JP2006033373A - Microwave cavity resonance device for atom oscillator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To initiate a stable TE011 resonance mode having a specified frequency in a cavity resonator. <P>SOLUTION: A microwave cavity resonance device for an atom oscillator is equipped with a couple of support members 21 and 22 which are provided nearby both axial ends in a cavity resonator 2 and made of materials with a low dielectric constant supporting a gas cell 4 at the center position in the cavity resonator, a dielectric member 26 with a high dielectric constant which is provided to freely be inserted into and extracted from the cavity resonator, a projection quantity adjusting mechanism 27 which adjusts the quantity of projection of the dielectric member with the high dielectric constant into the cavity resonator from one axial end in the cavity resonator, and a recess 23 which is formed on one axial end wall in the cavity resonator and in which a portion of an antenna 24 is stored having a gap with the side wall. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ルビジウムやセシウム133等の吸収ガスが有する光の吸収特性を利用した原子発振器に係わり、特にこの原子発振器に組込まれたマイクロ波空洞共振装置に関する。   The present invention relates to an atomic oscillator using the light absorption characteristics of an absorption gas such as rubidium or cesium 133, and more particularly to a microwave cavity resonator incorporated in the atomic oscillator.

レーザ励起型の原子発振器の中核部品であるマイクロ波空洞共振装置は、例えば、特許文献1に報告されている。すなわち、この特許文献1に報告されているマイクロ波空洞共振装置は、図10の断面図に示すように構成されている。円筒状の空洞共振器(キャビティ)31内に、円筒状のガラス容器にルビジウムガスを充填したガスセル32が配設されている。さらに、空洞共振器31内に、この空洞共振器31の共振周波数を調整する低誘電損失でかつ空気よりも比誘電率の大きな環状の誘電体33が設けられている。この誘電体33は、例えばテフロン(登録商標)等の低誘電損失の物体である。   A microwave cavity resonator which is a core component of a laser excitation type atomic oscillator is reported in, for example, Patent Document 1. That is, the microwave cavity resonator device reported in Patent Document 1 is configured as shown in the sectional view of FIG. A gas cell 32 in which a cylindrical glass container is filled with rubidium gas is disposed in a cylindrical cavity resonator (cavity) 31. Further, an annular dielectric 33 having a low dielectric loss and a relative dielectric constant larger than air is provided in the cavity resonator 31 to adjust the resonance frequency of the cavity resonator 31. The dielectric 33 is a low dielectric loss object such as Teflon (registered trademark).

空洞共振器31の軸方向の一端壁31aに形成されたねじ穴に大径を有する金属製のネジ部34がねじ込まれており、このネジ部34の先端に前述した環状の誘電体33が固定されている。なお、ネジ部34には、軸方向にレーザ光38を貫通させるための貫通孔35が形成されている。   A metal screw portion 34 having a large diameter is screwed into a screw hole formed in one axial end wall 31 a of the cavity resonator 31, and the above-described annular dielectric 33 is fixed to the tip of the screw portion 34. Has been. The screw portion 34 is formed with a through hole 35 for allowing the laser beam 38 to penetrate in the axial direction.

また、空洞共振器31の軸方向の一方の壁31aには、この空洞共振器31内に共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナ36が取付けられている。なお、このアンテナ36には図示しない電圧制御水晶発振器(VCO)からの発振出力を逓倍した信号が印加されている。   Further, an antenna 36 for supplying a microwave that generates a resonance mode in the cavity resonator 31 is attached to one axial wall 31 a of the cavity resonator 31. Note that a signal obtained by multiplying an oscillation output from a voltage controlled crystal oscillator (VCO) (not shown) is applied to the antenna 36.

そして、前述したネジ部34のねじ穴に対するねじ込み量を変更することによって、誘電体33を矢印方向へ移動して、空洞共振器31の容積を変更させて、空洞共振器31に発生しているマイクロ波の共振モードにおける共振周波数を、ルビジウムに対して予め定められた基準の共振周波数(規定周波数)に調整する。   Then, by changing the screwing amount of the screw portion 34 into the screw hole described above, the dielectric 33 is moved in the direction of the arrow, and the volume of the cavity resonator 31 is changed, which is generated in the cavity resonator 31. The resonance frequency in the resonance mode of the microwave is adjusted to a reference resonance frequency (specified frequency) predetermined for rubidium.

外部のレーザダイオード37から出射したレーザ光38は、ネジ部34の貫通孔35を介して空洞共振器31内へ入射し、さらにガスセル32へ入射する。ガスセル32を透過したレーザ光38は、空洞共振器31の軸方向の他方の壁31bに取付けられたフォトセル39へ入射して、このフォトセル39で電気信号に変換される。   Laser light 38 emitted from an external laser diode 37 enters the cavity resonator 31 through the through hole 35 of the screw portion 34 and further enters the gas cell 32. The laser beam 38 that has passed through the gas cell 32 is incident on a photocell 39 attached to the other axial wall 31 b of the cavity resonator 31, and is converted into an electrical signal by the photocell 39.

さらに、空洞共振器31の外周には、ガスセル32を収納した空洞共振器31内に静磁界を生起させる磁気シールドコイル40が巻かれている。   Further, a magnetic shield coil 40 for generating a static magnetic field is wound around the outer periphery of the cavity resonator 31 in the cavity resonator 31 in which the gas cell 32 is housed.

原子発振器においては、空洞共振器31内における共振モード発生時における基準の共振周波数(規定周波数)のマイクロ波入力周波数を用いて外部に出力する基準周波数を作成する。そして、空洞共振器31内に共振モードが発生した状態においては、ガスセル32内に収納されたルビジウムの光に対する吸収特性における光の吸収が最大になるので、フォトセル39で受光されたレーザ光38の強度が最小となる。したがって、空洞共振器31内に共振モードが発生したことをレーザ光38の強度が最小となることで検出する。   In the atomic oscillator, a reference frequency to be output to the outside is created using a microwave input frequency that is a reference resonance frequency (specified frequency) when a resonance mode is generated in the cavity resonator 31. In a state where the resonance mode is generated in the cavity resonator 31, the absorption of light in the absorption characteristic with respect to the light of rubidium accommodated in the gas cell 32 is maximized, so that the laser beam 38 received by the photocell 39. The strength of the is minimized. Accordingly, the occurrence of the resonance mode in the cavity resonator 31 is detected by the intensity of the laser beam 38 being minimized.

