JP2018015698A - 超高真空セル - Google Patents

Abstract

【課題】構造もシンプルで長期間高い真空度を維持可能な超高真空セルを提供する。【解決手段】超高真空状態を維持可能な超高真空セルは、ガラス容器１０と、ゲッター材２０と、外側ガラスカバー３０とからなる。ガラス容器１０は、真空状態の内部空間を有する。ゲッター材２０は、ガラス容器１０の内部空間内に配置され、ガラス容器１０の内部空間中の活性ガスを吸着可能なものである。外側ガラスカバー３０は、ガラス容器１０の外側全体を覆いガラス容器１０との間をガラス容器１０の内部空間よりも低真空状態とし、ガラス容器１０よりもヘリウム遮蔽性の高いものである。【選択図】図１

Description

本発明は超高真空セルに関し、特に、長期間高い真空度を維持可能な超高真空セルに関する。

超高真空セルは、超高真空状態が維持される容器であり、ボースアインシュタイン凝縮（ＢＥＣ）や、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）等に用いられるものである。例えば、超高真空セル中を飛び交う中性原子に３方向からレーザを照射することで、その温度を一瞬でマイクロケルビン台にまで下げることが可能な技術として、レーザ冷却装置が存在する。レーザ冷却された原子気体はドップラ効果の影響が低減され、またレーザとの相互作用時間を長く取ることもできるため、原子を用いた測定装置の測定精度を飛躍的に向上させることが可能となる。例えば、原子時計やジャイロスコープ、重力計等、種々の分野において有用なものである。

例えばレーザ冷却を行うためには、対象となる原子が背景ガスとの衝突を通して失われないようにする必要がある。このため、ターボポンプやイオンポンプ等の真空ポンプを用いて排気し続けることにより、例えば１０^−８Ｔｏｒｒ程度の超高真空状態に維持されるのが一般的である。しかしながら、真空ポンプを常時稼働させるようなシステムは大掛かりであり、効率的でもなかった。さらに、イオンポンプは強力な磁石を必要とするため、迷走磁場が原子を用いる超精密測定に影響を及ぼし得る。また、システムが巨大化するため、例えば海底を探査するための潜水艦等にレーザ冷却装置を用いた重力計を搭載することも難しかった。

ここで、例えば容器内にゲッター材を配置することで容器内の真空状態を維持するものも知られている（特許文献１、特許文献２等）。ゲッター材とは、真空中の化学反応により活性ガス（Ｏ_２，Ｈ_２，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｎ_２等）を吸着することが可能な材料である。このようなゲッター材を真空容器内に配置しておけば、真空ポンプを稼働させておく必要がなく、真空状態を維持できるものである。

特開２００９−２４１０３０号公報 特開２０００−３２８１６１号公報

しかしながら、従来の超高真空セルは、ゲッター材を配置したとしても１０^−８Ｔｏｒｒといった超高真空状態を長期間にわたって維持することは難しかった。これは、超高真空セルを形成するガラスが、ヘリウム（Ｈｅ）に対して透過性を有するためである。即ち、大気中に含まれるヘリウムが超高真空セル中に透過していくため、長期的に見ると徐々に真空度が悪くなり、高真空状態を維持するのが難しかった。したがって、長期間高い真空度を維持可能な超高真空セルの開発が望まれていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、構造もシンプルで長期間高い真空度を維持可能な超高真空セルを提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による超高真空セルは、真空状態の内部空間を有するガラス容器と、ガラス容器の内部空間内に配置され、ガラス容器の内部空間中の活性ガスを吸着可能なゲッター材と、ガラス容器の外側全体を覆いガラス容器との間をガラス容器の内部空間よりも低真空状態とし、ガラス容器よりもヘリウム遮蔽性の高い外側ガラスカバーと、を具備するものである。

ここで、ガラス容器は、ゲッター材の活性化処理に対する耐熱性を有するものであれば良い。

また、ガラス容器は、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、又はコバールガラスからなるものであれば良い。

また、ゲッター材は、錠剤状でガラス容器の内部空間内に配置されるものであれば良い。

また、ゲッター材は、ガラス容器の内側表面にコーティングされることで内部空間内に配置されるものであっても良い。

また、外側ガラスカバーは、ソーダライムガラス、又はアルミノシリケートガラスからなるものであれば良い。

また、外側ガラスカバーとガラス容器との間が、光透過性を有しヘリウムを含まない物質で満たされるものであれば良い。

また、本発明の超高真空セルを用いるレーザ冷却装置において、ゲッター材は、さらにレーザ冷却装置で用いられる原子は吸着しないものであれば良い。

また、ゲッター材が吸着しない原子は、ルビジウム又はセシウムであるものであれば良い。

本発明の超高真空セルには、構造もシンプルで長期間高い真空度を維持可能であるという利点がある。

図１は、本発明の超高真空セルを説明するための概略側断面図である。 図２は、本発明の超高真空セルの製造過程を説明するための概略側面図である。 図３は、本発明の超高真空セルを用いたレーザ冷却装置を説明するための概略斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の超高真空セルを説明するための概略側断面図である。図示の通り、本発明の超高真空セルは、ガラス容器１０と、ゲッター材２０と、外側ガラスカバー３０と、から主に構成されている。

