31.12.2007
Eine Schlüsselkomponente einer Cäsium-Atomuhr stellt die Mikrowellenquelle dar, mit deren Hilfe der atomare Resonanzübergang bei einer Frequenz von 9,192631770 GHz angeregt wird. Die elektronische Synthesekette, die diese Strahlung synthetisiert, muss strengen Anforderungen genügen, was das Rauschniveau und die Langzeitdrift angeht, um die Güte der Uhr nicht zu beeinträchtigen.
Zur Zeit beruht die 9 GHz-Synthesekette für die Fontänenuhren CSF1 und CSF2 der PTB auf einem Design, welches vor langer Zeit für Cäsiumuhren mit thermischem Atomstrahl entwickelt wurde. Nun jedoch, wo Fontänenuhren routinemäßig eine relative Unsicherheit und Instabilität von besser als 10-15 erreichen, gerät dieses Syntheseschema an seine Grenzen und muss verbessert werden. Das betrifft vor allem die relative Langzeitinstabilität mit einem Designziel von 10-17/Tag, was einem Zeitfehler von etwa einer Pikosekunde pro Tag entspricht.
In einer Kooperation von PTB und dem National Physical Laboratory (NPL) in New Delhi/Indien wurde nun eine verbesserte Synthesekette entwickelt; diese Arbeiten wurden zum Teil durch den Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) und das Indian Department of Science and Technology (DST) gefördert. In der neuen Kette wird ein 9600 MHz YIG-Oszillator mit Hilfe einer Frequenzteilerkette (9600:8:3:4:20) auf einen 5 MHz Quarzoszillator stabilisiert. In einem Zwischenschritt wird mittels direkter digitaler Synthese (DDS) ein Signal bei 407,37 MHz erzeugt. Die erforderliche Abfragefrequenz für die Atome wird durch Frequenzmischung erhalten (9600 MHz - 407,37 MHz = 9192,63 MHz). Das von den Atomen zurückerhaltene Signal wird schließlich zur Steuerung der 5 MHz-Quarzfrequenz genutzt.
Die Verwendung eines DDS-Bausteins im Design bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber der vorhandenen Synthesekette. Zusammen mit der Synthese des 407,37 MHz-Signals kann nämlich zugleich die Frequenz, Amplitude oder Phase des Signals computergesteuert moduliert werden. Es ist daher relativ einfach, im Abfragezyklus der Uhr von Rechteckfrequenzmodulation der Mikrowelle auf Phasenmodulation umzusteigen. Die neue Design der Synthesekette kann auch vorteilhaft für den Zustandsselektionsresonator eingesetzt werden; es ist dann leicht möglich, die passenden Frequenzverstimmungen und Modulationswellenformen zu wählen, um mit der Methode der schnellen adiabatischen Passage die Stoßverschiebung in der Fontänenuhr zu kontrollieren.
Das neue Design erlaubt weiterhin die Einbeziehung einer Mikrowellenquelle von höchster Kurzzeitstabilität, wie sie zum Beispiel ein kryogener Saphiroszillator oder ein von einer optischen Frequenzreferenz mittels Frequenzkammgenerator abgeleitetes Mikrowellensignal darstellen würden. Diese Mikrowellenquelle würde an die Stelle des YIG-Oszillators treten, wobei kleinere Anpassungen der Frequenz leicht durch Umprogrammieren des DDS möglich sind.
Unsere Messergebnisse belegen eine sehr gute Langzeitstabilität der neuen Synthesekette, mit einer Driftrate von 25 ps pro Grad Temperaturänderung. Innerhalb der üblichen, thermisch stabilen Umgebung im Uhrenlabor der PTB wurde eine Driftrate von typisch ±1 ps/Tag beobachtet. Das ist bereits gut genug, um die Spezifikationen zu erfüllen, aber könnte leicht noch verbessert werden, z. B. durch eine einfache, ggf. sogar passive, thermische Isolation. Das Phasenrauschen bei 10 kHz Offset vom Träger beträgt - 165 dBc, wobei zusätzliche Frequenzkomponenten im Spektrum um mehr als 40 dBc unterdrückt sind. Ausführlichere Rausch- und Driftcharakterisierungen werden in der unten angegebenen Referenz [1] beschrieben.
Literatur:
[1] A. Sen Gupta, R. Schröder, S. Weyers, R. Wynands, "A new 9-GHz synthesis chain for atomic fountain clocks", Proceedings of the Joint European Frequency and Time Forum and the IEEE International Frequency Control Symposium, Geneva/CH, May 2007.