchéité est assurée par un joint 32 et une fenêtre micro-onde 34.
La cavité électromagnétique comprend ainsi trois portions de guide d'onde : un tronc formé par les tubes 16 et 22, et deux bras identiques formés par les deux moitiés du tube 2 qui s'étendent de chaque côté de l'ouverture de couplage 14.
La cavité électromagnétique comprend encore des plaquettes de court-circuit 36, 38 et 40 fermant les extrémités libres des tubes, ainsi que des petits guides d'ondes 42, 44, 46 et 48 brasés respectivement sur les ouvertures 4, 6, 8 et 10.
Pour que la cavité puisse fonctionner correctement, il est nécessaire que les deux bras aient exactement la même longueur électrique. En effet, une différence de longueur de 0,01 millimètre entraîne une incertitude relative du résonateur de l'ordre de 10<-><1><3>, qui constitue généralement la limite supérieure admissible. Cette égalisation des bras constitue l'étape la plus délicate de la fabrication de la cavité électromagnétique.
Cette fabrication se fait classiquement de la manière suivante. Le tube 2, ayant ses extrémités ouvertes, est plié selon la forme désirée et les ouvertures 4, 6, 8, 10 ainsi que l'ouverture de couplage 14 sont réalisées. On vient ensuite braser le second tube 16 sur l'ouverture 14.
Après cela, en utilisant des méthodes de mesure micro-onde classiques dans le domaine, on détermine la différence de longueur électrique des deux bras du tube 2, à la fréquence à laquelle la cavité sera utilisée dans le résonateur (on place des plaquettes de court-circuit provisoires aux extrémités des deux bras pendant cette mesure). S'il apparaît que les deux bras n'ont pas exactement la même longueur électrique, le bras qui est trop long est raccourci de la longueur voulue par fraisage, et l'égalité des longueurs des bras est ensuite vérifiée à nouveau par mesure micro-onde. Cette opération peut être répétée plusieurs fois jusqu'à ce que les deux bras aient des longueurs identiques.
Cette opération n'est pas facile à réaliser et demande un temps important car il faut à chaque fois transporter la cavité électromagnétique entre le banc de mesure micro-onde et l'installation de fraisage.
La dernière étape consiste à braser les plaquettes de court-circuit sur les extrémités des tubes, et les petits guides d'ondes sur les ouvertures de passage du jet de particules.
L'invention concerne un procédé qui permet de simplifier la fabrication de la cavité électromagnétique, en particulier l'ajustage des longueurs électriques des deux bras de la cavité électromagnétique.
Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une cavité électromagnétique comportant, pour former deux bras de la cavité, un premier tube rectangulaire creux fermé à ses extrémités, chaque extrémité comportant deux ouvertures en regard sur des faces opposées, et ce premier tube étant replié pour que les quatre ouvertures se trouvent parallèles entre elles et centrées sur un même axe, et, pour former un tronc de la cavité, un second tube rectangulaire creux fermé à une extrémité et ouvert à l'autre extrémité, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes:
- perçage d'une fente de couplage sur une face du premier tube, sensiblement à égale distance des deux extrémités de ce tube, cette fente de couplage étant perpendiculaire à l'axe longitudinal du premier tube,
- montage du second tube sur le premier tube de sorte que les tubes communiquent entre eux par la fente de couplage,
- égalisation des longueurs électriques des deux bras, cette égalisation consistant à introduire un signal électrique micro-onde dans le second tube à proximité de son extrémité fermée, à mesurer la différence de longueur électrique des deux bras et à déplacer, pendant cette mesure, le second tube selon une direction parallèle à l'axe du premier tube, jusqu'à l'annulation de cette différence.
Dans ce procédé, l'opération de fraisage classiquement utilisée est remplacée par un ajustage de la position du tronc par rapport à la fente pendant, et en fonction de la mesure des longueurs électriques des bras de la cavité électromagnétique. Ceci simplifie considérablement l'opération d'égalisation des longueurs électriques des bras puisque cette égalisation se fait directement sur le banc de mesure micro-onde avec un contrôle immédiat des longueurs électriques des bras.
