Brevet FR2631137A1 — publié le 19891110

La présente invention concerne un dispositif pour annuler sensiblement les effets nuisibles des champs magnétiques sur la précision des horloges atomiques et des étalons de fréquence. L'invention concerne en outre une méthode d'utilisation de ces horloges d'une manière telle qu'elles conservent un degré élévé de précision même lorsqu'elles sont exposées à des champs magnétiques parasites. Conformément à l'invention, on établit deux champs magnétiques "C", HC1 et HC2 respectivement, et on utilise le champ HC1 pour commander la fréquence de l'os- cillateur de l'horloge, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations de mesure des variations dudit champ HC2, les valeurs résultantes étant indicatives de la perturbation magnétique à tout instant donné, et de modification desdits champs HC1 et HC2 d'une manière telle que la fréquence est maintenue. Suivant un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, la différence entre HC1 et HC2 est maintenue sensiblement constante, de sorte que la différence entre les fréquences résultantes F4 et F5 reste constante, et on commande l'oscillateur de l'horloge au moyen de la fréquence F4. L'invention est destinée et elle est applica- ble à des horloges atomiques et à des étalons atomiques de fréquence, appelés dans ce qui suit "horloges atomi- ques", dans lesquels la fréquence d'un oscillateur est stabilisée par accrochage de celui-ci, par l'intermédiai- re d'une boucle à blocage de phase ou d'autres moyens, à un résonateur atomique-et la sortie de l'horloge est prise sur cet oscillateur. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront'à la lumière de la description de ses modes de réalisation, non limitatifs, représentés sur les des- sins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'une hor- loge atomique usuelle la figure 2 est un schéma de principe d'une hor- loge perfectionnée conforme à la présente invention; et la figure 3 est un schéma détaillé d'un mode spécifique de mise en oeuvre de la présente invention. Comme représenté sur la figure 1, une horloge atomique usuelle comprend, en combinaison, un oscillateur 11 qui génère une fréquence F2 qui est modulée, à une fré- quence F1,parun modulateur de fréquence 13, la fréquence de résonance atomique étant dans la plage de modulation. Un résonateur atomique 14 fournit un signal de sortie cha- que fois que la fréquence modulée franchit la fréquence de résonance, ce qui génère une sortie àune fréquence F1, qui est la même que la fréquence de modulation. La phase de cette sortie dépend de l'écart de l'oscillateur 11 par rapport à la fréquence requise. On utilise un comparateur de phase 16 pour mesurer 'la différence de phase qui est filtrée dans un intégrateur 17 dont la sortie est utili- sée pour corriger la fréquence de l'oscillateur 11. La fréquence de sortie F3 de l'horloge est une fonction proportionnelle à la fréquence F2 et elle est ain- si stabilisée. La fréquence de résonance dépend d'un champ magnétique, avec une bonne approximation, suivant la for- mule F = F + a. H2 = F + (Hc + Hr)2 À W dans laquelle F est la fréquence de résonance en présence d'un champ magnétique, F0 est la fréquence de résonance en l'absence de champ magnétique, "a"' est une constante spé- cifique de ce type d'horloge, et H est le champ magnétique résultant du champ "C",Hc,généré par un courant établi par une source de courant 18 à travers un enroulement de champ "C" 19,et d'un champ magnétique Hr qui résulte de la perturbation magnétique. La figure 2 illustre une horloge atomique con- forme à la présente invention, qui comprend essentielle- ment les éléments représentés sur la figure 1 et qui con- tient des éléments supplémentaires pour la correction des perturbations magnétiques. Conformément à l'invention et comme illustré à titre d'exemple seulement sur la figure 2, l'horloge atomique fonctionne d'une manière telle que F = F0+(Hc+Hr)2 reste constant lorsque le champ magnétique Hr varie, par modification du champ magnétique Hc de façon à compenser les variations de fréquence de l'horloge atomique et à maintenir la fréquence de sortie sensiblement constante. Ce résultat est obtenu par production de deux valeurs de courant dans le générateur de courant 23 pour Hc, ce qui engendre en alternance des champs magnétiques Hcl+Hr et Hc2+Hr produisant ainsi deux fréquences de résonance alternées