|
|
|
Comparaisons locales de fontaines atomiques.
Fig 1 - Distribution du signal de ``l'oscillateur d'interrogation'' au SYRTE. Un maser à hydrogène filtré par l'OCRS grâce à une boucle à verrouillage de phase avec une constante de temps de ~ 1 000 s est distribué aux trois fontaines atomiques. Nous avons comparé la fontaine double avec la fontaine mobile à l'été 2003, puis avec FO1 au printemps 2004 en utilisant le dispositif de dissémination du signal de la figure 1. Protocole de comparaison. Nous avons aussi constaté que les masers sont susceptibles de modifier violemment leurs fréquences, et qu'en conséquence, il fallait synchroniser les dates de début et de fin de nos mesures. Il est suffisant de synchroniser au quart d'heure près des mesures longues de quelques dizaines d'heures, mais si l'on veut réjecter totalement l'oscillateur d'interrogation, il faut aller plus loin. Synchronisation la référence de temps des fontaines. L'idée est de comparer les fontaines quasiment cycle à cycle. Il faut être capable de synchroniser les références de temps de chacune des fontaines à mieux qu'un cycle d'horloge. Nous avons choisi de synchroniser les horloges des PC de contrôle des fontaines par le réseau interne du laboratoire. Pour cela nous avons utilisé le protocole NTP qui nous a permis de nous référencer à l'échelle de temps UTC de l'Observatoire de Paris, UTC(OP). C'est le Temps Universel Coordonné, identique au TAI, mais qui comprend des secondes intercalaires traduisant l'écartement entre le temps astronomique et le temps atomique (32~s depuis 1998). Chaque fontaine enregistre à chaque cycle, la date UTC(OP), une correction de fréquence et divers paramètres. On ne peut pas faire de comparaisons cycle à cycle des fontaines, car chacune à un temps de cycle différent. On fait alors, des moyennes sur des paquets de données dont la durée peut être variée entre 100 et 500 s. On se retrouve avec des collections d'étalonnage de l'oscillateur d'interrogation (quartz ou OCRS asservi sur un maser), dont la durée et la date centrale est parfaitement connue. On calcule la variance différentielle sur les paquets synchrones. Ceux qui ne le sont pas sont éliminés.
Fig 1 - Représente la comparaison 2003, entre la fontaine mobile et la fontaine double. La figure 1 représente la comparaison 2003, entre la fontaine mobile et la fontaine double. La synchronisation est faite sur des paquets de 250 s. L'oscillateur d'interrogation était un de nos maser. La stabilité de la fontaine FOM (•), est de 1.9 10-13 à 1 s et est principalement limitée par le bruit de sa détection et l'oscillateur d'interrogation qui était un quartz asservi sur un maser. La stabilité de FO2Cs (■) est de 1.4 10-13 à 1 s et est limitée par l'oscillateur d'interrogation (les données haute et basse densité sont prisent en compte). La dérive sur les temps longs résulte de deux contributions: la mise bout à bout de données séparées par des temps morts et la dérive du maser. La variance différentielle des deux fontaines (∆) se moyenne comme du bruit blanc de fréquence jusqu'à ~ 2 10-16. On note au passage que la réjection de la dérive ``traduit'' le fait que la synchronisation est efficace, autrement dit, que l'oscillateur d'interrogation est bien éliminé. La stabilité différentielle est de 2.3 10-13, ce qui correspond bien à la somme quadratique des deux fontaines séparées. La ``bosse'' vers 20 000 s n'est pas comprise à ce jour. La différence de fréquence entre les deux fontaines est de 2.2 ± 1.2 10-15, où l'incertitude est dominée par les exactitudes des fontaines. Nous ne savons pas à quoi attribuer cette différence. Une autre campagne de comparaisons a été conduite en 2004 entre FO2 et FO1. L'oscillateur d'interrogation est alors l'OCRS, ce qui permet d'atteindre une stabilité à une seconde, sur les données corrigées (haute de basse densité), de 2.8 10-14 pour FO2 et de 4.2 10-14 pour FO1. La synchronisation a été faite sur des paquets de 100 s.
