**Revue française de métrologie


n° 34, Vol. 2014-2, 3-21, DOI : 10.1051/rfm/2014005

PHARAO : le premier étalon primaire de fréquence, à atomes froids, spatial

PHARAO : The first primary frequency standard using cold atoms for space applications

 

Philippe LAURENT1, Michel ABGRALL1, Igor MORIC1, Pierre LEMONDE1, Giorgio SANTARELLI1, André CLAIRON1, Sébastien BIZE1, Daniele ROVERA1, Jocelyne GUÉNA1, Christophe SALOMON2, Michel AUBOURG3, Frédéric PICARD4, Philippe CHATARD4, Sylvie LÉON4, Christian SIRMAIN4, Didier MASSONNET4, Olivier GROSJEAN4, Christophe DELAROCHE4, Jean-François VÉGA4, Nadine LADIETTE4, Michel CHAUBET4, Benoît LÉGER4, Charles Marie DE GRAEVE4, Sabine JULIEN4, Muriel SACCOCCIO4, Didier BLONDE4, Benoît FAURE4, Andria RATSIMANDRESY4, Serge BÉRAUD4, Fabrice BUFFE4, Isabelle ZENONE4, Philippe LARIVIÈRE4, Claude ESCANDES4, Bernard VIVIAN4, Clément LUITOT4, François GONZALEZ4, Jean-Pierre GRANIER4, Philippe GUILLEMOT4, Christian MACÉ5, Stéphane THOMIN5, Jean Pierre LELAY5, Thierry POTIER6, Yoann COSSART6, Thierry NAULEAU7 et Arnaud GRANGET8

1- LNE-SYRTE, 61 avenue de l’Observatoire, 75014 PARIS, France, philippe.laurent@obspm.fr.
2- LKB, 24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex, France.
3- XLIM, Université Limoges, 123 avenue Albert Thomas, 87060 Limoges, France.
4- CNES, 18 avenue Edouard Belin, 31401 Toulouse, Cedex, France.
5- SODERN, 20 avenue Descartes, 94451 Limeil-Brévannes Cedex, France.
6- THALES, 2 avenue Gay-Lussac, 78851 Elancourt Cedex, France.
7- CS SI, ZAC de la Plaine, rue Brindejonc des Moulinais, 31506 Toulouse Cedex, France.
8- EREMS, Chemin de la Madeleine, 31130 Flourens, France.

Résumé : Le CNES, le LKB et le SYRTE développent une horloge à atomes froids de très hautes performances, appelé PHARAO, dont la conception est optimisée pour des applications spatiales. Le signal d’horloge est référencé sur la mesure de la fréquence de la transition hyperfine du césium qui réalise la seconde. Cette transition est induite sur un nuage d’atomes froids (1 µK) de césium en mouvement dans une cavité de Ramsey. Le choix de la vitesse moyenne du nuage, ajustable sur 2 ordres de grandeurs (5 cm·s-1–5 m·s-1), permet grâce à l’apesanteur d’explorer une large gamme de temps d’interaction et d’analyser les performances ultimes de l’horloge. Un modèle d’ingénierie de l’horloge a été construit pour valider cette nouvelle architecture et a été testé au sol pour rechercher le moindre défaut de fonctionnement. Bien évidemment, au sol, les performances sont réduites puisque le mouvement des atomes froids est soumis à l’accélération de la pesanteur. Nous mesurons cependant une stabilité relative de fréquence de 3,3×10-13t-1/2. Les effets systématiques les plus importants sont analysés et le bilan d’incertitude global s’élève à 1,63 × 10-15. Des comparaisons de fréquence avec l’étalon primaire de fréquence du SYRTE, la fontaine mobile FOM, ont donné des écarts de fréquence inférieurs à 2 × 10-15. La qualification spatiale qui concerne essentiellement les aspects mécaniques et thermiques a été étudiée sur un modèle (Modèle Structurel et Thermique) représentatif mais non opérationnel de l’horloge. Cette qualification se fait en association avec des simulations numériques par éléments finis. De l’ensemble de tous ces résultats des évolutions ont été appliquées sur l’architecture pour construire le modèle de vol qui est maintenant en cours de réalisation. L’horloge PHARAO est un instrument clé de la mission spatiale Européenne ACES dont l’objectif central concerne la mesure de l’espace-temps pour tester les aspects fondamentaux de la physique.

Abstract: CNES, LKB and SYRTE are developing a primary frequency standard, called PHARAO, which is specially designed for space applications. The clock signal is referenced on the frequency measurement of the hyperfine transition performed on a cloud of cold cesium atoms (~1 µK). The transition is induced by an external field feeding a Ramsey cavity. In microgravity the interaction time inside the cavity can be adjusted over two orders of magnitude by changing the atomic velocity (5 cm·s-1–5 m·s-1) in order to study the ultimate performances of the clock. An engineering model has been assembled to validate the architecture of the clock. This model has been fully tested on ground for operation faults. Of course the clock performances are reduced by the effect of the gravity on the moving atoms. The main results are a frequency stability of 3.3 × 10-13t-1/2. The main systematic effects have been analyzed and their frequency uncertainties contribution is 1.6 × 10-15. The clock has been compared with the primary frequency standard, the mobile fountain of SYRTE. The mean frequency shift is lower than 2 × 10-15. The mechanical and thermal space qualifications have been carried out by testing a representative mechanical model of the clock and by using refined calculations. The design of the clock has been improved and now the flight model is being assembled. The PHARAO clock is a key instrument of the European ESA space mission called ACES. This mission is dedicated to perform space-time measurements in order to test some fundamental physics aspects.

Mots clés : PHARAO, ACES, HORLOGE, ATOMES FROIDS, MÉTROLOGIE TEMPS-FRÉQUENCE, PHYSIQUE FONDAMENTALE, ESPACE.

Key words: ATOMIC CLOCK, COLD ATOMS, FUNDAMENTAL PHYSICS, SPACE APPLICATIONS.


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