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Verbesserte Atomstrahlquelle für die Fontänenuhr CSF2

04.01.2016

Bei Fontänenuhren führt eine erhöhte Frequenzstabilität zu kleineren Unsicherheiten bei Messungen für die Steuerung der internationalen Atomzeit und der gesetzlichen Zeit in Deutschland sowie bei Vergleichen mit optischen Uhren. Durch neue Lademethoden wurde die Zahl der Caesium- Atome in der Fontänenuhr CSF2 soweit erhöht, so dass nun eine relative Messauflösung von 3x10-16 innerhalb eines Tages erreicht wird.

Bei Fontänenuhren ermöglicht eine Verbesserung der Frequenzstabilität eine quadratische Reduzierung der benötigten Messzeit bei Frequenzmessungen. So werden die Anforderungen an die Dauerbetriebsfähigkeit von optischen Uhren für die Vermessung optischer Uhrenübergänge mit Fontänenuhren verringert. Zudem können Untersuchungen systematischer Frequenzverschiebungen der Fontänenuhren mit erhöhter statistischer Auflösung durchgeführt werden, so dass das systematische Unsicherheitsbudget der Fontäne und damit die Gesamt-Messunsicherheit verringert werden. Erhöhungen der Frequenzstabilität der Fontänenuhren der PTB führen damit  zu Verbesserungen bei der Steuerung der internationalen Atomzeit und der gesetzlichen Zeit in Deutschland sowie bei optischen Frequenzmessungen.

Bei der Fontänenuhr CSF2 [1] erhöht sich die Frequenzstabilität proportional zu der Wurzel der Zahl der verwendeten Atome. Um den Betrieb mit hohen Atomzahlen zu ermöglichen, wird die Atomquelle von CSF2 mittels einer zusätzlichen Apparatur geladen [2], die einen Strahl kalter und daher effizient zu ladender Atome ausbildet. Die Zahl der Atome im Strahl und der damit für den Betrieb von CSF2 zur Verfügung stehenden Atome wurde kürzlich um mehr als einen Faktor  zwei erhöht. Dazu wurde die Atomstrahl-Apparatur mit einem zusätzlichen Laserstrahl ausgerüstet. Dieser  bringt die Atome in einen "dunklen" Zustand, um zu vermeiden, dass sie durch andere Laserstrahlen ungünstig beschleunigt werden und dann von der eigentlichen Atomquelle in CSF2 nicht mehr erfolgreich gefangen werden können. Zusätzlich wurde durch eine Änderung der Laserstrahlkonfiguration von CSF2 die geometrische Lage der geladenen Atomwolke bezüglich der Fontänenachse verbessert.

Das Laden von Atomen aus der verbesserten Atomstrahlquelle und die verbesserte geometrische Ausrichtung der geladenen Atomwolke führt nun zu solch hohen Atomzahlen im Betrieb von CSF2, dass Frequenzmessungen mit einer statistischen  Auflösung im Bereich von 3×10-16 innerhalb eines Tages möglich sind. Durch die verbesserte Frequenzstabilität kann auch die Genauigkeit der Rapid Adiabatic Passage Methode [3], die für die Messung der Stoßverschiebung in der Fontäne CSF2 verwendet wird, besser untersucht werden. Damit wird eine bessere Absicherung des systematischen Unsicherheitsbudgets erzielt. (V. Gerginov, FB 4.4, vladislav.gerginov(at)ptb.de)

Literatur:

[1] V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, D. Griebsch and R. Wynands,  Uncertainty evaluation of the caesium fountain clock PTB-CSF2, Metrologia 47, 65 (2010)      

[2] Z. T. Lu, K. L. Corvin, M. J. Renn, M. H. Anderson, E. A. Cornell, C. E. Wieman, Low-Velocity Intense Source of Atoms from a Magneto-optical Trap, Phys. Rev. Lett. 77, 3331 (1996)

[3] M. Kazda, V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, Investigation of Rapid Adiabatic Passage for Controlling Collisional Frequency Shifts in a Caesium Fountain Clock, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 62, 2812 (2013)