Brevet FR2644316A1 — publié le 19900914

CAVITE ELECTROMAGNETIQUE POUR UN RESONATEUR A JET ATOMIQUE OU MOLECULAIRE, ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne une cavité électromagnétique pour un résonateur a jet atomique ou moléculaire, et un procédé de fabrication d'une telle cavité électromagnétique. Des résonateurs à jet atomique sont décrits notamment dans les documents DE-AS-1260049, US-3670171 et CH-599712. Ces résonateurs fonctionnent avec des atomes de césium, de thallium ou de rubidium, ou avec des molécules d'ammoniac. Le principe d'un résonateur à jet atomique ou moléculaire consiste à détecter une résonance dans un état hyperfin de l'atome O10 ou de la molécule pour obtenir une fréquence étalon. A cette fin, les particules sont émises sous forme de vapeur à partir d'une source, puis sont limitées à un jet étroit par un collimateur. Ce jet de particules traverse un premier sélecteur d'état, communément appelé aimant A, qui sélectionne les particules ayant un premier état d'énergie déterminé. Ces particules sont dirigées vers un module d'interaction micro-onde dans laquelle elles sont soumises à un champ magnétique d'interrogation. Lorsque la fréquence de ce champ magnétique est égale à une fréquence de résonance des particu- les, celles-ci subissent une transition du premier état d'énergie dans un deuxième état d'énergie déterminé. Le jet de particules sortant du module d'interaction micro-onde traverse ensuite un second sélecteur d'état, communément appelé aimant B, qui sélection- ne les particules ayant le second état d'énergie pour les diriger vers un détecteur. Le nombre de particules détectées est utilisé pour produire un signal de commande de la fréquence d'un oscillateur qui émet, vers le module d'interaction micro-onde, un signal élec- trique engendrant le champ magnétique d'interrogation. De cette manière, on obtient un oscillateur dont la fréquence est asservie à la fréquence de résonance des particules. Le champ magnétique d'interrogation est créé par une cavité électromagnétique appelée cavité de Ramsey. Une telle cavité élec- tromagnétique, de structure connue, est représentée sur la figure 1. Cette cavité électromagnétique est formée principalement de deux tubes creux 2, 16 de section rectangulaire en matériau non-magnétique, tels que le cuivre ou le monel. Un premier tube 2 est plié en forme de U et est percé à proximité de chacune de ses deux extrémités de deux ouvertures 4, 6, 8, 10 qui sont alignées pour permettre le passage du jet de particules à travers elles suivant l'axe 12. Le premier tube 2 comporte en outre sur l'une de ses faces une ouverture de couplage 14, située à égale distance de ses deux extrémités, sur laquelle est brasée une extrémité du second tube 16. Il convient de noter que l'ouverture de couplage 14 a exactement les dimensions de la section transversale du tube 16. La cavité électromagnétique est disposée dans un écran de blindage magnétique dont on a représenté uniquement le socle 17, et est montée sur la face interne de l'enceinte à vide 18 du résonateur par l'intermédiaire d'une plaque de montage 20, fixée à l'enceinte 18 par une bague d'entretoisement 21. Cette cavité électromagnétique se prolonge à l'extérieur de l'enceinte à vide 18 par une portion de tube creux 22 de section rectangulaire comportant une vis 24 d'adaptation d'impédance, une vis 26 d'adaptation d'amortissement et un connecteur 28 pour recevoir un câble coaxial 30 amenant le signal électromagnétique d'interrogation délivré par l'oscillateur. A la traversée de l'enceinte 18, l'étanchéité est assurée par un joint 32 et une fenêtre micro-onde 34. La cavité électromagnétique comprend ainsi trois portions de guide d'onde: un tronc formé par les tubes 16 et 22, et deux bras identiques formés par les deux moitiés du tube 2 qui s'étendent de chaque côté de l'ouverture de couplage 14. La cavité électromagnétique comprend encore des plaquettes de courtcircuit 36, 38 et 40 fermant les extrémités libres des tubes, ainsi que des petits guides d'ondes 42, 44, 46 et 48 brasés respec- tivement sur les ouvertures 4, 6, 8 et 10. Pour que la cavité puisse fonctionner correctement, il est nécessaire que les deux bras aient exactement la même longueur électrique. En effet, une différence de longueur de 0,01 millimètre entraîne une incertitude relative du résonateur de l'ordre de 10- 13, qui constitue généralement la limite supérieure admissible. Cette égalisation des bras constitue l'étape la plus délicate de la fabrication de la cavité électromagnétique. Cette fabrication se fait