CHRONOS. Die Atomuhren der. Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Horst Hassler. Frankfurt / Main -1-

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1 Horst Hassler Die Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) -1-

2 Die Vorgeschichte Nach einer über 15jährigen Vorgeschichte mit Werner v. Siemens als wesentlichem Organisator und finanziellem Förderer, wurden mit der Zustimmung von Bismarck > am 28. März 1887 durch den Reichstag die erforderlichen Mittel genehmigt und damit die Gründung einer Physikalisch-Technischen Reichsanstalt ermöglicht... der wachsenden Bedeutung der Naturwissenschaften für Wirtschaft und Industrie Rechnung zu tragen... Die neue Reichsbehörde war ein nationales Institut >> für die experimentelle << Förderung der exakten Naturforschung und Präzisionstechnik Wissenschaftler konnten frei von Lehrverpflichtungen und unabhängig von industriellen Auftraggebern auf dem Gebiet der Metrologie forschen. Metrologie [griechisch] >>> Die Wissenschaft von den Maßen und Gewichten -2-

3 Der Vorläufer Auf dem von Werner v. Siemens geschenkten Grundstück in Bln-Charlottenburg wurde die PTR errichtet, sein erster Präsident war der bekannte Wissenschaftler > Hermann von Helmholtz - auch genannt Reichskanzler der Wissenschaft Physikalische Abteilung Laboratorien für Wärme, Elektrizität, Optik Technische Abteilung Laboratorien für Feinmechanik, Wärme und Druck Elektrizität, Optik Erste gesetzliche Aufgaben mit dem Reichsgesetz Nr. 26: Betreffend die elektrischen Maßeinheiten vom 01. Juni 1898 Ab 1923 für alle gesetzlichen Einheiten verantwortlich einschl. der Oberaufsicht über Eich- und Prüfämter. -3-

4 Die Erfolgreichen Aus der grossen Zahl hervorragender Mitarbeiter und Gäste der PTR hier einige historische Persönlichkeiten: > Walther Bothe ( ) Nobelpreis für Physik 1954 > Albert Einstein ( ) Nobelpreis für Physik 1921 > Max von Laue ( ) Nobelpreis für Physik 1914 > Walter Nernst ( ) Nobelpreis für Chemie 1921 > Willy Wien ( ) Nobelpreis für Physik 1911 Nicht zu vergessen die beiden Physiker die die ersten deutschen Quarzuhren gebaut haben und damit 1935 den Beweis erbrachten, dass die Rotation der Erde nicht konstant ist - damit wurde die Grundlage der damaligen Zeiterfassung >>> vom Maßstab zur Meßgrösse <<< Dr. Adolf Scheibe Dr. Udo Adelsberger -4-

5 Die PTB in Braunschweig Nach Kriegsende 1945 waren die Berliner Einrichtungen der PTR zerstört, viele Laboratorien bereits vorher in verschiedene Orte des Reichsgebiets ausgelagert Ab 1947 Zusammenführung der in den Westzonen verstreuten Abteilungen in Braunschweig und 1950 als Physikalisch-Technische Bundesanstalt und als > nationales Metrologieinstitut der Bundesrepublik Deutschland die Tätigkeit aufgenommen wurde das Institut Berlin (West) angegliedert Fortschritt und Zuverlässigkeit in der Messtechnik sind die Leitlinien der PTB >>> Metrologie die Kernkompetenz <<< Tätigkeitsbereiche (der heute ca Mitarbeiter) in den 4 Arbeitsgebieten: > Grundlagen der Metrologie (Grundlagenforschung) > Messtechnik für den gesetzlich geregelten Bereich (Verbraucherschutz) > Messtechnik für die Industrie (Qualitätssicherung) > Internationale Zusammenarbeit (weltweite Vereinheitlichung) Die Atomuhren sind organisatorisch heute angesiedelt in Abteilung 4 Optik Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz -5-

6 Die PTB und die Zeit Die Behörde Die PTB ist das nationale Metrologieinstitut der Bundesrepublik Deutschland mit > wissenschaftlich-technischen Dienstleistungsaufgaben für > Bürger, Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft. Sie ist natur- und ingenieurwissenschaftliches Staatsinstitut und die technische Oberbehörde für das Messwesen... Die PTB gehört zum Dienstbereich des >>> Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie <<< Gesetz über die Zeitbestimmung Im Zeitgesetz (ZeitG) vom in der geänderten Fassung vom Die gesetzliche Zeit wird von der PTB dargestellt und verbreitet 3 Ermächtigung zur Einführung der mitteleuropäischen Sommerzeit Zur Zeit Die PTB ist durch o.g. Zeitgesetz von 1978 (1994) damit beauftragt die für das > öffentliche Leben < in der Bundesrepublik maßgebende Uhrzeit anzugeben! Die Atomuhren der PTB (CS1... CSF1) zählen zu den genauesten der Welt!!! -6-

