JP2010025929A - 置換可能アルカリビームセル - Google Patents

Abstract

【課題】置換可能アルカリビームセルを提供すること。
【解決手段】置換可能アルカリビームセルを備えているアルカリビームセルシステムであって、該置換可能アルカリビームセルは、第１の期間の間、アルカリ金属を蒸発させるように構成されるリザーバチャンバとして構成され、そして、第２の期間の間、該蒸発したアルカリ金属を収集するように構成される検知チャンバとして構成される第１のチャンバと、該第１の期間の間、該検知チャンバとして構成され、そして、該第２の期間の間、該リザーバチャンバとして構成される第２のチャンバと、該第１のチャンバと該第２のチャンバとを相互接続するアパーチャであって、該アパーチャを通って、該アルカリ金属は拡散することが可能である、アパーチャとを備えている、システム。
【選択図】図３

Description

（関連出願の引用）
本発明は、２００８年６月１７日出願の米国仮特許出願第６１／０７３，１９７号の優先権を主張する。

（技術分野）
本発明は、概して、ビームセルシステムに関し、特に、置換可能（ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ）アルカリビームセルに関する。

アルカリビームセルは、非常に正確で安定した周波数を必要とする様々なシステム、例えば、アルカリビーム原子時計において利用され得る。例として、アルカリビーム原子時計は、バイスタティックレーダシステム、全地球測位システム（ＧＰＳ）、ならびに衛星システムなどの他のナビゲーションおよび測位システムにおいて使用され得る。原子時計はまた、セルラー電話システムなどの通信システムにおいて使用され得る。

アルカリビームセルは、一般的に、アルカリ金属を含む。例えば、金属は、セシウム（Ｃｓ）であり得る。光源からの光が、蒸発したアルカリ金属の原子を基底状態からより高い状態にポンピングし得、蒸発したアルカリ金属の原子は、その状態から様々な超微細状態になり得る。次に、マイクロ波信号などの呼びかけ信号が、アルカリビームセルに加えられ得、そして、呼びかけ信号を制御する発振器が、初期の基底状態の再生率を最大化するために特定の周波数に同調され得る。このようにして、制御された量の光が、アルカリビームセルから伝達され得、そして、例えば、光検知器によって検出され得る。

検出デバイスの出力を調べることによって、制御システムは、発振器と光源とに様々な制御信号を提供して、マイクロ波の入力周波数と超微細遷移周波数（ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とが実質的に同じになるように、伝達された光の波長とマイクロ波の周波数とが正確に制御されることを確実にし得る。その後、発振器は、非常に正確で安定した周波数の出力信号を周波数基準または原子時計として使用するために提供し得る。

アルカリビームセルが使用され得る用途によっては、アルカリビームセルの寿命に影響することなくサイズを減少させる要求が存在する。例えば、衛星の用途においては、関連する原子時計が、実装され得るので、原子時計は、一般的に、有効積載量を減少させるために、そして、原子時計を容易に取り替ることはできないので長い寿命を有するように、小さいことが所望される。しかしながら、一般的なアルカリビームセルに関しては、かかる概念は、互いに相容れないことがあり得る。特に、一般的なアルカリビームセルにおいては、アルカリビームセルの寿命を増加させるために、より多くのアルカリ金属が必要とされ得る。しかしながら、アルカリ金属の量を増加させることは、より大きなアルカリビームセルを必要とし得る。

本発明の一実施形態は、置換可能アルカリビームセルを備えているアルカリビームセルシステムを含む。置換可能アルカリビームセルは、第１の期間の間、アルカリ金属を蒸発させるように構成されるリザーバチャンバとして構成され、そして、第２の期間の間、蒸発したアルカリ金属を収集するように構成される検知チャンバとして構成される第１のチャンバを含む。置換可能アルカリビームセルはまた、第１の期間の間、検知チャンバとして構成され、そして、第２の期間の間、リザーバチャンバとして構成される第２のチャンバを含む。置換可能アルカリビームセルはさらに、第１のチャンバと第２のチャンバとを相互接続するアパーチャを含み、該アパーチャを通って、アルカリ金属が拡散することが可能である。

本発明の別の実施形態は、アルカリビーム原子時計システムを含む。アルカリビーム原子時計システムは、置換可能アルカリビームセルを含み、該置換可能アルカリビームセルは、第１のチャンバと、第２のチャンバと、アパーチャとを備え、該アパーチャは、第１のチャンバと第２のチャンバとを相互接続し、そして、該アパーチャを通って、アルカリ金属が拡散することが可能である。第１の期間の間、第１のチャンバは、アルカリ金属を蒸発させるように構成されるリザーバチャンバとして構成され得、そして、第２のチャンバは、蒸発したアルカリ金属を収集するように構成される検知チャンバとして構成され得る。第２の期間の間、第２のチャンバは、リザーバチャンバとして構成され得、そして、第１のチャンバは、検知チャンバとして構成され得る。アルカリビーム原子時計システムはまた、第１の期間と第２の期間とのぞれぞれの間に、リザーバチャンバを加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素を備えている。アルカリビーム原子時計はさらに、時計信号を生成するように構成された時計コントローラを備え、該時計信号は、検知チャンバにおける蒸発したアルカリ金属の超微細遷移周波数に固定されている。

本発明の別の実施形態は、アルカリビーム原子時計を制御する方法を含む。該方法は、アルカリ金属を蒸発させ、そして、リザーバチャンバとして構成された第１のチャンバと検知チャンバとして構成された第２のチャンバとの間に圧力差を生成するためにアルカリビームセルに熱を加えることを含む。方法はまた、呼びかけのためにアルカリビームを準備するためにアルカリ金属の蒸発した粒子を所望の超微細状態に遷移させるために第２のチャンバに光エネルギーをポンピングすることを含む。方法はまた、アルカリビームに呼びかけ信号を加えることと、呼びかけ信号に基づいて周波数基準を獲得することとを含む。方法はまた、第１のチャンバが検知チャンバとして構成され、そして、第２のチャンバがリザーバチャンバとして構成されるように、アルカリビームセルを置換することを含む。方法はさらに、熱を加えるステップと、光エネルギーをポンピングするステップと、呼びかけ信号を加えるステップと、周波数基準を獲得するステップとを繰り返すことを含む。

したがって、本発明は、以下を提供する。

（項目１−Ａ）
置換可能アルカリビームセルを備えているアルカリビームセルシステムであって、該置換可能アルカリビームセルは、
第１の期間の間、アルカリ金属を蒸発させるように構成されるリザーバチャンバとして構成され、そして、第２の期間の間、該蒸発したアルカリ金属を収集するように構成される検知チャンバとして構成される第１のチャンバと、
該第１の期間の間、該検知チャンバとして構成され、そして、該第２の期間の間、該リザーバチャンバとして構成される第２のチャンバと、
該第１のチャンバと該第２のチャンバとを相互接続するアパーチャであって、該アパーチャを通って、該アルカリ金属は拡散することが可能である、アパーチャと
を備えている、システム。

（項目２−Ａ）
上記アパーチャは、実質的に平行な複数のチューブとして構成され、該実質的に平行な複数のチューブはそれぞれ、上記第１のチャンバに結合される第１の開口部と、上記第２のチャンバに結合される第２の開口部とを有する、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目３−Ａ）
上記実質的に平行な複数のチューブのそれぞれが、第１のサイズから第２のサイズへと先細にされるように構成されることにより、長手方向に依存する断面を達成し、それにより、上記第１の開口部のうちの最初の開口部は、該第１のサイズであり、第１の開口部のうちの第２のサイズの複数の開口部に隣接し、そして、該第１の開口部の２番目の開口部は、該第２のサイズであり、該第１の開口部のうちの該第１のサイズの複数の開口部に隣接している、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目４−Ａ）
上記実質的に平行な複数のチューブのうちのそれぞれが、軸を有するように構成され、該軸は、実質的に真っ直ぐであり、そして、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの中心軸に対して平行ではない、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目５−Ａ）
上記実質的に平行な複数のチューブのうちのそれぞれが、実質的に非直線状である軸を有するように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目６−Ａ）
上記第１の期間と上記第２の期間とのそれぞれの終了の際に、上記リザーバチャンバと上記検知チャンバとに関して、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの構成を置換するように構成されたコントローラをさらに備えている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目７−Ａ）
上記コントローラは、閾値未満に減少された強度を有する、上記検知チャンバにおける検知された蛍光信号に応答して、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの上記構成を置換するように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目８−Ａ）
上記コントローラは、上記アルカリビームセルの加熱構成を置換することによって上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの構成を置換して、該第１のチャンバと該第２のチャンバとの間の圧力差を置換するように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目９−Ａ）
上記項目のうちのいずれか１項に記載のアルカリビームセルシステムを備えている、アルカリビーム原子時計。

