JP2011188352A - Ion-trap type reference frequency generator and method of stabilizing output frequency - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水銀イオンを使用した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 type frequency standard using mercury ions and a method for stabilizing its 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は、水銀イオンを冷却するために容器内にバッファガスが導入されている(例えば、非特許文献1を参照。)。 In an ion trap type frequency standard using mercury ions, a buffer gas is introduced into the container in order to cool the mercury ions (see, for example, Non-Patent Document 1).
非特許文献1は、バッファガスの導入でイオントラップ型周波数標準器から出力される出力周波数が変動することを報告している。さらに、非特許文献1は、バッファガスの圧力変動に応じて出力周波数も変動することを報告している。これは、イオントラップ型周波数標準器の容器内に導入するバッファガスの圧力の制御精度が、イオントラップ型周波数標準器から出力される出力周波数の精度に影響することを意味する。しかし、求められる出力周波数の精度を得る程度に、バッファガスの圧力を高精度に制御することは困難である。
Non-Patent
そこで、本発明は、バッファガスの圧力に影響され難い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。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an ion trap type frequency standard and an output frequency stabilization method that are hardly affected by the pressure of the buffer gas.
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型周波数標準器及び出力周波数安定化方法は、バッファガスとして複数の希ガスを混合したものを使用することとした。 In order to achieve the above object, the ion trap frequency standard and the output frequency stabilization method according to the present invention use a mixture of a plurality of rare gases as a buffer gas.
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、容器(17)内の水銀イオン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、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、前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度が最大となるように前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を調整する制御手段と、前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段と、前記水銀イオンを冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても前記出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを前記容器に供給するガス供給手段(25)と、を備える。 Specifically, an ion trap frequency standard according to the present invention, the lower level of containers mercury ions by optical pumping the mercury ions to the ground state in the (17) (2 S 1/2) (F = And an optical pumping means (15) that collects to 0) and an electromagnetic wave having a frequency corresponding to the energy difference between the upper level (F = 1) and the lower level, and the lower level of the ground state is irradiated by the optical pumping means. Electromagnetic wave irradiating means (13) for transitioning the mercury ions gathered at the upper level to the upper level of the ground state, and the mercury ions having shifted to the upper level by the electromagnetic wave irradiating means again pass through the excited state by the optical pumping means. The light receiving means (14) for measuring the light intensity of the fluorescence emitted when returning to the ground state, and the electromagnetic wave irradiation means for irradiating the light intensity of the fluorescence measured by the light receiving means so as to maximize the light intensity. Adjust the frequency of electromagnetic waves Control means for adjusting, output means for outputting the frequency of the electromagnetic wave irradiated by the electromagnetic wave irradiation means as an output frequency, and output as output from the output means even when pressure fluctuates as a buffer gas for cooling the mercury ions Gas supply means (25) for supplying a plurality of gases having a mixing ratio to keep the frequency constant to the container.
本発明に係るイオントラップ型周波数標準器の前記ガス供給手段は、圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が上昇する正の周波数シフト率をもつガスと圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が下降する負の周波数シフト率をもつガスとを混合することを特徴とする。 The gas supply means of the ion trap type frequency standard according to the present invention includes a gas having a positive frequency shift rate at which the output frequency output by the output means increases with an increase in pressure and an output output by the output means with an increase in pressure. It is characterized by mixing with a gas having a negative frequency shift rate at which the frequency decreases.
本発明に係る出力周波数安定化方法は、容器内の水銀イオンを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、上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数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、前記水銀イオンが上準位から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強度を測定し、前記蛍光の光強度が最大となるように前記電磁波の周波数を調整し、前記電磁波の周波数を出力周波数として出力する際に、前記水銀イオンを冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても前記出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを前記容器に供給する。 The output frequency stabilization method according to the present invention optically pumps mercury ions in a container, collects the mercury ions to the lower level of the ground state, and a frequency corresponding to an energy difference between the upper level and the lower level. Fluorescence emitted when the mercury ion returns from the upper level to the ground state again via the excited state by the optical pumping means. When the frequency of the electromagnetic wave is adjusted so that the light intensity of the fluorescence is maximized, and the frequency of the electromagnetic wave is output as an output frequency, the buffer gas that cools the mercury ions has a pressure as a buffer gas. Even if it fluctuates, a plurality of gases having a mixture ratio that keeps the output frequency output by the output means constant is supplied to the container.