7 Die Sekunde Die Sekunde (lat. secunda) nach der Minute die zweite Unterteilung der Stunde > der kleinste Zeitabschnitt, der > noch < gut zählbar und darstellbar ist Deshalb zur physikalisch - technischen Grundeinheit (Basiseinheit SI) bestimmt Zwar wurde mit dem Reichsgesetz Nr. 7 in Deutschland zum 01. April 1893 die > Mitteleuropäische Zeit (MEZ) eingeführt, aber es gab keine amtliche Vorgabe der Sekunde als verbindliches > Zeitmaß < Erst 1956 (!) wurde vom >>> Internationalen Komitee für Maß und Gewicht <<< die Einheit Sekunde (sog. Ephemeridensekunde) definiert als der Bruchteil > 1 / , 9747 des tropischen Jahres am um 12:00 Uhr -7-

8 Das Zeitnormal Im Prinzip ist jeder periodisch gleichmässig, stetig ablaufende Vorgang als ein > Zeitnormal verwendbar Das astronomische Zeitnormal Ist die Bewegung der Erde um die Sonne. Die Sekunde in früheren Tagen als der > ste Teil des mittleren Sonnentages festgelegt und die das tägliche Leben bestimmende Uhrzeit von der > mittleren Sonnenzeit < abgeleitet Das physikalische Zeitnormal Wie wir wissen, sind natürliche Zeitsysteme für exakte Zeitmessungen ungeeignet deshalb 1967 die Sekunde über eine atomphysikalische Konstante definiert als Dauer von Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands vom Cäsium-133-Atom entspricht. Atomare Konstanten sind > zeitlich < und > örtlich < unveränderlich und lassen sich beliebig oft reproduzieren. Alle Cäsiumatome sind gleich (ununterscheidbar) während verkörperte Normale wie z.b. Sekundenpendel niemals zwei völlig identisch sein können!!! -8-

9 Das Cäsium Chemisches Element aus der Gruppe der Alkalimetalle mit dem Zeichen Cs > Ordnungszahl 55 > Massenzahl 133 > Schmelzpunkt 28,5 C > Siedepunkt 705 C Das seltene, silbrige, sehr weiche Metall findet sich nur in > gebundener Form Im Jahr 1860 von R. Bunsen und R. Kirchhoff durch Spektralanalyse entdeckt Im Jahr 1882 von C. Setterberg als Metall erstmalig hergestellt > Das Cs - Isotop ist nicht radioaktiv!!! Für die Strahlung ist eine Umorientierung der Elektronen in der Hülle des Atoms verantwortlich, es erfolgt keine Änderung des Atomkerns!!! Verwendung: Cäsium wird in der Elektrotechnik u.a. zur Herstellung von Photozellen und in der Nuklearmedizin verwendet -9-

10 Die Entwicklung der Atomuhren Schrittmacher in der Entwicklung von Atomuhren waren Forscherteams von: > NBS National Bureau of Standards, Boulder, Colorado, USA (*) > NPL National Physical Laboratory, Teddington, England 1949 wurde am NBS die erste Molekularuhr gebaut, dabei > Ammoniak-Gas < in einer Elektronenröhre zu einer Eigenschwingung von ,4 MHz angeregt 1951 arbeitete am NBS die erste Cäsiumuhr mit direkter Frequenzmessung 1955 arbeitete am NPL die erste Cäsiumuhr mit direkter Frequenzmessung Weitere erfolgsversprechende Versuche bei NBS und NPL mit den Elementen > Cäsium, Thallium, Wasserstoff und Rubidium 1958 in Zusammenarbeit mit dem U.S. Naval Observatory in Washington D.C. die erste > Atomzeitskala < basierend auf der Cäsium Hyperfeinfrequenz erstellt Die Eigenfrequenz des Cs-Atoms in verschiedener Hinsicht als so > vorteilhaft < dass die 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht am 13. Okt eine neue > Definition der Sekunde die >>> Atomsekunde <<< einführte (*) Heisst jetzt NIST - National Institute of Standards and Technology -10-