L'invention a également pour objet une cavité électromagnétique comprenant un tronc et deux bras formant chacun une portion de guide d'onde rectangulaire, chaque bras ayant une extrémité percée d'ouvertures alignées pour permettre le passage d'un jet de particules et une autre extrémité couplée à une extrémité du tronc, la cavité électromagnétique étant caractérisée en ce que le couplage entre les bras et le tronc est réalisé par une fente de couplage perpendiculaire à l'axe longitudinal des bras, c'est-à-dire perpendiculaire à la direction de propagation micro-onde dans les bras.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- la fig. 1, déjà décrite, est une coupe longitudinale d'une cavité électromagnétique connue,
- la fig. 2 est une coupe longitudinale d'une cavité électromagnétique selon l'invention,
- la fig. 3 est une vue partielle en perspective de la cavité électromagnétique représentée sur la fig. 2, et
- la fig. 4 représente schématiquement un résonateur à jet de particules comprenant une cavité électromagnétique selon l'invention.
La cavité électromagnétique représentée en coupe sur la fig. 2 comprend, de manière classique, un premier tube rectangulaire creux 2, plié en forme de U et constituant les deux bras de la cavité, et un deuxième tube rectangulaire creux 16 prolongé par une portion de tube 22 qui forment ensemble le tronc de la cavité. Ces tubes sont des guides d'ondes en matériau non-magnétique, tel que le cuivre ou le monel.
De manière classique les extrémités du tube 2 sont fermées par des plaquettes de court-circuit 38, 40, et des petits guides d'ondes 42, 44, 46 et 48 alignés sur un même axe 12 sont brasés sur des ouvertures 4, 6, 8 et 10 pratiquées à proximité des extrémités du tube 2. Cet axe 12 correspond à la trajectoire du jet de particules atomiques ou moléculaires du résonateur.
Le tronc de la cavité électromagnétique comprend généralement une partie 16 située à l'intérieur de l'enceinte sous vide 18 du résonateur et une partie 22 s'étendant à l'extérieur de cette enceinte. L'extrémité inférieure de cette partie 22 est fermée par une plaquette de court-circuit 36. Cette partie 22 comporte une vis d'adaptation d'impédance 24 et une vis d'adaptation d'amortissement 26. Elle comprend enfin un connecteur 28 recevant un câble coaxial 30 amenant le signal électromagnétique de l'oscillateur du résonateur. Au niveau de l'enceinte à vide 18, l'étanchéité est assurée par un joint 32 et une fenêtre micro-onde 34.
La mise en place de la cavité électromagnétique dans l'étalon de fréquence est assurée par une plaquette de montage 20 sur laquelle est fixée le tronc 16, cette plaquette étant ensuite fixée sur une plaque support, qui peut être constituée par l'enceinte à vide 18 elle-même.
Selon l'invention, le couplage électromagnétique entre le tronc et les bras est réalisé par une fente 50 ayant une dimension plus faible que la section du tronc.
Cette fente est particulièrement visible sur la fig. 3. Son petit côté est parallèle à l'axe longitudinal du tube 2. A titre d'exemple, la largeur 1 de cet e fente est de 4 millimètres et la largeur L du tronc est égale à 12 millimètres, alors que la longueur de la fente est sensiblement égale à la longueur du grand côté de la section du tube.
Dans le mode de réalisation représenté sur la fig. 3, le tube 2 est plié dans un plan parallèle aux petits côtés des tubes et la fente est réalisée dans un grand côté du tube 2. Il est bien entendu que le tube 2 peut aussi être plié dans un plan parallèle aux grands côtés des tubes et dans ce cas, la fente est réalisée dans un petit côté du tube 2.
Comme on peut le voir sur la fig. 3, le tronc 16 comporte, sur deux faces opposées du tube, des prolongements 52, 54 terminés par des rebords 56, 58 s'étendant vers l'intérieur du tube. Ces éléments sont utilisés pour le montage de la cavité électromagnétique selon le procédé de fabrication de l'invention, que l'on va maintenant décrire.
On réalise tout d'abord les deux bras de la cavité électromagnétique en perçant les ouvertures 4, 6, 8 et 10, ainsi que la fente de couplage 50, dans un tube rectangulaire creux plié, ouvert à ses deux extrémités. On brase ensuite les plaquettes de court-circuit sur les extrémités libres des bras et du tronc et les petits guides d'ondes sur les ouvertures de passage du jet de particules.
