Horloge atomique : le PTB adopte les cartes AWG de Spectrum
Le Temps atomique international (TAI) repose sur la comparaison permanente de centaines d’horloges atomiques réparties dans le monde. En Allemagne, le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) y contribue avec deux horloges à fontaine de césium, CSF1 et CSF2, qui pilotent l’échelle de temps nationale UTC (PTB) et fournissent l’heure légale du pays, utilisée notamment pour les trains, le trafic aérien, les télécommunications, la radiodiffusion et les systèmes informatiques. Ces deux instruments figurent parmi les horloges à fontaine de césium les plus performantes au monde, mais leur fonctionnement continu repose sur des techniques exigeantes, du refroidissement laser des atomes à la spectroscopie de Ramsey. Pour moderniser leur électronique de commande laser, le PTB s’est tourné vers les cartes de génération de formes d’ondes arbitraires (AWG) au format PXIe de Spectrum Instrumentation.
Le principe de la fontaine de césium
La seconde est définie comme la durée de 9 192 631 770 périodes du rayonnement associé à la transition entre les deux niveaux d’énergie de l’état fondamental du césium 133. Dans une chambre à vide, un nuage d’atomes ultrafroids traverse deux fois une cavité micro-onde de Ramsey, une fois en montant et une fois en redescendant sous l’effet de la gravité, avant que son état final ne soit mesuré par spectroscopie de fluorescence induite par laser.
Le refroidissement s’effectue par piège magnéto-optique sur CSF1 et par mélasse optique sur CSF2. Comme l’explique le Dr Johannes Rahm, du département Temps et Fréquence du PTB, des lasers légèrement désaccordés sous une transition optique du césium ralentissent les atomes par effet Doppler, jusqu’à quelques microkelvins.
Un cycle de mesure d’environ 1,2 seconde
Un faible écart de fréquence entre les lasers lance ensuite le nuage vers le haut. À chaque passage dans la cavité, une impulsion micro-onde est appliquée, réglée pour obtenir une probabilité de transition d’environ 50 %. Le signe du désaccord est inversé à chaque cycle afin d’échantillonner les deux flancs de la courbe de résonance ; la fréquence de transition correspond à la moyenne des deux fréquences asservies.
Chargement, lancement, interrogation de Ramsey et détection s’enchaînent en 1,2 seconde environ, puis le cycle recommence, 24 heures sur 24.
Remplacer l’électronique analogique par des AWG PXIe
Le contrôle des lasers était jusqu’ici assuré par des circuits analogiques développés en interne par une génération précédente d’ingénieurs du PTB, dont la maintenance devenait de plus en plus difficile. Le Dr Rahm a donc étudié une alternative numérique et retenu les cartes AWG PXIe de Spectrum Instrumentation.
Ces cartes génèrent les fréquences RF qui pilotent les modulateurs acousto-optiques chargés de moduler les fréquences laser pendant le refroidissement, le lancement et la détection des atomes. Le passage au numérique remplace ainsi un ensemble de circuits spécifiques par des instruments standard au format PXIe, plus simples à maintenir dans la durée.
Un mode de séquencement développé en deux jours
Si les cartes M4x.6622-x4 répondaient aux exigences de précision, aucun des modes de génération existants ne correspondait au besoin du PTB : chaque laser requiert un jeu de formes d’ondes spécifique à un instant précis du cycle. Sollicité, le support de Spectrum, assuré directement par les ingénieurs de conception, a développé en deux jours une nouvelle fonction baptisée Sequence Restart Mode, validée par les tests du Dr Rahm.
Spectrum Instrumentation a depuis publié ce mode sous forme de mise à niveau gratuite pour tous les AWG des séries 65xx et 66xx. Il s’active en installant les derniers pilotes. Fondée en 1989 et installée près de Hambourg, Spectrum Instrumentation conçoit selon une approche modulaire plus de 200 numériseurs et générateurs aux formats PCIe, PXIe et LXI, couverts par une garantie de cinq ans.
Pour vous qui exploitez des bancs pilotés par des séquences RF complexes, le Sequence Restart Mode est disponible sans surcoût sur les AWG 65xx et 66xx. Une simple mise à jour des pilotes suffit pour l’évaluer.
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