JP2010205875A

JP2010205875A - ガスセル

Info

Publication number: JP2010205875A
Application number: JP2009048922A
Authority: JP
Inventors: Toshiichi Uchiyama; 敏一内山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】窓部へのアルカリ金属の析出を十分低減させたアルカリ金属ガスの封入されたガスセルを提供すること。
【解決手段】ガスセル１０の容器１に形成された突起部１２の凹部１６にアルカリ金属２が取り込まれ析出する析出確率が、複数の突起部１２の場合、単数の突起部１２と比較して高く、アルカリ金属２の窓部１１への析出確率を低下できる。したがって、窓部１１へのアルカリ金属２の析出を十分低減させたガスセル１０を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子のエネルギー準位間の遷移を利用した原子発振器に用いるガスセルに関する。

原子のエネルギー準位間の遷移を利用した原子発振器として、二重共鳴方式またはＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式を用いたものが知られている。いずれの方法も、励起用の光を用い、セシウム、ルビジウム等のアルカリ金属の２つの基底準位間のエネルギー差を利用して、基準発振源の周波数を安定制御している。
アルカリ金属は、ガスセル内に封入されている。アルカリ金属の一部は、ガスセル内で気体になっている。両方式共に、ガスセルに入射した光源からの光が、気体のアルカリ金属にどれだけ吸収されたかを、ガスセルを挟んで光源の反対側に設けられた光検出手段で検出することにより原子共鳴を検知し、制御系にて水晶発振器などの基準信号をこの原子共鳴に同期させて出力を得ている。
アルカリ金属が気密封止されたガスセルは、ガスセル内の単位体積当りの気体のアルカリ金属数を一定に保つために、ヒーターによって所定の温度にコントロールされている。しかしながら、光が入射や射出する窓部には、ヒーターを設けるのが難しく、窓部の温度が低くなる傾向の温度分布が生じる。このため、窓部にアルカリ金属が付着しやすくなり、見かけ上光の吸収度合いが変化して原子共鳴の検知に誤差を生じたり、検知できなかったりする問題がある。
ガスセルの窓部である窓板以外の内面表面に、磨りガラス状の凹凸面を付与して実効表面積を広くしてアルカリ金属の析出確率を増加させ、窓板へのアルカリ金属の析出を低減させる構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１２９５１号公報（６頁、図２および図３）

しかしながら、凹凸面によって析出確率が変化する程度と比較すると、温度差による析出確率の変化の程度差のほうが大きく、窓部へのアルカリ金属の析出を十分低減させるのは困難である。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
気体のアルカリ金属と、前記アルカリ金属が封入された容器と、前記容器に設けられた窓部と、前記容器内部に向かって凹部を有する複数の突起部と、前記容器を加熱するヒーター部とを備えたことを特徴とするガスセル。

この適用例によれば、ガスセルの容器に形成された突起部の凹部にアルカリ金属が取り込まれ析出する析出確率が、複数の突起部の場合、単数の突起部と比較して高く、アルカリ金属の窓部への析出確率が低下する。したがって、窓部へのアルカリ金属の析出を十分低減させたガスセルが得られる。

［適用例２］
上記ガスセルであって、前記突起部と前記ヒーター部との間には、間隙が設けられていることを特徴とするガスセル。
この適用例では、突起部とヒーター部との間に間隙が設けられているので、突起部の温度が、容器の他の部分と比較して低くなり、より突起部の凹部への析出確率が高まる。したがって、窓部へのアルカリ金属の析出をより低減させたガスセルが得られる。

［適用例３］
上記ガスセルであって、前記突起部は、前記窓部近傍に設けられていることを特徴とするガスセル。
この適用例では、突起部が、窓部近傍に設けられているので、窓部より突起部へ取り込まれるアルカリ金属の数が増え、窓部へのアルカリ金属の析出をより低減させたガスセルが得られる。

［適用例４］
上記ガスセルであって、複数の前記突起部のうち、一つを除いた複数の前記突起部のうちの少なくとも一つの前記凹部に、原子捕獲手段が配置されていることを特徴とするガスセル。
この適用例では、突起部の凹部に原子捕獲手段が配置されていることにより、よりアルカリ金属が突起部の凹部に取り込まれやすくなる。したがって、窓部へのアルカリ金属の析出をより低減させたガスセルが得られる。

