Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt und ihre Uhren. Nils Nemitz Berlin,

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1 Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt und ihre Uhren Nils Nemitz Berlin,

2 Überblick Die PTB Warum messen wir die Zeit? Wie messen wir die Zeit? Atomzeit für alle? -2-

3 Überblick Die PTB Warum messen wir die Zeit? Wie messen wir die Zeit? Atomzeit für alle? -3-

4 Die PTB Werner von Siemens Physikalisch-Technische Bundesanstalt: Nationales Metrologieinstitut, seit 1887 Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) 1752 Mitarbeiter 140 Mio. Budget -4- Hermann von Helmholtz

5 Metrologie Meter-o-logie : Wissenschaft und Anwendung des richtigen Messens Rückführung der Messwerte auf das SI über nationale Normale Bestimmung der Messwerte mit Messunsicherheitsbetrachtung Meteorologie: -5-

6 Standorte der PTB Braunschweig Berlin-Charlottenburg euroluftbild.de MLS und PTB-Labor bei BESSY II, Berlin-Adlershof -6-

7 Was zeichnet die PTB aus? Die PTB ist keine typische Behörde: 60 % Forschung / Entwicklung 30 % Kalibrierung / Dienstleistung 10 % Beratung / Gremienarbeit Die PTB ist kein typisches Forschungsinstitut: Sie hat eine Grundbeauftragung von Verfassungsrang: die Sicherstellung der Einheitlichkeit des Messwesens in Deutschland Eigene Forschung ist notwendig aufgrund höchster technologischer Anforderungen Viele ihrer Aufgaben sind speziell gesetzlich geregelt Die PTB ist wesentlicher Teil der wissenschaftlichtechnischen Infrastruktur Deutschlands -7-

8 Gesetzliche Aufgaben Über 60 Gesetze und Verordnungen übertragen der PTB spezifische Aufgaben -8-

9 Darstellung der Einheiten Beispiele Aufbewahrung und Nutzung der nationalen Kopien des Urkilogramms Erforschung von Verfahren zur Neudefinition des Kilogramms auf atomarer Grundlage Atomuhren der neuesten Generation Messunsicherheit: besser als (0,03 µs/jahr) Entwicklung optischer Uhren für die Zukunft -9- und vieles mehr!

10 Weitergabe der Einheiten Beispiele Gesetzliches Messwesen Eichbehörden / Prüfstellen (85) (400) 120 Mio. Messsysteme Deutscher Kalibrierdienst PTB DKD (3 500 x) DKD Industrie ( x) Industrie ( x)

11 Innovation Technologietransfer, KMU-Förderung Know-how-Transfer z. B. an die Fa. Werth Messtechnik, Opto-taktiler Taster Ausgründung z. B. Etalon AG: Lasergestützte Präzisionsvermessung von Werkstücken Programm MNPQ-Transfer : gemeinsame Technologietransferprojekte vor allem mit KMUs

12 Internationale Angelegenheiten Messwesen vereinheitlichen, Handelshemmnisse abbauen Weltweite Metrologie Zusammenarbeit mit Metrologieinstituten, internationale Vergleichsmessungen CIPM - MRA; WTO - TBT Zusammenarbeit in internationalen Gremien Meterkonvention, gesetzliches Messwesen, Normungsgremien Europäische Großprojekte imera Plus, Galileo, ITER Technische Zusammenarbeit Unterstützung von Entwicklungs- und Schwellenländern

13 Internationale Angelegenheiten Technische Zusammenarbeit Projektpartner der PTB: 43 Projekte in 81 Ländern auf 4 Kontinenten davon 25 bilateral und 14 regional Stand: Aug

14 Überblick Die PTB Warum messen wir die Zeit? Wie messen wir die Zeit? Atomzeit für alle?

