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Wie funktionieren Atomuhren?
Funktionsschema
Caesium-Uhren mit thermischem Atomstrahl
• Die Rubidium-Uhr der GPS-Satelliten
• Caesiumuhr CS1, CS2 - CS4 ... usw.
• Fontänen-Atomuhr CSF1 ... usw.
•
•
Funktionsschema:
In Atomuhren nutzt man die Eigenschaft von Atomen aus, beim Übergang zwischen zwei Energieniveaus
elektromagnetische Wellen mit einer charakteristischen Schwingungsfrequenz f0 abstrahlen oder
absorbieren zu können. Dazu gut geeignete Atome sind z. B. die Alkalien mit ihrer Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes. Die folgende Abbildung verdeutlicht das Funktionsschema einer
sogenannten passiven Atomuhr:
Ausgehend von einem Quarzoszillator VCXO (Voltage-Controlled
Xtal Oscillator) wird mittels eines Frequenzgenerators ein
elektromagnetisches Wechselfeld der Frequenz fp (mit fp ~ f0) in
die Resonanzapparatur eingekoppelt. Dort werden die Atome dem
Wechselfeld ausgesetzt und 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
Die Caesiumuhr hat eine herausragende Bedeutung, da mit ihr die Zeiteinheit realisiert wird. Sie
funktioniert nach obigem Prinzip: Ein Cs-Atomstrahl (atomic beam) tritt aus der Düse eines Ofens
(casesium source) aus, 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
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Analysatormagnet lenkt nun gerade diese Atome auf einen geheizten Draht (hot wire). Dort werden Cs+
Atome zu Cs -Ionen, die durch ein magnetisches Massenfilter auf die erste Dynode eines
Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) gelenkt werden.
Caesiums hat den 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.
Seit Ende der 1950er Jahre werden jährlich weltweit etwa 100 bis 200 Caesiumuhren produziert. Alle
funktionieren nach dem obigen Prinzip, Unterschiede in Details führen zu etwas verschiedenen Eigenschaften. Gegen störende elektrische Felde wird ein Magnetfeld (magnetic field) eingesetzt, Magnetfelder
selbst sind kaum, Gravitationsfelder gar nicht abschirmbar. Dennoch realisieren die besten Caesiumuhren
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die SI-Sekunde mit einer Unsicherheit von wenigen 10
s. Sie können aufgrund des hohen Gewichts, des
hohen Energieverbrauchs und der großen Strahllänge (bis 6 m!) in Satelliten nicht eingesetzt werden.
Die Rubidium-Uhr (z.B. eingesetzt in den GPS-Satelliten)
Im Rubidiumdampf-Frequenznormal (Rubidiumuhr) wird der Übergang zwischen den
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Hyperfeinstrukturniveaus des Isotops Rb bei einer Frequenz von f0 = 6384 MHz verwendet. Das Prinzip
zeigt folgende Abbildung:
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,
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geschickt. Anschließend regt es Rb-Atome in einer mit Puffergas gefüllten Absorptionszelle an, die sich
in einem Mikrowellenresonator befindet. Das Puffergas, eine Mischung leichter Edelgase, verlängert die
Wech-selwirkungszeit 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,
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durch sog. optisches Pumpen selektiv das untere Hyperfeinstrukturniveau der Rb-Atome zu entvölkern,
sodass diese Atome nach einiger Zeit Aufenthalt in der Zelle kein (Pump)-Licht mehr absorbieren können.
Sobald Mikro-wellenstrahlung 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 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 GPSNavigationssystems.
Das Funktionsprinzip einer Rubidiumuhr weist einige gravierende Schwächen auf. 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. Gegen
Magnetfelder schlecht und gegen Gravitationsfelder gar nicht geschirmt, unterliegt auch diese Uhr vielen
physikalisch störenden, nicht vermeidbaren Einflüssen. Nicht zuletzt aus diesen Gründen müssen die
Satellitenuhren des GPS von den Bodenstationen aus kalibriert, bzw. ständig kontrolliert und nachgestellt
werden. Zum Nachweis der Einsteinschen Relativitätstheorien eignen sie sich deshalb nicht.