第１実施形態におけるガスセルの概略斜視図。ガスセルの概略拡大断面図。ガスセルの製造方法を表す概略斜視図。ガスセルの製造方法を表す概略斜視図。第２実施形態におけるガスセルの容器の概略斜視図。第３実施形態における突起部の概略断面図。

以下、実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１に、本実施形態におけるガスセル１０の概略斜視図を示した。また、図２には、概略拡大断面図を示した。白抜き矢印で、光の入射、射出方向を示した。
図１および図２において、ガスセル１０は、容器１とアルカリ金属２および気体のアルカリ金属ガス３とヒーター部４とを備えている。アルカリ金属２および気体のアルカリ金属ガス３は、容器１に封入されている。

容器１は、光が入射や射出する窓部１１と複数の突起部１２とを備えている。本実施形態では、容器１の外形状は、略円柱形で、窓部１１と円筒部１３とを備えている。窓部１１は、円筒部１３の開口部の両側を塞ぐように設けられている。また、複数の突起部１２は、側面１４に形成されている。本実施形態では、３つの突起部１２が容器１に形成されている。
また、突起部１２は、容器１の内部１５に向かって凹部１６を有している。

本実施形態では、アルカリ金属２の塊は、一つの突起部１２の凹部１６に配置されている。また、図示しないが、アルカリ金属２は、容器１の内面および凹部１６の内面にも付着している。
アルカリ金属ガス３は、容器１の内部１５に気体として存在している。内部１５には、アルカリ金属ガス３のドップラー運動やガスセル１０の壁との衝突の影響を少なくするために、アルカリ金属ガス３の他に、緩衝ガスとして窒素、ネオン、ヘリウム等の希ガスが微量含まれていてもよい。

ヒーター部４は、容器１の略全体を包むように密着して設けられているが、窓部１１の光が入射、射出する領域には、ヒーター部４は設けられていない。
ヒーター部４と突起部１２との間には間隙４１が設けられ、直接接触していない。本実施形態では、突起部１２の先端付近とヒーター部４との間に間隙４１が設けられている。
間隙４１は、ヒーター部４と突起部１２の側面との間の領域全部に設けられていてもよいし、一部に設けられていてもよい。

ガスセル１０の使用時には、ガスセル１０の内部１５のアルカリ金属ガス３の濃度が変動しないように、ガスセル１０はヒーター部４によって温度制御されている。例えば、内部１５の気体の温度が、５０±０．０１℃あるいは８０±０．０１℃になるように温度制御されている。Ｃｓでは３０℃程度、Ｒｂでは４０℃程度暖めることによって、ガス化させることができる。
内部１５の気体の温度が略一定に保たれていても、容器１には温度分布が生じている。具体的には、ヒーター部４に包まれていない窓部１１の温度は、容器１のその他の部分より温度が低い。

図３および図４に、ガスセル１０の製造方法を表す概略斜視図を示した。（ａ）はチューブ切断工程、（ｂ）は融着工程、（ｃ）は突起部形成工程、（ｄ）は減圧およびアルカリ金属の導入工程、（ｅ）は封止工程、（ｆ）はヒーター部取り付け工程である。

図３（ａ）において、チューブ切断工程では、石英ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス等からなる長いチューブ２０を切断して円筒部１３を得る。
図３（ｂ）において、融着工程では、円筒部１３の両側に、石英ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス等からなる窓部１１を融着し、セル３０を得る。
図３（ｃ）において、突起部形成工程では、円筒部１３の３ヶ所に穴３１を空け、空けた穴３１に細長いチューブ４０を融着し、３ヶ所のうち両端の２つの細長いチューブ４０の一部を溶断して口を閉じて、突起部１２を形成する。
図４（ｄ）において、減圧およびアルカリ金属の導入工程では、残りの細長いチューブ４０から真空引きを行い、セル３０内を減圧する。この細長いチューブ４０からアルカリ金属２をセル３０内に送り込む。アルカリ金属２は、非常に活性が高く、空気中では瞬時に酸化等の反応を起こすので、減圧下でこの作業は行う。また、必要に応じて緩衝ガスもこの時点で充填する。
図４（ｅ）において、封止工程では、細長いチューブ４０からアルカリ金属２を充填後、減圧したままで細長いチューブ４０を溶断して封止し、３ヶ所のうち真中の突起部１２を得る。この時点で、アルカリ金属２は、セル３０内に散乱しているが、例えば、一つの突起部１２を冷却した状態で、窓部１１や円筒部１３を加熱すれば、冷却した突起部１２にアルカリ金属２を集めることができる。
図４（ｆ）において、ヒーター部取り付け工程では、ヒーター部４をセル３０に取り付け、ガスセル１０が得られる。

