Brevet FR2627909A1 — publié le 19890901

262790P ETALON DE FREQUENCE PASSIF La présente invention concerne un étalon de fréquence passif, tels que les étalons de fréquence de type cellule à gaz ou de type maser passif. Elle se rapporte plus particulièrement à une structure du moyen d'interrogation de l'étalon de fréquence qui permet de réduire le volume de cet étalcn de fréquence. Les étalons de fréquence passifs comprennent de manière connue un moyen de stockage, soumis à un champ magnétique constant, pour stocker des éléments atomiques ou moléculaires sous forme de gaz, un moyen pour produire une inversion de population en mettant ces éléments dans un niveau d'énergie déterminé, un moyen d'interroga- tion pour stimuler à une fréquence déterminée une transition de niveau d'énergie de ces éléments, et un moyen d'asservissement pour commande la fréquence du moyen d'interrogation en fonction d'un signal dépendant de la radiation émise par la transition stimulée. Le principe général de fonctionnement des étalons de fréquence, et en particulier des étalons de fréquence passifs, est décrit notamment dans l'article "les horloges atomiques" par C. Steiner paru dans le numéro de fevrier-mars 1967 de la revue "la Suisse Horlogère" éditée par la Chambre Suisse de l'Horlogerie. Des modes de réalisation d'un étalon atomique de fréquence passif à cellule à gaz et d'un maser passif sont décrits respecti- vement dans les documents CH-A-640 370 et US-A-4 316 153. A titre d'exemple d'étalon de fréquence passif connu, on va maintenant décrire un étalon atomique de fréquence à cellule à gaz en référence à la figure 1. Cet étalon de fréquence comprend essentiellement un dispositif de pompage optique 10, un oscillateur à quartz 12 et un circuit électronique 14 comparant la fréquence de résonance du système atomique à celle de l'oscillateur pour l'asservissement de cette dernière. Dans le dispositif 10, on produit par pompage optique une inversion de population entre les niveaux hyperfins de l'état fondamental d'atomes qui sont généralement des métaux alcalins tels que le potassium, le sodium ou le rubidium. Dans le cas d'un étalon de fréquence au rubidium, un montage classique de pompage optique est le suivant. Une cellule 16 contient l'isotcpe Rb 87 dont le spectre comprend les deux composantes hyperfines A et B. La cellule est illuminée par une lampe 18 au rubidium 87 à travers un filtre 20 qui contient l'isotope Rb 85 dont le spectre d'absorption comporte les composan- tes hyperfines a et b. Les composantes A et a sont pratiquement en coïncidence, tandis que les composantes B et b sont complètement séparés. La composante A du spectre d'émission de la lampe 18 est ainsi éliminée par le filtre 20 de sorte que la lumière qui atteint la cellule 16 est constituée en majeure partie par la raie B. Seuls les atomes de Rb 87 de la cellule 16 situés dans le niveau hyperfin inférieur (F=1) absorbent de la lumière et sont portés dans des états supérieurs. Ils retournent par émission spontanée soit sur le niveau hyperfin supérieur (F=2) soit sur le niveau hyperfin infé- rieur. Comme les atomes sont aussitôt excités par l'arrivée de la lumière, le niveau inférieur (F=1) se vide au profit du niveau supérieur (F=2). Il se réalise alors l'inversion de population entre ces deux niveaux et, de ce fait, la cellule 16 devient pratiquement transparente au rayonnement de la lampe 18. La cellule 16 est disposée dans une cavité micro-onde 22 qui est excitée à une fréquence proche de 6835 MHz, correspondant à l'éner- gie de séparation des niveaux hyperfins F = 1, mF = 0 et F = 2, mF = 0, ce qui provoque la transition hyperfine, accompagnée d'une émission de rayonnement électromagnétique entre ces deux niveaux. Dès que les atomes qui participent à l'émission stimulée arrivent sur le niveau hyperfin inférieur (F=I), ils sont pompés optiquement et portés dans les états excités. Plus le nombre de transitions stimulées est grand, plus la quantité de lumière absorbée dans la cellule 16 est grande, plus la quantité de lumière arrivant sur une cellule photoélectrique 24 est petite et plus le courant dans la cellule photoélectrique 24 sera petit. Ce courant photoélectrique passe par un minimum lorsque la fréquence du signal d'excitation de la cavité est exactement écale à la fréquence de