15 Warum messen wir die Zeit? relative Ungenauigkeit allgemeine Koordination Beispiel Armbanduhr maximale Abweichung 100 s / Tag relative Ungenauigkeit etwa 10-3 (akademisches Viertel nach 10 Tagen) trad. Navigation < 1 s / Tag etwa 10-5 (Messung der geographischen Länge auf 25 km nach 2 Monaten)

16 Warum messen wir die Zeit? allgemeine Koordination relative Ungenauigkeit Feinabgleiche z.b. Frequenzsynchronisation des Stromnetzes: etwa 10-9 relative Unsicherheit, ein 50 Hz Zyklus pro Jahr

17 Warum messen wir die Zeit? Kommunikation Feinabgleiche allgemeine Koordination relative Ungenauigkeit Moderner Mobilfunk: 3,84 MHz Signalfrequenz (UMTS) stabil auf einen Puls über 24 Stunden:

18 Warum messen wir die Zeit? Kommunikation Feinabgleiche allgemeine Koordination relative Ungenauigkeit Ortsbestimmung Satellitennavigation (GPS, Galileo): 10 ns Zeitdifferenz entsprechen etwa 3 m Ortsfehler Bei Nachstellen der Uhren alle 24 Stunden: (Frequenzkorrektur für allgemeine Relativitätstheorie: )

19 Warum messen wir die Zeit? Ortsbestimmung Kommunikation Feinabgleiche allgemeine Koordination relative Ungenauigkeit Grundlagenforschung Hochauflösende Radioteleskope (VLBI) Höchste Präzision überhaupt: Positionsinvarianz der Naturgesetze Konstanz der Naturkonstanten

20 Überblick Die PTB Warum messen wir die Zeit? Wie messen wir die Zeit? Atomzeit für alle?

21 Was ist eine Uhr? Frequenzstandard Zähler

22 Schnellerer Takt erlaubt genauere Uhren Ein passender Frequenzteiler liefert wieder einen Puls pro Sekunde

23 Cäsium als Frequenzstandard Cäsium (Cs): Ein schweres, nicht radioaktives Atom metallisch, häufig, ungiftig, chemisch ähnlich Natrium Der Grundzustand existiert in zwei stabilen Unterzuständen: oder Durch Einstrahlen einer Mikrowellen-Frequenz von exakt Hz lässt sich der Zustand umklappen

24 Cäsium als Frequenzstandard Die Sekunde ist das fache der Cäsium (Cs): Periodendauer der dem Übergang zwischen den Ein schweres, nicht radioaktives Atom beiden Hyperfeinstrukturniveaus desnatrium Grundmetallisch, häufig, ungiftig, chemisch ähnlich zustandes von Atomen des Nuklids 133Cs Der Grundzustand existiert in zwei stabilen Unterzuständen: entsprechenden Strahlung. Quelle: BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) oder Durch Einstrahlen einer Mikrowellen-Frequenz von exakt Hz lässt sich der Zustand umklappen

25 Cäsium als Frequenzstandard Cäsium (Cs): Ein schweres, nicht radioaktives Atom metallisch, häufig, ungiftig, chemisch ähnlich Natrium Der Grundzustand existiert in zwei stabilen Unterzuständen: oder Mikrowelle Durch Einstrahlen einer Mikrowellen-Frequenz von exakt Hz lässt sich der Zustand umklappen

26 Cäsium als Frequenzstandard Cäsium (Cs): Ein schweres, nicht radioaktives Atom metallisch, häufig, ungiftig, chemisch ähnlich Natrium Der Grundzustand existiert in zwei stabilen Unterzuständen: oder Mikrowelle Durch Einstrahlen einer Mikrowellen-Frequenz von exakt Hz lässt sich der Zustand umklappen

27 Aufbau einer Atomuhr

28 Aufbau einer Atomuhr

29 Aufbau einer Atomuhr Wenn der Zustand der Cäsium-Atome optimal umgeklappt wird, ist die Frequenz der Mikrowelle exakt Hz

30 Aufbau einer Atomuhr Primärer Frequenzstandard Wenn der Zustand der Cäsium-Atome optimal umgeklappt wird, ist die Frequenz der Mikrowelle exakt Hz.

