EP4413427A1

EP4413427A1 - Procede de fabrication d'une cavite magnetron pour horloges atomiques

Info

Publication number: EP4413427A1
Application number: EP22802905.4A
Authority: EP
Inventors: Thierry Bastin; Emeline VAN DER BEKEN
Original assignee: Universite de Liege
Current assignee: Universite de Liege
Priority date: 2021-10-08
Filing date: 2022-10-07
Publication date: 2024-08-14
Also published as: CN118140180A; US20250015808A1; US12592706B2; WO2023057629A1; BE1029832A1; BE1029832B1

Abstract

Procédé assisté par ordinateur pour le dimensionnement et puis pour la fabrication d'une cavité magnétron pour horloge atomique, en particulier pour un maser à hydrogène, la cavité étant sensiblement cylindrique et incluant au moins deux électrodes incurvées disposées le long d'un arc de cercle et délimitant un espace sensiblement cylindrique de rayon prédéterminé r, la cavité incluant également un ballon de stockage sensiblement cylindrique de rayon rs disposé dans ledit espace tel qu'il existe un interstice radial ei entre les au moins deux électrodes et le ballon de stockage.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE CAVITE MAGNETRON POUR HORLOGES ATOMIQUES

Domaine technique de l’invention

[01] La présente invention se rapporte au domaine des cavités magnétron pour horloges atomiques, en particulier pour horloges atomiques de type maser à hydrogène.

Etat de la technique

[02] Il est connu d’utiliser des masers à hydrogène comme horloges atomiques. Parmi les normes de fréquence actuelles, le maser à hydrogène a la meilleure stabilité à court terme et est donc utilisé dans de nombreuses applications comme par exemple la synchronisation des radiotélescopes utilisés pour l'interférométrie à très longues bases. Ce type d’horloge atomique comprend généralement une cavité électromagnétique au centre de laquelle est situé un ballon de stockage. Des atomes d’hydrogène sont confinés dans ledit ballon afin d'induire l'émission stimulée à 1420.406MHz entre les deux niveaux hyperfins F = 0 et F = 1 de l'état fondamental 1 s1/2 de l’atome d'hydrogène.

[03] Cependant, les masers à hydrogène de taille standard sont volumineux et lourds, ce qui pose problème pour, en particulier, les applications spatiales, par exemple dans le contexte d’un système de positionnement global, pour lesquelles la conception de modèles compacts est d'une importance primordiale. Il est connu que les dimensions de la cavité dictent les dimensions des différents éléments qui l'entourent, essentiellement une cloche à vide, un solénoïde et des boucliers thermiques et magnétiques. Par conséquent, la seule façon d'obtenir un design de maser plus petit est de réduire la taille de la cavité.

[04] Dans le document US4, 123,727, H. Peters a montré la possibilité d’une horloge atomique de taille réduite en diminuant la taille de la cavité cylindrique grâce à une structure d’électrodes qui modifient les lignes de champ électrique au sein de ce cylindre et ainsi permettent de modifier la fréquence de résonance. Typiquement, dans cette conception, la cavité consiste en un cylindre métallique extérieur fermé entourant un cylindre intérieur ouvert à quatre fentes, les quatre éléments du cylindre intérieur étant appelés électrodes. L'ensemble est en une seule pièce et le ballon de stockage est placé au sein du cylindre intérieur formé par les électrodes. Si ce principe de cavité de type magnétron est bien connu, l’incidence des paramètres géométriques de cette cavité sur les propriétés métrologiques de l’horloge reste méconnue.

[05] Il est connu également qu’un coefficient important pour le fonctionnement correct de telles horloges atomiques est le coefficient dit de fréquence-température (FTC), c’est-à-dire le coefficient indiquant la variation de la fréquence de résonance de la cavité par unité de variation de température de la cavité. Le FTC de la cavité affecte directement la stabilité globale de l’horloge atomique. Plus ce coefficient est bas en valeur absolue, plus le système est stable. Les cavités maser de taille standard ont typiquement des valeurs de FTC de l'ordre de 30 kHz°C’¹ en valeur absolue pour des dimensions de la cavité de l'ordre d’environ 27 cm à la fois en hauteur et en diamètre.

[06] Dans le document CN103515171 , Chen et al. suggèrent des cavités magnétron avec un FTC plus faible via l'utilisation de différents matériaux métalliques pour les éléments à l'intérieur de la cavité du magnétron. Des valeurs FTC aussi basses que 2,5 kHz°C^-1 ont été prédites. Néanmoins, la méthode de prédiction du FTC proposée par Chen et al. présente plusieurs inconvénients. Premièrement, la prédictibilité se révèle insuffisante, les résultats expérimentaux n’étant pas toujours suffisamment proches des résultats théoriques. Deuxièmement, la prédictibilité n’est pas possible en présence du ballon de stockage au sein de la cavité magnétron. Troisièmement, la conception d’une cavité multi-matériaux n’est pas pratique d’un point de vue usinage. Elle engendre une augmentation du temps et des coûts de production.

