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"METHODE ET SYSTEME BASES SUR UNE SELECTION
DE FRBQUENCE." Inventeur:M.ARDITI.
Cette invention concerne des perfectionnements aux dispositifs de pro- duction d'oscillations micrométriques et a trait, plus particulièrement, à ceux utilisant des transitions atomiques ou moléculaires.
Il est connu d'utiliser, à de telles fins, une cellule à gaz pour le contrôle d'un oscillateur devant fournir une fréquence exacte et rigoureusement stable. De tels dispositifs sont connus sous le nom'ti'horloges atomiques".
Selon une réalisation possible d'un tel dispositif, un oscillateur af- fecte les caractéristiques des transitions moléculaires ou atomiques dans une cellule à gaz. Ces transitions sont évidemment caractérisées par une fréquence fo fixe d'une certaine valeur. Si l'on module l'onde de sortie de l'oscillateur, on peut définir, par l'intermédiaire d'un comparateur de phase, les variations de ladite onde de sortie par rapport à la fréquence fo. On obtient alors un
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signal dont la polarité et l'intensité dépendent de la différence des fréquences ainsi déterminées et ce signal peut être utilisé pour vérrouiller l'oscilla- teur sur la fréquence fo.
Dans un tel système, il est nécessaire: a) que le rapport signal/bruit soit aussi grand que possible, b) que la courbe de résonance soit étroite, c) que la fréquence de référence fo soit indépendante des champs magnétiques et électriques environnants, des variations de température, de la pression, des accélérations possible, etc..., d) qu'aucune erreur ne soit introduite par le dispositif lui-même.
Les transitions atomiques qui ont lieu dans les vapeurs d'ur. métal alcalin et pour lesquelles les règles de sélection sont :¯F=1,¯ mF-O, mF 0, sont celles qui répondent le deux à ce qui vient d'être énoncé.
Cette transition est basée su r l'orientation du spin de l'électron de valence comparé au spin de @ @ au spin du noyau.
Elle est indépendante du champ électrique.
Il a été proposé d'augmenter la sensibilité de la détection en utili- sant le procédé de pompage optique tel que celui décrit dans le brevet principal Cette invention prévoit l'introduction d'un gaz tampon dans la cellule où doit se produire la transition afin de: 1) réduire l'effet Doppler de manière à obtenir des courbes de résonance étroi- tes, 2) améliorer l'efficacité du pompage optique en diminu@ant les risques de cap- ture des atomes du métal alcalin par les parois de la cellule.
L'utilisation d'un gaz tampon présente, cependant, certains inconvé- nients. Tout d'abord, la fréquence centrale de transition est déplacée. De plus, la nouvelle fréquence de transition obtenue varie avec la pression du gaz tampon et la température de la cellule. Etant donné que l'utilisation d'un gaz tampon est nécessaire, il est obligatoire de trouver une solution à ces incon- vénients. Il est évidemment utile de définir, au préalable, la variation de fréquence désirée en fonction dela pression du gaz tampon. Il est ainsi possi- ble de commander une variation de fréquence donne en modifiant cette pression, par exemple, par variation de température.
Biffés: 8 mots.
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Selon une des caractéristiques de l'invention, deux gaz tampons, au moins, sont introduits dans une cellule contenant de la vapeur de métal alcalin à l'intérieur de laquelle sont provoquées des transitions hyperfines, ces gaz étant choisis de manière que les variations de la fréquence de transition en fonction de leurs pressions relatives soient égales et de signe opposé, ce qui permet de compenser leurs effets et d'obtenir une grande stabilité de fré- quence en dépit des différences de pression dues aux conditions variables de température.
Il est nécessaire de remarquer qu'avec les gaz tampons dont la carac- térisuque F (P) présente une forte pente, on obtient, à partir de la transition commandée dans la cellule à vapeur de métal alcalin, un signal d'amplitude insuffisante .
Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible d'em- ployer une mélange de deux gaz tampons dont la caractéristique F (P) une faible pente afin de permettre l'obtention d'un signal d'amplitude convena- ble, la correction désirée pour avoir une caractéristique globale F (P) plate, c'est-à-dire une grande stabilité, étant fournie en utilisant, à faible dose, un troisième gaz tampon ayant une caractéristique à forte pente.
Différentes autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite, en se reportant aux figures annexées qui re- présentent: - la Fig. 1, des courbes montrant les variations de la fréquence de transition dans une cellule à vapeur de césium en fonction de la pression de - différents gaz tampons, - la Fig. 2, les mêmes courbes relatives à une cellule à vapeur de sodium, - la Fig. 3, l'adaptation de l'invention à un dispositif de production d'ondes micrométriques stabilisées.