（項目１０−Ａ）
上記置換可能アルカリビームセルは、第１の置換可能アルカリビームセルであり、上記アルカリビーム原子時計は、
第２のアルカリビームセルと、
時計コントローラであって、該時計コントローラは、該第１のアルカリビームセルと該第２のアルカリビームセルとのうちの一方から周波数基準を獲得し、そして、所与の時間において、該第１のアルカリビームセルと該第１のアルカリビームセルとのうちの他方の上記リザーバチャンバにおいて上記アルカリ金属が実質的に完全に蒸発すると、該第１のアルカリビームセルと該第２のアルカリビームセルとのうちの他方を置換し、それにより、該周波数基準が、実質的に妨げられないように構成されている、時計コントローラと
をさらに備えている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のアルカリビーム原子時計。

（項目１１−Ａ）
アルカリビーム原子時計システムであって、
置換可能アルカリビームセルであって、第１のチャンバと、第２のチャンバと、アパーチャとを備え、該アパーチャは、該第１のチャンバと該第２のチャンバとを相互接続し、そして、該アパーチャを通って、該アルカリ金属は拡散することが可能であり、第１の期間の間、該第１のチャンバは、該アルカリ金属を蒸発させるように構成されるリザーバチャンバとして構成され、該第２のチャンバは、該蒸発したアルカリ金属を収集するように構成される検知チャンバとして構成され、第２の期間の間、該第２のチャンバは、該リザーバチャンバとして構成され、該第１のチャンバは、該検知チャンバとして構成される、置換可能アルカリビームセルと、
該第１の期間と該第２の期間とのぞれぞれの間に、該リザーバチャンバを加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素と、
時計信号を生成するように構成された時計コントローラであって、該時計信号は、該検知チャンバにおける該蒸発したアルカリ金属の超微細遷移周波数に固定されている、時計コントローラと
を備えている、アルカリビーム原子時計システム。

（項目１２−Ａ）
上記時計コントローラは、上記第１の期間と上記第２の期間とのそれぞれの終了の際に、上記リザーバチャンバと上記検知チャンバとに関して、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの構成を置換するように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目１３−Ａ）
上記時計コントローラは、閾値未満に減少された強度を有する、上記検知チャンバにおける検知された蛍光信号に応答して、上記構成を置換するように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目１４−Ａ）
上記時計コントローラは、上記第１の置換可能アルカリビームセルと上記第２の置換可能アルカリビームセルとの加熱構成を置換することによって上記構成を置換して、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの間の圧力差を置換するように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目１５−Ａ）
前記置換可能アルカリビームセルは、第１の置換可能アルカリビームセルであり、上記アルカリビーム原子時計は、第２の置換可能アルカリビームセルをさらに備え、前記時計コントローラはさらに、該第１の置換可能アルカリビームセルと該第２の置換可能アルカリビームセルとのうちの一方から上記時計信号を生成し、そして、所与の時間において、該第１の置換可能アルカリビームセルと該第２の置換可能アルカリビームセルとのうちの他方の上記リザーバチャンバにおいて上記アルカリ金属が実質的に完全に蒸発すると、該第１の置換可能アルカリビームセルと該第２の置換可能アルカリビームセルとのうちの他方を置換し、それにより、該時計信号が、実質的に妨げられないように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目１６−Ａ）
上記置換可能アルカリビームセルは、第１の置換可能アルカリビームセルであり、上記アルカリビーム原子時計はさらに、第２の置換可能アルカリビームセルを備え、該第２の置換可能アルカリビームセルは、第３のチャンバと、第４のチャンバと、第２のアパーチャとを備え、該第２のアパーチャは、該第３のチャンバと該第４のチャンバとを相互接続し、そして、該第２のアパーチャを通って、上記アルカリ金属は拡散することが可能であり、第３の期間の間、該第３のチャンバは、該アルカリ金属は蒸発させるように構成される第２のリザーバチャンバとして構成され、該第４のチャンバは、該蒸発したアルカリ金属を収集するように構成される第２の検知チャンバとして構成され、第４の期間の間、上記第２のチャンバは、該第２のリザーバチャンバとして構成され、上記第１のチャンバは、該第２の検知チャンバとして構成され、該第３の期間は、該第１の期間と該第２の期間とのそれぞれの一部分に重複し、そして、該第４の期間は、該第１の期間と該第２の期間とのそれぞれの残りの部分に重複している、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目１７−Ａ）
上記時計コントローラは、上記第１の期間と上記第２の期間とのそれぞれの終了の際に、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの構成を置換し、そして、上記第３の期間と上記第４の期間とのそれぞれの終了の際に、上記第３のチャンバと上記第４のチャンバとの構成を置換するように構成されており、該システムはさらに、
一組の検知コンポーネントであって、該一組の検知コンポーネントは、該第１の期間、該第２の期間、該第３の期間、および該第４の期間の間に、該第１の検知チャンバと該第２の検知チャンバとの両方における蛍光放出と蛍光吸収とのうちの１つを検知して、妨げられることのない周波数基準を提供するように構成されており、該妨げられることのない周波数基準は、該第１の期間、該第２の期間、該第３の期間、および該第４の期間の全体にわたって、上記蒸発したアルカリ金属の上記超微細遷移周波数に基づいている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目１８−Ａ）
アルカリビーム原子時計を制御する方法であって、該方法は、
アルカリ金属を蒸発させ、そして、リザーバチャンバとして構成された第１のチャンバと検知チャンバとして構成された第２のチャンバとの間に圧力差を生成するためにアルカリビームセルに熱を加えることと、
アルカリビームを確立するために該アルカリ金属の該蒸発した粒子を所望の超微細状態に励起するために該第２のチャンバに光エネルギーをポンピングすることと、
該アルカリビームに呼びかけ信号を加えることと、
該呼びかけ信号に基づいて周波数基準を獲得することと、
該第１のチャンバが該検知チャンバとして構成され、そして、該第２のチャンバが該リザーバチャンバとして構成されるように、該アルカリビームセルを置換することと、
該熱を加えるステップと、該光エネルギーをポンピングするステップと、該呼びかけ信号を加えるステップと、該周波数基準を獲得するステップとを繰り返すことと
を包含する、方法。

（項目１９−Ａ）
前記アルカリビームセルを置換することは、閾値未満に減少された強度を有する、上記検知チャンバにおける検知された蛍光信号に応答して、該アルカリビームセルを置換することを包含する、上記項目のうちのいずれか１項に記載の方法。

（項目２０−Ａ）
前記アルカリビームセルを置換することは、該アルカリビームセルの加熱構成を置換して、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの間の圧力差を置換することを包含する、上記項目のうちのいずれか１項に記載の方法。

（項目２１−Ａ）
上記アルカリビームセルを置換することは、上記リザーバチャンバに堆積されたアルカリ金属が、実質的に完全に蒸発され、そして、上記検知チャンバに収集されたことに基づいて該アルカリビームセルを置換することを包含する、上記項目のうちのいずれか１項に記載の方法。

