JP5727268B2 - Ion trap structure, ion trap type frequency standard, and output frequency stabilization method - Google Patents
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Description
本発明は、イオンを閉じこめたイオントラップ、これを備えるイオントラップ型周波数標準器及びその出力周波数の安定化方法に関する。 The present invention relates to an ion trap in which ions are confined, an ion trap type frequency standard equipped with the ion trap, and a method for stabilizing the output frequency.
水銀イオンを使用したイオントラップ型周波数標準器について説明された文献がある(例えば、非特許文献1を参照。)。また、2つのイオントラップを備えたイオン原子時計においてイオンを輸送する方法が開示されている(例えば、特許文献1を参照。)。 There is a document describing an ion trap type frequency standard using mercury ions (for example, see Non-Patent Document 1). In addition, a method of transporting ions in an ion atomic clock provided with two ion traps is disclosed (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に開示されるイオン原子時計のイオントラップは二つのイオントラップを、絶縁体で電気的に分離しながら、直列に接続した構造である。このため、この絶縁体の近傍では二つのイオントラップ電極が作る電界が干渉してイオンを閉じ込める力が弱くなり、この部分をイオンが通過するときにここからイオンがイオントラップ外に漏れ出すトラップホールが課題となっている。特許文献1では同一直線上にある電極の電圧を逆位相で駆動したり、異なる周波数の電圧で駆動することでトラップホールの影響を低減している。
The ion trap of an ion atomic clock disclosed in
しかし、2つのイオントラップ電極を直列に接続したイオントラップ構造では、完全にトラップホールを解消することは困難である。また、2つのイオントラップ電極を絶縁体を用いて接続するため構造が複雑になるという課題もある。 However, with an ion trap structure in which two ion trap electrodes are connected in series, it is difficult to completely eliminate trap holes. Another problem is that the structure is complicated because the two ion trap electrodes are connected using an insulator.
そこで、上記課題を解決するために、本発明は、構造がシンプルであり、且つトラップホールの影響を排除できるイオントラップ構造、イオントラップ型周波数標準器及び出力周波数安定化方法を提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention has an object to provide an ion trap structure, an ion trap type frequency standard, and an output frequency stabilization method that have a simple structure and can eliminate the influence of trap holes. And
上記目的を達成するために、本発明に係るイオントラップ構造は、1つのイオントラップで構成することとした。本明細書では、イオンを閉じ込めるイオントラップの領域を、単に「領域」と記載することがある。 In order to achieve the above object, the ion trap structure according to the present invention is configured by one ion trap. In this specification, an ion trap region for confining ions may be simply referred to as “region”.
具体的には、本発明に係るイオントラップ構造は、
イオンに特定波長の光を照射し基底状態の特定エネルギー準位にイオンを集めるための光ポンピングゾーン(18)と前記光ポンピングゾーン(18)と隣接して同一軸上に直列に配置され前記エネルギー準位にあるイオンに基底状態のエネルギー準位間のエネルギー差に相当する周波数f 0 にほぼ等しい周波数fの電磁波をイオンに照射するための相互作用ゾーン(19)の両ゾーンを含む領域を取り囲むように平行且つ対称に配置される2N(N≧2)本の第1直線状電極(36)と、
イオンを前記領域内の光ポンピングゾーン(18)または相互作用ゾーン(19)に留めたり、両ゾーン間でイオンを往復させるために、前記領域の中心軸方向のポテンシャルを制御する調整電極とを備え、
前記調整電極は、前記領域の中心軸の両端位置にそれぞれ配置される2つのエンドピン電極(31,32)と、前記両ゾーン間の境界位置で第1直線状電極(36)を取り囲むように配置される第1リング電極(33)と、前記第1リング電極と対向するように光ポンピングゾーン(18)の端部に配置される第2リング電極(34)と、前記第1直線状電極(36)に平行且つ前記第1直線状電極間に配置され、前記第1直線状電極(36)とともに相互作用ゾーン(19)を取り囲む2M(M≧1)本の第2直線状電極(37)から構成され、
前記領域は前記2N(N≧2)本の第1直線状電極と前記調整電極から形成される一つのイオントラップ領域であることを特徴とする。
Specifically, the ion trap structure according to the present invention is:
An optical pumping zone (18) for irradiating light of a specific wavelength to ions and collecting ions at a specific energy level in a ground state and the optical pumping zone (18) are arranged in series on the same axis adjacent to the optical pumping zone (18). enclosing an area including both zones of interaction zone (19) for emitting an electromagnetic wave of a frequency approximately equal f the ion frequency f 0 corresponding to the energy difference between the energy levels of the ground state ions in the level 2N (N ≧ 2) first linear electrodes (36) arranged in parallel and symmetrically,
Or fastened to the ion optical pumping zone (18) or the interaction zone in the area (19), ions for shuttling between both zones, and an adjustment electrode for controlling the center axis direction of the potential of the region ,
The adjustment electrode is disposed so as to surround the two end pin electrodes (31, 32) respectively disposed at both end positions of the central axis of the region and the first linear electrode (36) at a boundary position between the two zones. The first ring electrode (33), the second ring electrode (34) disposed at the end of the optical pumping zone (18) so as to face the first ring electrode, and the first linear electrode ( 36) and 2M (M ≧ 1) second linear electrodes (37) disposed between the first linear electrodes and surrounding the interaction zone (19) together with the first linear electrodes (36). Consisting of
The region is a single ion trap region formed by the 2N (N ≧ 2) first linear electrodes and the adjustment electrode .