On réalise ensuite le tronc de la cavité électromagnétique dans un autre tube rectangulaire creux. Pour faciliter le montage du tronc sur les bras, on réalise à une extrémité du tronc des prolongements 52, 54 et des rebords 56, 58. Ces prolongements sont obtenus par découpage des deux autres faces du tube et les rebords 56, 58 sont formés par pliage de l'extrémité des prolongements 52, 54.
Les prolongements 52, 54 présentent une certaine flexibilité qui permet l'emboîtement du tronc 16 sur le tube 2. Les éléments 52, 54, 56 et 58 sont dimensionnés pour maintenir le tronc sur le tube 2, tout en permettant un coulissement du tronc suivant l'axe longitudinal du tube 2.
L'étape suivante consiste à ajuster la position du tronc pour que les longueurs électriques des deux bras soient égales. Pour cela, on place la cavité électromagnétique sur un banc de mesure micro-onde pour mesurer la différence entre les longueurs électriques des deux bras, et on déplace simultanément le tronc le long du tube 2 jusqu'à une position qui annule cette différence.
Il faut noter que ce réglage tient compte des plaquettes de court-circuit 36, 38 et 40 qui sont mises en place avant la mesure, alors que, dans la technique antérieure consistant à égaliser les bras par fraisage ces plaquettes de court-circuit ne sont brasées qu'après l'étape d'égalisation des bras et peuvent donc modifier légèrement le réglage.
Il faut noter que le rapport entre l'amplitude du mouvement du tronc et la différence des longueurs électriques des bras est plus grand que l'unité. Ce rapport est de l'ordre de 3 à 10; il dépend de la largeur de la fente. Lorsque la valeur du rapport est égal à 3, une variation de la différence entre les longueurs électriques des bras de 0,01 de millimètre est produite en déplaçant le tronc de 0,03 de millimètre. La présence de la fente crée donc un effet d'amplification qui facilite le réglage des longueurs électriques des bras.
La dernière étape du procédé de fabrication consiste à braser le tronc avec les bras dans la position déterminée par le réglage.
Dans le mode de réalisation représenté sur les fig. 2 et 3, le tronc 16 est monté sur le tube 2 par des éléments d'emboîtage constitués par les prolongements 52, 54 et les rebords 56, 58. Bien entendu, d'autres moyens de montage du tronc 16 sur le tube 2 peuvent être utilisés. On pourrait par exemple supprimer les rebords 56, 58 et plier légèrement les prolongements 52 et 54 l'un vers l'autre de manière que, lors du montage, ils viennent pincer le tube 2.
La cavité électromagnétique selon l'invention, que l'on vient de décrire, constitue un élément d'un résonateur à jet de particules, dont un mode de réalisation est représenté en coupe longitudinale sur la fig. 4.
Ce résonateur comporte, dans une enceinte sous vide 60, une source 62 de particules (atomiques ou moléculaires), un premier sélecteur d'état 64, un module d'interaction micro-onde 66, un second sélecteur d'état 68 et un détecteur 70. Il comprend également à l'extérieur de l'enceinte 60 un circuit d'asservissement constitué par un circuit de commande 72 pour commander la fréquence d'un oscillateur 74 en fonction d'un signal délivré par le détecteur 70, et un multiplicateur de fréquence 76 pour amener la fréquence du signal délivré par l'oscillateur à la fréquence nécessaire pour induire une transition d'état d'énergie des particules.
La source 62 comprend un four pour produire les particules sous forme de vapeur et un collimateur pour former un jet de particules ayant la forme d'un faisceau étroit. Le premier sélecteur d'état, appelé généralement aimant A, produit un champ magnétique intense et inhomogène, perpendiculaire au jet de particules. Il permet de diriger vers le module d'interaction micro-onde 66 uniquement les particules occupant le premier niveau d'énergie déterminé.
Ce module comprend un écran de blindage magnétique 78, perçé de deux ouvertures 80, 82 pour permettre l'entrée et la sortie du jet de particules, un ensemble de spires 84 parcouru par un courant électrique pour former un champ magnétique statique, appelé champ C, généralement perpendiculaire à l'axe du faisceau de particules, et une cavité électromagnétique 86, appelée cavité de Ramsey dans laquelle règne un champ magnétique d'interrogation de fréquence voisine de la fréquence atomique de transition des particules du premier niveau d'énergie dans un deuxième niveau d'énergie.