Comme il a été mentionné précédenment. la fréquence centrale des transj -tions hyperfines dépend de la pression du gaz tampon utilisé. Les Figs. 1 et 2 représentent ces variations de maière qualitative. Il convient de signaler que les valuen numeriques portées sur ces figures sont approximatives étant don- né qu'elles doivent normalement être corrigées pour tenir compte d'effets se-
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condaires tels que ceux résultant de collisions entre les molécules de gaz et de vapeur. Cependant, en première approximation, il est cessible de corriger ces effets.
La Fig. 1 a trait, plus particulièrenent, à une cellule à vapeur de sécium dans laquelle les transitions hyperfines correspondant à : F 1, F=4. mf= o # F=3, "F =0.
Dans cette cellule, divers gaz tampons sent utilisés. La courbe a est relative à l'utilisation de l'hélium et montre que la fréquence centrale de transi tien augmente avec la pression, le taux d'augmentation étant égal à 1800Hz par mm de mercure. Le sens de variation de la fréquence de transition est le même lorsque.le gaz utilisé est du néon. Par contre, cette variation change de signe avec l'argon (c) et, d'une manière générale, avec tous les gaz ayant un poids atomique élevé tels que, par exemple, le crypton et le xénon. Les dif- férents taux de variation de la fréquence centrale avec la pression du gaz tampon utilisé sont indiquas sur les courbes correspondantes de la Fig. 1.
En plus desgaz mentionn4s sur cette figure, l'hydrogène et l'azote peuvent être utilisés comme gaz tampon étant donne qu'ils constituent des g az non magnétiques
De la même manière, les variations de la pression de ces gaz entraînent des centrale de transitif; les courbes représentant ces variations de la fréquence /variations de pression peuvent etre tracées sur le diagramme de la Fig. 1, leur pente dépenaant des masses atomiques de ces gaz.
Il doit être noté qu"en plus de leurs propriétés non-magnétiques, ces gaz tam- pons doivent être choisis de manière qu'ils ne réagissent pas chimiquement entre eux ou avec la vapeur du métal alcalin utilisé.
Il a été observé que certains gaz organiques pouvaient être utilisés comme gaz tampons. Bien entenau, les gaz tamdons précédemment cités n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. On rappelle que l'utilisation d'un gaz tamdon est nécessaire pour limiter la vitesse moyenne de déplacement des molécules.
-L'objet de l'invention consiste à ajuster la fréquence centrale de transition en effectuant un mélange de plusieurs gaz taa@ons C'est ainsi - par exemple - qu'en utilisant, dans une cellule à césium, un mélange de néon et d'argon dont les pressions relatives sont respectivement égales à 35% et 65, il est possi- ble d'obtenir une caracterisitique fréquence / pression représentée en f sur le
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diagramme de la Fig. 1. On remarquera que sa pente est moins importante que celle correspondant au néon (courbe b) ou à l'argon (courbe c) lorsqu'ils sont utilisés seuls. Le taux de variation de fréquence obtenu est de 200 Hz par mm de mercure contre 750 Hz par mm (néon) et 250 Hz par mm (argon). Théoriquement, la courbe devrait être de pente nulle.
Sa légère pente est due à un certain nom- bre de phénomènes secondaires dont la nature et l'effet ne peuvent être déter minés qu'empiriquement. Le taux de variation defréquence peut être réduit en modifiant légèrement la composition donnée précédemment et en utilisant, par exem -ple, 30 % pour le néon et 70% pour l'argon. Dans un autre essai, il a été uti- lisé, comme gaz tampon, un mélange d'hélium et ae xénon dont les pressions rela- tives étaient 55% pour l'hélium et 45% pour le xénon. La courbe représentant les variations de la fréquence fondamentale de transition est représentée en k sur le diagramme de la Fig. 1.'La pente de cette courbe est, dans ce cas,né- gative et égale à 600 Hz par mm de mercure .
On remarquera qu'elle est inférieu- re aux pentes des courues correspondant à de l'nelium ou du xénon pur pour les- quels elle correspona respectivement à +1600 Hz par mm et -2400 Hz par mm
La Fig. 1 est relative une cellule à vapeur de césium; les variations de fréquence observée, avec cette vapeur, sont analogues lorsqu'on utilise des vapeurs d'autres métaux alcalins. C'est ai:.si, par exemple, que les courbes de la Fig. 2 représentent les variations de la fréquence centrale de transition ¯ F = 1, ¯ mF = o, mF =O dans la vapeur de sodium lorsque les gaz tampons utilisés sont du néon ou de l'argon. En mélangeant un très faible pourcentage de néon avec de l'argon, il est possible d'obtenir une caractéristique de varia- tion de fréquence dont la pente est pratiquement nulle.