本イオントラップ構造は、第1直線状電極36と調整電極(31〜34、37)とで形成されるイオントラップを1つだけ備える。本イオントラップ構造は、絶縁体で2つのイオントラップ電極を接続しないため構造がシンプルであり、複数の電極の電界が干渉することもないため、後述するイオンシャトリング時にトラップホールも発生しない。従って、本発明は、構造がシンプルであり、且つトラップホールの影響を排除できるイオントラップ構造を提供することができる。
This ion trap structure includes only one ion trap formed by the first
本発明に係るイオントラップ構造の前記第1直線状電極(36)は、径方向に拡がろうとするイオンを閉じこめる2N重極擬似ポテンシャルを発生するために、隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加されており、前記エンドピン電極(31、32)は、それぞれ所定の直流電圧が印加されており、前記第1リング電極(33)、前記第2リング電極(34)及び前記第2直線状電極(37)は、所望の中心軸方向のポテンシャルに応じた直流電圧が印加されることを特徴とする。 The first linear electrode (36) of the ion trap structure according to the present invention has a high frequency voltage whose phase is inverted between adjacent electrodes in order to generate a 2N quadrupole pseudopotential that confines ions that are to expand in the radial direction. Is applied to the end pin electrodes (31, 32), respectively, and the first ring electrode (33), the second ring electrode (34), and the second linear shape are applied to the end pin electrodes (31, 32), respectively. The electrode (37) is characterized in that a DC voltage corresponding to a desired potential in the central axis direction is applied.
本発明に係るイオントラップ構造の前記第2直線状電極(37)は、高周波電圧が印加されるとき、前記第1直線状電極(36)を含めた隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加され、相互作用ゾーン(19)に径方向の2(N+M)重極擬似ポテンシャルを発生し、径方向に拡がろうとするイオンを閉じこめることを特徴とする。 The second linear electrode (37) of the ion trap structure according to the present invention has a high-frequency voltage whose phase is inverted between adjacent electrodes including the first linear electrode (36) when a high-frequency voltage is applied. When applied, the interaction zone (19) generates a radial 2 (N + M) quadrupole pseudo-potential, thereby confining ions to spread in the radial direction.