11 Das Internationale Büro für Maß und Gewicht Seit 1988 ist das Bureau International des Poids et Mesures BIPM bei Paris der >>> Verwalter der Atomzeit <<< Die heutige Aufgabe der Zeitbestimmung besteht im betreiben von Atomuhren um ausgehend von einem willkürlichen Ausgangspunkt durch Aneinanderreihen > möglichst gleich langer Sekunden eine Atomzeitskala zu erzeugen Die weltweite Koordination der Atomzeitskalen obliegt dem BIPM, die wirklichen > Lieferanten der Zeit sind die nationalen Zeitinstitute - zum Vergleich der Atomuhren wird überwiegend das Global Positioning System (GPS) verwendet. Auch das IERS, das die astronomischen Zeitskalen verwaltet, erfüllt in diesem Szenario eine wichtige Rolle; die Astronomen werden nach wie vor gebraucht!!! -11-

12 Der Internationale Erdrotationsdienst Der International Earth Rotation Service IERS ist eine multinationale Behörde > gesteuert vom Bundesamt für Kartographie und Geodäsie in Frankfurt/Main Wesentliche Technologiezentren des IERS sind: Hauptaufgaben des IERS sind die Ermittlung, Vorhersage und Dokumentation der > Rotationsschwankungen der Erde -12-

13 Die Freie Atomzeit Zeitinstitute haben in der Regel mehrere Atomuhren um ihre eigenen Zeitskalen vor Unterbrechung zu schützen. Durch Zusammenfassung einer Uhrengruppe > wird eine stabile, zuverlässige und genauere Gruppen-Zeitskala erzeugt Über 50 nationale Metrologieinstitute mit ca. 250 Atomuhren speisen beim BIPM ihre > Freie Atomzeit < ein, das daraus einen gewichteten Mittelwert erzeugt > die Freie Atomzeitskala EAL (Echelle Atomique Libre) Die grösste Wichtung erhalten Uhren, die sich im Hinblick auf Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit besonders qualifiziert haben. Seit Juli 1996 sind dies die: 1. LPTF - F01 vom BNM - LPTF, Paris, Frankreich 2. NIST - F1 vom NIST, Boulder, Colorado, USA 3. PTB - CS2 von der PTB, Braunschweig 4. PTB - CS1 von der PTB, Braunschweig 5. PTB - CSF1 von der PTB, Braunschweig 6. CRL - 01 vom CRL, Tokio, Japan 7. NRLM - 4 vom NRLM, Tsukuba, Japan -13-

14 Das globale Netzwerk Das internationale Netzwerk der Zeitinstitute die das BIPM mit Atomzeit beliefern -14-

15 Die Internationale Atomzeit Die Temps Atomique International TAI ist eine > koordinierte Atomzeitskala < definiert in einem geozentrischen Bezugssystem mit der SI-Sekunde als Skalenmaß > der Anfangspunkt (Nullpunkt) der TAI ist der 01. Jan.1958 um 00:00 Uhr Sie wird vom BIPM realisiert und monatlich (im Circular T) als Standdifferenzen zu den freien Atomzeitskalen der nationalen Institute publiziert Die (permanent optimierte) Berechnungsmethode geht in 2 Schritten vor. Erst wird nach einem speziellen Rechenverfahren (ALGOS) zunächst die Gang-Instabilität aller beitragenden Uhren ermittelt. Gemäss dem statistischen Gewicht erfolgt dann > der Prozess der Mittelung der Uhrengänge Gemäss Relativitätstheorie sind zeitliche Vorgänge abhängig von Massenverteilung und Bewegungszustand. TAI ist deshalb auf das Gravitationspotential Meereshöhe bezogen, die Effekte der Lage der einspeisenden Uhren werden herausgerechnet Abweichung TAI gegenüber einer idealen Uhr: +/- 0, sec/jahr -15-

16 Die Koordinierte Weltzeit Die Zeitskala Universal Time Coordinated UTC ist identisch (gleiches Skalenmaß) mit TAI mit Ausnahme der von Zeit zu Zeit eingefügten Schaltsekunden. Sie ist > die weltweit einheitliche Grundlage für die Zeitbestimmung im täglichen Leben und wird mit Zeitzeichen verbreitet. Da sich unser Alltag nach dem Sonnenstand und der ungleichmässigen Erddrehung richtet, muss sichergestellt werden, dass UTC näherungsweise der aus >> astronomischen Beobachtungen << gewonnenen > korrigierten Universalzeit UT1 entspricht Entfernen sich UTC und UT1 mehr als +/- 0,9 sec so wird auf Anweisung des IERS eine >> Schaltsekunde << eingefügt dies erfolgt weltweit zum gleichen Zeitpunkt Seit dem 01.Jan.1972 existiert UTC und die Differenz zu UTC-TAI wurde auf -10 sec festgesetzt. >>> Zur Zeit beträgt der Abstand -33 sec <<< Das heisst, die Erde hat seit Jan.1958 bis zur letzten Schaltsekunde am ihre > Umdrehungen noch nicht ganz vollendet, es fehlen ihr über 32 sec! -16-

