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Panoramic view of the clock hall at PTB with the four caesium clocks CS1, CS2, CSF1 and CSF2.

Unit of Time

Working Group 4.41

Scheme of operation and typical realisations of atomic clocks

  • Atomic clock scheme
  • Caesium clocks with thermal atomic beam
  • Rubidium vapour frequency standard

Atomic clock scheme

Atomic clocks make use of the ability of atoms to emit or absorb electromagnetic waves of a characteristic oscillation frequency f0 during transitions between two energy states. The value f0 corresponds to the energy difference between the two states, divided by Planck's constant. Atomic clocks make use of transitions between such energy levels whose natural lifetime is long and whose energy is not significantly affected by electric or magnetic fields or other pertubations. Suitable atoms are, for example, the alkalis with their hyperfine structure splitting of the ground state.

The figure shows the functional scheme of a so-called passive atomic clock.

An electromagnetic field of frequency fp (with fp ~ f0) is produced by means of a quartz oscillator VCXO (Voltage-controlled X-tal oscillator). This field is coupled into the resonance apparatus where the atoms are exposed to the field. With a certain probability this will excite transitions between the energy levels involved. In order to observe a signal reflecting the atomic excitation, the majority of the atoms must be prepared in one of the energy levels before excitation. The transition probability due to interaction with the oscillating field is then inferred from the change in the population of the energy levels. The probability is maximum if fp and f0 are identical. A resonance-like reaction of the atoms is observed, which is converted into a detection signal ID with a spectral "linewidth" W, W = 1/T, with T being the interaction time of the atoms with the radiation field. The signal ID thus contains the required information whether the frequency fp and the transition frequency f0 are identical. ID is further processed so that a control signal UR for the VCXO frequency is produced. The frequency variations of the VCXO signal are suppressed within the bandwidth of the control loop, and the stability of the atomic resonance determines the long-term frequency stability of the output signal. The VCXO emits a standard frequency fN (usually 5 MHz) which is further processed depending on the intended application.

If an electric pulse is generated after 5 million periods of  fN, the time interval between successive pulses is one second. A prerequisite for this is that conversion from fN to fp takes place with the correct multiplication factor k.
For caesium clocks, k.5 MHz = 9192.631770 MHz;
for rubidium clocks, k.5 MHz = 6384.682 6128 MHz.

Das Signal ID enthält also die gesuchte Information, ob die Frequenz fp mit der Übergangsfrequenz der Atome f0 übereinstimmt. ID wird so weiterverarbeitet, dass daraus ein Regelsignal UR zur Regelung des VCXO abgeleitet wird. Dessen natürliche Frequenzschwankungen werden so entsprechend der eingestellten Regelzeitkonstanten unterdrückt, und die Stabilität der atomaren Resonanz bestimmt die Qualität des Ausgangssignals. Vom VCXO wird eine Normalfrequenz fn (üblicherweise 5 MHz) abgegeben, die entsprechend der Anwendung weiterverarbeitet wird.

Erzeugt man beispielsweise nach jeweils 5 Millionen Perioden von fn einen kurzen elektrischen Impuls, so haben aufeinander folgende Impulse den zeitlichen Abstand von einer Sekunde. Voraussetzung hierfür ist natürlich, dass die Umsetzung von fn nach fp mit dem korrekten Multiplikationsfaktor k geschieht. In der Caesiumatomuhr muss also k·5 MHz = 9192,631770 MHz gelten, in der Rubidiumatomuhr k·5 MHz = 6384,6826128 MHz.

Caesium-Uhren mit thermischem Atomstrahl

 

 

Seit 1967 hat die Caesiumuhr eine herausragende Bedeutung, da mit ihr die Zeiteinheit realisiert wird. Sie funktioniert nach folgendem Prinzip, das in der Abbildung illustriert wird. Ein Cs-Atomstrahl tritt aus der Düse eines Ofens aus, der einige Gramm des Metalls 133Cs enthält. Der Strahl passiert einen ersten Magneten, genannt Polarisator, der nur Atome im Energiezustand E2 in die gewünschte Richtung ablenkt, so dass ein zustandsselektierter Atomstrahl in den Mikrowellenresonator eintritt. In den beiden Endpartien des Resonators werden die Atome mit dem Mikrowellenfeld bestrahlt, und im Resonanzfall gehen die Atome in den Zustand E1 über. Der Analysatormagnet lenkt nun gerade diese Atome auf einen geheizten Draht. Dort werden Cs-Atome zu Cs+-Ionen, die durch ein magnetisches Massenfilter auf die erste Dynode eines Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) gelenkt werden. 

Das in der Abbildung unten links skizzierte Detektorsignal ID als Funktion von fp wird als "atomares Resonanzsignal" bezeichnet. Die Breite dieses Signals liegt typischwerweise im Bereich von 50-500 Hz und wird durch die Flugzeit T der Atome entlang der Resonatorlänge L bestimmt.