本イオントラップ構造は、調整電極(31〜34、37)に印加する電圧を調整して中心軸方向のポテンシャルを制御して領域内のイオンの往来を制御できる。また、本イオントラップ構造において、エンドピン電極31及び第2リング電極34と第1リング電極33の間の部位である光ポンピングゾーン18では第1直線状電極36のみが2N重極擬似ポテンシャルを発生し、エンドピン電極32と第1リング電極33の間の部位である相互作用ゾーン19では第1直線状電極36と第2直線状電極37が2(N+M)重極擬似ポテンシャルを発生することで、光ポンピングゾーン18のイオン存在範囲(中心軸からの半径)を相互作用ゾーン19のイオン存在範囲(中心軸からの半径)より小さくすることができる。
In the present ion trap structure, the voltage applied to the adjustment electrodes (31 to 34, 37) is adjusted to control the potential in the central axis direction, thereby controlling the traffic of ions in the region. Further, in this ion trap structure , only the first
具体的には、本発明に係るイオントラップ型周波数標準器は、光ポンピングゾーン18に配置され、イオントラップ電極内の水銀イオン(102)を光ポンピングして前記水銀イオンを基底状態(2S1/2)の下準位(F=0)へ集める光ポンピング手段(15)と、
前記相互作用ゾーン19に配置され、上準位(F=1)と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数f0にほぼ等しい周波数fの電磁波を照射して、前記光ポンピング手段で基底状態の下準位に集まった前記水銀イオンを基底状態の上準位に遷移させる電磁波照射手段(13)と、
前記電磁波照射手段で上準位に遷移した前記水銀イオンが前記光ポンピング手段により再び励起状態を経由して基底状態に戻る際に放射される蛍光の光強度を測定する受光手段(14)と、
前記第1直線状電極36及び前記調整電極(31〜34、37)へ印加する電圧を制御して前記光ポンピングゾーン18と相互作用ゾーン19との間での前記水銀イオンの往来を調整し、前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度に含まれるf−f0の情報を利用してf=f0になるようにfを調整する制御手段(45)と、
fを出力周波数として出力する出力手段と、を備える。
Specifically, the ion trap type frequency standard according to the present invention is disposed in the
An electromagnetic wave having a frequency f that is arranged in the
A light receiving means (14) for measuring the light intensity of the fluorescence emitted when the mercury ion that has transitioned to the upper level by the electromagnetic wave irradiation means returns to the ground state via the excited state again by the optical pumping means;
Controlling the voltage applied to the first
output means for outputting f as an output frequency.
本発明に係る出力周波数安定化方法は、前記イオントラップ構造内の水銀イオンを、前記光ポンピングゾーン(18)で光ポンピングして前記水銀イオンを基底状態の下準位へ集める光ポンピング手順と、
前記領域内の前記ポテンシャルを制御して前記水銀イオンを前記光ポンピングゾーン(18)から相互作用ゾーン(19)へ移動させる第1シャトリング手順と、
前記相互作用ゾーン(19)で周波数fの電磁波を照射して前記水銀イオンを基底状態の上準位に遷移させる相互作用手順と、
前記領域内の前記ポテンシャルを制御して前記水銀イオンを前記相互作用ゾーン(19)から光ポンピングゾーン(18)へ移動させる第2シャトリング手順と、
前記領域の光ポンピングゾーン(18)で前記水銀イオンが上準位から光ポンピングにより再び励起状態を経由して基底状態に戻る際に放射される蛍光の強度を測定する蛍光測定手順と、
前記蛍光の光強度に含まれるf−f0の情報を利用してf=f0になるようにfを調整する周波数調整手順と、を繰返し行う。
An output frequency stabilization method according to the present invention includes an optical pumping procedure in which mercury ions in the ion trap structure are optically pumped in the optical pumping zone (18) to collect the mercury ions to a lower level of a ground state.
A first shutting procedure for controlling the potential in the region to move the mercury ions from the optical pumping zone (18) to an interaction zone (19);
An interaction procedure for irradiating electromagnetic waves of frequency f in the interaction zone (19) to transition the mercury ions to the upper level of the ground state;
A second shuttling procedure for controlling the potential in the region to move the mercury ions from the interaction zone (19) to the optical pumping zone (18);
A fluorescence measurement procedure for measuring the intensity of fluorescence emitted when the mercury ions return from the upper level to the ground state via the excited state again by optical pumping in the optical pumping zone (18) of the region;
A frequency adjustment procedure for adjusting f so as to be f = f 0 using information on f−f 0 included in the light intensity of the fluorescence is repeatedly performed.
本イオントラップ型周波数標準器及びその出力周波数安定化方法は、イオントラップが1つであるイオントラップ構造を備えるため、構造がシンプルであり、且つトラップホールの影響を排除できる。 Since this ion trap type frequency standard and its output frequency stabilization method have an ion trap structure with one ion trap, the structure is simple and the influence of trap holes can be eliminated.
本発明は、構造がシンプルであり、且つトラップホールの影響を排除できるイオントラップ構造、イオントラップ型周波数標準器及び出力周波数安定化方法を提供することができる。 The present invention can provide an ion trap structure, an ion trap type frequency standard, and an output frequency stabilization method that have a simple structure and can eliminate the influence of trap holes.
以下、具体的に実施形態を示して本発明を詳細に説明するが、本願の発明は以下の記載に限定して解釈されない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with specific embodiments, but the present invention is not construed as being limited to the following description. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.