Pour obtenir ce résultat les gaz tampons sont mélangés dans des proportionstelles que le rapport de leurs pressions relatives soient approximativement l'inverse du rapport des taux de variation de fréquence correspondant aux deux gaz composants; ceci sup- pose que les poids atomiques de ces gaz sont, l'un supérieur ou égal, l'autre inférieur, à celui ae largon.
On a remarqué que les gaz tampons dont la caractéristique F (P) présent e une forte pente, ne permettent d'obtenir qu'un signal de faible amplitude à la sortie du comparateur de phase. Il est donc logique d'employer des gaz tampons ayant une caractéristique à faible pente.
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L'exemple cité précédement n'est pas limitatif en ce qui concerne le nombre de gaz tampons utilisés. Ainsi, si le mélange deceux gaz tampons à carac- téristique présentant une f aiole pente ne convient pas 6 cequ'on se propose, il est possible d'utiliser, en faible quantité, un @ème gaz dont la pente de ca- ractéristique F (P) sera suffisante pour amener la correction désirée.
Une cellule contenant une vapeur d'un 1.1.étal alcalin et un mélange ae gaz tampons conforme à celui, précédemment indiqué peut être utilisé en vue de la réalisation d"une horloge atomique dont le diagramme fonctionnel est représenta à la Fil-. 3. Une lampe à vapeur de césium fournit un pinceau lumineux traversant un polariseur linéaire 2. Celui-ci peut être constitué, par exemple, par une sim- ple lame. Le faisceau lumineux, sortant de ce polariseur qui correspond la radia tion de résonance du césium traverse une cellule 4 contenant de la vapeur de césium mélangée à des gaz tampons comme précédemment indiqué.
Cette cellule 4 est placée dans un champ magnétique statique 5 dont les lignes de force sont pa- rallèles au vecteur E de la lumière polarisée linéairement et perpendiculaires - à la direction de propagation de cette :Lumière. Afin d'élimier les effets parasites du champ magnétique terrestre, il importe ae blinuer magnétiquemet la cellule 4. Le champ magnétique statique précédemment mentionne peut être pro- duit par tous moyens appropriés. Le faisceau lumineux traversant la cellule 4 est dirigé ensuite sur une cellule photo-électrique 6 dont les signaux de sortie sont transférés à un comparateur de phase 8 par l'intermédiaire d'un amplifica- teur 7. Dans ce comparateur, les signaux provenant de l'amplificateur 7 sont com- parés aux signaux de référence fournis par un oscillateur B.F. 9.
Le signe du signal continu d'erreur fourni par ce comparateur dépend du signe de l'écart exis- tant entre la fréquence des ondes électromagnétiques d'excitation de la cellule 4 et la fréquence centrale de transition. Ce signal d'erreur attaque un servo- mécanisme 10 qui assure la commande d'un tube réactance 12 par l'intermédiaire du potentiomètre 11, ce qui permet de modifier légèrement la fréquence de l'oscil lateur à cristal 13. Le signaux de sortie de ce dernier attaouent un modulateur de fréquence 14 auquel sont appliqués, d'autre part, les signaux fournis par l'oscillateur B. F. 9.
Les signaux modulés en fréquence, ainsi obtenus, sont ap- pliqués à un multiplicateur de fréquence 15 attaquant un cornet radiateur 16 par l'intermédiaire d'une sonde 18 constituée, par exemple, par une ligne coaxia-
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le 17. Les ondes rayonnées, par le cornet 16, sont dirigées vers la cellule à césium 4. La sonde 18 est orientée de manière que le vecteur h des ondes émises soit parallèle à la direction des lignes de force du champ magnétique statique 5. La vapeur de césium est produite dans la cellule 4 par distillation sous vide.
Les gaz tampons tels que ceux précédemment mentionnés sont introduits ensuite dans cette cellule. A cette fin, la cellule 4 est susceptiole d'être mise en liaison avec deux enceintes 20 et 21 contenant des gaz tampons différents, cet- te mise en liaison étant assurée par les robinets 24 et 25. Le réglage de la pression des gaz tampons peut être effectué en modifiant, de façon convenable, la température de la cellule, ce qui peut être obtenu par l'intermédiaire de la source de chaleur.
