JP2016081987A - 原子セル、原子セルの製造方法、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体 - Google Patents
原子セル、原子セルの製造方法、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】本発明の原子セル2は、アルカリ金属原子と、アルカリ金属原子が封入されている内部空間Sを構成している胴体部21および窓部22、23と、内部空間Sに配置されているゲッター材Gと、を備える。ゲッター材Gは、チタン、バリウム、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、インジウム、カルシウムのうちの少なくとも1つを含む合金、または、Al−Zr−V−Fe系合金であることが好ましい。
【選択図】図4
Description
本発明の原子セルは、金属原子と、
前記金属原子が封入されている内部空間を構成している壁部と、
前記内部空間に配置されているゲッター材と、
を備えることを特徴とする。
本発明の原子セルでは、前記壁部は、
一方の面側に開口している凹部を有する第1基板と、
前記第1基板の前記一方の面側に接合されていて、前記第1基板とともに前記内部空間を構成している第2基板と、
を有することが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記内部空間に面している壁部の表面にコーティング膜を備えることが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記ゲッター材は、前記コーティング膜に保持されていることが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法は、一方の面側に開口している凹部を有する第1基板と、第2基板と、金属を含む固体状の金属化合物と、ゲッター材と、を準備する準備工程と、
前記凹部に前記金属化合物を配置する配置工程と、
前記第1基板の前記一方の面側に前記第2基板を接合して前記凹部を封止する封止工程と、
前記金属化合物を分解反応させることにより前記金属を取り出す化合物分解工程と、
を有することを特徴とする。
本発明の原子セルの製造方法では、前記金属化合物が塩化セシウムであり、
前記配置工程において、前記凹部にカルシウムをも配置することが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記金属化合物がアジ化セシウムであることが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記化合物分解工程において、前記金属化合物にエネルギー線を照射することにより前記分解反応を生じさせることが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記ゲッター材は、チタン、バリウム、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、インジウム、カルシウムのうちの少なくとも1つを含む合金、または、Al−Zr−V−Fe系合金であることが好ましい。
これにより、原子セル内の不要物をゲッター材に吸着または吸収させることができる。
本発明の原子セルの製造方法では、前記第1基板がシリコンを含み、
前記第2基板がガラスを含んでいることが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記封止工程において、前記第1基板と前記第2基板との接合を加熱接合により行うことが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記封止工程において、前記第1基板と前記第2基板との接合を陽極接合により行うことが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記準備工程において、前記第1基板が前記凹部を複数有することが好ましい。
これにより、効率的に原子セルを製造することができる。
本発明の原子セルの製造方法では、前記封止工程の後に、前記第1基板と前記第2基板とを接合した接合体を前記凹部ごとに個片化する個片化工程を有することが好ましい。
これにより、効率的に原子セルを製造することができる。
本発明の量子干渉装置は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
これにより、優れた周波数安定度を有する量子干渉装置を提供することができる。
本発明の原子発振器は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
これにより、優れた周波数安定度を有する原子発振器を提供することができる。
本発明の電子機器は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
本発明の移動体は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
まず、本発明の原子発振器(本発明の量子干渉装置を備える原子発振器)について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
図1は、本発明の第1実施形態に係る原子発振器(量子干渉装置)を示す概略図である。また、図2は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図3は、光出射部から出射される2つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