図1は、本実施形態のイオントラップ型周波数標準器301を説明する図である。イオントラップ型周波数標準器301は、光ポンピングゾーン18側に配置され、光ポンピングゾーン18内の水銀イオン102を光ポンピングして水銀イオン102を基底状態の下準位へ集める光ポンピング手段15と、相互作用ゾーン19側に配置され、上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数f0にほぼ等しい周波数fの電磁波を照射して、光ポンピング手段15で基底状態の下準位に集まった水銀イオン103を上準位へ遷移させる電磁波照射手段13と、電磁波照射手段13で上準位へ遷移した水銀イオン103が光ポンピング手段15により再び基底状態へ戻る際に放射される蛍光23の光強度を測定する受光手段14と、第1直線状電極36及び調整電極(31〜34、37)へ印加する電圧を制御して光ポンピングゾーン18と相互作用ゾーン19との間での水銀イオン(102、103)の往来を調整し、受光手段14で測定した蛍光23の光強度に含まれるf−f0の情報を利用してf=f0になるようにfを調整する制御手段45と、電磁波照射手段13が照射する電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段(不図示)と、を備える。
FIG. 1 is a diagram for explaining an ion trap
図2及び図3は、イオントラップの電極構造を説明する図である。図2は図1と同じ方向から見た図である。図3は、エンドピン電極32側から見た図である。イオントラップの電極構造は、イオントラップ領域を取り囲むように平行且つ対称に配置される2N(N≧2)本の第1直線状電極36と、前記領域内に生ずる中心軸方向のポテンシャルを制御する調整電極(31〜34、37)と、を備える。
2 and 3 are diagrams illustrating the electrode structure of the ion trap. FIG. 2 is a view seen from the same direction as FIG. FIG. 3 is a view as seen from the
調整電極は、領域の中心軸の両端位置に配置されるエンドピン電極(31、32)と、光ポンピングゾーン18と相互作用ゾーン19の間で領域を囲むように配置される第1リング電極33と、光ポンピングゾーン18の一端に配置される第2リング電極34と、第1直線状電極36に平行且つ第1直線状電極36間に配置され、相互作用ゾーン19を取り囲む第2直線状電極37と、を含む。
The adjustment electrode includes end pin electrodes (31, 32) disposed at both end positions of the central axis of the region, and a
本実施形態において、第1直線状電極36と第2直線状電極37に電極番号を付している。第1直線状電極36は電極番号#0、#3、#6、#9、第2直線状電極37は電極番号#1、#2、#4、#5、#7、#8、#10、#11である。また、本実施形態では、第1直線状電極36が4本、第2直線状電極37が8本であるが、この本数に限定されるものではない。
In the present embodiment, electrode numbers are assigned to the first
第1直線状電極36は、隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加される。エンドピン電極(31、32)は、それぞれ所定の直流電圧が印加される。第1リング電極33、第2リング電極34及び第2直線状電極37は、所望の中心軸方向のポテンシャルに応じた直流電圧が印加される。
The first
第2直線状電極37は、高周波電圧が印加されるとき、第1直線状電極36を含めた隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加される。
When a high frequency voltage is applied to the second
図4は、中心軸方向のポテンシャルと径方向の擬似ポテンシャルを制御するために各電極に印加する直流電圧と高周波電圧をモード毎にまとめた表である。図5〜図7は、それぞれ光ポンピングモード又は相互作用モード、第1シャトリングモード、第2シャトリングモードにおける領域内の中心軸方向のポテンシャルを説明する図である。 FIG. 4 is a table summarizing the DC voltage and the high frequency voltage applied to each electrode for each mode in order to control the potential in the central axis direction and the pseudo potential in the radial direction. 5 to 7 are diagrams for explaining the potential in the central axis direction in the region in the optical pumping mode or the interaction mode, the first shuttling mode, and the second shuttling mode, respectively.
