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Immer genauere SI-Sekunden

Fortschritte bei den Fontänenuhren

PTB-News 3.2019
24.09.2019
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Metrologie für Zeit und Frequenz

Grundlagenforschung der Physik

Die beiden Caesium-Fontänenuhren CSF1 und CSF2 der PTB sind seit vielen Jahren als primäre Frequenznormale und als Basis der Zeitskala der PTB etabliert. Durch umfangreiche Untersuchungen konnten jetzt die Unsicherheiten der beiden Uhren um einen Faktor 5 (CSF1) bzw. 2,4 (CSF2) verringert werden. Mit den erreichten relativen Unsicherheiten von 2,7 · 10–16 für CSF1 und 1,7 · 10–16 für CSF2 gehören beide Uhren neben wenigen anderen Fontänenuhren zur internationalen Spitze.

Caesium-Fontänenuhren CSF2 (Vordergrund) und CSF1. Die Atome werden im unteren Teil des Vakuum-Aufbaus lasergekühlt und nach oben beschleunigt. Im oberen Teil werden sie während ihres Fluges mit Mikrowellen bestrahlt.

In Caesium-Atomuhren werden Caesiumatome mit Mikrowellen geeigneter Frequenz bestrahlt, um einen atomaren Zustandswechsel zu bewirken. Die Frequenz des Mikrowellensignals wird durch universelle Eigenschaften der Caesiumatome bestimmt und bildet die Grundlage für die atomare Definition der Zeiteinheit.

Mit Methoden der Laserkühlung war es in den 90er-Jahren erstmals gelungen, im Vakuum kubikmillimeter-große „Wolken“ von einigen Millionen Caesium-Atomen mit Geschwindigkeiten im cm/s-Bereich zu bilden und sie für die Mikrowellenbestrahlung auf eine Fontänenartige Flugbahn mit einer maximalen Höhe von etwa 1 m zu bringen. Diese neue Geometrie ermöglicht es, frequenzverschiebende Effekte und das Frequenzrauschen der Uhr gegenüber herkömmlichen Atomstrahluhren deutlich zu reduzieren. Die Caesium-Fontänenuhren CSF1 und CSF2 der PTB werden seit dem Jahr 2000 bzw. 2008 als primäre Frequenznormale verwendet. Beide bestimmen die von der PTB verbreitete gesetzliche Zeit in Deutschland und tragen zur Kalibrierung der internationalen Atomzeit (TAI) bei. Die Fontänenuhr CSF2 ist das nationale Normal für Zeit und Frequenz.

Parallel zu ihrer vielfältigen Nutzung wurden CSF1 und CSF2 in den letzten Jahren umfangreichen Untersuchungen ihrer frequenzverschiebenden Effekte unterzogen. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Phase des Mikrowellenfeldes und auf Effekten der Stöße zwischen den Caesiumatomen. Zum Mikrowellenfeld wurden methodisch neuartige experimentelle und theoretische Untersuchungen durchgeführt, um einen Betriebsmodus zu finden, bei dem Phasenänderungen des von den Atomen erfahrenen Mikrowellenfeldes und daraus resultierende Frequenzverschiebungen minimiert werden. Die Stoßverschiebung und damit auch deren Unsicherheitsbeitrag wird bei CSF1 durch geschickte Manipulation der Bewegungsparameter der zum Uhrensignal beitragenden Atome minimiert. Die Bauweise von CSF2 ermöglicht es dagegen, die Stoßverschiebung sehr genau zu bestimmen, indem man die Uhr wechselweise mit voller und genau halbierter Atomzahldichte betreibt.

Durch die verringerte Unsicherheit hat CSF2 im international verfügbaren Ensemble primärer Caesiumuhren das größte Gewicht bei der Steuerung von TAI. Gewissermaßen als Nagelprobe hat ein kürzlich durchgeführter Vergleich der Fontänenuhren an der PTB und in Paris am LNE-SYRTE (Laboratoire National de métrologie et d'Essais – SYstème de Références Temps-Espace) über eine 1400 km lange optische Faserverbindung eine sehr gute Übereinstimmung aller vier beteiligten Caesium-Fontänenuhren ergeben.

Ansprechpartner

Stefan Weyers
Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz
Telefon: (0531) 592-4410
Opens window for sending emailstefan.weyers(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

S. Weyers, V. Gerginov, M. Kazda, J. Rahm, B. Lipphardt, G. Dobrev, K. Gibble: Advances in the accuracy, stability, and reliability of the PTB primary fountain clocks. Metrologia 55, 789–805 (2018)