17 Das IERS - Bulletin C 30 INTERNATIONAL EARTH ROTATION AND REFERENCE SYSTEMS SERVICE (IERS) SERVICE INTERNATIONAL DE LA ROTATION TERRESTRE ET DES SYSTEMES DE REFERENCE SERVICE DE LA ROTATION TERRESTRE OBSERVATOIRE DE PARIS 61, Av. de l'observatoire PARIS (France) Tel.: 33 (0) FAX: 33 (0) Paris, 4 July 2005 Bulletin C 30 To authorities responsible for the measurement and distribution of time UTC TIME STEP on the 1st of January 2006 A positive leap second will be introduced at the end of December The sequence of dates of the UTC second markers will be: 2005 December 31, 23h 59m 59s 2005 December 31, 23h 59m 60s 2006 January 1, 0h 0m 0s The difference between UTC and the International Atomic Time TAI is: from 1999 January 1, 0h UTC, to 2006 January 1 0h UTC: UTC-TAI = - 32s from 2006 January 1, 0h UTC, until further notice: UTC-TAI = - 33s Leap seconds can be introduced in UTC at the end of the months of December or June, depending on the evolution of UT1-TAI. Bulletin C is mailed every six months, either to announce a time step in UTC or to confirm that there will be no time step at the next possible date. Daniel GAMBIS, Head, Earth Orientation Center of IERS, Observatoire de Paris -17-

18 Die Schaltsekunden bis UT1 - TAI Jan (Einführung UTC) UTC - TAI

19 Das Welt - Zeitsystem Nationale Institute BIPM Nationale Zeitskalen UTC Freie Atomzeit EAL Gewichteter Mittelwert von ca. 250 Atomuhren aus 50 Ländern Primärer Frequenz Standard IERS Universalzeit UT1 basierend auf Erdrotation Internationale Atomzeit TAI Basierend auf EAL bezogen auf Meereshöhe angepasst an SI-Sekunde Koordinierte Weltzeit UTC Basierend auf TAI mit Schaltsekunde bei Anweisung durch IERS monatliche Ergebnisse -19-

20 Chronologie der Atomuhren-Ära der PTB > 1959 Beginn der Aussendung von Zeitsignalen über den Sender DCF77 >>> Zeitmessung durch hochgenaue Quarzuhren >>> Sekunde auf astronomischer Basis definiert > 1960 Übergang auf die Atomzeitskala > 1961 Antrag auf Errichtung eines Atomuhrenhauses in Braunschweig > 1963 Beginn der Bauarbeiten für das Atomuhrenhaus > 1967 Umzug des Laboratoriums für Zeiteinheit in das neue Uhrenhaus > 1967 Internationale Neudefinition der Sekunde als Atomsekunde > 1969 Die Atomuhr CS1 (Cäsium-Eins) wird in Betrieb genommen > 1978 Die Verantwortung für die gesetzliche Zeit liegt nun bei der PTB > 1985 Die CS2 geht in Betrieb gefolgt in 1988 von der CS3 > 1992 Die CS4 geht in Betrieb und wird 2005 ausgemustert (Museum) > 1999 Die CSF1 (Cäsium-Fontänenuhr) geht in Betrieb und ist heute die mit Abstand beste Uhr in Deutschland -20-

21 Primäre Atomuhren der PTB Primäre Atomuhren unterscheiden sich von kommerziellen Cs-Uhren dadurch, dass ihre frequenzbestimmenden Parameter außerordentlich genau bekannt sind > Aufwendige Realisierung der mech. Komponenten und Regelungselektronik Die PTB besitzt derzeit 4 primäre Uhren - alle sind großvolumig und ortsfest > CS1 in Betrieb seit 1969 Unsicherheit: 0,7 x > CS2 in Betrieb seit 1985 Unsicherheit: 1,0 x > CS3 in Betrieb seit 1988 Unsicherheit: 1,4 x > CSF1 in Betrieb seit 1999 Unsicherheit: 1,0 x Die CS1 und CS2 waren lange Jahre weltweit die genauesten Atomuhren!! Insbesondere in den 80er Jahren war die PTB - Zeitskala nachweislich stabiler als >>> die gemittelten Atomzeitskalen anderer renomierter Zeitinstitute <<< Die CS4 (eine Schwesteruhr der CS3) in Betrieb seit 1992 wurde 2005 ausgemustert Weiterhin besitzt die PTB derzeit 6 kommerzielle Cs-Uhren, 3 in Braunschweig und 3 am Sender DCF77-21-