光ポンピングモードは、水銀イオンを光ポンピングゾーン18に保つモード、すなわち図1の水銀イオン102の状態に保つモードである。相互作用モードは、水銀イオンを相互作用ゾーン19に保つモード、すなわち図1の水銀イオン103の状態に保つモードである。
The optical pumping mode is a mode for keeping mercury ions in the
光ポンピングモード及び相互作用モードでは、エンドピン電極31に+VE1の直流電圧、エンドピン電極32に+VE2の直流電圧、第1リング電極33に+VRCの直流電圧を印加する。図5は、具体的な電圧及び電極の位置を与えてポテンシャルをシミュレーションした結果である。横軸は中心軸を表す。−119mmの位置にエンドピン電極31、+60mmの位置にエンドピン電極32、−65mmの位置に第1リング電極33が配置されている。光ポンピングゾーン18、相互作用ゾーン19ともに両端部分にポテンシャルの山が発生し、中央部分が対照的にポテンシャルが低くなっている。水銀イオンは陽イオンであるため、このポテンシャルが低くなっている中央部分に集まることになる。エネルギー保存則から全エネルギー(=運動エネルギー+ポテンシャルエネルギー)は一定である。図中の横線は全エネルギーが0.22eVの場合を示している。運動エネルギー≧0であるので、全エネルギー≧ポテンシャルエネルギーとなる。すなわち、イオンはポテンシャルエネルギーがこの横線より下の範囲内にとどまる。後述するシャトリングモードで水銀イオンを光ポンピングゾーン18又は相互作用ゾーン19に集め、上述のように各電極に直流電圧を印加することで水銀イオンを安定してそれぞれの位置に維持することができる。
In the optical pumping mode and the interaction mode, a DC voltage of + V E1 is applied to the
なお、光ポンピングモードでは第1直線状電極36のみに高周波電圧VRF1、例えば1〜2MHzの高周波電圧が印加されるが、相互作用モードでは第1直線状電極36に高周波電圧VRF2が印加され、第2直線状電極37にも高周波電圧VRF2が印加される。ここで、+と−は位相が逆であることを意味する。この高周波電圧は水銀イオンを領域の径方向に閉じ込めるために印加される。そして、電極数が多いほど閉じ込められた水銀イオンが存在する範囲の大きさが大きくなる。本実施形態では第1直線状電極36が4本であり、第2直線状電極37が8本であるので、水銀イオンが存在する範囲は図1に概略的に示した大きさとなる(符号102、103)。
In the optical pumping mode, a high-frequency voltage V RF1 , for example, a high-frequency voltage of 1 to 2 MHz, for example, is applied only to the first
第1シャトリングモードは、水銀イオンを光ポンピングゾーン18から相互作用ゾーン19へ移動させるモードである。第1シャトリングモードでは、エンドピン電極31に+VE1の直流電圧、エンドピン電極32に+VE2の直流電圧、第2リング電極34に+VREの直流電圧、第1直線状電極36にVRF1の高周波電圧を印加し、第2直線状電極37には高周波電圧を印加しない。図6は、具体的な電圧及び電極の位置を与えてポテンシャルをシミュレーションした結果である。それぞれの電極の位置は図5での説明と同じである。
The first shuttling mode is a mode in which mercury ions are moved from the
第1リング電極33の直流電圧は0であるので、図5で説明したポテンシャルの山は消滅する。一方、第2リング電極34に直流電圧VREが印加されるため、光ポンピングゾーン18のポテンシャルが相互作用ゾーン19のポテンシャルより高くなる。このため、水銀イオンはポテンシャルの低い部分、すなわち相互作用ゾーン19へ移動する。このとき、第1直線状電極36だけが径方向に拡がろうとする水銀イオンを閉じこめる擬似ポテンシャルを発生するため、トラップホールは発生しない。水銀イオンが相互作用ゾーン19へ移動した後に図5のポテンシャルを形成すれば水銀イオンは安定して図1の符号103の位置に留まる。
Since the DC voltage of the
第2シャトリングモードは、水銀イオンを相互作用ゾーン19から光ポンピングゾーン18へ移動させるモードである。第2シャトリングモードでは、エンドピン電極31に+VE1の直流電圧、エンドピン電極32に+VE2の直流電圧、第2直線状電極37に+VLの直流電圧、第1直線状電極36にVRF1の高周波電圧を印加し、第2直線状電極37には高周波電圧を印加しない。図7は、具体的な電圧及び電極の位置を与えてポテンシャルをシミュレーションした結果である。それぞれの電極の位置は図5での説明と同じである。
The second shuttling mode is a mode in which mercury ions are moved from the
第1リング電極33の直流電圧は0であるので、図5で説明したポテンシャルの山は消滅する。また、第2直線状電極37に直流電圧VLが印加される一方、第2リング電極34の直流電圧も0であるため、相互作用ゾーン19のポテンシャルが光ポンピングゾーン18のポテンシャルより高くなる。このため、水銀イオンはポテンシャルの低い部分、すなわち光ポンピングゾーン18へ移動する。このとき、第1シャトリングモードと同様にトラップホールは発生しない。水銀イオンが光ポンピングゾーン18へ移動した後に図5のポテンシャルを形成すれば水銀イオンは安定して図1の符号102の位置に留まる。
Since the DC voltage of the
このように、本イオントラップ構造は、各電極の電圧をアナログ的に制御可能であり、領域の中心軸方向のポテンシャルを自在に制御して、イオンの往来を制御することができる。電圧を調整することで、水銀イオンに限らず他のイオンでも同様に往来させることができる。 As described above, this ion trap structure can control the voltage of each electrode in an analog manner, and can freely control the potential in the central axis direction of the region to control the traffic of ions. By adjusting the voltage, not only mercury ions but also other ions can be moved in the same manner.
