PTB in Deutschland rüstet Cäsium-Atomuhr mit AWG-Steuerungssystem auf – neuer Sequence-Restart-Modus

de.wedoany.com-Bericht: Am 16. September gab Spectrum Instrumentation die neueste Anwendung seiner Arbitrary Waveform Generatoren (AWG) bei der Modernisierung der Cäsium-Fontänen-Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Deutschland bekannt. Die PTB hat die AWG-Karte Spectrum M4x.6622-x4 im PXIe-Format in die beiden Cäsium-Fontänenuhren CSF1 und CSF2 integriert und damit Teile der bisherigen kundenspezifischen analogen Steuerschaltungen durch ein digitales Waveform-Generierungssystem ersetzt, um für die Laserkühlung, den Atomauswurf und den Zustandsnachweis RF-Signale bereitzustellen. CSF1 und CSF2 tragen gemeinsam zur Aufrechterhaltung der deutschen nationalen Referenzzeitskala UTC(PTB) bei.

Die Cäsium-Fontänenuhren der PTB verwenden den Grundzustandsübergang des Cäsium-133-Atoms als Frequenzreferenz. Im Betrieb werden die Cäsiumatome zunächst in einer magneto-optischen Falle oder einer optischen Melasse auf Mikrokelvin-Niveau gekühlt und anschließend durch Laser nach oben beschleunigt. Die Atomwolke durchläuft beim Auf- und Abstieg zweimal den Ramsey-Mikrowellenresonator; das System verriegelt die atomare Resonanzfrequenz durch Messung der Übergangswahrscheinlichkeit. Ein einzelner vollständiger Messzyklus dauert etwa 1,2 Sekunden und läuft kontinuierlich über 24 Stunden.

Das Kernstück dieser Modernisierung, das M4x.6622-x4, erzeugt die zur Ansteuerung der akusto-optischen Modulatoren erforderlichen RF-Wellenformen und steuert damit die Laserfrequenzen, die in den Phasen Kühlung, Auswurf und Nachweis der Cäsiumatome verwendet werden. Die PTB setzte bisher kundenspezifische analoge Elektroniksysteme für diese Steuerungsaufgaben ein; mit steigenden Anforderungen an den Langzeitbetrieb und die Wartung der Geräte begann das Forschungsteam, die betreffenden Steuerungsketten auf eine digitale AWG-Architektur umzustellen.

Während der Systemintegration ergab sich für die PTB die Anforderung, dass jeder Laser in verschiedenen Betriebsphasen der Atomuhr bestimmte Wellenformsequenzen aufrufen muss; die ursprünglichen AWG-Betriebsmodi konnten diese Zeitsteuerungsanforderung nicht direkt erfüllen. Daraufhin entwickelte Spectrum für das M4x.6622-x4 den Sequence-Restart-Modus, mit dem Wellenformsequenzen auf externe Steuerungsanforderung neu gestartet und mit dem Arbeitszyklus der Fontänenuhr synchronisiert werden können. Nach der Entwicklung dieser Funktion wurde sie im PTB-System getestet.

Spectrum hat den Sequence-Restart-Modus auf seine AWG-Serien 65xx und 66xx erweitert und stellt ihn bestehenden Nutzern über den neuesten Treiber kostenlos zur Verfügung. Die Serien 65xx und 66xx gehören zur Produktlinie der Hochgeschwindigkeits-Arbitrary-Waveform-Generatoren von Spectrum und können zur Erzeugung mehrkanaliger RF- und komplexer Wellenformsignale eingesetzt werden; der neue Betriebsmodus entstand aus den tatsächlichen Steuerungsanforderungen der Atomuhren der PTB.

Die beiden Cäsium-Fontänenuhren der PTB dienen nicht nur der Erzeugung der gesetzlichen Zeit in Deutschland, sondern nehmen auch am globalen Vergleich von Atomuhrdaten und am Aufbau der Internationalen Atomzeit teil. Die für den Betrieb der Atomuhren erforderlichen Lasersteuerungs-, Mikrowellenanregungs- und Zeitsteuerungssysteme müssen über lange Zeit kontinuierlich arbeiten; die AWG-Modernisierung betrifft dabei hauptsächlich den Bereich der Laser-RF-Steuerung.