Fig 2 - Variance différentielle entre FOM et FO2 (∆) de la figure précédente et la variance différentielle de FO1 et FO2 (s) qui se moyenne comme du bruit blanc de fréquence (après correction du déplacement collisionnel et des effets systématiques). La figure 2 reprend la variance différentielle entre FOM et FO2 (∆) de la figure précédente. Elle trace aussi la variance différentielle de FO1 et FO2 (s) qui se moyenne comme du bruit blanc de fréquence jusqu'à 2 10-16. La stabilité à une seconde est de 5 10-14, ce qui correspond à la somme quadratique des stabilités des deux fontaines. La différence de fréquence entre les deux fontaines est de (0.4 ± 1.1) 10-15, ce qui est compatible avec zéro compte tenu des exactitudes des deux fontaines. On voit, là encore, l'intérêt d'avoir un bon oscillateur d'interrogation comme l'OCRS, puisque la comparaison FO1 - FO2 arrive au même niveau de résolution que la comparaison FOM - FO2 en 10 fois moins de temps ! Contribution à la réalisation des échelles de temps. Une partie importante de notre travail, notamment vis à vis du Bureau National de Métrologie (BNM, maintenant bureau National d'Essais, LNE) et du Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), est la contribution à la réalisation du Temps Atomique International (TAI) et du Temps Atomique Français (TAF). Les étalons primaires de fréquence réalisent la seconde par définition. Pour ce faire nous effectuons régulièrement une calibration d'un de nos deux maser à hydrogène, qui sont comparés en permanence au TAI (cf. figure 1) et à UTC(OP). Les différentes échelles de temps.
L'étalonnages de masers c'est le suivit de l'évolution de sa fréquence sur une période de 30 à 40 jours. La durée typique de chaque point est d'une demi-journée à deux jours. Les temps morts peuvent être accidentels (dysfonctionnement d'un laser, de la micro-onde, coupure de courant) ou bien intentionnels. Dans ce derniers cas, il s'agit d'assurer la maintenance de la fontaine (alignement de l'optique, mesure du champ magnétique) et l'arrêt est inférieur à 30 min. Étalonnages de masers.
Fig 3 - Sommaire des calibrations de maser envoyées au BIPM sur une durée proche de deux ans. Ces mesures ont étés conduites par trois étalons primaires de fréquence, le Jet à Pompage Optique (JPO) (×), les fontaines FOM (□) et FO2Cs (▲) qui ont étalonné alternativement nos deux masers. Les dates sont en MJD et les différences de fréquences relatives sont en unité de 10-15.
La figure 3 fait le sommaire des calibrations de masers envoyées au BIPM depuis un peu moins de deux ans. Ces mesures ont étés effectuées par trois étalons primaires de fréquence, le Jet à Pompage Optique (JPO) (×), les fontaines FOM (□) et FO2Cs (▲) qui ont calibrés alternativement (ou simultanément) nos deux masers. On constate que pour les mesures synchrones les trois étalons sont en bon accord. Le maser 805 présente une dérive forte et qui change de signe au cours du temps. La dérive la plus forte est de ~ 10-15 jour-1. En revanche le maser 816 semble présenter une dérive plus faible et linéaire de l'ordre de 9.8 10-17 jour-1.
Tab 1 - Étalonnage des masers 140 816 et 140 805 par FO2 (× 10-16). († circulaire T de août 2004). Le tableau 1 fait état des calibrations de masers effectuées par FO2Cs durant ma thèse. On trouve la durée de la calibration, elle ne peut être qu'un multiple de 5 jours, dont la date de début en MJD commence par un 4 ou un 9. La valeur moyenne de la fréquence du maser sur cette période de mesure ánñMaser-FO2 est donnée en unité de 10-16 comme toutes les autres fréquences relatives de ce tableau. σA et σB sont les incertitudes de type A et B. σlien-maser tient compte des erreurs dues à la dissémination locale de la fréquence du maser (câbles etc). Cela tient compte de l'incertitude associée à la dérive du maser durant les temps mort de la mesure i.e. pendant que la fontaine ne calibre pas le maser). σlien-TAI incertitude du transfert de temps entre le maser et le TAI (lien satellite). PEAL, est le poids attribué à la mesure sur cette période (circulaire T août 2004). On voit que la dernière mesure a contribué à plus de 65 % de l'EAL sur cette période.
Fig 4 - Participation des principales fontaines à la réalisation de l'EAL. CSF1(PTB) (•) est la fontaine allemande, F1 («) est la fontaine du NIST, alors que la fontaine italienne (◊) est CSF1(IEN). (×) est la dérive de l'EAL par rapport au TAI. (Le dernier point de FO2 est en août 2004).
