Il settore di tempo e frequenza svolge attività di ricerca nei seguenti campi:
- Generazione della scala di tempo italiana, disseminazione e confronti di tempo e frequenza;
- Campioni atomici di frequenza e sintesi di frequenza;
- Algoritmi e metodi matematici applicati alla metrologia e alle scale di tempo.
La scala di tempo nazionale UTC(IEN) è stata generata mediante cinque orologi atomici commerciali a fascio di cesio e due maser all’idrogeno. Durante il 2005, lo scarto di tempo medio tra la scala di tempo nazionale UTC(IEN) e la scala internazionale UTC elaborata dal BIPM è stato -32 ns, con un minimo di -118 ns, un massimo di 86 ns e una deviazione standard di 59 ns. Dal novembre 2005, è stata elaborata una procedura per migliorare la generazione e il controllo della scala di tempo, in questo modo è stato possibile controllare in modo più efficace l’andamento della scala, limitandone le variazioni dello scarto di tempo, come si può vedere nella parte destra del grafico. Il massimo scarto di frequenza della scala di tempo da UTC, è stato, in quest’ultimo periodo di 2·10-14.
L’IEN ha inviato regolarmente al BIPM i dati di sincronizzazione relativi al sistema GPS-P3; forniti da un ricevitore GPS geodetico (Ashtech Z-XII3T). Tali dati sono ottenuti dai files RINEX prodotti dal ricevitore e contribuiscono al calcolo della scala di tempo atomica internazionale TAI, elaborata dal BIPM utilizzando questo metodo alternativo. Gli stessi files RINEX, forniti dal ricevitore, che usano UTC(IEN) come riferimento, sono stati inviati regolarmente al centro dati GeoDAF dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), per essere usati dalla EUREF Permanent Network, e successivamente dallo International GPS Service (IGS).
L’IEN ha contribuito regolarmente al "real-time network prototype" sviluppato e utilizzato dall’ IGS Real Time Working Group. In questa attività, i dati GPS forniti in tempo reale dal ricevitore GPS sono inviati all’archivio del Canada Natural Resources. L’elaborazione di tali dati nell’ambito dell’ IGS Real Time Project consente di ottenere, quasi in tempo reale, stime accurate sulla scala di tempo UTC(IEN).
Nell’ ottobre e nel novembre 2005, l’IEN ha preso parte a una campagna di taratura per misurare il ritardo differenziale della propria stazione a due vie (TWSTFT, Two Way Satellite Time and Frequency Transfer) rispetto ad altre cinque stazioni di laboratori internazionali: NPL (UK), OP (F), PTB (D), SP (SE) and VSL (NL). Questa attività, eseguita sotto la responsabilità dell’istituto Joanneum Research (Austria), è stata realizzata mediante l’utilizzo di una stazione mobile TUG01 di TUG (A), operante per brevi periodi presso i laboratori interessati.
Nel luglio 2005, l’IEN ha partecipato all’EUROMET Supplementary Comparison TF.TI-K1 for Time Interval, misurando i ritardi di alcuni cavi di riferimento forniti da BEV (Austria). La taratura coinvolge 27 laboratori metrologici europei ed è tuttora attiva.
UTC(IEN) verso UTC.
Durante il 2005 IEN-CsF1 ha contribuito per tre volte alla generazione della scala di tempo TAI, inviando i dati al BIPM (per 25, 40 e 25 giorni di misure rispettivamente). L’accuratezza relativa di IEN-CsF1 è stata costantemente migliorata, raggiungendo il valore di 8·10-16. Questo miglioramento è stato possibile grazie alla riduzione delle incertezze associate ad alcune correzioni di frequenza o effetti indesiderati, quali ad esempio campi a microonda spuri.
Il lavoro sui campioni primari di frequenza ha incluso una nuova misura dell’effetto Stark DC nel Cs. Attraverso questa misura, è possibile calibrare lo shift indotto dalla radiazione di corpo; la misura è stata eseguita in una cella, contenente Cs e gas tampone, mediante la tecnica CPT (Coherent Population Trapping). Questa misura è in accordo con un precedente risultato ottenuto con la fontana atomica.
Il lavoro sui campioni di frequenza in cella è proseguito con lo sviluppo di un prototipo di Pulsed Optically Pumped (POP) Clock, che ha raggiunto una instabilità relativa di frequenza di 2·10-12 nel breve termine, e di 4·10-15 nel lungo termine.
Durante il 2005 è cominciata una nuova attività di ricerca finalizzata allo sviluppo di un orologio ottico basato sulla transizione fortemente proibita dell’atomo di Yb. La tecnica di misura è basata sull’uso di un pettine ottico generato da un impulso di un laser al femtosecondo che permette di collegare direttamente una misura nel dominio delle microonde a una nel dominio ottico. Nella figura si vede lo spettro in frequenza di un impulso laser ultra-stretto dopo che ha attraversato un prisma di diffrazione.
Spettro dell’impulso di un laser al femtosecondo.
Budget di incertezza di IEN-CsF1.
Il Dipartimento di Tempo e Frequenza è direttamente coinvolto nello sviluppo del sistema Galileo System per il quale è prevista una Precise Timing Facility che avrà il compito di generare la scala di tempo di Galileo. Inoltre, si prevede il supporto di un Time Service Provider che dall’esterno mantenga la scala di tempo di Galileo in accordo con la scala di tempo internazionale Universal Coordinated Time (UTC) (vedi la figura).
L’attività sperimentale principale dello IEN è stata svolta nell’ambito del Galileo System Test Bed (GSTB) V1 finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA).
Inoltre, l’IEN prende parte alle fasi future dello sviluppo cominciato nel 2005 e che continuerà fino al 2007, in particolare:
- Galileo System Test Bed (GSTB) V2, finanziato dall’ESA; il ruolo dell’IEN è la caratterizzazione metrologica degli orologi di bordo;
- Galileo Phase CDE1, finanziato dall’ESA; l’IEN contribuirà allo sviluppo del laboratorio di tempo di Galileo, chiamato Precise Time Facility, progettando l’algoritmo della scala di tempo;
- Galileo Time Service Provider Prototype, finanziato dalla EU; IEN contribuisce come laboratorio UTC(k).
Galileo timing system.