したがって、マイクロ波空洞共振装置において、フォトセル39から出力される電気信号によって、フォトセル39の入射光量が小さくなるように、電圧制御水晶発振器(VCO)の発振出力(発振周波数)を制御する。この結果、電圧制御水晶発振器(VCO)の発振周波数をルビジウムの原子共振周波数に一致させるようにしている。
特開平7―264064号公報
Therefore, in the microwave cavity resonator, the oscillation output (oscillation frequency) of the voltage controlled crystal oscillator (VCO) is controlled by the electrical signal output from the photocell 39 so that the incident light quantity of the photocell 39 is reduced. As a result, the oscillation frequency of the voltage controlled crystal oscillator (VCO) is made to coincide with the atomic resonance frequency of rubidium.
Japanese Patent Laid-Open No. 7-264064

しかしながら図10に示したマイクロ波空洞共振装置においてもまだ解消すべき次のような課題があった。   However, the microwave cavity resonator shown in FIG. 10 still has the following problems to be solved.

このような構成のマイクロ波空洞共振装置において、吸収ガスとしてルビジウムを採用した場合において、円筒状の空洞共振器31の直径や軸長は、アンテナ36から出力されるマイクロ波入力周波数が前述した基準の共振周波数(規定周波数)で、この空洞共振器31内に共振モードが発生するように設定されている。   In the microwave cavity resonator having such a configuration, when rubidium is employed as the absorption gas, the diameter and axial length of the cylindrical cavity resonator 31 are determined based on the above-described reference that the microwave input frequency output from the antenna 36 is the reference described above. Is set so that a resonance mode is generated in the cavity resonator 31 at the resonance frequency (specified frequency).

しかし、空洞共振器31内には、ガスセル32、誘電体33、ネジ部34、アンテナ36、フォトセル39等が存在する。これらの構成部材は、共振モード発生時の周波数に影響を与える。したがって、製造された空洞共振器31の共振モード発生時の周波数が正確に前述した基準の共振周波数(規定周波数)になるとは限らない。   However, in the cavity resonator 31, there are a gas cell 32, a dielectric 33, a screw portion 34, an antenna 36, a photocell 39, and the like. These components affect the frequency when the resonance mode is generated. Therefore, the frequency at the time of the resonant mode generation of the manufactured cavity resonator 31 does not necessarily exactly become the reference resonant frequency (specified frequency) described above.

そこで、空洞共振器31に発生しているマイクロ波の共振モードにおける共振周波数を、ルビジウムに対して予め定められた基準の共振周波数(規定周波数)に調整する手法として、先端にテフロン(登録商標)等の低誘電損失の物体で形成された環状の誘電体33が取付けられた金属製のネジ部34のねじ穴に対するねじ込み量を変更することによって、空洞共振器31の容積を変更させている。すなわち、誘電体33の挿入位置は変化するが、ネジ部34の空洞共振器31の挿入量を変更している。   Therefore, as a method of adjusting the resonance frequency in the resonance mode of the microwave generated in the cavity resonator 31 to a reference resonance frequency (specified frequency) predetermined for rubidium, Teflon (registered trademark) is provided at the tip. The volume of the cavity resonator 31 is changed by changing the screwing amount with respect to the screw hole of the metal screw portion 34 to which the annular dielectric 33 formed of an object of low dielectric loss or the like is attached. That is, the insertion position of the dielectric 33 changes, but the insertion amount of the cavity resonator 31 of the screw portion 34 is changed.

このことは、結果的に、空洞共振器31の外径を変えずに軸長を調整して周波数を調整することになる。そのために空洞共振器設計ツールであるモードチャートの線上から外れてモード飛び現象などが発生し、空洞共振器31としては不安定となっていた。   As a result, the axial length is adjusted without changing the outer diameter of the cavity resonator 31 to adjust the frequency. Therefore, a mode skip phenomenon or the like occurs outside the line of the mode chart which is a cavity resonator design tool, and the cavity resonator 31 is unstable.

また、結果的に、空洞共振器31内に大きく突出するテフロン(登録商標)等の低誘電損失の物体で形成された誘電体33を支持するネジ部34は金属で形成されているので、形成された共振モードが乱れて、共振器としてのQ値が劣化する。   As a result, the screw portion 34 that supports the dielectric 33 formed of a low dielectric loss object such as Teflon (registered trademark) that protrudes greatly into the cavity resonator 31 is formed of metal. The resonance mode is disturbed, and the Q value as a resonator deteriorates.