La figure 4 montre la participation des principales fontaines à l'évaluation de la fréquence de l'EAL. CSF1(PTB) (•) est la fontaine allemande, F1 («) est la fontaine du NIST, alors que la fontaine italienne («) est CSF1(IEN). Les fontaines sont toutes en accord à 3σ. On a aussi (×) la dérive de l'EAL par rapport au TAI.
Fig 5 - La figure représente la différence de fréquences relative entre les fontaines et le TAI.
La figure 5 représente la différence entre les fontaines et le TAI. On peut voir que, depuis que les fontaines se sont mises à participer, le TAI se met lentement à les rejoindre. L'explication est que, plus le temps passe et plus les fontaines gagnent en exactitude, plus leur poids est important dans le calcul du TAI par rapport aux autres standards, et plus elles sont nombreuses. Dès lors, les fontaines ``pilotent'' le TAI. C'est par exemple le cas de notre dernier point, mais aussi de ceux de F1 et CSF1(IEN) ont comptés pour 53 % et 40 % respectivement (sur leurs périodes respectives). On peut remarquer que les premiers points de FO2 sont plus dispersés que les points suivants. L'explication probable c'est qu'il s'agit de mesures courtes avec une sous estimation de l'incertitude des temps morts. Comparaisons de fontaines par lien satellitaire. Nous avons effectué des comparaisons locales entre les trois fontaines du laboratoire via la distribution d'un même signal à 100 MHz de maser. Dans le cas où nous voudrions comparer nos fontaines avec celles d'autres instituts de métrologie dans le monde, il est nécessaire d'utiliser une liaison par satellite. Les systèmes GPS et TWSTFT. Deux méthodes sont possibles: utiliser le système GPS (Global Positioning System), ou bien le TWSTFT (Two Way Satellite Time and Frequency Transfer).
Comparaison entre le SYRTE et la PTB.
Fig 6 - Différence de phase entre H2 (maser de la PTB) et H805 (maser du SYRTE), par le biais de comparaisons GPS (+) et TWSTFT (□). (Le MJD 52 820 est le 30/06/03). En juillet 2003, nous avons effectué une comparaison via GPS et TWSTFT entre nous et la PTB. Cinq horloges étaient impliquées:
Comparaison de H2 et H805 par les deux méthodes. Ce qui est comparé entre les deux laboratoires ce sont les masers. Leur phase relative est comparée continûment par le biais du GPS et est reportée par moyenne d'une heure sur la figure \ref{fig:GPS_TWSTFT_temps}. Pour des raisons d'économie financière, les mesures TWSTFT ont été limitées à une par jour. Les mesures sont en bon accord, une analyse plus poussée a permis de déterminer que:
Ce résultat est compatible avec une différence nulle, ce qui confirme que les deux méthodes sont en accord. Comparaison de fontaines. Durant une période de onze jours, FO2 et FOM ont mesuré continûment le maser H805. Cette mesure a donné lieu à une comparaison locale entre FO2 et FOM (∆) reportée sur la figure 7. En même temps CSF1 a elle aussi calibré son propre maser. Connaissant la différence moyenne de fréquence entre les deux masers sur cette période, il est possible de trouver la différence relative de fréquence entre les trois fontaines pour chacune des deux méthodes. La différence sur la comparaison locale entre FOM et FO2 est de (21 ± 12) 10-16 ce qui est relativement important, et inexpliquée jusqu'à présent mais reste en accord à 2σ. FO2 et CSF1 sont en bon accord sur la mesure GPS (■) et présentent une petite différence sur la mesure TWSTFT (•). Le désaccord entre FO2 et FOM se retrouve sur la comparaison FOM - CSF1. La figure 8 représente la différences entre les fontaines FO2, FOM et CSF1 (en prenant la moyenne des résultats des méthodes GPS et TWSTF), et en choisissant comme référence FOM. Une comparaison longue des deux masers semble indiquer que le bruit du lien deviendrait négligeable devant les incertitudes systématiques de fontaines pour une période de dix jours. Il est cependant difficile de mobiliser les ressources de plusieurs laboratoires pour de telle durées. Une alternative intéressante est le transfert de fréquence par lien optique.
Fig 7 - Comparaison entre les fontaines FOM et FO2 du BNM-SYRTE et CSF1 de la PTB, grâce aux méthodes GPS et TWSTFT.
Fig 8 - Différences entre les fontaines FO2, FOM et CSF1 (en prenant la moyenne de résultats des méthodes GPS et TWSTF), et en choisissant comme référence FOM. Les trois fontaines sont en accord à 2σ.
|
|
Page mise à jour le 25/11/06 |
