Atomuhr
Eine Atomuhr ist eine Apparatur zur sehr genauen Messung der Zeit. Ihr Zeittakt wird auf die Eigenfrequenz von Caesium-Atomen abgeglichen. Atomuhren sind derzeit die genauesten Uhren und werden auch primäre Uhren genannt.
Inhaltsverzeichnis
Funktionsprinzip
Allgemeines
Das Funktionsprinzip der Caesiumuhr ist wie folgt: In einem kleinen Behältnis wird Caesium verdampft und zu einem Caesium-Atomstrahl gebündelt. Zentral für die Wirkungsweise ist ein Quarzoszillator, VCXO (aus dem Englischen: Voltage-Controlled Xtal Oscillator), mit dessen Frequenz einerseits die eigentliche Uhr angesteuert wird und andrerseits ein Frequenzvergleich zur Eigenfrequenz des Caesiums vorgenommen wird. Die Frequenz des Quarzoszillators wird ständig entsprechend der Resonanzprüfung nachgestellt.
Energieniveaus
Die Elektronen eines Atoms haben bestimmte Eigenschaften, welche durch ihre Quantenzahlen beschrieben werden. Für das Verständnis der Wirkungsweise der hier beschriebenen Atomuhr ist der magnetische Zustand des Elektrons bedeutsam, dessen Zustände anglizistisch als „Spin up“ (Drehung bzw. Drall nach oben) oder „Spin down“ (Herabdrehung bzw. Drall nach unten) 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.
CS-Atomstrahl vor, im und hinter dem Resonator
Das verdampfte Caesium-133, dessen Atome nur jeweils ein Elektron auf der Außenschale haben, befördert so zahlenmäßig ausgewogen diese äußeren Elektronen in zwei Energiezuständen („Spin up“ und „Spin down“). Da diese Spinzustände magnetische Erscheinungen sind, besteht die Möglichkeit, Atome mit unterschiedlichen Spinzuständen zu selektieren. Hinter dem erwärmenden Behältnis, welche als Quelle des CS-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 wäre 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 Detektors 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 über Faktor die Ganggenauigkeit der Uhr gesteigert wird und andererseits die Frequenz der Mikrowelle auf die Eigenfrequenz der CS-Atome abgestimmt wird.
Nachregelung der Uhr
Wenn der Quarzoszillator beständig genau die Frequenz 9192 MHz über konstantem Umrechnungsfaktor an die nachgeschaltete Anzeigeeinheit der Uhr geben würde, wäre 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 der Ganggenauigkeit 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.
