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Panoramablick in die Uhrenhalle der PTB mit den vier Caesiumuhren CS1, CS2, CSF1 und CSF2.

Atomzeitskalen

Atomzeitskalen

Bis 1967 war die Sekunde als Bruchteil eines vergleichsweise langen Zeitintervalls zwischen zwei vermeintlich periodisch wiederkehrenden Konstellationen eines einzelnen astronomischen Objektes (Sonnenhöchststand, Frühlingspunkt) definiert. Die aktuelle Definition der SI-Sekunde über eine atomare Eigenschaft des Elements Caesium-133 ermöglicht eine wesentlich höhere Genauigkeit. Schon seit Anfang der 1960er Jahre sind industriell gefertigte Caesium-Atomuhren (Cs-Uhren) erhältlich, die die SI-Sekunde innerhalb vom Hersteller spezifizierter Toleranzen reproduzieren. Die relativen Toleranzen lagen zunächst im Bereich von 5·10-11, heute liegen sie bei 5·10-13.

Zeitinstitute rüsten sich üblicherweise mit mehreren Cs-Uhren aus, um sich vor einer Unterbrechung der kontinuierlichen Realisierung ihrer Zeitskalen zu schützen. Durch geeignetes Zusammenfassen der Daten einer solchen Uhrengruppe kann man eine Gruppen-Zeitskala realisieren, die im Gang stabiler und zuverlässiger ist als eine Zeitskala, die mit einer einzelnen Uhr realisiert würde. Die für Gruppen-Zeitskalen verwendeten Algorithmen richten sich nach Anzahl und Qualität der beitragenden Uhren. Beim Hinzufügen einer weiteren Uhr oder im Falle des Ausscheidens einer Uhr aus der Gruppe wird so verfahren, dass der anfängliche Gang der Gruppenzeitskala so gut es geht erhalten bleibt. Der Grund hierfür ist, dass eine geringe Gang-Instabilität für viele Anwendungen wichtiger ist als ein bestimmter Wert des Ganges.

Die auf diese Weise gebildeten sogenannten freien Atomzeitskalen werden als TA(k) bezeichnet, wobei k die Kennung des jeweiligen Zeitinstituts ist. Freie Atomzeitskalen haben selbst keine Bedeutung für die Datierung von Ereignissen, sondern sie dienen als Referenz für die Messung von Zeitintervallen und Gängen.

In einigen metrologischen Staatsinstituten entstanden sogenannte primäre Uhren, mit denen die SI-Sekunde mit spezifizierter kleiner Unsicherheit realisiert wird. Mit Hilfe ihrer Uhren konnten diese Zeitinstitute ihre freien Atomzeitskalen periodisch kalibrieren. Das NRC (National Research Council, Kanada) und die PTB entwickelten ihre primären Uhren in der Richtung weiter, dass sie über viele Jahre im Dauerbetrieb funktionierten. So konnten TA(NRC) und TA(PTB) direkt von den primären Uhren abgeleitet werden, und ihr Skalenmaß war und ist die SI-Sekunde, wie sie mit den jeweils verfügbaren primären Normalen realisiert wird. TA(PTB) wurde bis 2010 stets nur von einer Uhr abgeleitet, zuerst CS1, dann CS2. Seit 2010 bestimmen die Caesium-Fontänenuhren das Skalenmaß von TA(PTB)