transition. L'oscillateur à quartz 12 produit un signal à 5 MHz. Ce signal est modulé dans un modulateur de phase 26, à une fréquence relati- vement basse (typiquement de l'ordre de 100 Hz) produite par un générateur BF 28. Le signal modulé est appliqué à un multiplicateur-synthétiseur pour obtenir un signal ayant la fréquence de l'émission stimulée de 6835 M.Hz. C'est ce signal qui est utilisé pour exciter la cavité micro-onde 22. Le signal délivré par la cellule photoélectrique 24 est reçu dans un amplificateur 32, puis appliqué à un comparateur de phase 34 qui reçoit également un signal de référence du générateur BF 28 de manière à effectuer une détection synchrone permettant de détecter si la fréquence porteuse du signal appliqué à la cavité 22 est bien centrée sur la fréquence de la transition hyperfine (6835 MHz). Tout décalage se traduit par un signal d'erreur à la sortie du compara- teur de phase 34. Ce signal est amené à un intégrateur 36, puis utilisé pour commander une capacité variable 38 couplée à l'oscil- lateur 12 et qui modifie la fréquence de celui-ci de manière à maintenir la fréquence multipliée du quartz centrée sur la fréquence de la transition hyperfine du rubidium. L'étalon de fréquence classique représenté sur la figure 1 comporte une cavité résonnante cylindrique 22. Celle-ci constitue une limitation à la miniaturisation de l'étalon de fréquence. En effet, la cavité résonnante doit avoir des dimensions très supérieures à celles de la cellule pour que cette dernière soit soumise à un champ essentiellement axial. Par ailleurs, les dimen- sions de la cavité résonnante ne peuvent pas être choisies libre- ment, mais dépendent au contraire de la fréquence de résonance voulue. La figure 1 illustre la structure générale d'un étalon de fréquence passif de type cellule à gaz. Les masers passifs présen- tent le même type de limitation quant à la miniaturisation. En effet, le dispositif de pompage optique 10 est remplacé dans les masers passifs par un dispositif comprenant un ballon de stockage percé d'une ouverture et placé dans une cavité résonnante, une source de gaz, tel que l'hydrogène atomique, émettant un faisceau de particules vers l'ouverture du ballon de stockage, et un moyen de sélection d'état placé sur la trajectoire du faisceau et qui dévie les particules qui ne sont pas dans un état d'énergie déterminé. On obtient ainsi une inversion de population dans le ballon de stocka- ge. Le dispositif comprend également une bouche de couplage pour détecter la radiation émise par l'émission stimulée. Les masers passifs et les cellules à gaz comportent donc tous les deux une cavité résonnante, ce qui limite les possibilités de miniaturisation de ces étalons de fréquence. L'invention a pour but de rendre les étalons de fréquence passifs plus compacts. Ce but est atteint par une nouvelle structure de moyen de résonance. De manière précise, l'invention a pour objet un étalon de fréquence passif comprenant un moyen de stockage, soumis à un champ magnétique constant, pour stocker des éléments atomiques ou molécu- laires sous forme de gaz, un moyen d'inversion pour produire dans ledit moyen de stockage des éléments ayant un premier état d'éner- gie, un moyen d'interrogation pour stimuler à une fréquence détermi- née une transition de niveau d'énergie des éléments ayant le premier niveau d'énergie et un moyen d'asservissement pour commander la fréquence déterminée du moyen d'interrogation en fonction d'un signal dépendant de la radiation émise par ladite transition stimu- lée, cet étalon de fréquence étant caractérisé en ce que le moyen d'interrogation comprend un résonateur hélicoïdal dans lequel est placé le moyen de stockage. La fréquence de résonance de l'hélice dépend de son pas p (ou de son angle d'attaque Y), de son diamètre D et de sa longueur L. Une même fréquence de résonnance peut ainsi être obtenue avec des hélices différentes. Ceci permet de choisir dans chaque cas le format d'hélice le plus adapté. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexes, sur lesquels - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un étalon de fréquence passif selon l'art antérieur, - la figure 2 est une coupe d'un dispositif de pompage optique d'un étalon de fréquence à cellule à gaz selcn l'invention, - la figure 3 illustre la distribution du champ magnétique dans le résonateur hélicoïdal, et - la figure 4 représente schématiquement un maser passif comprenant un moyen d'interrogation selon l'invention. Le dispositif selon l'invention représenté sur la figure 2 comprend essentiellement une lampe 40, une cellule à gaz 42, un résonateur hélicoïdal 44 et une cellule photoélectrique 46. La lampe 40 contient principalement du Rb 87, ainsi que de l'argon à la pression de 2 Torr servant de gaz d'amorce. Elle est placée dans une bobine d'excitation 48 reliée à un câble coaxial 50 qui reçoit d'un oscillateur radiofréquence un signal de fréquence comprise entre 100 et 150 MHz environ. Une grille 52 est disposée autour de l'ensemble pour éviter le rayonnement de ce signal vers la cellule à gaz et la cellule photoélectrique. Un circuit de chauffage classique (non représenté) comprenant une résistance chauffante et un capteur de température est utilisé pour maintenir la lampe à sa température normale de fonctionnement. La cellule à gaz 42 est placée en regard de la lampe 40. Dans l'exemple représenté, cette cellule contient du Rb 85 et du Rb 87, ainsi qu'un gaz tampon qui peut être un mélange d'azote à la pres- sion partielle de 8 Torr et de méthane à la pression partielle de 5 Torr. Elle a un diamètre de 16 mm et une longueur de 25 mm, soit un volume de 5 cm 3 environ. Cette cellule constitue à la fois le filtre isotopique et la cellule d'absorption du dispositif de pompage optique de la figure 1. Les atomes de Rb 85 situés dans la partie de la cellule 42 -la plus proche de la lampe 40 absorbent la composante spectrale A de celle-ci, ce qui réalise le filtrage, et les atomes de Rb 87 situés dans la partie de la cellule 42 la plus éloignée de la lampe 40 absorbent la composante spectrale B de celle-ci, ce qui réalise le pompage optique. Il est bien entendu également possible d'utiliser un filtre isotopique et une cellule d'absorption séparés, mais le mode de réalisaticn représenté sur la figure 2 présente l'avantage d'une plus grande compacité. Dans tous les cas, la cellule 42 est munie de moyens classiques (non représentés) de chauffage et de contrôle de température pour maintenir sa température à sa valeur normale de fonctionnement. Une variante de réalisation également avantageuse pour son encombrement réduit consiste à remplacer la lampe 40 par une diode laser. En effet, celle-ci a un spectre suffisamment étroit pour ne contenir que la composante spectrale B. Le filtre isotopique qui sert à absorber la composante A n'est alors plus nécessaire. On peut ainsi réduire la taille de la cellule 42. La cellule 42 est protégée des champs magnétiques extérieurs par un écran magnétique 54. La cellule 42 est soumise à un champ magnétique constant créé par une bobine 56 et à un champ magnétique radiofréquence créé par un moyen d'interrogation qui, conformément à l'invention, comprend un résonateur hélicoïdal 44. Ce champ magné- tique radiofréquence est confiné par un écran conducteur 58. La fréquence de résonance est fonction de la géométrie de l'hélice Y. Par exemple, la longueur L est déterminée par la rela- tion L=(2n+1).(X/4).k.tg Y, o X est la longueur d'onde de résonance dans le vide, Y est l'angle d'attaque de l'hélice,n est'un entier et k est un coefficient proche de 1 tenant compte de l'écran conducteur 58. Ainsi, une fréquence de résonance de 6835 MHz, soit À = 4,39 cm, qui correspond à la fréquence de transition hyperfine du niveau F = 2, mF = 0 au niveau F = 1, mF = 0 pour les atomes de Rb 87 est obtenue avec L = 17,9 mm pour n = 7 et Y = 5,7 . On constate donc qu'il est possible de construire un résonateur hélicoïdal ayant des dimensions comparables à celles de la cellule. Ceci permet une réduction de volume importante par rapport aux étalons de fréquence classiques comportant une cavité résonante. On a représenté schématiquement sur la figure 3 la distribution du champ magnétique dans le résonateur hélicoïdal. On constate que ce champ est essentiellement axial. Le facteur de remplissage du résonateur est donc élevé car la cellule peut occuper efficacement tout le volume du résonateur. Le résonateur peut être appliqué sur la cellule 42 comme repré- senté sur la figure 2; ceci peut être réalisé par exemple par évaporation sous vide d'un métal. Le résonateur peut être placé également autour de