ITMI20102455A1 - Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica per applicazioni geofisiche particolarmente per il monitoraggio di giacimenti di idrocarburi - Google Patents

Description

DISPOSITIVO DI MISURA GRAVIMETRICA ASSOLUTA A

INTERFEROMETRIA ATOMICA PER APPLICAZIONI GEOFISICHE PARTICOLARMENTE PER IL MONITORAGGIO DI GIACIMENTI DI

IDROCARBURI

La presente invenzione si riferisce a un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica particolarmente idoneo ad applicazioni su campo e vantaggiosamente utilizzato nel settore della geofisica.

La gravimetria à ̈ oggi inoltre applicata con successo nell'esplorazione petrolifera, nonché per lo studio di fenomeni legati alla geo-meccanica, idrologia o processi geodinamici grazie alla misura delle variazioni temporali dell'accelerazione di gravità.

E’ noto, infatti, che il campo gravitazionale della terra à ̈ variabile nel tempo e nello spazio.

In dettaglio tale campo di forza varia a seconda del luogo considerato, in quanto dipende dalla latitudine, dall’altitudine e dalla composizione del sottosuolo e risulta essere tempo-variante poiché à ̈ influenzato da vari fenomeni. Tra questi à ̈ opportuno citare fenomeni geodinamici o tettonici, l’attrazione esercitata da un corpo del sistema solare, l’attrazione delle masse oceaniche, il cambiamento ciclico e quello istantaneo dell’asse di rotazione della Terra e la variazione della pressione atmosferica.

Ciò comporta che una misura dell’accelerazione di gravità g e quindi uno studio delle variazioni della stessa grandezza in funzione del tempo e dello spazio può dare indicazioni molto precise su svariati fenomeni legati alle caratteristiche del sottosuolo.

Per questi scopi à ̈ necessario poter eseguire misure di elevata precisione considerato che le ampiezze del segnale da misurare sono spesso inferiori ai 20 microGal.

E’ per questo motivo che nel corso degli anni, si à ̈ cercato di realizzare dispositivi di misura gravimetrica o gravimetri in grado di fornire misure sempre più accurate e precise.

Tuttavia, Ã ̈ necessario sottolineare, che il grado di accuratezza richiesto varia in funzione del fenomeno che si vuole analizzare.

A esempio per lo studio degli strati geologici profondi à ̈ sufficiente disporre di un gravimetro in grado di fornire misure con una sensibilità (∆g/g) compresa tra 10<-6>e 10<-8>, mentre per l’analisi dei processi geodinamici, dei movimenti di magma vulcanico, delle variazioni falde acquifere e delle maree gravimetriche à ̈ necessario che le misure abbiano una sensibilità compresa 10<-7>e 10<-9>.

I dispositivi di misura gravimetrica assoluta che si usano comunemente oggigiorno si basano su una tecnologia che ha raggiunto la sua maturazione intorno agli anni settanta.

In dettaglio la maggior parte dei gravimetri oggi noti sono del tipo “a caduta" e prevedono la misurazione dell’accelerazione di gravità, cui à ̈ sottoposto un grave in caduta libera, mediante tecniche di interferometria ottica.

La sensibilità raggiungibile da questa tipologia di gravimetri à ̈ di circa 10 ed à ̈ limitata soprattutto dalla richiesta stringente di una verticalità contemporanea dell'oggetto in caduta e del braccio dell'interferometro per la misura dello spazio percorso nonché dalla scarsa conoscenza degli effetti magnetici ed elettrostatici sui corpi macroscopici.

Inoltre il lungo periodo che intercorre fra una misura e la successiva rende questo tipo di gravimetri poco adatti ad effettuare una serie di misure in medesime condizioni ambientali.

Una nuova generazione di strumenti à ̈ rappresentata dai gravimetri a superconduttore in cui il peso di una sfera di niobio à ̈ bilanciata da una forza prodotta dalla corrente di una bobina superconduttrice.

Dalla misura delle variazioni di corrente, necessarie a mantenere la sfera nella posizione iniziale à ̈ possibile derivare una stima delle variazioni dell’accelerazione di gravità.

Gravimetri basati su questo principio sono dotati di un'alta precisione, ma sono strumenti di misura relativi in quanto non forniscono una misura diretta dell’accelerazione di gravità e necessitano altresì di una taratura del peso della sfera di riferimento rispetto agli standard assoluti.

Inoltre anche nei dispositivi di misura gravimetrica a superconduttore la massa accelerata à ̈ un oggetto macroscopico e quindi la misura risente dei limiti dovuti alla scarsa conoscenza degli effetti magnetici ed elettrostatici, a cui vanno aggiunti i limiti dovuti a derive termiche e ai limiti di trasportabilità dovuti al necessario supporto dell'apparato di criogenia.

Al fine di superare i limiti di accuratezza dei gravimetri a interferometria ottica e gli inconvenienti dovuti alla scarsa conoscenza degli effetti magnetici ed elettrostatici fornendo una misura assoluta dell’accelerazione di gravità sono attualmente utilizzati i dispositivi di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica.

Gli interferometri atomici hanno mostrato di essere sensori estremamente precisi di accelerazione e rotazione e in ambito applicativo sono già competitivi rispetto agli interferometri ottici nella misura dell'accelerazione di gravità.

Questo dipende dal fatto che in un gravimetro basato sull'interferometria di onde di materia con atomi neutri l'elemento accelerato à ̈ l'atomo stesso e non ci sono elementi macroscopici in movimento; pertanto gli errori sistematici dovuti ad effetti magnetici ed elettrici possono essere controllati dalla conoscenza accurata della struttura atomica.

Un altro vantaggio importante nei dispositivi di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica sta nell'assenza di derive strumentali che consente così lunghi periodi di funzionamento senza interventi esterni di aggiustamento e integrazioni di misure su lunghi intervalli di tempo per accrescere la sensibilità che potrebbe potenzialmente raggiungere un valore pari a circa 10<-11>.

In un dispositivo di misura gravimetrica assoluta ad interferometria atomica un campione di atomi à ̈ raffreddato utilizzando la pressione derivante da una radiazione luminosa quasi risonante con una transizione atomica.

Il processo di raffreddamento o rallentamento porta gli atomi a temperature così basse (pochi microkelvin) che la natura ondulatoria della materia, in particolare degli atomi, diventa rilevante e la corrispondente lunghezza d’onda di de Broglie può essere comparabile alla distanza fra gli atomi.

Ciò consente di realizzare esperimenti dove le onde di materia interferiscono come le onde luminose nell’interferometria ottica.

E’ possibile affermare quindi che diversamente dai gravimetri a interferometria ottica nei dispositivi di misura gravimetrica a interferometria atomica non si misura l’accelerazione di un corpo in caduta libera ma di una pluralità di atomi.

Tale pluralità di atomi à ̈ prima raffreddata e intrappolata in una camera sotto vuoto spinto, mediante l’utilizzo di una pluralità di fasci laser accordati a determinate frequenze, in grado di creare una trappola magneto-ottica tridimensionale (3D-MOT).

Dopo l’intrappolamento la pluralità di atomi à ̈ rilasciata e diviene oggetto di una sequenza interferometrica.

In dettaglio durante la sequenza interferometrica gli atomi vengono separati in due fasci atomici che, dopo aver percorso cammini differenti, vengono ricombinati. Diversamente dall’interferometria ottica, nell’interferometria atomica i separatori e i deflettori del fascio di atomi sono realizzati mediante una successione di impulsi laser emessi a intervalli di tempo T.

E’ oggi noto utilizzare nei suddetti gravimetri l’interferometria Raman che si realizza attraverso l’interazione di due fasci laser contropropaganti la cui differenza in frequenza corrisponde a una transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale della specie atomica considerata.

A questo proposito bisogna dire che le specie atomiche che meglio si adattano all’applicazione in un gravimetro a interferometria atomica sono i metalli alcalini, ed in particolare il Cesio ed il Rubidio che possiedono una coppia di livelli a vita media molto lunga, tra i quali à ̈ possibile indurre transizioni Raman e sono facilmente vaporizzabili e manipolabili ai fini del raffreddamento ed intrappolamento laser.