次に、アンテナ36と同軸線(セミリジッド)のインピーダンス整合について述べる。空洞共振器31内は自由空間と異なりほぼ完全に密閉状態になる。また、マイクロ波共振点は狭く、マイクロ波入カはこのような密閉状態ではほぼ全反射するので、このアンテナ36と同軸線(セミリジッド)のインピーダンスは誘導(インダクタンス)成分が大きくて、インピーダンス整合を取ることはかなり困難である。特に、図10のマイクロ波空洞共振装置においては、1/4波長のアンテナ36を空洞共振器31内に配設していると推定できるためにインピーダンス整合を取ることはかなり困難である。その結果、空洞共振器31内のマイクロ波のレベルが不安定になる。   Next, impedance matching between the antenna 36 and the coaxial line (semi-rigid) will be described. Unlike the free space, the cavity resonator 31 is almost completely sealed. In addition, since the microwave resonance point is narrow and the microwave input is almost totally reflected in such a sealed state, the impedance of the antenna 36 and the coaxial line (semi-rigid) has a large induction (inductance) component, and impedance matching is achieved. It is quite difficult to take. In particular, in the microwave cavity resonator shown in FIG. 10, it can be estimated that the ¼ wavelength antenna 36 is disposed in the cavity resonator 31, so that impedance matching is quite difficult. As a result, the microwave level in the cavity resonator 31 becomes unstable.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、マイクロ波の共振モードとしてTE011共振モードを採用し、空洞共振器内に存在する各構成部材のTE011共振モード発生時のマイクロ波の周波数に与える影響を選択でき、簡単に、空洞共振器内に規定周波数を有する安定したTE011共振モードを生起できる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and employs the TE011 resonance mode as the microwave resonance mode, and the frequency of the microwave when the TE011 resonance mode of each constituent member existing in the cavity resonator is generated. It is an object of the present invention to provide a microwave cavity resonator device of an atomic oscillator that can easily generate a stable TE011 resonance mode having a specified frequency in a cavity resonator.

本発明は、金属体内に形成された円筒形の空洞共振器と、この空洞共振器内に収納され、吸収ガスと緩衝ガスとを封入したガスセルと、空洞共振器内にTE011共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナと、外部から入射されてガスセルを透過した光を受光する受光器とを有する原子発振器のマイクロ波空洞共振装置に適用される。   The present invention provides a cylindrical cavity resonator formed in a metal body, a gas cell accommodated in the cavity resonator and encapsulating an absorption gas and a buffer gas, and a TE011 resonance mode in the cavity resonator. The present invention is applied to a microwave cavity resonance device of an atomic oscillator having an antenna for supplying a microwave and a light receiver that receives light incident from the outside and transmitted through a gas cell.

そして、上記課題を解消するために、本発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、円筒形の空洞共振器内における軸方向の両端近傍に設けられ、ガスセルを空洞共振器内の中央位置に支持する低誘電率の材料で形成された一対の支持部材と、空洞共振器内に挿脱自在に設けられた高誘電率の誘電体部材と、TE011共振モード発生時のマイクロ波の周波数が規定周波数になるように、空洞共振器内における軸方向の一端面から高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量を調整する突出量調整機構と、空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設され、アンテナの一部を側壁に対して隙間を有して収納する凹部とを備えている。   In order to solve the above problem, in the microwave resonator device of the atomic oscillator of the present invention, the gas cell is provided in the vicinity of both ends in the axial direction in the cylindrical cavity resonator, and the gas cell is arranged at the center position in the cavity resonator. A pair of support members formed of a low dielectric constant material to be supported on, a high dielectric constant dielectric member detachably provided in the cavity resonator, and a microwave frequency when the TE011 resonance mode is generated A protrusion amount adjusting mechanism for adjusting a protrusion amount of the dielectric member having a high dielectric constant from the one end surface in the axial direction in the cavity resonator to the specified frequency, and an axial direction in the cavity resonator And a recess for storing a part of the antenna with a gap with respect to the side wall.

このように構成された原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、マイクロ波の共振モードとして、図5(b)に示す、TE011共振モードを採用している。そして、ガスセルは空洞共振器内の中央位置に低誘電率の材料で形成された一対の支持部材で支持されているので、ガスセルはTE011共振モードの中心に位置している。その結果、ガスセル内において、磁界の磁力線のほとんどが垂直方向となる。さらに、支持部材は空気により近い低誘電率の材料で形成されているので、マイクロ波の誘電体損失が低減され、この支持部材の存在によって、TE011共振モードの安定性が大きく劣化することはない。   In the microwave cavity resonance device of the atomic oscillator configured as described above, the TE011 resonance mode shown in FIG. 5B is adopted as the microwave resonance mode. Since the gas cell is supported by a pair of support members formed of a low dielectric constant material at the center position in the cavity resonator, the gas cell is positioned at the center of the TE011 resonance mode. As a result, most of the magnetic field lines of the magnetic field are in the vertical direction in the gas cell. Furthermore, since the support member is made of a low dielectric constant material that is closer to air, the dielectric loss of the microwave is reduced, and the presence of this support member does not significantly degrade the stability of the TE011 resonance mode. .

また、空洞共振器内に周波数調整用の高誘電率の誘電体部材が、突出量調整機構にて、空洞共振器内への突出量が調整される。このように、高誘電率の誘電体部材を採用することによって、少ない突出量でより効率的にTE011共振モード発生時のマイクロ波の周波数を規定周波数に調整可能である。また、金属で作られたネジの接触不良による難しさもなくなる。   Further, the amount of protrusion of the dielectric member having a high dielectric constant for frequency adjustment in the cavity resonator is adjusted by the protrusion amount adjusting mechanism. As described above, by employing a dielectric member having a high dielectric constant, the frequency of the microwave when the TE011 resonance mode is generated can be adjusted more efficiently to the specified frequency with a small protrusion amount. Moreover, the difficulty due to poor contact of screws made of metal is eliminated.

さらに、空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設された凹部内にアンテナの一部を収納している。このようにアンテナの一部を凹部内に収納することにより、アンテナと同軸線(セミリジッド)のインピーダンス整合が容易になり、空洞共振器内のマイクロ波のレベルが安定になる。   Further, a part of the antenna is housed in a recess carved in one axial end wall in the cavity resonator. By storing a part of the antenna in the recess in this way, impedance matching between the antenna and the coaxial line (semi-rigid) is facilitated, and the microwave level in the cavity resonator is stabilized.

また、別の発明は、上述した発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、吸収ガスとしてルビジウム又はセシウム133を採用し、光としてレーザ光又はランプ光を採用している。   Another invention employs rubidium or cesium 133 as the absorbing gas and laser light or lamp light as the light in the microwave cavity resonator of the atomic oscillator according to the invention described above.

また、別の発明は、上述した発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、ガスセルとして球形のガスセルを採用している。   Another invention employs a spherical gas cell as a gas cell in the above-described atomic cavity microwave resonator of the atomic oscillator.