続いて、イオントラップ型周波数標準器301の各部と出力周波数制御方法について説明する。イオントラップ型周波数標準器301は、イオントラップ内の水銀イオンを、光ポンピングゾーン18で光ポンピングして水銀イオンを基底状態の下準位へ集める光ポンピング手順と、領域内のポテンシャルを制御して水銀イオンを光ポンピングゾーン18から相互作用ゾーン19へ移動させる第1シャトリング手順と、相互作用ゾーン19で上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数f0にほぼ等しい周波数fの電磁波を照射して水銀イオンを基底状態の上準位へ遷移させる相互作用手順と、領域内のポテンシャルを制御して水銀イオンを相互作用ゾーン19から光ポンピングゾーン18へ移動させる第2シャトリング手順と、光ポンピングゾーン18で水銀イオンが上準位から光ポンピングにより再び励起状態を経由して基底状態に戻る際に放射される蛍光の強度を測定する蛍光測定手順と、蛍光の光強度に含まれるf−f0の情報を利用してf=f0になるようにfを調整する周波数調整手順と、を繰返し行う出力周波数安定化方法を実行する
Subsequently, each part of the ion trap
水銀源101は、真空容器17内に水銀蒸気を供給する。電子銃16は電子線22で水銀蒸気を水銀イオンにイオン化する。イオン化された水銀イオンを図2で説明したように領域に閉じ込める。
The
ここで、制御手段45は、図7で説明したように領域のポテンシャルを制御して、イオンを光ポンピングゾーン18へ移動させ、その後、図5で説明した領域のポテンシャルとする。図1では、この様子を水銀イオン102として示している。光ポンピング手段15は、波長194.2nmの励起光21を出力する水銀ランプである。
Here, the control means 45 controls the potential of the region as described with reference to FIG. 7 to move ions to the
光ポンピングについて、図8の水銀イオンのエネルギー準位の図で説明する。水銀イオンは2つのエネルギー状態、つまり基底状態2S1/2と励起状態2P1/2を持ち、基底状態は二つのエネルギー準位(F=0、1)から構成される。ここで、光ポンピング手段15から励起光21を照射すると、基底状態の準位F=1にあるイオンのみが励起状態へ遷移する。しかし、励起状態に遷移したイオンは、すぐに基底状態へ戻る。このとき、イオンはそれぞれの準位(F=0、1)に均等に遷移する。そして、基底状態の準位F=1に戻ったイオンは、励起光21を吸収して再び励起状態へ上がる。一方、基底状態の準位F=0にあるイオンは、そのまま残る。これを繰り返すことで、全てのイオンは基底状態の準位F=0に集まる。
Optical pumping will be described with reference to the energy level diagram of mercury ions in FIG. Mercury ions have two energy states, namely a ground state 2 S 1/2 and an excited state 2 P 1/2 , and the ground state is composed of two energy levels (F = 0, 1). Here, when the
ここで、制御手段45は、図6で説明したように領域のポテンシャルを制御し、イオンを相互作用ゾーン19へ移動させ、その後、図5で説明した領域のポテンシャルとする。図1では、この様子を水銀イオン103として示している。
Here, the control means 45 controls the potential of the region as described with reference to FIG. 6, moves ions to the
電磁波照射手段13は、例えば、導波管あるいは電磁ホーンである。電磁波照射手段13は、制御手段で周波数が設定された電磁波を水銀イオン103に照射する。このときの水銀イオン103の様子を図8の水銀イオンのエネルギー準位の図で説明する。光ポンピング直後の水銀イオン103は基底状態の準位F=0にある。周波数fの電磁波が照射されると、基底状態の準位F=0にあるイオンは同じ基底状態の準位F=1に遷移する。このとき、電磁波の周波数fがf0からずれると基底状態の準位F=0から準位F=1へ遷移するイオンの量が少なくなる。
The electromagnetic wave irradiation means 13 is, for example, a waveguide or an electromagnetic horn. The electromagnetic wave irradiation means 13 irradiates the
続いて、制御手段45は、図7で説明したように領域のポテンシャルを制御して、イオンを光ポンピングゾーン18へ移動させ、その後、図5で説明した領域のポテンシャルとする。図1では、この様子を水銀イオン102として示している。光ポンピングゾーン18では光ポンピング手段15から励起光21が照射されているので、水銀イオン102の基底状態の準位F=1にあるイオンは励起状態へ遷移することになる。そして、励起状態へ遷移したイオンは、すぐに蛍光23を出して基底状態へ戻る。
Subsequently, the control means 45 controls the potential of the region as described with reference to FIG. 7 to move ions to the
受光手段14は、蛍光23の光強度を測定する。ここで、前述のように電磁波照射手段13が照射した電磁波の周波数fがf0からずれていると基底状態の準位F=1にあるイオンが少ないので、蛍光23の光強度が弱くなる。そこで、制御手段45は、蛍光23の光強度に含まれるf−f0の情報を利用してf=f0となるようにfを調整する。出力手段は、制御手段45が調整した電磁波の周波数を出力周波数として出力する。イオントラップ型周波数標準器301は、このようにして、正確なf0に一致した周波数fを出力することができる。なお、イオントラップ型周波数標準器301は、磁場の影響を低減するための磁場シールド11及びエネルギー状態の縮退を解くCコイル12も備えている。
The light receiving means 14 measures the light intensity of the