F4 et F5 respectivement. On obtient ainsi deux phases dans le détecteur de phase 16, la phase due à Hcl+Hr étant utilisée pour accrocher l'oscillateur 11 de sorte que la fréquence de résonance de commande dépend toujours seulement du champ Hcl+Hr. Il en découle que F4 = F + (Hcl + Hr)2 F5 = F0 + (Hc2 + Hr) On utilise une commande électronique capable de maintenir DF=F4-F5 = constante, de sorte que le géné- rateur de courant pour l'enroulement de champ "C" main- tient la relation DH= Hc2-Hcl = constante. Il en découle que: DF = (Hc2 - Hc2) + 2 Hr(Hcl - Hc2) = constante. -12 Puisque Hcl Hc2 et Hcl - Hc2 est maintenu constant, il en résulte que Hcl + Hc2 + 2 Hr = constante. Avec Hcl + Hr = constante, F4 est donc cons- tante et F5 est constante. Par conséquent, par maintien d'une différencé constante entre Hcl et Hc2 de sorte que DF reste constante, la fréquence de résonance est maintenue à une valeur cons- tante, comme désiré. Un cas spécial apparalt lorsque Hcl = -Hc2 et DF = 0. Cette inversion de champ "C" est possible dans les types d'horloges qui sont insensibles à l'inversion de champ (tels qu'une cellule à gaz au Rubidium à pompage optique, un résonateur à faisceau de césium à pompage optique et un Maser à hydrogène). On décrit ci-après deux développements du prin- cipe ci-dessus: A. Dans le premier développement, l'oscillateur 11 est accroché à une fonction de F4 et F5, c'est-à-dire g(F4,F5). On fait varier Hcl et Hc2 d'une manière telle que g(F4,F5) reste constante lorsque Hr varie. B. Dans le deuxième développement, au lieu que le champ "C" possède deux valeurs distinctes, il peut varier suivant toute fonction périodique, désignée par Pl(t), par exemple P1(t)=sinwt. Dans ce cas, la sortie du dé- tecteur de phase 16 est également une fonction périodique désignée par P2(t). L'oscillateur 11 est alors accroché à une fonction de P2(t), par exemple h(P2) = valeur effi- cace de P2(t). L'invention est illustrée avec référence à la figure 2 qui est un schéma de principe. Le générateur 23 de champ "C" fait alterner le champ "C" entre Hcl et Hc2=Hcl+constante. Ainsi, la sortie du détecteur de phase 16 alterne entre V1 et V2 respectivement. Le comparateur 22 mesure la différence Vl-V2 et décale les sorties du générateur de champ "C", Hcl et Hc2, de sorte que V1 - V2 reste constant. Des moyens de synchronisation sont néces- saires puisque Vl et V2 se produisent à des instants dif- férents. La figure 3 illustre un exemple de mise en oeuvre pratique de l'invention, dans une horloge atomique à cellule à gaz au rubidium. Dans cet exemple, F1 est de 440 Hz, F2 est une fréquence porteuse de 9,2 GHz environ modulée à 440 Hz et F est de 10 MHz. Le résonateur ato- mnique fournit deux fréquences de résonance F4 et F5, comme décrit plus loin. F1 sert à synchroniser un circuit de commande de commutation 34. Le circuit 34 fournit un si- gnal de sortie ayant deux niveaux de tension alternés qui changent à la fréquence de 440 Hz. On utilise un ni- veau pour activer un commutateur 35 et l'autre pour acti- ver un commutateur 36 de sorte que, lorsqu'un commutateur est ouvert, l'autre est fermé et vice versa. Ces commuta- teurs constituent, en combinaison avec des condensateurs 40 et 41, deux dispositifs échantillonneurs-bloqueurs. L'entrée aux commutateurs 35 et 36 provient de la sortie du détecteur de phase 16, de sorte que la sortie d'un am- plificateur de différence 37, amplifiant la différence de tension des deux dispositifs échantillonneurs-bloqueurs, est une fonction invariante de la différence de phase dé- tectée dans le détecteur de phase 16 et générée par les deux fréquences de résonance F4 et F5. Le générateur 30 de champ "C" fournit deux va- leurs alternées de courant qui changent à la fréquence de 440 Hz. Ces changements sont synchronisés par F1 et ils sont en phase avec le circuit de commande de commuta- tion 34, de sorte que la sortie de tension en 37 repro- duit les changements de phase dus aux deux fréquences de résonance générées dans le résonateur 14 par le généra- teur 30 de champ "C". La sortie de l'amplificateur 37 est comparée à une tension zéro, dans un comparateur 39. La tension dif- férentielle à la sortie de 39 est utilisée pour décaler la valeur moyenne du générateur 30 au moyen du circuit de com- binaison 38, d'une manière telle que les fréquences F4 et F5 restent constantes et que la sortie de l'amplifica- teur 37 