Este trabalho relata a construção de um padrão primário baseado em uma nuvem de átomos frios de 133Cs em expansão, além de alguns resultados preliminares. A amostra de átomos de referência é preparada através de uma armadilha magneto-óptica. Durante uma fase de expansão livre os átomos são submetidos a uma seqüência de pulsos de microondas de 9,192631770 GHz, que excitam a transição do estado fundamental que define o segundo como unidade básica do SI, caracterizando o conhecido método de interrogação de campos separados de Ramsey. Ao final do ciclo de funcionamento um laser de prova é usado para detectar, por fluorescência, a quantidade de átomos que sofreram a transição para diferentes valores de freqüência de microondas. A coleta de dados, bem como o controle da seqüência temporal de funcionamento, é feita através de um microcomputador e placas de aquisição de dados. Juntamente com a caracterização inicial desse padrão primário foi realizada a otimização do experimento com respeito à duração dos pulsos de microondas e intervalos de expansão livre. Foram obtidos dados de estabilidade em freqüência, cujos valores apontam para direções bastante promissoras na utilização desse tipo de padrão primário. / This dissertation describes the construction of an atomic frequency standard based on the expansion of a 133Cs atomic cloud and preliminary results. The atomic sample is prepared in a magneto-optical trap. During the expansion process the atoms are submitted to a sequence of two microwave pulses at 9,192,631,770 Hz to probe the 133Cs ground state transition, which is the primary definition of the second. This method characterizes the well-known two separated oscillatory fields method. Finally, a flash of trapping light detects the atoms that suffered the second transition. The data acquisition, as well as the control of the time sequence, was taken by a microcomputer. With the initial characterization of the primary standard, the optimization of the experiment with respect to the duration of the microwave pulses as well as the intervals between them was done empirically. We have also obtained data of stability in frequency, with results that show a promising use of this type of primary standard.

A vida cotidiana é dividida por intervalos de tempo, assim como, a medida do tempo faz-se necessária para ciência e tecnologia com níveis diferentes de exatidão, pois cada aplicação possui uma exigência da incerteza associada à medida. Atualmente não há outra grandeza física medida com tamanha exatidão quanto à referência de frequência baseadas em transições de níveis de energia atômica, logo, baseando a medida de tempo. Este trabalho visa o estudo e desenvolvimento do sistema de controle e monitoramento de padrões de frequência experimentais. Para isso devemos projetar, construir e caracterizar todo o sistema de controle e aquisição de dados, geração de sinais de controle e processamento do sinal de resposta. O sistema interage com sinais provenientes de uma grande variedade de sensores do padrão de frequência, de modo a detectar possíveis problemas ou efeitos que possam afetar a medida de frequência obtida. Há também a necessidade de armazenagem e tratamento dos dados obtidos para diagnósticos e ações corretivas, para esta tarefa, dispositivos de instrumentação são analisados e desenvolvidos com diferentes abordagens para cada tipo de padrão de frequência, tanto para o chafariz de átomos quanto o padrão portátil. Dessa forma, o sistema de controle e monitoramento do padrão de frequência proporciona a integração entre todos os subsistemas envolvidos na construção de um padrão atômico de frequência. / Everyday life is divided by time intervals, as well as the measurement of time is needed for science and technology with different levels of accuracy, because each application has a requirement of the uncertainty associated with the measure. Currently there is no other physical quantity measured with such accuracy as to the frequency reference transitions based on atomic energy levels, which in turn are based on measurements of time. This work aims to study and develop the system of monitoring and control of experimental frequency standards. For this we must design, build and characterize the whole system control and data acquisition, signal generation control signal processing of response signal. The system interacts with signals from a variety of sensors presents of frequency standard in order to detect possible problems or effects that may affect the frequency measurement obtained. There is also the need for storage and processing of data for diagnostics and corrective actions for this task, instrumentation devices are analyzed and developed with different approaches for each type of pattern frequency to both the fountain and the compact mobile standards. Thus, the control system and monitoring of frequency standard provides integration between all subsystems involved in building an atomic frequency standard.