Dopo la sequenza interferometrica si esegue una fase di rivelazione, attraverso la quale à ̈ possibile stimare l’accelerazione cui à ̈ sottoposta la pluralità di atomi. E’ necessario sottolineare che dopo la sequenza interferometrica, infatti, gli atomi si ritrovano sui due suddetti livelli iperfini dello stato fondamentale. Dal rapporto tra il numero di atomi presenti su tali due livelli iperfini à ̈ possibile ricavare un termine di sfasamento ∆Φ tra le onde di materia associate ai fasci atomici ricombinati che à ̈ proporzionale al prodotto gT<2>. Pertanto à ̈ possibile ricavare una misura dell’accelerazione di gravità dalla misura di tale sfasamento durante la fase di rivelazione.

E’ oggi noto eseguire la fase di rivelazione secondo la tecnica della rivelazione simultanea in zone separate, e della rivelazione sequenziale a zone separate.

In dettaglio secondo la rivelazione sequenziale a zone separate la pluralità di atomi attraversa in caduta libera due zone in sequenza in cui vengono selettivamente eccitati gli atomi dei due livelli iperfini mediante fasci di rivelazione che stimolano un’emissione di fluorescenza la cui intensità à ̈ proporzionale al numero di atomi presenti nei due livelli.

Diversamente la rivelazione simultanea in zone separate prevede l’utilizzo di fasci laser di spinta per separare spazialmente i fasci atomici corrispondenti agli atomi nei due livelli iperfini suddetti e di fasci di rivelazione che stimolano un’emissione di fluorescenza la cui intensità à ̈ proporzionale al numero di atomi presenti nei due fasci.

Tutti i fasci laser coinvolti nelle fasi fin qui descritte sono generati da sistemi laser la cui complessità generalmente cresce con i requisiti di accuratezza richiesti.

I sistemi laser implementati negli odierni gravimetri a interferometria atomica comprendono in genere almeno tre sorgenti laser associate a una pluralità di specchi, modulatori, fibre ottiche e mezzi per l’aggancio in fase e/o in frequenza dei relativi fasci luminosi.

E’ chiaro che al crescere del numero di sorgenti presenti nel sistema laser aumenta l’ingombro dello stesso e del relativo gravimetro, rendendone sostanzialmente impossibile la movimentazione.

Infatti, sistemi laser così complessi sono generalmente implementati su banchi ottici molto grandi e pesanti che difficilmente possono essere spostati in maniera agevole per poter effettuare una pluralità di misurazioni in luoghi diversi.

E’ importante sottolineare, inoltre, che l’accuratezza di un gravimetro a interferometria atomica à ̈ tanto più elevata quanto maggiore à ̈ la durata della sequenza interferometrica; tale intervallo di tempo dipende ovviamente dallo spazio percorso dagli atomi in caduta libera.

Inoltre l’accuratezza migliora se si riesce a effettuare un controllo della posizione e della velocità degli atomi raffreddati al momento del loro rilascio dalla trappola magneto-ottica tridimensionale. Al fine di aumentare l’intervallo di tempo utile per effettuare le misure sul campione di atomi à ̈ oggigiorno implementata nei gravimetri a interferometria atomica una tecnica di rilascio denominata a fontana atomica. Secondo tale tecnica di rilascio il sistema laser à ̈ pilotato in maniera tale che al termine dell’intrappolamento nella trappola magneto-ottica il campo magnetico viene estinto e successivamente viene sbilanciata la pressione di radiazione dovuta ai fasci laser della trappola; così gli atomi raffreddati vengono lanciati in direzione verticale verso l’alto creando una fontana atomica.

Tale tecnica di rilascio a fontana offre il vantaggio di raddoppiare l’intervallo di tempo utile per effettuare la sequenza interferometrica e la rivelazione, ma non consente di controllare con precisione la posizione e la velocità iniziale degli atomi.

Inoltre à ̈ importante sottolineare che la tecnica di rilascio a fontana necessita di un sistema da ultravuoto di dimensioni ragguardevoli, in quanto deve comprendere tutto il cammino che il campione di atomi si ritrova a percorrere.

I gravimetri a interferometria atomica attualmente in uso sono pertanto sistemi di misura da laboratorio di grandi dimensioni che presentano un’elevata accuratezza.

In generale, partendo dall’alto verso il basso seguendo la direzione verticale definita dalla forza di gravità, il dispositivo di misura gravimetrica assoluta delle presente invenzione, come anche quelli noti, comprende un sistema laser per la generazione di fasci laser, un piano di sostegno per il sistema laser, un sistema da ultra-vuoto per il transito dei fasci laser e uno specchio di retroriflessione posto alla base del sistema da ultra-vuoto.

Per garantire un’elevata accuratezza di misura à ̈ necessario sia ridurre al minimo le vibrazioni del dispositivo di misura gravimetrica assoluta lungo il proprio asse verticale, in particolare le vibrazioni lungo la direzione verticale dello specchio di retroriflessione, sia mantenere il più possibile allineanti lungo tale direzione verticale i componenti sopra citati del dispositivo di misura gravimetrica assoluta.

A tal fine sono noti sistemi di attenuazione sismica del tipo comprendente dispositivi molla-antimolla di sospensione dello specchio di retroriflessione.

Tuttavia tutti i sistemi oggi noti di attenuazione sismica presentano dimensioni tali da non poter essere integrati in un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a bassi ingombri secondo la presente invenzione.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati e in particolare quello di ideare un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica dalle dimensioni compatte.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica in grado di essere agevolmente trasportabile in campo per effettuare in loco misure a elevata accuratezza.

Ancora uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica che richieda il minimo numero di aggiustamenti e regolazioni.

Questi e altri scopi secondo la presente invenzione sono raggiunti realizzando un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica come esposto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche del dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Le caratteristiche e i vantaggi di un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

- la figura 1 Ã ̈ una vista schematica prospettica di un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica per applicazioni geofisiche secondo la presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ vista schematica prospettica di una testa di misura compresa nel dispositivo di misura gravimetrica assoluta di figura 1;

- la figura 3 à ̈ un diagramma di energia del Rubidio; - la figura 4a à ̈ una vista schematica di un sistema laser compreso nella testa di misura di figura 2;

- la figura 4b à ̈ una vista schematica di mezzi per la generazione di fasci Raman compresi nel sistema laser di figura 4a;

- la figura 5a à ̈ una vista schematica prospettica di un sistema da ultra-vuoto compreso nella testa di misura di figura 2;

- la figura 5b à ̈ una vista schematica di dettaglio di una camera primaria compresa nel sistema di figura 5a; - le figure 6a e 6b sono due viste in alzata frontale e laterale del sistema da ultra-vuoto di figura 5a;

- le figure 7a, 7b e 7c sono rispettivamente una vista schematica frontale, laterale e dall’alto del sistema da ultra-vuoto durante la fase di intrappolamento;

- la figura 8 Ã ̈ una vista schematica prospettica di un sistema di attenuazione sismica compresa nella testa di misura di figura 2;

- le figura 9a e 9b sono due schemi a blocchi di due forme di realizzazione di un metodo di pilotaggio del sistema laser di figura 4a.

- la figura 10 à ̈ una vista schematica prospettica dall’alto del sistema di attenuazione sismica di figura 8 installato nel dispositivo di misura gravimetrica assoluta della presente invenzione; e

- la figura 11 Ã ̈ una vista schematica prospettica dal basso del sistema di attenuazione sismica di figura 8 installato nel dispositivo di misura gravimetrica assoluta della presente invenzione.

Con riferimento alle figure, viene mostrato un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica per applicazioni geofisiche , complessivamente indicato con 10.

Tale dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10 a interferometria atomica per applicazioni geofisiche comprende una testa di misura 11 e un armadio o rack di controllo e alimentazione 12 collegati tra loro mediante cavi elettrici ed eventualmente fibre ottiche (non raffigurate).

La testa di misura 11 del dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10 a interferometria atomica comprende un sistema da ultra-vuoto 14 per l’intrappolamento del campione atomico raffreddato e la caduta libera dello stesso, nonché un sistema di attenuazione sismica 15 per il controllo delle vibrazioni.

Il dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10 a interferometria atomica comprende altresì un sistema laser 13 per la generazione dei fasci per il raffreddamento, l’intrappolamento, la manipolazione e la rivelazione degli atomi e un sistema elettronico di controllo (non raffigurato) che possono essere compresi nella testa di misura 11 oppure nel rack di controllo e alimentazione 12.

Nel caso in cui il sistema laser 13 Ã ̈ compreso nella testa di misura 11 anche le fibre ottiche per il trasporto dei fasci generati dal sistema laser 13 sono comprese nella testa di misura 11 e pertanto il rack 12 Ã ̈ collegato alla testa di misura 11 solo mediante cavi elettrici.

