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Neue Methode zur in-situ Positionsbestimmung der Caesium-Wolke in einer Fontänenuhr

12.10.2010

Das Mikrowellenfeld im Resonator einer Fontänenuhr weist eine gewisse Positionsabhängigkeit der Phase auf, die zu einem Frequenzfehler führen kann, wenn Atome in der Fontäne den Resonator auf dem Weg nach oben und unten an verschiedenen Positionen passieren. Im Unsicherheitsbudget für die Fontänenuhr CSF2 ist dieser Effekt gegenwärtig mit 0.4⋅10-15 angegeben und stellt nach der Stoßverschiebung den zweitgrößten Beitrag dar [1]. Um diese Unsicherheit zu verringern, ist es erforderlich, die Phasenverteilung im Resonator besser zu verstehen und außerdem die Position der Atomwolke während der beiden Mikrowellenpulse genauer zu kennen.

Im vergangenen Jahr wurde ein neuer dazu geeigneter Effekt entdeckt [2]: Eine Neigung des vorhandenen magnetischen Quantisierungsfeldes führt dazu, dass die Atome auf eine Überlagerung aus vertikalen und horizontalen Mikrowellenkomponenten reagieren, was bereits für geringfügige Neigungswinkel eine positionsabhängige Asymmetrie der Spektren für die normalerweise nicht näher betrachteten Δm=±1 Übergänge zur Folge hat.

Spektren des Δm=-1 Übergangs von F=3, mF=0 zu F=4, mF=-1 bei einer Neigung des magnetischen Quantisierungsfeldes von 2,3°. Schwarze Punkte zeigen Messdaten, die rote Kurve das Ergebnis der Modellrechnung. Oben: vor Zentrierung der Falle, entsprechend einer Resonatorpassage mit einem um |y| = 2,2 mm relativ zur Resonatormitte verschobenen Schwerpunkt. Unten: nach Zentrierung, mit einer ermittelten Verschiebung von |y| < 0,1 mm.

Die hieraus entwickelte Messmethode stützt sich auf die bekannte Feldverteilung im Resonator und erlaubt es, die Schwerpunktslage der Atomwolke mit einer Unsicherheit von weniger als einem halbem Millimeter zu bestimmen. Die Funktion der Methode konnte durch Experimente bestätigt werden, in denen die Wurfrichtung der Atome systematisch variiert wurde, wobei eine bereits vorhandene Magnetfeldneigung ausgenutzt wurde.

Durch Anbringen von Spulensystemen zur Erzeugung einer kontrollierten Feldneigung erwarten wir, dass es möglich wird, Fallenposition und Wurfrichtung der Fontäne zu optimieren, und diese Parameter außerdem mit minimaler Unterbrechung des laufenden Betriebs jederzeit zu kontrollieren.


Literatur:

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

[2]      N. Nemitz, V. Gerginov, S. Weyers, R. Wynands, Investigating Δm=±1 transitions in a caesium fountain clock – Challenges in precision measurements of the g-factor ratio, Proceedings of the 2010 EFTF (verfügbar unter www.congrex.nl/EFTF_Proceedings/)