la cellule sans contact avec celle-ci. Le résonateur hélicoïdal 44 est excité par une boucle micro-onde 62, disposée dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'hélice, et alimentée par un oscillateur extérieur par l'intermédiaire d'un connecteur 64 et d'un câble coaxial 66. La boucle 62 peut comprendre une diode SRD (step recovery diode) qui multiplie la fréquence du signal délivré par l'oscillateur et qui permet ainsi d'utiliser un oscillateur de relativement basse fréquence. - L'absorption de la composante spectrale B par les atomes de Rb 87 de la cellule 42 est détectée par la cellule photoélectrique 46. Ce signal d'absorption est utilisé de manière classique pour asser- vir la fréquence du signal d'interrogation émis par la boucle 62 à la fréquence de la transition hyperfine du niveau F=2, mF = 0 au niveau F =1, mF = 0 du Rb 87. Des essais expérimentaux ont montré que la dérive à long terme de l'étalon de fréquence représenté sur la figure 2 est inférieur à 10i11 mois. De même, la stabilité de fréquence à court terme a (T) (variance ALLAN) est meilleure que 5.10-12.T -1/2 pour 1 secondes. - Le dispositif selon l'invention représenté sur la figure 2 présente un volume de 35 cm3 environ (diamètre de 3 cm et longueur de 5 cm). Ceci permet de réduire le temps de chauffage initial (en anglais "warm up time") à environ 1 mn pour atteindre une erreur de fréquence inférieure à 5.10 -10. Le conteneur formé par l'enveloppe 60 et le couvercle 68 peut être mis avantageusement sous vide. Ceci procure plusieurs avantages par rapport à l'art antérieur dans lequel la lampe et la cellule ne sont pas sous vide. Premièrement, le flux thermique du à la convection entre la lampe 40 et la cellule 42 (dont les températures respectives sont par exemple de 140 C et 80 C) est supprimé ce qui permet un réglage précis des deux températures. Deuxièmement, la mise sous vide du conteneur permet de rappro- cher sans dommage la lampe et la cellule, ce qui entraîne une réduction supplémentaire de volume du conteneur. Troisièmement, le domaine de température et la stabilité de fréquence dans ce domaine sont améliorés. Le dispositif selon l'invention a un domaine de température de - 55 C à + 75 C, avec une stabilité de fréquence de 3.10 10 sur cette gamme, soit 2,3.10-l2/OC. Quatrièmement, la mise sous vie permet de diminuer la consomma- tion de puissanre.Le dispositif selon l'invention représenté sur la figure 2 consomme une puissance de 7 W. On a représenté sur la figure 2 un étalon de fréquence à cellule à gaz comprenant, conformément à l'invention, un résonateur héli- coïdal. Ce résonateur peut être employé également dans d'autres étalons de fréquence passifs, tel qu'un maser passif comme on l'a représenté schématiquement sur la figure 4. Celui-ci comprend essentiellement, dans un conteneur sous vide 70, une source de gaz 72, un sélecteur d'état 74, un ballon de stockage 76, une boucle de détection 78 et une boucle d'interroga- tion 80. Le ballon de stockage 76 est isolé des champs magnétiques extérieurs par un écran magnétique 82; il est soumis à un champ magnétique constant engendré par une bobine 86 et à un champ magnéti- que à la fréquence de résonance produit par un résonateur hélicoïdal 88 selon l'invention et confiné par un écran conducteur 84. La boucle 78 est reliée à l'extérieur du conteneur 70 à un moyen d'asservissement 90 qui asservit la fréquence d'un oscillateur 92 dont le signal est appliqué à la boucle 80. La source de gaz 72 émet en direction de l'ouverture du ballon de stockage 76 un jet d'atomes ou de molécules qui sont généralement de l'hydrogène atomique ou un métal alcalin. Le sélecteur d'état 74 engendre un champ magnétique très inhomogène qui élimine par diver- gence les atomes ou molécules qui ne sont pas dans l'état d'énergie desiré. Par exemple, dans le cas de l'hydrogène atomique le sélecteur d'état 74 élimine les atomes dans l'état d'énergie inférieur F = O, mF = O. Les atomes atteignant le ballon de stockage sont ceux qui sont les états d'énergie supérieurs F = 1, mF = 0 ou + 1. On obtient ainsi une inversion de population dans le ballon de stockage. La transition stimulée de l'état F = 1, mF = 0 à l'état F = O, mF = 0 est déclenchée par le résonateur excité par l'oscillateur. La fréquence de résonance est ajustée à 1420 MHz en