（項目２２−Ａ）
上記アルカリビームセルに熱を加えることは、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとを備えている第１のアルカリビームセルに熱を加えることと、アルカリ金属を蒸発させ、そして、第２のリザーバチャンバとして構成される第３のチャンバと、第２の検知チャンバとして構成される第４のチャンバとの間に圧力差を生成するために第２のアルカリビームセルに熱を加えることとを包含し、上記周波数基準は、第１の周波数基準であり、上記方法はさらに、
第２のアルカリビームを確立するために該アルカリ金属の該蒸発した粒子を所望の超微細状態に励起するために該第４のチャンバに光エネルギーをポンピングすることと、
該第２のアルカリビームに第２の呼びかけ信号を加えることと、
該第２の呼びかけ信号に基づいて第２の周波数基準を獲得することであって、該第２の周波数基準は、該第１の周波数基準とほぼ等しい、ことと、
該第３のチャンバが該第２の検知チャンバとして構成され、そして、該第４のチャンバが該第２のリザーバチャンバとして構成されるように該第２のアルカリビームセルを置換することと、
該熱を加えるステップと、該光エネルギーをポンピングするステップと、該第２の呼びかけ信号を加えるステップと、該周波数基準を獲得するステップとを繰り返すことと
を包含する、上記項目のうちのいずれか１項に記載の方法。

（項目２３−Ａ）
上記置換可能アルカリビームセルは、第１の置換可能アルカリビームセルであり、上記方法はさらに、
該第１の置換可能アルカリビームセルと第２の置換可能アルカリビームセルとのうちの一方から上記周波数基準を獲得することと、
所与の時間において、該第１のアルカリビームセルと該第１のアルカリビームセルとのうちの他方の上記リザーバチャンバにおいて上記アルカリ金属が実質的に完全に蒸発すると、該第１のアルカリビームセルと該第２のアルカリビームセルとのうちの他方を置換し、それにより、該周波数基準が、実質的に妨げられないことと
を包含する、上記項目のうちのいずれか１項に記載の方法。

（項目１−Ｂ）
置換可能アルカリビームセルを備えているアルカリビームセルシステムであって、該置換可能アルカリビームセルは、
第１の期間の間、アルカリ金属を蒸発させるように構成されるリザーバチャンバとして構成され、そして、第２の期間の間、該蒸発したアルカリ金属を収集するように構成される検知チャンバとして構成される第１のチャンバと、
該第１の期間の間、該検知チャンバとして構成され、そして、該第２の期間の間、該リザーバチャンバとして構成される第２のチャンバと、
該第１のチャンバと該第２のチャンバとを相互接続するアパーチャであって、該アパーチャを通って、該アルカリ金属は拡散することが可能である、アパーチャと
を備えている、システム。

（項目２−Ｂ）
上記アパーチャは、実質的に平行な複数のチューブとして構成され、該実質的に平行な複数のチューブはそれぞれ、上記第１のチャンバに結合される第１の開口部と、上記第２のチャンバに結合される第２の開口部とを有する、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目３−Ｂ）
上記実質的に平行な複数のチューブのそれぞれが、第１のサイズから第２のサイズへと先細にされるように構成されることにより、長手方向に依存する断面を達成し、上記第１の開口部のうちの最初の開口部は、該第１のサイズであり、第１の開口部のうちの第２のサイズの複数の開口部に隣接し、そして、該第１の開口部の２番目の開口部は、該第２のサイズであり、該第１の開口部のうちの該第１のサイズの複数の開口部に隣接している、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目４−Ｂ）
上記実質的に平行な複数のチューブのうちのそれぞれが、軸を有するように構成され、該軸は、実質的に真っ直ぐであり、そして、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの中心軸に対して平行ではない、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目５−Ｂ）
上記実質的に平行な複数のチューブのうちのそれぞれが、実質的に非直線状である軸を有するように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目６−Ｂ）
上記第１の期間と上記第２の期間とのそれぞれの終了の際に、上記リザーバチャンバと上記検知チャンバとに関して、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの構成を置換するように構成されたコントローラをさらに備えている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目７−Ｂ）
上記コントローラは、閾値未満に減少された強度を有する、上記検知チャンバにおける検知された蛍光信号に応答して、上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの構成を置換するように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目８−Ｂ）
上記コントローラは、上記アルカリビームセルの加熱構成を置換することによって上記第１のチャンバと上記第２のチャンバとの上記構成を置換することにより、該第１のチャンバと該第２のチャンバとの間の圧力差を置換するように構成されている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のシステム。

（項目９−Ｂ）
上記項目のうちのいずれか１項に記載のアルカリビームセルシステムを備えている、アルカリビーム原子時計。

（項目１０−Ｂ）
上記置換可能アルカリビームセルは、第１の置換可能アルカリビームセルであり、上記アルカリビーム原子時計は、
第２の置換可能アルカリビームセルと、
時計コントローラであって、該時計コントローラは、該第１のアルカリビームセルと該第２のアルカリビームセルとのうちの一方から周波数基準を獲得し、そして、所与の時間において、該第１のアルカリビームセルと該第１のアルカリビームセルとのうちの他方の上記リザーバチャンバにおいて上記アルカリ金属が実質的に完全に蒸発すると、該第１のアルカリビームセルと該第２のアルカリビームセルとのうちの他方を置換し、それにより、該周波数基準が、実質的に妨げられないように構成されている、時計コントローラと
をさらに備えている、上記項目のうちのいずれか１項に記載のアルカリビーム原子時計。

（摘要）
本発明の一実施形態は、置換可能アルカリビームセルを備えているアルカリビームセルシステムである。置換可能アルカリビームセルは、第１の期間の間、アルカリ金属を蒸発させるように構成されるリザーバチャンバとして構成され、そして、第２の期間の間、蒸発したアルカリ金属を収集するように構成される検知チャンバとして構成される第１のチャンバを含む。置換可能アルカリビームセルはまた、第１の期間の間、検知チャンバとして構成され、そして、第２の期間の間、リザーバチャンバとして構成される第２のチャンバを含む。置換可能アルカリビームセルはさらに、第１のチャンバと第２のチャンバとを相互接続するアパーチャを含み、該アパーチャを通って、アルカリ金属は拡散することが可能である。

図１は、本発明の局面に従った置換可能アルカリビームセルの図の例を示す。 図２は、本発明の局面に従ったアルカリビームセルの例を示す。 図３は、本発明の局面に従ったアルカリビームセルシステムの例を示す。 図４は、本発明の局面に従ったアルカリビームセルシステムの別の例を示す。 図５は、本発明の局面に従ったアルカリビームセルシステムのさらに別の例を示す。 図６は、本発明の局面に従ったアルカリビームセルシステムのまたさらなる例を示す。 図７は、本発明の局面に従ったアルカリビーム原子時計システムの図の例を示す。 図８は、本発明の局面に従ったアルカリビーム原子時計を制御する方法の例を示す。

本発明は、概して、ビームセルシステムに関し、特に、置換可能アルカリビームセルに関する。原子時計に実装され得るような置換可能アルカリビームセルは、第１のチャンバと、第２のチャンバと、アパーチャとを含み、該アパーチャは、第１のチャンバと第２のチャンバとを相互接続している。置換可能アルカリビームセルの第１の動作期間の間、第１のチャンバは、セシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属を保持し、蒸発させるリザーバチャンバとして構成され得、そして、第２のチャンバは、蒸発したアルカリ金属を収集する検知チャンバとして構成され得る。第２の動作期間の間、第１のチャンバと第２のチャンバとは、役割を交換し得る。したがって、第２の動作期間の間、第２のチャンバは、アルカリ金属を保持し、蒸発させるリザーバチャンバとして構成され得、そして、第１のチャンバは、蒸発したアルカリ金属を収集する検知チャンバとして構成され得る。