Nella forma di realizzazione preferita illustrata, la testa di misura 11 comprende un telaio a sviluppo verticale 17 alla cui estremità superiore à ̈ vincolato un piano di sostegno 16.

Al di sopra del piano di sostegno superiore 16 Ã ̈ fissato un involucro metallico contenente il sistema laser 13.

Inferiormente al piano di sostegno superiore 16 Ã ̈ vincolato al telaio 17, mediante mezzi di presa e sostegno 19, il sistema da ultra-vuoto 14 racchiuso in un involucro magneto-schermante 20.

In corrispondenza dell’estremità inferiore del telaio 17 à ̈ vincolato il sistema di attenuazione sismica 15. Tale sistema di attenuazione sismica 15 sostiene uno specchio di retroriflessione 21 utilizzato per riflettere i fasci interferometrici.

La testa di misura 11 à ̈ vantaggiosamente collocata all’interno di un frame termostatato 22 ovvero un involucro metallico 22 al quale sono associati sensori di temperatura e resistenze per compensare eventuali abbassamenti di temperatura.

In questo modo à ̈ possibile controllare attivamente la temperatura della camera da ultra-vuoto 14 e soprattutto del sistema laser 13; in particolare si riducono gli effetti dovuti alle fluttuazioni termiche delle fibre ottiche impiegate per trasferire la pluralità di fasci generati dal sistema laser 13 al sistema da ultra-vuoto 14.

In dettaglio il sistema laser 13 à ̈ in grado di generare e controllare i fasci per il raffreddamento e l’intrappolamento di un campione di atomi, i fasci per il ripompaggio ottico, i fasci per l’interferometro di Raman e i fasci per la spinta e la rivelazione.

Tali fasci laser sono opportunamente accordati a diverse frequenze che vengono determinate sulla base delle frequenze ottiche risonanti della specie atomica considerata e della funzione specifica che devono assolvere.

E’ necessario specificare che le specie atomiche utilizzate nel dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10 sono caratterizzate da uno stato energetico fondamentale e uno stato energetico eccitato; ciascuno di questi due stati energetici può essere ulteriormente diviso in una pluralità di livelli iperfini.

Preferibilmente, la specie atomica utilizzata nel dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica 10 per applicazioni geofisiche secondo l’invenzione à ̈ il Rubidio 87 che, come à ̈ possibile osservare in figura 3, possiede uno stato energetico fondamentale 5<2>S1/2e un livello eccitato 5<2>P3/2che distano in frequenza 384.2 THz, ovvero 780.2 nm.

Inoltre ciascuno di questi due livelli comprende una pluralità di sottolivelli iperfini; in particolare i due livelli iperfini dello stato fondamentale F1e F2distano in frequenza 6.8 GHz come à ̈ chiaramente osservabile in figura 3.

I fasci laser generati dal sistema laser 13 sono accordati intorno alla frequenza corrispondente alla transizione energetica tra lo stato fondamentale e lo stato eccitato, ossia a 780.2 nm nel caso del Rubidio 87.

In particolare a seconda della loro funzione i fasci sono sintonizzati alle frequenze corrispondenti alle transizioni energetiche tra i livelli iperfini dello stato fondamentale e i livelli iperfini dello stato eccitato della specie atomica considerata.

In dettaglio, con riferimento al diagramma energetico del Rubidio 87 illustrato in figura 3, il raffreddamento e l’intrappolamento nonché la spinta del campione di atomi avvengono mediante fasci laser che hanno una frequenza pari a quella della transizione energetica tra un secondo livello iperfine F2dello stato fondamentale 5<2>S1/2e un terzo livello iperfine F’3del livello eccitato 5<2>P3/2.

Poiché esiste una probabilità non nulla che alcuni atomi effettuino altre transizioni oltre a quella di raffreddamento, à ̈ opportuno effettuare un ripompaggio per evitare che tali atomi sfuggano al raffreddamento stesso.

Il fascio per il ripompaggio, à ̈ impostato sulla transizione energetica tra un primo livello iperfine F1dello stato fondamentale 5<2>S1/2e un secondo livello iperfine F’2del livello eccitato 5<2>P3/2.

I fasci che realizzano la sequenza interferometrica di Raman sono impostati sulle due transizioni energetiche che avvengono tra un livello energetico virtuale e il primo F1e il secondo F2livello iperfine dello stato fondamentale 5<2>S1/2. Dunque, nel caso del Rubidio 87, i due fasci interferometrici sono accordati su due frequenze distanti circa 6.8 GHz.

I fasci di rivelazione sono impostati sulla transizione energetica tra il secondo F2livello iperfine dello stato fondamentale 5<2>S1/2e il terzo livello F’3iperfine del livello eccitato 5<2>P3/2.

Secondo la presente invenzione la suddetta pluralità di fasci laser à ̈ generata da un sistema laser 13 comprendente due sole sorgenti laser 23, 24, preferibilmente sintonizzate a circa 780.2 nm nel caso in cui si consideri un campione di atomi di Rubidio 87. E’ chiaro che la tipologia di sorgente laser viene scelta in base ai requisiti in termini di purezza spettrale, accordabilità e potenza ottica che devono soddisfare i fasci laser derivanti dalle sorgenti stesse.

In particolare, à ̈ necessario che le sorgenti laser abbiano una banda di emissione più stretta rispetto alle transizioni ottiche coinvolte.

Tale requisito à ̈ molto importante soprattutto per le sorgenti che generano i fasci per l’interferometria di Raman e per la rivelazione poiché il rumore di frequenza di tali fasci diventa rumore di fase dell’interferometro e rumore di misura durante la rivelazione.

E’ necessario pertanto utilizzare sorgenti laser stabilizzate al livello di circa 1 MHz.

Alla luce di ciò, la prima sorgente 23 à ̈ vantaggiosamente un diodo laser in cavità estesa o ECDL (External-cavity Diode Lasers), che può essere stabilizzata con alta precisione e avente una banda di emissione molto stretta; in dettaglio la frequenza assoluta frefdi tale diodo laser in cavità estesa à ̈ compresa nell'intervallo di frequenze [384227935.0 MHz, 384227935.5 MHz].

La seconda sorgente 24 à ̈ preferibilmente un laser a retroazione distribuita o DFB (Distributed Feedback Laser) caratterizzato da dimensioni compatte ma larghezza di banda di emissione maggiori rispetto a un diodo laser in cavità estesa; la frequenza assoluta frepdel laser a retroazione distribuita à ̈ compresa nell'intervallo [384234682 MHz, 384234684 MHz].

Una differenza rilevante tra le due tipologie di sorgenti laser consiste nella maggiore robustezza dei diodi laser in cavità estesa rispetto ai laser a retroazione distribuita. Infatti i diodi laser in cavità estesa sono maggiormente soggetti a salti di modo a seguito di eccitazioni meccaniche, termiche o elettriche; un salto di modo comporta la perdita dell'aggancio in frequenza del laser; dunque, l'operazione di aggancio in frequenza risulta in genere meno complicata con un laser a retroazione distribuita, per il quale basta agire sulla corrente di iniezione, operazione eventualmente automatizzabile in maniera semplice. Diversamente per un diodo laser in cavità estesa può essere necessario agire su tre parametri quali temperatura, corrente e tensione del piezoelettrico.

Dalla prima sorgente 23 derivano i fasci per il raffreddamento, l’intrappolamento, la sequenza interferometrica e la rivelazione che distano in frequenza di una quantità controllata con una precisione dell'ordine di 1 kHz; dalla seconda sorgente 24 derivano i fasci per il ripompaggio.

Il sistema laser 13 comprende un primo modulo 25 e un secondo modulo 26 in cui sono posizionate le due sorgenti 23 e 24 e tutti i mezzi necessari alla generazione dei suddetti fasci laser, come a esempio specchi, polarizzatori, lenti, fotodiodi e così via. E’ importante sottolineare che la configurazione del sistema laser 13 secondo la presente invenzione varia al variare del posizionamento delle sorgenti 23, 24 all’interno dei due moduli 25 e 26 pur non esulando dall’ambito della presente invenzione.

In una forma di realizzazione preferita della presente invenzione le due sorgenti 23, 24 sono collocate all’interno del primo modulo 25.

In tal caso il primo modulo 25 à ̈ in grado di generare i fasci per la trappola magneto-ottica tridimensionale, i fasci di spinta, di rivelazione e il fascio di ripompaggio, nonché un fascio di riferimento per la realizzazione dei fasci laser interferometrici di Raman.

