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Neuevaluation von Phasenfehlern in der Caesium-Fontäne CSF2

10.12.2011

In Caesium-Atomuhren durchqueren die Atome zweimal mit einem gewissen zeitlichen Abstand Mikrowellenfelder in einem Resonator, wodurch der Uhrenübergang angeregt wird. Bei konventionellen Strahluhren führt der unvermeidliche Phasenunterschied des Mikrowellenfeldes in den beiden räumlich getrennten Resonatorstrukturen zu einer Frequenzverschiebung, die durch Umkehr der Strahlrichtung ermittelt werden kann. Die dabei auftretende Messunsicherheit liefert den größten systematischen Unsicherheitsbeitrag bei den beiden PTB-Strahluhren CS1 und CS2 [1].

Fontänen-Uhren bieten demgegenüber den Vorteil, dass die Atome zweimal denselben Resonator durchqueren und somit vordergründig kein Phasenunterschied des Mikrowellenfeldes bei den beiden Durchquerungen besteht. Da sich aber aufgrund von Asymmetrien bei der Einkopplung des Mikrowellenfeldes in den Resonator sowie aufgrund von Verlusten in den Kupferwänden kein perfektes Stehwellenfeld im Resonator ausbilden kann, treten sowohl longitudinale als auch transversale Phasengradienten auf. Zudem führt die thermische Ausdehnung der Atomwolke zwischen den beiden Resonatordurchgängen dazu, dass die Atome den Resonator an jeweils unterschiedlichen Positionen durchqueren. Daher sehen die Atome auch in einer Fontäne geringfügig unterschiedliche Phasen des Mikrowellenfeldes bei den beiden Durchgängen.

Basierend auf neuen theoretischen Untersuchungen zu Phasengradienten in Mikrowellen-Resonatoren [2], wurden an der Fontänen-Uhr CSF2 umfassende Messungen vorgenommen. Um den Effekt der besonders kritischen linearen transversalen Phasengradienten zu untersuchen, wurde CSF2 nacheinander um einige Milliradian in zwei zueinander orthogonalen Richtungen verkippt. Dadurch wird eine zusätzliche Verschiebung der Atomwolkenposition zwischen den beiden Resonatordurchgängen bewirkt, so dass durch solche Phasengradienten verursachte Frequenzverschiebungen vergrößert werden und genauere Rückschlüsse auf die bei normalem vertikalen Fontänenbetrieb vorhandenen Frequenzverschiebungen erlauben. Da die Unsicherheit dieser Messungen auch wesentlich von der Referenzfrequenz abhängt, war die Möglichkeit, gegen die zweite PTB-Fontäne CSF1 messen zu können, von großem Vorteil. Zusammen mit theoretischen Berechnungen konnte die Frequenzverschiebung von CSF2 aufgrund von Phasengradienten neu evaluiert werden [3]. Als Resultat wird nun eine Frequenzkorrektur von -0,44 x 10-16 angebracht. Die Unsicherheit der Korrektur beträgt 1,33 x 10-16. Da auch die Stoßverschiebung mittlerweile mit geringerer statistischer Unsicherheit ermittelt werden kann, ist die systematische Gesamtunsicherheit gegenüber der ersten Evaluation von CSF2 [4] von 8,0 x 10-16  auf 4,1 x 10-16 signifikant reduziert worden.


Literatur:

[1]    A. Bauch, The PTB primary clocks CS1 and CS2, Metrologia 42, S43 (2005)

[2]    R. Li and K. Gibble, Evaluating and minimizing distributed cavity phase errors in atomic clocks, Metrologia 47, 534 (2010)

[3]    S. Weyers, V. Gerginov, N. Nemitz, R. Li and K. Gibble, Distributed cavity phase frequency shifts of the caesium fountain PTB-CSF2, e-printarXiv:physics.atomph/arXiv:1110.2590v1, eingereicht zur Veröffentlichung bei Metrologia

[4]    V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, D. Griebsch and R. Wynands, Uncertainty evaluation of the caesium fountain clock PTB-CSF2, Metrologia 47, 65 (2010)