est nulle. On fixe les deux valeurs du générateur de sorte que, en l'absence de champ magnétique externe, et lorsque le comparateur 39 est débranché du circuit 38, la sortie de l'amplificateur 37 est nulle. Revendications 1. Horloge atomique ou étalon atomique de fré- quence conservant un degré élevé de précision lors de l'exposition à des perturbations magnétiques, caractérisé en ce que des moyens (23) sont prévus pour établir deux champs magnétiques C (Hcl et Hc2), on utilise un des champs (Hcl) pour commander la fréquence d'un oscillateur (11), on utilise les changements de l'autre champ (Hc2) pour mesurer l'influence du champ magnétique perturba- teur, et des moyens (16,22) sont prévus pour faire varier lesdits champs magnétiques (Hc1 et Hc2) de manière à main- tenir une relation entre ces champs telle que ledit premier champ (Hcl) et la perturbation magnétique produisent une fréquence stable de l'horloge. 2. Horloge ou étalon atomique de fréquence sui- vant la revendication 1, caractérisé en ce que la diffé- rence entre lesdits champs magnétiques (Hcl et Hc2) est maintenue constante, le deuxième champ (Hc2) étant fixé d'une manière telle que la différence entre les fréquences alternées (F4 et F5) résultant desdits champs (Hcl et Hc2 respectivement) est constante, et la commande de l!os- cillateur (11) de l'horloge ou de l'étalon atomique étant effectuée par la fréquence (F4) résultant du premier champ (Hcl). 3. Horloge ou étalon atomique suivant la reven- dication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit est tel que Hcl =-Hc2, et cette inversion de sens du champ "C" ne nuit pas à la précision de fréquence de l'horloge. 4. Horloge ou étalon atomique suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour maintenir constante la différence de fréquence entre les fréquences alternées F4 et F5, compre- nant des moyens pour mesurer la différence de fréquence et pour appliquer la différence de fréquence mesurée à un générateur (23) de champ "C" qui est capable de géné- rer lesdits champs "C" alternés (Hcl et Hc2 respectivement), de façon à maintenir constante la différence entre ces champs, et des moyens étant prévus pour mesurer l'écart de phase pendant l'application du premier champ (Hc1) seu- lement et pour corriger la fréquence de l'oscillateur en fonction de cet écart. 5. Horloge ou étalon atomique suivant la reven- dication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un intégrateur (17) et un détecteur de phase (16), des moyens étant prévus pour commuter l'intégrateur sur le détecteur de phase pen- dant l'application du premier champ (Hcl). 6. Horloge ou étalon atomique suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (34 à 39) pour maintenir le déphasage entre les fréquences (F4 et F5), sensiblement à zéro. 7. Horloge ou étalon atomique suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est du type Cs, Rb ou H ou Hg. 8. Procédé pour maintenir la précision d'une hor- loge ou d'un étalon atomique en cas d'exposition à des perturbations magnétiques, caractérisé en ce qu'il consis- te à établir deux champs magnétiques C (Hcl et Hc2 respec- tivement), à utiliser ledit premier champ (Hc1) pour com- mander la fréquence de l'oscillateur de l'horloge, à me- surer les changements dudit deuxième champ (Hc2) pour in- diquer la perturbation due au champ magnétique, et à faire varier lesdits champs (Hcl et Hc2) de sorte que le résul- tat du premier champ (Hcl) et de la perturbation magné- tique est une fréquence stable et prédéterminée de l'hor- loge. 9. Procédé suivant la revendication 8, carac- térisé en ce qu'il consiste à maintenir constante la dif- - férence entre les deux champs (Hcl et Hc2),ce qui main- tient constantes les fréquences (F4 et F5) résultant des dits champs (Hcl et Hc2), et à commander l'oscillateur de l'horloge par la fréquence (F4) résultant dudit premier champ (Hcl). 10. Procédé suivant la revendication 9, carac- térisé en ce qu'il consiste à maintenir constante la dif- férence de phase entre les fréquences alternées (F4 et F5), à mesurer ladite différence de fréquence et à appli- quer la différence à un générateur de champ "C"' de façon à générer des champs (Hcl et Hc2 respectivement) ayant une différence constante, à mesurer la différence de fré- quence lorsqu'on applique seulement le premier champ (Hcl), et à corriger la fréquence de l'oscillateur en fonction de cet écart.