26 Mai 2023

Tube Césium

La conception du Tube Césium dérive de celle des horloges au sol. Le développement du Tube Césium a été confié à EADS Sodern.

Le Tube à Césium est le cœur de l'horloge PHARAO où a lieu l'interaction entre signaux micro-ondes et les atomes de césium. La mélasse atomique est manipulée et détectée par 10 faisceaux lasers venant de la Source Laser et deux signaux micro-ondes venant de la Source Micro-onde (SH). Le principe du tube césium peut être expliqué par la séquence suivante :

La vapeur de césium est fournie par le réservoir à césium contenant le césium en phase liquide. La quantité d'atomes de césium est réglée par le taux d'ouverture de la valve et le réglage fin par la régulation thermique.
Le nuage atomique est refroidi et lancé par les 6 faisceaux laser dans la sphère de capture.
Tous les atomes sont amenés au même niveau d'énergie et la forme du nuage est corrigée dans la cavité de préparation.
Le nuage est soumis au signal micro-onde à la fréquence de transition de référence du césium dans la Cavité Ramsey (cavité d'interrogation).
La luminosité du nuage est mesurée pour déterminer la proportion d'atomes qui ont changé de niveau d'énergie.

Les performances de l'horloge dépendent fortement du concept du tube. L'équipment doit fournir les conditions d'un vide très poussé, d'un champ magnétique très homogène et d'une température très stable pour minimiser les perturbations du nuage atomique. Les principales exigences sont les suivantes :

Vide 2.10^-8 Pa
Champ magnétique < 1 nT
Température contrôlée à ± 0.1° (pour la zone d'interaction)
Alignement : 1 mrad

En raison des phénomènes physiques impliqués au cours de l'interaction entre le signal micro-onde et les atomes froids, il est nécessaire de protéger toutes les zones du tube à vide des perturbations thermiques et magnétiques.
Pour minimiser les collisions entre le Césium et les autres particules, un vide très poussé est nécessaire.

Principales unités du TC

Le réservoir à césium Sa principale fonction est de fournir la vapeur de césium. Le césium liquide est piégé dans du titane poreux constitué de micro balles compactées. La densité d'atomes est contrôlée dans la zone de refroidissement. La masse de césium à stocker est d'environ 3 grammes et uniquement de la vapeur de césium doit s'échaper du réservoir. Le flux à fournir est d'environ 10¹² atomes par seconde.	Titane poreux dans lequel est stocké le césium (Le réservoir à césium est réalisé par AER)
Un collimateur de capture (EADS Sodern) (6 unités sont montés sur la sphère de capture)	La zone de refroidissement Les six faisceaux laser sont injectés dans le volume à refroidir pour piéger le nuage de césium. Le nuage sphérique d'atomes est créé à l'intersection des faisceaux laser. Dans cette zone les atomes de césium sont capturés, refroidis puis lancés. Une photo-diode surveille la fluorescence émise par les atomes capturés et une caméra visualise les mélasses optiques (la caméra n'est utilisée qu'au sol). La conception est guidée par les dimensions et le positionnement de ces collimateurs.
Cavité micro-onde La partie cylindrique du tube à vide est conçue pour contenir la cavité d'interrogation. La performance de cette cavité est directement liée à la qualité de l'usinage et de la soudure. De plus, la symétrie de la cavité, l'homogénéïté de la conductivité électrique et la rugosité sont aussi des critères très importants. Le modèle de vol de la cavité a été testé dans une fontaine atomique par le LNE-SYRTE. Il a été vérifié qu'il n'y a aucune singularité de champ magnétique ni preuve de dérive de phase au niveau final de PHARAO (10^-16).	Cavité micro-onde sur son support (Thales TED)
Modèle d'Ingénierie (EM) du Module de détection pendant l'intégration (EADS Sodern)	Détection Le tube à vide est ensuite équipé de 4 faisceaux laser dans la zone de détection pour mesurer la fluorescence des atomes de césium excités.
Vide Les phénomènes d'interaction entre atomes nécessitent un vide plus bas que 2.10^-8 Pa. Le tube à vide est fait de plusieurs pièces liées entre elles par un système d'étanchéité au vide utilisant des joints en acier.	Un getter

Pompe ionique développée pour PHARAO (EADS Sodern)

Pompe ionique montée
(EADS Sodern)

Le système de pompage est situé au bout du tube à vide. Le pompage est assuré par une pompe à ions 3 l/s et complété par un ensemble de getters répartis autour de la cavité d'interrogation.

Magnétique
En raison des phénomènes physiques impliqués pendant l'interaction entre les micro-ondes et les atomes froids il est nécessaire de protéger ces zones des perturbations magnétiques externes. Trois écrans µ-metalliques concentriques constituent le bouclier magnétique (et environ 50% de la masse de la totalité du tube à césium). Des spires fournissent le champ magnétique faible constant nécessaire, plus un bobinage de compensation active avec une servo-boucle surveillée par un magnétomètre interne.

Boucliers magnétiques de l'EM

Principaux défis

Le tube césium utilise diverses technologies spécifiques et les principaux défis de ce développement sont :

Le centre de gravité est très haut en conséquence les efforts mécaniques à la jonction de chaque partie du tube à vide sont importants.
La cavité d'interrogation est difficile à dégazer en raison du bas point de fusion de ses brasures à l'étain et des facteurs d'expansion thermique. De plus, cette cavité ne peut être pleinement vérifiée qu'une fois que PHARAO est construit.
La lumière d'arrière plan est difficile à estimer et implique des dispositifs spécifiques, qui doivent rester compatibles avec l'ultra-vide.
L'étanchéité des fenêtres requiert un traitement qui doit respecter le traitement optique.
L'alignement des faisceaux laser doit être rigoureux pour contrôler l'efficacité de la capture des atomes de césium.
Les photo-diodes sont critiques en raison de la haute sensibilité requise.
Un vide ultra poussé est un défi en raison du grand nombre de fenêtres et collerettes et des restrictions de renforcement pour la préservation du traitement optique. La pompe à ions et son alimentation à haut voltage sont conçus spécialement pour PHARAO.
Le bouclier magnétique doit être homogène en dépit des nombreuses causes de perturbations (rotation du champ terrestre, proximité du MASER, mécanismes électromagnétiques de PHARAO).

Tous ces défis ont été relevés.