Siehe dazu den Aufsatz: Relativistische Korrekturen für GPS und ihre Sinnlosigkeit!
Caesiumuhren CS1, CS2 ... CS4 ...
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Mit dem Ziel, eine besonders hohe Genauigkeit über lange Betriebszeiten zu erreichen, wurden an der
PTB die Atomuhrengeneration CS1... CS4 ... entwickelt und aufgebaut. Derzeit besitzt die PTB 6 industriell
gefertigte Caesiumuhren.
Die neu entwickelten Caesiumuhren brachten einige Vorteile mit. Das für die Aufspaltung der Terme
erforderliche schwache Magnetfeld legte man in die Flugrichtung der Atome. Die eingesetzten Magneten
waren viel kleiner als die vorher verwendeten Zweipolmagneten und hatten ein viel schwächeres
magnetisches Streufeld. So konnte man mit einem rotationssymmetrischen Strahl kleinen Durchmessers
(3 mm) arbeiten. Dadurch verringern sich die Fehler, die durch nicht phasensynchrone
Hochfrequenzfelder für die Bestrahlung der Atome bedingt sind. CS1 wurde 1969 in Betrieb genommen.
Bis 1974 dauerte die Erprobung. Seit 1975 arbeitet CS1 im Dauerbetrieb. Die Unsicherheit des Normals
beträgt weniger als 1 Sekunde auf 1 Million Jahre. Die Internationale Atomzeitskala (TAI)1, die
Koordinierte Weltzeit (UTC) und die Gesetzliche Zeit in Deutschland richten sich weitgehend nach CS1.
Die Apparatur wiegt etwa 20 kg, Strahllänge 1,4 m. Ihre Anwendung in Satelliten ist eher nicht möglich.
Allerdings sind mittlerweile Caesium-Uhren so klein und kompakt geworden, dass sie in neuen Satelliten
bereits zum Einsatz kommen.
Nach den Generationen CS2 .. CS4 ... wurden die bislang genauesten Atomuhren, die FontänenAtomuhren CSF1 CSF 2 ... (usw) konstruiert.
Fontänen-Atomuhr CSF1
Der Phasenvergleich zwischen atomarer Schwingung und Generatorfeld ist um so genauer, je mehr Zeit
zwischen den beiden Mikrowellenanregungen vergeht. Das Ziel war daher, die Flugzeit gegenüber der mit
einem thermischen Atomstrahl erreichbaren zu verlängern. Hierzu baute man eine "Caesium-Fontäne"
auf, in der die langsamen Atome aus einer senkrecht orientierten thermischen Quelle unter der Wirkung
der Schwerkraft umkehren sollten. So konnte man ihre Zustandsänderung nachweisen, nachdem sie
sowohl beim Steigen als auch beim anschließenden Fallen dasselbe Mikrowellenfeld durchflogen hatten.
Durch Laserkühlung sammelt man in Bruchteilen einer Sekunde etwa 107 kalte Caesiumatome in einer
Wolke auf, deren Relativgeschwindigkeiten im Bereich von einigen cm/s liegen. Die Atome sind sozusagen
"eingefroren" und man erhält eine Quelle kalter Atome. Werden die Laser, die die vertikale Bewegung der
Atome beeinflussen, auf definierte Weise kurzzeitig gegeneinander verstimmt, so kann den gekühlten
Atomen ein gezielter "Schubs" aufwärts gegeben werden: Sie fliegen mit einigen m/s nach oben, steigen
solange auf, bis die Schwerkraft ihre Bewegungsenergie aufgezehrt hat, und fallen auf dem gleichen Weg
wieder zurück.
