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Verbesserte Mikrowellensynthese für die Fontänenuhren der PTB

06.11.2019

Die Mikrowellensynthese ist ein essentieller Bestandteil der Fontänenuhren. Mit ihr werden die beiden für die Zustandspräparation und die Anregung des Uhrenübergangs benötigen Mikrowellensignale erzeugt. Unsicherheiten in diesem Teilsystem wirken sich direkt auf die Gesamtunsicherheit von Messungen mit Fontänenuhren aus. Diese Gesamtunsicherheit setzt sich zusammen aus einer systematischen Unsicherheit und einer statistischen Unsicherheit. Die statistische Unsicherheit ergibt sich aus der charakteristischen Frequenzinstabilität einer Fontänenuhr und der Messdauer. Systematische und statistische Unsicherheitsbeiträge durch die Mikrowellensynthese konnten durch Anpassungen im Synthesizer-Design reduziert und im Rahmen einer Evaluation verifiziert werden. Bei dem Nationalen Normal der PTB für die Zeit, der Fontänenuhr CSF2, beträgt damit die systematische Unsicherheit 1,7×10-16 und die statistische Messunsicherheit bei einer 30-Tage Messung 1.0×10-16 [1,2].

Die Frequenzinstabilität der Fontänenuhren wird durch die Zahl der detektierten Atome und das Phasenrauschen der Mikrowellensignale bestimmt. Das Phasenrauschen der Mikrowellensignale wird durch den verwendeten lokalen Oszillator limitiert. Die entwickelte Mikrowellensynthese ermöglicht es, als Lokaloszillator einen optisch stabilisierten Mikrowellenoszillator anstelle einen Quarzoszillators zu verwenden. Damit ist die Frequenzinstabilität der Fontänenuhren nur noch durch die Zahl der detektierten Atome begrenzt. Es wurde gezeigt, dass Rauschbeiträge der Mikrowellensynthese als notwendige Voraussetzung dafür vernachlässigbar sind.

Ein Beitrag zur systematischen Unsicherheit ergibt sich aus möglicherweise auftretenden unerwünschten Wechselwirkungen der Atome mit Mikrowellenfeldern außerhalb des dafür eigentlich vorgesehenen Resonatorraums. Um solche Wechselwirkungen zu unterdrücken, wird bei den Fontänenuhren CSF1 und CSF2 ein an der PTB entwickeltes Verfahren eingesetzt, bei dem die Frequenz der Mikrowellensignale immer dann stark verstimmt wird, wenn sich die Atome außerhalb der vorgesehenen Wechselwirkungszone im Resonator befinden. Wichtig ist bei den Verstimmungen die Vermeidung auch kleinster Phasensprünge im Bereich von Mikroradian, die andernfalls signifikante systematische Fehler verursachen. Die Untersuchungen haben ergeben, dass durch den Einsatz des Verfahrens der Frequenzverstimmung der durch unerwünschte Wechselwirkung mit Mikrowellenfeldern assoziierte Unsicherheitsbeitrag von 1×10-16 auf einen Wert von 1×10-18 abgesenkt werden konnte.

Auch die Mikrowellensynthese selbst trägt zur systematischen Unsicherheit der Fontänenuhren bei. Dieser Beitrag konnte durch Anpassungen im Synthesizer-Design von 1×10-16 auf einen Wert von 1×10-17 reduziert werden [2].

Schließlich spielen die Fontänenuhren eine wichtige Rolle bei der Realisierung von nationalen und internationalen Zeitskalen, was hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der verwendeten Mikrowellenelektronik stellt. Dies wird durch ihr Design und die modulare Bauweise gewährleistet.

(M. Kazda, FB 4.4, Opens window for sending emailmichael.kazda(at)ptb.de)


Literatur

[1]       S. Weyers, V. Gerginov, M. Kazda, J. Rahm, B. Lipphardt, G. Dobrev and K. Gibble, Advances in the accuracy, stability, and reliability of the PTB primary fountain clocks, Metrologia 55, 6 (2018)

[2]       M. Kazda, V. Gerginov, B. Lipphardt and S. Weyers, Microwave synthesis for the PTB caesium fountain clocks, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, doi: 10.1109/TIM.2019.2936694 (Early Access)