Traitement de Signal Appliqué aux Etalons Primaires de Fréquence: Amélioration de leur Exactitude et de leur Stabilité Alaa Makdissi To cite this version: Alaa Makdissi. Traitement de Signal Appliqué aux Etalons Primaires de Fréquence: Amélioration de leur Exactitude et de leur Stabilité. Traitement du signal et de l’image [eess.SP]. Université Paris Sud - Paris XI, 1999. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00011625￿ HAL Id: tel-00011625 https://theses.hal.science/tel-00011625 Submitted on 16 Feb 2006 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. 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This is achieved with a limited precision because of many perturbations. Every enhancement in tue performance of atomic docks is welcome bv the present and future applications that use these docks. The aim of this thesis work is to enhance the performances of the primary frequency standard (JPO) of the BNM-LPTF. The resuits obtained during this thesis could be resumed by the following performances: A global uncertainty of 6,3 10-15 and a short term stability of 3 10 -13 t-1/2 where t is the integration time in seconds. Theses enhancements make our JPO frequency standard the best atomic beam frequency standard in the world. Theses good resuits are due to many factors: 1) A control of the Micro-wave leakage level inside the Ramsey cavity which was designed and realized during this thesis. 2) New signal processing methods (regularization, inverse problems, cepstral analysis. ...) that we have introduced in the evaluation process. 3) A new study of the frequency control loop based on a dynamical model that was developed to represent the different noises contribution to the stability. This study was materialized by the implementation (hardware and software) of a digital servo loop of a very high quality. Résumé : La définition de la seconde est basée, depuis 1967, sur les propriétés atomiques de l’atome de césium. Une horloge atomique est l’instrument qui permet de réaliser cette définition avec une exactitude limitée par plusieurs sources de perturbations. Toute amélioration dans les performances des horloges atomiques est la bienvenue pour les diverses applications, actuelles et futures, qui utilisent ces horloges. L’objet de ce travail de thèse est d’améliorer les performances de l’étalon primaire de fréquence (JPO) à jet de césium du Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences. Les résultats obtenus se traduisent par les performances suivants : Notre Horloge JPO est maintenant l’horloge, à jet thermique, la plus exacte au monde, avec une exactitude de 6,3 x 10 -15. Elle est également l’horloge à jet thermique la plus stable, avec une stabilité à court terme de 3 10-13 t-1/2 où t est le temps d’intégration en seconde. L’obtention de ces bons résultats est liée à la maîtrise des fuites micro-ondes grâce à la conception et à la réalisation d’une cavité de Ramsey. La bonne exactitude est due aux nouvelles techniques de traitement du signal (problèmes inverses, régularisation. analyse cepstrale, ...) que nous avons introduites pour mieux évaluer les effets perturbateurs. La bonne stabilité profite de l’étude détaillée du système d’asservissement dans une horloge ainsi que de la réalisation matérielle et logicielle d’une boucle d’asservissement numérique de haute qualité. R EMERCIEMENTS Cette thèse a été effectuée au Bureau National de Métrologie - Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences. Je remercie Michel Granveaud de m’y avoir accueilli et avoir ac- cepté de diriger cette thèse. J’ai eu le plaisir et la chance de travailler sous l’orientation d’Emeric de Clercq qui m’a fait profiter en toute sympathie de sa grande compétence sur le plan expérimental et théori- que. Ses compétences et sa gentillesse en font un collègue de travail très agréable. Je le re- mercie sincèrement. Je remercie vivement André Clairon pour les nombreux éclairages théoriques et « coups de main » expérimentaux dont il m’a fait bénéficié. Je remercie Claude Audoin, Andréas Bauch et Ali Mohammad-Djafari pour l’intérêt qu’ils ont manifesté à l’égard de cette thèse en acceptant de faire partie du jury et pour leurs commentaires judicieux sur le manuscrit. Je remercie tout particulièrement Pierre Thomann et François Vernotte pour avoir accepté de faire partie du jury en qualité de rapporteurs. Leurs remarques m’ont été précieuses. Jean Paul Berthet a contribué à toutes les mesures et à la réalisation de plusieurs montages - démontages de l’horloge. Je le remercie pour sa disponibilité. Merci également à Nicolas Dichard qui a assuré le dernier assemblage de l’horloge avec beaucoup de soins et une pa- tience à toute épreuve. Pierre Aynié a dessiné toute l’horloge. Il a participé efficacement aux différentes étapes de conception et de réalisation de la cavité. Je le remercie sincèrement pour sa précieuse colla- boration. Daniele Rovera m’a souvent posé des questions et des problèmes intéressants. Je le remercie pour son intérêt à mon travail. Les services techniques de l’Observatoire de Paris m’ont fourni une aide précieuse dans une atmosphère très chaleureuse et sympathique. Merci en particulier aux mécaniciens de l’atelier de Paris qui ont aidé au réglage de la cavité. J’exprime ma gratitude à l’ensemble du personnel du LPTF et toutes les personnes qui ont contribué à l’avancement de mes travaux. - 1 - Remerciements Je tiens tout particulièrement à remercier pour leur soutien administratif et technique Ca- therine Laurent, Marie-Ange Ragot, Annie Gérard et Pascal Blondé. Merci à mes amis qui m’ont aidé durant la rédaction de ce mémoire. En particulier, Je remercie Emeric de Clercq, Michel Dequin et Véronique. Je ne pourrais pas oublier les moments agréables passés avec mes collègues du LPTF. Mer- ci à ceux que j’ai le plaisir de côtoyer : Ouali Acef, Pierre Uhrich, Giorgio Santarelli, Christophe Andréucci, Michel Lours, Laurent Volodimer, André Campos, Raymond Tourde, Monique Prodhomme et Monsieur Georges Fréon . Un merci particulier pour les thésitifs : Driss, Selma, Messaoud, Eric, Monica, Pierre, To, Albane, Yvan, Sébas- tien,Shougang et Michel. Je suis reconnaissant à Maglonne Chambon et au Bureau National de Métrologie pour leur soutien constant. Je ne sais pas comment remercier les gens qui m’ont soutenu pendant une période très criti- que de ma vie. Au LPTF, je suis reconnaissant à Michel Granveaud et à Emeric de Clercq. Je remercie Farida de tout mon cœur pour sa patience et sa présence. Ce travail n’aurait pas vu le jour sans elle. - 2 - T ABLE DES MATIERES REMERCIEMENTS ....................................................1 TABLE DES MATIERES..............................................3 INTRODUCTION .......................................................9 CHAPITRE 1. PRINCIPE DE L'HORLOGE .................13 1.1. Introduction.....................................................................13 1.2. Principe de l’horloge........................................................16 1.3. Mise en évidence de la transition.....................................19 1.3.1. Pompage à un laser.................................................................19 1.3.2. Pompage à deux lasers.............................................................20 1.3.3. Détection optique.....................................................................21 1.4. Conclusion........................................................................22 CHAPITRE 2. MONTAGE EXPERIMENTAL..............25 2.1. Le Tube............................................................................25 2.1.1. Le vide....................................................................................26 2.1.2. Le Four et le Jet.....................................................................27 2.1.3. Le champ magnétique statique..................................................27 - 3 -