なお、本発明の実施例は水銀イオンを用いているが、本発明はこれに限定されず、他のイオンについても適用可能である。 In addition, although the Example of this invention uses mercury ion, this invention is not limited to this, It can apply also to other ions.
11:磁場シールド
12:Cコイル
13:電磁波照射手段
14:受光手段
15:光ポンピング手段
16:電子銃
17:真空容器
18:光ポンピングゾーン
19:相互作用ゾーン
21:励起光
22:電子線
23:蛍光
31:エンドピン電極
32:エンドピン電極
33:第1リング電極
34:第2リング電極
36:第1直線状電極
37:第2直線状電極
45:制御手段
101:水銀源
102、103:水銀イオン
301:イオントラップ型周波数標準器
11: magnetic field shield 12: C coil 13: electromagnetic wave irradiation means 14: light receiving means 15: optical pumping means 16: electron gun 17: vacuum vessel 18: optical pumping zone 19: interaction zone 21: excitation light 22: electron beam 23: Fluorescence 31: End pin electrode 32: End pin electrode 33: First ring electrode 34: Second ring electrode 36: First linear electrode 37: Second linear electrode 45: Control means 101:
Claims (5)
イオンを前記領域内の光ポンピングゾーン(18)または相互作用ゾーン(19)に留めたり、両ゾーン間でイオンを往復させるために、前記領域の中心軸方向のポテンシャルを制御する調整電極とを備え、
前記調整電極は、前記領域の中心軸の両端位置にそれぞれ配置される2つのエンドピン電極(31,32)と、前記両ゾーン間の境界位置で第1直線状電極(36)を取り囲むように配置される第1リング電極(33)と、前記第1リング電極と対向するように光ポンピングゾーン(18)の端部に配置される第2リング電極(34)と、前記第1直線状電極(36)に平行且つ前記第1直線状電極間に配置され、前記第1直線状電極(36)とともに相互作用ゾーン(19)を取り囲む2M(M≧1)本の第2直線状電極(37)から構成され、
前記領域は前記2N(N≧2)本の第1直線状電極と前記調整電極から形成される一つのイオントラップ領域であることを特徴とするイオントラップ構造。 An optical pumping zone (18) for irradiating light of a specific wavelength to ions and collecting ions at a specific energy level in a ground state and the optical pumping zone (18) are arranged in series on the same axis adjacent to the optical pumping zone (18). enclosing an area including both zones of interaction zone (19) for emitting an electromagnetic wave of a frequency approximately equal f the ion frequency f 0 corresponding to the energy difference between the energy levels of the ground state ions in the level 2N (N ≧ 2) first linear electrodes (36) arranged in parallel and symmetrically,
Or fastened to the ion optical pumping zone (18) or the interaction zone in the area (19), ions for shuttling between both zones, and an adjustment electrode for controlling the center axis direction of the potential of the region ,
The adjustment electrode is disposed so as to surround the two end pin electrodes (31, 32) respectively disposed at both end positions of the central axis of the region and the first linear electrode (36) at a boundary position between the two zones. The first ring electrode (33), the second ring electrode (34) disposed at the end of the optical pumping zone (18) so as to face the first ring electrode, and the first linear electrode ( 36) and 2M (M ≧ 1) second linear electrodes (37) disposed between the first linear electrodes and surrounding the interaction zone (19) together with the first linear electrodes (36). Consisting of
The ion trap structure is characterized in that the region is one ion trap region formed by the 2N (N ≧ 2) first linear electrodes and the adjustment electrode .