第１の期間と第２の期間との間の遷移は、アルカリ金属がほぼ完全にリザーバチャンバから使い果たされたときに生じ得る。したがって、アルカリ金属の大部分は、遷移の直前には検知チャンバにある。結果として、以前に検知チャンバであったチャンバが、新たなリザーバチャンバとなり、そして、以前にリザーバチャンバであったチャンバが、新たな検知チャンバとなる。置換可能アルカリビームセルは、原子時計に実装され得る。例えば、２つの置換可能アルカリビームセルが、互いに平行に、かつ、互いに位相がずれて実装され、そして、動作し得る。置換可能アルカリビームセルの両方が、実質的に同時に原子時計に同じタイミング基準を提供するように同調され得る。結果として、置換可能アルカリビームセルの一方が、リザーバチャンバと検知チャンバとを置換し、他方の置換可能アルカリビームセルが、途切れることなくタイミング基準を原子時計に提供し続ける。結果として、置換可能アルカリビームセルの一方に関するチャンバを置換する遷移の間であっても、原子時計は、安定した正確な時間を維持し得る。

図１は、本発明の局面に従ったアルカリビームセル１０の図の例を示す。例として、アルカリビームセル１０は、衛星の用途、または正確なタイミングと、小さなサイズと、長い寿命とを必要とする様々な他の用途のうちの任意の用途において利用され得るようなアルカリビーム原子時計に実装され得る。アルカリビームセル１０は、第１のチャンバ１２と、第２のチャンバ１４と、アパーチャ１６とを含み、該アパーチャ１６は、第１のチャンバ１２と第２のチャンバ１４とを相互接続している。例として、第１のチャンバ１２と第２のチャンバ１４とのそれぞれが、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）から製造されるようなガラスチャンバとして構成され得、そして、アパーチャ１６が、第１のチャンバ１２と第２のチャンバ１４とを接続する１つ以上の穴として構成され得る。このように、アルカリビームセル１０は、完全にシールされ得る。以下でさらに詳細に記述されるように、アパーチャ１６は、アルカリビームセル１０の中に収容されている蒸発するアルカリ金属の速度プロフィールに影響を与える様々な方法のうちの任意の方法で設計され得る。

図１の例において、第１のチャンバ１２は、リザーバ／検知チャンバとして示され、そして、第２のチャンバ１４は、検知／リザーバチャンバとして示されている。したがって、所与の期間において、第１のチャンバ１２と第２のチャンバ１４とのうちの一方が、リザーバチャンバとして構成され、該リザーバチャンバは、セシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属を保持し、蒸発させ、そして、第１のチャンバ１２と第２のチャンバ１４とのうちの他方が、検知チャンバとして構成され、該検知チャンバは、蒸発したアルカリ金属を収集し、そして、該検知チャンバを介して、周波数基準が決定される。しかしながら、アルカリビームセル１０は、置換可能であるので、第１のチャンバ１２と第２のチャンバ１４との役割が、交換され得る。結果として、第１の期間の間に、第１のチャンバ１２が、リザーバチャンバとして構成され、第２のチャンバ１４が、検知チャンバとして構成された後、第２の期間の間に、第２のチャンバが、検知チャンバとして構成され得、第１のチャンバが、リザーバチャンバとして構成され得る。

例として、最初に、第１のチャンバ１２は、所定の量のアルカリ金属を最初に貯蔵するリザーバチャンバとして構成され得る。したがって、第２のチャンバ１４は、最初に、検知チャンバとして構成され得る。外付けの加熱源（図示せず）が、アパーチャ１６に熱を加え、そして、例えば、第１のチャンバ１２の側壁に沿って第１のチャンバ１２に熱を加え得る。その結果、アパーチャ１６が、アルカリビームセル１０の最も熱い部分となり得、第１の（すなわち、リザーバ）チャンバ１２の側壁と、第２の（すなわち、検知）チャンバ１４の側壁とが、アパーチャ１６よりもわずかに冷たくなり得、アパーチャ１６から最も遠い、第１のチャンバ１２の端壁が、第１のチャンバ１２の側壁よりも冷たくなり得、そして、アパーチャ１６から最も遠い、第２のチャンバ１４の端壁が、アルカリビームセル１０の最も冷たい箇所となり得る。結果として、アルカリビームセル１０が加熱される方法が、蒸発したアルカリ金属に対し、アルカリビームセル１０において第１のチャンバ１２から第２のチャンバ１４まで圧力差をもたらす。したがって、アルカリ金属の蒸発した粒子は、実質的に一定の割合で、極めて予測可能な方法で、そして、制御された速度プロフィールを有して、第１のチャンバ１２からアパーチャ１６を通って第２のチャンバ１４の中に移動し得る。その結果、アルカリ金属ビームが、第２のチャンバ１４内に形成され、該アルカリ金属ビームは、アルカリビーム原子時計に実装され得るような周波数基準を確立するために、ポンピングされ、信号で呼びかけられ、そして、光学的に調査され、および／または光学的に、かつ、マイクロ波空洞を用いて調査され得る。

蒸発し、そして、第２のチャンバ１４に収集された、第１のチャンバ１２のアルカリ金属の実質部分に基づいて、関連するコントローラ（図示せず）が、第１のチャンバ１２の役割と第２のチャンバ１４の役割とを交換し得る。その結果、最初に、第２のチャンバ１４が、リザーバチャンバとして構成され得、そして、第１のチャンバ１２が、検知チャンバとして構成され得る。例として、関連するコントローラは、第１のチャンバ１２の加熱と第２のチャンバ１４の加熱とを置換し得る。したがって、アパーチャ１６は、アルカリビームセル１０の最も熱い部分のままであり得、第２の（すなわち、リザーバ）チャンバ１４の側壁と、第１の（すなわち、検知）チャンバ１２の側壁とは、アパーチャ１６よりもわずかに冷たくなり得、アパーチャ１６から最も遠い、第２のチャンバ１４の端壁は、第２のチャンバ１４の側壁よりも冷たくなり得、そして、アパーチャ１６から最も遠い、第１のチャンバ１２の端壁は、アルカリビームセル１０の最も冷たい箇所となり得る。結果として、アルカリビームセル１０における圧力差が、蒸発したアルカリ金属に対して、第２のチャンバ１４から第１のチャンバ１２に交換をもたらす。したがって、ここで、アルカリ金属の蒸発した粒子が、実質的に一定の割合で、第２のチャンバ１４からアパーチャ１６を通って第１のチャンバ１２の中に移動し得る。その結果、ここで、アルカリ金属ビームが、第１のチャンバ１２に形成され、該アルカリ金属ビームは、周波数基準を確立するために、ポンピングされ、信号で呼びかけられ、そして、光学的に調査され、および／または光学的に、かつ、マイクロ波空洞を用いて調査され得る。

図２は、本発明の局面に従ったアルカリビームセル２０の例を示す。アルカリビームセル２０は、図１の例におけるアルカリビームセル１０の図に対応し得る。したがって、図２の例において、図１の例に参照が行われる。

アルカリビームセル２０は、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とを含む。第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とのそれぞれが、ガラスの側壁２６に囲まれるように図２の例に示され、第１のチャンバ２２は、ガラスの端壁２８を有し、そして、第２のチャンバ２４は、ガラスの端壁３０を有する。したがって、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とはそれぞれ、実質的に囲い込まれている。ガラスの側壁２６は第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４との角柱形状を形成するように、様々な形状のうちの任意の形状、例えば、平坦であり得、ガラスの側壁の表面のうちの少なくとも一方が、実質的に透明である。所定の量のアルカリ金属３２、例えば、Ｃｓが、ガラスの端壁２８の内側表面に堆積される。したがって、図２の例に示されているように、第２のチャンバ２２は、リザーバチャンバに対応し得、そして、第２のチャンバ２４は、検知チャンバに対応し得る。

アルカリビームセル２０はまた、アパーチャ部分３４を含む。アパーチャ部分３４は、複数のチューブ３６を含み、該複数のチューブ３６は、互いに対して、そして、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４との両方を通って延びる中心軸に対して、真っ直ぐ、かつ、平行に配置されている。図２の例に示されているように、チューブ３６はそれぞれ、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とのそれぞれにおける対向する開口部を有し得るように、チューブ３６は、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とを結合している。結果として、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とチューブ３６とは、囲い込まれた体積を画定し得、該囲い込まれた体積が、アルカリビームセル２０を構成する。