Este trabalho relata a construção de um padrão primário baseado em uma nuvem de átomos frios de 133Cs em expansão, além de alguns resultados preliminares. A amostra de átomos de referência é preparada através de uma armadilha magneto-óptica. Durante uma fase de expansão livre os átomos são submetidos a uma seqüência de pulsos de microondas de 9,192631770 GHz, que excitam a transição do estado fundamental que define o segundo como unidade básica do SI, caracterizando o conhecido método de interrogação de campos separados de Ramsey. Ao final do ciclo de funcionamento um laser de prova é usado para detectar, por fluorescência, a quantidade de átomos que sofreram a transição para diferentes valores de freqüência de microondas. A coleta de dados, bem como o controle da seqüência temporal de funcionamento, é feita através de um microcomputador e placas de aquisição de dados. Juntamente com a caracterização inicial desse padrão primário foi realizada a otimização do experimento com respeito à duração dos pulsos de microondas e intervalos de expansão livre. Foram obtidos dados de estabilidade em freqüência, cujos valores apontam para direções bastante promissoras na utilização desse tipo de padrão primário. / This dissertation describes the construction of an atomic frequency standard based on the expansion of a 133Cs atomic cloud and preliminary results. The atomic sample is prepared in a magneto-optical trap. During the expansion process the atoms are submitted to a sequence of two microwave pulses at 9,192,631,770 Hz to probe the 133Cs ground state transition, which is the primary definition of the second. This method characterizes the well-known two separated oscillatory fields method. Finally, a flash of trapping light detects the atoms that suffered the second transition. The data acquisition, as well as the control of the time sequence, was taken by a microcomputer. With the initial characterization of the primary standard, the optimization of the experiment with respect to the duration of the microwave pulses as well as the intervals between them was done empirically. We have also obtained data of stability in frequency, with results that show a promising use of this type of primary standard.

A vida cotidiana é dividida por intervalos de tempo, assim como, a medida do tempo faz-se necessária para ciência e tecnologia com níveis diferentes de exatidão, pois cada aplicação possui uma exigência da incerteza associada à medida. Atualmente não há outra grandeza física medida com tamanha exatidão quanto à referência de frequência baseadas em transições de níveis de energia atômica, logo, baseando a medida de tempo. Este trabalho visa o estudo e desenvolvimento do sistema de controle e monitoramento de padrões de frequência experimentais. Para isso devemos projetar, construir e caracterizar todo o sistema de controle e aquisição de dados, geração de sinais de controle e processamento do sinal de resposta. O sistema interage com sinais provenientes de uma grande variedade de sensores do padrão de frequência, de modo a detectar possíveis problemas ou efeitos que possam afetar a medida de frequência obtida. Há também a necessidade de armazenagem e tratamento dos dados obtidos para diagnósticos e ações corretivas, para esta tarefa, dispositivos de instrumentação são analisados e desenvolvidos com diferentes abordagens para cada tipo de padrão de frequência, tanto para o chafariz de átomos quanto o padrão portátil. Dessa forma, o sistema de controle e monitoramento do padrão de frequência proporciona a integração entre todos os subsistemas envolvidos na construção de um padrão atômico de frequência. / Everyday life is divided by time intervals, as well as the measurement of time is needed for science and technology with different levels of accuracy, because each application has a requirement of the uncertainty associated with the measure. Currently there is no other physical quantity measured with such accuracy as to the frequency reference transitions based on atomic energy levels, which in turn are based on measurements of time. This work aims to study and develop the system of monitoring and control of experimental frequency standards. For this we must design, build and characterize the whole system control and data acquisition, signal generation control signal processing of response signal. The system interacts with signals from a variety of sensors presents of frequency standard in order to detect possible problems or effects that may affect the frequency measurement obtained. There is also the need for storage and processing of data for diagnostics and corrective actions for this task, instrumentation devices are analyzed and developed with different approaches for each type of pattern frequency to both the fountain and the compact mobile standards. Thus, the control system and monitoring of frequency standard provides integration between all subsystems involved in building an atomic frequency standard.

Apresentamos os aspectos mais relevantes para se realizar um chafariz a átomos frios de 133Cs, para operá-lo como um padrão primário de tempo e freqüência para realizar a definição do segundo. O objetivo principal desse trabalho foi a otimização do sistema experimental do chafariz de átomos em duas partes críticas: a região de interação e o sistema de detecção. Além disso, otimizamos as diversas fases da manipulação óptica que fazem parte do ciclo de operação de um chafariz com o intuito de aumentar a relação sinal ruído na região de detecção. Quando os átomos são lançados com uma velocidade de 3,39ms-1, atingem o ápice a 60cm acima da região de captura e passam 360ms na região de vôo livre. A temperatura dos átomos na região de detecção não ultrapassa 15,5K e a diferença de população observada através das Franjas de Ramsey, que são a assinatura característica de um padrão de freqüência atômico, tem a largura a meia altura de 1,4Hz. A largura de linha e a relação sinal ruído da franja implicam em uma estabilidade a curto prazo de 5,18×1012. Alguns causadores de deslocamentos de freqüência como a radiação de corpo negro, o efeito Doppler de segunda ordem, o efeito gravitacional e o efeito Zeeman de segunda ordem foram avaliados. / We present some relevant aspects for the realization of a 133Cs fountain, intended to operate as a primary frequency standard to realize the definition of the second. The main goal of this work is the optimization of the experimental setup of the atomic fountain in its most critical parts: the interaction region and the detection system. Furthermore, the several phases of the optical manipulation which concern the operation cycle of an atomic fountain were also optimized. These procedures allowed us to increase the signal to noise ratio in the detection signal. When the launching velocity is about 3.39 m/s, the atoms reach the apogee about 60 cm above the capture region and spend 360 ms in the free flight zone. The atomic ensemble temperature in the detection region is about 15.5K and the population difference between the two fundamental level is measured through the Ramsey fringe with a linewidth of 1.4 Hz. This linewidth, allied to the obtained S/N resulted in the measured short-term stability of 5.18×1012. Some frequency shift as the black body radiation shift, gravitational shift, second order Doppler shift and second order Zeeman shift were measured.

Em 1967, a definição do segundo passou a ser baseada nas propriedades atômicas dos átomos de 133Cs. O instrumento utilizado para reproduzir esta definição é um relógio atômico. Neste trabalho iremos apresentar os progressos feitos no programa brasileiro de metrologia científica de tempo e freqüência. A proposta deste trabalho de dissertação é a caracterização do nosso padrão. Nós estudaremos os deslocamentos presentes em um relógio atômico, como o efeito Zeeman Quadrático, Δ ν/ ν0 =5,4×10-13 o ?Cavity Pulling?, Δ ν/ ν0 = 1,27×10-13 e o ?Rabi Pulling?, Δν/ν0 =1,3×10?13 entre outros, que são induzidas na freqüência hiperfina do césio. Os resultados obtidos neste trabalho podem ser resumidos da seguinte forma: uma incerteza global de 1,44×10-12 e uma estabilidade a curto prazo dada pela raíz quadrada da variância de Allan 1,8×10-10Τ-0,5. Estes resultados foram medidos após as seguintes mudanças efetuadas em nosso padrão: determinamos a potência ótima injetada na cavidade afim de aumentar o sinal e assegurar que os átomos sofram uma transição π/2; melhoramos o controle do campo magnético estático aplicado ao longo da cavidade de interrogação resultando em um campo magnético mais homogêneo; e, diminuímos a temperatura de operação do forno do relógio tal que a velocidade média dos átomos presente no feixo atômico diminui significativamente. Todas estas mudanças resultaram no ganho de uma ordem de grandeza na acuracia e na estabilidade de nosso relógio. / Since 1967, the definition of the second is based on the atomic properties of the 133Cs atom. The device that realises this definition is an atomic clock. In this work, we present the progress made in the last year on Brazilian scientific time and frequency program. The aim of this dissertation work is the caracterization of our standard. We report the major sifts present in our atomic clock due to Quadratic Zeeman effect, Δν/ν0 =5,4×10-13 Cavity Pulling, Δν/ν0 =1,27×10-13 Rabi Pulling, Δν/ν0 =1,3×10-13 and other ones, which induced a shift in the hiperfine levels frequency of the performances: a global uncertainty of 1,44×10-12 and a short term stability of 1,8×10-10Τ-0,5 .The results were obtained after these changes: we have determined the optimum microwave power injected into the cavity in order to increase the signal and assure that the atoms suffer a π/2 pulse; we have also minimizes the field inhomogeneity by improving the control of the static magntic field along the interaction region; we have decreased the temperature of the clock oven in order to obtain a slower atomic beam. All this changes has increased our accuracy and our stability of about one order.

Apresentamos os aspectos mais relevantes para a construção e caracterização de um padrão primário de tempo e frequência compacto. Nesse sistema a amostra de átomos de referência é preparada a partir de uma armadilha magneto-óptica. Após a obtenção de uma amostra significativa de átomos os feixes laser são desligados e, durante a expansão livre, a nuvem atômica é submetida a uma sequência de pulsos de micro-ondas que caracterizam o método de Ramsey. Os pulsos de micro-ondas são aplicados em uma cavidade de micro-ondas, esculpida dentro da câmara de vácuo. Todo o ciclo de funcionamento é implementado dentro dessa cavidade e por esse motivo o padrão é considerado compacto. Quando os átomos são interrogados com pulsos de τ = 1 ms separados por Τ = 8 ms obtemos uma largura a meia altura da franja central de 52 Hz e uma estabilidade a curto prazo de 10-13. Alguns causadores de deslocamentos de frequência foram avaliados. / We present some relevant aspects for the construction and characterization of a compact primary frequency standard. In this system, the atomic ensemble is prepared with a magnetooptical trap. Once a significant number of cold atoms is obtained, the laser beams are turned off and, during the free expansion, the cloud is submitted to a sequence of two microwave pulses, characterizing the well-known Ramsey method. The microwave pulses are applied in a microwave cavity that was sculpted inside the vacuum chamber. All the working cycle takes place into this cavity. When the atoms are interrogated by two pulses of τ = 1 ms separated by Τ = 8 ms, the linewidth of the central fringe is 52 Hz and a short-term stability 10-13 is observed. Some frequency shifts were evaluated.

Esta dissertação descreve os recentes desenvolvimentos do Chafariz Atômico localizado no Instituto de Física de São Carlos. Ele consiste de um aparato experimental que provê uma referência de freqüência (e tempo) de altíssima precisão. Para conseguir tal qualidade metrológica, esse sistema trava a freqüência de um oscilador eletrônico, baseado em um cristal de quartzo, na freqüência relativa a uma transição atômica, de uma amostra de átomos resfriados. O átomo utilizado é o 133Cs e a transição utilizada corresponde aos dois níveis hiperfínos do seu estado fundamental. O ciclo de funcionamento é composto por uma etapa de aprisionamento a laser dos átomos e bombeamento óptico, para que todos os átomos se encontrem num mesmo e determinado nível de energia. Esses átomos são então lançados opticamente contra a gravidade através de uma cavidade de microondas. Em trajetória balística e livre de interferências externas, o conjunto de átomos sofre uma possível mudança de estado, dependendo das características de potência e freqüência do sinal de microondas injetado na cavidade. Esta probabilidade de transição é o sinal de erro utilizado para travar em malha fechada o gerador de microondas que alimenta a cavidade. Os melhores resultados obtidos neste experimento foram uma estabilidade de 5x10-12τ-1/2 resultante de um sinal com 3Hz de largura a meia altura (FWHM) da franja central. Fizemos também uma avaliação preliminar dos principais deslocamentos de freqüência e uma análise de interação espacial dos átomos com o campo de microondas. / This paper describes the recent developments of the Atomic Fountain located at the São Carlos Physics Institute. It provides a very high resolution frequency (and time) reference. This is achieved locking an electronic oscillator, based on a quartz crystal, to an atomic resonance of a cold atomic sample. Our laboratory uses the 133Cs atom, using as the referenced transition that corresponds to the two hyperfine energy levels of the ground state. The operating cycle comprises a stage of laser trapping atoms or optical pumping, so that all atoms are within the same atomic state. These atoms are then launched optically against gravity through a microwave cavity. In ballistic trajectory and free from external interference, the set of atoms undergoes a change of state, depending on the power and frequency of the microwave signal injected into the cavity. This transition probability is the error signal used to lock the microwave generator supplying the cavity in a closed loop. The best result obtained in this experiment was a stability of 5x10-12τ-1/2 resulting from signal with a 3 Hz half width (FWHM) of the central fringe. We also provide a preliminary assessment of the main frequency shifts and an analysis of spatial interaction of atoms with the microwave field.