前記イオントラップ構造のエンドピン電極(32)と第1リング電極(33)の間の部位である相互作用ゾーン(19)に配置され、上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数f0にほぼ等しい周波数fの電磁波を照射して、前記光ポンピング手段で基底状態の下準位に集まった前記イオンを基底状態の上準位へ遷移させる電磁波照射手段(13)と、
前記電磁波照射手段で上準位へ遷移した前記イオンが前記光ポンピング手段により再び励起状態を経由して基底状態に戻る際に放射される蛍光の光強度を測定する受光手段(14)と、
前記第1直線状電極(36)及び前記調整電極(31〜34、37)へ印加する電圧を制御して前記光ポンピングゾーン(18)と相互作用ゾーン(19)との間での前記イオンの往来を調整し、前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度に含まれるf−f0の情報を利用してf=f0になるようにfを調整する制御手段(45)と、
fを出力周波数として出力する出力手段と、
を備えるイオントラップ型周波数標準器。 The end pin electrode (31) of the ion trap structure according to any one of claims 1 to 3 and an optical pumping zone (18) which is a portion between the second ring electrode (34) and the first ring electrode (33). Optical pumping means (15) for optically pumping ions in the ion trap electrode and collecting the ions to a lower level of a ground state;
The frequency corresponding to the energy difference between the upper level and the lower level, disposed in the interaction zone (19), which is a portion between the end pin electrode (32) and the first ring electrode (33) of the ion trap structure. electromagnetic wave irradiating means (13) for irradiating an electromagnetic wave having a frequency f substantially equal to f 0 and causing the ions collected at the lower level of the ground state by the optical pumping means to transition to the upper level of the ground state;
A light receiving means (14) for measuring the light intensity of the fluorescence emitted when the ions that have transitioned to the upper level by the electromagnetic wave irradiation means return to the ground state via the excited state again by the optical pumping means;
The ions applied between the optical pumping zone (18) and the interaction zone (19) are controlled by controlling the voltage applied to the first linear electrode (36) and the adjusting electrode (31-34, 37). Control means (45) for adjusting traffic so that f = f 0 by using information of f−f 0 included in the light intensity of the fluorescence measured by the light receiving means;
an output means for outputting f as an output frequency;
Ion trap type frequency standard equipped with.
前記領域内の前記ポテンシャルを制御して前記イオンを前記光ポンピングゾーン(18)から相互作用ゾーン(19)へ移動させる第1シャトリング手順と、
前記相互作用ゾーン(19)で周波数fの電磁波を照射して前記イオンを基底状態の上準位へ遷移させる相互作用手順と、
前記領域内の前記ポテンシャルを制御して前記イオンを前記相互作用ゾーン(19)から光ポンピングゾーン(18)へ移動させる第2シャトリング手順と、
前記光ポンピングゾーン(18)で前記イオンが上準位から光ポンピングにより再び励起状態を経由して基底状態に戻る際に放射される蛍光の強度を測定する蛍光測定手順と、
前記蛍光の光強度に含まれるf−f0の情報を利用してf=f0になるようにfを調整する周波数調整手順と、
を繰返し行う出力周波数安定化方法。 An optical pumping procedure in which ions in the ion trap structure according to any of claims 1 to 3 are optically pumped in the optical pumping zone (18) to collect the ions to a lower level of the ground state;
A first shutting procedure for controlling the potential in the region to move the ions from the optical pumping zone (18) to an interaction zone (19);
An interaction procedure in which an electromagnetic wave having a frequency f is irradiated in the interaction zone (19) to cause the ions to transition to the upper level of the ground state;
A second shuttling procedure for controlling the potential in the region to move the ions from the interaction zone (19) to an optical pumping zone (18);
A fluorescence measurement procedure for measuring the intensity of fluorescence emitted when the ions return from the upper level to the ground state via the excited state again by optical pumping in the optical pumping zone (18);
A frequency adjustment procedure for adjusting f so that f = f 0 using information on f−f 0 included in the light intensity of the fluorescence;
Is a method of stabilizing the output frequency.
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