JP2017215226A - ガスセル、磁場計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１室及び、第１室に連通する第２室の温度を制御可能なガスセル、及び該ガスセルを備えた磁場計測装置を提供すること。【解決手段】ガスセル１０２は、第１室としての主室１２１と、主室１２１に連通する第２室としての副室１２２と、主室１２１を加熱する第１の加熱部としての第１ヒーター１３１と、副室１２２を加熱する第２の加熱部としての第２ヒーター１３２と、を備え、主室１２１及び副室１２２のうち、少なくとも主室１２１には、入射した光により励起されるアルカリ金属原子が封入されている。【選択図】図４

Description

本発明は、ガスセル、及びガスセルを備えた磁場計測装置に関する。

例えば人体などから発する微弱な磁場を測定可能な光ポンピング方式の磁場測定装置が知られている（特許文献１）。

上記特許文献１の磁場測定装置は、光により励起されると磁場に応じて直線偏光の偏光面を回転させる原子を含む物質を内部に封入したセルを有している。また、セルにおいて、上記直線偏光が透過する第１領域の温度と、上記直線偏光が透過しない領域であって、予め定められた第２領域の温度のうち、少なくとも一方の温度に関する値が予め定められた条件を満たす場合に、第１領域よりも第２領域の温度が低く、且つ、第１領域と第２領域との温度差が予め定められた閾値を上回るように、当該温度差を制御する温度差制御部を有している。

上記特許文献１には、温度差制御部として、第１領域を加熱する加熱部や、第２領域を冷却する冷却部が示されている。

特開２０１２−１５４８７６号公報

上記特許文献１の磁場測定装置は、光ポンピング方式を採用しているため、セル内において光により励起される原子の密度が変動すると、磁場測定の感度に影響を及ぼすおそれがある。具体的には、温度差制御部によって、セルの第１領域と第２領域との温度差を予め定められた閾値を上回るように制御することで、第１領域における原子の析出は抑制されるものの、例えば温度差制御部としての加熱部によって第１領域を加熱し続けると、その熱が第２領域に伝わって、第２領域に存在する原子が第１領域に拡散し、第１領域における原子の密度が増加するおそれがある。また例えば、温度差制御部としての冷却部によって第２領域を冷却し続けると、第２領域で原子が析出することで、第１領域と第２領域とにおける原子の濃度勾配が大きくなり、第１領域から第２領域に原子が移動することで、第１領域における原子の密度が減少するおそれがある。言い換えれば、第１領域における原子の密度を適正な状態とするために、セルの温度管理をより好ましい状態とする手段や方法が求められているという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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］本適用例に係るガスセルは、第１室と、前記第１室に連通する第２室と、前記第１室を加熱する第１の加熱部と、前記第２室を加熱する第２の加熱部と、を備え、前記第１室及び前記第２室のうち、少なくとも前記第１室には、入射した光により励起されるアルカリ金属原子が封入されていることを特徴とする。

本適用例によれば、第１の加熱部と第２の加熱部とを備えていることから、第１室の温度と第２室の温度とを個別に制御することが可能なガスセルを提供できる。

上記適用例に記載のガスセルにおいて、前記第１室の温度を検出する第１の温度センサーと、前記第２室の温度を検出する第２の温度センサーと、を備えることが好ましい。
この構成によれば、第１の温度センサーの温度検出結果と第２の温度センサーの温度検出結果に基づいて、第１室の温度と第２室の温度とを個別に且つ精度よく制御することが可能なガスセルを提供できる。

上記適用例に記載のガスセルにおいて、前記第１室をビーム光が透過可能となるように被覆する第１の被覆層と、前記第２室を被覆する第２の被覆層と、を備えることが好ましい。
この構成によれば、第１の被覆層と第２の被覆層とを備えることで、第１室の温度と第２室の温度とを個別に制御するにあたり、第１室及び第２室からの熱の放出によるエネルギーのロスを低減して、それぞれの温度を制御できる。

上記適用例に記載のガスセルにおいて、前記第１の加熱部は、前記第１の被覆層の外側に配置され、前記第２の加熱部は、前記第２の被覆層の外側に配置され、前記第１の温度センサーは、前記第１室と前記第１の被覆層との間に配置され、前記第２の温度センサーは、前記第２室と前記第２の被覆層との間に配置されていることが好ましい。
この構成によれば、第１室の温度と第２室の温度とを個別に、精度よく且つエネルギーのロスを低減して制御することが可能なガスセルを提供できる。

上記適用例に記載のガスセルにおいて、前記第１の加熱部と前記第２の加熱部との間に、断熱部材を有することが好ましい。
この構成によれば、第１の加熱部と第２の加熱部との間の熱伝導が抑制されるので、第１室の温度と第２室の温度とを個別に、より高い精度で制御することが可能なガスセルを提供できる。

上記適用例に記載のガスセルにおいて、前記第１の被覆層と前記第２の被覆層との間に、断熱部材を有することが好ましい。
この構成によれば、第１の被覆層と第２の被覆層との間の熱伝導が抑制されるので、第１室の温度と第２室の温度とを個別に、より高い精度で制御することが可能なガスセルを提供できる。

