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.