本発明に係る出力周波数安定化方法は、前記バッファガスとして、圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が上昇する正の周波数シフト率をもつガスと圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が下降する負の周波数シフト率をもつガスとを混合することを特徴とする。 In the output frequency stabilization method according to the present invention, as the buffer gas, a gas having a positive frequency shift rate at which the output frequency output by the output means increases with an increase in pressure, and an output frequency output by the output means with an increase in pressure. It is characterized by mixing with a gas having a negative frequency shift rate at which descents.
本発明は、正の周波数シフト率をもつガスと負の周波数シフト率をもつガスとを所定の混合比で混合したものをバッファガスとしている。このバッファガスを容器内に導入することで容器内の圧力が変動しても出力周波数を一定に保つことができる。従って、本発明は、バッファガスの圧力に影響され難い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。すなわち、バッファガスの圧力を高精度に制御することが不要になる。 In the present invention, a buffer gas is obtained by mixing a gas having a positive frequency shift rate and a gas having a negative frequency shift rate at a predetermined mixing ratio. By introducing this buffer gas into the container, the output frequency can be kept constant even if the pressure in the container fluctuates. Therefore, the present invention can provide an ion trap type frequency standard and an output frequency stabilization method that are hardly influenced by the pressure of the buffer gas. That is, it becomes unnecessary to control the pressure of the buffer gas with high accuracy.
本発明は、バッファガスの圧力に影響され難い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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide an ion trap type frequency standard and an output frequency stabilization method that are hardly affected by the pressure of the buffer gas.
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、容器17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、上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数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、受光手段14で測定した蛍光23の光強度が最大となるように電磁波照射手段13が照射する電磁波の周波数を調整する制御手段(不図示)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、水銀イオン(102、103)を冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを容器17に供給するガス供給手段25と、を備える。
FIG. 1 is a diagram for explaining an ion trap
水銀源101は、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。四重極トラップ18は、1〜2MHzのRF電圧が印加されており、水銀イオンを中心部に閉じ込める。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。
The
光ポンピングについて、図3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。
The optical pumping will be described with reference to the energy level diagram of mercury ion 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
十二重極トラップ19も、1〜2MHzのRF電圧が印加されており、水銀イオンを中心部に閉じ込めることができる。十二重極トラップ19は、光ポンピングされた水銀イオン102を四重極トラップ18から取り出し、中心部に閉じ込める。図1では、この様子を水銀イオン103として示している。
The doubly-
電磁波照射手段13は、例えば、40GHz導波管である。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3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40.5GHz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、電磁波の周波数が40.5GHz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 40 GHz waveguide. The electromagnetic wave irradiation means 13 irradiates the
続いて、四重極トラップ18は電磁波が照射された水銀イオン103を十二重極トラップ19から取り出し、再び中心部に閉じ込める。図1では、この様子を水銀イオン102として示している。四重極トラップ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
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が40.5GHz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、制御手段は、蛍光23の光強度が最大となるように電磁波の周波数を調整する。出力手段は、制御手段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40.5GHzの周波数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
さらに、ガス供給手段25は、容器17内にバッファガスを供給する。水銀イオン(102、103)は高温になると、四重極トラップ18内や十二重極トラップ19内に閉じ込めることが難しくなる。このため、水銀イオンをバッファガスに衝突させて水銀イオンの温度を下げる必要がある。ところが、非特許文献1で説明されるようにバッファガスの圧力変動は出力周波数の変動をひきおこす。図4は、バッファガスとしてAr、Ne、Heを使った場合のガス圧力P(Torr)に対する出力周波数f(Hz)の周波数シフトを説明する図である。ここで、
(df/dP)・(1/f)
を周波数シフト率と定義する。図4より、
Arの周波数シフト率=−4.1×10−7(/Torr)
Neの周波数シフト率=8.5×10−9(/Torr)
Heの周波数シフト率=2.1×10−8(/Torr)
である。
Further, the gas supply means 25 supplies buffer gas into the
(Df / dP) · (1 / f)
Is defined as a frequency shift rate. From FIG.
Ar frequency shift rate = −4.1 × 10 −7 (/ Torr)
Ne frequency shift rate = 8.5 × 10 −9 (/ Torr)
He frequency shift rate = 2.1 × 10 −8 (/ Torr)
It is.
