Doctoral thesis (Dissertations and theses)
Numerical modelling of hydrogen maser physics in the context of space applications
Van Der Beken, Emeline
2022
 

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Keywords :
hydrogen maser; frequency standards; magnetron cavity; numerical modelling
Abstract :
[en] Among current frequency standards, hydrogen masers still exhibit the best stability perfor- mances and are therefore very interesting in the context of the global positioning system. The IPNAS institute (University of Liège) is currently part of a consortium whose purpose is to implement and characterise a compact passive hydrogen maser for space environment. The aim of this thesis is to perform original and innovative studies on the physical package of a hydrogen maser in order to define the guidelines of the design and to propose a concrete implementation scheme that takes into account the desired performances, as well as constraints imposed by the space environment. We first give a state-of-the-art review of hydrogen masers. Then, we re- port the modelling of the main components of a passive hydrogen maser for space environment. The resonant cavity is the key component of hydrogen masers since it determines their overall dimensions. We develop finite element method (FEM) models of a magnetron cavity and we benchmark them against an existing cavity. These models allow us to compute the filling factor, the quality factor, as well as the frequency temperature coefficient (FTC) of the cavity and bulb assembly. We show that, for a proper set of cavity and bulb parameters, it is possible to reduce the FTC easily within mechanical tolerances. We use these FEM models in order to suggest a design of magnetron cavity and bulb assembly that takes into account constraints imposed by the storage volume, the filling factor, the quality factor and the FTC. We then carry out a study of the residual and static magnetic fields within the bulb of a hydrogen maser. The related models include a 6-pole state selector, a solenoid and a set of magnetic shields. For all these components, we suggest a design that is compliant with maser operation at a mag- netic field intensity of 1 mG, which yields good stability performances. Afterwards, we perform Monte-Carlo simulations of the hydrogen beam optics system used to implement the state se- lection that generates a population inversion within the bulb. Combining state selection and magnetic field studies, we determine an acceptable range of distances between the storage bulb entrance and the state selector output. Then, we report the theoretical study of the molecular hydrogen source and radio-frequency dissociator for a spaceborne hydrogen maser. We develop an analytical model for a plasma of pure hydrogen gas in order to design the discharge cell used to dissociate the molecular hydrogen gas. Molecular hydrogen is supplied thanks to a metal hydride storage container. We estimate the required hydrogen flux for maser operation, we se- lect a commercial metal hydride container and then evaluate the requirements on the container output pressure in order to guarantee a 15 years operating lifetime. At last, we sum up the main parameters of the proposed maser design and we report the expected values of the maser operational parameters as well as the predicted Allan deviation.
[fr] Les masers à hydrogène sont les étalons de fréquence présentant les meilleures performances de stabilité, ce qui les rend très intéressants dans le cadre du programme de navigation par satellite. L’institut IPNAS (Université de Liège) fait actuellement partie d’un consortium dont le but est l’implémentation et la caractérisation d’un maser à hydrogène passif pour environ- nement spatial. L’objectif de cette thèse est de réaliser des études originales et innovantes sur le package physique d’un maser à hydrogène, afin d’en définir les lignes directrices et de proposer un schéma d’implémentation concret qui prend en compte les performances désirées ainsi que les contraintes imposées par le milieu spatial. Nous réalisons tout d’abord un état de l’art des masers à hydrogène. Nous rapportons ensuite la modélisation des principaux composants du package physique d’un maser à hydrogène passif pour l’espace. La cavité résonante constitue l’élément clef de celui-ci car elle en détermine les dimensions générales. Nous développons des modèles éléments finis pour une cavité magnétron et les validons sur un exemplaire existant. Ces modèles permettent d’évaluer le facteur de remplissage, le facteur de qualité ainsi que le coefficient de fréquence température (FTC) de la cavité avec ballon. Nous montrons qu’il est possible de réduire facilement, sous contraintes des tolérances mécaniques, le FTC en dimen- sionnant judicieusement la cavité avec ballon. Nous utilisons ces modèles afin d’établir le design d’une cavité magnétron avec ballon de stockage, en tenant compte des contraintes imposées sur le volume de stockage, le facteur de remplissage, le facteur de qualité et le FTC. Nous réalisons ensuite une étude du champ magnétique résiduel et statique à l’intérieur du ballon du maser à hydrogène. Celle-ci inclut une lentille hexapolaire, un solénoïde et des blindages magnétiques, pour l’ensemble desquels nous proposons un design compatible avec un fonctionnement du maser pour une intensité du champ magnétique d’1 mG, qui fournit de bonnes performances de stabilité du maser. Nous rapportons ensuite des simulations Monte-Carlo réalisées afin de dimensionner le système de sélection d’état qui est requis pour créer une inversion de population dans le bal- lon. En combinant les études de sélection d’état et du champ magnétique, nous déterminons une plage acceptable pour la distance entre la sortie de la lentille hexapolaire et l’entrée du ballon de stockage. Ensuite, nous présentons une étude théorique de la source d’hydrogène moléculaire et du dissociateur radio-fréquence d’un maser à hydrogène pour environnement spatial. Nous développons un modèle analytique pour un plasma d’hydrogène afin de dimensionner la cellule à décharge utilisée pour dissocier le gaz d’hydrogène moléculaire. L’hydrogène est fourni au moyen d’un réservoir d’hydrure métallique. Nous déterminons le flux d’hydrogène requis pour un bon fonctionnement du maser, sélectionnons un réservoir commercial d’hydrure métallique et évaluons les contraintes de pression de sortie qui garantissent un fonctionnement pendant 15 ans. Enfin, nous reprenons les paramètres importants de notre proposition de design du maser et rap- portons les valeurs attendues pour les paramètres de fonctionnement du maser ainsi que pour la déviation d’Allan.
Research center :
CESAM - Complex and Entangled Systems from Atoms to Materials - ULiège
Disciplines :
Physics
Author, co-author :
Van Der Beken, Emeline ;  Université de Liège - ULiège > CESAM
Language :
English
Title :
Numerical modelling of hydrogen maser physics in the context of space applications
Defense date :
06 December 2022
Number of pages :
xii, 203
Institution :
ULiège - Université de Liège, Liège, Belgium
Degree :
Doctor of Philosophy in Sciences
Promotor :
Bastin, Thierry  ;  Université de Liège - ULiège > Complex and Entangled Systems from Atoms to Materials (CESAM)
President :
Lumay, Geoffroy ;  Université de Liège - ULiège > Complex and Entangled Systems from Atoms to Materials (CESAM)
Secretary :
Martin, John  ;  Université de Liège - ULiège > Complex and Entangled Systems from Atoms to Materials (CESAM)
Jury member :
Schlagheck, Peter ;  Université de Liège - ULiège > Complex and Entangled Systems from Atoms to Materials (CESAM)
Bertrand, Bruno
Mileti, Gaetano
Name of the research project :
SKYWIN AHM
Funders :
Région wallonne [BE]
Available on ORBi :
since 12 February 2022

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