SAORA SOTTOSISTEMA ATOMICO PER OROLOGI ATOMICI OTTICI - Workshop 4 Bando ASI per PMI - 27 Maggio 2015
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SAORA
SOTTOSISTEMA ATOMICO PER OROLOGI
ATOMICI OTTICI
Workshop 4° Bando ASI per PMI - 27 Maggio 2015
Kayser Italia S.r.l.
Via di Popogna 501
57128 – Livorno (Italy)
www.kayser.it
kayser@kayser.it
Orologio Atomico Ottico
Gli orologi atomici nel dominio delle microonde sono un tool essenziale per satelliti e sistemi di
navigazione quali GPS, GLONASS e l’Europeo GALILEO.
I 24 satelliti GPS sono equipaggiati con orologi atomici nel dominio delle microonde che
consentono il posizionamento con accuratezza di pochi metri.
Gli Orologi Atomici Ottici OAC (frequenze nel dominio ottico [400-790 nm]) hanno oggi
raggiunto accuratezze Dn/n ~ 10-17 significativamente al di sotto dei migliori standard a
microonde (Dn/n ~ 10-15 ). OAC naturale evoluzione degli attuali migliori standard a microonde.
La possibilità di operare orologi ottici in ambiente spazio (e. g. ISS, satelliti) offre indubbi vantaggi
poiché, sulla terra, il potenziale gravitazionale locale influenza la frequenza dell’orologio. Nel futuro,
quindi, per sfruttare al massimo le potenzialità offerte dagli orologi con transizioni nel dominio ottico,
sarà fondamentale il loro utilizzo in ambiente spazio.
Un vasto range di applicazioni diventerà accessibile con l’uso di OAC nello spazio: test sulla
relatività generale (fisica fondamentale) , metrologia frequenza/tempo, geofisica (mappatura del
potenziale gravitazionale terrestre), interferometria in ambiente spazio.
KI-SAORA-HO 001 1/0 2
Principio di funzionamento (I)
Optical Frequency Synthesizer (OFS)
L’oscillatore genera la frequenza ottica necessaria per interrogare il sistema
atomico di riferimento (e. g. Atomi Neutri di Stronzio)
OFS è il dispositivo che consente di ricevere in «ingresso» segnali nel dominio
ottico e di «trasformarli» in segnali nel dominio RF.
KI-SAORA-HO 001 1/0 3Principio di funzionamento (II)
Clock wavelength @ 698 nm
497 nm
689 nm
Oven 461 nm
Zeeman slower
Optical Signal
RF
813 nm
•Blue @ 461 nm + Green @ 497 nm mK
•Red @ 689 nm mK
KI-SAORA-HO 001 1/0 4Background KI
Kayser Italia ed il LENS/Dipartimento di Fisica dell’Università di Firenze sono attualmente
all’avanguardia a livello europeo sullo stato di sviluppo di orologi atomici ottici.
Progetti rilevanti:
SAORA “Sottosistema Atomico per orologio atomico ottico”, selected in the framework of
the ASI 4th SME ITT; 2015-2017
FACT “Future Atomic Clock Technology” (EU, FP7-PEOPLE-2013-ITN); 2014-2017
SOC2 “Space Optical Clock 2” (EU, FP7-SPACE-2010-1); 2011-2015
TOC “Transportable Optical Clocks”; (P.O.R. Toscana - Competitività regionale e
occupazione); 2010-2013
ORA “Studio di fattibilità per orologi atomici ottici” (ASI); 2006-2007
OAC “Feasibility and applications of optical clocks as frequency and time references in
ESA Deep Space Stations” (ESA); 2006-2007
KI-SAORA-HO 001 1/0 5Obiettivi del progetto SAORA
Sulla base del background dei partecipanti, è stata maturata una forte competenza sul
sottosistema atomico di cui il Forno e la Trappola Magneto Ottica (MOT) sono i
componenti essenziali e su cui margini di miglioramento sono possibili per uno sviluppo
orientato ad applicazioni spaziali
Questi due componenti saranno progettati e realizzati sulla base di criteri indirizzati a
future applicazioni in campo spazio.
Lo scopo del progetto SAORA è quello di migliorare ulteriormente la trasportabilità, la
compattezza (massa e volume), la modularità, l’efficienza e l’affidabilità di questi due
componenti rispetto allo stato dell’arte.
KI-SAORA-HO 001 1/0 6Team proponente e responsabilità
Sottosistema Atomico per • Kayser Italia Srl: PMI, Primo
Orologi Atomici Ottici
(SAORA) Contraente
----- • VACUO: PMI, Beneficiario Non-Prime
ASI
(Customer)
• LENS/UNIFI: Beneficiario Non-Prime
Attività:
KAYSER ITALIA
(Primo Contraente)
• Kayser Italia requisiti,
progettazione sottosistemi,
assemblaggio delle parti e test
ambientali.