22 Schema der klassischen Cäsiumuhr Sortiermagnete Hohlraumresonator Sortiermagnete (Polarisator) magnetisch abgeschirmt (Analysator) Auffänger E 1 E 1 E 1 E 2 E 2 E 2 Atomstrahl-Ofen Bestrahlungsquelle f p Vakuumkammer Frequenz- Generator Quarz- Oszillator Frequenz- Regelung Die aussortierten E2-Atome werden in einem Mikrowellenfeld bestrahlt - im Resonanzfall gehen diese Atome in den Zustand E1 über und werden im Auffänger gezählt; ihre Anzahl ist am größten, wenn die Frequenz des Feldes dem charakteristischen Wert von f Cs des Cäsiums von genau Hz entspricht Die Güte der Regelung wird durch die Flugzeit der Atome im Resonator bestimmt!! -22-

23 Der mechanische Aufbau der CS2 Horizontalschnitt durch das primäre Zeit- und Frequenznormal CS2 Sortiermagnete (Polarisator) Vakuumkammer Hohlraumresonator Sortiermagnete (Analysator) cm magnetische Abschirmung Auffänger (Ionisations-Detektor) Cäsiumstrahl-Ofen Magnetfeldspule -23-

24 Die Deutsche Mutteruhr Seit 1991 wird die amtliche deutsche Zeit > von der CS2 abgeleitet Abweichung von der idealen Atomsekunde: +/- 1,2 x sec Die CS2 kann im Mittel von der idealen Uhr 1 sec in 2,5 Mio Jahren abweichen -24-

25 Die Cäsium - Fontänenuhr CSF1 Bei diesen Uhren werden Atome mit Hilfe von Laserlicht eingefangen, abgekühlt > und ca. 1 m senkrecht in die Höhe katapultiert und wie das Wasser in einem Springbrunnen beschreibt die Flugbahn der Atome eine Parabel Der Phasenvergleich zwischen atomarer Schwingung und Generatorfeld ist um so genauer, je mehr Zeit zwischen zwei Mikrowellenanregungen vergeht!!! Bei der Cs-Fontäne durchqueren die Atome zu Anfang sowie am Ende ihres Fluges das Mikrowellenfeld. Da ihre Geschwindigkeit langsamer und ihre Flugzeit wesentlich länger (ca. 50x) dauert > sind Springbrunnen-Uhren genauer Faktor 10 > als klassische Atomstrahl-Uhren Die CSF1 gehört mit 2 ähnlichen Uhren in Frankreich und den USA zu den derzeit genausten der Welt!!! -25-

26 Der mechanische Aufbau der CSF1 System der Laserkühlung zur Vakuumpumpe Laser magn. Abschirmung Magnetfeldspule Vakuumkammer Resonator Detektor Mikrowellenresonator Nachweiszone Laser Laser Magneto-Optische-Falle Cs-Vorratsbehälter Laser -26-

27 Die Atomuhrenhalle der PTB Lage: 75 m über N.N. TAI - Höhenkorrektur: -8,6 x sec -27-

28 Nachtrag zum Einstein-Jahr Will man mehrere Uhren miteinander vergleichen die sich relativ zueinander bewegen oder aber verschiedener Gravitation ausgesetzt sind, dann muss man die Regeln der > Allgemeinen Relativitätstheorie kennen und anwenden!!! Ohne dies zu berücksichtigen würde ein Vergleich von Atomuhren an verschiedenen Standorten unrichtige Ergebnisse liefern! NIST in Boulder, Colorado Höhe über Meeresspiegel: 1.650m PTB in Braunschweig Höhe über Meeresspiegel: 75m Bezug Meereshöhe So führt der Unterschied im Gravitationspotential Braunschweig und Boulder zu > einem relativen Frequenzunterschied von 1,6 x also mehr als dem 100fachen der Unsicherheit jeder der beiden dortigen Fontänenuhren!!! -28-

