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1 - OSCILLATEURS ÉLECTRONIQUES

2 - OSCILLATEUR À QUARTZ

3 - OSCILLATEURS MICRO-ONDES

4 - HORLOGES ATOMIQUES

Article de référence | Réf : R682 v1

Horloges atomiques
Génération de fréquence

Auteur(s) : Vincent GIORDANO

Date de publication : 10 déc. 2007

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RÉSUMÉ

Cet article traite des générations de fréquence présentes notamment dans les oscillateurs et les horloges haut de gamme, et qui trouvent leur application dans des domaines s'étendant de la métrologie à la physique fondamentale. Sont détaillés les principes de fonctionnement et les performances des oscillateurs électroniques (modèle simple et caractéristiques), des oscillateurs à quartz (résonateur, circuits, matériaux et performances), des oscillateurs micro-ondes (à résonateur diélectrique céramique et à résonateur saphir), et pour finir des horloges atomiques (généralités et principes physiques, fontaine atomique, horloge à jet de césium, horloge CPT, maser à hydrogène, horloge à ions mercure, etc).

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ABSTRACT

This article treats frequency generation notably in oscillators and high-end timepieces, and their application in areas ranging from metrology to basic physics. Described in detail are: the main operating principles and performances of electronic oscillators (simple and typical model), quartz oscillators (resonators, circuits, hardware and performances), microwave oscillators (ceramic dielectric resonator and sapphire resonator) and atomic clocks (physics generalities and principles, atomic fountain, cesium beam clock, CPT clock, hydrogen maser, mercury ion clock, etc.).

Auteur(s)

  • Vincent GIORDANO : Directeur de recherche LPMO, CNRS associé à l'université de Franche-Comté

INTRODUCTION

Ce dossier décrit les principes de fonctionnement et les performances typiques des oscillateurs et des horloges haut de gamme qui sont utilisés comme références de temps et de fréquence dans différentes applications. Ces dernières concernent des domaines très variés, allant de la métrologie et de la physique fondamentale, à des domaines plus appliqués : télécommunication, systèmes RADAR, navigation et localisation par satellites, ...

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r682


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4. Horloges atomiques

4.1 Généralités et principes physiques [47]

HAUT DE PAGE

4.1.1 Transition d'horloge

Les oscillateurs électroniques, décrits dans les paragraphes précédents, constituent des références de fréquences stables sur des temps courts, mais leur sensibilité à l'environnement et les phénomènes de vieillissement ne leur permettent pas de conserver une fréquence stable à long terme. De plus, c'est un élément macroscopique, le résonateur, qui fixe la fréquence du signal généré. Même en apportant une très grande attention à la réalisation du résonateur, cette fréquence sera entachée des incertitudes sur la détermination exacte de la géométrie du résonateur et des propriétés physiques du matériau qui le compose. Un oscillateur à résonateur macroscopique ne saurait être exact.

Dans une horloge atomique, on exploite une transition entre deux niveaux d'énergie E 1 et E 2 d'une espèce atomique (figure 31). Une telle transition a lieu à une fréquence précise ν 0 fixée par :

avec :

h = 6,6262.10-34 J · s
 : 
constante de Planck.

La fréquence de l'horloge est donc liée aux propriétés microscopiques de la matière. L'exactitude de l'horloge n'est donc plus limitée par des mesures dimensionnelles ou par la détermination des caractéristiques des matériaux.

À ce jour, aucune variation des propriétés des atomes, en fonction du temps ou du lieu, n'a pu être mise en évidence. Une transition atomique constitue donc une référence de fréquence universelle et pérenne.

Pour construire un étalon atomique de fréquence, on choisit une espèce atomique ou ionique (éventuellement moléculaire) présentant une structure simple et des fréquences de transition accessibles par des techniques électroniques bien éprouvées. Ces conditions sont réalisées pour l'hydrogène et pour certains isotopes d'atomes alcalins dits « hydrogénoïdes »,...

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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Horlogerie et Chronométrie

  • The Atomic Clock

  • Atomic standard of frequency and time interval

  • Les fondements de la mesure du temps

  • Time measurement at the Millenium

  • A historical review of atomic frequency standards used in space systems

  • ...

1 Constructeurs et fournisseurs

(liste non exhaustive)

• Symmetricom Inc. : http://www.symmetricom.com/

• Temex Time : http://www.temextime.com

• Stanford Research Systems, Inc. : http://www.thinkSRS.com

• Frequency Electronics Inc. : http://www.freqelec.com/

• Kernco Inc. : http://www.kernco.com/

• QuartzLock : http://www.quartzlock.com/

• Anritsu : http://www.anritsu.com/

• Wenzel Associates, Inc. : http://www.wenzel.com

• Oscilloquartz : http://www.oscilloquartz.com/

• C-MAC : https://cmac.com/2146-2/

HAUT DE PAGE

2 Organismes et Laboratoires

(liste non exhaustive)

France

• Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE) : http://www.lne.fr

• Observatoire de Paris, Dpt. SYRTE : http://syrte.obspm.fr

• Institut FEMTO-ST : http://www.femto-st.fr...

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