• LENS/UNIFI supporto alla
progettazione, integrazione in
sottosistema di test, test di
LENS/UNIFI VACUO verifica
(Sotto-Contraente) (Sotto-Contraente)
• VACUO progettazione di
dettaglio e realizzazione della
parti meccaniche
KI-SAORA-HO 001 1/0 7Stato dell’arte
Vista in sezione del sistema da
vuoto di prima generazione
compatto e trasportabile per la
produzione di atomi di Sr
ultrafreddi. Le dimensioni del
sistema da vuoto trasportabile
sono di circa 110 cm x 35 cm x
40 cm, corrispondente ad un
volume totale di circa 150 litri
(elettronica esclusa).
L’apparato sperimentale ad oggi realizzato è costituito da un setup compatto e
trasportabile per la produzione di atomi ultrafreddi di Sr.
Esso rappresenta un punto di partenza privilegiato per lo sviluppo di tecnologia
avanzata e qualificata al funzionamento nello spazio
KI-SAORA-HO 001 1/0 8Attività di progetto (I)
Le attività del progetto SAORA saranno indirizzate al Forno Atomico e alla Cella
MOT
Definizione dei requisiti (budget tecnici e prestazioni) per forno atomico e
trappola magneto-ottica (MOT) per uso in ambiente spazio
Progettazione del sottosistema e dei relativi componenti oggetto di
ottimizzazione (forno atomico e MOT)
Realizzazione delle parti meccaniche e relativo assemblaggio
test di tipo ambientale (vibrazioni e cicli termici) sui componenti realizzati in
configurazione stand-alone; tali test avranno lo scopo di validare la progettazione
dei componenti per uso in ambiente spazio. Componenti meccanici del
sottosistema atomico
(forno e MOT)
Vibrazioni
Cicli Termici
KI-SAORA-HO 001 1/0 9Attività di progetto (II)
. Integrazione dei componenti nel set-up sperimentale di test (integrazione con
sorgenti laser, ottiche di collimazione e focalizzazione del fascio, pompe da vuoto,
elettronica di controllo, etc.)
Test di verifica:
Intrappolamento in primo stadio di MOT (misura del numero di atomi,
temperatura e tempo di caricamento
Verifica delle prestazioni di intrappolamento in secondo stadio (MOT rossa).
Stima del numero di atomi, efficienza di trasferimento, temperatura
Test di spettroscopia ad alta risoluzione su atomi ultrafreddi
Identificazione dei componenti critici e definizione delle possibili modifiche
migliorative per operabilità in ambiente spazio
KI-SAORA-HO 001 1/0 10Rilevanza del progetto
Ad oggi prototipi dimostrativi di orologi atomici ottici esistono soltanto nei
laboratori di ricerca, ma nessuna realizzazione di tipo industriale è stata
ancora fatta.
PROTOTIPO DI
LABORATORIO
Le attività alla base del progetto SAORA rappresentano una ottima
opportunità per l’ulteriore sviluppo del portafoglio di tecnologie della Kayser
Italia che ha una esperienza specifica ultra-ventennale nel campo delle
applicazioni spazio.
Allo stesso modo, tali attività consentiranno un incremento della competitività
industriale nazionale a livello europeo.
KI-SAORA-HO 001 1/0 11Applicazioni – segmento spazio
L’orologio atomico ottico ha varie prospettive applicative a bordo di ISS e/o
satelliti, tra cui:
a. Standard per riferimenti di tempo e frequenza
b. Geodesia: controllo del movimento della superficie della terra con un nuovo
livello di precisione
c. Gravitazione: gli orologi ad elevata stabilità possono essere utilizzati come
sensori gravitazionali, consentendo la locale mappatura del campo
gravitazionale terrestre con una risoluzione senza precedenti
d. Fisica fondamentale: la disponibilità di orologi con la stabilità massima e
precisione unitamente a link per il trasferimento tempo/frequenza permette di
testare numerose leggi di Fisica fondamentale (invarianza temporale delle
costanti fondamentali, invarianza della posizione locale (local position
invariance), misure di redshift.
KI-SAORA-HO 001 1/0 12Applicazioni – segmento di terra
L’orologio atomico ottico ha varie prospettive applicative nei segmenti di
terra, tra cui due possibili scenari sono:
a. ESA Deep Space Stations (DSS): miglioramento delle prestazione del tracking
di veicoli spaziali
• Nuove opportunità di radio scienza nel sistema solare (test relativistici)
• Ricerca onde gravitazionali
b. Matera Laser Ranging Observatory (MLRO): miglioramento sensibile della
accuratezza del laser ranging satellitare e lunare
c. Ground Station GNSS: miglioramento delle prestazioni di localizzazione e/o
ottimizzazione della infrastruttura di terra
KI-SAORA-HO 001 1/0 13Puoi anche leggere
