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