Einige Eigenschaften des Caesiums prädestinieren es besonders für die Realisierung einer Atomuhr nach dem hier dargestellten Prinzip. Da ist zum einen der Vorzug, dass es in der Natur nur ein einziges stabiles Caesium-Isotop gibt. Weiterhin ist der Dampfdruck schon bei einer Temperatur von etwa 100 °C des Ofens groß genug, um einen intensiven Atomstrahl zu erzeugen. Nicht zuletzt ist der Ionisationswirkungsgrad des Detektors praktisch 100 %: Die Ionisationsenergie des Caesiumatoms ist kleiner als die Austrittsarbeit (Ablösearbeit für ein Elektron) von Platin-Iridium, dem typischen Material des Detektor-Drahts.

Seit Ende der 1950er Jahre werden Caesiumuhren als kommerzielles Produkt angeboten. Jährlich werden, vorsichtig geschätzt, weltweit etwa 100 bis 200 produziert. Alle funktionieren nach dem obigen Prinzip, Unterschiede in Details führen zu etwas verschiedenen Eigenschaften. Die besten realisieren die SI-Sekunde mit einer Unsicherheit von wenigen 10-13 s. Sie werden in den Bereichen Navigation, Geodäsie, Raumfahrt, Telekommunikation und in den Zeitinstituten (wie der PTB) eingesetzt. Derzeit besitzt die PTB 6 industriell gefertigte Caesiumuhren.

Strebt man eine höhere Genauigkeit an, als sie mit den kommerziellen Produkten erreichbar ist, so muss man sich von Beschränkungen befreien, die dem kommerziellen Produkt auferlegt sind (Preis, Gewicht, Energieverbrauch etc.).  Mit dem Ziel, eine besonders hohe Genauigkeit über lange Betriebszeiten zu erreichen, wurden an der PTB die Atomuhren CS1, CS2, CS3 und die Fontänen-Atomuhr CSF1 entwickelt und aufgebaut.

Frequenznormale mit Rubidium-Gaszelle

 

Im Rubidiumdampf-Frequenznormal (Rubidiumuhr) wird der Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus des Isotops 87Rb bei einer Frequenz von f0 = 6384 MHz verwendet. Das Prinzip soll mit der Abbildung verdeutlicht werden.

Die Besetzung des gewünschten Zustands und der Nachweis des Übergangs erfolgt mit einem optischen Verfahren. Licht aus einer 87Rb-Lampe wird zunächst durch eine Filterzelle, die 85Rb-Dampf enthält, geschickt. Anschließend regt es 87Rb-Atome in einer mit Puffergas gefüllten Absorptionszelle an, die sich in einem Mikrowellenresonator befindet. Das Puffergas, eine Mischung leichter Edelgase, verlängert die Wechselwirkungszeit T der Atome mit der Mikrowellenbestrahlung, indem es die Stoßrate der Atome mit der Wand der Zelle reduziert. Die spektrale Zusammensetzung des gefilterten Lichtes macht es möglich, durch sog. optisches Pumpen selektiv das untere Hyperfeinstrukturniveau der 87Rb-Atome zu entvölkern, sodass diese Atome nach einiger Zeit Aufenthalt in der Zelle kein (Pump)-Licht mehr absorbieren können. Sobald Mikrowellenstrahlung der Frequenz fp ~ f0 auf die Atome einwirkt, wird das untere Niveau wieder besetzt, und man beobachtet Absorption. Im Resonanzfall wird im Signal ID des Photodetektors ein Minimum beobachtet. Die Linienbreite W des Resonanzsignals liegt typischerweise im Bereich von 500 Hz.

Rubidiumuhren können in kompakten Abmessungen und zu günstigem Preis hergestellt werden. Beträchtliche Stückzahlen (einige 1000 pro Jahr) werden produziert und finden in den Bereichen Telekommunikation, Energieversorgung (Überwachung des Zustands der Energieverteilungsnetze) und für Kalibrierungen in der Industrie Anwendung. Ein sehr hoch entwickeltes Modell arbeitet in der neuesten Generation der Satelliten des GPS-Navigationssystems.

Es soll erwähnt werden, dass das hier beschriebene Funktionsprinzip einer Rubidiumuhr einige gravierende Schwächen aufweist. So treten Abweichungen zwischen der im Betrieb beobachteten Resonanzfrequenz und dem Wert von f0 ungestörter 87Rb-Atome von relativ etwa 10-9 auf. Diese werden hauptsächlich durch das Magnetfeld in der Zelle, durch Stöße der Rb-Atome mit dem Puffergas und durch ihre gleichzeitige Wechselwirkung mit Licht und Mikrowellenfeld verursacht. Weiterhin verändern Temperatureinfluss oder Alterung das Spektrum und die Intensität der Strahlung der Lampe, sowie die Zusammensetzung des Gases sowohl in der Filterzelle als auch in der Absorptionszelle. Dies begrenzt die erreichbare langzeitige Frequenzstabilität und verhindert, dass Rubidiumuhren ohne Kalibrierung für die Realisierung der Zeiteinheit verwendet werden können.