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Verbesserte Frequenzstabilität der Fontänenuhren

08.01.2015

Neben der Verwendung der Fontänenuhren der PTB, CSF1 und CSF2, zur Steuerung der gesetzlichen Zeit in Deutschland [1] und zu optischen Frequenzmessungen [2], [3] liegt die Hauptaufgabe in regelmäßigen Beiträgen zur Steuerung der Internationalen Atomzeit TAI. Dazu werden monatlich durch das Bureau International des Poids et Mesures die Frequenzen von den jeweils zur Verfügung stehenden 5-8 weltbesten sogenannten primären Caesium-Atomuhren mit den Frequenzen von weltweit ca. 300 in Zeitlaboren betriebenen kommerziellen Caesium-Atomuhren verglichen, die als Grundlage für die Berechnung von TAI dienen. Aus diesem Vergleich wird ein monatlicher Steuerungswert für TAI gewonnen, dessen Anbringung sicherstellen soll, dass die Skaleneinheit von TAI möglichst genau der SI-Sekunde entspricht.

Die geringe Zahl der zur Steuerung beitragenden primären Atomuhren, gibt deren individuellen Beiträgen relativ großes Gewicht. Dieses bemisst sich in erster Linie nach der systematischen und statistischen Unsicherheit sowie der Dauer (zwischen 5 und 35 Tagen) der jeweiligen Messung. Eine besondere  Erhöhung des Gewichtes kann daher mit Methoden erreicht werden die neben einer Verbesserung der systematischen oder statistischen Unsicherheit auch einen stabilen Langzeitbetrieb über viele Tage erlauben. Es konnte gezeigt werden, dass die an der PTB entwickelte Technik, die statistische Unsicherheit von Fontänen-Messungen durch Einsatz eines optisch stabilisierten Mikrowellensignals [2], [4], [5] zu reduzieren, auch einen kontinuierlichen Betrieb beider PTB Fontänenuhren über 10 Tage ermöglicht. Damit konnten erstmals TAI-Steuerungsbeiträge erbracht werden, deren statistische Unsicherheit durch das verwendete optisch stabilisierte Mikrowellensignal reduziert waren. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass CSF1 und CSF2 innerhalb der reduzierten relativen statistischen Messunsicherheit von 2.1 x 10-16 übereinstimmten.


Literatur:

[1] A. Bauch, S. Weyers, D. Piester, E. Staliuniene, W. Yang, Generation of UTC(PTB) as a fountain-clock based time scale, Metrologia 49, 180–188 (2012)

[2] Chr. Tamm, N. Huntemann, B. Lipphardt, V. Gerginov, N. Nemitz, M. Kazda, S. Weyers, E. Peik, Cs-based optical frequency measurement using cross-linked optical and microwave oscillators, Phys. Rev. A 89, 023820 (2014)

[3] Stephan Falke, Nathan Lemke, Christian Grebing, Burghard Lipphardt, Stefan Weyers, Vladislav Gerginov, Nils Huntemann, Christian Hagemann, Ali Al-Masoudi, Sebastian Häfner, Stefan Vogt, Uwe Sterr, Christian Lisdat, A strontium lattice clock with 3 x 10−17 inaccuracy and its frequency, New Journal of Physics 16, 073023 (2014)

[4] B. Lipphardt, G. Grosche, U. Sterr, Chr. Tamm, S. Weyers, H. Schnatz, The Stability of An Optical Clock Laser Transferred to the Interrogation Oscillator for a Cs Fountain, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 58(4), S. 1258–1262 (April 2009)

[5] S. Weyers, B. Lipphardt, and H. Schnatz, Reaching the quantum limit in a fountain clock using a microwave oscillator phase locked to an ultrastable laser, Phys. Rev. A 79, 031803(R) (2009)