In dettaglio la prima sorgente 23 à ̈ vantaggiosamente associata a mezzi per l’aggancio in frequenza 27 in grado di stabilizzare un primo fascio emesso 30 a una frequenza spostata di poche centinaia di MHz rispetto alla frequenza caratteristica di una transizione energetica della specie atomica considerata.

Preferibilmente i mezzi per l’aggancio in frequenza 27 sono in grado di implementare la tecnica della Modulation Transfer Spectroscopy (MTS). Secondo tale tecnica una parte del fascio emesso dalla prima sorgente 23 viene separata in due fasci, un fascio di pompa e un fascio di sonda. Il fascio di pompa attraversa un cristallo modulatore elettroottico o EOM (non illustrato) compreso nei mezzi per l’aggancio in frequenza 27. Tale cristallo modulatore elettroottico à ̈ in grado di produrre una modulazione di fase pura, senza modulazione di ampiezza. La frequenza di modulazione à ̈ dell'ordine della larghezza naturale della transizione ottica tra lo stato energetico fondamentale e lo stato energetico eccitato della specie atomica considerata; quindi nel caso in cui tale specie atomica à ̈ il Rubidio 87 la frequenza di saturazione à ̈ di circa 6 MHz. Il cristallo modulatore elettroottico à ̈ associato a una cella (non illustrata) con vapore di Rubidio 87 ove il fascio di pompa viene iniettato dopo la modulazione elettroottica.

Si sottolinea che il cristallo modulatore elettroottico consente una modulazione di fase pura senza modulazione AM, quindi con un elevato grado di reiezione degli offset nel segnale di errore.

Diversamente, il fascio di sonda attraversa un cristallo modulatore acusto-ottico (non illustrato), compreso nei mezzi per l’aggancio in frequenza 27, che produce una pura traslazione di frequenza con una frequenza di modulazione preferibilmente pari a 360 MHz. Tale fascio di sonda dopo essere stato modulato viene sovrapposto in direzione opposta al fascio di pompa all’interno della cella con vapore di Rubidio 87, al fine di realizzare uno schema di spettroscopia di saturazione; quindi viene inviato su un fotodiodo (non illustrato) veloce. Il segnale del fotodiodo viene demodulato in quadratura con il segnale di modulazione dell'EOM.

Si sottolinea che la spettroscopia di saturazione garantisce una riga di riferimento stretta, dell'ordine della larghezza naturale della transizione atomica tra lo stato energetico fondamentale e lo stato energetico eccitato della specie atomica considerata; con un rapporto S/R dell'ordine di 1000, à ̈ quindi possibile raggiungere precisioni in frequenza migliori di 10 kHz; Inoltre l'elevata frequenza di modulazione del cristallo modulatore elettroottico permette di rigettare il rumore 1/f durante la fase di rivelazione. Lo spostamento di frequenza tra i due fasci di pompa e di sonda, realizzato con il cristallo modulatore acusto-ottico, riduce le interferenze tra i due fasci. La prima sorgente 23 à ̈ vantaggiosamente accoppiata a mezzi per la generazione di fasci secondari 29 comprendenti una pluralità di lenti e specchi (non raffigurati), una pluralità di modulatori acusto-ottici (non raffigurati), e una pluralità di divisori di fascio (non raffigurati) disposti in maniera tale da generare un fascio di rivelazione 31, un fascio per la realizzazione della trappola magneto-ottica tridimensionale 32 e un fascio per la spinta 33, i quali sono iniettati direttamente in una pluralità di fibre ottiche (non raffigurate) atte a trasferirli nel sistema da ultra-vuoto 14.

Tali mezzi per la generazione di fasci secondari 29 generano inoltre un fascio di riferimento 36 per la realizzazione dei fasci laser interferometrici di Raman.

Preferibilmente la prima sorgente 23 à ̈ altresì associata a un primo amplificatore ottico 28 che consente di ottenere un fascio laser ad alta potenza, condizione indispensabile per garantire la generazione della pluralità di fasci necessari al funzionamento del dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10.

Preferibilmente il primo amplificatore ottico 28 à ̈ di tipo rastremato o tapered perché offre una maggiore robustezza ed una maggiore potenza ottica. Tale primo amplificatore ottico 28 à ̈ posto tra la prima sorgente 23 e i mezzi per la generazione di fasci secondari 29. La seconda sorgente 24 à ̈ invece associata a mezzi di aggancio in fase 34 in ingresso ai quali à ̈ iniettato anche parte del primo fascio 30 amplificato dal suddetto primo amplificatore ottico 28.

In tal modo un secondo fascio 35 emesso dalla seconda sorgente 24 risulta agganciato in fase al primo fascio 30 emesso dalla prima sorgente 23 e genera il fascio di ripompaggio 37; à ̈ possibile affermare quindi che la seconda sorgente 24 quando à ̈ agganciata alla prima sorgente 23 emette il fascio di ripompaggio 37.

E’ importante sottolineare che vantaggiosamente parte del fascio di ripompaggio 37 à ̈ accoppiata ai mezzi per la generazione di fasci secondari 29 in maniera tale da collaborare alla generazione in particolare del fascio per la realizzazione della trappola magneto-ottica tridimensionale 32 e il fascio di rivelazione 31.

Il primo modulo 25 si accoppia al secondo modulo 26 mediante l’iniezione in ingresso a tale secondo modulo 26 del fascio di riferimento 36 e del fascio di ripompaggio 37.

Il secondo modulo 26 comprende vantaggiosamente un secondo amplificatore ottico 38, preferibilmente di tipo rastremato o tapered in cui à ̈ iniettato il fascio di riferimento 36 proveniente dal primo modulo 25.

Tale secondo amplificatore ottico 38 Ã ̈ accoppiato a mezzi per la generazione di fasci Raman 39 in grado di produrre in uscita due fasci di Raman 41 interferometrici vantaggiosamente sovrapposti a partire dal solo fascio di riferimento 36; tali fasci di Raman 41 sovrapposti sono iniettati in fibra (non raffigurata) per il trasferimento al sistema da ultravuoto 14.

In alternativa il fascio di riferimento 36 Ã ̈ iniettato direttamente nei mezzi per la generazione di fasci Raman 39.

In particolare, come à ̈ possibile osservare in figura 4b, tali mezzi per la generazione di fasci Raman 39 comprendono mezzi separatori di fascio 60, atti a separare il fascio di riferimento preferibilmente amplificato 36 in due fasci terziari 47 e 48.

A valle di tali mezzi separatori à ̈ prevista la presenza di una pluralità di lenti di focalizzazione e specchi ottici (non raffigurati) atti a iniettare i due fasci terziari 47 e 48 in due modulatori acusto-ottici (AOM) 43 e 44 capaci di variare la frequenza della radiazione entrante.

In particolare il primo 43 e il secondo 44 modulatore acusto-ottico sono in grado di spostare rispettivamente verso le alte frequenze il primo fascio terziario 47 e verso le basse frequenze il secondo fascio terziario 48 di una quantità pari a circa un quarto della differenza di frequenza tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale della specie atomica considerata.

Nel caso in cui la specie atomica sia il Rubidio 87 i due modulatori acusto-ottici 43 e 44 sono in grado di spostare la frequenza di un fascio passante di circa 1.7 GHz.

I due modulatori acusto-ottici 43 e 44 sono inoltre associati a mezzi riflettenti 50 atti a favorire il doppio passaggio di parte dei due fasci terziari 47 e 48 attraverso gli stessi modulatori 43 e 44.

Ciò comporta che i due fasci derivanti da tale doppio passaggio sono sintonizzati su frequenze che differiscono di una quantità corrispondente alla transizione energetica tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale della specie atomica considerata e possono perciò essere definiti fasci di Raman 51, 52. I due fasci di Raman 51 e 52 sono vantaggiosamente sovrapposti e iniettati in un terzo amplificatore ottico 46, preferibilmente di tipo rastremato o tapered.

Tale terzo amplificatore ottico 46 Ã ̈ accoppiato a un terzo modulatore acusto-ottico 45 che sposta opportunamente in frequenza i due fasci di Raman sovrapposti 41.

Inoltre poiché i due fasci di Raman sovrapposti 41 devono essere attivati con impulsi della durata di alcune decine di microsecondi, con durata riproducibile entro lo 0.1%, il terzo modulatore acusto-ottico 45 à ̈ in grado di controllare l'intensità di tali fasci su intervalli di tempo inferiori al microsecondo.

I due fasci di Raman sovrapposti 41, in uscita da tale terzo modulatore acusto-ottico 45, sono iniettati in una fibra ottica (non illustrata) per essere trasportati fino all’ingresso del sistema da ultravuoto 14.