図2は、イオントラップ型周波数標準器301のガス供給手段25を説明する図である。ガス供給手段25は、2つのガスボンベ(31A、31B)、2つのリークバルブ(32A、32B)及び2つのガスを混合する混合部33を有する。ガス供給手段25は、正の周波数シフト率をもつガスと負の周波数シフト率をもつガスとを混合する。例えば、ガスボンベ31AにArを入れ、ガスボンベ31BにHeを入れる。混合部33は、ArとHeを混合し、バッファガスとして容器17に導入する。このとき、リークバルブ(32A、32B)を調整し、容器17内のバッファガスの圧力で出力周波数が変動しないようにArとHeを混合する。
FIG. 2 is a diagram for explaining the gas supply means 25 of the ion trap
イオントラップ型周波数標準器301は、ArとHeを混合したものをバッファガスとして使用することで、水銀イオンとバッファガスとの衝突による周波数シフトを打ち消し、バッファガスの圧力が変化しても出力周波数を一定に保つことができる。このため、イオントラップ型周波数標準器301は、バッファガスの圧力を高精度に制御する必要がない。
The ion trap
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:容器
18:四重極トラップ
19:十二重極トラップ
21:励起光
22:電子線
23:蛍光
25:ガス供給手段
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: Container 18: Quadrupole trap 19: Doubly pole trap 21: Excitation light 22: Electron beam 23: Fluorescence 25: Gas supply means 101:
Claims (4)
上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数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、
前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度が最大となるように前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を調整する制御手段と、
前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段と、
前記水銀イオンを冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても前記出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを前記容器に供給するガス供給手段(25)と、
を備えるイオントラップ型周波数標準器。 Optical pumping means (15) for optically pumping mercury ions in the container (17) and collecting the mercury ions to a lower level of a ground state;
Irradiate an electromagnetic wave having a frequency corresponding to the energy difference between the upper level and the lower level, and the optical pumping means causes the mercury ions collected at the lower level of the ground state to transition to the upper level of the ground state. Electromagnetic wave irradiation means (13);
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;
Control means for adjusting the frequency of the electromagnetic wave emitted by the electromagnetic wave irradiation means so that the light intensity of the fluorescence measured by the light receiving means is maximized;
An output means for outputting the frequency of the electromagnetic wave emitted by the electromagnetic wave irradiation means as an output frequency;
Gas supply means (25) for supplying a plurality of gases having a mixture ratio that keeps the output frequency output by the output means constant even when the pressure fluctuates, as a buffer gas for cooling the mercury ions,
Ion trap type frequency standard equipped with.
圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が上昇する正の周波数シフト率をもつガスと圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が下降する負の周波数シフト率をもつガスとを混合することを特徴とする請求項1に記載のイオントラップ型周波数標準器。 The gas supply means includes
Mixing a gas having a positive frequency shift rate at which the output frequency output from the output means increases with an increase in pressure and a gas having a negative frequency shift rate at which the output frequency output from the output means decreases due to a pressure increase. The ion trap type frequency standard according to claim 1.
前記水銀イオンを冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても前記出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを前記容器に供給する出力周波数安定化方法。 The mercury ions in the container are optically pumped to collect the mercury ions to the lower level of the ground state, and then irradiated with electromagnetic waves having a frequency corresponding to the energy difference between the upper level and the lower level, Transition to the upper level of the state, measure the intensity of the fluorescence emitted when the mercury ions return from the upper level to the ground state again through the excited state by the optical pumping means, the light intensity of the fluorescence When the frequency of the electromagnetic wave is adjusted so as to be maximum and the frequency of the electromagnetic wave is output as an output frequency,
An output frequency stabilization method for supplying, to the container, a plurality of gases having a mixture ratio that keeps the output frequency output by the output means constant even when the pressure fluctuates as a buffer gas for cooling the mercury ions.
圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が上昇する正の周波数シフト率をもつガスと圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が下降する負の周波数シフト率をもつガスとを混合することを特徴とする請求項3に記載の出力周波数安定化方法。 As the buffer gas,
Mixing a gas having a positive frequency shift rate at which the output frequency output from the output means increases with an increase in pressure and a gas having a negative frequency shift rate at which the output frequency output from the output means decreases due to a pressure increase. The output frequency stabilization method according to claim 3.
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