En fonctionnement normal, la cellule est chauffée à une température comprise entre 15 et 30 C. En remplaçant la vapeur de césium par la vapeur d'un autre métal alcalin, cette température doit être modifiée. C'est ainsi, par exemple, qu elle atteindra 40 C pour le rubidium et sera comprise entre 120 et 130 C pour le sodium. D'une manière générale, la température de fonctionnement de la cellule doit être choisie de manière à permettre l'excitation d'un nombre suffisant d'atomes de la vapeur utilisée; toutefois,cette température ne doit pas être trop élevée afin de ne pas perturber l'orientation des moments magné- tiques des atomes en raison des collisions possibles entre ces derniers.
Les gaz tampons permettent de réduire l'effet DOPPLER et d'améliorer, en conséquence, le pompage optique. On notera, à ce propos, qu'il existe une pression déterminée pour laquelle ce pompage optique est optimum. Afin d'obtenir un pompage optique optimum tout en réduisant le plus possible l'effet DOPPLER, il est préférable d'utiliser un gaz tampon dont la pression est d'environ lmm de mercure ou plus ; si l'on désire augmenter la durée de vie des atomes excités afin de provoquer des transitions trèsélectives, de plus hautes pressions de gaz tampons peuvent être utilisées, par exemple, 3mm de mercure.
Les niveaux d'énergie de l'atome de césium non excités sont répartis suivant deux états correspondant aux valeurs F = 4 et F @ 3 qui correspondent à la direction du spin. Sous l'effet d'un champ magnétique, ces niveaux se dé- composent en sous-niveaux Zeeman comportant ZF + 1 composantes dont les valeurs se situant dans la gamme + Fa - F peuvent êtru représentées par le nombre quan-
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tique mF. Dans le cas d'un champ faible, les transitions peuvent se produire conformément aux règlesde sélection ¯mF=¯ 1 ou mF = 0. Les transitions pour lesquelles ¯F = 1 correspondent à des fréquences situées au voisinage de 9192 MHz. La transition la plus convenable est celle se produisant entre les niveau F=4 mF = O et F = 3 mF = O.
L'excitation par de la lumière polarisée linéaire- ment détermine dans la cellule 4 une augmentation de la différence des popula- tions entre ces niveaux. La transition désirée est obtenue en ajustant la fré- quence des ondes rayonnées par le radiateur 16 à la valeur fo. Dans le cas du césium, fo = (9192, 631 + 0,000426 H2) 106sec-1. On notera que les niveaux d'énergie utilisés dans cette transition sont faiblement affectés par le champ magnétique. Pour un champ de 0,1 oersted, fo - 9192,031=4Hz par seconde.
Le réglage de la fréquence des ondes rayonnées par le cornet peut être obtenu automatiquement par un système de régulation tel que celui précédemment men- tionné. Comme la fréquence de ces ondes varie de part et d'autre de fo, l'absorp -tion de lumière varie conformément à la courbe d'absorption. Cette courbe a une forme semblable à la courbe de résonance de Lorenz. Les variations de fréquence sont commandées à partir de l'oscillateur B.F.9. Si les variations du la fré- quence des ondes fournies au cornet 16 sont symétriques par rapport à fo, l'am- plitude du signal fourni par la cellule photo-électrique 6 est minimum. De plus, les signaux de sortie de la cellule 6 sont déphasés de 180 pour deux fréquences de l'oscillateur 13 symétriques par rapport à fo.
Les signaux fournis par l' amplificateur 7 sont comparés en phase oans le comparateur 8 avec les signaux fournis par l'oscillateur B. F.9. Ce comparateur fournit un signal contiru d'er- reur dont la polarité dépend du signe de l'écart de phase décelé. Les signaux d'erreur sont utilisés pour ajister/correctement la fréquence d'oscillation de l'oscillateur 13, par l'intermédiaire d'un servo-mécanisme 10 assurant l'entrai- nement du potentiomètre de commande 11 s'un tube réactance 13. Il est évident que d'autres procédés peuvent être employés pour commander cet ajustement.
La description précédente concerne une horlogeatomique basée sur une fréquence de transition particulière du césium : ilest évidemment possible d'utiliser une autre transition ou un autre octal alcalin. C'est ainsi, par et le rubidium exemple; que le sooum/sont couramment utilisés cans cette technique et que la présente invention peut s'appliquer à ces -taux. On notera, toutefois, que
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la pente des courbes: fréquence de transition/pression des gaz tampons utilisés, est variable pour ces derniers métaux.
Dans la description précédente, la lumièrs.d'excitation est polarisée linéairement, mais des effets identiques sentproduits lorsque le faisceau lumi- neux est soit polarisé circulairement, soit non polarisé (lumière naturelle).
Il est bien évident que la description qui précède a été faite à titre d'exemple non limitatif et que des variantes peuvent être envisagées sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention.