Résumé de la thèse
Elisa est un oscillateur saphir cryogénique (CSO) dont la vocation est d’équiper la nouvelle station sol de l'Agence spatiale européenne (ESA). Les performances requises sont une stabilité de fréquence σy(τ) ≤ 3×10−15 pour τ ∈ [1s ; 1000 s] et un bruit de phase σφ(1 Hz) égal à −93 dB·rad2·Hz–1 pour une autonomie de deux ans. Cette référence de fréquence doit également posséder des sorties aux fréquences de 10 GHz, 100 MHz et 5 MHz pilotées par le CSO.
Elisa intègre, dans une boucle d’entretien, un résonateur saphir (Al2O3) excité sur des modes de galeries (WG) et refroidi à 4,2 K dans un cryogénérateur. À cette température, le facteur de qualité à vide peut atteindre 1×109. Le mode opérationnel WGH15,0,0 a été choisi par rapport à notre savoir-faire et aux publications. Sa fréquence de résonance a été fixée à 10 GHz – D où D est un « intervalle de confiance » égal à 10 MHz. La fréquence de 10 GHz est suffisamment éloignée des fréquences de transition des ions paramagnétiques présents dans le cristal de saphir et l’écart de fréquence D permet de faire face aux tolérances d’usinage. D peut être compensé par l’intermédiaire d’un « Direct Digital Synthesizer » intégré dans la chaîne de synthèse pour atteindre 10 GHz. Les dimensions du cylindre de saphir ont été calculées par la méthode des éléments finis.
Après avoir validé les caractéristiques du résonateur, différentes méthodes de couplage ont été expérimentées dans le but d’atteindre une sélection modale performante.
Tous les éléments nécessaires à la construction d’Elisa sont analysés en détail. Une méthode originale de mesure de bruit d’amplitude des détecteurs quadratiques, l’étude de dispositifs électroniques de faible bruit, le principe d’une chaîne de synthèse sur la base d’un DDS et la description de deux technologies cryogéniques sont présentées. Pour ces dernières, l’étude a été focalisée sur un modèle de cryogénérateur à faible vibration mécanique.
Les performances démontrées par Elisa satisfont le cahier des charges de l’ESA. Une stabilité de fréquence inférieure à 3×10−15 a été mesurée pour τ ∈ [1s ; 1000 s]. Elle atteint 1,4×10−15 à t = 20 s. La mesure de bruit de phase montre σφ(1 Hz) = −98 dB·rad2·Hz–1. La chaîne de synthèse permet le transfert des performances du CSO aux fréquences de 10 GHz et 100 MHz. La stabilité journalière de 4,5×10−15 place Elisa au meilleur niveau pour de tels oscillateurs.
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