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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Andres David Rodriguez Salas
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2017
Supervisor
Committee
Magalhães, Daniel Varela (President)
Courteille, Philippe Wilhelm
Martinelli, Marcelo
Pinto, Diogo de Oliveira Soares
Tarelho, Luiz Vicente Gomes
Title in Portuguese
BRCsF1- Chafariz atômico brasileiro: otimização e caracterizações parciais para operação como referência primaria de tempo e frequência
Keywords in Portuguese
Átomos frios
Chafariz atômico
Franjas de Ramsey
Referência primária
Abstract in Portuguese
Desenvolvimentos de referências primárias em tempo e frequência são completamente necessários hoje em dia pelas vantagens de suas aplicações em pesquisas fundamentais, metrologia científica e industrial, telecomunicações, defesa, entre outras. O objetivo deste trabalho é apresentar um chafariz de átomos frios em desenvolvimento nos laboratórios da USP de São Carlos para atuar como referência primária de tempo e frequência, além das diferentes otimizações que fazem dele um sistema de alto desempenho. Primeiramente foi realizada uma mudança da mesa óptica para obter boa estabilidade no sistema óptico, além de uma alteração dos obturadores mecânicos, encarregados de interromper os feixes na sequência da operação do chafariz. O tempo de carga e o número de átomos foram melhorados neste estágio, permitindo reduzir o tempo de ciclo do sistema de tc = 5, 2 s para tc = 2 s. O conjunto de bobinas de compensação de campos espúrios externos junto ao sistema de blindagem magnética foi caracterizado, além do Campo C-Field que foi otimizado para diminuir em mais de sete vezes a variação na região de interrogação. Depois de todas as alterações, foi possível obter sinais de tempo de voo com uma relação Sinal/Ruído = 53 dB. A franja de Ramsey central tem melhor qualidade, relação sinal/ruído ≈ 200 sem médias nas medidas. Franjas laterais (mF = ±1) também foram observadas com contraste pela primeira vez neste experimento. Um cálculo da Probabilidade de Ramsey foi feito, introduzindo a distribuição de velocidades da nuvem atômica para caracterizar a franja de Ramsey e com ele estimar parâmetros como: a Temperatura da nuvem T = 6, 3 μK, a largura do pico central ΔνRamsey = 1, 69 MHz, assim como os tempos de interação τ = 0, 0239 s e o tempo de evolução T = 0, 2958 s. Além disso, a estabilidade fracional do relógio foi estimada para τ = 1 s, a qual teve um valor de σy (1s) = 1, 25 × 1013, o que é um grande ressultado desta tese. Por último, foi feita uma estimativa do deslocamento de frequência devido ao efeito de radiação de corpo negro, resultando em Δν/ν = 26,285 × 1015 com uma incerteza de 5,927 × 1017
Title in English
BRCsF1- Brazilian atomic fountain: optimization and partial characterizations for operation as primary reference of time and frequency
Keywords in English
Atomic fountain
Cold atoms
Primary reference
Ramsey fringe
Abstract in English
Nowadays, new developments of primary references in time and frequency are of particular interest because of their potential impact in fundamental research, scientific and industrial metrology, telecommunications, and defense, among others. The aim of this work is to present the development and the implementation of different optimizations made on the fountain of cold atoms located in the laboratories of the University of São Paulo in São Carlos in order to position it as a primary reference of time and frequency. Several steps were taken in order to improve the functionality of the system: firstly, a change in the isolation design of the optical table was made to optimize the stability to the optical system. Secondly, a change was implemented in the mechanical shutters, which are in charge of interrupting the beams following the operation of the fountain. The charge time and the number of atoms were improved at this stage, allowing for reduction of the cycle time of the system from tc = 5.2 s to tc = 2 s. Moreover, the set of external spurious field compensation coils together with the magnetic shielding system was characterized. In addition to the C Field, the variation in the interrogation region was reduced by more than seven times. After all the changes, it was possible to obtain flight time signals with a Signal-to- Noise-Ratio of 53 dB. The best Ramsey central fringe was obtained at a SNR ∼ 200, without averaging of the measurements. Side fringes (mF = ±1) were also observed with contrast for the first time in this experiment. In order to characterize the Ramsey fringe, a Ramsey probability calculation was made taking into account the atomic cloud velocity distribution, estimating parameters such as: Cloud temperature T = 6.3 μK, its initial sizeσ = 1 mm, Width of the central peak ΔνRamsey = 1, 69 MHz, as well as the interaction time τ = 0.0239 s and the evolution time T = 0.2958 s. In addition, The fractional stability calculed for τ = 1 s was of σy(1s) = 1.25×1013 a good result for this woirk, Finally, an estimate of the frequency offset was made due to the blackbody radiation effect, resulting in Δν/ν = 26, 285×1015 with an uncertainty of 5.927×1017.
 
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Publishing Date
2019-10-16
 
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