Stanovení a šíření zákonného času v SRN

Atomové hodiny CS3 a CS4 v PTB

Fyzikální a technický spolkový úřad (PTB) je zákonem "O určení času" z roku 1978 pověřen autoritativně udávat čas pro veřejný život v SRN. Proto byly v PTB navrženy a sestrojeny čtyři vysoce přesné primární césiové atomové hodiny, značené CS1 až CS4. Tyto hodiny patří k nejpřesnějším hodinám na světě, přičemž údaje o času těchto hodin se odchylují během jednoho roku o méně než jednu miliontinu sekundy.

Čas stanovený PTB může používat každý, pokud přijímá vysílač dlouhých vln DCF77. Tento vysílač, který se nachází v blízkosti Frankfurtu nad Mohanem, šíří v trvalém provozu hodinový čas určovaný PTB. Zákon o času označuje tuto úlohu PTB jako "Stanovení a šíření zákonného času".

Rádiové hodiny v celé SRN tak mohou být pomocí signálu vysílaného DCF77 v souladu se zákoným časem s přesností menší než jedna milisekunda. Údaje o času v rozhlasových a televizních stanicích, na hodinách spolkové železnice, hlasové hodiny časové služby Německého Telekomu jsou řízeny DCF77, stejně jako mnoho hodin s tarifním spínáním energetických podniků, přístrojů dozírajících na dopravu a řídících činnost semaforů. V průmyslu a vědě se komplikované průběhy procesů řídí a hlídají časovými signály sířenými z PTB. Také pro domácí potřebu si každý může koupit hodiny řízené signálem DCF77.

Atomové hodiny CS1 a CS2 v PTB

Časová jednotka sekunda mezinárodního jednotkového systému SI byla v roce 1967 definována na bázi kmitu atomu ¹³³Cs. To následně vedlo ke stanovení světově uznávané atomové stupnice, která je vztažena k sekundě v nulové nadmořské výšce na nulovém poledníku. Nazývá se "Universal Time Coordinated" (koordinovaný světový čas) a nahradila dříve užívanou časovou stupnici GMT "Greenwich Mean Time". Přestupná sekunda, která se průměrně jednou ročně vloží do stupnice UTC, způsobuje, že se UTC odchyluje od starého času udávaného podle polohy slunce o méně než 0,9 sekundy.

Zákonný čas v SRN je buď středoevropský čas SEČ nebo středoevropský letní čas SELČ. Zda bude či nebude SELČ zaveden určuje předem nařízení spolkové vlády.

Atomová sekunda a atomové hodiny

Atomová sekunda

Na základě mezinárodních dohod je sekunda jako jednotka času definována následovně:

Sekunda je 9 192 631 770 násobek doby periody záření, která odpovídá době přechodu mezi dvěma úrovněmi hyperjemné struktury základního stavu atomu nuklidu cesia-133.

Realizace jednotky času je podle této definice provedena pomocí césiových atomových hodin, které jsou zhotoveny průmyslově nebo jsou sestrojeny a provozovány pro největší nároky na přesnost ve výzkumných laboratořích. Na světě existuje jen asi deset exemplářů těch posledně zmíněných.

Atomové hodiny

Atomové hodiny pracují podle následujícího principu: Ve vytápěné peci se atomy ¹³³Cs dostávají do dvou různých energetických stavů E₁ a E₂, z nichž jeden označíme symbolem (+) a druhý stav symbolem (-). Přechod atomu ze stavu (+) do stavu (-) může být vynucen, přičemž je tento přechod spojen s vysíláním elektromagnetického záření chrakteristické frekvence. Podle zákonů atomové fyziky je f_Cs rovna rozdílu energií stavů (+) a (-) dělené Planckovou konstantou h. V případě atomu césia má tato frekvence f_Cs hodnotu 9 192 631 770 Hz. U atomu césia je f_Cs daleko lépe časově konstantní (10^-14) než např. doba kmitu kyvadla (10^-5), doba periody oběhu Země (10^-8), nebo frekvence kmitu krystalu křemene (10^-11). Čas se tak stal veličinou, kterou umíme změřit s největší dosažitelnou přesností. V blízké budoucnosti se podaří tuto přesnost alespoň o dva řády zvětšit (text o nových časových normálech právě připravuji).

Ve vakuové komoře atomových hodin se vypařují atomy césia. Magnet, který se nachází za pecí vychyluje atomy tak, že se do komory dutinového rezonátoru dostanou jen atomy se stavem (+). Tady jsou atomy nuceny prostřednictvím ozáření magnetickým mikrovlnným polem přejít do stavu (-). Druhým magnetem jsou pak atomy, které zažily změnu stavu z (+) do (-), vedeny na detektor (wolframový drát). Počet atomů na detektoru je největší, pokud je frekvence magnetického mikrovlnného oscilátoru Q držena na frekvenci f_Cs. Zpětnovazební smyčka tak udržuje mikrovlnný oscilátor Q na frekvenci f_Cs. Napočítáním 9 192 631 770 period je získán ze signálu oscilátoru časový interval o jedné sekundě.

Schéma atomových hodin:

	O	pec vyzařující atomy
	Q	mikrovlnný oscilátor
	M	třídící magnety
	A	detektor
	H	dutinový rezonátor
	R	regulátor

Horizontální průřez primárním časovým a frekvenčním normálem CS2 v PTB:

O	pec na vytápění césia	S	třídící magnety
V	recipient vakua	M	zastínění mu-kovem
H	dutinový rezonátor	W	zařízení na střídání paprsků
C	cívka vytvářející homogenní magnetické pole	A	detektor

Výtah ze zákona o určení času z 25. července 1978, Sbírka zákonů SRN, část I., stránky 1110-1111 a nařízení vlády z roku 1994

§ 2 Spolková vláda je zmocněna z důvodu lepšího využití denního světla a právního předpisu s ostatními sousedícími státy o přiblížení počítání času zavést v časovém období mezi 1. březnem a 31. říjnem středoevropský letní čas.

§ 3 Středoevropský letní čas musí začínat a končit v neděli. Spolková vláda určí právním nařízením podle odstavce 1 datum a hodinu, ke které začne a skončí středoevropský letní čas, tak jako charakterizuje vzniknoucí hodinu na konci středoevropského letního času.