29 Die Gütekriterien Die charakteristischen Größen um die Qualität einer Atomuhr zu beschreiben sind: > die Unsicherheit in der Realisierung der SI-Sekunde und > die Instabilität der Frequenz d.h. des Ganges Die Entwicklung der Unsicherheit am Beispiel der US-Amerikanischen Atomuhren über die letzten 50 Jahre -29-

30 Ein Blick in die Zukunft In der nächsten Generation der Atomuhren wird die verwendete Referenzfrequenz nicht mehr wie beim Cäsium im Mikrowellenbereich, sondern im Bereich des >>> sichtbaren Lichts liegen <<< Eine mögliche Realisierung einer solchen nunmehr optischen Uhr beruht auf der > Spektroskopie eines > einzelnen < in einer sogenannten Ionenfalle gespeicherten elektrisch geladenen Atoms Mit Laserlicht kann man entgegenfliegende Atome abbremsen, dabei wird ihnen Energie entzogen - sie kühlen stark ab. Die Geschwindigkeit eines kalten Atoms liegt bei nur 10 mm/sec (gegenüber 150 m/sec bei Raumtemperatur) und steht deshalb beim Flug durch den Resonator viel längere Zeit zur Verfügung und erlaubt damit eine viel präzisere Messung der > Resonanzfrequenz Man erwartet eine weitere Steigerung der Genauigkeit um mindestens Faktor 10 gegenüber einer Fontänenuhr! -30-

31 Die Zeitverbreitung Als Medium der Zeitverbreitung dienen u.a. terrestrisch ausgestrahlte Radio- und Fernsehsignale. Daneben betreiben viele Länder spezielle Normalfrequenzsender. Neuerdings stehen mit den satellitengestützten Navigationssystemen GLONASS / > GPS weltweit Zeitsignale mit einer Genaugigkeit unter 1 µsec zur Verfügung GPS-Satellit Exakt gleichzeitig und vom gleichen Satelliten!!! UTC(A) h = km UTC(B) Mit Hilfe von GPS-Signalen werden auch Uhren- und Zeitskalenvergleiche zwischen verschiedenen Zeit-Instituten durchgeführt. Um die Zeitskalen von A - B zu vergleichen werden folgende Zeitdifferenzen ermittelt: > UTC(A) zur Systemzeit T(GPS) > UTC(B) zur Systemzeit T(GPS) die Meßdaten zwischen A - B ausgetauscht und die jeweiligen Differenzen gebildet. Die Unsicherheit der Vergleiche innerhalb Europas beträgt 2..3 nsec, interkontinenental wächst dies auf 5..8 nsec -31-

32 Die Zeitverbreitung in Deutschland Die Verbreitung der Zeit gehört zu den gesetzlichen Aufgaben der PTB, sie wird > über den Langwellensender DCF77 der Deutschen Telekom ausgestrahlt und ist für jedermann kostenlos zugänglich. Funkuhren in ganz Deutschland (+) sind genauer als 1 Millisec mit der gesetzl. Zeit verbunden > Sendefunkstelle Mainflingen - Lage: N, E > Vertikale 150 m hohe Rundstrahlantenne > Trägerfrequenz 77,5 khz > Sendeleistung 50 kw > Antennenleistung 30 kw > Reichweite km (+) > 24 Stunden Dauerbetrieb Das Zeitsignal wird am Sendeort von einer Steuereinheit der PTB erzeugt und von Braunschweig aus überwacht. Notwendige Korrekturen werden über eine Fernwirkanlage vorgenommen -32-

33 Die Einrichtungen am Sendeort Aus Sicherheitsgründen wird das Steuersignal in 3 voneinander unabhängigen > Steuerkanälen erzeugt und das Trägersignal (77,5 khz) sowie die aufmodulierten Sekundenmarken von je einer >> Cs-Atomuhr << abgeleitet!! Cs - Atomuhr Cs - Atomuhr Cs - Atomuhr Steuerkanal 1 Steuerkanal 2 Steuerkanal 3 Elektronische Umschalter Betriebsantenne EIRP = 30 kw Ersatzantenne EIRP = 30 kw Übergabe von PTB an T-Systems 50 kw-halbleiter- Betriebssender 50 kw-röhren- Ersatzsender In den elektron. Umschaltern werden die aktiven Steuersignale verglichen - bei Widerspruch erfolgt automatische Umschaltung auf einen Reservekanal -33-