classiquement de la manière suivante. Le tube 2, ayant ses extrémités ouvertes, est plié selon la forme désirée et les ouvertures 4, 6, 8, 10 ainsi que l'ouverture de couplage 14 sont réalisées. On vient ensuite braser le second tube 16 sur l'ouverture 14. Après cela, en utilisant des méthodes de mesure micro-onde classiques dans le domaine, on détermine la différence de longueur électrique des deux bras du tube 2, à la fréquence a laquelle la cavité sera utilisée dans le résonateur (on place des plaquettes de court-circuit provisoires aux extrémités des deux bras pendant cette mesure). S'il apparait que les deux bras n'ont pas exactement la même longueur électrique, le bras qui est trop long est raccourci de la longueur voulue par fraisage, et l'égalité des longueurs des bras est ensuite vérifiée à nouveau par mesure micro-onde. Cette opéra- tion peut être répétée plusieurs fois jusqu'a ce que les deux bras aient des longueurs identiques. Cette opération n'est pas facile à réaliser et demande un temps important car il faut a chaque fois transporter la cavité électroma- gnétique entre le banc de mesure micro-onde et l'installation de fraisage. La dernière étape consiste à braser les plaquettes de court-cir- cuit sur les extrémités des tubes, et les petits guides d'ondes sur les ouvertures de passage du jet de particules. L'invention concerne un procédé qui permet de simplifier la fabrication de la cavité électromagnétique, en particulier l'ajus- tage des longueurs électriques des deux bras de la cavité électroma- gnétique. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de fabri- cation d'une cavité électromagnétique comportant, pour former deux bras de la cavité, un premier tube rectangulaire creux fermé A ses extrémités, chaque extrémité comportant deux ouvertures en regard sur des faces opposées, et ce premier tube étant replié pour que les quatre ouvertures se trouvent parallèles entre elles et centrées sur un même axe, et, pour former un tronc de la cavité, un second tube rectangulaire creux fermé a une extrémité et ouvert à l'autre extrémité, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivan- tes: 2644 3 1 6 - perçage d'une fente de couplage sur une face du premier tube, sensiblement à égale distance des deux extrémités de ce tube, cette fente de couplage étant perpendiculaire à l'axe longitudinal du premier tube, montage du second tube sur le premier tube de sorte que les tubes communiquent entre eux par la fente de couplage, - égalisation des longueurs électriques des deux bras, cette égalisation consistant à introduire un signal électrique micro-onde dans le second tube à proximité de son extrémité fermée, à mesurer la différence de longueur électrique des deux bras et à déplacer, pendant cette mesure, le second tube selon une direction parallèle à l'axe du premier tube, jusqu'à l'annulation de cette différence. Dans ce procédé, l'opération de fraisage classiquement utilisée est remplacée par un ajustage de la position du tronc par rapport à la fente pendant, et en fonction de la mesure des longueurs électri- ques des bras de l'a cavité électromagnétique. Ceci simplifie consi- dérablement l'opération d'égalisation des longueurs électriques des bras puisque cette égalisation se fait directement sur le banc de mesure micro-onde avec un contrôle immédiat des longueurs électri- ques des bras. L'invention a également pour objet une cavité électromagnétique comprenant un tronc et deux bras formant chacun une portion de guide d'onde rectangulaire, chaque bras ayant une extrémité percée d'ou- vertures alignées pour permettre le passage d'un jet de particules et une autre extrémité couplée à une extrémité du tronc, la cavité électromagnétique étant caractérisée en ce que le couplage entre les bras et le tronc est réalisé par une fente de couplage perpendicu- laire à l'axe longitudinal des bras, c'est-à-dire perpendiculaire à la direction de propagation micro-onde dans les bras. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, est une coupe longitudinale d'une cavité électromagnétique connue, - la figure 2 est une coupe longitudinale d'une cavité électro- magnétique selon l'invention, 2644 3 1 6 - la figure 3 est une vue partielle en perspective de la cavité électromagnétique représentée sué la figure 2, et - la figure 4 représente schématiquement un résonateur à jet de particules comprenant une cavité électromagnétique selon l'inven- tion. La cavité électromagnétique représentée en coupe sur la figure 2 comprend, de manière classique, un premier tube rectangulaire creux 2, plié en forme de U et constituant les deux bras de la cavité, et un deuxième tube rectangulaire creux 16 prolongé par une portion de tube 22 qui forment ensemble le tronc de la cavité. Ces tubes sont des guides d'ondes en matériau non-magnétique, tel que le cuivre ou le monel. De manière classique les extrémités du tube 2 sont fermées par des plaquettes de court-circuit 38, 40, et des petits guides d'ondes 42, 44, 46 et 48 alignés sur un même axe 12 sont brasés sur des ouvertures 4, 6, 8 et 10 pratiquées à proximité des extrémités du tube 2. Cet axe 12 correspond à la trajectoire du jet de particules atomique ou moléculaire du résonateur. Le tronc de la cavité électromagnétique comprend généralement une partie 16 située à l'intérieur de l'enceinte sous vide 18 du résonateur et une partie 22 s'étendant à l'extérieur de cette enceinte. L'extrémité inférieure de cette partie 22 est fermée par une plaquette de courtcircuit 36. Cette partie 22 comporte une vis d'adaptation d'impédance 24 et une vis d'adaptation d'amortissement 26. Elle comprend enfin un connecteur 28 recevant un càble coaxial amenant le signal électromagnétique de l'oscillateur du résona- teur. Au niveau de l'enceinte à vide 18, l'étanchéité est assurée par un joint 32 et une fenêtre micro-onde 34. La mise en place de la cavité électromagnétique dans l'étalon de fréquence est assurée par une plaquette de montage 20 sur laquelle est fixée le tronc 16, cette plaquette étant ensuite fixée sur une plaque support, qui peut être constituée par l'enceinte à vide 18 elle-même. Selon l'invention, le couplage électromagnétique entre le tronc et les bras est réalisé par une fente 50 ayant une dimension plus faible que la section du tronc. Cette fente est particulièrement visible sur la figure 3. Son petit côté est parallèle- & l'axe longitudinal du tube 2. A titre d'exemple, la largeur 1 de cette fente est de 4 millimètres et la largeur L du tronc est égale à 12 millimètres, alors que la longueur de la fente est sensiblement égale à la longueur du grand côté de la section du tube. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le tube 2 est plié dans un plan parallèle aux petits côtés des tubes et la fente est réalisée dans un grand côté du tube 2. Il est bien entendu que le tube 2 peut aussi être plié dans un plan parallèle aux grands côtés des tubes et dans ce cas, la fente est réalisée dans un petit côté du tube 2. Comme on peut le voir sur la figure 3, le tronc 16 comporte, sur deux faces opposées du tube, des prolongements 52, 54 terminés par des rebords 56, 58 s'étendant vers l'intérieur du tube. Ces éléments sont utilisés pour le montage de la cavité électromagnétique selon le procédé de fabrication de l'invention, que l'on va maintenant décrire. On réalise tout d'abord les deux bras de la cavité électromagné- tique en perçant les ouvertures 4, 6, 8 et 10, ainsi que la fente de couplage 50, dans un tube rectangulaire creux plié, ouvert à ses deux extrémités. On brase ensuite les plaquettes de court-circuit sur les extrémités libres des bras et du tronc et les petits guides d'ondes sur les ouvertures de passage du jet de particules. On réalise ensuite le tronc de la cavité électromagnétique dans un autre tube rectangulaire creux. Pour faciliter le montage du tronc sur les bras, on réalise à une extrémité du tronc des prolon- gements 52, 54 et des rebords 56, 58. Ces prolongements sont obtenus par découpage des deux autres faces du tube et les rebords 56, 58 sont formés par pliage de l'extrémité des prolongements 52, 54. Les prolongements 52, 54 présentent une certaine flexibilité qui permet l'emboîtement du tronc 16 sur le tube 2. Les éléments 52, 54, 56 et 58 sont dimensionnés pour maintenir le tronc sur le tube 2, tout en permettant un coulissement du tronc suivant l'axe longitudi- nal du tube 2. L'étape suivante consiste à ajuster la position du tronc pour que les longueurs électriques des deux bras soient égales. Pour cela, on place la cavité électromagnétique sur un banc de mesure micro-onde pour mesurer la différence entre les longueurs électriques des deux bras, et on déplace simultanément le tronc le long du tube 2 jusqu'à une position qui annule cette différence. Il faut noter que ce réglage tient compte des plaquettes de court-circuit 36, 38 et 40 qui sont mises en place avant la mesure, alors que, dans la technique antérieure consistant à égaliser les bras par fraisage ces plaquettes de court-circuit ne sont brasées qu'après l'étape d'égalisation des bras et peuvent donc modifier légèrement le réglage. Il faut noter que le rapport entre l'amplitude du mouvement du tronc et la différence des longueurs électriques des bras est plus grand que l'unité. Ce rapport est de l'ordre de 3 à 10; il dépend de la largeur de la fente. Lorsque la valeur du rapport est égal à 3, une variation de la différence entre les longueurs électriques des bras de 0,01 de millimètre est produite en déplaçant le tronc de 0,03 de millimètre. La présence de la fente crée donc un effet d'amplification qui facilite le réglage des longueurs électriques des bras. La dernière étape du procédé de fabrication consiste à braser le tronc avec les bras dans la position déterminée par le réglage. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3, le tronc 16 est monté sur le tube 2 par des éléments d'emboîtage constitués par les prolongements 52, 54 et les rebords 56, 58. Bien entendu, d'autres moyens de montage du tronc 16 sur le tube 2 peuvent être utilisés. On pourrait par exemple supprimer les rebords 56, 58 et plier légèrement les prolongements 52 et 54 l'un vers l'autre de manière que, lors du montage, ils viennent pincer le tube 2. La cavité électromagnétique selon l'invention, que l'on vient de décrire, constitue un élément d'un résonateur à jet de particules, dont un mode de réalisation est représenté en coupe longitudinale sur la figure 4. Ce résonateur comporte, dans une enceinte sous vide 60, une source 62 de particules (atomiques ou moléculaires), un premier sélecteur d'état 64, un module d'interaction micro-onde 66, un second sélecteur d'état 68 et un détecteur 70. Il comprend également à l'extérieur de l'enceinte 60 un circuit d'asservissement constitué par un circuit de commande 72 pour commander la fréquence d'un oscillateur 74 en fonction d'un signal délivré par le détecteur 70, et un multiplicateur de fréquence 76 pour amener la fréquence du signal délivré par l'oscillateur à la fréquence nécessaire pour induire une transition d'état d'énergie des particules. La source 62 comprend un four pour produire les particules sous forme de vapeur et un collimateur pour former un jet de particules ayant la forme d'un faisceau étroit. Le premier sélecteur d'état, appelé généralement aimant A, produit un champ magnétique intense et inhomogène, perpendiculaire au jet de particules. Il permet de diriger vers le module d'interaction micro-onde 66 uniquement les particules occupant le premier niveau d'énergie déterminé. Ce module comprend un écran de blindage magnétique 78, percé de deux ouvertures 80, 82 pour permettre l'entrée et la sortie du jet de particules, un ensemble de spires 84 parcouru par un courant électrique pour former un champ magnétique statique, appelé champ C, généralement perpendiculaire à l'axe du faisceau de particules, et une cavité électromagnétique 86, appelée' cavité de Ramsey dans laquelle règne un champ magnétique d'interrogation de fréquence voisine de la fréquence atomique de transition des particules du premier niveau d'énergie dans un deuxième niveau d'énergie. A la sortie du module d'interaction micro-onde 66, les particu- les sont soumises à un champ magnétique engendré par un second sélecteur d'état, semblable au premier et appelé aimant B, ayant pour fonction de dévier les particules afin que seules les particu- les ayant subi une transition de niveau d'énergie soient dirigées vers le détecteur 70. Lorsque la fréquence du signal délivrée par le multiplicateur de fréquence 76 est égale à la fréquence de transition entre les deux niveaux d'énergie des particules, le nombre de particules reçu par le détecteur 70 est important. En revanche, si la fréquence du signal délivré par le multiplicateur de fréquence 76 ne correspond pas à la fréquence de transition, les particules ne subissent pas de transition de niveau d'énergie et le détecteur 70 ne reçoit pas de particules. Le nombre de particules recu par le détecteur 70 est ainsi utilisé par le circuit de commande 72 pour asservir la fré- quence de l'oscillateur 74 et par suite la fréquence du champ magnétique d'interrogation. La fréquence de l'oscillateur est généralement de 5 à 10 MHz. Ce signal est disponible sur une sortie 75. Dans le cas o les particules sont des atomes de césium, on utilise généralement la transition entre les états d'énergie (F = 4, mF = 0) et (F = 3, mF - 0). La fréquence du signal d'interrogation correspondante est voisine de 9,192631770 GHz. La cavité électromagnétique selon l'invention peut également être utilisée dans un résonateur à pompage optique. Ce résonateur à une structure semblable à celui représenté sur la figure 4, la seule différence étant que les