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

Zeitnormale

Arbeitsgruppe 4.41

Funktionsprinzip

In Atomuhren wird die Eigenschaft von Atomen ausgenutzt, beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen (Energieniveaus) elektromagnetische Wellen mit einer charakteristischen Schwingungsfrequenz f0 abstrahlen oder absorbieren zu können. Der Wert von f0 ergibt sich aus der Energiedifferenz beider Zustände, geteilt durch die Planck-Konstante. In Atomuhren werden Übergänge zwischen solchen Energieniveaus verwendet, die eine lange natürliche Lebensdauer besitzen und deren Lage nur wenig von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflussbar ist. Geeignete Atome sind z. B. die Alkalien mit ihrer Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes. Die Abbildung soll das Funktionsprinzip einer sogenannten passiven Atomuhr verdeutlichen.

Ausgehend von einem Quarzoszillator VCXO (Voltage-Controlled Xtal Oscillator) wird mittels eines Frequenzgenerators ein elektromagnetisches Wechselfeld der Frequenz fp (mit fp ~ f0) erzeugt, und es wird in die Resonanzapparatur eingekoppelt. In der Apparatur werden die Atome dem Wechselfeld ausgesetzt. Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit wird dadurch der Übergang zwischen den betrachteten Energieniveaus angeregt. Für dessen Beobachtung ist es notwendig, die Mehrzahl der Atome zunächst in einen der beiden Zustände zu bringen. Dann kann man aus der Änderung der Besetzungszahlen der Energieniveaus nach der Wechselwirkung die Übergangswahrscheinlichkeit ermitteln. Diese ist maximal, wenn fp mit f0 übereinstimmt. Man registriert eine resonanzartige Reaktion der Atome, die in ein Nachweissignal ID mit einer spektralen "Linienbreite" W umgesetzt wird. Es ist W ~ 1/T, wobei T die Wechselwirkungszeit der Atome mit dem Bestrahlungsfeld ist.

Das Signal ID enthält also die gesuchte Information, ob die Frequenz fp mit der Übergangsfrequenz der Atome f0 übereinstimmt. ID wird so weiterverarbeitet, dass daraus ein Regelsignal UR zur Regelung des VCXO abgeleitet wird. Dessen natürliche Frequenzschwankungen werden so entsprechend der eingestellten Regelzeitkonstanten unterdrückt, und die Stabilität der atomaren Resonanz bestimmt die Qualität des Ausgangssignals. Vom VCXO wird eine Normalfrequenz fn (üblicherweise 5 MHz) abgegeben, die entsprechend der Anwendung weiterverarbeitet wird.

Erzeugt man beispielsweise nach jeweils 5 Millionen Perioden von fn einen kurzen elektrischen Impuls, so haben aufeinander folgende Impulse den zeitlichen Abstand von einer Sekunde. Voraussetzung hierfür ist natürlich, dass die Umsetzung von fn nach fp mit dem korrekten Multiplikationsfaktor k geschieht. In der Caesiumatomuhr muss also k·5 MHz = 9192,631770 MHz gelten, in der Rubidiumatomuhr k·5 MHz = 6384,6826128 MHz.

Caesium-Uhren mit thermischem Atomstrahl

 

 

Seit 1967 hat die Caesiumuhr eine herausragende Bedeutung, da mit ihr die Zeiteinheit realisiert wird. Sie funktioniert nach folgendem Prinzip, das in der Abbildung illustriert wird. Ein Cs-Atomstrahl tritt aus der Düse eines Ofens aus, der einige Gramm des Metalls 133Cs enthält. Der Strahl passiert einen ersten Magneten, genannt Polarisator, der nur Atome im Energiezustand E2 in die gewünschte Richtung ablenkt, so dass ein zustandsselektierter Atomstrahl in den Mikrowellenresonator eintritt. In den beiden Endpartien des Resonators werden die Atome mit dem Mikrowellenfeld bestrahlt, und im Resonanzfall gehen die Atome in den Zustand E1 über. Der Analysatormagnet lenkt nun gerade diese Atome auf einen geheizten Draht. Dort werden Cs-Atome zu Cs+-Ionen, die durch ein magnetisches Massenfilter auf die erste Dynode eines Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) gelenkt werden. 

Das in der Abbildung unten links skizzierte Detektorsignal ID als Funktion von fp wird als "atomares Resonanzsignal" bezeichnet. Die Breite dieses Signals liegt typischwerweise im Bereich von 50-500 Hz und wird durch die Flugzeit T der Atome entlang der Resonatorlänge L bestimmt.