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Ähnlich wie in einer konventionellen Atomuhr
wird der Energiezustand der Atome manipuliert
und gemessen. Die Atome werden zu Beginn in
einem einzigen Energiezustand präpariert und
sie durchfliegen während ihrer Auf- und
Abwärtsbewegung ein Mikrowellenfeld. Die Zeit
der Wechselwirkung ist jedoch bedeutend
länger als in konventionellen Atomuhren: Wie
ein Stein, den man einen Meter hochwirft,
benötigen auch die Caesiumatome knapp eine
Sekunde, bis sie zum Ursprung zurückkehren.
Auf diese Weise wird die Wechselwirkungszeit T
verlängert und die Linienbreite des gemessenen
Resonanzsignals entsprechend verringert.
In einer magnetooptischen Falle werden ca.
107 Cs-Atome aufgesammelt und durch
Laserkühlung und sogenannte "optische
Melasse" auf eine Geschwindigkeit von einigen
cm/s abgebremst. Durch geeignet eingestrahlte
Laserfelder wird die Wolke kalter Cs-Atome auf
eine Höhe von fast 1 m geworfen. Die
Wechselwirkungszeit entspricht der Flugzeit
zwischen den beiden Passagen durch den
Mikrowellen-Resonator (microwave cavity) und
liegt im Bereich von 0,5 s. Am Ende eines
Messzyklus wird mit einem optischen
Nachweisverfahren (detector) der
Energiezustand der Cs-Atome nach der
Mikrowellen-Anregung bestimmt.
Bei diesen "atomaren Fontänen" setzt die
Schwerkraft der Meßauflösung Grenzen. Schon
für eine Meßdauer von einer Sekunde ist eine
riesige Versuchsanordnung notwendig. Man
versucht daher, kleinere Apparate für den
Einsatz in Satelliten und Raumstationen zu
entwickeln (Pharao = Projet d'horloge atomique
par refroidissement d'atomes en orbite).
Die Abweichung dieser Fontänen-Atomuhren
beträgt im besten Fall eine Sekunde in 33
Millionen Jahren, das entspricht pro Tag einigen
Millionstel des milliardsten Teiles einer
Sekunde. Allerdings sind diese Uhren schon von
ihrer Funktion her abhängig von der
Schwerkraft. Ihr (geplanter) Einsatz zur
Überprüfung der Einsteinschen
Relativitätstheorien ist daher nicht ganz
unproblematisch (siehe Aufsatz zum GPS).
Video:Funktion der Fontänen-Atomuhr
Linkes Bild: NIST-F1 Cesium Fountain Atomic Clock, Colorado
1 Das Institut "Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) in Paris berechnet die offizielle Uhrzeit mit Hilfe von GPSNavigationssatelliten und per Messung der Erddrehung an Hand von Laserreflektoren auf dem Mond. Zur Ermittlung der Atomzeit dienen
Frequenzgeneratoren als "Uhren". Die Signale dieser Uhren werden zur Erkennung eventueller Störungen ständig miteinander verglichen.
Über das GPS-System wird permanent der Mittelwert von etwa 200 Atomuhren in 60 Ländern berechnet. Diese "Internationale
Atomzeit" (TAI) muß allerdings noch leicht korrigiert werden, da die Drehung der Erde geringfügige Unregelmäßigkeiten aufweist. Mit der
Einführung der Atomuhr 1967 wurde auch ein neuer Zeitstandard vereinbart. Bisher hatte man die Zeit anhand der Position der Sonne im
Zenit, der Drehung der Erde sowie ihres Umlaufes um die Sonne berechnet. Damit galt die Sekunde als ein bestimmter Bruchteil der
Erddrehung, nämlich ihr 31.556.925,974ster Teil. Mit dem neuen Standard wurde die Sekunde als das Zeitintervall definiert, das
9.192.631.700 elektromagnetischer Schwingungen des Cäsium-133-Isotopes entspricht. Diese schwingenden Atome stellen eine Art
natürlicher Uhr von extremer Präzision dar. Ein Atomtag ist daher die Summe von 86.400 Atomsekunden.
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