34 Das Codierschema des Zeitsignals Während jeder Minute werden die Nummern von Minute, Stunde, Tag, Wochentag, Monat und Jahr durch Impulsdauer-Modulation der Sekundenmarken übertragen M : Minutenmarke (0,1 sec) R : Aussendung über Ersatzantenne A1: Ankündigung Wechsel MEZ / MESZ Z1: Zonenzeitbit (MEZ=0 / MESZ=1) Z2: Zonenzeitbit (MEZ=1 / MESZ=0) A2: Ankündigung einer Schaltsekunde S : Startbit der kodierten Zeitinformation P1 / P2 / P3: Prüfbits Die Codierung erfolgt nach dem BCD - Code: Dauer Sekundenmarke 0,1 sec = binäre Null Dauer Sekundenmarke 0,2 sec = binäre Eins Das gesendete Telegramm gilt jeweils für die folgende Minute! -34-

35 Die Reichweite und Verfügbarkeit Es ist eine zeitliche Verfügbarkeit der Signal-Aussendung von jährlich 99,7% in Verträgen festgeschrieben. Da Ersatzsender und Ersatzantenne zur Verfügung stehen, sind nur mit kurzen Unterbrechungen zu rechnen km Nach der Modernisierung (im Jahr 1997) der Antennenanlage muß selbst bei Gewittern am Sendeort die Aussendung nicht mehr für längere Zeit unterbrochen werden. Die zeitliche Verfügbarkeit im Jahr 2003 war mit 99,98% ungewöhnlich hoch!!! -35-

36 Die Überwachung von DCF77 In der PTB in Braunschweig wird die DCF77-Aussendung registriert und dabei die empfangenen Trägerphasen und die Stände der Sekundenmarken mit den durch > die primären Uhren der PTB vorgegebenen Sollwerten verglichen Berücksichtigt wird dabei u.a. auch der weitgehend konstante Laufzeitanteil aus der Übertragung von Mainflingen nach Braunschweig über die 273 km Luftlinie: > Laufzeit der Bodenwelle = 0,91 µsec Dieser Wert wurde mit einer mobilen Atomuhr ermittelt!! Atomuhr Falls sich Abweichungen ergeben, die signifikant größer als die typ. Schwankungen (Tag/Nacht - Kalt/Warm) sind, werden über eine Fernwirkanlage von Braunschweig aus notwendige Korrekturen vorgenommen. Es ist möglich in jedem der drei Steuerkanäle die Phase der Trägerfrequenz und die > aufmodulierte Zeitinformation in Schritten von +/- 0,1 µsec zu verschieben!!! -36-

37 Die Zeitdienste der PTB Die Atomuhren Schematische Darstellung der Zeitdienste der PTB UTC(PTB) Zeitserver ptbtime1.ptb.de ptbtime2.ptb.de Internet - Network Time Protocol MEZ bzw. MESZ Telefon- Zeitcode- Generator Öffentliches Telefonnetz via Modem -37- Steuersignal DCF77 Sender der Deutschen Telekom 24 Stunden Sendung auf 77,5 khz

38 PTB- Presseinformation vom Von Atomuhren bis Satellitennavigation Europäische Konferenz für Zeit und Frequenz findet in Braunschweig statt Einmal mehr ist Braunschweig Dreh- und Angelpunkt beim Thema Zeit: Vom 27. bis 29. März treffen sich in der Stadthalle Braunschweig mehr als 230 Wissenschaftler und Ingenieure aus 30 Nationen zum 20. Europäischen Frequenzund Zeit-Forum, um ihre neuesten Forschungsergebnisse auszutauschen. Atomuhren der nächsten Generation und Satellitennavigationssysteme werden zwei inhaltliche Schwerpunkte sein. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt, die Hüterin der Zeit in Deutschland, ist Ausrichterin und Organisatorin der diesjährigen Konferenz. Die Tatsache, dass die Zeit die am genauesten messbare physikalische Größe ist, verleiht ihr eine herausragende technologische Bedeutung. Zeitmessungen haben unmittelbare Auswirkungen sowohl auf die Grundlagenforschung als auch auf zahlreiche Alltagsanwendungen. Daher spannt auch das Tagungsprogramm den Bogen von neuesten Systemen und Bauteilen bis hin zu speziellen Atomuhren und der allgemeinen Weiterentwicklung von Zeitskalen und Zeitvergleichen. Mit der Satelliten-Zeitverteilung und mit optischen Frequenznormalen stehen zwei besonders aktuelle Schwerpunkte auf der Tagungsagenda. Im Rahmen von Galileo, dem zukünftigen europäischen Satellitennavigationssystem, werden beispielsweise neue Methoden für die Zeitverteilung entwickelt, an deren Konzeption und Ausbau die Physikalisch-Technische Bundesanstalt an prominenter Stelle beteiligt ist. -38-