［適用例］本適用例に係る磁場計測装置は、上記適用例に記載のガスセルと、プローブ光としての直線偏光を照射する光照射手段と、前記ガスセルを透過した前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出手段と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１室の第１の温度と前記第２室の第２の温度とが同じ、または前記第１の温度よりも前記第２の温度が低く、前記第１の温度と前記第２の温度との差が所定の範囲内となるように、前記第１の加熱部と前記第２の加熱部とを制御することを特徴とする。

本適用例によれば、制御部によって、ガスセルにおける第１室の第１の温度と第２室の第２の温度とが個別に制御され、第１の温度よりも第２の温度が低く、第１の温度と第２の温度との差が所定の範囲内となるため、第１室における原子密度の変動を抑えることができ、原子密度が安定する。すなわち、安定した感度で磁場の計測が可能な光ポンピング方式の磁場計測装置を提供できる。

上記適用例に記載の磁場計測装置において、前記第１室の温度を検出する第１の温度センサーと、前記第２室の温度を検出する第２の温度センサーと、を備え、前記制御部は、前記第１の温度センサー及び前記第２の温度センサーの温度検出結果に基づいて、前記第１の加熱部と前記第２の加熱部とを制御することが好ましい。
この構成によれば、第１室の温度と第２室の温度とを高い精度で制御できるので、より安定した感度で磁場の計測が可能な磁場計測装置を提供できる。

上記適用例に記載の磁場計測装置において、前記制御部は、前記第１の温度と前記第２の温度との差が所定の範囲内となったときに、磁場の計測が可能と判断し、磁場の計測開始から計測終了まで、加熱を止めるように少なくとも前記第１の加熱部を制御することが好ましい。
この構成によれば、磁場の計測可能期間に、第１の加熱部による加熱が行われないので、第１の加熱部の加熱に伴って生ずる磁場が、計測対象の磁場の計測に影響を及ぼすことを避けることができる。つまり、高い精度で計測対象の磁場を計測することができる。

上記適用例に記載の磁場測定装置において、前記第１室の内壁の少なくとも一部に、励起されたアルカリ金属原子のスピン偏極の緩和を抑制するためのコーティング層を有し、前記制御部は、前記第１の温度が前記第１室におけるアルカリ金属原子の原子密度を考慮した温度以上であって、前記コーティング層の機能が低下し始める温度未満となるように、前記第１の加熱部を制御することが好ましい。
この構成によれば、励起されたアルカリ金属原子のスピン偏極の緩和を確実に抑制して、安定した感度で計測対象の磁場を計測することができる。

磁場計測装置の構成を示すブロック図。 ガスセルの主室と副室とを示す概略斜視図。 ガスセルの外観を示す概略斜視図。 ガスセルの構造を示す概略断面図。 ガスセルの温度制御方法の一例を示すグラフ。 ガスセルの温度制御方法の他の例を示すグラフ。 変形例のガスセルの構造を示す概略断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している。

＜磁場計測装置＞
まず、本実施形態の磁場計測装置について、図１を参照して説明する。図１は磁場計測装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の磁場計測装置１００は、光照射部１０１と、ガスセル１０２と、偏光分離器１０３と、受光部１０４と、信号処理部１０５と、表示部１０６と、制御部１０７とを有する。磁場計測装置１００は、ガスセル１０２に封入されたガス状のアルカリ金属原子にポンプ光を照射することにより励起させ、励起によってスピン偏極が生じたアルカリ金属原子に直線偏光であるプローブ光を照射する。アルカリ金属原子のスピン偏極は磁場の影響を受けてアライメント方位が変化する。照射されたプローブ光は該スピン偏極のアライメント方位の影響を受けて偏光面の回転角が変化することから、上記偏光面の回転角を電気的に検出することにより、磁場の大きさ（強さ）を計測するものである。光照射部１０１は、上記ポンプ光及び上記プローブ光を兼ねるレーザー光Ｌを出力する構成となっている。つまり、本実施形態の磁場計測装置１００は、光ポンピング方式且つワンビーム方式の磁場計測装置である。

光照射部１０１は、本発明における光照射手段の一例であって、光源１１１と、変換部１１２とを有する。光源１１１は、レーザー光Ｌを発生させる装置であり、例えばレーザーダイオードおよびその駆動回路を有する。レーザー光Ｌの周波数は、ガスセル１０２に封入されたアルカリ金属原子の超微細構造準位の遷移に対応した周波数に設定される。変換部１１２は、光源１１１から出力された直線偏光であるレーザー光Ｌの光学的な振動方向を所定の方向に変換する。つまり、変換部１１２は、レーザー光Ｌの偏光面の角度を所定の角度として光照射部１０１から射出させる。変換部１１２として、偏光板や波長板を例示することができる。光照射部１０１から射出されたレーザー光Ｌは、例えば光ファイバー（図示省略）などの導光部材を介してガスセル１０２に照射される。なお、導光部材を介さず直接に、光照射部１０１からガスセル１０２にレーザー光Ｌを照射してもよいが、導光部材を用いると光照射部１０１の大きさや配置などの制約を受け難くなる。