choisissant des valeurs adéquates pour le pas p, le diamètre D et la longueur L de l'hélice. Le maser passif représenté sur la figure 4 fonctionne selon le même principe que l'étalon de fréquence à cellule à gaz représenté sur la figure 2. Les seules différences résident dans le mode de réalisation de l'inversion de population et dans la nature du moyen cde détection utilisé. REVENDICATIONS 1. Etalon de fréquence passif comprenant un moyen de stockage (42, 76), soumis à un champ magnétique constant, pour stocker des éléments atomiques ou moléculaires sous forme de gaz, un moyen d'inversion (72, 74) pour produire dans ledit moyen de stockage des éléments ayant un premier état d'énergie, un moyen d'interrogation (92) pour stimuler à une fréquence déterminée une transition de niveau d'énergie des éléments ayant ledit premier niveau d'énergie et un moyen d'asservissement (90) pour commander la fréquence déterminée dudit moyen d'interrogation en fonction d'un signal dépendant de la radiation émise par ladite transition stimulée, ledit étalon de fréquence passif étant caractérisé en ce que ledit moyen d'interrogation comprend un résonateur hélicoïdal (44, 88), ledit moyen de stockage étant placé à l'intérieur dudit résonateur hélicoïdal. 2. Etalon de fréquence passif selon la revendication 1 caracté- risé en ce que ledit moyen d'interrogation comprend une boucle conductrice (62, 80) parcourue par un signal électrique périodique dont la fréquence est égale à ladite fréquence déterminée. 3. Etalon de fréquence passif selon la revendication 1 caracté- risé en ce que ledit moyen d'interrogation comprend une boucle conductrice et une diode SRD en série parcourues par un signal électrique périodique dont la fréquence est égale à ladite fréquence déterminée ou à un sous-multiple de ladite fréquence déterminée. 4. Etalon de fréquence passif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, de type cellule à gaz, caractérisé en ce que ledit moyen de stockage est une cellule (42) contenant un métal alcalin sous forme de gaz et en ce que ledit moyen d'inversion comprend une source de lumière (40) de composante spectrale détermi- née qui produit par pompage optique une inversion de population dans ladite cellule. 5. Etalon de fréquence passif selon la revendication 4 caracté- risé en ce que ladite source de lumière comprend une diode laser. 6. Etalon de fréquence passif selon la revendication 5 caracté- risé en ce que ledit moyen de stockage contient du Rb 87 et un gaz tampon. 7. Etalon de fréquence passif selon la revendication 4 caractéri- sé en ce que ladite source de lumière comprend une lampe à vapeur de métal alcalin et un filtre isotopique. 8. Etalon de fréquence passif selon la revendication 7 caracté- risé en ce que ladite lampe à vapeur de métal alcalin est une lampe au Rb 87, ledit filtre comporte une cellule de Rb 85 et la cellule formant ledit moyen de stockage contient du Rb 87. 9. Etalon de fréquence passif selon la revendication 8 caracté- risé en ce qu'il comporte une cellule (42) unique contenant du Rb 85, du Rb 87 et un gaz tampon. 10. Etalon de fréquence selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 9 caractérisé en ce que ladite source de lumière, ledit moyen de stockage et ledit résonateur hélicoîdal dudit moyen d'interrogation sont dans un conteneur (56, 58) sous vide. 11. Etalon de fréquence selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 10 caractérisé en ce que ledit moyen d'asservissement comporte une cellule photoélectrique (46) détectant la lumière de composante spectrale déterminée ayant traversé le moyen de stockage. 12. Etalon de fréquence passif selon l'une quelconque des revendications i à 3, de type maser passif, caractérisé en ce ledit moyen de stockage (76) comporte une ouverture et en ce que ledit moyen d'inversion comprend une source de gaz (82) et un sélecteur d'état (74) pour diriger dans ledit moyen de stockage les éléments ayant ledit premier niveau d'énergie. 13. Etalon de fréquence passif selon la revendication 12 carac- térisé en ce que la source de gaz émet de l'hydrogène atomique. 14. Etalon de fréquence passif selon la revendication 13 carac- térisé en ce que le moyen d'asservissement comporte une boucle conductrice de couplage (78) pour détecter la radiation émise par ladite transition stimulée.