[07] La présente invention vise donc à répondre au moins partiellement à un ou plusieurs inconvénients mentionnés ci-dessus. En particulier, l’objectif de l’invention est de fournir une méthode de dimensionnement d’une cavité magnétron pour horloge atomique, en particulier pour un maser à hydrogène, qui permet la fabrication d’une cavité magnétron de taille réduite avec une stabilité prévisible et optimisée. Résumé de l’ invention

[08] A cet effet, un premier aspect de la présente invention vise un procédé assisté par ordinateur pour le dimensionnement d’une cavité magnétron pour horloge atomique, en particulier pour un maser à hydrogène, le procédé étant caractérisé par les éléments cités dans la revendication 1. En particulier, la cavité magnétron est sensiblement cylindrique et inclut au moins deux électrodes incurvées disposées le long d’un arc de cercle délimitant un espace sensiblement cylindrique de rayon prédéterminé r. Par électrode, on entend une pièce métallique qui est configurée à modifier les lignes de champ électrique au sein de cet espace sensiblement cylindrique permettant ainsi de modifier la fréquence de résonance de la cavité magnétron. La cavité inclut également un ballon de stockage sensiblement cylindrique de rayon TB disposé dans ledit espace tel qu’il existe un interstice radial e, entre les au moins deux électrodes et le ballon de stockage. Cet interstice radial e, est donc égal à r - TB, étant le rayon de l’espace sensiblement cylindrique moins le rayon du ballon de stockage sensiblement cylindrique.

[09] Le procédé de dimensionnement assisté par ordinateur comprend l’étape A d’obtention d’un jeu de paramètres géométriques de la cavité comprenant une valeur initiale dudit interstice radial ej, tel que la fréquence de résonance v_c de la cavité à une température de référence est la fréquence de résonance requise, en particulier 1420.406MHz +/- 1 MHz, à ladite température de référence. Ces paramètres géométriques de cavité, comme par exemple une hauteur et/ou un rayon de la cavité sensiblement cylindrique, peuvent d’une part être imposés par des facteurs extérieurs, comme par exemple par le type d’application, par exemple dans le cas d’une horloge atomique pour un satellite. D’autre part, d’autres paramètres géométriques peuvent être variés. Les paramètres imposés sont introduits dans un programme d’ordinateur configuré à déterminer, à l’aide des équations de Maxwell, la fréquence de résonance de la cavité, aussi appelée la fréquence propre de la cavité, pour un ensemble de paramètres géométriques et une température de référence. Cette étape permet d’obtenir un jeu de paramètres géométriques de la cavité qui fournit la fréquence de résonance requise à une température de référence, par exemple la température ambiante. [10] Puis, le procédé de dimensionnement assisté par ordinateur comprend l’étape B de la détermination d’une déformation géométrique potentielle de la cavité et détermination de la fréquence de résonance associée à ladite déformation potentielle et cela pour une pluralité de températures de fonctionnement de l’horloge. Cette déformation est due à la dilatation thermique des matériaux. La déformation comprend la déformation de la géométrie de la cavité, des au moins deux électrodes et du ballon de stockage et se base sur les coefficients d’expansion thermique connus des matériaux utilisés qui sont introduits dans un programme d’ordinateur destiné à déterminer cette déformation géométrique potentielle de la cavité et la fréquence de résonance associée. La détermination de la fréquence de résonance associée à ladite déformation géométrique potentielle peut par exemple se faire à l’aide du même programme d’ordinateur qu’à la première étape en partant des géométries déformées.

[11] Le procédé de dimensionnement assisté par ordinateur comprend ensuite l’étape C de détermination du coefficient fréquence - température (FTC) correspondant à la variation de la fréquence de résonance par rapport à ladite pluralité de températures de fonctionnement, en particulier par la formule FTC = d v_c / d T. Ces deux dernières étapes, en particulier l’étape B de la détermination d’une déformation géométrique potentielle de la cavité et la détermination de la fréquence de résonance associée à ladite déformation potentielle et cela pour une pluralité de températures de fonctionnement de l’horloge et l’étape C de détermination du coefficient fréquence - température (FTC) sont alors répétées pour une pluralité de valeurs dudit interstice e, en gardant les mêmes paramètres géométriques tels que déterminés à la première étape pour autant que la fréquence de résonance v_c de la cavité soit la fréquence de résonance requise, en particulier 1420.406 MHz +/- 1 MHz. Cette étape D permet d’obtenir une pluralité de valeurs FTC en fonction dudit interstice e,. Finalement, le procédé comprend l’étape E de la détermination de l’interstice radial e, correspondant au coefficient fréquence - température (FTC) souhaité.