ガスセル１０２は、レーザー光Ｌが照射される第１室としての主室１２１と、主室１２１に連通する第２室としての副室１２２（図２参照）とを有する。少なくとも主室１２１の内部には、例えば、カリウム（Ｋ）、セシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属原子が封入される。本実施形態では、主室１２１にセシウム（Ｃｓ）が封入されている。主室１２１は、光透過性を有し、封入されるアルカリ金属と反応せず、かつアルカリ金属原子を透過しない材料、例えば石英ガラスまたはホウケイ酸ガラスなどを用いて形成される。なお、主室１２１の材質はガラスに限らず、前述の要件を満たすものであればよく、例えば樹脂であってもよい。ガスセル１０２の構造の詳細は後述する。

主室１２１を透過したレーザー光Ｌは、導光部材により偏光分離器１０３に導かれる。なお、導光部材を介さず直接に、主室１２１を透過したレーザー光Ｌを偏光分離器１０３に導いてもよい。

偏光分離器１０３は、例えば、屈折率が異なるプリズムを組み合わせた偏光プリズムが用いられる。偏光分離器１０３は、主室１２１を透過した直線偏光であるレーザー光Ｌが、プリズムの一方の面１０３ａからプリズム界面１０３ｃに入射するように配置される。プリズム界面１０３ｃに入射したレーザー光Ｌは、プリズム界面１０３ｃの入射面と平行な第１の偏光面を有する偏光Ｌｐ（ｐ偏光とも言う）と、第１の偏光面に直交する第２の偏光面を有する偏光Ｌｓ（ｓ偏光とも言う）とに分離される。偏光Ｌｐは、偏光分離器１０３を透過して受光部１０４に設けられた一方の受光素子１４１に入射する。偏光Ｌｓは、プリズム界面１０３ｃで反射してプリズムの上記一方の面１０３ａに隣り合う他方の面１０３ｂから射出され、受光部１０４に設けられた他方の受光素子１４２に入射する。なお、プリズム界面１０３ｃの入射面とは、プリズム界面１０３ｃの法線と、プリズム界面１０３ｃに入射するレーザー光Ｌの光軸とが含まれる平面である。

変換部１１２は、直線偏光であるレーザー光Ｌの振動方向（偏光面の向き）をプリズム界面１０３ｃの入射面と４５度で交差するように変換する。言い換えれば、偏光分離器１０３は、プリズム界面１０３ｃの向きが、変換部１１２によって変換されたレーザー光Ｌの振動方向（偏光面の向き）と同じになるように主室１２１と受光部１０４との間のレーザー光Ｌの光軸上に配置される。これにより、主室１２１内に磁場が存在しないとき（ガスセル１０２に磁場が印加されないとき）、主室１２１を透過したレーザー光Ｌの偏光面の角度は変化しないので、偏光分離器１０３に入射したレーザー光Ｌは、それぞれに偏光の強度が等しいレベルで偏光Ｌｐと偏光Ｌｓとに分離される。ガスセル１０２に磁場が印加されると、磁場の影響を受けてレーザー光Ｌの偏光面の角度が変化することから、偏光分離器１０３によって分離された偏光Ｌｐと偏光Ｌｓとは強度に差が生ずることになる。つまり、偏光Ｌｐと偏光Ｌｓとの強度の差からレーザー光Ｌの偏光面の回転角、すなわち、印加された磁場の大きさ（強さ）を求めることができる。

受光部１０４は、レーザー光Ｌの波長に感度を有する受光素子１４１及び受光素子１４２を有する。受光素子１４１，１４２としては、例えば、フォトダイオードなどを挙げることができる。上述したように、受光素子１４１は偏光Ｌｐを受光し、受光した光量に応じた信号を信号処理部１０５に出力する。受光素子１４２は偏光Ｌｓを受光し、受光した光量に応じた信号を同じく信号処理部１０５に出力する。
本実施形態における偏光分離器１０３及び受光部１０４は、本発明のプローブ光の偏光面の回転角を検出する検出手段の一例である。

信号処理部１０５は、測定軸（本実施形態では、レーザー光Ｌの光軸に沿った方向）における磁場の大きさ（強さ）を算出する。上述したように、主室１２１を透過する前後のレーザー光Ｌにおける偏光面の回転角の変化量は、ガスセル１０２に印加された磁場の大きさ（強さ）に依存している。信号処理部１０５は、まず、受光素子１４１および受光素子１４２からの信号を用いて偏光面の回転角を計算し、次に、この回転角から磁場の大きさ（強さ）を計算する。具体的には、偏光Ｌｐと偏光Ｌｓとの光電流の差をとり、その差により磁場の大きさ（強さ）が計算される。

