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Parte mecánica de una trampa magneto-óptica (MOT). Bobinas anti-Helmholtz de una MOT. Vista parcial del arreglo experimental de una M OT. Arquitectura Básica de un reloj de átomos fríos. Relojes atómicos y experimentos con átomos ultrafríos en el CENAM. Blindaje magnético. - PowerPoint PPT Presentation
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Parte mecánica de una trampa magneto-óptica (MOT)
Bobinas anti-Helmholtz de una MOT
Vista parcial del arreglo experimental de una MOT
Arquitectura Básica de un reloj de átomos fríos
Blindaje magnético
Bobina de campo C
Cavidad de microondas
Láser de detección
Fotodetector
Depósito de Cesio
Válvula de titanioCámara de
enfriamiento
CsF-1, CENAM
La Trampa Magneto-Óptica del CENAM forma parte de un proyecto mayor en el cual se construye un reloj atómico de átomos ultrafríos denominado Fuente Atómica, el CsF-1.
Relojes atómicos y experimentos con átomos
ultrafríos en el CENAM
Síntesis y control de frecuencia en los relojes atómicos de Cesio
Diagrama de bloques del sintetizador de microondas
salida altubo de cesio
filtro de 9.192Ghz
Diodo recobradorde pasos
SDD
x 2 1/10 x5
Amplificador de potencia
Filtro de510.7Mhz
x4
Entrada de controlpor computadora
Entrada de referenciade 5MHz
100MHZ
5MHz
10.7MHz
La entrada de 5Mhz se multiplica para obtenerla frecuencia de resonancia del Cs.El control por computadora del sintetizador Digital Directo (SDD)
permite sintonizar y modular
Tubo de Cesio
ConvertidorAnalógico-digital
ComputadoraSDD
x 100
Filtro
510.7 MHz
DRP x18
Diagrama de bloques del lazo de amarre (digital), mostrando las principales componentes para la medición de frecuencia
10.7 MHz
10 MHz
Representación simplificada del sistema electrónico (analógico) de lazo de amarre en un reloj de cesio
Tubo de cesio Detector de sincronía
Modulador
IntegradorOscilador de cristalde cuarzo
Sintetizador de frecuencia
fo
Frecuencia
0
Se
ña
l de
err
or
Frecuencia
Señal del tubo de Cs
Oscilador atómico de cesio
Ventajas• No presenta
envejecimiento* (patrón primario)
• Coeficiente de temperatura bajo
• Buen desempeño ante radiaciones
• Baja sensibilidad a la altitud y a campos magnéticos externos
Desventajas• Tiempo considerable de
calentamiento (3 a 4 horas)
• Tubo de cesio “desechable”
• No es muy práctico
• Gran tamaño
• Peso considerable
• Alto costo
Oscilador atómico de Rubidio
Oscilador Atómico de Rubidio
Ventajas• Lapso corto de
Calentamiento
• Baja sensibilidad a la radiación
• Baja sensibilidad a aceleraciones lineales
• Tamaño pequeño
• Peso bajo
• Bajo costo
• Práctico y transportable
Desventajas• Envejecimiento
considerable
• Alto coeficiente de temperatura
• Alto consumo de energía (comparado con osciladores de Cuarzo)
Oscilador de Máser de Hidrógeno
EL EFECTO MASER
Emisión espontánea
Sistema cuántico de dos estados
Ea
Eb
Emisión espontánea
Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión espontánea
Eb
Ea
h1
Esp
acio
Tiempo
ba EhE 1
Emisión estimulada
Sistema cuántico de dos estados
Ea
Eb
Emisión estimulada
Diagrama de Feymann para el fenómeno de emisión estumilada
Esp
acio
Tiempo
Eb
h1
Ea
h1
h1
11 2 hEhE ab
Efecto Láser
Estado de vida corta
Estado metaestable
Estado baseE1
E2
E3
Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser
Bombeo óptico
Decaimiento rápido
Efecto Láser
Estado de vida corta
Estado metaestable
Estado baseE1
E2
E3