[12] Contrairement à l’art antérieur, ce procédé assisté par ordinateur permet le dimensionnement d’une cavité magnétron pour horloge atomique ayant un coefficient FTC contrôlable et prévisible. Il devient donc possible d’obtenir des cavités magnétron ayant un FTC relativement bas, par exemple à une valeur comprise entre 0 et 60 kHz°C’¹, de préférence entre 0 et 30 kHz°C’¹, de préférence entre 0 et 20 kHz°C’¹. La précision du FTC est seulement limitée par la précision avec laquelle la cavité, les au moins deux électrodes, et le ballon de stockage peuvent être usinés. Ce procédé permet donc de manière avantageuse d’optimiser la stabilité d’une horloge atomique tout en gardant un contrôle sur la fréquence de résonance de la cavité magnétron. De plus, ce procédé permet d’éviter de modifier les matériaux utilisés pour la cavité magnétron, le ballon et/ou les électrodes, ou de combiner plusieurs matériaux en vue de réduire le FTC, comme cela a été proposé dans l’art antérieur.

[13] La pluralité de valeurs dudit interstice radial e, peut de préférence être choisie entre 0 et 3 mm, de préférence entre 0.1 mm et 2 mm, de préférence entre 0.2 et 1 .2 mm. En dimensionnant une cavité magnétron de cette manière, un coefficient fréquence - température prévisible et relativement bas peut être obtenu. Il est d’ailleurs préféré d’exclure la valeur 0, correspondant à un ballon de stockage placé contre les au moins deux électrodes, car cette configuration donne un coefficient fréquence - température très élevé.

[14] Il est préférable que le coefficient fréquence - température (FTC) souhaité soit de l’ordre d’environ 20 kHz°C’¹ en valeur absolue ou moins. Un tel coefficient peut garantir une stabilité relativement grande à la cavité magnétron et donc à l’horloge atomique. En même temps, le procédé permet également de dimensionner une cavité magnétron tel qu’elle ait un FTC plus grand, si souhaité.

[15] De manière avantageuse, ladite pluralité de températures de fonctionnement de l’horloge peut comprendre des températures entre environ 5°C et 70°C, de préférence entre 10° C et 60°C. Cette pluralité de températures peut par exemple inclure la gamme de température d’utilisation de l’horloge atomique. En fonction de la précision souhaitée, la répétition des étapes du procédé peut se faire pour des pas de température de par exemple 5°C ou de 1 °C ou encore de 10°C ou pour tout autre pas de température appropriée.

[16] Le jeu de paramètres géométriques de la cavité peut par exemple comprendre le rayon de la cavité sensiblement cylindrique, la hauteur de ladite cavité sensiblement cylindrique, la hauteur et l’épaisseur des au moins deux électrodes incurvées, le rayon de l’espace sensiblement cylindrique délimité par lesdits au moins deux électrodes, la hauteur et le rayon dudit ballon de stockage. Ce jeu de paramètres peut en partie être imposé par des contraintes extérieures comme par exemple par l’utilisation de la cavité magnétron. Les contraintes imposées par une utilisation d’un maser à hydrogène dans un satellite peuvent par exemple être différentes d’une utilisation sur Terre.

[17] La première étape, c’est-à-dire l’étape d’obtention d’un jeu de paramètres géométriques de la cavité, comprend une détermination de la distance circonférentielle entre deux électrodes adjacentes des au moins deux électrodes incurvées tel que la fréquence de résonance v_c de la cavité à une température de référence est la fréquence de résonance requise, en particulier 1420.406 MHz +/- 1 MHz, à ladite température de référence. Même si la fréquence de résonance v_c d’une cavité magnétron dépend de l’ensemble des paramètres géométriques de la cavité magnétron, il s’est avéré possible d’ajuster cette distance circonférentielle entre deux électrodes adjacentes en gardant les autres paramètres géométriques fixés afin de permettre d’obtenir la fréquence de résonance requise. Comme cette distance circonférentielle entre deux électrodes adjacentes n’est pas imposée par des contraintes extérieures, cette détermination de la distance circonférentielle entre deux électrodes adjacentes permet d’obtenir une fréquence de résonance de la cavité magnétron requise en respectant un maximum de contraintes géométriques imposées. Il est également préférable d’inclure cette étape de détermination de la distance circonférentielle entre deux électrodes adjacentes dans l’étape D) du procédé, c’est- à-dire dans le but de redéterminer cette distance circonférentielle pour chaque interstice e, modifié.