また、偏光Ｌｐと偏光Ｌｓとの光電流の差をとる方法によれば、磁場の向きも求めることができる。例えば、差を偏光Ｌｐの光電流から偏光Ｌｓの光電流を引いた値として符号を考える。ここでレーザー光Ｌが主室１２１を透過する方向の磁場が存在したとき、主室１２１を透過した後のレーザー光Ｌの偏光面が回転して、偏光Ｌｐの光電流が増して偏光Ｌｓの光電流が減じるように偏光分離器１０３を設置すると、差の符号はプラス（＋）となる。この偏光分離器１０３の設置状態で、レーザー光Ｌが主室１２１を透過する方向と逆の向きに磁場が存在したとき、主室１２１を透過した後のレーザー光Ｌの偏光面は先の回転方向とは逆方向に回転して、偏光Ｌｐの光電流が減じて偏光Ｌｓの光電流が増すことになり、差の符号はマイナス（−）になる。このように差の符号により磁場の向きが分かる。なお符号が、プラス（＋）またはマイナス（−）のどちらにおいても、差の絶対値が、磁場の大きさ（強さ）となる。

表示部１０６は、例えば、液晶ディスプレイなどの表示装置であって、信号処理部１０５により計算された磁場の大きさ（強さ）や向きを示す情報を表示する。

制御部１０７は、磁場計測装置１００の各部を電気的に制御する。制御部１０７は、ＣＰＵなどの処理装置及びメモリーを有する。図示は省略したが、磁場計測装置１００は、キーボードやタッチスクリーンなどの入力装置を備えていてもよい。

本実施形態の磁場計測装置１００において、ガスセル１０２には、主室１２１を加熱する第１の加熱部としての第１ヒーター１３１と、副室１２２（図２参照）を加熱する第２の加熱部としての第２ヒーター１３２とが組み込まれている。制御部１０７は、第１ヒーター１３１と、第２ヒーター１３２とをそれぞれ独立して制御可能となっている。

＜ガスセル＞
次に、本実施形態の磁場計測装置１００におけるガスセル１０２について、図２〜図４を参照して説明する。図２はガスセルの主室と副室とを示す概略斜視図、図３はガスセルの外観を示す概略斜視図、図４はガスセルの構造を示す概略断面図である。

図２に示すように、ガスセル１０２は、直方体の主室１２１と、主室１２１に接続された筒状の副室１２２とを有する。主室１２１に対する副室１２２の接続側は括れている。例えば石英ガラス製の主室１２１と副室１２２とからなるセル内にアルカリ金属原子が封入されている。セル内にアルカリ金属原子を封入する方法としては、例えば、所定量のアルカリ金属を秤量して封入したアンプルを、端部が開放された副室１２２からセル内に投入する。そして、副室１２２の開放端からセル内の気体を排出してセル内を所定の圧力の減圧状態とした後に、副室１２２の開放端を塞ぎ、投入されたアンプルに例えばレーザー光を照射してアンプルを開封することにより、アンプル内のアルカリ金属をセル内に蒸散させる方法が挙げられる。なお、セルの形状はこれに限定されず、例えば主室１２１は球状であってもよい。また、副室１２２を主室１２１に対して直線的に接続することに限定されず、上述したアンプルのセル内への投入やセル内の減圧を考慮して、アンプルを副室１２２に載置できるように副室１２２を途中で屈曲した状態で主室１２１に接続させてもよい。

なお、ガスセル１０２における主室１２１の大きさは、磁場計測において求められる感度と分解能とを考慮して決められる。本実施形態のガスセル１０２における主室１２１は、１辺の長さが例えば２ｃｍ程度の立方体である。また、副室１２２は、例えば内径が５ｍｍφ、長さが１ｃｍ程度の円筒である。

図３に示すように、ガスセル１０２は、主室１２１を収容して被覆する第１の被覆層としての格納箱１２３と、同じく副室１２２を収容して被覆する第２の被覆層としての格納箱１２４とを有している。また、格納箱１２３に対応して設けられた第１の蓋１２５と、格納箱１２４に対応して設けられた第２の蓋１２６とを有している。それぞれに蓋がされた格納箱１２３と格納箱１２４との間の熱伝導を抑制するために、第１の蓋１２５と第２の蓋１２６との間に板状の断熱部材１２９が設けられている。

格納箱１２３の外側の底面に第１ヒーター１３１が取り付けられ、格納箱１２４の外側上面に第２ヒーター１３２が取り付けられている。第１ヒーター１３１、第２ヒーター１３２は、磁場計測に影響を及ぼさないように、例えば、セラミックなどの非磁性材料で形成されていることが好ましい。格納箱１２３及び格納箱１２４、並びに第１の蓋１２５及び第２の蓋１２６は、ヒーターから発した熱を効率的に伝えるため、熱伝導性に優れた金属などの材料を用いて形成されていることが好ましい。

図４に示すように、主室１２１は、格納箱１２３の内側に収容される。主室１２１が収容された格納箱１２３に第１の蓋１２５が装着され密閉される。第１の蓋１２５に断熱部材１２９が重ねられ、さらに、断熱部材１２９に第２の蓋１２６が重ねられる。第１の蓋１２５及び第２の蓋１２６並びに断熱部材１２９のそれぞれには、筒状の副室１２２を通すことができる貫通穴が設けられている。格納箱１２３から突出した副室１２２を覆うように、格納箱１２４が重ねられ、第２の蓋１２６によって格納箱１２４が密閉される。

