Le but de la présente invention est d'apporter une améliora tion du rendement et une simplification de la construction du deuxième sélecteur d'état d'un résonateur à jet atomique, en parti culier d'un résonateur à jet atomique de césium.
Le résonateur à jet atomique de césium est un étalon passif de fréquence. Il trouve son application dans les horloges atomiques de plus haute exactitude et stabilité, et sert à la réalisation prati que de la définition de la seconde, unité de temps du Système ln- ternational d'Unités, définie comme suit par la 13e Conférence Générale des Poids et Mesures (octobre 1967): La seconde est la durée de 9192637770 périodes de la radia tion correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133. Le principe de fonctionnement du résonateur à césium est con nu de la littérature antérieure.
Une description détaillée se trouve entre autres dans le brevet suisse N 489842 où de plus, sont relevés l'importance du rende ment du résonateur et les facteurs permettant son amélioration. Ce rendement est proportionnel au rapport du flux d'atomes ayant subi la transition et détectés au flux d'atomes émis par la source du jet atomique.
Une solution proposée dans ce brevet antérieur N 489842 est la construction du deuxième sélecteur d'état sous forme d'un ai mant dipolaire dans le champ duquel est disposée une pièce po laire centrale en alliage ferromagnétique destinée à concentrer les lignes de force du champ entre ladite pièce polaire centrale et cha cun des pôles extérieurs. La géométrie du champ provoque ainsi une déflexion des atomes de l'état désiré vers le filament ou ruban détecteur placé dans l'axe du jet et à une certaine distance de la dite pièce polaire centrale. Rappelons que la force agissant sur une particule neutre ayant un moment magnétique est proportion nelle au produit de ce moment et du gradient du champ.
La direc tion de la force ne dépend donc pas de la direction du champ même, mais de la direction du gradient du champ. Dans le cas présent, le moment magnétique des atomes de l'état désiré est po sitif et la force agit dans la direction du champ intense.
La présente invention décrit une conception différente et nou velle du deuxième sélecteur d'état qui conduit à un résultat meil leur ou au moins équivalent et qui permet d'éviter les inconvé nients de la conception antérieure citée et illustrée dans la fig. 1. La revendication principale du brevet antérieur N 489842 (Inven teurs: Kartaschofiet Debély) décrit cette conception comme suit: Résonateur à jet atomique..., caractérisé par le fait que le deuxième sélecteur d'état est constitué par un ensemble dipolaire dans lequel est disposée une pièce métallique destinée à concentrer les lignes de force du champ entre ladite pièce et chacun des pôles.
Les principaux inconvénients de cette conception antérieure sont les suivants - La pièce polaire centrale (1) obstrue une section impor tante du jet atomique, de sorte que presque la moitié des atomes sont perdus pour la détection.
- Le support et l'alignement précis de la pièce polaire cen trale (I) exigent des moyens mécaniques compliqués. La construc tion est donc relativement coüteuse.
- La fabrication de la pièce polaire centrale (I) et des pôles extérieurs (2, 3) exige des opérations délicates et coûteuses de frai sage et de tournage afin de réaliser les contours des surfaces avec la précision nécessaire.
Ces inconvénients sont dus à la présence de la pièce polaire centrale (1), ils existent donc aussi pour les aimants de déflexion des résonateurs à jets multiples décrits dans le brevet U.S.
N 3675149 (Cutler, Holloway & Turner). Dans la pratique, ces inconvénients ont été acceptés parce que le rendement réalisé était intéressant.
La présente invention permet de réaliser 1e même rendement élevé, mais évite les inconvénients mentionnés ci-dessus. La fig. 2 montre une section transversale. perpendiculaire à l'axe du jet atomique, d'une première forme d'exécution du deuxième sélecteur d'état selon l'invention.
La fig. 3 montre une section transversale analogue d'une deuxième forme d'exécution.
La fig. 4 montre, à titre d'exemple, une section longitudinale d'une variante de l'exécution selon la fig. 3.
Dans les fig. I à 4, seules les pièces polaires sont dessinées. Les circuits magnétiques à aimants permanents servant à exciter le champ peuvent être réalisés de manière traditionnelle et connue.
La fig. 2 permet de reconnaître le principe de base de l'inven tion. Les pièces polaires 4 et 5, fabriquées en un alliage de haute perméabilité aux inductions élevées, tel que fer doux ou alliage Fer-Cobalt-Vanadium, constituent des surfaces équipotentielles définissant le champ dans la région de l'entrefer. La longueur de cet ensemble, dans la direction du jet atomique situé dans l'axe z normal au plan de la figure, est présumée être suffisante par rap port à la distance entre les deux pièces polaires, pour qu'il soit permis de négliger les effets de bord. Les pièces polaires (4, 5) ne comportent que des surfaces planes. faciles à usiner. Elles consti tuent une approximation à une surface de section hyperbolique.
Le champ dans l'entrefer est donc représenté en bonne approxi mation par des ensembles de sections coniques confocales. Les sections des surfaces équipotentielles sont des hyperboles et les li gnes de force du champ sont des ellipses. Le filament détecteur est placé dans le plan des axes y et z, mais à une certaine distance derrière l'aimant représenté. En dehors du plan des axes y et z, le gradient du champ comporte une composante normale à ce plan. Les atomes qui se trouvent dans l'état désiré et qui doivent être détectés subissent donc une déflexion vers le plan des axes y et z contenant le filament détecteur.