E’ importante sottolineare che la scelta di combinare i fasci a monte della fibra ottica, ha l’obiettivo di limitare il più possibile il rumore di fase derivante da fluttuazioni dei cammini ottici indipendenti.

Come à ̈ possibile osservare in figura 4a i mezzi per la generazione di fasci Raman 39 sono inoltre vantaggiosamente associati a mezzi per la generazione dei fasci di raffreddamento 40 nei quali viene iniettata la parte residua 54 dei due fasci terziari 47, 48 dopo il passaggio attraverso i modulatori acusto-ottici 43, 44.

Tali mezzi per la generazione dei fasci di raffreddamento 40 sono accoppiati in aggiunta al fascio di ripompaggio 37 derivante dal primo modulo 25 e sono in grado di generare tre fasci 53 per la realizzazione di una trappola magneto-ottica bidimensionale, atta a raffreddare e rallentare il campione di atomi considerato nel dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10.

Tutti i fasci generati dal sistema laser 13 sono trasferiti mediante una pluralità di fibre ottiche al sistema da ultra-vuoto 14.

Si sottolinea inoltre che i mezzi per la generazione di fasci Raman 39, i mezzi per la generazione di fasci secondari 29 e i mezzi per la generazione dei fasci di raffreddamento comprendono in aggiunta una pluralità di otturatori meccanici (non raffigurati) in grado di estinguere i fasci generati quando richiesto.

Il sistema da ultra-vuoto 14 comprende una camera primaria 61 preferibilmente ottagonale, una camera secondaria 63 preferibilmente cubica e posizionata inferiormente alla camera primaria e infine un dotto cilindrico 62 che collega le due camere 61 e 63.

Sia la camera primaria 61 sia la camera secondaria 63 comprendono una pluralità di finestre ottiche 64 per l’iniezione dei fasci laser necessari al funzionamento del dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10.

Il sistema da ultra-vuoto 14 à ̈ preferibilmente realizzato in titanio mentre le finestre ottiche sono preferibilmente realizzate in BK7 e sono saldate al corpo di titanio mediante la tecnica del “diffusion bonding†.

E’ importante sottolineare che il titanio à ̈ un metallo particolarmente adatto a questo tipo di applicazioni, per le sue proprietà magnetiche e per la resistenza alle temperature elevate necessarie per la realizzazione della camera da vuoto, nonché per la coincidenza del suo coefficiente di espansione termica con quello del BK7.

La pressione nel sistema da ultra-vuoto 14 à ̈ mantenuta a livelli di ultra-vuoto mediante mezzi di pompaggio (non raffigurati) al fine di limitare le collisioni degli atomi coinvolti nella misura con altri atomi a temperatura ambiente. Tali mezzi di pompaggio sono alloggiati in apposite sedi passanti 65 ricavate sulla superficie delle camere primarie 61 e secondarie 63. Nel sistema da ultra-vuoto 14 avviene l’intrappolamento degli atomi raffreddati, la sequenza interferometrica di Raman e la rivelazione grazie all’azione dei fasci generati dal sistema laser 13.

In dettaglio, il raffreddamento del campione di atomi avviene per effetto di un campo magnetico e di due fasci laser dei tre 53 contropropaganti per la realizzazione di una trappola magneto ottica bidimensionale (2D-MOT) in una cella di raffreddamento (non raffigurata) compresa nel sistema da ultra-vuoto in cui la pressione à ̈ mantenuta mediante mezzi di pompaggio (non raffigurati) al livello di circa 10<−7>mbar.

Il rimanente fascio laser dei tre 53 contropropaganti per la realizzazione di una trappola magneto-ottica bidimensionale spinge gli atomi assialmente verso la camera da vuoto primaria, in modo da incrementare il flusso atomico.

L’intrappolamento avviene nella camera primaria 61 ove analoghi mezzi di pompaggio (non raffigurati) mantengono la pressione al livello di circa 10<−9>mbar. L’intrappolamento avviene per effetto di una trappola magneto-ottica tridimensionale realizzata mediante l’iniezione di almeno quattro fasci derivanti dal fascio per la realizzazione di una trappola magnetoottica 32, e la contemporanea attivazione di un campo magnetico di trappola generato da due bobine 66.

Preferibilmente vengono iniettate tre coppie di fasci laser contropropaganti e non coplanari, derivanti dal fascio per la realizzazione della trappola magnetoottica tridimensionale 32.

Le bobine 66 sono alloggiate in due sedi realizzate sulla la camera primaria 61, come illustrato in figura 5b, in maniera tale che le bobine stesse 66 si trovino alla minima distanza possibile dagli atomi per limitare la potenza termica dissipata.

Ciascuna delle due bobine 66 Ã ̈ costituita da un numero di avvolgimenti di filo di rame tale da generare il gradiente di campo magnetico necessario al funzionamento della trappola magneto-ottica.

La trappola magneto-ottica tridimensionale viene quindi realizzata nella camera primaria 61 ove in primo luogo viene introdotto il campione di atomi raffreddato e poi vengono iniettate le tre coppie di fasci laser attraverso sei della pluralità di finestre ottiche 64 ricavate nella camera primaria 61 stessa.

L’iniezione avviene per mezzo di una prima pluralità di ottiche 68 montate su supporti indipendenti (non raffigurati) e opportunamente posizionate a valle della pluralità di fibre ottiche 69 in modo tale da garantire l’allineamento dei fasci necessario per l’intrappolamento.

Preferibilmente la trappola magneto-ottica tridimensionale à ̈ realizzata mediante l’interazione di tre coppie di fasci contropropaganti e non coplanari, di cui due coppie sono inclinate di 45° rispetto alla verticale, ed una coppia à ̈ disposta lungo la direzione orizzonatale.

Tale configurazione della trappola magneto-ottica à ̈ comunemente indicata con 1-1-0 e consente un migliore rapporto tra miniaturizzazione del sistema da ultravuoto e versatilità degli accessi ottici.

In alternativa à ̈ possibile implementare qualsiasi configurazione con tre coppie di fasci contropropaganti e non coplanari oppure una configurazione con quattro fasci a geometria tetraedrica.

E’ importante sottolineare che la trappola magnetoottica tridimensionale può essere ottenuta anche mediante ottiche di retroriflessione a partire da un numero inferiore di fasci, al limite anche uno solo; tuttavia, l'uso di ottiche di retroriflessione rendono meno stabile la posizione degli atomi, dovuta all'assorbimento della luce da parte degli stessi atomi, con conseguente sbilanciamento di intensità tra i fasci retroriflessi in funzione della densità atomica.

La misura dell’accelerazione di gravità à ̈ influenzata dalla posizione effettiva degli atomi durante la misura; questa dipende dalla posizione iniziale e dalla velocità iniziale degli atomi, che devono quindi essere controllate con precisione.

Per questo motivo assume particolare importanza sia la fase di intrappolamento sia quella di rilascio degli atomi raffreddati.

In una forma di realizzazione preferita della presente invenzione i fasci laser della trappola magneto-ottica tridimensionale vengono estinti insieme al campo magnetico di trappola consentendo un rilascio della nuvola atomica con velocità media prossima allo zero. Questa tecnica di rilascio a caduta libera consente di ottenere un ottimo controllo della velocità iniziale e di ottimizzare le dimensioni del sistema da ultra-vuoto 14 che in tal caso deve comprendere il tragitto corrispondente alla sola caduta libera degli atomi.

Preferibilmente à ̈ realizzata in aggiunta alla trappola magneto-ottica tridimensionale una trappola ottica di dipolo o FORT (Far-Off Resonant dipole Trap) mediante almeno un fascio laser focalizzato (non illustrato) oppure con una coppia di fasci laser incrociati che vengono diretti nella camera primaria 61 attraverso una seconda pluralità di ottiche (non illustrate).

La posizione di tale seconda pluralità di ottiche à ̈ preferibilmente resa stabile al livello di alcuni micron mediante l’utilizzo di una struttura meccanica (non illustrata) per il supporto delle stesse in maniera sufficientemente rigida.

La generazione del fascio per la creazione di una trappola ottica di dipolo à ̈ preferibilmente derivato dal fascio emesso dalla seconda sorgente 24 vantaggiosamente iniettato in un amplificatore ottico (non illustrato); diversamente tale fascio per la creazione di una trappola ottica di dipolo à ̈ generato da una terza sorgente laser (non illustrata) a diversa lunghezza d'onda, con requisiti meno stringenti in termini di purezza spettrale, a esempio un diodo da 500 mW a 810 nm oppure 850 nm.