[18] L’étape B) du procédé assisté par ordinateur, en particulier la détermination d’une déformation géométrique potentielle de la cavité et détermination de la fréquence de résonance associée à ladite déformation pour une pluralité de températures de fonctionnement de l’horloge, peut comprendre l’utilisation d’une méthode d’éléments finis, par exemple par un programme de modélisation par éléments finis. Cette méthode peut permettre une modélisation d’une structure complexe, d’épouser la géométrie que l’on modélise, sans perdre de vue l’influence des effets locaux. WO 2023/057629 ’ ? ' PCT/EP2022/077947

[19] De manière avantageuse, l’étape C) du procédé assisté par ordinateur, en particulier la détermination du coefficient fréquence - température, peut comprendre une régression linéaire. Cette régression linéaire peut par exemple s’effectuer par la méthode des moindres carrés réalisée avec les résultats de fréquence pour chaque température. En particulier, cette étape peut s’effectuer de façon graphique en reportant les variations de la fréquence de résonance en fonction de la température dans un graphique.

[20] Un deuxième aspect de l’invention vise un procédé de fabrication d’une cavité magnétron pour horloge atomique, en particulier pour un maser à hydrogène caractérisé par les éléments cités dans la revendication 9. Ce procédé peut fournir un ou plusieurs avantages cités ci-dessus.

[21] Un troisième aspect de l’invention vise une cavité magnétron pour horloge atomique, en particulier pour un maser à hydrogène, caractérisé par les éléments cités dans les revendications 10 à 14. Cette cavité magnétron peut fournir un ou plusieurs avantages cités ci-dessus.

[22] Un quatrième aspect de l’invention vise une horloge atomique de type maser à hydrogène, caractérisé par les éléments cités dans la revendication 15. Cette horloge atomique de type maser à hydrogène peut fournir un ou plusieurs avantages cités ci- dessus.

Brève description des dessins

[23] Un mode de réalisation préféré de l’invention sera décrit en référence aux dessins annexes dans lesquels

- la Figure 1A représente une vue schématique latérale d’un mode de réalisation préféré d’une cavité magnétron selon un deuxième aspect de l’invention ;

- la Figure 1 B représente une vue schématique de dessus de la cavité magnétron de la Figure 1 ; - la Figure 2 représente un diagramme d’ un mode de réalisation préféré d’un procédé assisté par ordinateur selon un premier aspect de l’invention pour le dimensionnement d’une cavité magnétron de la Figure 1A;

- la Figure 3 représente un graphique illustrant l’étape C) du procédé de la Figure 2 ;

- la Figure 4 représente un graphique illustrant l’étape E) du procédé de la Figure 2. scription détaillée de l’invention