31 Die Cäsium-Uhr CS2 an der PTB relative Ungenauigkeit : 1 Sekunde in 3 Millionen Jahren!

32 Mehr Genauigkeit durch längeres Messen synchronisierter Start

33 Mehr Genauigkeit durch längeres Messen synchronisierter Start Nach 5 Minuten Welche Uhr ist schneller?

34 Mehr Genauigkeit durch längeres Messen synchronisierter Start Nach 60 Minuten Grüne Uhr geht definitiv vor

35 Mehr Genauigkeit durch längeres Messen synchronisierter Start Nach 600 Minuten Grüne Uhr geht 10 Minuten vor, also 1 Minute pro Stunde. Relative Abweichung:

36 Mehr Genauigkeit durch längeres Messen Fazit: Vergleich ist eigentlich nur am Anfang und Ende nötig. Möglichst lange Zeit zwischen den Vergleichen

37 Mehr Genauigkeit durch längeres Messen Fazit: Vergleich ist eigentlich nur am Anfang und Ende nötig. Möglichst lange Zeit zwischen den Vergleichen. Die Cäsium-Fontäne: Ultrakalte Atome, nur 1 / C vom absoluten Nullpunkt entfernt, bilden eine Atomwolke, die sich hochwerfen lässt. Interaktion mit der Mikrowelle auf dem Weg nach oben und nach unten liefert zwei Vergleichspunkte. Resultat: Messintervall jetzt 0,5s (statt 0,01s im Atomstrahl). Relative Unsicherheit besser als 10-15!

38 Mehr Genauigkeit durch längeres Messen Fazit: Vergleich ist eigentlich nur am Anfang und Ende nötig. Möglichst lange Zeit zwischen den Vergleichen. Rückkehr durch Gravitation Die Cäsium-Fontäne: Ultrakalte Atome, nur 1 / C vom absoluten Nullpunkt entfernt, bilden eine Atomwolke, die sich hochwerfen lässt. Interaktion mit der Mikrowelle auf dem Weg nach oben und nach unten liefert zwei Vergleichspunkte. Resultat: Messintervall jetzt 0,5s (statt 0,01s im Atomstrahl). Relative Unsicherheit besser als 10-15! Fallenlaser: 4 horizontale, 2 vertikale

39 Mehr Genauigkeit durch längeres Messen Fazit: Vergleich ist eigentlich nur am Anfang und Ende nötig. Möglichst lange Zeit zwischen den Vergleichen. Die Cäsium-Fontäne: Ultrakalte Atome, nur 1 / C vom absoluten Nullpunkt entfernt, bilden eine Atomwolke, die sich hochwerfen lässt. Rückkehr durch Gravitation Frequenzvergleich: 2 Durchgänge durch einen Mikrowellenresonator Interaktion mit der Mikrowelle auf dem Weg nach oben und nach unten liefert zwei Vergleichspunkte. Zustandsdetektion: Laser und Photodiode Resultat: Messintervall jetzt 0,5s (statt 0,01s im Atomstrahl). Relative Unsicherheit besser als 10-15! Fallenlaser: 4 horizontale, 2 vertikale

40 Die Cäsium-Fontänen der PTB Deutschlands beste Uhren, CSF1 und CSF2. Ungenauigkeit : 1 Sekunde in 30 Millionen Jahren, 43 Sekunden seit Beginn des Universums!