E’ inoltre importante sottolineare che le dimensioni lineari della trappola ottica di dipolo sono vantaggiosamente dell’ordine delle centinaia di micron, in modo da massimizzare la quantità di atomi intrappolati.

E’ possibile realizzare anche geometrie fortemente asimmetriche della trappola, in modo da ottimizzare simultaneamente la quantità di atomi e la risoluzione spaziale lungo l’asse di misura.

Il campione di atomi raffreddato, dunque, à ̈ trasferito dalla trappola magneto-ottica tridimensionale alla trappola ottica di dipolo per poi essere rilasciato in caduta libera da quest’ultima.

In ogni caso dopo il rilascio della trappola magnetoottica gli atomi raffreddati sono liberi di cadere sotto l’azione della forza gravitazionale.

La caduta libera avviene nel dotto cilindrico 62 che collega la camera primaria 61 alla camera secondaria 63.

Durante la caduta libera nel dotto 62 gli atomi sono sottoposti all’azione dei fasci laser interferometrici di Raman sovrapposti 41. Tali fasci sono iniettati in direzione verticale nella camera primaria attraverso una finestra ottica, attraversano il dotto 62 e la camera secondaria 63 ed escono dal sistema da ultravuoto 14 per poi essere retroriflessi dallo specchio di retroriflessione 21.

Dopo la sequenza interferometrica gli atomi si ritrovano sui due livelli iperfini F1e F2dello stato fondamentale della particolare specie atomica considerata.

A questo punto à ̈ necessaria una fase di rivelazione per misurare il rapporto tra le popolazioni atomiche nei due sottolivelli iperfini F1e F2dello stato fondamentale al fine di ricavare una stima dello sfasamento tra le onde di materia associate a essi e misurare così l’accelerazione di gravità g.

Secondo la presente invenzione à ̈ possibile implementare non solo la tecnica di rivelazione simultanea in zone separate e la tecnica di rivelazione sequenziale a zone separate, ma anche la tecnica di rivelazione sequenziale a zona singola.

Secondo tale schema di rivelazione gli atomi nei due sottolivelli iperfini F1e F2dello stato fondamentale sono prima separati con una spinta verticale selettiva ottenuta mediante il fascio di spinta 33 e poi attraversano in sequenza una singola zona di interazione con il fascio di rivelazione.

E’ chiaro che, poiché la separazione tra le nuvole atomiche à ̈ puramente verticale, queste potranno attraversare la stessa zona di rivelazione in tempi diversi.

Questa tecnica riduce numerosi errori sistematici presenti nella rivelazione in zone separate; la calibrazione della rivelazione a zone separate à ̈ infatti particolarmente delicata in quanto l’efficienza di rivelazione à ̈ intrinsecamente diversa per i due canali per via della diversa geometria dell’ottica di rivelazione e i diversi dispositivi opto-elettronici utilizzati nelle due zone distinte.

In generale, partendo dall’alto verso il basso seguendo la direzione verticale definita dalla forza di gravità, il dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10 della presente invenzione comprende un sistema laser 13, un piano di sostegno 16, un sistema da ultra-vuoto 14, uno specchio di retroriflessione 21 e un sistema di attenuazione sismica 15.

Al fine di garantire un’elevata accuratezza di misura à ̈ necessario sia ridurre al minimo le vibrazioni del dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10 lungo il proprio asse verticale, in particolare le vibrazioni lungo la direzione verticale dello specchio di retroriflessione 21, sia mantenere il più possibile allineanti lungo la direzione verticale i componenti sopra citati del dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10.

Inoltre il sistema di attenuazione sismica 15 atto a garantire tali specifiche deve possedere ingombri ridotti tali da poter essere istallato in un dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10 trasportabile, come previsto dalla presente invenzione. Le suddette specifiche sono garantite al dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10 per mezzo del sistema di attenuazione sismica 15 oggetto della presente invenzione.

Lo smorzamento verticale dello specchio di retroriflessione 21 avviene disaccoppiando lo stesso dalle vibrazioni del suolo nell’intervallo di tempo necessario alla sequenza interferometrica.

Al fine di attenuare il rumore sismico, preferibilmente di almeno 40 dB, il sistema di attenuazione sismica 15 viene installato proprio al di sotto dello specchio di retroriflessione 21.

Come visibile in figura 8, tale sistema di attenuazione sismica 15 comprende un piatto inferiore 1000, eventualmente provvisto inferiormente di piedini 1001, di appoggio del dispositivo di misura gravimetrica assoluta 10 al suolo od a un’altra struttura qualsiasi. Il sistema di attenuazione sismica 15 comprende inoltre un piatto superiore 1002 di supporto dello specchio di retroriflessione 21 provvisto di un foro passante 1003. Al di sopra di tale foro passante 1003 à ̈ mantenuto sospeso lo specchio di retroriflessione 21 per mezzo di un accoppiamento molla-antimolla geometrica, di per sé di tipo noto, comprendente tre lame metalliche 70, 71, 72 disposte e vincolare in configurazione tale da realizzare il suddetto di accoppiamento mollaantimolla.

Naturalmente il numero di lame metalliche può essere anche in numero maggiore di tre.

Il piatto inferiore 1000 à ̈ connesso al piatto superiore 1002 per mezzo di bracci articolati 1008 recanti alle estremità snodi sferici 1009.

Tali bracci articolati 1008 consentono la messa in bolla dello specchio di retroriflessione 21 per mezzo di un elemento ad asta 1010 il quale, a partire da uno snodo sferico 1009 superiore, attraversa una base allungata 1011 dello specchio di retroriflessione 21 al di sotto del piatto superiore 1002 fino ad una relativa sede 1012 vincolata a sua volta al di sotto dello piatto superiore 1002.

Per mezzo di tale geometria molla-antimolla del tipo a lame metalliche 70, 71, 72 che mantengono sospeso lo specchio di retroriflessione 21, Ã ̈ possibile modificare le frequenze di risonanza del moto verticale dello specchio di retroriflessione 21 variando la distanza del punto di ancoraggio della base di ciascuna lama 70, 71, 72 al piatto superiore 1002.

In tal geometria molla-antimolla le basi delle lame 70, 71, 72 vincolate al piatto superiore 1002 lavorano in flessione e agiscono come molle ordinarie con rigidità positiva, mentre le loro teste, contrastandosi reciprocamente nel punto in cui mantengono sollevato specchio di retroriflessione 21, lavorano in compressione come un'antimolla con rigidità negativa.

La composizione di queste due molle può ridurre il valore della rigidità complessiva a valori molto bassi, limitati dall'insorgere del comportamento bistabile del sistema che si ottiene per valori di rigidità effettiva quasi nulla, dove il sistema si troverebbe in uno stato di equilibrio indifferente.

Per garantire un’elevata rigidità angolare e per contrastare eventuali spostamenti nel piano ortogonale alla direzione verticale, direzione lungo la quale agisce lo smorzamento, secondo l’invenzione si prevedono mezzi di vincolo radiali fra lo specchio di retroriflessione 21 e il piatto superiore 1002.

Secondo la realizzazione mostrata, tali mezzi di vincolo radiali comprendono degli elementi a tirante 1005 fissati da un lato al di sotto dello specchio di retroriflessione 21 e da un altro lato al piatto superiore 1002 per mezzo di dispositivi di tiraggio 1006 a loro volta fissati al piatto superiore 1002.

Come citato in precedenza à ̈ necessario che lo specchio 21 mantenga il suo asse allineato lungo la direzione verticale preferibilmente entro un angolo di circa 50 microradianti.

Il monitoraggio dell'allineamento avviene utilizzando mezzi di misura dell’inclinazione dello specchio di retroriflessione 21 solidali al sistema di attenuazione sismica 15 stesso.

Secondo l’esempio realizzativo mostrato i mezzi di misura dell’inclinazione comprendono un elemento a tetraedro 1013 affacciato verso il piatto inferiore 1000 e vincolato al di sotto della porzione inferiore allungata 111 dello specchio di retroriflessione 21. Tale elemento a tetraedro 1013 funge da elemento di riflessione per raggi 1016 generati da una sorgente disposta sul piatto inferiore 1000 al di sotto di tale elemento a tetraedro 1013.

In particolare il tetraedro 1013 provvedere a deviare i raggi su opportuni elementi di ricezione 1015 vincolati al piatto inferiore 1000.