チューブ３６が、真っ直ぐ、かつ、平行であることに限定されることは意図されておらず、蒸発したアルカリ金属の速度プロフィールに影響を与える様々な形状のうちの任意の形状を有し得ることが、理解されるべきである。例えば、チューブ３６は、非直線状であり得るか、または第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とを通って延びる中心軸に対して平行でない軸を有し得る。別の例として、チューブ３６は、第１のチャンバ２２における開口部と第２のチャンバ２４における開口部とに対して先細にされて、チューブ３６が、長手方向に依存する断面積を有し得る。例えば、所与のチューブ３６が、第１のチャンバ２２において小さい開口部を有する場合、それに隣接するチューブ３６のそれぞれが、第１のチャンバ２２において大きい開口部を有し、チューブの反対側の端における開口部は、第２のチャンバ２４においてサイズが反対である。同様に、所与のチューブ３６が、第１のチャンバ２２において大きな開口部を有する場合、それに隣接するチューブ３６のそれぞれが、第１のチャンバ２２において小さい開口部を有し、チューブの反対側の端における開口部は、第２のチャンバ２４において、サイズが反対である。

上に記述されているのと同様に、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とはそれぞれ、所与の期間において、リザーバチャンバと検知チャンバとにそれぞれ対応し得る。上に記述されたように、アルカリ金属３２は、第１のチャンバ２２に堆積されるので、図２の例において、第１のチャンバ２２は、リザーバチャンバとして示され、そして、第２のチャンバ２４は、検知チャンバとして示されている。しかしながら、アルカリビームセル２０は、置換可能であるので、アルカリ金属３２が実質的に蒸発して、第２のチャンバ２４に収集されると、第２のチャンバ２４が、リザーバチャンバになり得、そして、第１のチャンバ２２が、検知チャンバになり得る。

図２の例において、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とは、互いに実質的に同じ寸法を有するように構成され得る。したがって、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とのそれぞれの役割に関わらず、リザーバチャンバから検知チャンバへのアルカリ金属３２の粒子の制御された蒸発率が、実質的に同一に維持され得る。したがって、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４とのそれぞれの役割に関わらず、アルカリビームセル２０に加えられる実質的に同じ加熱条件の下で、アルカリ金属３２は、アルカリビームセル２０のアルカリビームと関連付けられるほぼ均一な周波数基準を提供し得る。

アルカリビームセル２０の構成は、正確なアルカリビーム原子時計が、数百年、さらには数千年を越えて一秒未満の誤差を有するようなきわめて正確なタイミングを提供するように構成され得るような構成であり得る。しかしながら、アルカリビームセル２０は、置換可能であるので、アルカリビームセル２０は、実質的に無限の寿命を有し得る。なぜならば、アルカリビームセル２０は、第１のチャンバ２２と第２のチャンバ２４との間でアルカリ金属３２を交換するために置換され続け得るからである。さらに、アルカリビームセル２０は、実質的に無限の寿命を有するので、アルカリビームセル２０は、従来のビームセルと比べてかなり小さくなるように構成され得る（例えば、５ｃｍ以下）。特に、アルカリビームセル２０の寿命は、実質的に無限であるので、アルカリビームセル２０の寿命は、アルカリ金属２０の量によって限定されない。したがって、アルカリビームセル２０は、寿命を延ばすためにより多くの量のアルカリ金属３２を必要とすることに基づいたサイズの制約を受けない。したがって、アルカリビームセル２０は、例えば、衛星などの制限的な用途において重量およびサイズを節約するなどのために、実質的に小さいフォームファクタで構成され得る。

アルカリビームセル２０は、図２の例に限定されることが意図されていないことが理解されるべきである。例として、アルカリビームセル２０は、様々な形状と様々な寸法で構成され得る。さらに、上に記述されたように、チューブ３６は、アルカリ金属３２の蒸発した粒子の速度プロフィールを正確に制御する様々な方法のうちの任意の方法で構成され得る。したがって、アルカリビームセル２０は、様々な方法のうちの任意の方法で構成され得る。

図３は、本発明の局面に従ったアルカリビームセルシステム５０の例を示す。システム５０は、アルカリビームセル５２を含む。アルカリビームセル５２は、置換可能アルカリビームセルであり得、例えば、図１および図２の例において上で記述されたアルカリビームセル１０およびアルカリビームセル２０などの置換可能アルカリビームセルであり得る。したがって、図３の例に関する以下の記述において図１および図２の例に参照がなされる。

アルカリビームセル５２は、第１のチャンバ５４と第２のチャンバ５６とを含む。図３の例において、所定の量のアルカリ金属５８、例えば、Ｃｓが、第１のチャンバ５４の端壁の内側表面に堆積している。したがって、図３の例に示されているように、第１のチャンバ５４は、リザーバチャンバに対応し得、そして、第２のチャンバ５６は、検知チャンバに対応し得る。さらに、アルカリビームセル５２はまた、アパーチャ部分６０を含み、該アパーチャ部分６０は、第１のチャンバ５４と第２のチャンバ５６とを結合する。図３の例において、アパーチャ部分６０は、複数のチューブ６２を含み、該複数のチューブ６２は、図２の例において上で記述されたチューブ３６と実質的に同様に配置されている。しかしながら、上で記述されたように、チューブ６２は、互いに対して、そして、第１のチャンバ５４と第２のチャンバ５６との両方を通って延びている中心軸に対して、真っ直ぐ、かつ、平行に配置されることに限定されない。

システム５０はまた、複数の制御コンポーネント６４を含み、該複数の制御コンポーネント６４は、アルカリビームセル５２と共にアルカリビーム原子時計システムに実装され得る。特に、制御コンポーネント６４は、「熱源Ａ／Ｂ」として示されている第１の熱源６６と、「熱源Ａ」として示されている第２の熱源６８と、「熱源Ｂ」として示されている第３の熱源７０とを含む。第１の熱源６６は、アパーチャ部分６０に熱を加えるように構成されている。例として、第１の熱源６６は、チューブ６２に導かれる熱を加えるためにアパーチャ部分６０を実質的に囲むように構成され得る。第２の熱源６８と第３の熱源７０とは、第１のチャンバ５４の側壁と、第２のチャンバ５６の側壁とのそれぞれの側壁に熱を加えるように構成されている。例として、第１のチャンバ５４が、リザーバチャンバとして構成されると、第２の熱源６８が、第１のチャンバ５４に熱を提供するように構成され得、そして、第２のチャンバ５６が、リザーバチャンバとして構成されると、第３の熱源７０が、第２のチャンバ５６に熱を提供するように構成され得る。例えば、熱源６６、６８、７０は、抵抗性の熱源として構成され得、該抵抗性の熱源は、アパーチャ部分６０と第１のチャンバ５４と第２のチャンバ５６とのそれぞれのガラスの側壁の周りに、または実質的にその中に配置され得る。したがって、第１の熱源６６と、第２の熱源６８と、第３の熱源７０とは、アルカリ金属５８を蒸発させるために必要不可欠な熱を提供し、そして、アルカリビームセル５２全体にわたって圧力差を提供することにより、アルカリビームを生成するように構成され得、その結果、アルカリビームに基づいて周波数基準を生成する。

制御コンポーネント６４はまた、「信号ポンピング／呼びかけコンポーネントＡ」として示されている第１の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７２を含み、そして、「信号ポンピング／呼びかけコンポーネントＢ」として示されている第２の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７４を含む。制御コンポーネント６４はさらに、「ビーム検知コンポーネントＡ」として示された第１のビーム検知コンポーネント７６と、「ビーム検知コンポーネントＢ」として示された第２のビーム検知コンポーネント７８とを含む。

