31.12.2005
Caesiumfontänenuhren realisieren die Sekunde im internationalen Einheitensystem mit einer relativen Unsicherheit von 1x10-15 oder besser; mit optischen Frequenznormalen werden weitaus kleinere Unsicherheitswerte zu erzielen sein. Hochgenaue Frequenzvergleiche sind notwendig, um diese Eigenschaften nachzuweisen und für Anwendungen nutzbar zu machen.
Die Institute Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris (IEN), National Institute of Standards and Technology (NIST), National Physical Laboratory (NPL), Laboratoire National de Métrologie et d’Essais – Observatoire de Paris / Systèmes de Référence Temps Espace (OP) und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) organisierten einen breit angelegten Frequenzvergleich zwischen Wasserstoffmasern unter Verwendung von Zweiweg-Zeitvergleichen über geostationäre Satelliten (TWSTFT) und von GPS Zeitvergleichen basierend auf Daten geodätischer Zweifrequenz-Empfänger und zwei verschiedenen Auswerteverfahren. Die Auswertung der GPS-Messungen erfolgte durch das Astronomische Institut der Universität Bern (GPS Carrier Phase, GPS CP) und die Zeitsektion des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (GPS TAI P3).
Die folgenden Resultate wurden erzielt:
GPS CP erlaubt Frequenzvergleiche mit der kleinsten Messunsicherheit bei Mittelungszeiten von weniger als einem Tag.
GPS CP und TWSTFT (12 Messungen pro Tag) erlauben einen Frequenzvergleich mit einer relativen statistischen Messunsicherheit von ca. 1x10-15 bei Mittelungszeiten von einem Tag. Dies wird mit dem Bild illustriert.
Bei Mittelungszeiten von 2 Tagen und länger sind alle untersuchten Verfahren praktisch gleichwertig.
Alle Verfahren liefern im Rahmen der Messunsicherheit die gleichen Differenzen zwischen den beteiligten Frequenznormalen.
Die Ergebnisse geben Hinweise, wie statistisch signifikante Frequenzvergleiche zwischen den primären Atomuhren, d. h. den Fontänenuhren der beteiligten Institute, organisiert werden sollten. Sie zeigen auch, dass Vergleiche optischer Frequenznormale, für die Unsicherheiten von 1x10-16 und darunter erwartet werden, gegenwärtig noch eine große Herausforderung darstellen.
Ergebnisse des Frequenzvergleichs zwischen Wasserstoffmasern (HM) der PTB, des NIST (grün), des NPL (cyan) und des OP (magenta) während einer Kampagne von 25 Tagen im Oktober - November 2004. Dargestellt ist die relative Frequenzinstabilität der doppelten Differenzen {HM(k) - HM(PTB)}TWSTFT - {HM(k) - HM(PTB)}GPS CP, die von den Eigenschaften der Maser unabhängig ist und so die Summe der Messunsicherheiten repräsentiert, die mit jedem Verfahren zu erreichen sind.