26 Mai 2023

Instrument

Aujourd'hui, sur Terre, les horloges atomiques les plus précises et stables utilisent des atomes de césium refroidis par laser. Dans une horloge atomique, la durée de l'interaction cohérente entre les atomes et le champ micro-onde est une limite fondamentale à la mesure de la résolution de la fréquence. Cette durée peut être considérablement repoussée par l'utilisation d'atomes froids en micropesanteur.

Une horloge au césium utilise la transition hyperfine proche de 9.2 GHz qui définit l'unité de temps du SI : la seconde. Au sein d'un nuage de césium les atomes sont refroidis à la température de 1µK correspondant à une vitesse moyenne d'environ 7 mm/s. Ce nuage, pompé optiquement dans l'état quantique adéquat, est ensuite lancé à travers un champ micro-onde. La durée de l'interaction en conditionne la qualité. L'analyse du nuage en sortie indique ensuite si la fréquence micro-onde est parfaitement calée sur la fréquence voulue. Sur Terre, une horloge à césium froid fonctionne dans une géométrie de fontaine où les atomes sont lancés vers le haut puis retombent du fait de la gravité. Le temps d'interaction ne peut pas excéder 1 seconde pour une fontaine d'une hauteur raisonnable. Par comparaison, en conditions de micropesanteur, le temps d'interaction dans PHARAO peut monter jusqu'à 5, voire 10 secondes avec un instrument simple et compact. Le principe de PHARAO est décrit dans la figure de gauche.

L'instrument PHARAO est fait de 5 sous-systèmes :

  • un tube à vide aussi nommé Tube Césium (TC), dans lequel les atomes sont capturés, refroidis, lancés, sélectionnés et détectés après avoir subi une interaction dans une cavité micro-onde. Le tube à césium fournit des conditions d'ultravide tout au long du trajet des atomes et applique un champ magnétique constant et extrêmement uniforme le long du trajet des atomes, spécialement à l'intérieur de la chambre d'interrogation micro-onde. Il comprend aussi l'alimentation de la pompe à ion haute tension (CV-THT), qui est montée séparément sur la plaque de base d'ACES.
  • un banc optique aussi nommé Source Laser (SL), fournit les divers faisceaux laser nécessaires pour la capture, le lancement, le refroidissement, la sélection atomique et la détection des atomes.
  • la source micro-onde (SH), fournit le signal émis vers les cavités d'interrogation et de préparation.
  • L'unité de gestion bord (UGB), traite le signal de la mesure d'erreur pour commander les corrections de fréquence à appliquer à la source micro-onde en mode autonome ou bien les transmet à ACES-XPCC dans les autres modes opérationnels. Elle synchronise aussi les différentes phases du cycle atomique, gère les acquisitions de mesures et les systèmes de télé-contrôle pour modifier les paramètres fonctionnels de l'instrument.
  • L'unité électronique BEBA qui régule le champ magnétique du tube césium et acquiert le signal analogique fourni par le tube césium.

le Logiciel de Vol orchestre le tout en décryptant et déroulant les tables de micro-séquences, répartissant, pour chaque lancement de nuage d'atomes, les ordres destinés aux 5 sous systèmes de PHARAO.

Masse et volume des éléments de PHARAO

ÉlémentMasse (kg)Taille (L x l x h, mm)Puissance (W)
Tube Césium (TC)44990 x 336 x 4445
Source laser (SL)20529 x 330 x 17840
Source micro-onde (SH)7300 x 270 x 11725
Unité de gestion bord (UGB)6245 x 240 x 12026
BEBA1134 x 118 x 85 
Total
(incluant le harnais, les fixations et les marges)
911000
dans sa plus grande longueur
114