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Neue Frequenzabfrage-Methode für die Fontänenuhr CSF2

10.01.2013

Zur besseren Kontrolle frequenzverschiebender Effekte und für eine direkte Anbindung an andere Referenzfrequenzen wurde die Frequenzabfrage-Methode für die Caesium-Fontänenuhr CSF2 der PTB grundlegend verändert. Zuvor wurde, wie bei allen anderen primären Atomuhren der PTB, die Resonanzfrequenz der Atome in CSF2 verwendet, um die Frequenz eines Quarzoszillators nachzuregeln. Die Quarzfrequenz wurde dann über externe Messgeräte mit der Frequenz anderer Uhren oder Wasserstoffmaser verglichen. Diese Methode benötigt für praktikable Frequenzvergleiche möglichst lange Messintervalle ununterbrochenen Betriebs mit konstanten Betriebs-Parametern. Bei der neuen Abfrage-Methode wird der Quarzoszillator im Normalbetrieb an einen Wasserstoffmaser angebunden. Die auf der derart festgelegten Quarzfrequenz aufbauende interne Frequenzsynthese von CSF2 wird nun durch einen Computer-basierten Regelprozess an die Resonanzfrequenz der Atome in CSF2 angepasst. Dieses geschieht im Rhythmus des gepulsten Fontänenbetriebs nach jedem „Fontänenschuss“, bestehend aus Laden und Kühlen der Atomwolke, vertikaler Beschleunigung, Wechselwirkung mit dem Mikrowellenfeld und anschließender Detektion der Übergangswahrscheinlichkeit. Die nach jedem Schuss vom Computer berechneten Regelkorrekturen spiegeln dann die Frequenzdifferenz zwischen CSF2 und dem Wasserstoffmaser wider.

Die neue Abfrage-Methode ermöglicht eine direkte Zuordnung der Frequenz-Messergebnisse der Einzelschüsse zu den Betriebs-Parametern der Einzelschüsse. Dadurch ist es möglich, ohne eine Verfälschung des Messergebnisses kurzfristig zwischen verschiedenen Betriebs-Parametern, wie z.B. verschiedenen atomaren Dichten, zu wechseln, so dass eine fortwährende Kontrolle bestimmter frequenzverschiebender Effekte während des eigentlichen Messbetriebs geschieht.

Der neue Abfragemodus hat sich bereits bei einer Reihe von mehrwöchigen Frequenzmessungen zur Steuerung der Internationalen Atomzeitskala TAI bewährt. Darüber hinaus konnte damit eine neuartige Methode zur Messung einer optischen Frequenz mit CSF2 realisiert werden. Zu diesem Zweck wurde für die Mikrowellensynthese von CSF2 nicht der an den Wasserstoffmaser angebundene Quarzoszillator verwendet, sondern die Mikrowellensynthese wurde direkt mittels eines Frequenz-Kamms an den Uhrenlaser des Yb-Einzelionen-Frequenzstandards der PTB angebunden. Durch diese, durch den neuen Abfragemodus ermöglichte  Anbindung konnten Rauschbeiträge durch den Quarzoszillator vermieden werden, so dass eine kleinere statistische Messunsicherheit erreicht wurde. Das Diagramm zeigt die Allan-Standardabweichung als Maß für die Frequenz-Instabilität für zwei verschiedene Messungen. Die roten Messwerte zeigen die resultierende Instabilität von CSF2 für die obengenannte Anbindung der Mikrowellensynthese an den Yb+-Uhrenlaser. Die Instabilität ist gegeben durch das Quantenprojektionsrauschen der Atome in CSF2. Die blauen Messwerte resultieren aus der Anbindung des Quarzoszillators an einen Wasserstoffmaser. In diesem Fall ist die Instabilität um einen Faktor 3 erhöht wegen des Quarzrauschens, was über das Quantenprojektionsrauschen hinaus die Instabilität bestimmt. Die Verbesserung durch die Anbindung an den Yb+-Uhrenlaser ist offensichtlich und führt in diesem Fall zu einer um einen Faktor 9 reduzierten Messzeit für das Erreichen einer gewünschten statistischen Messunsicherheit.

Allan-Standardabweichung σy (τ) als Maß für die Frequenz-Instabilität der Fontänenuhr CSF2 als Funktion der Messzeit τ. Blaue Datenpunkte: Betrieb mit Quarzoszillator; rote Datenpunkte: Betrieb mit laserstabilisiertem Mikrowellenoszillator.