04.01.2016
Gemäß Definition wird die Dauer einer Sekunde über die Abfrage einer charakteristischen Resonanzfrequenz eines Caesium-Atoms bestimmt. Dazu wird über einen Abfragezeitraum die Phase des durch Mikrowellenstrahlung angeregten Atoms mit der Phase des anregenden Mikrowellensignals verglichen. Während dieses Vergleichs muss eine hohe Phasenstabilität dieses Signals gewährleistet sein: Eine Fluktuation von wenigen Mikroradian synchron mit dem Abfragezyklus der Fontäne kann Messfehler im Bereich der relativen Fontänenunsicherheit von wenigen 10-16 zur Folge haben. Bei der Caesium-Resonanzfrequenz von ca. 9.2 GHz entsprechen einige Mikroradian weniger als einer Femtosekunde, daher ist eine direkte Messung mit konventionellen Verfahren nicht möglich.
Im Fachbereich 4.4 wurde daher ein Phasentransientenanalysator [1] entwickelt, um solche Phasenfluktuationen untersuchen zu können. Die für diese Messaufgabe erforderliche schnelle Datenverarbeitung erfolgt in einem Field Programmable Gate Array (FPGA). In diesem Chip werden die Eingangsdaten in Phasenwerte verrechnet und der Phasenverlauf des Mikrowellensignals synchron zum Messyklus der Uhr bestimmt. Der Analysator erlaubt Aussagen über synchrone Phasenfluktuationen, die einem relativen Frequenzfehler im Bereich von 10-17 entsprechen.
Ein vergleichbares Problem stellt sich auch bei der Abfrage von Resonanzfrequenzen in optischen Uhren. Der Transientenanalysator wurde daher auch für Messungen an optischen Uhren konzipiert. Eine solche Messung wurde erfolgreich an der Ytterbium-Einzelionenuhr der PTB durchgeführt. Hier konnte nachgewiesen werden, dass potentielle Phasenfluktuationen höchstens einen relativen Frequenzfehler von 10-18 bedingen. (M. Kazda, FB 4.4, Michael.Kazda@ptb.de)
Literatur:
[1] M. Kazda, V. Gerginov, N. Huntemann, B. Lipphardt, and S. Weyers, Phase Analysis for Frequency Standards in the Microwave and Optical Domains, arXiv:1507.02986 (2015)