図1に示すように、原子発振器1では、光出射部3が原子セル2に向けて励起光LLを出射し、原子セル2を透過した励起光LLを光検出部5が検出する。
[原子セル]
原子セル2内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、原子セル2内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
光出射部3(光源)は、原子セル2中のアルカリ金属原子を励起する励起光LLを出射する機能を有する。
複数の光学部品41、42、43、44は、それぞれ、前述した光出射部3と原子セル2との間における励起光LLの光路上に設けられている。ここで、光出射部3側から原子セル2側へ、光学部品41、光学部品42、光学部品43、光学部品44の順に配置されている。
光検出部5は、原子セル2内を透過した励起光LL(共鳴光1、2)の強度を検出する機能を有する。
ヒーター6(加熱部)は、前述した原子セル2(より具体的には原子セル2中のアルカリ金属)を加熱する機能を有する。これにより、原子セル2中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。
温度センサー7は、ヒーター6または原子セル2の温度を検出するものである。そして、この温度センサー7の検出結果に基づいて、前述したヒーター6の発熱量が制御される。これにより、原子セル2内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
磁場発生部8は、原子セル2内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場を発生させる機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器1の発振周波数の精度を高めることができる。
制御部10は、光出射部3、ヒーター6および磁場発生部8をそれぞれ制御する機能を有する。
以上、原子発振器1の構成を簡単に説明した。
図4(a)は、図1に示す原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図4(b)は、図4(a)中のA−A線断面図(横断面図)である。
なお、以下では、説明の便宜上、図4(a)中の上側を「上」、下側を「下」という。
化合物Pは、後述する原子セル2の製造に用いた金属化合物P1の分解反応後の残渣であり、例えば、未反応の金属化合物P1である。また、化合物Pは、金属化合物P1の分解反応により生成したアルカリ金属以外の生成物を含むこともある。また、貫通孔211内の空間とは離れた貫通孔212内の空間に化合物Pを配置することにより、化合物Pが周波数特性に影響を与えるのを低減することができる。
以下、本発明の原子セルの製造方法について、前述した原子セル2を製造する場合を例に説明する。なお、以下では、胴体部21がシリコンで構成され、窓部22、23がガラスで構成されている場合を例に説明する。
まず、図5に示すように、胴体部形成用基板210および窓部形成用基板220、230を準備する。
次に、図6(b)に示すように、貫通孔212による凹部内に金属化合物P1およびゲッター材Gを配置する。また、このとき、図示しないが、かかる凹部内に、必要に応じて、金属化合物P1の分解反応に必要な還元剤を配置する。
次に、図6(c)に示すように、胴体部形成用基板210(第1基板の一方の面側)と窓部形成用基板230とを接合する。これにより、貫通孔211、212および溝213で構成された凹部が封止され、内部空間Sが形成される。
次に、図7(a)に示すように、レーザー(エネルギー線)を金属化合物P1に照射する。これにより、金属化合物P1を分解反応させることにより、アルカリ金属単体を取り出す。
本工程では、2CsCl+Ca→2Cs↑+CaCl2の反応が生じる。このように、カルシウムを還元剤として塩化セシウムを還元させることによりセシウムを単体として取り出すことができる。そのため、原子セル2内にセシウム原子を封入することができる。
本工程では、2CsN3→2Cs+3N2の反応が生じる。このように、アジ化セシウムを還元させることによりセシウムを単体として取り出すことができる。そのため、原子セル2内にセシウム原子を封入することができる。
次に、例えばダイシングにより、胴体部形成用基板210および窓部形成用基板220、230からなる積層構造体(接合体)を個片化する。これにより、図7(b)に示すように、原子セル2が得られる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図9は、図8に示す原子セルの製造方法における準備工程、配置工程および封止工程を示す図である。図10は、図8に示す原子セルの製造方法における化合物分解工程および個片化工程を示す図である。
まず、前述した第1実施形態と同様、胴体部形成用基板210および窓部形成用基板220、230を準備し、図9(a)に示すように、胴体部形成用基板210と窓部形成用基板220とを接合する。
次に、図9(b)に示すように、貫通孔212による凹部内に金属化合物P1、ゲッター材Gおよびコーティング剤Cを配置する。
次に、前述した第1実施形態と同様、図9(c)に示すように、胴体部形成用基板210(第1基板の一方の面側)と窓部形成用基板230とを接合する。これにより、貫通孔211、212および溝213で構成された凹部が封止され、内部空間Sが形成される。