前述したように、主室１２１に連通する副室１２２の接続側は括れており、当該括れた部分の内部は、狭窄部１２２ａとなっている。狭窄部１２２ａは、主室１２１と副室１２２との間のアルカリ金属原子の自由な流通を制限し、アルカリ金属原子の拡散を遅くする機能を有している。主室１２１を格納箱１２３に収納して第１の蓋１２５と断熱部材１２９とを装着すると、副室１２２の括れた部分は、第１の蓋１２５と断熱部材１２９とにより覆われた形態となる。

本実施形態では、格納箱１２３と第１の蓋１２５とを別構成としたが、格納箱１２３と第１の蓋１２５とを含めて第１の被覆層としてもよい。同様に、格納箱１２４と第２の蓋１２６とを含めて第２の被覆層としてもよい。また、ヒーターから主室１２１及び副室１２２への熱伝導性を確保できれば、第１の蓋１２５及び第２の蓋１２６に代えて断熱部材により蓋を構成してもよい。

格納箱１２３の内壁１２３ｃに第１の温度センサー１２７が設けられており、格納箱１２３に収容された主室１２１と接している。格納箱１２４の内壁１２４ａに第２の温度センサー１２８が設けられており、格納箱１２４に収容された副室１２２と接している。図１には図示していないが、第１の温度センサー１２７及び第２の温度センサー１２８は、制御部１０７に接続されている。制御部１０７は、第１の温度センサー１２７及び第２の温度センサー１２８からの出力を参照して、第１ヒーター１３１及び第２ヒーター１３２の駆動（ＯＮ・ＯＦＦや通電量）を制御する。上記温度センサーは、０．１度単位の検出精度を有していることが好ましい。

図３及び図４に示すように、格納箱１２３の向かい合う側壁には、側壁を貫通する一対の貫通穴１２３ａ，１２３ｂが設けられている。これにより、例えば、一方の貫通穴１２３ａから入射したビーム状のレーザー光Ｌは、主室１２１を透過して他方の貫通穴１２３ｂから射出される。

レーザー光Ｌの照射によって励起されるアルカリ金属原子のガスが存在する主室１２１の内壁１２１ａの少なくとも一部には、励起されたアルカリ金属原子のスピン偏極の緩和を抑制するために、例えばパラフィンなどの有機化合物を用いたコーティング層１２１ｃが形成される。これにより、アルカリ金属原子が主室１２１の内壁１２１ａに直接に衝突しないので、スピン偏極が緩和されることが抑制される。なお、副室１２２の少なくとも一部にも、コーティング層１２１ｃが形成されていることが望ましいが、形成されていなくてもよい。

レーザー光Ｌが透過する主室１２１には、ガス状のアルカリ金属原子が存在している。主室１２１の温度が所定の温度よりも低くなると、主室１２１の内壁１２１ａでアルカリ金属原子が凝集して液体または固体として付着することになる。主室１２１の内壁１２１ａ、とりわけレーザー光Ｌが透過する部分にアルカリ金属原子が液体または固体として付着すると、主室１２１におけるレーザー光Ｌの透過率に影響を及ぼす。レーザー光Ｌの透過率が低下すると、レーザー光Ｌによるアルカリ金属原子の励起状態に影響を及ぼす。したがって、アルカリ金属原子の凝集が主室１２１では発生せずに、レーザー光Ｌが透過しない副室１２２で発生するように、通常は主室１２１の温度よりも副室１２２の温度が低くなるようにガスセル１０２の温度管理が行われる。なお、図４において、副室１２２にハッチングを施した部分は、凝集して析出したアルカリ金属原子を示すものである。

副室１２２の内壁にアルカリ金属原子が凝集して液体や固体の状態となれば、副室１２２のアルカリ金属原子の原子密度が低下することになる。そうすると、副室１２２に連通する主室１２１との間で原子密度の差（原子の濃度勾配）が生じ、主室１２１から副室１２２へアルカリ金属原子の移動が生じ、主室１２１におけるアルカリ金属原子の原子密度が変化する。

また、副室１２２において液体や固体の状態であったアルカリ金属原子が、副室１２２の温度上昇によって気化すると、副室１２２のアルカリ金属原子の原子密度が上昇する。そうすると、副室１２２に連通する主室１２１との間で原子密度の差（原子の濃度勾配）が生じ、副室１２２から主室１２１へアルカリ金属原子の移動が生じ、主室１２１におけるアルカリ金属原子の原子密度が変化する。副室１２２には前述したように狭窄部１２２ａが設けられアルカリ金属原子の自由な流通が抑制されているものの、副室１２２における原子密度の変化が主室１２１における原子密度に影響を与え難くする必要がある。

主室１２１におけるアルカリ金属原子の原子密度の変化は、入射した直線偏光の偏光面の回転に寄与する原子数自体が変化するので、磁場計測装置１００における磁場計測の感度に影響する。主室１２１におけるアルカリ金属原子の原子密度（蒸気圧）は主室１２１の温度に依存し、副室１２２におけるアルカリ金属原子の原子密度（蒸気圧）は副室１２２の温度に依存する。すなわち、安定した感度での磁場計測を実現するためには、主室１２１の温度及び副室１２２の温度を適正な状態に管理することが求められる。以降、本実施形態におけるガスセル１０２の温度制御方法について説明する。

上述したように、ガスセル１０２の主室１２１は格納箱１２３に収容され、副室１２２は格納箱１２４に収容されている。主室１２１の体積は副室１２２の体積よりも大きいため、格納箱１２３の体積も格納箱１２４の体積よりも大きい。一方で、第１ヒーター１３１の稼働による主室１２１の温度の上昇あるいは下降の状態と、第２ヒーター１３２の稼働による副室１２２の温度の上昇あるいは下降の状態とは、必ずしも同一ではない。格納箱１２３，１２４の熱容量や熱伝導状態、各ヒーター１３１，１３２の単位時間の発熱量などにより、主室１２１及び副室１２２の温度の上昇や下降の状態が異なることが一般的であると考えられる。

＜ガスセルの温度制御方法の一例＞
図５はガスセルの温度制御方法の一例を示すグラフである。図５に示した温度制御のグラフは、副室１２２が主室１２１よりも温度上昇の割合が大きい場合を示すものである。図５において、実線で示すのが主室１２１の温度変化の一例であり、一点鎖線で示すのが副室１２２の温度変化の一例である。主室１２１及び副室１２２における温度の上昇や下降は、必ずしも直線的に変化するとは限らないが、ここでは、温度の上昇と下降とをそれぞれ直線で示すこととする。

図５に示すように、加熱前の主室１２１及び副室１２２の温度をＴ₀とし、主室１２１の温度（第１の温度）をＴ₁とし、副室１２２の温度（第２の温度）をＴ₂とする。まず、制御部１０７は、時間ｔ₀において第１ヒーター１３１をＯＮとして、主室１２１を加熱し始める。続いて時間ｔｓが経過した時間ｔ₁に第２ヒーター１３２をＯＮとして、副室１２２を加熱し始める。制御部１０７は、第１の温度センサー１２７からの出力をモニターしつつ、主室１２１の温度Ｔ₁が、主室１２１の原子密度を考慮した温度以上であり、且つ主室１２１に形成されたコーティング層１２１ｃの機能が低下し始める温度未満の所定の温度（すなわち磁場計測における感度を考慮した温度）となるまで第１ヒーター１３１の通電を行う。一方で、制御部１０７は、第２の温度センサー１２８からの出力をモニターしつつ、副室１２２の温度Ｔ₂が、主室１２１の温度Ｔ₁を超えないように第２ヒーター１３２を通電する。そして、制御部１０７は、温度Ｔ₁と温度Ｔ₂との差ΔＴが、「０（ゼロ）」または所定の値となった時間ｔ₂の段階から、差ΔＴを維持するように、第１ヒーター１３１及び第２ヒーター１３２の通電を制御する。

主室１２１の温度Ｔ₁と副室１２２の温度Ｔ₂とがそれぞれ一定の状態に維持され、且つ温度Ｔ₁と温度Ｔ₂とが同じ、または温度Ｔ₂が温度Ｔ₁よりも低く、温度Ｔ₁と温度Ｔ₂との差ΔＴが所定の値以内である期間が、計測可能期間である。本実施形態では、制御部１０７は、計測可能期間における主室１２１の温度Ｔ₁と副室１２２の温度Ｔ₂との差ΔＴが２℃〜３℃となるように、第１ヒーター１３１及び第２ヒーター１３２の通電状態を制御している。

加えて、制御部１０７は、計測可能期間において、実際に計測対象の磁場を計測する際（磁場計測中）には、第１ヒーター１３１の通電を止めている。これにより、第１ヒーター１３１の通電によって生ずる磁場が、計測対象の磁場の計測に影響を及ぼすことを避けるようにしている。

制御部１０７は、計測対象の磁場の計測を終了する時間ｔ₃に、第１ヒーター１３１及び第２ヒーター１３２を一旦ＯＦＦとする。通電による温度上昇の割合が主室１２１よりも副室１２２のほうが大きい分だけ、通電を止めた後の温度下降の割合は、主室１２１よりも副室１２２のほうが大きい。したがって、通電を止めた後、時間ｔ₄で副室１２２の温度Ｔ₂は初期の温度Ｔ₀となり、さらに時間が経過した時間ｔ₅で、主室１２１の温度Ｔ₁は初期の温度Ｔ₀となる。この後、制御部１０７は、主室１２１と副室１２２とが同じ温度Ｔ₀を維持できるように、第１ヒーター１３１と第２ヒーター１３２とを駆動制御する。

＜ガスセルの温度制御方法の他の例＞
図６はガスセルの温度制御方法の他の例を示すグラフである。図６に示した温度制御のグラフは、副室１２２が主室１２１よりも温度上昇の割合が小さい場合を示すものである。図６において、実線で示すのが主室１２１の温度変化の他の例であり、一点鎖線で示すのが副室１２２の温度変化の他の例である。主室１２１及び副室１２２における温度の上昇や下降は、必ずしも直線的に変化するとは限らないが、この場合も、温度の上昇と下降とをそれぞれ直線で示すこととする。

