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PTB´s most reliable atomic clock is ticking again

CS2 received 10 grammes of caesium for the next 20 years

24.01.2011

The world's best caesium atomic clocks control Coordinated Universal Time (UTC) - an atomic time scale on which the time zones used in everyday life are based. The Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) operates four of these clocks. Among them, CS2 takes a special position: It was put into operation in 1985 and - between 1992 and 2010 - the second marks generated with it provided the basis for legal time in Germany. All in all, continuous measurement values from 236 months were obtained before the second caesium oven, too, was empty in August 2010 and the clock "stopped". In the weeks after that, each one of the two ovens was filled with 5 grammes of caesium, and a series of small modernizations were carried out. Since the beginning of December 2010, CS2 has been ticking again.

In den Händen der PTB-Mitarbeiter Christof Richter und Thomas Leder liegen zwei kleine Caesium-Ampullen, die den Betrieb der Atomuhr CS2 für die nächsten 20 Jahre ermöglichen.

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.