Les atomes se trouvant dans d'au tres états et ayant un moment magnétique négatif subissent une déflexion dans la direction opposée et ne sont pas détectés.
Afin d'éviter la détection d'atomes rapides qui ne subissent qu'une déflexion faible, il peut être judicieux de placer un obstacle dans le plan des axes y et z et devant l'aimant. Toutefois, la lar geur, en direction de l'axe x, d'un tel obstacle peut être à peine plus grande que celle du filament détecteur. Les atomes heurtant cet obstacle sont perdus, mais cette perte est insignifiante compa rée à celle causée par la pièce polaire centrale (1) de la fig. 1 qui représente un obstacle de dimensions bien supérieures.
Une deuxième forme d'exécution de l'invention est illustrée par la fig. 3. Cette variante est produite par le remplacement du plan symétrique contenant les axes x et z de la fig. 2 par le plan formé par une pièce polaire plate (6), ce plan produisant l'effet miroir connu de la théorie des champs de potentiel. L'autre pièce polaire (7) étant identique à celles de la fig. 2, le champ ainsi produit est par conséquent le même que celui de la moitié corres pondante de la fig. 2.
En dehors du plan des axes x et z et particulièrement aux coor données y situées à la hauteur des pièces polaires (4, 5. 7), le gra dient n'est pas dirigé parallèlement au plan des axes x et z, mais approximativement en direction de la pièce polaire. II en résulte une certaine défocalisation dans la direction de l'axe y, ce qui cause la perte des atomes qui heurtent la pièce polaire. Toutefois, les angles de déflexion étant faibles, cette perte est également fai ble.
Une possibilité de rendre cette perte négligeable est illustrée dans la fig. 4 qui représente une section longitudinale du sélecteur d'état selon la fig. 3. Ici, la surface (8) de la pièce polaire (9) n'est pas parallèle au plan de la surface de la pièce polaire (10); mais faiblement inclinée. La distance d'entrefer augmente en direction du détecteur (12). Ainsi, le nombre d'atomes pouvant heurter la pièce polaire (9) est diminué et le nombre d'atomes dans le jet (11) atteignant le filament détecteur (12) est augmenté.
Un aimant dipolaire dont la distance d'entrefer augmente ou diminue dans la direction du jet atomique est décrit dans un bre vet antérieur français: 1'e addition N 85 539 au brevet Fr N 1381473 (J. Holloway). Toutefois, ce brevet additionnel anté- rieur ne couvre point les sélecteurs d'état du résonateur à jet ato mique mais des aimants intermédiaires à champ très faible, dont le but est de supprimer des transitions non adiabatiques, nom mées aussi transitions Majorana , entre les niveaux d'énergie de structure magnétique hyperfine. De telles transitions peuvent faus ser la résonance atomique.
Les dispositifs décrits dans ce brevet (Pos. 45 et 46) sont constitués par des pièces polaires plates qui s'écartent en direction de l'espace d'interaction, mais le champ magnétique existant dans l'entrefer varie entre quelques Gauss et une fraction de Gauss<B> </B> (p. 4 du brevet cité ci-dessus). Les sé lecteurs d'état (pos. 27, 29 du brevet cité ci-dessus) ne sont pas dé crits dans le brevet additionnel N 85539, mais dans le brevet principal Fr N 1381473.
Il s'agit d'aimants dipolaires classiques connus depuis vingt ans au moins et décrits, entre autres, dans l'ouvrage Molecular Beams de N.F. Ramsey (Oxford l956), ci té en page 3 du brevet additionnel N 85 539.
En somme, le brevet additionnel N 85539 au brevet Fr N 1381473 couvre des dispositifs de suppression de transitions Majorana et non plus des sélecteurs d'états et ne peut donc être opposé en tant qu'antériorité à la présente invention qui concerne des sélecteurs d'état exclusivement.
Toutes les pièces polaires représentées dans les figures ne com portent que des surfaces planes et leur géométrie est simple. Leur fabrication est ainsi plus simple et, de ce fait, moins coûteuses que celle de pièces polaires à surfaces courbes utilisées dans les con ceptions antérieures. On pourrait être tenté de parler d'un retour aux géométries anciennes des sélecteurs d'état conçus par Stem et Gerlach et par Rabi (décrits par N.F. Ramsey, Molecular Beams , Oxford 1956, pp. 394-396).
I1 n'en est cependant pas ain si, car, dans le cas de la présente invention, les équipotentielles et les lignes de force sont représentées en bonne approximation par des ensembles de sections coniques confocales. Ceci n'est que par tiellement le cas dans le déflecteur de Rabi et pas du tout dans le sélecteur de Stem-Gerlach, configurations dont l'intérêt n'est qu'historique.
En conclusion, le progrès technique réalisé par la présente in vention consiste en la grande simplicité du dispositif et, de ce fait, en la forte diminution du coût de fabrication du deuxième sélec teur d'état, par rapport à celui décrit dans les brevets antérieurs, N 489842 et N 498497.