A la sortie du module d'interaction micro-onde 66, les particules sont soumises à un champ magnétique engendré par un second sélecteur d'état, semblable au premier et appelé aimant B, ayant pour fonction de dévier les particules afin que seules les particules ayant subi une transition de niveau d'énergie soient dirigées vers le détecteur 70.
Lorsque la fréquence du signal délivrée par le multiplicateur de fréquence 76 est égale à la fréquence de transition entre les deux niveaux d'énergie des particules, le nombre de particules reçu par le détecteur 70 est important. En revanche, si la fréquence du signal délivré par le multiplicateur de fréquence 76 ne correspond pas à la fréquence de transition, les particules ne subissent pas de transition de niveau d'énergie et le détecteur 70 ne reçoit pas de particules. Le nombre de particules reçu par le détecteur 70 est ainsi utilisé par le circuit de commande 72 pour asservir la fréquence de l'oscillateur 74 et par suite la fréquence du champ magnétique d'interrogation. La fréquence de l'oscillateur est généralement de 5 à 10 MHz. Ce signal est disponible sur une sortie 75.
Dans le cas où les particules sont des atomes de césium, on utilise généralement la transition entre les états d'énergie (F = 4, mF = 0) et (F = 3, mF = 0). La fréquence du signal d'interrogation correspondante est voisine de 9,192631770 GHz.
La cavité électromagnétique selon l'invention peut également être utilisée dans un résonateur à pompage optique. Ce résonateur à une structure semblable à celui représenté sur la fig. 4, la seule différence étant que les sélecteurs d'état 64 et 68 sont remplacés par des lasers à pompage optique qui induisent une transition des particules du second état vers le premier état d'énergie par l'intermédiaire d'un niveau plus énergétique. Ainsi, si la fréquence du signal d'interrogation est correcte, les particules subissent une transition du premier état d'énergie vers le second état d'énergie dans le module d'interaction micro-onde, puis une transition inverse par l'intermédiaire du laser remplaçant le sélecteur d'état 68. Cette transition inverse provoque une émission de lumière.
En revanche, si la fréquence du signal d'interrogation ne correspond pas à la transition de niveau d'énergie, les particules restent dans le premier état d'énergie et aucune émission de lumière ne se produit. Par conséquent, la mesure de l'intensité de cette émission lumineuse permet d'asservir l'oscillateur.
The present invention relates to an electromagnetic cavity for an atomic or molecular jet resonator, and to a method of manufacturing such an electromagnetic cavity.
Atomic jet resonators are described in particular in documents DE-A2 1 260 049, US-3 670 171 and CH-599 712. These resonators work with cesium, thallium or rubidium atoms, or with molecules of ammonia.
The principle of an atomic or molecular jet resonator consists in detecting a resonance in a hyperfine state of the atom or the molecule to obtain a standard frequency. To this end, the particles are emitted in the form of vapor from a source, then are limited to a narrow jet by a collimator. This jet of particles passes through a first state selector, commonly called magnet A, which selects the particles having a first determined energy state. These particles are directed to a microwave interaction module in which they are subjected to an interrogation magnetic field. When the frequency of this magnetic field is equal to a resonant frequency of the particles, they undergo a transition from the first energy state to a second determined energy state.
The jet of particles leaving the microwave interaction module then passes through a second state selector, commonly called magnet B, which selects the particles having the second energy state to direct them towards a detector. The number of particles detected is used to produce a signal for controlling the frequency of an oscillator which emits, towards the microwave interaction module, an electrical signal generating the interrogation magnetic field. In this way, an oscillator is obtained, the frequency of which is controlled by the resonant frequency of the particles.
The interrogation magnetic field is created by an electromagnetic cavity called the Ramsey cavity. Such an electromagnetic cavity, of known structure, is shown in FIG. 1.
This electromagnetic cavity is mainly formed by two hollow tubes 2, 16 of rectangular section made of non-magnetic material, such as copper or monel. A first tube 2 is bent in a U shape and is pierced near each of its two ends by two openings 4, 6, 8, 10 which are aligned to allow the passage of the jet of particles through them along the axis 12 The first tube 2 further comprises on one of its faces a coupling opening 14, located at an equal distance from its two ends, on which is brazed one end of the second tube 16. It should be noted that the opening of coupling 14 has exactly the dimensions of the cross section of the tube 16.
The electromagnetic cavity is arranged in a magnetic shielding screen of which only the base 17 is shown, and is mounted on the internal face of the vacuum enclosure 18 of the resonator by means of a mounting plate 20, fixed to the enclosure 18 by a spacer ring 21. This electromagnetic cavity is extended outside the vacuum enclosure 18 by a portion of hollow tube 22 of rectangular section comprising a screw 24 for impedance adaptation, a screw 26 for damping adaptation and a connector 28 for receiving a coaxial cable 30 bringing the electromagnetic interrogation signal delivered by the oscillator. When crossing the enclosure 18, the seal is ensured by a seal 32 and a microwave window 34.
The electromagnetic cavity thus comprises three portions of waveguide: a trunk formed by the tubes 16 and 22, and two identical arms formed by the two halves of the tube 2 which extend on each side of the coupling opening 14.
The electromagnetic cavity also includes short-circuit plates 36, 38 and 40 closing the free ends of the tubes, as well as small waveguides 42, 44, 46 and 48 brazed respectively on the openings 4, 6, 8 and 10 .
For the cavity to function properly, the two arms must have exactly the same electrical length. Indeed, a difference in length of 0.01 millimeter leads to a relative uncertainty of the resonator of the order of 10 <-> <1> <3>, which generally constitutes the admissible upper limit. This equalization of the arms constitutes the most delicate step in the manufacture of the electromagnetic cavity.
This manufacture is conventionally carried out in the following manner. The tube 2, having its open ends, is bent to the desired shape and the openings 4, 6, 8, 10 and the coupling opening 14 are made. We then braze the second tube 16 on the opening 14.
After that, using conventional microwave measurement methods, the difference in electrical length of the two arms of the tube 2 is determined, at the frequency at which the cavity will be used in the resonator (short pads are placed - temporary circuit at the ends of the two arms during this measurement). If it appears that the two arms do not have exactly the same electrical length, the arm which is too long is shortened by the desired length by milling, and the equality of the arm lengths is then checked again by micro measurement. wave. This operation can be repeated several times until the two arms have identical lengths.
This operation is not easy to perform and requires considerable time because it is necessary each time to transport the electromagnetic cavity between the microwave measurement bench and the milling installation.
The last step is to solder the short circuit plates on the ends of the tubes, and the small waveguides on the openings for passage of the particle jet.
The invention relates to a method which makes it possible to simplify the manufacture of the electromagnetic cavity, in particular the adjustment of the electrical lengths of the two arms of the electromagnetic cavity.
More specifically, the subject of the invention is a method of manufacturing an electromagnetic cavity comprising, to form two arms of the cavity, a first hollow rectangular tube closed at its ends, each end having two openings facing each other on opposite faces, and this first tube being folded so that the four openings are parallel to each other and centered on the same axis, and, to form a trunk of the cavity, a second hollow rectangular tube closed at one end and open at the other end, characterized in that it comprises the following operations:
- drilling a coupling slot on one face of the first tube, substantially equal distance from the two ends of this tube, this coupling slot being perpendicular to the longitudinal axis of the first tube,
- mounting the second tube on the first tube so that the tubes communicate with each other through the coupling slot,
- equalization of the electrical lengths of the two arms, this equalization consisting in introducing an electrical microwave signal into the second tube near its closed end, measuring the difference in electrical length of the two arms and moving, during this measurement, the second tube in a direction parallel to the axis of the first tube, until this difference is canceled.
In this method, the milling operation conventionally used is replaced by an adjustment of the position of the trunk relative to the pendant slot, and according to the measurement of the electrical lengths of the arms of the electromagnetic cavity. This considerably simplifies the operation of equalizing the electrical lengths of the arms since this equalization is done directly on the microwave measurement bench with immediate control of the electrical lengths of the arms.
The invention also relates to an electromagnetic cavity comprising a trunk and two arms each forming a rectangular waveguide portion, each arm having one end pierced with openings aligned to allow the passage of a jet of particles and another end coupled to one end of the trunk, the electromagnetic cavity being characterized in that the coupling between the arms and the trunk is achieved by a coupling slot perpendicular to the longitudinal axis of the arms, that is to say perpendicular to the direction of microwave propagation in the arms.
The characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows, given by way of illustration but not limitation, with reference to the appended drawings, in which:
- fig. 1, already described, is a longitudinal section of a known electromagnetic cavity,
- fig. 2 is a longitudinal section of an electromagnetic cavity according to the invention,
- fig. 3 is a partial perspective view of the electromagnetic cavity shown in FIG. 2, and
- fig. 4 schematically represents a particle jet resonator comprising an electromagnetic cavity according to the invention.
The electromagnetic cavity shown in section in fig. 2 comprises, in a conventional manner, a first hollow rectangular tube 2, folded in the shape of a U and constituting the two arms of the cavity, and a second hollow rectangular tube 16 extended by a portion of tube 22 which together form the trunk of the cavity . These tubes are waveguides made of non-magnetic material, such as copper or monel.
Conventionally, the ends of the tube 2 are closed by short-circuit plates 38, 40, and small waveguides 42, 44, 46 and 48 aligned on the same axis 12 are brazed on openings 4, 6, 8 and 10 made near the ends of the tube 2. This axis 12 corresponds to the trajectory of the jet of atomic or molecular particles from the resonator.
The trunk of the electromagnetic cavity generally comprises a part 16 situated inside the vacuum enclosure 18 of the resonator and a part 22 extending outside this enclosure. The lower end of this part 22 is closed by a short-circuit plate 36. This part 22 comprises an impedance adaptation screw 24 and a damping adaptation screw 26. It finally comprises a connector 28 receiving a coaxial cable 30 bringing the electromagnetic signal from the oscillator of the resonator. At the vacuum enclosure 18, the seal is ensured by a seal 32 and a microwave window 34.
The installation of the electromagnetic cavity in the frequency standard is ensured by a mounting plate 20 on which is fixed the trunk 16, this plate then being fixed on a support plate, which can be constituted by the vacuum enclosure 18 herself.
According to the invention, the electromagnetic coupling between the trunk and the arms is produced by a slot 50 having a smaller dimension than the section of the trunk.
This slot is particularly visible in FIG. 3. Its short side is parallel to the longitudinal axis of the tube 2. By way of example, the width 1 of this slot is 4 millimeters and the width L of the trunk is equal to 12 millimeters, while the length of the slot is substantially equal to the length of the long side of the section of the tube.
In the embodiment shown in FIG. 3, the tube 2 is bent in a plane parallel to the short sides of the tubes and the slot is made in a long side of the tube 2. It is understood that the tube 2 can also be bent in a plane parallel to the long sides of the tubes and in this case, the slot is made in a small side of the tube 2.
As can be seen in fig. 3, the trunk 16 has, on two opposite faces of the tube, extensions 52, 54 terminated by flanges 56, 58 extending towards the inside of the tube. These elements are used for mounting the electromagnetic cavity according to the manufacturing method of the invention, which will now be described.
First, the two arms of the electromagnetic cavity are produced by piercing the openings 4, 6, 8 and 10, as well as the coupling slot 50, in a folded hollow rectangular tube, open at its two ends. The short circuit plates are then brazed on the free ends of the arms and trunk and the small waveguides on the openings for passage of the particle jet.
The trunk of the electromagnetic cavity is then made in another hollow rectangular tube. To facilitate mounting of the trunk on the arms, extensions 52, 54 and flanges 56, 58 are made at one end of the trunk. These extensions are obtained by cutting out the other two faces of the tube and the flanges 56, 58 are formed by folding the end of the extensions 52, 54.
The extensions 52, 54 have a certain flexibility which allows the nesting of the trunk 16 on the tube 2. The elements 52, 54, 56 and 58 are dimensioned to maintain the trunk on the tube 2, while allowing a sliding of the following trunk the longitudinal axis of the tube 2.
The next step is to adjust the position of the trunk so that the electrical lengths of the two arms are equal. For this, the electromagnetic cavity is placed on a microwave measurement bench to measure the difference between the electrical lengths of the two arms, and the trunk is simultaneously moved along the tube 2 to a position which cancels this difference.
