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Atomuhr

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Atomuhr Funktion.jpg

Schema einer Cäsium-Atomuhr

EinleitungBearbeiten

Bei der Atomuhr werden atomare Übergänge zum Regeln des Taktes benutzt. Als Definition der Sekunde wird ein bestimmtes Vielfaches der Periodendauer eines Hyperfeinstrukturüberganges des Grundzustands von Cäsiums benutzt. Das Funktionsprinzip beruht auf der sogenannten

Rabi-MethodeBearbeiten

Diese Methode ist zu Messung von eletrischen/magnetischen Momenten und der HFS-Aufspaltung geeignet.

Man lässt einen Molekül-/Atomstrahl (von z.B. Cs-Atomen) nacheinander durch eine Anordnung von 3 Magnetfeldern A, B und C fliegen, hinter der sich ein Detektor befindet.

Magnetfeld A ist inhomogen, wodurch die Atome entsprechend ihrem magnetischen Moment \vec{p}_m abgelenkt werden gemäß \vec{F}=\vec{p}_m \cdot \nabla\vec{B}. Magnetfeld B ist homogen, hier erfahren die Atome keine Ablenkung, werden aber in ihre (2J+1)Zeemann-Komponenten aufgespalten, mit J Gesamtdrehimpuls. Magnetfeld C ist wiederum inhomogen, wobei der Feldgradient gerade dem von A entgegengesetzt ist, sodass die Atome zum Detektor hin wieder kollimiert werden.

Der Trick besteht nun darin, im Bereich B HF-Wellen einzustrahlen. Ist die Frequenz passend, so werden Übergänge in den Zeemannniveaus induziert. Dadurch ändert sich die Besetzungsverteilung und damit die Orientierung der magnetischen Dipolmomente, sodass im Bereich C die in A erfolgte Diversion des Strahls nicht mehr kompensiert wird und eine Signaländerung auftritt.

FunktionsweiseBearbeiten

In der Cs-Atomuhr wird die Frequenz eingestrahlt, die dem Hyperfeinstrukturübergang F=3 zu F=3 des Grundzustandes entspricht. Da beide Zustände ein unterschiedliches magnetisches Moment haben, kommt der Strahl nicht mehr kollimiert auf dem Detektor an. Diese Veränderung des Signals steuert einen Regelkreis Einstrahlfrequenz und hält sie so stabil.

Im EinzelnenBearbeiten

AllgemeinesBearbeiten

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 (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.

EnergieniveausBearbeiten

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 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.

CS-Atomstrahl vor, im und hinter dem ResonatorBearbeiten

Das verdampfte Caesium-133, dessen Atome nur jeweils ein Elektron auf der Außenschale haben, befördert so zahlenmäßig ausgewogen diese äußeren Elektronen in zwei Energiezuständen, die als "Spin up" und "Spin down" bezeichnet werden. 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 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 über Faktor die Ganggenauigkeit der Uhr gesteigert wird und andererseits die Frequenz der Mikrowelle auf die Eigenfrequenz der CS-Atome abgestimmt wird.

Nachregelung der UhrBearbeiten

Wenn der Quarzoszillator ständig 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.

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