図６に示すように、まず、制御部１０７は、時間ｔ₀において第１ヒーター１３１と第２ヒーター１３２とを共にＯＮとして、主室１２１と副室１２２とを加熱し始める。副室１２２が主室１２１よりも温度上昇の割合が小さいので、副室１２２の温度に比べて主室１２１の温度が高い状態で双方の温度が上昇してゆく。制御部１０７は、第１の温度センサー１２７からの出力をモニターしつつ、主室１２１の温度Ｔ₁が、主室１２１の原子密度を考慮した温度以上であり、且つ主室１２１に形成されたコーティング層１２１ｃの機能が低下し始める温度未満の所定の温度（すなわち磁場計測の感度を考慮した温度）となるまで第１ヒーター１３１の通電を行う。主室１２１の温度Ｔ₁が上記所定の温度を維持するように、制御部１０７は第１ヒーター１３１を制御する。一方で、制御部１０７は、第２の温度センサー１２８からの出力をモニターしつつ、主室１２１の温度Ｔ₁と副室１２２の温度Ｔ₂との差ΔＴが、「０（ゼロ）」または所定の値となった時間ｔ₂の段階から、差ΔＴを維持するように、第２ヒーター１３２の通電を制御する。

この例においてもまた、主室１２１の温度Ｔ₁と副室１２２の温度Ｔ₂とがそれぞれ一定の状態に維持され、且つ温度Ｔ₁と温度Ｔ₂とが同じ、または温度Ｔ₂が温度Ｔ₁よりも低く、温度Ｔ₁と温度Ｔ₂との差ΔＴが所定の値以内である期間が、計測可能期間である。制御部１０７は、計測可能期間における主室１２１の温度Ｔ₁と副室１２２の温度Ｔ₂との差ΔＴが２℃〜３℃となるように、第１ヒーター１３１及び第２ヒーター１３２の通電状態を制御する。

加えて、制御部１０７は、計測可能期間において、実際に計測対象の磁場を計測する際（磁場計測中）には、第１ヒーター１３１の通電を止めている。これにより、第１ヒーター１３１の通電によって生ずる磁場が、計測対象の磁場の計測に影響を及ぼすことを避けるようにしている。

制御部１０７は、計測対象の磁場の計測を終了する時間ｔ₃に、まず、第２ヒーター１３２を一旦ＯＦＦとする。通電による温度上昇の割合が主室１２１よりも副室１２２のほうが小さい分だけ、通電を止めた後の温度下降の割合は、主室１２１よりも副室１２２のほうが小さい。したがって、第２ヒーター１３２の通電を先に止めて、時間ｔｆが経過した時間ｔ₄で第１ヒーター１３１を一旦ＯＦＦとする。その後、時間ｔ₅で副室１２２の温度Ｔ₂は初期の温度Ｔ₀となり、さらに時間が経過した時間ｔ₆で、主室１２１の温度Ｔ₁は初期の温度Ｔ₀となる。この後、制御部１０７は、主室１２１と副室１２２とが同じ温度Ｔ₀を維持できるように、第１ヒーター１３１と第２ヒーター１３２とを駆動制御する。

図５に示した第１ヒーター１３１と第２ヒーター１３２の通電開始の時間差ｔｓ、及び図６に示した第１ヒーター１３１と第２ヒーター１３２の通電停止の時間差ｔｆは、格納箱１２３，１２４の構造や材質などで変わるので、実際には予め主室１２１と副室１２２とにおける温度の上昇や下降の温度変化を計測して求めて設定しておく。

上記実施形態のガスセル１０２によれば、格納箱１２３、第１の温度センサー１２７、第１ヒーター１３１のそれぞれが主室１２１に対応して設けられ、格納箱１２４、第２の温度センサー１２８、第２ヒーター１３２のそれぞれが副室１２２に対応して設けられていることから、主室１２１及び副室１２２のそれぞれの温度を精度よく制御することが可能なガスセル１０２を提供することができる。

このようなガスセル１０２を備えた磁場計測装置１００おいて、制御部１０７は、計測可能期間に主室１２１の温度Ｔ₁と副室１２２の温度Ｔ₂とが同じ、または温度Ｔ₁よりも温度Ｔ₂が低く、温度Ｔ₁と温度Ｔ₂との差ΔＴが所定の温度範囲内となるように、第１ヒーター１３１と第２ヒーター１３２とを制御する。したがって、主室１２１におけるアルカリ金属原子の原子密度の変動が抑制され、計測対象の磁場を精度よく且つ安定した感度で計測可能な磁場計測装置１００を提供することができる。

本発明は、上記した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うガスセルおよび該ガスセルを適用する磁場計測装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。上記実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。

（変形例１）上記実施形態のガスセル１０２において、格納箱１２３，１２４は必須な構成ではない。図７は変形例のガスセルの構造を示す概略断面図である。図７は上記実施形態において図４に示したガスセル１０２の概略断面図と対比するための概略断面図である。ガスセル１０２と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

例えば、図７に示すように、変形例のガスセル１０２Ｂは、主室１２１と、主室１２１に連通する副室１２２とを有している。また、主室１２１を加熱する第１ヒーター１５１と、副室１２２を加熱する第２ヒーター１５２とを有している。第１ヒーター１５１及び第２ヒーター１５２はそれぞれ箱状であって、第１ヒーター１５１の内側に主室１２１が収容され、第２ヒーター１５２の内側に副室１２２が収容される。主室１２１を収容した第１ヒーター１５１に第１の蓋１２５を被せ、第１の蓋１２５に断熱部材１２９と第２の蓋１２６とを重ねてから箱状の第２ヒーター１５２が重ねられてガスセル１０２Ｂが構成されている。