第１の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７２と、第１のビーム検知コンポーネント７６とは、実質的に第２のチャンバ５６の近くに配置され、そして、第２の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７４と、第２のビーム検知コンポーネント７８とは、実質的に第１のチャンバ５４の近くに配置される。したがって、第２のチャンバ５６が、検知チャンバとして構成されると、第１の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７２が、光エネルギーを第２のチャンバ５６に提供するように構成されて、アルカリ金属５８の蒸発した粒子を所望の超微細状態にポンピングすることにより、呼びかけのためのアルカリビームを準備し得る。第１の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７２はまた、マイクロ波信号などの１つ以上の呼びかけ信号を第２のチャンバ内のアルカリビームに提供するように構成され得る。したがって、第１のビーム検知コンポーネント７６は、呼びかけ信号に応答したアルカリビームの蛍光発光特性または蛍光吸収特性を、光検知器などを介してモニタリングして、呼びかけ信号の周波数を設定する発振器（図示せず）を同調させるように構成され得る。したがって、蒸発したアルカリ金属の放出放射線／吸収放射線と関連付けられる超微細遷移周波数で発振器の周波数を固定する際に、アルカリビームの安定した周波数基準が、設定され得る。

第１の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７２と第１のビーム検知コンポーネント７６とに関する上の記述は、第１のチャンバ５４が検知チャンバとして構成される際、第２の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７４と第２のビーム検知コンポーネント７８とに同様に適用される。したがって、リザーバチャンバと検知チャンバとのそれぞれに関する第１のチャンバ５４と第２のチャンバ５６との役割に関わらず、アルカリビームの周波数基準は、設定され得る。したがって、図３と、以下の図４〜図６とに示されているように、「Ａ」と「Ｂ」との指定は、第１のチャンバ５４と第２のチャンバ５６とのそれぞれの役割に対応する。特に、第１のチャンバ５４が、リザーバチャンバとして構成され、第２のチャンバ５６が、検知チャンバとして構成されている間に、「Ａ」で示されたコンポーネントが、動作し、そして、第２のチャンバ５６が、リザーバチャンバとして構成され、第１のチャンバ５４が、検知チャンバとして構成されている間に、「Ｂ」で示されたコンポーネントが、動作する。したがって、図３の例に示されているように、第１の加熱源６６は、両方の期間の間に（すなわち、第１のチャンバ５４と第２のチャンバ５６とのそれぞれの役割の両方において）動作するように構成され得る。

図４は、本発明の局面に従ったアルカリビームセルシステム５０の別の例を示す。図４の例において、図３の例の参照番号と同様な参照番号が、使用されている。したがって、図４の例に関する以下の記述において、図３の例に参照がなされる。

図４の例は、第１のチャンバ５４がリザーバチャンバとして構成され、そして、第２のチャンバ５６が検知チャンバとして構成されるような第１の期間におけるアルカリビームセル５２の動作を示す。したがって、「Ａ」で示されたコンポーネントが、図４の例においては動作中である。特に、第１の熱源６６と第２の熱源６８とから出ている矢印によって図４の例に示されたように、第１の熱源６６は、アパーチャ部分６０に熱を提供し、そして、第２の熱源６８は、第１のチャンバ５４に熱を提供する。図４の例において、第２の熱源６８から出ている矢印が、より短いことにより、アパーチャ部分６０が、アルカリビームセル５２の最も熱い部分であることを描いている。

第１の熱源６６と第２の熱源６８とによって提供された熱に応答して、圧力差が、第２のチャンバ５６において、第１のチャンバ５４に対して生成され、そして、図４の例においては、アルカリ金属５８は、蒸発しているように示されている。結果として、アルカリ金属５８から出ている矢印によって示された蒸発したアルカリ金属粒子は、第１の熱源６６と第２の熱源６８とによって誘発される圧力差によってアルカリビームセル５２に沿って移動させられる。さらに、アパーチャ部分６０の構成は、圧力差に応答したアルカリ金属粒子の速度プロフィールを制御し得る。これは、アパーチャ部分６０のチューブ６２を通った真っ直ぐな点線の矢印に基づいて、図４の例に示されている。図４の例において、アルカリ金属５８の大部分が、第１のチャンバ５４の端壁に堆積されているように示されている。しかしながら、図４の例はまた、アルカリ金属５８のわずかな部分が、アルカリ金属５８の粒子の蒸発と移動とに応答して第２のチャンバ５６の端壁に集まることを示している。

第２のチャンバ５６の端壁へのアルカリ金属５８の粒子の移動に基づいて、第１の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７２が、所望の超微細状態に粒子をポンピングするように構成され得る。第１の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７２はまた、結果として生じるアルカリビームをマイクロ波信号で呼びかけ、そして、図３の例において上で記述されたように、第１のビーム検知コンポーネント７６によって行われた光検知に基づいて、アルカリ金属５８の粒子と関連付けられる超微細遷移周波数に、関連付けられるマイクロ波発振器の周波数を固定するように構成され得る。したがって、図４の例は、アルカリビーム原子時計に実装され得るような周波数基準が、第１の期間の間に生成され得る方法を示している。

図５は、本発明の局面に従ったアルカリビームセルシステム５０の別の例を示す。図５の例において、図３および図４の参照番号と同様な参照番号が、使用されている。したがって、図５の例に関する以下の記述において、図３および図４の例に、参照がなされる。

図５の例は、図４の例と実質的に同様に描かれている。特に、図５の例は、第１のチャンバ５４が、リザーバチャンバとして構成され、そして、第２のチャンバ５６が、検知チャンバとして構成されているような第１の期間の間におけるアルカリビームセル５２の動作を示す。したがって、「Ａ」で示されたコンポーネントは、図５において、依然として動作中である。しかしながら、図５の例においては、第１のチャンバ５４の端壁に堆積されたアルカリ金属５８は、ほとんど全て使い果たされている。言い換えると、アルカリ金属５８の大部分が、第２のチャンバ５６の端壁に集まっている。したがって、図５の例は、第１の期間の終了近くのアルカリビームセルシステム５０を描いている。

アルカリ金属５８の総量が、第１のチャンバ５４、したがってリザーバチャンバからほとんど全て使い果たされているので、気化され、そして、第１のチャンバ５４から第２のチャンバ５６に移動しているアルカリ金属５８の粒子の総量が、顕著に減少され得る。これが、図４の例に示された矢印に対する、第１のチャンバ５４におけるアルカリ金属５８から出ている矢印の量の減少に基づいて図５の例に示されている。結果として、第１のビーム検知コンポーネント７６によって検知された放出信号／吸収信号の強度が、実質的に減少され得る。したがって、第１のビーム検知コンポーネント７６が、第１の期間が終了間近であるときを識別するように構成され得るので、関連するコントローラ（図示せず）は、適切な時に、第２の期間を開始して、第１のチャンバ５４と第２のチャンバ５６との役割を交換するように構成され得る。例として、第１のビーム検知コンポーネント７６は、閾値未満に下げられた放出信号／吸収信号の強度に応答して、関連するコントローラに信号を提供するように構成され得る。その結果、関連するコントローラは、第１のチャンバ５４と第２のチャンバ５６との役割を検出チャンバとリザーバチャンバとのそれぞれになるように置換するように構成され得る。したがって、第１の期間が終了し、第２の期間が開始する。

図６は、本発明の局面に従ったアルカリビームセルシステム５０の別の例を例示している。図６の例において、図３〜図５の例の参照番号と同様な参照番号が、使用されている。したがって、図６の例に関する以下の記述において、図３〜図５の例に参照がなされる。

図６の例は、第２のチャンバ５６が、リザーバチャンバとして構成され、そして、第１のチャンバ５４が、検知チャンバとして構成されているような、第２の期間の間におけるアルカリビームセル５２の動作を示す。したがって、「Ｂ」で示されたコンポーネントは、図６において、動作中である。特に、第１の熱源６６と第３の熱源７０とから出ている矢印によって図６の例に示されたように、第１の熱源６６は、アパーチャ部分６０に熱を提供し、そして、第３の熱源７０は、第２のチャンバ５６に熱を提供する。図６の例において、図４の例において上で記述されたのと同様に、第３の熱源７０から出ている矢印が、より短いことにより、アパーチャ部分６０が、アルカリビームセル５２の最も熱い部分であることを描いている。