In tal modo quando almeno uno degli elementi di ricezione 1015 non à ̈ investito dal relativo raggio riflesso 1017, viene segnalata un’eccessiva inclinazione relativa dello specchio di retroriflessione 21 al di sopra di quanto tollerato. L’eventuale correzione dell’eccessiva inclinazione dello specchio di retroriflessione 21 viene corretta agendo in modo manuale, o automatico per mezzo di una motorizzazione dedicata, su delle viti di regolazione integrate nel bracci articolati 1008.

Il metodo di pilotaggio 100 del sistema laser 13 comprende una fase di generazione 101 dei fasci di raffreddamento, intrappolamento, manipolazione, spinta e rivelazione di una pluralità di atomi mediante l’accensione delle due sorgenti 23, 24.

Dopo tale fase di generazione à ̈ prevista la fase di raffreddamento 102 della suddetta pluralità di atomi che avviene mediante l’attivazione e iniezione nella cella di raffreddamento 102 dei fasci contropropaganti per la realizzazione di una trappola magneto-ottica bidimensionale 53.

Al termine della fase di raffreddamento 102 i fasci contropropaganti per la realizzazione di una trappola magneto-ottica bidimensionale 53 vengono estinti e successivamente à ̈ eseguita la fase di intrappolamento 103 della pluralità di atomi raffreddati nella camera primaria 61 del sistema da ultra-vuoto 14.

Tale fase di intrappolamento 103 avviene mediante l’attivazione e l’iniezione dei fasci per la realizzazione di una trappola magneto-ottica tridimensionale 32, nonché mediante la contemporanea generazione del campo magnetico di trappola prodotto dalle due bobine 66.

Dopo la fase di intrappolamento 103 à ̈ prevista la fase di rilascio 104 in caduta libera che secondo la presente invenzione comprende la fase di spegnimento 109 della trappola magneto-ottica tridimensionale mediante l’estinzione contemporanea dei fasci per la realizzazione di una trappola magneto-ottica tridimensionale 32 e del campo magnetico di trappola prodotto dalle due bobine 66.

Dopo lo spegnimento della trappola magneto-ottica tridimensionale gli atomi raffreddati sono liberi di cadere sotto l’azione della forza gravitazionale; à ̈ chiaro che à ̈ importante conoscere con precisione anche la posizione iniziale degli atomi che può però essere influenzata da fluttuazioni della intensità relativa tra i fasci laser, della polarizzazione dei fasci laser, della frequenza ottica dei fasci laser. Tutti questi parametri sono influenzati da fattori tecnici come fluttuazioni di temperatura e vibrazioni dell’apparato, limitando la stabilità e l’accuratezza del gravimetro atomico.

In una forma di realizzazione preferita la fase di rilascio 104 comprende vantaggiosamente in aggiunta una fase di trasferimento 105 in cui gli atomi intrappolati nella trappola magneto-ottica tridimensionale sono trasferiti a una trappola ottica di dipolo.

Tale fase di trasferimento 105 avviene attivando il fascio per la creazione di una trappola ottica di dipolo successivamente allo spegnimento della trappola magneto-ottica tridimensionale.

Dopo la fase di trasferimento 105 à ̈ prevista la fase di liberazione 106 della pluralità di atomi in cui il fascio per la creazione di una trappola ottica di dipolo viene estinto lasciando gli atomi liberi di cadere.

Preferibilmente dopo la fase di trasferimento 105 e prima della fase di liberazione 106 à ̈ realizzata una fase di ulteriore raffreddamento (non rappresentata) del campione di atomi mediante tecniche come il “Raman sideband cooling†e/o il raffreddamento evaporativo, allo scopo di ridurre gli effetti della dispersione di velocità atomica sulla misura interferometrica.

La tecnica di Raman sideband cooling à ̈ basata sul fatto che gli atomi intrappolati in potenziali conservativi, come la trappola ottica di dipolo, oscillano con livelli energetici discreti, potendo assumere solo un insieme discreto di valori di energia vibrazionale. Attivando una coppia di fasci laser per indurre transizioni Raman sul campione atomico, gli atomi si trasferiscono nel livello vibrazionale ad energia più bassa. In questo modo, per ogni transizione Raman un atomo trasferisce ai fasci laser una energia equivalente alla differenza di energia tra il fotone assorbito ed il fotone emesso, ed il raffreddamento risulta da questa perdita di energia. Con questa tecnica sono state ottenute temperature dell'ordine di 100 nanoKelvin in pochi millisecondi su campioni di Cesio; con atomi di Rubidio 87 non sono invece riportate temperature più basse di 800 nanoKelvin.

Il raffreddamento evaporativo in trappola ottica di dipolo à ̈ basato sul fenomeno spontaneo di perdita selettiva degli atomi più energetici del campione intrappolato: gli atomi con energia maggiore di una certa soglia non possono essere intrappolati e dopo un certo tempo si allontanano dal campione; la perdita di atomi "caldi" comporta una diminuzione della energia termica media del campione, quindi della temperatura atomica. Per aumentare la velocità e l'efficienza di raffreddamento si riduce l'energia di soglia per l'evaporazione, diminuendo l'intensità dei laser di trappola ottica (evaporazione forzata), in modo ma mantenere il rapporto tra l'energia di soglia e la temperatura media sufficientemente basso. Il raffreddamento evaporativo permette di raggiungere temperature estremamente basse (nanoKelvin) ma comporta una notevole diminuzione del numero di atomi, ed in genere richiede tempi lunghi (da alcuni secondi a decine di secondi) per consentire la termalizzazione del campione.

Tale fase di ulteriore raffreddamento può essere spinta fino al raggiungimento della condizione di degenerazione quantistica (condensazione di Bose-Einstein o gas di Fermi degenere, a seconda del momento di spin atomico) per utilizzare alcune proprietà di coerenza quantistica al fine di migliorare la sensibilità e l’accuratezza del gravimetro 10.

Al termine della fase di rilascio 104 si esegue 107 una sequenza interferometrica mediante l’attivazione dei fasci interferometrici di Raman 41 sovrapposti durante la caduta libera della pluralità di atomi attraverso il dotto cilindrico 62.

Dopo la sequenza interferometrica i fasci interferometrici di Raman 41 sovrapposti vengono estinti e si procede alla fase di rivelazione 108 attivando i fasci di spinta 33 e di rivelazione 31 in accordo con la tecnica di rivelazione implementata.

In dettaglio la fase di rivelazione 108 à ̈ preferibilmente effettuata mediante l’implementazione della tecnica della rivelazione sequenziale a zona singola.

In alternativa la fase di rivelazione 108 à ̈ effettuata mediante l’implementazione della tecnica della rivelazione simultanea in zone separate oppure della tecnica della rivelazione sequenziale in zone separate. Si sottolinea che il controllo della intensità e dunque l’attivazione e l’estinzione dei fasci laser coinvolti nel processo di misura, avviene tramite una combinazione dell'uso di una pluralità modulatori elettro-ottici di attivazione e degli otturatori meccanici compresi nel sistema laser 13.

In particolare, i modulatori elettro-ottici di attivazione sono impiegati per i fasci in cui sia necessaria una estinzione e/o attivazione con la massima precisione temporale, mentre la pluralità di otturatori meccanici à ̈ impiegata qualora la precisione temporale non sia critica, e/o qualora sia importante una estinzione completa del fascio, dal momento che i modulatori elettro-ottici di attivazione non garantiscono una estinzione completa; infine per i fasci per cui sono richieste sia precisione temporale sia estinzione completa si utilizzano uno della pluralità di modulatori elettro-ottici di attivazione e uno della pluralità di otturatori in cascata.

Dalla descrizione effettuata sono chiare le caratteristiche del dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica oggetto della presente invenzione, così come sono chiari i relativi vantaggi.

Infatti tale dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica comprende un sistema laser in grado di generare tutti i fasci laser necessari al funzionamento del dispositivo di misura gravimetrica assoluta stesso da sole due sorgenti laser.

Ciò comporta che tale sistema laser possa essere installato su moduli compatti che possono essere preferibilmente collocati nella testa di misura del dispositivo di misura gravimetrica assoluta, rendendo quest’ultimo di dimensioni compatte e dunque facilmente trasportabile.

Inoltre poiché la testa di misura à ̈ posizionata all’interno di un frame termostatato à ̈ possibile controllare le fluttuazioni termiche delle fibre ottiche impiegate per trasferire la pluralità di fasci generati dal sistema laser al sistema da ultra-vuoto. Tutto ciò permette di ottenere misure affidabili anche in campo.