[24] La Figure 1A représente une vue schématique latérale d’une réalisation préférée d’une cavité magnétron 1 pour une horloge atomique, en particulier pour un maser à hydrogène, selon un deuxième aspect de l’invention. La Figure 1 B représente une vue schématique de dessus de ladite cavité magnétron 1. La cavité magnétron 1 est sensiblement cylindrique ayant une hauteur 2 et un diamètre 3 qui peuvent être imposés par des contraintes extérieures telles que l’espace disponible pour le maser, par exemple dans un satellite. Une hauteur de la cavité peut par exemple mesurer entre 75 mm et 250 mm, par exemple entre 100 mm et 200 mm, par exemple environ 113 mm. Le diamètre (interne) 3 de la cavité peut également varier entre par exemple 75 mm et 200 mm, par exemple entre 100 mm et 150 mm, étant de préférence d’environ 100 mm pour une hauteur d’environ 113 mm. La cavité magnétron 1 inclut au moins deux électrodes 4, de préférence quatre électrodes 4, incurvées disposées le long d’un arc de cercle et délimitant un espace sensiblement cylindrique de rayon prédéterminé r. Le rayon prédéterminé r est le rayon interne de l’espace délimité par les électrodes. Ce rayon r peut par exemple être compris dans un intervalle entre environ 25 mm et environ 40 mm. Ces électrodes peuvent être physiquement connectées à la paroi intérieure de la cavité magnétron 1 via des supports 5. Les électrodes 4 sont de préférence des plaques métalliques, tel qu’en cuivre ou en aluminium ou en aluminium argenté. Elles sont de préférence du même matériau que les parois de la cavité 1. Une épaisseur 12 desdites électrodes 4 peut par exemple être entre 1 et 6 mm, par exemple autour de 4 mm. Une hauteur 6 desdites électrodes 4 est de préférence sensiblement plus petite que la hauteur 2 de la cavité magnétron 1 et peut par exemple valoir environ 80 mm si la hauteur 2 de la cavité est d’environ 113 mm. Les électrodes 4 sont de préférence placées à une distance 9 du fond de la cavité magnétron 1. La distance circonférentielle de la fente entre deux électrodes 4 est indiquée par t_gap. La cavité magnétron 1 inclut également un ballon de stockage 7 (représenté par des pointillés) sensiblement cylindrique disposé dans ledit espace sensiblement cylindrique formé par les électrodes 4. Le ballon 7 possède une hauteur externe 8 qui est de préférence la même que la hauteur 6 des électrodes 4. Le ballon 7 est disposé à une distance 10 du fond de la cavité 1 , de préférence à la même distance que la distance 9 entre les électrodes 4 et le fond de la cavité 1 . Le ballon 7 a une épaisseur de paroi 11 de par exemple environ 1 .5 mm et est situé à une distance 10 d’environ 10 à 20 mm, par exemple environ 12 mm du fond de la cavité 1 . Le ballon 7 est de préférence en quartz. Le ballon a un rayon externe TB. Le rayon TB du ballon est de préférence légèrement plus petit que le rayon r de l’espace sensiblement cylindrique formé par les électrodes 4, par exemple environ 2 mm plus petit, ou moins. Le ballon 7 est disposé au sein de cet espace sensiblement cylindrique formé par les électrodes 4 tel qu’il existe un interstice radial e, (pas indiqué sur les figures) entre les électrodes 4 et le ballon de stockage 7, en particulier entre l’extérieur de la paroi du ballon 7 et l’intérieur des électrodes 4. Cet interstice radial e, correspond à la différence entre le rayon r de l’espace sensiblement cylindrique formé par les électrodes 4 et le rayon TB du ballon de stockage : e, = r - TB.

[25] Le tableau 1 reprend à titre d’exemple un jeu de paramètres géométriques de la cavité magnétron 1 tel que la fréquence de résonance v_c de la cavité à une température de référence de 20°C est la fréquence de résonance requise, en particulier 1420.406MHz. Il est entendu que d’autres jeux de paramètres sont possibles afin d’atteindre cette fréquence. Ces valeurs correspondent à une cavité magnétron 1 en cuivre et un ballon de stockage 7 en quartz avec une constante diélectrique e_r = 3.78 ± 0.08 et un coefficient d’expansion thermique a_qUartz = 0.40 ± 0.03 ,10’⁶ °C’¹, le coefficient d’expansion thermique pour le cuivre étant aco = 16.5 ± 0.5 ,10’⁶ °C’¹. Une valeur initiale dudit interstice radial e, peut être déduit de ces paramètres. Les éléments de la cavité magnétron 1 sont de préférence usinés avec une tolérance mécanique de 0.1 mm.

[26] Tableau 1 : exemple d’un jeu de paramètres géométriques d’une cavité magnétron telle que représentée dans les Figures 1 A et 1 B :

[27] La Figure 2 représente un diagramme d’un mode de réalisation préféré d’un procédé assisté par ordinateur selon un premier aspect de l’invention pour le dimensionnement d’une cavité magnétron de la Figure 1A. Dans une première étape A) du procédé, un jeu de paramètres géométriques est obtenu. Ce jeu de paramètres peut par exemple comprendre les paramètres du Tableau 1 ou un jeu de paramètres géométriques différent, ainsi que les coefficients d’expansion thermique et/ou les constantes diélectriques des matériaux utilisés. Ces paramètres géométriques, ainsi qu’une température de référence To, par exemple une température de 20°C, et une valeur initiale eio de l’interstice radial e, peuvent être introduit dans un programme d’ordinateur destiné à déterminer une déformation géométrique potentielle de la cavité et à déterminer la fréquence de résonance associée à ladite déformation, par exemple dans un programme de modélisations par éléments finis, par exemple dans Comsol® Multiphysics, ou dans tout autre programme approprié. Ce jeu de paramètres géométriques, par exemple le jeu du Tableau 1 ou tout autre jeu de paramètres géométriques, est choisi tel que la fréquence de résonance v_c de la cavité à la température de référence est la fréquence de résonance requise pour un maser à hydrogène, en particulier 1420.406MHz +/- 1. Il est préférable d’ajuster uniquement la distance circonférentielle t_gap entre deux électrodes adjacentes des au moins deux électrodes incurvées de la cavité magnétron afin d’obtenir cette fréquence de résonance requise. Additionnellement, ou alternativement, il est possible de jouer sur la hauteur 2 de la cavité.