第１の熱源６６と第３の熱源７０とによって提供された熱に応答して、圧力差が、第１のチャンバ４６において、第２のチャンバ５６に対して生成され、そして、アルカリ金属５８は、図６の例においては、蒸発しているように示されている。したがって、図４の例において上で記述されたのと同様に、結果として、蒸発したアルカリ金属粒子は、第１の熱源６６と第３の熱源７０とによって誘発される圧力差によってアルカリビームセル５２に沿って移動させられる。図６の例において、アルカリ金属５８の大部分が、第２のチャンバ５６の端壁に堆積されているように示されている。しかしながら、図６の例はまた、アルカリ金属５８のわずかな部分が、アルカリ金属５８の粒子の蒸発と移動とに応答して第１のチャンバ５４の端壁に集まっていることを示している。

第１のチャンバ５４の端壁へのアルカリ金属５８の粒子の移動に基づいて、第２の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７４が、所望の超微細状態に粒子をポンピングするように構成され得る。第２の信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネント７４はまた、結果として生じるアルカリビームをマイクロ波信号で呼びかけ、そして、図３および図４の例において上で記述されたように、第２のビーム検知コンポーネント７８によって行われた光検知に基づいて、関連するマイクロ波発振器の周波数を固定するように構成され得る。したがって、図６の例は、アルカリビーム原子時計に実装され得るような周波数基準が、第２の期間の間に生成され得る方法を示している。

システム５０は、図３〜図６の例に限定されることが意図されていないことが理解されるべきである。例として、第１の熱源６６と、第２の熱源６８と、第３の熱源７０とは、アルカリビームセル５２を加熱する位置、方向、または方法に対して限定がなされることを意図されていない。例えば、第２の熱源６８は、第２の期間の間に、依然として熱を提供するように構成され得、そして、第３の熱源７０は、第１の期間の間に、依然として熱を提供するように構成され得る。熱源６８と熱源７０とは、期間に基づいて変動可能であり得る。別の例として、アルカリビームセル５２が、物理的に、動かされるか、または回転させられることにより、アルカリビームセル５２が加熱される方法を変更し得る。例えば、アルカリビームセル５２は、第１の期間と第２の期間との間の遷移の際に１８０°で配向され得る。したがって、システム５０は、一組の熱源と、信号ポンピングおよび呼びかけコンポーネントと、ビーム検知コンポーネントとをだけ含み得る。さらに、アルカリビームが検知チャンバにおいて生成される方法と、周波数基準が獲得される方法とは、図３〜図６の例に限定されず、その代わりに、周波数基準を獲得するための様々な他の技術のうちの任意の方法を組み込まれ得ることが、理解されるべきである。したがって、アルカリビームセルシステム５０は、様々な方法のうちの任意の方法で構成され得る。

図７は、本発明の局面に従ったアルカリビーム原子時計システム１００の図の例を例示している。システム１００は、衛星または他の用途に実装され得るような非常に正確なタイミング基準を提供するように構成され得る。システム１００は、第１のアルカリビームセル１０２と、第２のアルカリビームセル１０４とを含む。第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とのそれぞれが、図１〜図６の例において上で記述されたアルカリビームセル１０、２０、および５２と実質的に同様に構成され得る。したがって、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とはそれぞれ、置換可能として構成され得るので、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とのそれぞれが、異なる期間の間にリザーバチャンバと検知チャンバとしてそれぞれ構成され得る第１のチャンバと第２のチャンバとのそれぞれを含み得る。

システム１００は、第１のアルカリビームセル１０２を制御するように構成された第１のセル制御システム１０６と、第２のアルカリビームセル１０４を制御するように構成された第２のセル制御システム１０８とを含む。第１のセル制御システム１０６と第２のセル制御システム１０８とのそれぞれが、加熱制御装置１１０と、ポンピング／呼びかけ制御装置１１２と、ビーム検知制御装置１１４とを含む。例として、加熱制御装置１１０のそれぞれが、図３〜図６の例における第１の加熱源６６と第２の加熱源６８と第３の加熱７０とのうちのちの少なくとも１つとして構成され得る。同様に、ポンピング／呼びかけ制御装置１１２のそれぞれが、第１のポンピングおよび呼びかけコンポーネント７２、ならびに第２のポンピングおよび呼びかけコンポーネント７４と実質的に同様であるように構成され得、そして、ビーム検知制御装置１１４のそれぞれが、第１のビーム検知コンポーネント７６および第２のビーム検知コンポーネント７８と実質的に同様に構成され得る。したがって、第１のアルカリビームセル１０２および第１のセル制御装システム１０６、ならびに第１のアルカリビームセル１０４および第２のセル制御システム１０８とは、図３〜図６の例におけるアルカリビームセルシステム５０と実質的に同様に構成され得る。

システム１００はまた、原子時計１１６を含む。原子時計１１６は、第１のセル制御システム１０６と第２のセル制御システム１０８とのそれぞれから周波数基準信号を受信するように構成されている。したがって、原子時計１１６は、非常に正確で非常に寿命の長いタイミング信号１１８を提供するように構成され得る。例として、第１のセル制御システム１０６と第２のセル制御システム１０８とのそれぞれから提供される周波数基準信号は、互いに実質的に同期され得るので、原子時計１１６は、周波数基準信号のいずれかから、またはそれらの両方からタイミング信号１１８を冗長な方法で同時に提供し得る。したがって、タイミング信号１１８は、正確で寿命の長いタイミングが必要である様々な用途のうちの任意の用途に実装され得る。

上で記述されたように、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とのそれぞれが、置換可能であるので、それらが、それぞれの第１のセル制御システム１０６と第２のセル制御システム１０８とによって実装されることにより、実質的に無限に周波数基準を獲得し続け得る。しかしながら、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とのうちの一方が、第１の期間から第２の期間に切り換わると、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とのそれぞれからの周波数基準信号が、妨げられるので、周波数基準は、期間遷移の際に、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とのそれぞれから再入手されることを必要とし得る。したがって、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とは、第１のチャンバと第２のチャンバとの役割とに関連付けられる期間に関して、互いに位相がずれるように構成され得る。

例えば、第１のアルカリビームセル１０２の第１のチャンバは、第１の期間の間にリザーバチャンバとして構成され、そして、第２の期間の間に検知チャンバとして構成され得る。同様に、第２のアルカリビームセル１０４の第１のチャンバは、第３の期間の間にリザーバチャンバとして構成され、そして、第４の間に検知チャンバとして構成され得る。第３の期間は、第１の期間と第２の期間とのぞれぞれの一部分に重複し得、そして、第４の期間は、第１の期間と第２の期間とのそれぞれの残りの部分に重複し得る。結果として、システム１００は、所与の段階において、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とのうちの一方だけの第１のチャンバと第２のチャンバとの役割を置換するように構成され得るので、周波数基準信号は、常に、任意の所与の時間に原子時計１１６に提供される。したがって、アルカリビームセル１０２とアルカリビームセル１０４とのうちの一方が置換され、そして、それぞれの周波数基準を再入手する間、原子時計は、アルカリビームセル１０２とアルカリビームセル１０４とのうちの他方から提供された周波数基準信号に基づいて、正確に、かつ、妨げられることなくタイミング信号１１８を維持し得る。

システム１００はさらに、時計コントローラ１２０を含む。時計コントローラ１２０は、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４との期間の遷移（すなわち、置換）を制御するように構成されている。図７の例において、原子時計１１６は、時計コントローラ１２０にタイミング基準を提供するように構成されるので、時計コントローラ１２０は、第１のセル制御システム１０６と第２のセル制御システム１０８とのうちの一方にコマンドを提供して、アルカリビームセル１０２とアルカリビームセル１０４とのそれぞれを置換し得る。別の例として、時計コントローラ１２０は、図５の例において上で記述されたように、例えば、蛍光放出／蛍光吸収信号が閾値未満に減少されたことに基づいて、第１のセル制御システム１０６と第２のセル制御システム１０８とのうちの一方から信号を受信し得る。したがって、第１のアルカリビームセル１０２と第２のアルカリビームセル１０４とのそれぞれに対する、制御され、かつ、時間をずらした期間の遷移に基づいて、原子時計１１６は、実質的に一貫して、かつ、無限に非常に正確なタイミング信号１１８を維持し得る。

