Zuverlässigste Uhr der PTB tickt wieder

[ptb/if] Vor 25 Jahren wurde sie entwickelt und zählt immer noch zu den wichtigsten Uhren der Welt: die primäre Atomuhr CS2 der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Die mit ihr erzeugten Sekundenmarken waren zwischen 1992 und 2010 die Grundlage der gesetzlichen Zeit in Deutschland. Nach 236 Monaten ununterbrochenen Betriebs – unerreicht von irgendeiner anderen Atomuhr weltweit – war nun ihr Vorrat an metallischem Caesium erschöpft, und Anfang September 2010 "blieb sie stehen". Obwohl CS2 schon viele Jahre auf dem Buckel hat, füllten PTB-Mitarbeiter die beiden Atomstrahlöfen der Uhr wieder mit je fünf Gramm Caesium und führten eine Reihe kleiner Modernisierungen aus, um den Betrieb für weitere 20 Jahre zu sichern. Zwar sind die neueren Caesium-Fontänenuhren der PTB mittlerweile deutlich genauer, doch CS2 überzeugt durch ihre Verlässlichkeit und gehört immer noch zu den besten Atomuhren der Welt. Seit Anfang Dezember 2010 tickt CS2 wieder.

Die Dauer der Zeiteinheit Sekunde – und damit auch alle präzisen Zeitskalen -basieren auf einer Resonanzfrequenz der Caesiumatome, die als Taktgeber in Atomuhren verwendet werden. Der Bestimmung der Koordinierten Weltzeit UTC widmet sich die Abteilung "Zeit" des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM, Bureau International des Poids et Mesures). Bei der Berechnung von UTC stützt sich das BIPM auf die Mittelung von weltweit rund 300 Atomuhren in mehr als 60 Zeitinstituten. Um zu garantieren, dass die Sekunden von UTC so genau wie möglich der Sekundendefinition des Internationalen Einheitensystems entsprechen, erfolgt eine Steuerung von UTC durch wenige, besonders genaue so genannte "primäre" Caesium-Atomuhren. Im Jahr 2010 waren dies insgesamt 13 Uhren aus sieben Zeitinstituten. Dazu gehörten vier primäre Uhren der PTB: die beiden Caesium-Strahluhren CS1 und CS2 sowie die Caesium-Fontänenuhren CSF1 und CSF2, die modernere und genauere Uhren-Generation in der PTB. Die Strahluhr CS1 ist mit einigen Unterbrechungen jetzt seit 40 Jahren in Betrieb. Etliche Jahre waren CS1 und CS2 die einzig verfügbaren primären Uhren weltweit.

Das in den Uhren eingesetzte Caesium ist ein Verbrauchsmaterial, denn ein Atom, das einmal zur Bestimmung seiner Resonanzfrequenz eingesetzt wurde, lagert sich an den Wänden oder in den Pumpen des Vakuumsystems ab und ist damit verloren. Nach 236 Monaten ununterbrochenen Betriebs war in CS2 der Vorrat an metallischem Caesium in den beiden Öfen erschöpft. Sollte man CS2 erhalten? Zwar sind die neueren Uhren um mehr als einen Faktor 10 genauer, aber ein viel höherer Aufwand ist nötig, um sie zu betreiben. CS2 dagegen hatte sich als zuverlässig, einfach zu bedienen und langzeitig hinreichend stabil gezeigt. Zumindest als langzeit-stabile Referenzuhr lohnt daher die Fortsetzung ihres Betriebs. Die beiden Caesiumöfen wurden mit je 5 Gramm des nicht-radioaktiven Isotops Caesium¹³³ befüllt. Das entspricht insgesamt etwa 4,5·10²² Atomen und reicht für weitere 20 Jahre. Nach einigen Modernisierungsarbeiten an Elektronik und Signalverteilung tickt CS2 wieder und konnte schon im Dezember 2010 wieder vom BIPM zur Realisierung von UTC verwendet werden.

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Dr. Andreas Bauch, Arbeitsgruppe 4.42 Zeitübertragung,
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