[28] Puis, dans une deuxième étape B) du procédé, la température de référence To peut être modifiée, par exemple en ajoutant un pas £j fixe à chaque itération, par exemple de 10° C, ou de 5°C, ou de 1 °C, ou tout autre pas approprié. Il est également possible de modifier To par un pas variable ou même aléatoire. L’ensemble des n (n étant un nombre entier strictement positif) températures modifiées Tj couvre de préférence un intervalle de températures de fonctionnement potentielles de la cavité magnétron, par exemple entre environ 5°C et environ 50°C. Pour cet ensemble de températures modifiées Tj, l’étape B) comprend la détermination d’une déformation géométrique potentielle de la cavité induite par l’expansion thermique due à cette température modifiée qui peut comprendre une élévation ou diminution de la température de référence en considérant les paramètres d’expansion thermique du ou des matériaux, par exemple du cuivre pour la cavité magnétron 1 et les électrodes 4 et du quartz pour le ballon de stockage 7. Cette étape peut par exemple s’effectuer en déplaçant un maillage selon trois directions perpendiculaires dans un programme de modélisations par éléments finis, par exemple dans une interface du même programme Comsol® Multiphysics qu’à l’étape A), ou dans tout autre programme approprié. Pour ce maillage, chaque élément, ou maille, est par exemple un tétraèdre et chaque point de maille est repéré de manière univoque dans l’espace par les 3 coordonnées u, v, w. De préférence, le maillage est le plus petit possible afin de simuler au mieux la cavité. Il est par exemple noté que l’épaisseur de la paroi du ballon de stockage peut être très mince, par exemple de l’ordre d’1 mm d’épaisseur. Ainsi il est préférable que les mailles soient plus petites que cette épaisseur du ballon. Pour chaque géométrie déformée, le procédé, en particulier l’étape B), comprend la détermination de la fréquence de résonance v_Cj (Tj) associée à cette déformation géométrique potentielle, qui est obtenue à l’aide des équations de Maxwell, par exemple en utilisant une interface appropriée du même programme d’ordinateur qu’à l’étape A) ou dans tout autre programme d’ordinateur approprié.

[29] Ensuite, dans l’étape C) du procédé, le coefficient fréquence - température FTC est déterminé. Le FTC correspond à la variation de la fréquence de résonance v_Cj par rapport à ladite pluralité de températures de fonctionnement Tj. Cette détermination peut par exemple s’effectuer par régression linéaire par une méthode des moindres carrés dans tout programme d’ordinateur approprié. La Figure 3 représente un graphique illustrant un résultat potentiel de cette étape C) du procédé. Chaque point correspond à une prédiction. La droite de régression linéaire est également présentée. Selon cette droite de régression, un FTC de 16.5 kHz°C’¹ est obtenu avec le ballon de stockage. Il est également possible d’utiliser des mesures expérimentales et il s’est avéré que les valeurs du FTC prédites et celles résultant de mesures expérimentales sont en très bon accord.

[30] Comme le FTC ainsi obtenu est un FTC pour un interstice e, donné et comme il s’est avéré que le FTC est très dépendant de la valeur de cet interstice e,, le procédé comprend ensuite l’étape D) qui est la répétition des étapes B) et C) pour une pluralité de valeurs de cet interstice, par exemple pour m valeurs différentes de l’interstice, m étant un nombre entier strictement positif. Pour chaque nouvelle valeur de cet interstice ej, il est préférable de redéterminer aussi une valeur pour la distance circonférentielle t_gap entre deux électrodes 4 adjacentes afin d’obtenir la fréquence de résonance v_c requise, en particulier de 1420.406 MHz + /- 1 . Le résultat de cette étape est l’obtention d’une pluralité de valeurs de FTC en fonction de l’interstice e, et éventuellement en fonction d’une valeur t_gap associée à l’interstice ei.