sélecteurs d'état 64 et 68 sont remplacés par des lasers à pompage optique qui induisent une transition des particules du second état vers le premier état d'énergie par l'in- termédiaire d'un niveau plus énergétique. Ainsi, si la fréquence du signal d'interrogation est correcte, les particules subissent une transition du premier état d'énergie vers le second état d'énergie dans le module d'interaction micro-onde, puis une transition inverse par l'intermédiaire du laser remplaçant le sélecteur d'état 68. Cette transition inverse provoque une émission de lumière. En revanche, si la fréquence du signal d'interrogation ne correspond pas à la transition de niveau d'énergie, les particules restent dans le premier état d'énergie et aucune émission de lumière ne se produit. Par conséquent, la mesure de l'intensité de cette émission lumineuse permet d'asservir l'oscillateur. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une cavité électromagnétique comportant, pour former deux bras de la cavité, un premier tube rectangulaire creux (2) fermé à ses extrémités, chaque extrémité comportant deux ouvertures (4, 6, 8, 10) en regard sur des faces opposées, ce premier tube étant replié pour que les quatre ouvertu- res se trouvent parallèles entre elles et centrées sur un même axe (12), et, pour former un tronc de la cavité, un second tube rectan- gulaire creux (16, 22) fermé à une extrémité et ouvert à l'autre extrémité, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivan- tes: - perçage d'une fente de couplage (50) sur une face du premier tube, sensiblement à égale distance des deux extrémités de ce tube, cette fente de couplage étant perpendiculaire à l'axe longitudinal du premier tube, montage du second tube sur le premier tube de sorte que les tubes communiquent entre eux par la fente de couplage, - égalisation des longueurs électriques des deux bras, cette égalisation consistant à introduire un signal électrique micro-onde dans le second tube à proximité de son extrémité fermée, à mesurer la différence de longueur électrique des deux bras et à déplacer, pendant cette mesure, le second tube selon une direction parallèle à l'axe du premier tube, jusqu'à l'annulation de cette différence. 2. Procédé de fabrication selon la revendication i caractérisé en ce qu'on munit le second tube, du côté de son extrémité ouverte, de moyens de montage (52, 54, 56, 58) pour monter le second tube sur le premier tube en permettant au second tube de coulisser sur le premier tube selon l'axe longitudinal de ce dernier. 3. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2 caractérisé en ce que, en outre, on fixe le premier tube au second tube, dans la position du premier tube pour laquelle les longueurs électriques des deux bras sont égales. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette fixation est réalisée par brasage. 5. Cavité électromagnétique comprenant un tronc et deux bras formant chacun une portion de guide d'onde rectangulaire, chaque bras ayant une extrémité percée d'ouvertures alignées (4, 6, 8, 10) pour permettre le passage d'un jet de particules et une autre extrémité couplée à une extrémité du tronc, la cavité électromagnétique étant caractérisée en ce que le couplage entre les bras et le tronc est réalisé par une fente de couplage (50) perpendiculaire à l'axe longitudinal des bras. 6. Cavité électromagnétique selon la revendication 5 caractéri- sée en ce que la fente de couplage (50) est parallèle au grand côté de la section du tronc, et a une longueur sensiblement égale à ce grand côté et une largeur plus faible que la longueur du petit côté de la section du tronc. 7. Cavité électromagnétique selon l'une quelconque des revendi- cations 5 et 6 dans laquelle les deux bras sont réalisés dans un premier tube rectangulaire creux (12) et le tronc dans un second tube rectangulaire creux (16, 22), caractérisée en ce que le second tube comporte, à l'une de ses extrémités, deux prolongements (52, 54) s'étendant à partir de deux faces opposées, ces prolongements coopérant pour pincer le premier tube. 8. Cavité électromagnétique selon l'une quelconque des revendi- cations 5 et 6 dans laquelle les deux bras sont réalisés dans un premier tube rectangulaire creux (12) et le tronc dans un second tube rectangulaire creux (16, 22), caractérisée en ce que le second tube comporte, à l'une de ses extrémités, deux prolongements paral- lèles (52, 54) s'étendant à partir de deux faces opposées, ces prolongements étant terminés par des rebords (56, 58) qui permettent l'emboîtement du premier tube sur le second tube.