次に、図10(a)に示すように、前述した第1実施形態と同様、レーザー(エネルギー線)を金属化合物P1に照射する。これにより、金属化合物P1を分解反応させることにより、アルカリ金属を生成させる。このとき、コーティング剤Cもレーザーで加熱することにより、コーティング剤Cを気化させ、その気化したコーティング剤を内部空間Sの壁面に付着させ凝固・固化させることにより、化合物Pを保持した状態のコーティング膜24が形成される。
次に、前述した第1実施形態と同様、胴体部形成用基板210および窓部形成用基板220、230からなる積層構造体(接合体)を個片化する。これにより、図10(b)に示すように、原子セル2Aが得られる。
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。
以下、本発明の電子機器について説明する。
基地局装置300は、例えば電子基準点(GPS連続観測局)に設置されたアンテナ301を介してGPS衛星200からの測位情報を高精度に受信する受信装置302と、この受信装置302で受信した測位情報をアンテナ303を介して送信する送信装置304とを備える。
図12は、本発明の移動体の一例を示す図である。
2‥‥原子セル
2A‥‥原子セル
3‥‥光出射部
5‥‥光検出部
6‥‥ヒーター
7‥‥温度センサー
8‥‥磁場発生部
10‥‥制御部
11‥‥温度制御部
12‥‥励起光制御部
13‥‥磁場制御部
21‥‥胴体部
22‥‥窓部
23‥‥窓部
24‥‥コーティング膜
41‥‥光学部品
42‥‥光学部品
43‥‥光学部品
44‥‥光学部品
100‥‥測位システム
200‥‥GPS衛星
210‥‥胴体部形成用基板
211‥‥貫通孔
212‥‥貫通孔
213‥‥溝
220‥‥窓部形成用基板
230‥‥窓部形成用基板
300‥‥基地局装置
301‥‥アンテナ
302‥‥受信装置
303‥‥アンテナ
304‥‥送信装置
400‥‥GPS受信装置
401‥‥アンテナ
402‥‥衛星受信部
403‥‥アンテナ
404‥‥基地局受信部
1500‥‥移動体
1501‥‥車体
1502‥‥車輪
C‥‥コーティング剤
G‥‥ゲッター材
LL‥‥励起光
M‥‥アルカリ金属
P‥‥化合物
P1‥‥金属化合物
S‥‥内部空間
Claims (18)
- 金属原子と、
前記金属原子が封入されている内部空間を構成している壁部と、
前記内部空間に配置されているゲッター材と、
を備えることを特徴とする原子セル。 - 前記壁部は、
一方の面側に開口している凹部を有する第1基板と、
前記第1基板の前記一方の面側に接合されていて、前記第1基板とともに前記内部空間を構成している第2基板と、
を有する請求項1に記載の原子セル。 - 前記内部空間に面している壁部の表面にコーティング膜を備える請求項1または2に記載の原子セル。
- 前記ゲッター材は、前記コーティング膜に保持されている請求項3に記載の原子セル。
- 一方の面側に開口している凹部を有する第1基板と、第2基板と、金属を含む固体状の金属化合物と、ゲッター材と、を準備する準備工程と、
前記凹部に前記金属化合物を配置する配置工程と、
前記第1基板の前記一方の面側に前記第2基板を接合して前記凹部を封止する封止工程と、
前記金属化合物を分解反応させることにより前記金属を取り出す化合物分解工程と、
を有することを特徴とする原子セルの製造方法。 - 前記金属化合物が塩化セシウムであり、
前記配置工程において、前記凹部にカルシウムをも配置する請求項5に記載の原子セルの製造方法。 - 前記金属化合物がアジ化セシウムである請求項5に記載の原子セルの製造方法。
- 前記化合物分解工程において、前記金属化合物にエネルギー線を照射することにより前記分解反応を生じさせる請求項5ないし7のいずれか1項に記載の原子セルの製造方法。
- 前記ゲッター材は、チタン、バリウム、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、インジウム、カルシウムのうちの少なくとも1つを含む合金、または、Al−Zr−V−Fe系合金である請求項5ないし8のいずれか1項に記載の原子セルの製造方法。
- 前記第1基板がシリコンを含み、
前記第2基板がガラスを含んでいる請求項5ないし9のいずれか1項に記載の原子セルの製造方法。 - 前記封止工程において、前記第1基板と前記第2基板との接合を加熱接合により行う請求項10に記載の原子セルの製造方法。
- 前記封止工程において、前記第1基板と前記第2基板との接合を陽極接合により行う請求項11に記載の原子セルの製造方法。
- 前記準備工程において、前記第1基板が前記凹部を複数有する請求項5ないし12のいずれか1項に記載の原子セルの製造方法。
- 前記封止工程の後に、前記第1基板と前記第2基板とを接合した接合体を前記凹部ごとに個片化する個片化工程を有する請求項13に記載の原子セルの製造方法。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の原子セルを備えることを特徴とする量子干渉装置。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の原子セルを備えることを特徴とする原子発振器。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の原子セルを備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の原子セルを備えることを特徴とする移動体。
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