[31] Dans une dernière étape E) du procédé, l’interstice radial ei correspondant au coefficient fréquence - température (FTC) souhaité est déterminé. Cette étape peut comprendre un affichage graphique à l’aide d’un programme d’ordinateur approprié de la pluralité de valeurs de FTC en fonction de l’interstice ei. La Figure 4 représente un graphique illustrant cette étape E) du procédé montrant le FTC (carrés noirs) en fonction de l’interstice ei à rayon TB constant, tous les autres paramètres géométriques étant maintenus constants, à l’exception du t_gap (ronds) qui a été adapté à chaque ei de manière à maintenir la fréquence de résonance de la cavité endéans 1 MHz de la fréquence de la cavité magnétron pour un maser à hydrogène qui est de 1420.406 MHz. Cet affichage permet de visualiser la dépendance du FTC de la valeur de l’interstice et permet de déduire et donc de déterminer comment ajuster l’interstice ei pour qu’une cavité magnétron ayant un FTC entre environ 60 kHz°C’¹ et 0 (mais 0 exclus), de préférence entre environ 30 kHz°C’¹ et 0 (mais 0 exclus), de préférence entre 20 kHz°C’¹ et 0 (0 exclus) puisse être obtenue. Il est important de souligner que même si ce graphique a été obtenu à partir d’un jeu de paramètres géométriques d’une cavité magnétron choisi, il a été démontré que le comportement de cette dépendance du FTC en fonction de la valeur de l’interstice ei ne dépend pas de ces paramètres géométriques initialement choisis. En effet, pour des valeurs de l’interstice entre 0 et 1 mm, la valeur du FTC semble très vite passer d’une valeur relativement élevée, telle qu’environ 70 kHz°C’¹ ou environ 60 kHz°C’¹ ou encore environ 50 kHz°C’¹ quand l’interstice est proche de 0 mm (tel qu’entre 0.05 et 0.2 mm) vers des valeurs du FTC se rapprochant de 0 quand la valeur de l’interstice monte vers 1 mm ou au-delà. Donc, si, par exemple, un utilisateur souhaite obtenir une cavité magnétron ayant un FTC de d’environ 20 kHz°C’¹, la dernière étape E) du procédé lui permet de déterminer la valeur de l’interstice e, à utiliser, en particulier e, = environ 0.4 mm, pour dimensionner correctement une cavité magnétron ayant le FTC souhaité. Au lieu d’utiliser un affichage, cette étape peut également se réaliser à l’aide d’un tableau, comme par exemple le Tableau 2, ou par tout autre méthode ou programme d’ordinateur approprié.

[32] Tableau 2 : exemple des valeurs de l’interstice, du FTC et du t_gap comme représenté dans la Figure 4 :

[33] Même si la présente invention a été illustrée en référence à des modes de réalisation spécifiques, l’homme du métier comprendra que l’invention n’est pas limitée aux détails des modes de réalisations illustratifs, et que la présente invention peut être réalisée avec de nombreuses modifications sans s’écarter de la portée de l’invention. Les modes de réalisation doivent être considérés comme illustratifs et non de façon restrictive, la portée de l’invention étant définie par les revendications qui suivent plutôt que par la description qui précède. Toute modification qui entre dans la signification ou l’équivalence des revendications est destinée à être comprise. Autrement dit, il est envisagé de couvrir toutes les modifications, variations ou équivalences qui tombent sous la portée des principes de base sous-jacents et dont les caractéristiques essentielles sont revendiquées dans cette demande de brevet. Le lecteur de cette demande de brevet comprendra que les mots “comprenant” ou “comprend” n’excluent pas d’autre élément ou étape, et que les mots “un” ou “une” n’excluent pas une pluralité. Les signes de références dans les revendications ne peuvent être considérés comme limitant la revendication concernée. Les termes “premier”, “deuxième”, “troisième”, “a”, “b”, “c”, etcetera sont introduits pour distinguer différents éléments ou étapes et ne décrivent pas nécessairement un ordre séquentiel ou chronologique. De même, les termes “supérieure”, “inférieure”, “dessus”, “dessous”, etcetera sont introduits à des fins descriptives et pas nécessairement pour désigner des positions relatives. On comprendra que ces termes sont interchangeables sous des conditions appropriées et que des modes de réalisations de l’invention sont capables d’être opérables selon la présente invention dans d’autres séquences ou dans des orientations qui diffèrent de celles décrites ou illustrées ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé assisté par ordinateur pour le dimensionnement d’une cavité magnétron pour horloge atomique, en particulier pour un maser à hydrogène, la cavité étant sensiblement cylindrique et incluant au moins deux électrodes incurvées disposées le long d’un arc de cercle et délimitant un espace sensiblement cylindrique de rayon prédéterminé r, la cavité incluant également un ballon de stockage sensiblement cylindrique de rayon TB disposé dans ledit espace tel qu’il existe un interstice radial e, entre les au moins deux électrodes et le ballon de stockage, le procédé comprenant les étapes de o A) obtention d’un jeu de paramètres géométriques de la cavité comprenant une valeur initiale dudit interstice radial ej, tel que la fréquence de résonance v_c de la cavité à une température de référence est la fréquence de résonance requise, en particulier 1420.406 MHz +/- 1 MHz, à ladite température de référence; o B) pour une pluralité de températures de fonctionnement de l’horloge, détermination d’une déformation géométrique potentielle de la cavité et détermination de la fréquence de résonance associée à ladite déformation; o C) détermination du coefficient fréquence - température (FTC) correspondant à la variation de la fréquence de résonance par rapport à ladite pluralité de températures de fonctionnement; o D) répétition des étapes B) et C) pour une pluralité de valeurs dudit interstice e, o E) détermination de l’interstice radial e, correspondant au coefficient fréquence - température (FTC) souhaité.