例えば、半導体レーザー等から放射された赤外領域のレーザー光は、ガスセル１０に入射する。
ガスセル１０に入射したレーザー光は、アルカリ金属ガス３と相互作用を起こし、アルカリ金属ガス３のエネルギー準位間の電子遷移を誘起する。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）ガスセル１０の容器１に形成された突起部１２の凹部１６にアルカリ金属２が取り込まれ析出する析出確率が、複数の突起部１２の場合、単数の突起部１２と比較して高く、アルカリ金属２の窓部１１への析出確率を低下できる。したがって、窓部１１へのアルカリ金属２の析出を十分低減させたガスセル１０を得ることができる。

（２）突起部１２とヒーター部４との間に間隙４１が設けられているので、突起部１２の温度が、容器１の他の部分と比較して低くでき、より突起部１２の凹部１６への析出確率を高めることができる。したがって、窓部１１へのアルカリ金属２の析出をより低減させたガスセル１０を得ることができる。

（第２実施形態）
図５に、本実施形態におけるガスセルの容器１００の概略斜視図を示した。ヒーター部は省略してあるが、突起部１２とヒーター部との間に間隙が設けられている点は、第１実施形態と同様である。

本実施形態では、突起部１２が、窓部１１の近傍の側面および光が入射、射出する窓部１１の部分を除いた領域に形成されている。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（３）突起部１２が、窓部１１近傍に設けられているので、窓部１１より突起部１２へ取り込まれるアルカリ金属２の数が増え、窓部１１へのアルカリ金属２の析出をより低減させたガスセルを得ることができる。

（第３実施形態）
図６に、本実施形態における突起部１２の概略断面図を示した。
図６において、突起部１２の凹部１６には、原子捕獲手段５０が配置されている。
原子捕獲手段５０は、複数の突起部１２のうち、一つを除いた突起部１２のうちの少なくとも一つの凹部１６に配置されている。原子捕獲手段５０が配置されている他は、第１実施形態および第２実施形態と同様の構成である。
原子捕獲手段５０は、繊維状の金属等を用いることができる。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（４）突起部１２の凹部１６に原子捕獲手段５０が配置されていることにより、よりアルカリ金属２が突起部１２の凹部１６に取り込まれやすくできる。したがって、窓部１１へのアルカリ金属２の析出をより低減させたガスセルを得ることができる。

上述した実施形態以外にも、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、突起部１２および凹部１６の形状は各実施形態に示した形状に限らず、例えば、突起部１２が略球状で凹部１６が袋状であってもよい。この場合、よりアルカリ金属ガス３が捕獲されやすい。
また、突起部１２の数は、各実施形態に示した数に限らない。

また、突起部１２をペルチェ素子等で温度制御して、さらに温度差を設けてもよい。

さらに、突起部１２の配置は、各実施形態に示した規則正しい配置に限らず、ランダムな配置であってもよい。

１…容器、２…アルカリ金属、３…気体のアルカリ金属ガス、４…ヒーター部、１０…ガスセル、１１…窓部、１２…突起部、１６…凹部、４１…間隙、５０…原子捕獲手段。

Claims

気体のアルカリ金属と、
前記アルカリ金属が封入された容器と、
前記容器に設けられた窓部と、
前記容器内部に向かって凹部を有する複数の突起部と、
前記容器を加熱するヒーター部とを備えた
ことを特徴とするガスセル。
請求項１に記載のガスセルにおいて、
前記突起部と前記ヒーター部との間には、間隙が設けられている
ことを特徴とするガスセル。
請求項１または請求項２に記載のガスセルにおいて、
前記突起部は、前記窓部近傍に設けられている
ことを特徴とするガスセル。
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のガスセルにおいて、
複数の前記突起部のうち、一つを除いた複数の前記突起部のうちの少なくとも一つの前記凹部に、原子捕獲手段が配置されている
ことを特徴とするガスセル。