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Wie funktionieren Atomuhren?

Wie funktionieren Atomuhren?

Atomare Schwingungen in Atomuhren als Grundlage für die Sekunde

In einer Atomuhr nehmen freie Atome einen von zwei möglichen Energiezuständen ein. Sie werden durch eine externe Frequenz angeregt, ihren Zustand zu wechseln. Je besser die Frequenz zu den maximal möglichen Schwingungen der jeweiligen Atome passt, desto messbarer ist die unterschiedliche Resonanzfrequenz, die die Atome in ihren unterschiedlichen Zuständen abstrahlen. Die angelegte Frequenz kann dadurch auf die Schwingung der Atome optimiert werden. Die hohe Stabilität und Genauigkeit des Zustandswechsels der Atome erzeugt so eine hohe Stabilität und Genauigkeit der anliegenden Frequenz.

Die Schwingungen des Caesiumatoms definieren seit 1967 die Grundlage für eine Sekunde:

"Die Sekunde ist das  9 192 631 770-fache  der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cs-133 entsprechenden Strahlung."

Da es inzwischen noch stabilere und präzisere Atomuhren gibt, wird vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht eine neue Definition der Sekunde auf einer neuen Basis empfohlen. Eine Arbeitsgruppe des Consultative Committee for Time and Frequency (CCTF) hat unter Mitwirkung der Physikalisch Technischen Bundesanstalt PTB einen Aktionsplan erstellt. Als möglicher Zeitpunkt für eine Neudefinition wird 2030 gesehen (Quelle: PTB).

Welche Arten von Atomuhren gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Atomuhren, die nach dem verwendeten Atom und der spezifischen Technologie unterschieden werden können. Einige dieser Uhren haben die Größe mehrerer 19 Zoll Schränke und sind sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb so teuer, daß nur auf präzise Zeit spezialisierte staatliche Einrichtungen diese primäre Atomuhren betreiben. Sie tragen zur Weltzeit bei und dienen als primäre Referenzzeit für anspruchsvolle Synchronisationsaufgaben.

Es gibt auch Atomuhren in kleineren Baugrößen, die als Zeitreferenz in Datencentern, Satelliten, Laboren, Kommunikationsnetzen oder zur Synchronisation von Stromnetzen benützt werden. Und es gibt die Möglichkeit, Uhren präzise auf die Zeit der Primären Atomuhren zu synchronisieren, zum Beispiel über die Zeit der GNSS Navigationssatelliten oder über Glasfaser-Verbindungen.

Konventionelle Caesium-Atomuhren

In den über einige Jahrzehnte meistverbreiteten Caesium-Atomuhren werden Caesium-Atome in einem Ofen erhitzt, und über ein Mikrowellensignal in Schwingung gebracht. Die auf die Schwingungen optimierte Frequenz dient als Basis für die Definition von Sekunden, und damit Minuten, Stunden und Tagen. In Deutschland tragen zwei dieser Uhren bei der PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt) in Braunschweig zur Weltzeit bei.

Casesium Fontäne

Die PTB in Braunschweig verfügt auch über zwei Caesium-Fontänen. Bei diesen neueren Caesium-Atomuhren werden die freien Caesiumatome abgekühlt und dadurch stark verlangsamt. Ein Laser bringt die Atome auf eine ballistische Laufbahn, wo sie in Schwingung gebracht werden. Da sie gekühlt langsamer reagieren, können sie für eine noch genauere Frequenz die Grundlage bilden.

Optische Atomuhren

Optische Atomuhren regen Atome durch eine Frequenz im optischen Spektralbereich zu Schwingungen an. Diese Taktfrequenz von 100 THz bis 1000 THz ist um ein Vielfaches höher, als bei konventionellen Caesium-Atomuhren. Eine Sekunde wird dadurch in noch viel kleinere Einheiten zerlegt, dadurch steigen Präzision und Stabilität. Beispiele für Atome, die in optischen Atomuhren verwendet werden, sind Strontium, Ytterbium und Aluminium.

Strontium Gitteruhr

Bei der optischen Gitteruhr werden Strontiumatome im Interferenzmuster zweier Laserstrahlen festgehalten. In diesem so genannten „optischen Gitter“ kann dann das atomare „Pendel“, d.h. die Absorptionsfrequenz der Atome, sehr genau bestimmt werden – derzeit mit einer Genauigkeit von 17 Stellen. (Quelle und Bild oben: PTB)

Wasserstoff-Maser

MASER steht für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radation (Verstärkung von Mikrowellen durch stimulierte Emission von Strahlung). Bei einer Wasserstoff-Maser-Uhr werden Wasserstoffmoleküle in Wasserstoffatome gespalten und zu Schwingungen angeregt, die durch ihre Strahlung die Energie des angelegten Mikrowellensignals verstärken.

Rubidium-Oszillator

In einem Rubidium Oszillator wird Rubidium verdampft und durch einen regelbaren Quarzoszillator mit Mikrowellen bestrahlt. Der Rubidium Dampf befindet sich in einer Gasentladungslampe, deren Helligkeit mit den Rubidium Atomen schwingt. Die angelegte Frequenz des Quarzoszillators wird durch die Schwingungen der Rubidium Atome geregelt.

Ein Rubidium Oszillator hat eine Baugröße, die die Verwendung in Laboruhren ermöglicht. Die Genauigkeit ist etwas geringer als bei den oben genannten Atomuhren, liegt aber dennoch bei einer relativen Abweichung von 3x10-15, das heißt, dass die Uhrzeitmessung pro Jahr um etwa 94.62 Nanosekunden von ihrem mittleren Wert abweichen kann.

Weiterführende Links und Quellen

Im Bild oben:

Die stabilste optische Atomuhr der Welt: Die optische Strontium-Gitteruhr der PTB. (Abb.: PTB)

Wie funktioniert eine Atomuhr?

https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/fragenzurzeit/fragenzurzeit13.html

Wie ist eine Sekunde definiert?

https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/fragenzurzeit/fragenzurzeit14.html

Was ist eine Strontium Gitteruhr?

https://www.ptb.de/cms/de/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-43/ag-432/strontium-gitteruhr.html

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