また、別の発明は、上述した発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、ガスセルとして円筒形のガスセルを採用している。   Another invention employs a cylindrical gas cell as the gas cell in the above-described atomic cavity microwave resonator of the atomic oscillator.

本発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、マイクロ波の共振モードとしてTE011共振モードを採用し、ガスセルを低誘電率の材料で形成された一対の支持部材で空洞共振器内の中央位置に支持するとともに、高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量で周波数調整を実施ししている。   In the microwave resonator device of the atomic oscillator of the present invention, the TE011 resonance mode is adopted as the microwave resonance mode, and the gas cell is formed at a central position in the cavity resonator by a pair of support members formed of a low dielectric constant material. The frequency adjustment is performed by the amount of protrusion of the dielectric member having a high dielectric constant into the cavity resonator.

したがって、ガスセルを空洞共振器内の中心に固定でき、かつ空洞共振器内に存在する各構成部材のTE011共振モード発生時のマイクロ波の周波数に与える影響を選択でき、簡単に、空洞共振器内に規定周波数を有する安定したTE011共振モードを生起できる。   Therefore, the gas cell can be fixed at the center of the cavity resonator, and the influence of each component member existing in the cavity resonator on the frequency of the microwave when the TE011 resonance mode is generated can be selected. A stable TE011 resonance mode having a specified frequency can be generated.

以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係わる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図であり、また、図2(a)はこのマイクロ波空洞共振装置の上面図であり、図2(b)はこのマイクロ波空洞共振装置をA―A線で切断して上方から下方を見た断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a microwave cavity resonator for an atomic oscillator according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a top view of the microwave cavity resonator. FIG. 2B is a cross-sectional view of the microwave cavity resonator taken along line AA and viewed from above.

この第1実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、アルミ材からなる円柱状のハウジング1内に円筒状の空洞共振器(キャビティ)2が形成されている。この空洞共振器2の下端はアンテナベース9で蓋されている。空洞共振器2内には、セシウム133の吸収ガスと緩衝ガスとが封入された球形のガスセル4が収納されている。   In the microwave resonator device of the atomic oscillator of the first embodiment, a cylindrical cavity resonator (cavity) 2 is formed in a cylindrical housing 1 made of an aluminum material. The lower end of the cavity resonator 2 is covered with an antenna base 9. In the cavity resonator 2, a spherical gas cell 4 in which an absorption gas of cesium 133 and a buffer gas are enclosed is housed.

このガスセル4は、ハウジング1の上壁に形成された貫通孔5に取付けられたリング状の上側支持部材21と、アンテナベース9の貫通孔8内に上下移動自在に設けられた円筒状の下側支持部材22とで支持されている。下側支持部材22は、アンテナベース9に固定されたバネ10にて上方へ付勢されている。したがって、ガスセル4はバネ10にて上側支持部材21に付勢されている。   The gas cell 4 includes a ring-shaped upper support member 21 attached to a through-hole 5 formed in the upper wall of the housing 1 and a cylindrical bottom provided in the through-hole 8 of the antenna base 9 so as to be movable up and down. It is supported by the side support member 22. The lower support member 22 is biased upward by a spring 10 fixed to the antenna base 9. Therefore, the gas cell 4 is urged to the upper support member 21 by the spring 10.

なお、リング状の上側支持部材21の軸方向の厚みtは、ガスセル4が空洞共振器2の軸方向の中心に位置するように設定されている。上側支持部材21及び下側支持部材22は例えばテフロン(登録商標)等の低誘電率の材料で形成されている。実施形態の上側支持部材21及び下側支持部材22の比誘電率εは2.1である。なお、ガスセル4の比誘電率εは4.0である。   The axial thickness t of the ring-shaped upper support member 21 is set so that the gas cell 4 is positioned at the center of the cavity resonator 2 in the axial direction. The upper support member 21 and the lower support member 22 are made of a low dielectric constant material such as Teflon (registered trademark), for example. The relative dielectric constant ε of the upper support member 21 and the lower support member 22 of the embodiment is 2.1. The relative dielectric constant ε of the gas cell 4 is 4.0.

図3(a)(b)(c)は、リング状の上側支持部材21の外観図である。この実施形態においては、軸方向の厚みtは全て等しいが、外径がそれぞれ異なる値に設定された3種類の上側支持部材21、21a、21bが予め準備されている。そして、空洞共振器2内に形成されるTE011共振モード発生時の周波数の調整時に、いずれか1個の上側支持部材21(21a、21b)が選択されて、マイクロ波空洞共振装置に組込まれる。図4は円筒状の下側支持部材22の外観図である。この下側支持部材22は1種類のみである。   FIGS. 3A, 3 </ b> B, and 3 </ b> C are external views of the ring-shaped upper support member 21. In this embodiment, three types of upper support members 21, 21 a, and 21 b are prepared in advance, which have the same axial thickness t but have different outer diameters. Any one of the upper support members 21 (21a, 21b) is selected and incorporated into the microwave cavity resonator when the frequency of the TE011 resonance mode generated in the cavity resonator 2 is adjusted. FIG. 4 is an external view of the cylindrical lower support member 22. There is only one type of the lower support member 22.

そして、外部から入射した光としてのレーザ光11は、凸平レンズ17、貫通孔5、上側支持部材21を介してガスセル4へ入射する。ガスセル4を透過したレーザ光11は、下側支持部材22を介して、アンテナベース9に取付けられた受光器12へ入射して、この受光器12で電気信号に変換される。   The laser beam 11 as light incident from the outside enters the gas cell 4 through the convex flat lens 17, the through hole 5, and the upper support member 21. The laser beam 11 transmitted through the gas cell 4 enters the light receiver 12 attached to the antenna base 9 via the lower support member 22 and is converted into an electric signal by the light receiver 12.

