Rubidium-Oszillator

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Rubidium-Oszillator

Ein Rubidium-Oszillator, auch als Rubidium-Atomuhr bezeichnet, ist ein Oszillator welcher die Hyperfeinstrukturkonstante von einem Isotop des chemischen Elementes Rubidium (87Rb) zur Ableitung einer genauen Zeitreferenz verwendet. Damit können kompakte und preisgünstige Atomuhren hergestellt werden.[1] Anwendungen von Rubidium-Oszillatoren liegen bei genaue Zeit- und Frequenzreferenzen in Sendeanlagen, Mobilfunkstationen, als Referenzsignal in Test- und Prüfgeräten und als Zeitgeber in den Satelliten des Global Positioning System (GPS).

Rubidium-Atomuhren weisen allerdings eine höhere relative Standardabweichung als Atomuhren mit einer Caesium-Fontäne auf. Als Frequenznormale zur Festlegung der internationalen Atomzeit (TAI) werden daher wegen der höheren Präzision die im Aufbau voluminöseren und teureren Atomuhren mit Caesium-Fontäne eingesetzt.

Aufbau[Bearbeiten]

Der Rubidium-Oszillator besteht aus einer mit Rubidium gefüllten Gasentladungslampe deren Licht durch eine kleine Kammer mit gasförmigem Rubidium geleitet wird und die Intensität des Lichtes durch einen Photodetektor gemessen wird. Wird die Kammer mit gasförmigem Rubidium durch Mikrowellen mit einer Frequenz von 6.834.682.610,904324 Hz (ca. 6,8 GHz) bestrahlt, dies ist die Frequenz des Hyperfeinstrukturübergangs von 87Rb mit einer relativen Standardabweichung von 3 * 10-15, kommt es zufolge von Resonanzeffekten im Rubidium zu einer Intensitätsreduktion des Lichtes am Photodetektor welche gemessen werden kann.[2]

Diese Helligkeitsänderung dient als Regelsignal in einer Frequency Locked Loop um einem elektrisch verstimmbaren Quarzoszillator zu verändern, welcher im Mittel auf die Frequenz des Hyperfeinstrukturübergangs von ca. 6,8... GHz abgestimmt ist. Die vom Quarzoszillator erzeugte elektrische Schwingung dient einerseits als Teil des Regelkreises dazu um über eine Antenne in die Resonanzkammer mit gasförmigen Rubidium abgestrahlt zu werden. Anderseits wird diese Frequenz verwendet um daraus mit Frequenzteilern, je nach Anwendung sind verschiedene Werte üblich wie 10 MHz oder einen Sekundenimpuls, für die weitergehende Verarbeitung zur Verfügung zu stellen.[3]

Kommt es im Quarzoszillator, beispielsweise durch störende Temperatureinflüsse, zu einer kleinen Frequenzabweichung in der Frequenz, resultiert dies in einer Zunahme des Lichtintensität am Photodetektor - durch die Regelelektronik wird die elektrisch veränderbare Frequenz des Quarzoszillators dann so verändert, dass sie wieder der Frequenz von 6.834.682.610,904324 Hz des Hyperfeinstrukturübergangs von 87Rb entspricht und die Intensität des Lichtes am Photodetektor im Minimum gehalten wird. Um die Abweichungen des Quarzoszillators zufolge Änderungen zu minimieren wird dieser ab bestimmten Genauigkeitsklassen als ein beheizter Quarzoszillator (OCXO) ausgeführt.

Rubidium-Oszillatoren haben eine begrenzte Standzeit, welche primär durch die eingesetzte Gasentladungslampe und deren Ausfall bestimmt ist. Typische Standzeiten für die Lampe liegen um die 10 Jahre.[3]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Rubidiumuhren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. QUANTUM Chip Scale Atomic Clock. Microsemi Corporation, abgerufen am 22. April 2014.
  2. Recommended values of standard frequencies for applications including secondary representations of the definition of the second. BIPM, abgerufen am 22. April 2014.
  3. a b PRS10 — Rubidium frequency standard with low phase noise. Stanford Research Systems, abgerufen am 22. April 2014.