It should be noted that this adjustment takes account of the short-circuit plates 36, 38 and 40 which are put in place before the measurement, whereas, in the prior art consisting in equalizing the arms by milling, these short-circuit plates are not brazed only after the arm equalization step and can therefore slightly modify the setting.
It should be noted that the ratio between the amplitude of the movement of the trunk and the difference in the electrical lengths of the arms is greater than the unit. This ratio is of the order of 3 to 10; it depends on the width of the slot. When the value of the ratio is equal to 3, a variation of the difference between the electrical lengths of the arms of 0.01 millimeter is produced by moving the trunk by 0.03 millimeter. The presence of the slot therefore creates an amplification effect which facilitates the adjustment of the electrical lengths of the arms.
The last step in the manufacturing process is to braze the trunk with the arms in the position determined by the adjustment.
In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the trunk 16 is mounted on the tube 2 by casing elements constituted by the extensions 52, 54 and the flanges 56, 58. Of course, other means of mounting the trunk 16 on the tube 2 can be used. One could for example remove the edges 56, 58 and slightly bend the extensions 52 and 54 towards each other so that, during assembly, they pinch the tube 2.
The electromagnetic cavity according to the invention, which has just been described, constitutes an element of a particle jet resonator, one embodiment of which is shown in longitudinal section in FIG. 4.
This resonator comprises, in a vacuum enclosure 60, a source 62 of particles (atomic or molecular), a first state selector 64, a microwave interaction module 66, a second state selector 68 and a detector 70. It also includes, outside the enclosure 60, a servo circuit constituted by a control circuit 72 for controlling the frequency of an oscillator 74 as a function of a signal delivered by the detector 70, and a multiplier of frequency 76 to bring the frequency of the signal delivered by the oscillator to the frequency necessary to induce an energy state transition of the particles.
The source 62 comprises an oven for producing the particles in the form of vapor and a collimator for forming a jet of particles having the shape of a narrow beam. The first state selector, generally called magnet A, produces an intense and inhomogeneous magnetic field, perpendicular to the jet of particles. It makes it possible to direct to the microwave interaction module 66 only the particles occupying the first determined energy level.
This module includes a magnetic shielding screen 78, pierced by two openings 80, 82 to allow the entry and exit of the particle jet, a set of turns 84 traversed by an electric current to form a static magnetic field, called a C field. , generally perpendicular to the axis of the particle beam, and an electromagnetic cavity 86, called Ramsey cavity in which there is a magnetic field of interrogation of frequency close to the atomic frequency of transition of the particles of the first energy level in a second energy level.
At the output of the microwave interaction module 66, the particles are subjected to a magnetic field generated by a second state selector, similar to the first and called magnet B, having the function of deflecting the particles so that only the particles having undergone an energy level transition are directed towards the detector 70.
When the frequency of the signal delivered by the frequency multiplier 76 is equal to the transition frequency between the two energy levels of the particles, the number of particles received by the detector 70 is important. On the other hand, if the frequency of the signal delivered by the frequency multiplier 76 does not correspond to the transition frequency, the particles do not undergo an energy level transition and the detector 70 does not receive particles. The number of particles received by the detector 70 is thus used by the control circuit 72 to control the frequency of the oscillator 74 and consequently the frequency of the interrogation magnetic field. The frequency of the oscillator is generally 5 to 10 MHz. This signal is available on output 75.
In the case where the particles are cesium atoms, the transition between the energy states (F = 4, mF = 0) and (F = 3, mF = 0) is generally used. The frequency of the corresponding interrogation signal is close to 9.192631770 GHz.
The electromagnetic cavity according to the invention can also be used in an optically pumped resonator. This resonator has a structure similar to that shown in FIG. 4, the only difference being that the state selectors 64 and 68 are replaced by optically pumped lasers which induce a transition of the particles from the second state to the first energy state via a more energetic level. Thus, if the frequency of the interrogation signal is correct, the particles undergo a transition from the first energy state to the second energy state in the microwave interaction module, then a reverse transition via the laser replacing state selector 68. This reverse transition causes light to be emitted.
On the other hand, if the frequency of the interrogation signal does not correspond to the energy level transition, the particles remain in the first energy state and no emission of light occurs. Consequently, the measurement of the intensity of this light emission makes it possible to control the oscillator.