Esquema básico de los tres niveles de energía involucrados en la radiación láser
Luz láser
Efecto Láser
Reacción en cadena -Amplificador de luz-
Estado base
Estado excitado
Fotón
Elementos básicos de un
= Cavidad Resonante + Medio de Ganancia
Interfase +
Máser
Máser
Ene
rgía
Estados base
Estados del He Estados del Ne
E2
E1
E3
Colisiones He-Ne
Estado Metaestable
Bombeo
(descarga eléctrica) Decaimiento rápido
Luz láser 632.8 nm
0 eV
20 eV
18 eV
Niveles de energía en el Láser de helio-neón
F=2
F=1
F=1
F=0
F=1
F=0
F=1
F=01S
2S
2P
P 1/2
P 3/2
121.6 nm
10.969 GHz
1.0578 GHz
1.420 GHz
59.19 MHz
177.6 MHz
23.7 MHz
Interacción eléctrica
Estructura fina Estructura hiperfina
Niveles de energía en el Máser de hidrógeno
Niveles de energía involucrados en el efecto Maser en el hidrógeno
REALIZACIÓN DE MÁSERES DE HIDRÓGENO
Blindaje magnético
Bobina
Cavidad de microondas Bulbo de hidrógeno
Antena
Haz de átomos de hidrógeno
Depósito de Hidrógeno
Selector de estados cuánticos
Arquitectura básica de un Máser de hidrógeno
Cámara de vacío
27 cm
27 c
m
TE011
F=1
F=0
0%0%
25%25%
0%
F=1
F=0
0%25%
25%
F=1
F=0
0%0%
0%25%
Selección de estados cuánticos
F=1
F=0
25%25%
25%25%
Mezclador Amplificador
Detector de fase
Sintetizador
250
5 MHz Frecuencia patrón
1.420 405 752 GHz
1.4GHz20.405 752 MHz
20.405 752 MHz
VCXO
5 MHz
Electrónica de un Máser Activo de hidrógeno
Lazo de amarre
Arquitectura real de un Máser Activo de hidrógeno (KVARZ)
Oscilador de Máser de Hidrógeno
• Ventajas• la mejor estabilidad en tiempos
de promediación de 1 seg. a 106 seg
• A esos tiempos de promediación tiene de 3 a 5 veces mejor estabilidad que los patrones de cesio de alto desempeño
Desventajas•Envejecimiento en un factor de 1-
15/dia •NO es un patrón primario•Largo tiempo de calentamiento•Gran tamaño y peso•El costo mas alto de osciladores (máser activo)
COMPARACIÓN GENERAL DE OSCILADORES DE ALTO DESEMPEÑO
DESCRIPCION Osc. De Cuarzo VXCO Osc, de cuarzo de alto desempeño Osc. De Rubidio Oscilador de cesio(comercial)
Maser de hidrógeno
Patrón primario NO NO NO6 834 682 613 Hz
SI9 192 631 770 Hz
NO1 420 405 751 HZ
Desgaste del Mecanismofundamental
NO NO Vida de la lámpara (15 años) Tubo de Cesio (5 años) Bombas iónicas y agotamientodel H2
Portabilidad Alta portabilidad Buena portabilidad Buenaportabilidad
NO es portátilUso en Labs.
NO es portátilUso en Labs.
Características aprox.Tamaño
PesoConsumo de EnergíaCosto (miles deUSD)
3.5cmX3.5cmX3.5cm
50 gramos0.3-0.75 Watts
1 a 2
7.5cmX7.5cmX7.5cm
0.5 a 1 Kg2-5 WATTS
2 a 4
7.5cmX7.5cmX12cm
1 a 2 Kg10-18 WATTS
3 a 8
Rack de 50cm y 15cm altura12 a 35 Kg~25-35 WATTS
50 a 65
Rack de 50cm y entre 15cm y30 cm altura~60 kg~100 WATTS
70 a 300
Estabilidad a cortos tiemposPartes en 1011 Partes en 1012 ~3X10-11 De 6X10-11 a 5X10-12 ~1X10-12
Estabil idad a 1 diaPartes en 10 10 Partes en 10 10 1X10-12/1X10-13 2X10-13/5X10-14 ~1X10-14 a 5X10-15
Envejecimiento5X10-10 1X-10/1X10-11 Partes en 1013
No presenta<1X10-15
Exactitud/AñoPartes en 107 <1X10-7 1X10-9/1X10-10 Partes en 1012 Partes en 1013
Tiempo de calentamiento 4 minutos 10 a 60 minutos 2.5 a 5 minutos 30 minutos 24 horas
Lo
g ( y
())
Log (), segundos
-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
1 día 1 mes
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16Maser de hidrógeno
Rubidio
Cuarzo
Cesio
Comparación de la estabilidad en frecuencia entre osciladores de Cuarzo, Cesio, Rubidio e Hidrógeno