Atomuhr

Eine Atomuhr ist eine Apparatur zur sehr genauen Messung der Zeit. Ihr Zeittakt wird meist auf die Eigenfrequenz von Cäsium-Atomen abgeglichen. Die 13. internationale Konferenz für Maße und Gewichte legte 1967 mit einem Faktor von 9.192.631.770 (rund 9192 MHz) die Dauer einer Sekunde an der Periodendauer von Feinstrukturschwingungen des natürlichen Isotops 133 fest. Die Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig liefert seit 1991 auf dieser Grundlage das Zeitnormal für die gesetzliche Zeit.^[1] Die entsprechenden Signale können Funkuhren über den Zeitzeichensender DCF77 auf Langwelle empfangen; sie sind auch per Telefon und im Internet^[2] per Network Time Protocol (NTP) abrufbar. Heutzutage lassen sich die meisten Uhren zum Beispiel in Bahnhöfen und in Computern darauf abstimmen. Ähnlich präzise arbeiten Atomuhren mit Rubidium und mit Thallium.

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1 Funktionsprinzip

Wirkungsweise einer Atomuhr

Das Funktionsprinzip der Atomuhr ist wie folgt: In einem kleinen Behältnis wird Cäsium verdampft und zu einem Strahl gebündelt. Zentral für die Wirkungsweise ist ein Quarzoszillator, VCXO (Voltage-Controlled Xtal Oscillator), mit dessen Frequenz einerseits die eigentliche Uhr angesteuert wird und andrerseits ein Frequenzvergleich zur Eigenfrequenz des Cäsiums vorgenommen wird.

Die Elektronen eines Atoms haben bestimmte Eigenschaften, welche durch ihre Quantenzahlen beschrieben werden. Für das Verständnis der Wirkungsweise der Atomuhr ist der Zustand des Elektrons bedeutsam, dessen Zustände als "Spin up" oder "Spin down" bezeichnet werden. Wird ein solches Elektron z.B. durch Mikrowellen-Strahlung energetisch angeregt, so findet ein Sprung von "Spin down" auf das Energieniveau "Spin up" statt.

Das verdampfte Cäsium, dessen Atome nur jeweils ein Elektron auf der Außenschale haben, befördert so zahlenmäßig ausgewogen diese äußeren Elektronen hin und her. Da diese Spinzustände magnetische Erscheinungen sind, besteht die Möglichkeit, Atome mit unterschiedlichen Spinzuständen zu selektieren. Hinter dem erwärmenden Behältnis, welche als Quelle des Atomstrahls dient, passiert der Strahl einen Magneten, der Polarisator genannt wird und welcher nur Atome mit Außenelektron im "Spin down"-Zustand, d.h. dem niedrigeren Energieniveau, zum Mikrowellen-Resonator lenkt. Zum Verständnis der Funktionsweise im Resonator ist anzumerken, dass die Übergänge zwischen den Energiezuständen des Außenelektrons im Zusammenhang mit einer Mikrowellen-Strahlung von 9192 MHz stehen, d.h. trifft eine äußere Strahlung mit dieser Frequenz auf das Außenelektron im "Spin down"-Zustand, dann wird die Strahlungsenergie absorbiert und das Elektron nimmt das höhere "Spin up"-Energieniveau ein. Nach einer gewissen Zeit fällt es zurück auf die niedrigere Energiestufe und sendet dabei Photonen mit der gleichen Frequenz aus. Im Mikrowellen-Resonator treffen die CS-Atome auf die von außen generierte Mikrowelle, deren Frequenz mit Umrechnungsfaktor dem Zeittakt der Uhr entspricht und regelbar ist. Je genauer die Eigenfrequenz 9192 MHz der CS-Atome erreicht wird, desto mehr Außenelektronen vollziehen in einem solchen Resonanzfall den Übergang zur höheren Energiestufe. Hinter dem Resonator wird mittels eines Detektor ausgewertet, wie hoch der Anteil der Atome mit Übergang auf das höhere Energieniveau ist. Je nach dem Detektorsignal wird die Frequenz des Oszillators nachgestellt, so dass einerseits die Ganggenauigkeit der Uhr gesteigert und andererseits die Frequenz der Mikrowelle auf die Eigenfrequenz der CS-Atome abgestimmt wird.

2 Nachregelung der Uhr

Wenn der Quarzoszillator ständig genau die Frequenz 9192 MHz an die nachgeschaltete Anzeigeeinheit der Uhr geben würde, wäre im Prinzip alles in Ordnung und es wären ein stabiler Zeittakt und eine perfekte Ganggenauigkeit erreicht. Obwohl ein Schwing-Quarz eine hohe Genauigkeit hat, kommt es doch zu Ungenauigkeiten, so dass bei Abweichung sofort eine Nachregulierung erfolgt, indem festgestellt wird, dass die Mikrowellen-Frequenz des Frequenz-Generators von der Eigenfrequenz der CS-Atome abweicht. Diese Differenz ist daran zu erkennen, dass die im Detektor ausgewerteten Außenelektronen nicht alle den Übergang auf das höhere Energieniveau vollzogen haben. Wenn eine solche Differenz auftritt, wird die Frequenz und damit auch der Zeittakt der Uhr solange geändert bis keine Abweichung zwischen Frequenz von außen und Eigenfrequenz der Atome mehr vorhanden ist.

Auch die sogenannten Quarzuhren arbeiten nach diesem Prinzip, wenn auch nicht so genau. Zudem findet ein internationaler Vergleich der PTB mit 85 anderen Instituten statt. Zu beachten ist die jeweils zum Jahresende auftretende Zeitdifferenz, da ein Sonnenjahr rund 365,25 Tage dauert. Aufgrund der Vielzahl von erforderlichen Nachregelungen wird das allgemeine Signal für Funkuhren in Deutschland zwar im 24-Stunden-Betrieb gesendet, aber von den meisten Funkuhren nur einmal am Tage, und zwar meist nach Mitternacht abgerufen. Es gibt allein über 100 Millionen Empfänger in Deutschland.^[3]