2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la pluralité de valeurs dudit interstice radial e, est choisie entre 0 et 3 mm, de préférence entre 0.1 mm et 2 mm, de préférence entre 0.2 et 1 .2 mm.

3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le coefficient fréquence - température (FTC) souhaité est de l’ordre d’environ 20 kHz°C’¹ en valeur absolue ou moins.

4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite pluralité de températures de fonctionnement de l’horloge comprend des températures entre environ 5°C et 70°C, de préférence entre 10° C et 60°C.

5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le jeu de paramètres géométriques de la cavité comprend le rayon de la cavité sensiblement cylindrique, la hauteur de ladite cavité sensiblement cylindrique, la hauteur et l’épaisseur des au moins deux électrodes incurvées, le rayon de l’espace sensiblement cylindrique délimité par lesdits au moins deux électrodes, la hauteur et le rayon dudit ballon de stockage.

6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape A) comprend une détermination de la distance circonférentielle entre deux électrodes adjacentes des au moins deux électrodes incurvées.

7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape B) comprend l’utilisation d’une méthode d’éléments finis.

8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape C) comprend une régression linéaire.

9. Procédé de fabrication d’une cavité magnétron pour horloge atomique, en particulier pour un maser à hydrogène, la cavité étant sensiblement cylindrique et incluant au moins deux électrodes incurvées disposées le long d’un arc de cercle et délimitant un espace sensiblement cylindrique de rayon prédéterminé r, la cavité incluant également un ballon de stockage sensiblement cylindrique de rayon TB disposé dans ledit espace tel qu’il existe un interstice radial e, entre les au moins deux électrodes et le ballon de stockage, le procédé comprenant les étapes de o Obtention de la valeur dudit interstice pour un coefficient fréquence - température (FTC) souhaité par le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 8 ; o Fabrication de la cavité magnétron ayant ledit interstice radial e, entre les au moins deux électrodes et le ballon de stockage de la cavité et le jeu de paramètres géométriques pour lequel ledit interstice a été déterminé.

10. Cavité magnétron pour horloge atomique, en particulier pour un maser à hydrogène, la cavité étant sensiblement cylindrique et incluant au moins deux électrodes incurvées disposées le long d’un arc de cercle et délimitant un espace sensiblement cylindrique de rayon prédéterminé r, la cavité incluant également un ballon de stockage sensiblement cylindrique de rayon TB disposé dans ledit espace tel qu’il existe un interstice radial e, entre les au moins deux électrodes et le ballon de stockage, caractérisée en ce que ledit interstice est compris entre environ 0.1 mm et environ 2 mm et en ce qu’ un coefficient fréquence-température est compris entre 0 et environ 70 kHz°C’¹ en valeur absolue, de préférence en ce que ledit interstice est compris entre environ 0.2 mm et environ 2 mm et en ce qu’ un coefficient fréquence - température est compris entre 0 et environ 50 kHz°C’¹ en valeur absolue, de préférence en ce que ledit interstice est compris entre environ 0.3 mm et environ 2 mm et en ce qu’ un coefficient fréquence - température est compris entre 0 et environ 30 kHz°C’¹ en valeur absolue.

11. Cavité magnétron selon la revendication 10, dans laquelle une distance circonférentielle (t_gap) entre deux électrodes adjacentes des au moins deux électrodes est ajustée pour qu’une fréquence de résonance de ladite cavité soit comprise dans 1420.406 MHz + /- 1 MHz.

12. Cavité magnétron selon l’une quelconque des revendications précédentes 10 à 11 , dans laquelle la cavité magnétron est une cavité compacte ayant un diamètre d’au plus 200 mm, de préférence d’au plus 150 mm.

13. Cavité magnétron selon l’une quelconque des revendications précédentes

10 à 12, dans laquelle les au moins deux électrodes sont du même matériau que la cavité sensiblement cylindrique, de préférence de cuivre, d’aluminium ou d’aluminium argenté.

14. Cavité magnétron selon l’une quelconque des revendications 10 à 13, dans laquelle les dimensions de la cavité ont été obtenues par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.

15. Horloge atomique de type maser à hydrogène comprenant une cavité magnétron selon l’une quelconque des revendications précédentes 10 à 14.