39 PTB- Presseinformation vom Großer Schritt zur optischen Uhr Mit einem einzelnen Ytterbium-Ion, das in einer Ionenfalle gespeichert wurde, und einem Femtosekunden-Kammgenerator gelang in der PTB ein großer Schritt in Richtung auf eine optische Atomuhr. Die Frequenz eines optischen Yb + -Übergangs von ( ,7 ± 2,2) Hz wurde über mehrere Tage mit der Frequenz einer Cs-Fontänenuhr (CSF1) als Primärnormal verglichen. Justierung des Femtosekunden-Kammgenerators Die Messungen legen den Grundstein zum Betrieb einer optischen Uhr mit bisher >>> unerreichter Präzision <<< Mit ihrer gegenüber der Cs-Frequenz ca mal höheren Frequenz können optische Uhren Zeitintervalle wesentlich feiner unterteilen!!!... möglicherweise führt dies zu einer Neudefinition der Sekunde

40 ... wo wird das enden? Sekunde [s] Die dezimalen Teile der SI-Sekunde Millisekunde [ms] 0,001 Tausendstel Mikrosekunde[µs] 0, Millionstel Nanosekunde [ns] 0, Milliardstel Picosekunde [ps] 0, Billionstel Femtosekunde [fs] 0, Billiardstel Attosekunde [as] 0, Trillionstel

41 Der Mann im Hintergrund FAZ vom : Eine Erfindung ist auf dem besten Wege, die Spektroskopie, die Uhrentechnik und die stroboskopische Beobachtung ultraschneller Vorgänge zu revolutionieren. Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching bei München hat ein Team um Prof. Theodor Hänsch mithilfe eines Femtosekundenlasers einen optischen Frequenzkamm-Synthesizer entwickelt, der erstmals einen praktikablen Weg bietet, die Zahl der Lichtschwingungen pro Sekunde genau zu zählen. Solche optischen Frequenzmessungen können millionenfach genauer sein als herkömmliche spektroskopische Bestimmungen der Wellenlänge von Licht. Die neugewonnene Fähigkeit, den zeitlichen Verlauf eines Lichtfeldes genau zu messen und zu regeln, eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, von der physikalischen Grundlagenforschung bis hin zur Spektroskopie, der Uhrentechnik und in der Ultrakurzzeitphysik Prof. Dr. T. Hänsch -41- Physik- Nobelpreis 2005 Wegbereiter der optischen Uhr

42 Inhaltsverzeichnis 01 : 02 : 03 : 04 : 05 : 06 : 07 : 08 : 09 : 10 : 11 : 12 : 13 : 14 : 15 : 16 : 17 : 18 : 19 : 20 : 21 : 22 : 23 : 24 : 25 : Titel Die Vorgeschichte Der Vorläufer Die Erfolgreichen Die PTB in Braunschweig Die PTB und die Zeit Die Sekunde Das Zeitnormal Das Cäsium Die Entwicklung der Atomuhren Das Internationale Büro für Maß und Gewicht Der Internationale Erdrotationsdienst Die Freie Atomzeit Das globale Netzwerk Die Internationale Atomzeit Die Koordinierte Weltzeit Das IERS - Bulletin C 30 Die Schaltsekunden bis 1999 Das Welt - Zeitsystem Chronologie der Atomuhren-Ära der PTB Primäre Atomuhren der PTB Schema der klassischen Cäsiumuhr Der mechanische Aufbau der CS2 Die Deutsche Mutteruhr Die Cäsium - Fontänenuhr CSF1 26 : 27 : 28 : 29 : 30 : 31 : 32 : 33 : 34 : 35 : 36 : 37 : 38 : 39 : 40 : 41 : 42 : 43 : 44 : 45 : 46 : 47 : 48 : 49 : 50 : Der mechanische Aufbau der CSF1 Die Atomuhrenhalle der PTB Nachtrag zum Einstein-Jahr Die Gütekriterien Ein Blick in die Zukunft Die Zeitverbreitung Die Zeitverbreitung in Deutschland Die Einrichtungen am Sendeort Das Codierschema des Zeitsignals Die Reichweite und Verfügbarkeit Die Überwachung von DCF77 Die Zeitdienste der PTB PTB-Presseinformation vom PTB-Presseinformation vom wo wird das enden? Der Mann im Hintergrund Inhaltsverzeichnis -42-