また、このマイクロ波空洞共振装置における空洞共振器2のアンテナベース9の外周縁近傍には、図2(b)に示すように、長円形断面を有する溝状の凹部23が周方向に刻設されている。この凹部23内に、空洞共振器2内にTE011共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナ24が取付けられている。このアンテナ24には同軸コネクタ13が接続されている。   Further, in the microwave cavity resonator, in the vicinity of the outer periphery of the antenna base 9 of the cavity resonator 2, as shown in FIG. Has been. An antenna 24 for supplying a microwave for generating a TE011 resonance mode in the cavity resonator 2 is attached in the recess 23. A coaxial connector 13 is connected to the antenna 24.

このアンテナ24は、図2(b)、及び図5(a)に示すように、空洞共振器2の周方向に配設され、アンテナ24の全長はTE011共振モードを生成するマイクロ波の1波長にほぼ等しく設定されている。アンテナ24の先端は凹部23から約3mm空洞共振器2内へ突出している。さらに、アンテナ24と凹部23の側壁23aとの間には一定の隙間が存在する。   As shown in FIGS. 2B and 5A, the antenna 24 is disposed in the circumferential direction of the cavity resonator 2, and the total length of the antenna 24 is one wavelength of the microwave that generates the TE011 resonance mode. Is set to be approximately equal. The tip of the antenna 24 protrudes from the recess 23 into the cavity resonator 2 by about 3 mm. Furthermore, a certain gap exists between the antenna 24 and the side wall 23 a of the recess 23.

このように配設されたアンテナ24において、アンテナ24と凹部23の側壁23aとの間に分布容量(キャパシタ)が存在する。この分布容量(キャパシタ)成分は、前述した誘導(インダクタンス)成分が大きいアンテナと同軸線(セミリジッド)のインピーダンスにおける誘導(インダクタンス)成分を打ち消すことになり、インピーダンスを抵抗成分のみにできる。その結果、アンテナ24と同軸線(セミリジッド)のインピーダンス整合を簡単に取ることができる。この整合位置が上記で説明したアンテナ24の凹部23からの突出量が約3mmとなる。   In the antenna 24 arranged in this way, a distributed capacitance (capacitor) exists between the antenna 24 and the side wall 23 a of the recess 23. This distributed capacitance (capacitor) component cancels out the inductive (inductance) component in the impedance of the antenna and the coaxial line (semi-rigid) having the large inductive (inductance) component described above, and the impedance can be made only the resistance component. As a result, impedance matching between the antenna 24 and the coaxial line (semi-rigid) can be easily achieved. The amount of protrusion of the alignment position from the recess 23 of the antenna 24 described above is about 3 mm.

そして、アンテナ24の空洞共振器2内への突出量を前述した3mmとすることで、TE011共振モード発生時において、アンテナ24の入力インピーダンスを50Ωの抵抗成分のみにでき、空洞共振器2内のマイクロ波のレベルが安定になり、かつ、同軸コネクタ13からアンテナ24に供給するマイクロ波の電力レベルを低減できる。   Then, by setting the protruding amount of the antenna 24 into the cavity resonator 2 to be 3 mm as described above, when the TE011 resonance mode is generated, the input impedance of the antenna 24 can be limited to a resistance component of 50Ω. The level of the microwave becomes stable, and the power level of the microwave supplied from the coaxial connector 13 to the antenna 24 can be reduced.

さらに、アンテナ24は周方向に配設されているので、図5(b)に示すように、アンテナ24で生成される磁界の方向と、空洞共振器2内に生成されるTE011共振モード発生時の磁界の方向とが一致している。その結果、このアンテナ24が空洞共振器2内に存在することに起因するTE011共振モードの乱れを最小限に抑制できる。   Further, since the antenna 24 is arranged in the circumferential direction, as shown in FIG. 5B, the direction of the magnetic field generated by the antenna 24 and the TE011 resonance mode generated in the cavity resonator 2 are generated. The direction of the magnetic field is the same. As a result, the disturbance of the TE011 resonance mode due to the presence of the antenna 24 in the cavity resonator 2 can be suppressed to the minimum.

なお、図5(c)に、アンテナ24の形状と、このアンテナ24に同軸コネクタ13を介して印加されるマイクロ波の信号の1波長分(λ)の波形との関係を示す。図示するように、アンテナ24の両端A、C位置が1波長分(λ)の波形の最大点位置(0、2π)を示し、アンテナ24の中間B位置が1波長分(λ)の波形の最小点位置(π)を示す。   FIG. 5C shows the relationship between the shape of the antenna 24 and the waveform of one wavelength (λ) of the microwave signal applied to the antenna 24 via the coaxial connector 13. As shown in the figure, the positions A and C of the antenna 24 indicate the maximum point position (0, 2π) of the waveform of one wavelength (λ), and the intermediate B position of the antenna 24 has the waveform of one wavelength (λ). Indicates the minimum point position (π).

また、このマイクロ波空洞共振装置における空洞共振器2のアンテナベース9の外周縁近傍には、図1及び図2(b)に示すように、円形断面を有する凹部25が刻設されている。この凹部25内に、空洞共振器2内におけるTE011共振モード発生時のマイクロ波の周波数を調整するための例えばアルミナ等で円柱状に形成された高誘電率の誘電体部材26が挿脱自在に収納されている。この高誘電率の誘電体部材26の空洞共振器2への突出量は、突出量調整機構としての調整ネジ27のアンテナベース9へのネジ込み量を調整することにより実施される。調整が終了すると、ロックナット28で調整ネジ27の位置を固定する。   Further, as shown in FIGS. 1 and 2B, a recess 25 having a circular cross section is formed in the vicinity of the outer peripheral edge of the antenna base 9 of the cavity resonator 2 in this microwave cavity resonator. A dielectric member 26 having a high dielectric constant formed in a cylindrical shape, for example, alumina or the like for adjusting the microwave frequency when the TE011 resonance mode is generated in the cavity resonator 2 is detachably inserted into the recess 25. It is stored. The protrusion amount of the dielectric member 26 having a high dielectric constant to the cavity resonator 2 is implemented by adjusting the screwing amount of the adjustment screw 27 as a protrusion amount adjusting mechanism into the antenna base 9. When the adjustment is completed, the position of the adjustment screw 27 is fixed with the lock nut 28.

このように、アルミナ等で円柱状に形成された高誘電率の誘電体部材26でマイクロ波の周波数を調整しているので、少ない突出量でより効率的にTE011共振モード発生時のマイクロ波の周波数を、吸収ガスとしてセシウム133を採用した場合における、9.19263177GHzの規定周波数に調整可能である。ちなみに、アルミナの比誘電率εは約9.6で、従来のマイクロ波空洞共振装置におけるリン青銅で形成された調整ネジ34による乱反射を軽減できる。その結果、この高誘電体部材26が空洞共振器2内に存在することに起因するTE011共振モードの乱れを最小限に抑制できる。   As described above, since the microwave frequency is adjusted by the dielectric member 26 having a high dielectric constant formed in a cylindrical shape with alumina or the like, the microwave when the TE011 resonance mode is generated more efficiently with a small protrusion amount. The frequency can be adjusted to a specified frequency of 9.193263177 GHz when cesium 133 is employed as the absorbing gas. Incidentally, the relative dielectric constant ε of alumina is about 9.6, and the irregular reflection due to the adjusting screw 34 formed of phosphor bronze in the conventional microwave cavity resonator can be reduced. As a result, the disturbance of the TE011 resonance mode caused by the presence of the high dielectric member 26 in the cavity resonator 2 can be minimized.

さらに、円柱状のハウジング1の外周には、ガスセル4を収納した空洞共振器2内に静磁界を生起させる磁気シールドコイル18が巻かれている。   Further, a magnetic shield coil 18 for generating a static magnetic field is wound around the outer periphery of the cylindrical housing 1 in the cavity resonator 2 housing the gas cell 4.

次に、TE011共振モードが発生する空洞共振器2の外径と軸長とからなる形状について述べる。
空洞共振器2の内部構造を決めた後で、アンテナ24を除いた他の構造部材を取り去った時のTE011共振モード発生時の周波数と、全ての構造部材を取付けた時のTE011共振モード発生時の周波数との差をシミュレーションで解析する。シミュレーション結果から、内部構造部材が存在すると、誘電率が増加し、TE011共振モード発生時の周波数が低くなることが判明した。
Next, the shape composed of the outer diameter and axial length of the cavity resonator 2 in which the TE011 resonance mode is generated will be described.
After the internal structure of the cavity resonator 2 is determined, the frequency at which the TE011 resonance mode is generated when other structural members excluding the antenna 24 are removed, and at the time when the TE011 resonance mode is generated when all the structural members are attached. The difference from the frequency is analyzed by simulation. From the simulation results, it has been found that the presence of the internal structural member increases the dielectric constant and decreases the frequency when the TE011 resonance mode is generated.

これまでの設計ではこの周波数の低下分を空洞共振器2の軸長を可変して周波数を調整していたが、その方法では、数ミリ動かすだけで他のモードに移り、モード飛び現象を起こす危険性があった。   In the previous design, the frequency was adjusted by changing the axial length of the cavity 2 to reduce the frequency, but in this method, the mode was shifted to another mode by moving a few millimeters, causing a mode skip phenomenon. There was a danger.

そこで、実施形態装置においては、空洞共振器2の形状を予め周波数の低下分だけ高くして設計し、TE011共振モード発生時の周波数を、内部構造部材の存在により前述した理想とする9.19263177GHz近くにする。このように空洞共振器2の形状をTE011共振モード発生のための基本条件に基づいて設計しているので、モード飛び現象の発生がしにくくなり、TE011共振モードの安定性が向上する。   Therefore, in the embodiment device, the shape of the cavity resonator 2 is designed to be higher by a decrease in the frequency in advance, and the frequency when the TE011 resonance mode is generated is set to the ideal 9.192633177 GHz described above due to the presence of the internal structure member. Make it close. Since the shape of the cavity resonator 2 is designed based on the basic conditions for generating the TE011 resonance mode as described above, the mode skip phenomenon is hardly generated, and the stability of the TE011 resonance mode is improved.

さらに、空洞共振器2の形状を予め周波数の低下分だけ高くして設計した結果、実施形態の空洞共振器2を、図10に示す従来の空洞共振器31に比較して、外径が小さく小型に形成できた。   Furthermore, as a result of designing the shape of the cavity resonator 2 to be higher by a decrease in frequency in advance, the cavity resonator 2 of the embodiment has a smaller outer diameter than the conventional cavity resonator 31 shown in FIG. It was able to be formed small.

図6は、上記の条件で設計された空洞共振器2の内部に、上側支持部材21、ガスセル4、下側支持部材22、高誘電率の誘電体部材26、アンテナ24等の内部構造部材を収納した状態における、アンテナ24を介して空洞共振器2内へ印加したマイクロ波の周波数fを変化させたときのマイクロ波入力端への反射(リターン)特性を示す図である。   FIG. 6 shows the internal structural members such as the upper support member 21, the gas cell 4, the lower support member 22, the high dielectric constant dielectric member 26, and the antenna 24 inside the cavity resonator 2 designed under the above conditions. It is a figure which shows the reflection (return) characteristic to the microwave input end when changing the frequency f of the microwave applied in the cavity resonator 2 via the antenna 24 in the accommodated state.

この特性においては、TE011共振モードの発生時の周波数fは、ほぼ9.17GHzとなり、吸収ガスとしてセシウム133を採用した場合の基準周波数としての理想の9.19263177GHzに対して22MHzまだ低いが、この程度であれば、上側支持部材21の外径の変更と、高誘電体部材26の空洞共振器2内への突出量の調整により、TE011共振モードの発生時の周波数fを理想の9.19263177GHzに容易に一致させることが可能である。   In this characteristic, the frequency f at the occurrence of the TE011 resonance mode is approximately 9.17 GHz, which is still 22 MHz lower than the ideal 9.192633177 GHz as the reference frequency when cesium 133 is used as the absorption gas. If so, the frequency f when the TE011 resonance mode is generated is set to an ideal 9.192633177 GHz by changing the outer diameter of the upper support member 21 and adjusting the amount of protrusion of the high dielectric member 26 into the cavity resonator 2. Can be easily matched.

次に、周波数の調整手順を説明する。
先ず、ガスセル4を装着し、次に、外径の異なる各上側支持部材21、21a、21bを順番に装着して、その時のTE011共振モードの発生時の周波数fを測定する。そして、理想の9.19263177GHzに最も近い周波数fの一つの上側支持部材21(21a、21b)を選択して、マイクロ波空洞共振装置に装着する。
Next, the frequency adjustment procedure will be described.
First, the gas cell 4 is mounted, and then the upper support members 21, 21a, and 21b having different outer diameters are mounted in order, and the frequency f when the TE011 resonance mode is generated at that time is measured. Then, one upper support member 21 (21a, 21b) having a frequency f closest to the ideal 9.192633177 GHz is selected and attached to the microwave cavity resonator.

次に、空洞共振器2内にTE011共振モード発生時のマイクロ波の周波数fが理想の9.19263177GHzに一致するように、調整ネジ27のアンテナベース9へのネジ込み量を変更することにより高誘電率の誘電体部材26の空洞共振器2への突出量を調整する。調整が終了すると、ロックナット28で調整ネジ27の位置を固定する。   Next, by changing the screwing amount of the adjusting screw 27 into the antenna base 9 so that the microwave frequency f when the TE011 resonance mode is generated in the cavity resonator 2 coincides with the ideal 9.192263177 GHz. The protrusion amount of the dielectric member 26 having a dielectric constant to the cavity resonator 2 is adjusted. When the adjustment is completed, the position of the adjustment screw 27 is fixed with the lock nut 28.

このように、2段階に亘って調整することによって、簡単にかつ高い精度で周波数の調整が可能である。   As described above, the frequency can be adjusted easily and with high accuracy by adjusting in two steps.

(第2実施形態)
図7は本発明の第2実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図である。図1に示す第1実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a microwave cavity resonator device of an atomic oscillator according to a second embodiment of the present invention. The same parts as those in the microwave cavity resonator of the atomic oscillator according to the first embodiment shown in FIG.

この第2実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、空洞共振器2内に、円筒形のガスセル29が中心位置に収納されている。その他の構成は、図1に示す第1実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置とほぼ同一である。   In the microwave resonator device of the atomic oscillator of the second embodiment, a cylindrical gas cell 29 is housed in the cavity resonator 2 at the center position. Other configurations are almost the same as those of the microwave cavity resonator of the atomic oscillator according to the first embodiment shown in FIG.

この円筒形のガスセル29を採用することによる特徴を図8(a)(b)を用いて説明する。図8(a)は空洞共振器2内にTE011共振モードが発生している状態における磁力線分布と球形のガスセル4との位置関係を示す模式図であり、図8(b)は空洞共振器2内にTE011共振モードが発生している状態における磁力線分布と円筒形のガスセル29との位置関係を示す模式図である。   Features by adopting this cylindrical gas cell 29 will be described with reference to FIGS. FIG. 8A is a schematic diagram showing a positional relationship between the magnetic force line distribution and the spherical gas cell 4 in a state where the TE011 resonance mode is generated in the cavity resonator 2, and FIG. It is a schematic diagram which shows the positional relationship of the magnetic force line distribution and the cylindrical gas cell 29 in the state in which the TE011 resonance mode has occurred.

図8(a)と図8(b)と比較すれば明らかなように、円筒形のガスセル29を採用することで、TE011共振モードの磁界方向がガスセル29内でほとんど垂直になる。したがって、ラムゼー共鳴特性におけるπ遷移成分がほとんど無い状態になる可能性が有り、原子発振器の周波数安定性がより一層向上する。   As is clear from comparison between FIG. 8A and FIG. 8B, the magnetic field direction of the TE011 resonance mode is almost vertical in the gas cell 29 by adopting the cylindrical gas cell 29. Therefore, there is a possibility that there is almost no π transition component in the Ramsey resonance characteristic, and the frequency stability of the atomic oscillator is further improved.

図9は、円筒形のガスセル29を採用したマイクロ波空洞共振装置において、アンテナ24を介して空洞共振器2内へ印加したマイクロ波の周波数fを変化させたときのマイクロ波入力端への反射(リターン)特性を示す図である。この特性によると、TE011共振モードが発生する周波数fは、理想の9.19263177GHzから少しずれた9.358GHzとなるが、最終調整はπ遷移を最小にする方向なので円筒形ガスセルを使用すると調整箇所の数が減少する利点もある。   FIG. 9 shows the reflection to the microwave input terminal when the frequency f of the microwave applied to the cavity resonator 2 through the antenna 24 is changed in the microwave cavity resonator employing the cylindrical gas cell 29. It is a figure which shows the (return) characteristic. According to this characteristic, the frequency f at which the TE011 resonance mode is generated is 9.358 GHz, which is slightly shifted from the ideal 9.192263177 GHz. However, since the final adjustment is a direction that minimizes the π transition, the adjustment location is obtained when a cylindrical gas cell is used. There is also an advantage that the number of

なお、円筒形のガスセル29は、球形のガスセル4に比較して、外気圧に対するガスセルの体積が変化しやすいために周波数安定度に変動をきたす。これを解決させるためには、ガスセル29の上下端の厚みを増す必要がある。   It should be noted that the cylindrical gas cell 29 has a variation in frequency stability because the volume of the gas cell with respect to the external pressure is likely to change compared to the spherical gas cell 4. In order to solve this, it is necessary to increase the thickness of the upper and lower ends of the gas cell 29.