第１ヒーター１５１に主室１２１を収容して第１の蓋１２５と断熱部材１２９とを装着すれば、副室１２２の狭窄部１２２ａを有する括れた部分は、第１の蓋１２５と断熱部材１２９とにより覆われた状態となる。

また、第１ヒーター１５１と主室１２１との間に第１の温度センサー１２７が介在し、第２ヒーター１５２と副室１２２との間に第２の温度センサー１２８が介在している。

第１ヒーター１５１の向かい合う側壁には、ビーム状のレーザー光Ｌが通過可能な一対の貫通穴１５１ａ，１５１ｂが設けられている。このような第１ヒーター１５１及び第２ヒーター１５２を構成可能な材料としては、セラミックやカーボングラファイトなどの材料を挙げることができる。

変形例１のガスセル１０２Ｂによれば、上記実施形態のガスセル１０２における格納箱１２３，１２４の代わりに各ヒーター１５１，１５２を箱状としたことにより、部品点数を削減して簡素な構成とすることができる。また、むらなく且つ素早く主室１２１及び副室１２２を加熱することができる。

（変形例２）主室１２１及び副室１２２の保温性を高めるために、上記実施形態のガスセル１０２では、格納箱１２３，１２４を覆うように保温部材を設けてもよい。同様に、上記変形例１のガスセル１０２Ｂでは、第１ヒーター１５１及び第２ヒーター１５２を覆うように保温部材を設けてもよい。

（変形例３）ガスセル１０２は、磁場計測装置１００に適用されることに限定されず、例えば、原子発振器のセルとして用いてもよい。

１００…磁場計測装置、１０１…光照射手段としての光照射部、１０２…ガスセル、１０３…偏光分離器、１０４…受光部、１０５…信号処理部、１０６…表示部、１０７…制御部、１２１…第１室としての主室、１２１ａ…主室の内壁、１２１ｃ…コーティング層、１２２…第２室としての副室、１２３…第１の被覆層としての格納箱、１２４…第２の被覆層としての格納箱、１２７…第１の温度センサー、１２８…第２の温度センサー、１２９…断熱部材、１３１…第１の加熱部としての第１ヒーター、１３２…第２の加熱部としての第２ヒーター。

Claims (10)

1. 第１室と、
   前記第１室に連通する第２室と、
   前記第１室を加熱する第１の加熱部と、
   前記第２室を加熱する第２の加熱部と、を備え、
   前記第１室及び前記第２室のうち、少なくとも前記第１室には、入射した光により励起されるアルカリ金属原子が封入されていることを特徴とするガスセル。
2. 前記第１室の温度を検出する第１の温度センサーと、
   前記第２室の温度を検出する第２の温度センサーと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
3. 前記第１室をビーム光が透過可能となるように被覆する第１の被覆層と、
   前記第２室を被覆する第２の被覆層と、を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスセル。
4. 前記第１の加熱部は、前記第１の被覆層の外側に配置され、
   前記第２の加熱部は、前記第２の被覆層の外側に配置され、
   前記第１の温度センサーは、前記第１室と前記第１の被覆層との間に配置され、
   前記第２の温度センサーは、前記第２室と前記第２の被覆層との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセル。
5. 前記第１の加熱部と前記第２の加熱部との間に、断熱部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載のガスセル。
6. 前記第１の被覆層と前記第２の被覆層との間に、断熱部材を有することを特徴とする請求項３または４に記載のガスセル。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセルと、
   プローブ光としての直線偏光を照射する光照射手段と、
   前記ガスセルを透過した前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出手段と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第１室の第１の温度と前記第２室の第２の温度とが同じ、または前記第１の温度よりも前記第２の温度が低く、前記第１の温度と前記第２の温度との差が所定の範囲内となるように、前記第１の加熱部と前記第２の加熱部とを制御することを特徴とする磁場計測装置。
8. 前記第１室の温度を検出する第１の温度センサーと、
   前記第２室の温度を検出する第２の温度センサーと、を備え、
   前記制御部は、前記第１の温度センサー及び前記第２の温度センサーの温度検出結果に基づいて、前記第１の加熱部と前記第２の加熱部とを制御することを特徴とする請求項７に記載の磁場計測装置。
9. 前記制御部は、前記第１の温度と前記第２の温度との差が所定の範囲内となったときに、磁場の計測が可能と判断し、磁場の計測開始から計測終了まで、加熱を止めるように少なくとも前記第１の加熱部を制御することを特徴とする請求項７または８に記載の磁場計測装置。
10. 前記第１室の内壁の少なくとも一部に、励起されたアルカリ金属原子のスピン偏極の緩和を抑制するためのコーティング層を有し、
    前記制御部は、前記第１の温度が前記第１室におけるアルカリ金属原子の原子密度を考慮した温度以上であって、前記コーティング層の機能が低下し始める温度未満となるように、前記第１の加熱部を制御することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の磁場計測装置。

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