Apresentamos os aspectos mais relevantes para a construção e caracterização de um padrão primário de tempo e frequência compacto. Nesse sistema a amostra de átomos de referência é preparada a partir de uma armadilha magneto-óptica. Após a obtenção de uma amostra significativa de átomos os feixes laser são desligados e, durante a expansão livre, a nuvem atômica é submetida a uma sequência de pulsos de micro-ondas que caracterizam o método de Ramsey. Os pulsos de micro-ondas são aplicados em uma cavidade de micro-ondas, esculpida dentro da câmara de vácuo. Todo o ciclo de funcionamento é implementado dentro dessa cavidade e por esse motivo o padrão é considerado compacto. Quando os átomos são interrogados com pulsos de τ = 1 ms separados por Τ = 8 ms obtemos uma largura a meia altura da franja central de 52 Hz e uma estabilidade a curto prazo de 10-13. Alguns causadores de deslocamentos de frequência foram avaliados. / We present some relevant aspects for the construction and characterization of a compact primary frequency standard. In this system, the atomic ensemble is prepared with a magnetooptical trap. Once a significant number of cold atoms is obtained, the laser beams are turned off and, during the free expansion, the cloud is submitted to a sequence of two microwave pulses, characterizing the well-known Ramsey method. The microwave pulses are applied in a microwave cavity that was sculpted inside the vacuum chamber. All the working cycle takes place into this cavity. When the atoms are interrogated by two pulses of τ = 1 ms separated by Τ = 8 ms, the linewidth of the central fringe is 52 Hz and a short-term stability 10-13 is observed. Some frequency shifts were evaluated.

Esta dissertação descreve os recentes desenvolvimentos do Chafariz Atômico localizado no Instituto de Física de São Carlos. Ele consiste de um aparato experimental que provê uma referência de freqüência (e tempo) de altíssima precisão. Para conseguir tal qualidade metrológica, esse sistema trava a freqüência de um oscilador eletrônico, baseado em um cristal de quartzo, na freqüência relativa a uma transição atômica, de uma amostra de átomos resfriados. O átomo utilizado é o 133Cs e a transição utilizada corresponde aos dois níveis hiperfínos do seu estado fundamental. O ciclo de funcionamento é composto por uma etapa de aprisionamento a laser dos átomos e bombeamento óptico, para que todos os átomos se encontrem num mesmo e determinado nível de energia. Esses átomos são então lançados opticamente contra a gravidade através de uma cavidade de microondas. Em trajetória balística e livre de interferências externas, o conjunto de átomos sofre uma possível mudança de estado, dependendo das características de potência e freqüência do sinal de microondas injetado na cavidade. Esta probabilidade de transição é o sinal de erro utilizado para travar em malha fechada o gerador de microondas que alimenta a cavidade. Os melhores resultados obtidos neste experimento foram uma estabilidade de 5x10-12τ-1/2 resultante de um sinal com 3Hz de largura a meia altura (FWHM) da franja central. Fizemos também uma avaliação preliminar dos principais deslocamentos de freqüência e uma análise de interação espacial dos átomos com o campo de microondas. / This paper describes the recent developments of the Atomic Fountain located at the São Carlos Physics Institute. It provides a very high resolution frequency (and time) reference. This is achieved locking an electronic oscillator, based on a quartz crystal, to an atomic resonance of a cold atomic sample. Our laboratory uses the 133Cs atom, using as the referenced transition that corresponds to the two hyperfine energy levels of the ground state. The operating cycle comprises a stage of laser trapping atoms or optical pumping, so that all atoms are within the same atomic state. These atoms are then launched optically against gravity through a microwave cavity. In ballistic trajectory and free from external interference, the set of atoms undergoes a change of state, depending on the power and frequency of the microwave signal injected into the cavity. This transition probability is the error signal used to lock the microwave generator supplying the cavity in a closed loop. The best result obtained in this experiment was a stability of 5x10-12τ-1/2 resulting from signal with a 3 Hz half width (FWHM) of the central fringe. We also provide a preliminary assessment of the main frequency shifts and an analysis of spatial interaction of atoms with the microwave field.