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Neue Atomstrahlquelle für die Fontänenuhr CSF2

11.10.2010

Die bei der Messung der Caesium-Übergangsfrequenz verwendete Ramsey-Methode basiert darauf, die Atome durch kontrollierte Mikrowellenpulse in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand zu versetzen. Bei der anschließenden Detektion allerdings kollabiert diese Überlagerung und jedes der Atome wird in genau einem der beiden beteiligten Hyperfeinzustände gemessen. Aus der Verteilung auf die Zustände wird die für die Frequenzmessung entscheidende Übergangswahrscheinlichkeit ermittelt. Die statistische Messunsicherheit wird dabei wesentlich durch das bei diesem Messprozess auftretende „Quantenprojektionsrauschen“ bestimmt. Dadurch bedingt ergibt sich ein Signal-Rausch-Verhältnis, das mit der Quadratwurzel der detektierten Atomzahl ansteigt.

Um die statistische Messunsicherheit der Fontänenuhr CSF2 [1] für künftige Anforderungen zu reduzieren, wurde jetzt eine neue Atomquelle aufgebaut. Diese stellt Caesiumatome in einem auf 11 m/s abgebremsten Strahl zur Verfügung, aus dem in einer Sekunde etwa eine Milliarde Atome in der Atomfalle der Fontäne eingefangen werden können, erheblich mehr als bislang durch Laden aus dem Hintergrundgas zur Verfügung standen.

Der neue Aufbau basiert auf dem Prinzip der „Low Velocity Intense Source“ (LVIS) [2] und ist fast vollständig aus Standardvakuumkomponenten zusammengesetzt. Die Auswahl von Materialien niedriger magnetischer Permeabilität minimiert die Störeinflüsse auf die eigentliche Fontäne. So ist es auch weiterhin möglich, die Atomfalle aus dem Hintergrundgas zu laden.

Die fertige Caesiumquelle, montiert an CSF2.

Im neu aufgebauten Lasersystem kommen zum ersten Mal bei den Fontänenuhren distributed-feedback (DFB) Laserdioden zum Einsatz, die durch integrierte optische Strukturen über einen weiten Bereich äußerer Bedingungen im Einmodenbetrieb arbeiten und deshalb weniger Justage erfordern. Mittlerweile konnte ein kontinuierlicher Betrieb über einen Monat ohne manuelle Eingriffe demonstriert werden.

Bei einer sechsmal höheren Anzahl von detektierten Atomen im Betrieb mit der neuen Caesiumquelle konnte die erwartete Erhöhung des Signal-Rauschverhältnisses um einen Faktor von 2,5 bereits demonstriert werden. Dies ermöglicht eine Reduktion des aus dem Quantenprojektionsrauschen resultierenden Beitrags zur Frequenzinstabilität um 60%.

Instabilitätsbeitrag σydet(1s) aus dem Signal-Rausch-Verhältnis der Detektion, gemessen in der Fontänenuhr CSF2. Eine größere Ladezeit führt zu einer größeren Atomzahl und damit zu einem reduzierten Quantenprojektionsrauschen. Bei zu großer Ladezeit wird die erreichbare Instabilität allerdings durch andere Prozesse beschränkt, so dass sich durch das schnellere Laden aus dem Atomstrahl (blaue Kurve) geringere Instabilitätswerte erreichen lassen als beim Laden aus dem Hintergrundgas (rote Kurve).


Literatur:

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

 [2]     Z. T. Lu, K. L. Corvin, M. J. Renn, M. H. Anderson, E. A. Cornell, C. E. Wieman, Low-Velocity Intense Source of Atoms from a Magneto-optical Trap, Phys. Rev. Lett. 77, 3331 (1996)