Einige Eigenschaften des Caesiums prädestinieren es besonders für die Realisierung einer Atomuhr nach dem hier dargestellten Prinzip. Da ist zum einen der Vorzug, dass es in der Natur nur ein einziges stabiles Caesium-Isotop gibt. Weiterhin ist der Dampfdruck schon bei einer Temperatur von etwa 100 °C des Ofens groß genug, um einen intensiven Atomstrahl zu erzeugen. Nicht zuletzt ist der Ionisationswirkungsgrad des Detektors praktisch 100 %: Die Ionisationsenergie des Caesiumatoms ist kleiner als die Austrittsarbeit (Ablösearbeit für ein Elektron) von Platin-Iridium, dem typischen Material des Detektor-Drahts.

Seit Ende der 1950er Jahre werden Caesiumuhren als kommerzielles Produkt angeboten. Jährlich werden, vorsichtig geschätzt, weltweit etwa 100 bis 200 produziert. Alle funktionieren nach dem obigen Prinzip, Unterschiede in Details führen zu etwas verschiedenen Eigenschaften. Die besten realisieren die SI-Sekunde mit einer Unsicherheit von wenigen 10-13 s. Sie werden in den Bereichen Navigation, Geodäsie, Raumfahrt, Telekommunikation und in den Zeitinstituten (wie der PTB) eingesetzt. Derzeit besitzt die PTB 6 industriell gefertigte Caesiumuhren.

Strebt man eine höhere Genauigkeit an, als sie mit den kommerziellen Produkten erreichbar ist, so muss man sich von Beschränkungen befreien, die dem kommerziellen Produkt auferlegt sind (Preis, Gewicht, Energieverbrauch etc.).  Mit dem Ziel, eine besonders hohe Genauigkeit über lange Betriebszeiten zu erreichen, wurden an der PTB die Atomuhren CS1, CS2, CS3 und die Fontänen-Atomuhr CSF1 entwickelt und aufgebaut.

Frequenznormale mit Rubidium-Gaszelle

 

Im Rubidiumdampf-Frequenznormal (Rubidiumuhr) wird der Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus des Isotops 87Rb bei einer Frequenz von f0 = 6384 MHz verwendet. Das Prinzip soll mit der Abbildung verdeutlicht werden.

Die Besetzung des gewünschten Zustands und der Nachweis des Übergangs erfolgt mit einem optischen Verfahren. Licht aus einer 87Rb-Lampe wird zunächst durch eine Filterzelle, die 85Rb-Dampf enthält, geschickt. Anschließend regt es 87Rb-Atome in einer mit Puffergas gefüllten Absorptionszelle an, die sich in einem Mikrowellenresonator befindet. Das Puffergas, eine Mischung leichter Edelgase, verlängert die Wechselwirkungszeit T der Atome mit der Mikrowellenbestrahlung, indem es die Stoßrate der Atome mit der Wand der Zelle reduziert. Die spektrale Zusammensetzung des gefilterten Lichtes macht es möglich, durch sog. optisches Pumpen selektiv das untere Hyperfeinstrukturniveau der 87Rb-Atome zu entvölkern, sodass diese Atome nach einiger Zeit Aufenthalt in der Zelle kein (Pump)-Licht mehr absorbieren können. Sobald Mikrowellenstrahlung der Frequenz fp ~ f0 auf die Atome einwirkt, wird das untere Niveau wieder besetzt, und man beobachtet Absorption. Im Resonanzfall wird im Signal ID des Photodetektors ein Minimum beobachtet. Die Linienbreite W des Resonanzsignals liegt typischerweise im Bereich von 500 Hz.

Rubidiumuhren können in kompakten Abmessungen und zu günstigem Preis hergestellt werden. Beträchtliche Stückzahlen (einige 1000 pro Jahr) werden produziert und finden in den Bereichen Telekommunikation, Energieversorgung (Überwachung des Zustands der Energieverteilungsnetze) und für Kalibrierungen in der Industrie Anwendung. Ein sehr hoch entwickeltes Modell arbeitet in der neuesten Generation der Satelliten des GPS-Navigationssystems.

Es soll erwähnt werden, dass das hier beschriebene Funktionsprinzip einer Rubidiumuhr einige gravierende Schwächen aufweist. So treten Abweichungen zwischen der im Betrieb beobachteten Resonanzfrequenz und dem Wert von f0 ungestörter 87Rb-Atome von relativ etwa 10-9 auf. Diese werden hauptsächlich durch das Magnetfeld in der Zelle, durch Stöße der Rb-Atome mit dem Puffergas und durch ihre gleichzeitige Wechselwirkung mit Licht und Mikrowellenfeld verursacht. Weiterhin verändern Temperatureinfluss oder Alterung das Spektrum und die Intensität der Strahlung der Lampe, sowie die Zusammensetzung des Gases sowohl in der Filterzelle als auch in der Absorptionszelle. Dies begrenzt die erreichbare langzeitige Frequenzstabilität und verhindert, dass Rubidiumuhren ohne Kalibrierung für die Realisierung der Zeiteinheit verwendet werden können.