Infatti il sistema laser secondo la presente invenzione garantisce elevata purezza spettrale delle sorgenti (qualità del controllo in frequenza e fase), stabilità di intensità, e potenza ottica erogata.

La purezza spettrale à ̈ assicurata dall’utilizzo di un laser ECDL a riga stretta, stabilizzato con tecnica Modulation Transfer Spectroscopy, che garantisce una elevata stabilità in frequenza. La stabilità di fase relativa dei laser Raman à ̈ garantita dall'utilizzo dei modulatori acusto-ottici ad alta frequenza, in luogo dell'aggancio di fase ottico tra due laser in uso in altri apparati. Per quanto riguarda la stabilità di intensità, l'uso di componenti ottiche miniaturizzate à ̈ un vantaggio in quanto garantisce una maggiore stabilità degli allineamenti.

Infine, la potenza totale disponibile à ̈ paragonabile o superiore a quella di altri dispositivi gravimetrici da laboratorio, in virtù dell'uso di tre amplificatori ottici.

Il metodo di pilotaggio del sistema laser secondo la presente invenzione, implementando la tecnica di rilascio a caduta libera, consente di ridurre le dimensioni del sistema da ultra-vuoto e di ottenere un ottimo controllo della velocità iniziale degli atomi. La fase di creazione di una trappola ottica di dipolo in cui gli atomi vengono trasferiti dalla trappola magneto-ottica prima del rilascio in caduta libera consente un controllo di elevata precisione della posizione degli atomi nell’attimo in cui inizia la caduta libera.

Infatti in tal caso la posizione iniziale degli atomi dipende solo dalla posizione della seconda pluralità di ottiche attraverso le quali viene iniettato l’almeno un fascio focalizzato.

Inoltre il sistema di attenuazione sismica alternativo descritto nella presente invenzione da un lato presenta un ingombro ridotto e da un altro lato sia riduce al minimo le vibrazioni lungo la direzione verticale dello specchio di retroriflessione sia mantiene il più possibile allineanti lungo la direzione verticale i componenti del dispositivo di misura gravimetrica assoluta.

È chiaro, infine, che il dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica così concepito à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’invenzione; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo comprendente un sistema laser (13) per la generazione di una pluralità di fasci laser per il raffreddamento, l’intrappolamento, la manipolazione, la spinta e la rivelazione di una pluralità di atomi, detti fasci laser essendo accordati ognuno in corrispondenza di una frequenza pari a una transizione energetica tra un livello iperfine (F1, F2) di uno stato fondamentale (5<2>S1/2) e un livello iperfine (F’2,F’3) di uno stato eccitato (5<2>P3/2) di detta pluralità di atomi caratterizzato dal fatto che detto sistema laser (13) comprende una prima sorgente laser (23) stabilizzata in frequenza che emette un primo fascio (30), una seconda sorgente laser (24), agganciata in fase a detta prima sorgente laser (23), che emette un fascio di ripompaggio (37), dette prima (23) e seconda (24) sorgente laser essendo accoppiate a mezzi per la generazione di fasci secondari (29) in grado di generare un fascio di rivelazione (31), un fascio per la realizzazione della trappola magneto-ottica tridimensionale (32), un fascio per la spinta (33) e un fascio di riferimento (36), detto sistema laser comprendendo altresì mezzi per la generazione di fasci Raman (39) in grado di produrre in uscita due fasci interferometrici di Raman (41) sovrapposti a partire da detto fascio di riferimento (36), detti mezzi per la generazione di fasci Raman (39) essendo associati a mezzi per la generazione dei fasci di raffreddamento (40) accoppiati in aggiunta a detto fascio di ripompaggio (37) e in grado di generare tre fasci (53) per la realizzazione di una trappola magneto-ottica bidimensionale.
2. 2) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi per la generazione di fasci Raman (39) comprendono mezzi separatori di fascio (60) che separano detto fascio di riferimento in un primo (47) e un secondo (48) fascio terziario, un primo (43) e un secondo (44) modulatore elettro-ottico in grado di spostare rispettivamente verso le alte frequenze detto primo fascio terziario (47) e verso le basse frequenze detto secondo fascio terziario (48) di una quantità pari a circa un quarto della differenza di frequenza tra due livelli iperfini (F1, F2) di detto stato fondamentale (5<2>S1/2) di detta pluralità di atomi, detti primo (43) e secondo (44) modulatori acusto-ottici e essendo inoltre associati a mezzi riflettenti (50) in grado di favorire il doppio passaggio di parte di detti fasci terziari (47, 48) attraverso gli stessi modulatori (43, 44) per la generazione di due fasci di Raman sovrapposti (41).
3. 3) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che detto sistema laser (13) comprende, tra detta prima sorgente (23) e detti mezzi per la generazione di fasci secondari (29), un primo amplificatore ottico (28) per l’amplificazione di detto primo fascio (30).
4. 4) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti mezzi per la generazione di fasci Raman (39) comprendono un terzo amplificatore ottico (46) per l’amplificazione di detti due fasci Raman sovrapposti (41), detto terzo amplificatore ottico (46) essendo accoppiato a un terzo modulatore acusto-ottico (45) in grado di controllare l'intensità di detti due fasci di Raman sovrapposti (41) su intervalli di tempo inferiori al microsecondo. 5) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto sistema laser (13) comprende, tra detti mezzi per la generazione di fasci secondari (29) e detti mezzi per la generazione di fasci Raman (39) un secondo amplificatore ottico (38) per l’amplificazione di detto fascio di riferimento (36). 6) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto detti primo (28), secondo (38) e terzo amplificatore (46) ottico sono di tipo rastremato o tapered. 7) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta prima sorgente laser (23) à ̈ un diodo laser in cavità estesa avente una frequenza assoluta compresa nell’intervallo di frequenze [384227935.0 MHz, 384227935.
5. 5 MHz]. 8) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta seconda sorgente laser (24) à ̈ un laser a retroazione distribuita avente una frequenza assoluta compresa nell’intervallo di frequenze [384234682 MHz, 384234684 MHz]. 9) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta prima sorgente (23) à ̈ associata a mezzi per l’aggancio in frequenza (27) in grado di implementare la tecnica della Modulation Transfer Spectroscopy (MTS). 10) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti mezzi per la generazione di fasci secondari (29), detti mezzi per la generazione di fasci Raman (39) e mezzi per la generazione dei fasci di raffreddamento (40) comprendono una pluralità di otturatori meccanici in grado di estinguere i fasci quando richiesto. 11) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere una testa di misura (11) e un armadio o rack di controllo e alimentazione (12) collegati tra loro, detta testa di misura (11) comprendendo detto sistema laser (13), un sistema da ultra-vuoto (14) per l’intrappolamento e la caduta libera di un campione atomico raffreddato, in detto sistema da ultra-vuoto (14) essendo trasferiti i fasci generati da detto sistema laser (13) mediante una pluralità di fibre ottiche, detta testa di misura (11) comprendendo altresì un sistema di attenuazione sismica (15) per il controllo delle vibrazioni. 12) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo la rivendicazione 11 caratterizzato dal fatto che detto sistema da ultra-vuoto (14) comprende una camera primaria (61) ottagonale, una camera secondaria (63) cubica posizionata inferiormente a detta camera primaria e un dotto cilindrico (62) che collega detta camera primaria (61) a detta camera secondaria (63), in dette camere primaria (61) e secondaria (63)essendo realizzate una pluralità di finestre ottiche (64) per l’iniezione dei fasci generati da detto sistema laser (13). 13) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo la rivendicazione 12 caratterizzato dal fatto che su detta camera primaria (63) sono realizzate due sedi per l’alloggiamento di due bobine (66) in grado di generare un campo magnetico per la generazione di una trappola magneto-ottica, la quale à ̈ realizzata mediante l’iniezione in detta camera primaria (61) di almeno quattro fasci derivanti da detto fascio per la realizzazione di una trappola magneto-ottica (32) e la contemporanea attivazione di detto campo magnetico di trappola generato da dette due bobine (66). 14) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo una delle rivendicazioni dalla 11 alla 13 caratterizzato dal fatto che detto sistema da ultravuoto (14) à ̈ racchiuso in un involucro magnetoschermante (20). 15) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica a interferometria atomica (10) particolarmente idoneo ad applicazioni su campo secondo una delle rivendicazioni dalla 11 alla 14 caratterizzato dal fatto che detta testa di misura (11) à ̈ collocata all’interno di un involucro metallico (22) al quale sono associati sensori di temperatura e resistenze in grado di compensare eventuali abbassamenti di temperatura.