Advanced Microwave Control for Atomic Fountain Clocks

Kazda, Michael

Time interval and frequency can be measured with lower uncertainty and greater resolution than any other physical quantity. Using caesium fountain clocks, the SI-second can be realized with uncertainties of several parts in 10^16. In a fountain clock, microwave fields are used to manipulate the atomic states. These fields are driven by dedicated microwave signals. The generation of microwave signals is a key aspect for the operation of fountain clocks, as it can significantly contribute to the clocks statistical as well as the systematic uncertainty. This thesis discusses the contributions of the microwave signal generation to the uncertainty of a caesium fountain. Several methods aimed at the reduction of the statistical as well as the systematic uncertainty were implemented and assessed. A modular microwave synthesizer has been designed, ensuring high reliability and high availability. By utilizing a high stability local oscillator, the contribution of the microwave signal generation to the statistical uncertainty of the fountain clock could be reduced to an insignificant level. The synthesizer has been augmented with a modulation scheme to implement the method of Rapid Adiabatic Passage for collisional frequency shift measurements. Application of this method in the fountain clock CSF2 lead to a significant reduction of the collisional shift uncertainty and enabled fountain operation with high atom numbers. Phase perturbations in the microwave fields during the state manipulation can lead to shifts of the fountain frequency if they are synchronous with the fountain cycle. To facilitate a detailed analysis of cyclic perturbations on the micro-radian level, a dedicated phase transient analyzer was developed. With this system, the effect of cyclic phase perturbations can be evaluated at the low 10^-17 level. Uncontrolled interactions between the caesium atoms and resonant microwave fields can also be a source of frequency shifts. A method for the suppression of such shifts has been developed, relying upon a precise control of the field's frequency detuning. By using this scheme, the uncertainty contributions due to such interactions at CSF2 could be limited to few parts in 10^17.

Von allen physikalischen Größen können Frequenz und Zeitintervall mit den geringsten Unsicherheiten bestimmt werden. Für die Realisierung der SI-Sekunde werden Caesium-Fontänenuhren eingesetzt, dabei werden relative Unsicherheiten von wenigen 10-16 erreicht. In Fontänenuhren nutzt man Mikrowellenfelder, um die atomaren Zustände der Caesium-Atome zu manipulieren, die Felder werden mit eigens entwickelten Mikrowellen-Signalgeneratoren erzeugt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der Mikrowellenerzeugung auf die Gesamtunsicherheit der Fontäne untersucht und Methoden zu deren Reduzierung entwickelt und bewertet. Der Fontänenbetrieb stellt hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der verwendeten Elektronik. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein modularer Mikrowellensynthesizer aufgebaut. Als Referenzsignal wurde eine optisch stabilisierte Mikrowellenquelle verwendet. Damit konnte der Beitrag der Mikrowellensynthese zur statistischen Unsicherheit der Fontäne deutlich reduziert werden. Bei dem Synthesizer wurde die Rapid Adiabatic Passage Methode implementiert um die Unsicherheit in der Bestimmung der Stoßverschiebung zu reduzieren. Die Methode wird an der Fontänenuhr CSF2 eingesetzt und erlaubt den Fontänenbetrieb mit deutlich höheren Atomzahlen und damit einer geringeren statistischen Unsicherheit. Wenn während der Manipulation der Atome Störungen in der Phase der Mikrowellenfelder auftreten, kann die Frequenzbestimmung beeinflusst werden. Sind diese Störungen synchron zum Abfragezyklus der Fontänenuhr, kann es zu einer Verschiebung der Fontänenfrequenz kommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Phasentransienten-Analysator entwickelt mit dem die Auswirkungen von zyklus-synchronen Phasentransienten auf wenige 10^-17 genau bestimmt werden können. Eine weitere mögliche Quelle für Frequenzverschiebungen ist die Interaktion von Caesium-Atomen während der wechselwirkungsfreien Zeit. Eine Verstimmung des Mikrowellenfeldes während dieser Zeit kann diesen Effekt und die damit verbundenen systematischen Unsicherheiten deutlich reduzieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein System zur präzisen Steuerung der Frequenz des Mikrowellenfeldes entwickelt und charakterisiert. Damit konnte sichergestellt werden, daß Unsicherheitsbeiträge durch diesen Effekt bei CSF2 im niedrigen 10^-17 Bereich liegen.

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Kazda, Michael: Advanced Microwave Control for Atomic Fountain Clocks. 2019.

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