41 Die nächste Uhrengeneration? Cäsium-Uhren nähern sich ihren Grenzen Was dann? Neudefinition der Sekunde? Neuer Standard: Tickt noch schneller Lässt sich noch länger beobachten Optische Uhren Licht statt Mikrowellen, möglich seit wenigen Jahren durch die Entwicklung des optischen Frequenzkammes (Nobelpreis 2005!) Entwicklungsarbeit in vielen internationalen Gruppen, auch an der PTB: z.b. Ytterbium-Ionen Uhr: GHz Übergangsfrequenz statt 9 GHz im Cäsium (tickt mal schneller!), einzelnes Ion über Monate eingesperrt Yb? ca Frequenzkamm

42 Ein Kopf-an-Kopf Rennen (noch): Cäsium- und optische Uhren An der PTB untersuchte optische Standards: Ytterbium (Yb), Kalzium (Ca), Strontium (Sr), bald Aluminium (Al)

43 Überblick Die PTB Warum messen wir die Zeit? Wie messen wir die Zeit? Atomzeit für alle?

44 Atomuhren für alle? CS1, seit HP5071, seit 1993

45 Atomuhren für alle? : Tragbare Rubidiumreferenz (verschiedene Hersteller) in naher Zukunft: chip-scale atomic clock Atomare Frequenzstandards mit relativer Ungenauigkeit kosten mittlerweile nur noch wenige hundert Euro. Soviel wie eine gute Armbanduhr Und heute einmal richtig gestellt, gehen sie in 50 Jahren erst s falsch

46 Einfacher: Zeitübertragung Happy Birthday! 50 Jahre DCF und noch lange nicht veraltet: Seit 2008 z.b. lokales Wetter und Katastrophenwarnungen Europaweit empfangbar* (* Verzögerung 1 ms pro 300 km)

47 DCF77-Sender Mainflingen Uhren und Steuerung Sendeverstärker Langwellenantenne DCF77 Sender in Mainflingen (bei Frankfurt): Trägerfrequenz 77,5 khz, Lage: N, E Nominelle Senderleistung 50 kw, abgestrahlt 30 kw Antennenhaus

48 DCF77-Sender Mainflingen Uhren und Steuerung D C F 77 Deutschland Langwellensender nahe Frankfurt auf Frequenz 77,5 khz Sendeverstärker Langwellenantenne DCF77 Sender in Mainflingen (bei Frankfurt): Trägerfrequenz 77,5 khz, Lage: N, E Nominelle Senderleistung 50 kw, abgestrahlt 30 kw Antennenhaus

49 DCF77-Sender Mainflingen Langwellenantenne 3 kommerzielle Cäsium-Uhren regelmäßig nachgestellt nach dem bei der PTB empfangenen Signal. Sendeverstärker relative Unsicherheit, allerdings langfristig: Normale Funkuhren empfangen auf etwa 0,1s genau, optimal erreichbar Uhren und Steuerung sind etwa 25µs Antennenhaus

50 DCF77 - Signalkodierung 77,5 khz Signal mit Amplitudenmodulation: Sekundenmarke : Amplitude fällt auf 25% Minutenmarke : Sekundenmarke 59 fehlt. Weitere Information kodiert als Länge der Absenkung: 100 ms Absenkung: ms Absenkung: 1 59 Bit pro Minute!

51 Zeitempfang über GPS Größere (kurzfristige) Genauigkeit möglich über GPS Laufzeit von vier Satellitensignalen ergibt vier Informationen: x,y,z und t Wenn t um eine Millionstelsekunde falsch ist, entspricht das einem Positionsfehler von 300 m. Sehr gute Uhr (langfristig und kurzfristig), leider etwas komplizierter als DCF

52 Internationale Zeitvergleiche GPS direkte Übertragung GPS-Zeitübertragung wird auch für internationale Zeitvergleiche benutzt, ergänzt durch Transfer über Kommunikationssatelliten. PTB dient dabei als europäischer Knoten des Netzwerks

53 Ende des Rundgangs

54 Ende des Rundgangs Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Zeitstress? Die Götter mögen den verdammen, der als erster herausgefunden hat, wie man die Stunden auseinander halten kann. Verdammt sei auch, wer hier eine Sonnenuhr aufgestellt hat, um meinen Tag so schändlich in kleine Teile zu zerhacken. (Plautus, ca. 200 v.chr.)