Logo PTB
Panoramablick in die Uhrenhalle der PTB mit den vier Caesiumuhren CS1, CS2, CSF1 und CSF2.

Zeitnormale

Arbeitsgruppe 4.41

Die primären Atomuhren CS1 und CS2 der PTB

Das Foto zeigt einen Blick in die Atomuhrenhalle der PTB mit den primären Uhren CS1 und CS2. Die Uhren CS1 und CS2 wurden in den Jahren 1969 und1985 in Betrieb genommen. CS1 diente dabei als Vorbild für die nachfolgenden Entwicklungen. Ihr Konstruktionsprinzip war für die damalige Zeit neuartig, denn es unterschied sich in vielen Details von demjenigen primärer Uhren in den Staatsinstituten anderer Länder und auch jenem der kommerziellen Cs-Uhren. Als besonders vorteilhaft waren in der PTB ein axialsymmetrischer Atomstrahl und ein axial gerichtetes C-Feld sowie die Selektion langsamer Atome in einem schmalen Geschwindigkeitsintervall mittels magnetischer Linsen erkannt worden. Zusammen mit weiteren konstruktiven Details führt dies dazu, dass die verschiedenen systematisch frequenzverschiebenden Effekte quantitativ mit kleiner Unsicherheit erfasst werden können.

Die Abschätzung der Größe der verschiedenen Unsicherheitsbeiträge wurde in mehreren Veröffentlichungen beschrieben, die in der Literaturliste

Ursache der Frequenzverschiebung

Frequenzverschiebung

Unsicherheit

 

als relative Größen in

Vielfachen von 10-15

Magnetfeld entlang des Atomstrahls (Quadratischer Zeeman-Effekt)

 317500

 1

Elektrisches Feld der thermischen Hintergrundstrahlung in der Uhr (AC Stark-Effekt)

 -17

 0,5

Bewegung der Atome im Atomstrahl (relativistische Zeitdilatation)

 -50

 0,5

Übergänge zwischen verschiedenen magnetischen Unterzuständen im Atomstrahl durch statische inhomogene Felder (Majorana-Übergänge)

 

 0

 

 2

Übergänge zwischen verschiedenen magnetischen Unterzuständen im Atomstrahl durch Mikrowellenfelder der falschen Polarisation

 

 0

 

 3

Unterschiedliche Besetzung der magnetischen Unterzustände im Atomstrahl

 0

 0,2

Elektrische Verluste und mechanische Unsymmetrie des Mikrowellenresonators

 310

 6

Falsche Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators

0

0,3

Falsche Bestimmung der Linienmitte der atomaren Resonanz durch Fehlfunktion der Elektronik

 

0

 

1

Die Gesamtunsicherheit von CS1 ergibt sich als die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Zahlen in der letzten Spalte, da man davon ausgehen kann, dass die einzelnen Unsicherheitsbeiträge unkorreliert sind. Die mittlere Dauer der mit CS1 realisierten Sekunde sollte also mit einer Wahrscheinlichkeit von 67 % nicht mehr als um plus oder minus 7·10-15 s von der Dauer der SI-Sekunde abweichen. CS1 sollte dementsprechend im Verlauf eines Jahres innerhalb von ±0,22 µs mit einer idealen Uhr übereinstimmen. Für CS2 wurde 12·10-15 als relative Unsicherheit ermittelt.

Die Uhren der PTB waren viele Jahre lang die genauesten der Welt. Darüber hinaus war es auch möglich, die Uhren über viele Jahre ununterbrochen zu betreiben und die in der PTB realisierte Zeitskala UTC (PTB) unmittelbar von den primären Uhren abzuleiten. So war CS1 von 1978 bis 1995 praktisch ununterbrochen im Betrieb, ehe eine grundlegende Renovierung unumgänglich wurde. Die Zeitskala der PTB wurde zwischen 1992 und 2010 von CS2 abgeleitet, seitdem im Wesentlichen von einer der Fontänenuhren.