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。各実施形態においては、ガスセル4、29に封入する吸収ガスとしてセシウム133を採用したが、ルビジウム、及び他の吸収ガスを採用することが可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments. In each embodiment, cesium 133 is employed as the absorbing gas sealed in the gas cells 4 and 29, but rubidium and other absorbing gases can be employed.

さらに、各実施形態においては、空洞共振器2へ入射する光としてレーザ光11を採用したが、レーザ光11に代えて、ランプ光を採用することが可能である。   Furthermore, in each embodiment, the laser beam 11 is employed as the light incident on the cavity resonator 2, but lamp light can be employed instead of the laser beam 11.

本発明の第1実施形態に係わる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a microwave cavity resonator for an atomic oscillator according to a first embodiment of the present invention. 同マイクロ波空洞共振装置の上面図及び水平断面図Top view and horizontal sectional view of the microwave cavity resonator 同マイクロ波空洞共振装置に組込まれた上側支持部材の斜視図Perspective view of upper support member incorporated in same microwave cavity resonator 同マイクロ波空洞共振装置に組込まれた下側支持部材の斜視図A perspective view of a lower support member incorporated in the microwave cavity resonator 同マイクロ波空洞共振装置に組込まれたアンテナ及びその動作を示す図The figure which shows the antenna built in the microwave cavity resonator and its operation 同マイクロ波空洞共振装置におけるマイクロ波の反射及び周波数特性図Microwave reflection and frequency characteristics in the microwave cavity resonator 本発明の第2実施形態に係わる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図Sectional model which shows schematic structure of the microwave cavity resonance apparatus of the atomic oscillator concerning 2nd Embodiment of this invention. 同マイクロ波空洞共振装置に組込まれたガスセルの特徴を示す図The figure which shows the feature of the gas cell built in the same microwave cavity resonator 同マイクロ波空洞共振装置におけるマイクロ波の反射及び周波数特性図Microwave reflection and frequency characteristics in the microwave cavity resonator 従来の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図Cross-sectional schematic diagram showing the schematic configuration of a conventional microwave cavity resonator device of an atomic oscillator

符号の説明Explanation of symbols

1…ハウジング、2…空洞共振器、4,29…ガスセル、9…アンテナベース、10…バネ、11…レーザ光、12…受光器、13…同軸コネクタ、17…凸平レンズ、18…磁気シールドコイル、21,21a,21b…上側支持部材、22…下側支持部材、23,25…凹部、24…アンテナ、26…高誘電率の誘電体部材、27…調節ネジ、28…ロックナット   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Housing, 2 ... Cavity resonator, 4,29 ... Gas cell, 9 ... Antenna base, 10 ... Spring, 11 ... Laser beam, 12 ... Light receiver, 13 ... Coaxial connector, 17 ... Convex lens, 18 ... Magnetic shield Coil, 21, 21a, 21b ... upper support member, 22 ... lower support member, 23, 25 ... recess, 24 ... antenna, 26 ... high dielectric constant dielectric member, 27 ... adjustment screw, 28 ... lock nut

Claims (4)

金属体内に形成された円筒形の空洞共振器(2)と、この空洞共振器内に収納され、吸収ガスと緩衝ガスとを封入したガスセル(4、29)と、前記空洞共振器内にTE011共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナ(24)と、外部から入射されて前記ガスセルを透過した光(11)を受光する受光器(12)とを有する原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、
前記円筒形の空洞共振器内における軸方向の両端近傍に設けられ、前記ガスセルを前記空洞共振器内の中央位置に支持する低誘電率の材料で形成された一対の支持部材(21、22)と、
前記空洞共振器内に挿脱自在に設けられた高誘電率の誘電体部材(26)と、
前記TE011共振モード発生時の前記マイクロ波の周波数が規定周波数になるように、前記空洞共振器内における軸方向の一端面から前記高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量を調整する突出量調整機構(27)と、
前記空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設され、前記アンテナの一部を側壁に対して隙間を有して収納する凹部(23)と
を備えたことを特徴とする原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。
A cylindrical cavity resonator (2) formed in a metal body, a gas cell (4, 29) enclosed in the cavity resonator and enclosing an absorption gas and a buffer gas, and TE011 in the cavity resonator Microwave cavity resonance of an atomic oscillator having an antenna (24) for supplying a microwave for generating a resonance mode and a light receiver (12) for receiving light (11) incident from the outside and transmitted through the gas cell In the device
A pair of support members (21, 22) provided in the vicinity of both axial ends in the cylindrical cavity resonator and formed of a low dielectric constant material that supports the gas cell at a central position in the cavity resonator. When,
A dielectric member (26) having a high dielectric constant that is detachably provided in the cavity resonator;
The amount of protrusion of the high dielectric constant dielectric member into the cavity resonator from one end surface in the axial direction in the cavity resonator is set so that the frequency of the microwave when the TE011 resonance mode is generated becomes a specified frequency. A protrusion amount adjusting mechanism (27) to be adjusted;
An atomic oscillator micro, comprising: a concave portion (23) engraved on one end wall of the cavity resonator in an axial direction and storing a part of the antenna with a gap with respect to the side wall. Wave cavity resonance device.
前記吸収ガスはルビジウム又はセシウム133であり、前記光はレーザ光又はランプ光であることを特徴とする請求項1記載の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。   The microwave cavity resonator for an atomic oscillator according to claim 1, wherein the absorbing gas is rubidium or cesium 133, and the light is laser light or lamp light. 前記ガスセルの形状は球形であることを特徴とする請求項1又は2記載の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。   The microwave cavity resonator for an atomic oscillator according to claim 1 or 2, wherein the gas cell has a spherical shape. 前記ガスセルの形状は円筒形であることを特徴とする請求項1又は2記載の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。   3. The microwave cavity resonance apparatus for an atomic oscillator according to claim 1, wherein the gas cell has a cylindrical shape.
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