システム１００は、図７の例に限定されることを意図していないことが、理解されるべきである。例として、システム１００は、２つのアルカリビームセルの使用に限定されず、任意の数のアルカリビームセルと、任意の数の関連するセル制御システムとを含み得、該任意の数のアルカリビームセルと、該任意の数の関連するセル制御システムとはそれぞれ、周波数基準を原子時計１１６に提供する。別の例として、時計コントローラ１２０は、第１のセル制御システム１０６と第２のセル制御システム１０８とのうちの一方または両方に組み込まれ得る。したがって、アルカリビーム原子時計システム１００は、様々な方法のうちの任意の方法で構成され得る。

上に記述された上述の構造的特徴および機能的特徴を踏まえると、本発明の様々な局面に従った方法論は、図８を参照してより良く認識される。説明を簡潔にする目的で、図８の方法論は、連続的に実行されるように示され、かつ、記述されているが、本発明は例示された順序に限定されないことが理解され、そして、認識される。なぜならば、一部の局面は、本発明に従って、本明細書に示され、かつ、記述された他の局面と異なる順序で生じ、および／またはそれらと同時に生じ得るからである。さらに、例示された特徴の全てが、本発明の局面に従った方法論を組み込むことを必要とし得るわけではない。

図８は、本発明の局面に従ったアルカリビーム原子時計を制御する方法１５０の例を例示する。１５２において、熱が、アルカリビームセルに加えられることにより、アルカリ金属を蒸発させ、そして、リザーバチャンバとして構成された第１のチャンバと、検知チャンバとして構成された第２のチャンバとの間に圧力差を生成する。第１のチャンバと第２のチャンバとは、アパーチャ部分によって相互接続され得る。アパーチャ部分は、穴、または複数のチューブを含み得、該複数のチューブは、真っ直ぐかつ平行、先細、または非直線状、および／または第１のチャンバと第２のチャンバとに沿って延びている軸と平行ではない、であり得る。アルカリ金属は、第１のチャンバにおいて蒸発され、そして、第２のチャンバに移動させられる。蒸発は、熱によってもたらされ得、そして、移動は、圧力差に基づいてもたらされ得る。アルカリ金属は、セシウム（Ｃｓ）であり得る。アルカリ金属は、蒸発し、そして、移動すると、第２のチャンバに集まる。アルカリ金属は、移動によって第２の（すなわち、検知）チャンバの端壁に集まり得る。

１５４において、光エネルギーが、第２のチャンバにポンピングされて、アルカリ金属の蒸発した粒子を所望の超微細状態に励起することにより、呼びかけのためのアルカリビームを準備する。１５６において、呼びかけ信号が、アルカリビームに加えられる。ビームが、マイクロ波信号などの１つ以上の信号によって呼びかけられることにより、放出蛍光光エネルギーまたは吸収蛍光光エネルギーをもたらし得、該放出蛍光光エネルギーまたは該吸収蛍光光エネルギーが、検知される。１５８において、周波数基準が、呼びかけ信号に基づいて獲得される。検知された放出蛍光光信号または検知された吸収蛍光光信号が、使用されることにより、蒸発したアルカリ金属の放出放射線／吸収放射線と関連する超微細遷移周波数で発振器の周波数を固定することによって、周波数基準に対応し得る発振器の周波数が設定され得る。

１６０において、アルカリビームセルが、置換され得ることにより、第１のチャンバが、検知チャンバとして構成され、そして、第２のチャンバが、リザーバチャンバとして構成され得る。アルカリ金属の大部分が、第２のチャンバに配置されることによって、置換が、生じ得る。置換は、放出光エネルギー／吸収光エネルギーの強度が閾値未満に降下することに応答するものであり得るか、所定の時間に応答するものであり得る。したがって、１６２における矢印によって図８の例に示されるように、方法１５０は、繰り返す。結果として、アルカリビームセルは、安定した方法で、かつ、実質的に無限に周波数応答を提供し得る。

上に記述されたものは、本発明の例である。当然、本発明を記述する目的で、コンポーネントまたは方法論の考えられる全ての組み合わせを記述することは、可能ではないが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび並べ替えが可能であることを認識する。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神と範囲とに該当する全ての代替案、改変および変形例を含むことを意図している。

５０ アルカリビームセルシステム
５２ アルカリビームセル
５４ 第１のチャンバ
５６ 第２のチャンバ
５８ アルカリ金属
６０ アパーチャ部分
６２ 複数のチューブ
６４ 制御コンポーネント
６６ 第１の熱源
６８ 第２の熱源
７０ 第３の熱源

Claims (10)

1. 置換可能アルカリビームセルを備えているアルカリビームセルシステムであって、該置換可能アルカリビームセルは、
   第１の期間の間、アルカリ金属を蒸発させるように構成されるリザーバチャンバとして構成され、そして、第２の期間の間、該蒸発したアルカリ金属を収集するように構成される検知チャンバとして構成される第１のチャンバと、
   該第１の期間の間、該検知チャンバとして構成され、そして、該第２の期間の間、該リザーバチャンバとして構成される第２のチャンバと、
   該第１のチャンバと該第２のチャンバとを相互接続するアパーチャであって、該アパーチャを通って、該アルカリ金属は拡散することが可能である、アパーチャと
   を備えている、システム。
2. 前記アパーチャは、実質的に平行な複数のチューブとして構成され、該実質的に平行な複数のチューブはそれぞれ、前記第１のチャンバに結合される第１の開口部と、前記第２のチャンバに結合される第２の開口部とを有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記実質的に平行な複数のチューブのそれぞれが、第１のサイズから第２のサイズへと先細にされるように構成されることにより、長手方向に依存する断面を達成し、前記第１の開口部のうちの最初の開口部は、該第１のサイズであり、第１の開口部のうちの第２のサイズの複数の開口部に隣接し、そして、該第１の開口部の２番目の開口部は、該第２のサイズであり、該第１の開口部のうちの該第１のサイズの複数の開口部に隣接している、請求項２に記載のシステム。
4. 前記実質的に平行な複数のチューブのうちのそれぞれが、軸を有するように構成され、該軸は、実質的に真っ直ぐであり、そして、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの中心軸に対して平行ではない、請求項２に記載のシステム。
5. 前記実質的に平行な複数のチューブのうちのそれぞれが、実質的に非直線状である軸を有するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
6. 前記第１の期間と前記第２の期間とのそれぞれの終了の際に、前記リザーバチャンバと前記検知チャンバとに関して、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの構成を置換するように構成されたコントローラをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記コントローラは、閾値未満に減少された強度を有する、前記検知チャンバにおける検知された蛍光信号に応答して、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの構成を置換するように構成されている、請求項６に記載のシステム。
8. 前記コントローラは、前記アルカリビームセルの加熱構成を置換することによって前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの前記構成を置換することにより、該第１のチャンバと該第２のチャンバとの間の圧力差を置換するように構成されている、請求項６に記載のシステム。
9. 請求項１に記載のアルカリビームセルシステムを備えている、アルカリビーム原子時計。
10. 前記置換可能アルカリビームセルは、第１の置換可能アルカリビームセルであり、前記アルカリビーム原子時計は、
    第２の置換可能アルカリビームセルと、
    時計コントローラであって、該時計コントローラは、該第１のアルカリビームセルと該第２のアルカリビームセルとのうちの一方から周波数基準を獲得し、そして、所与の時間において、該第１のアルカリビームセルと該第１のアルカリビームセルとのうちの他方の前記リザーバチャンバにおいて前記アルカリ金属が実質的に完全に蒸発すると、該第１のアルカリビームセルと該第２のアルカリビームセルとのうちの他方を置換し、それにより、該周波数基準が、実質的に妨げられないように構成されている、時計コントローラと
    をさらに備えている、請求項９に記載のアルカリビーム原子時計。

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