ガラス容器１０は、真空状態の内部空間を有するものである。ガラス容器１０は、真空状態に対する圧力に耐え得る強度を有するものであり、例えば石英ガラス、ホウケイ酸ガラス（具体的にはパイレックス（登録商標））、又はコバールガラス等のガラス材からなれば良い。また、レーザ冷却装置に超高真空セルを用いる際には、用いるレーザに対して光透過性の高いガラス材が好ましい。さらに、ガラス容器１０は、後述のゲッター材２０の活性処理に対する耐熱性を有するものである。耐熱温度等の詳細については後述する。

ゲッター材２０は、ガラス容器１０の内部空間内に配置されるものである。ゲッター材２０は、ガラス容器１０の内部空間中の活性ガスを吸着可能なものである。ゲッター材２０には、非蒸発型ゲッターや、蒸発型ゲッター、薄膜ゲッター、厚膜ゲッター等、種々の態様が存在する。何れのタイプのゲッター材であっても本発明の超高真空セルに適用可能である。ゲッター材２０は、例えば超高真空セルの用途に合わせて選択すれば良い。ゲッター材２０については、既存の又は今後開発されるべきあらゆるものが適用可能である。

具体的には、ゲッター材２０は、例えば非蒸発型ゲッター材であれば良い。非蒸発ゲッター材は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ等の遷移金属、又はそれらの合金若しくは化合物及び／又はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｙ、Ｌａ及び希土類から選ばれる少なくとも１つの元素との合金又は化合物である。例えば、ゲッター材２０は、二元合金、Ｔｉ−Ｖ、Ｚｒ−Ａｌ、Ｚｒ−Ｖ、Ｚｒ−Ｆｅ及びＺｒ−Ｎｉ、三元合金、Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ及びＺｒ−Ｃｏ−希土類、又は多成分系合金であれば良い。非蒸発型のゲッター材２０は、可逆的に水素を吸収することができ、また酸素、水、二酸化炭素、さらに、窒素等の気体を不可逆的に吸収することができるものである。非蒸発型のゲッター材２０は、異なる度合いの多孔性と吸着性を有しており、種々の形状でガラス容器１０内に提供可能である。

ここで、ゲッター材２０は、活性ガスを吸着させるためには加熱による活性化処理が必要となる。具体的には、ゲッター材２０は、例えば３５０℃で３０分間加熱処理することで、ゲッター材２０が活性化して活性ガスの吸着が開始される。本発明の超高真空セルでは、ガラス容器１０内に封止されたゲッター材２０を外部から加熱する。このため、ガラス容器１０は、例えば３５０℃で３０分間の加熱処理に耐え得る耐熱性を有する材質からなるものでなければならない。具体的には、例えば耐熱温度１０００℃程度の石英ガラスや、耐熱温度４９０℃程度のパイレックス（登録商標）、耐熱温度１４５０℃程度のコバールガラス等が適用可能である。

ガラス容器１０内に配置されるゲッター材２０は、どのような態様で配置されても良いが、例えばゲッター材２０が錠剤状のものであれば、錠剤状のままガラス容器１０の内部空間内に配置されれば良い。また、ガラス容器１０に錠剤状のゲッター材２０がちょうど収まるような凹部が設けられても良い。さらに、ゲッター材２０は錠剤状でなくても良く、例えば表面コーティングにより提供されても良い。即ち、ゲッター材２０をガラス容器１０の内部表面にコーティングすることで、ゲッター材２０が内部空間内に配置されても良い。コーティングは、ガラス容器１０の内部表面全体に提供されても良いし、一部のみに提供されても良い。

ガラス容器１０の内部空間は、予め真空ポンプ等で真空状態とした上で、内部に配置されるゲッター材２０によりさらに高い真空状態が維持される。ガラス容器１０は、超高真空状態に耐え得る強度を有するものであれば良い。具体的には、上述の通り石英ガラスやパイレックス（登録商標）、コバールガラス等のガラス材からなるものである。これらのガラス材は、何れもヘリウム（Ｈｅ）に対して透過性を有するものである。したがって、ガラス容器１０内にヘリウムが透過していくので、長期間高い真空度を維持することが難しかった。ゲッター材はヘリウムを吸着することが出来ないため、本発明の超高真空セルでは、以下のようにこの問題を解決した。

本発明の超高真空セルは、外側ガラスカバー３０を用いている。外側ガラスカバー３０は、ガラス容器１０の外側全体を覆うものである。また、外側ガラスカバー３０は、ガラス容器１０よりもヘリウム遮蔽性の高いものとした。具体的には、ソーダライムガラスやアルミノシリケートガラス等のガラス材からなるものであれば良い。例えばソーダライムガラスは耐熱温度が３８０℃程度と低いため、ゲッター材２０の活性化処理に耐えられない材料であるが、本発明の超高真空セルでは、ゲッター材２０をガラス容器１０内で加熱処理して活性化した後に外側ガラスカバー３０によりガラス容器１０の外側全体を覆うため、外側ガラスカバー３０は耐熱温度が高い必要はない。一方、ソーダライムガラスはヘリウム遮蔽性が高いため、ガラス容器１０内にヘリウムが透過することを阻止することが可能となる。

また、外側ガラスカバー３０とガラス容器１０との間を、ガラス容器１０の内部空間よりも低真空状態とした。即ち、ガラス容器１０内の真空状態のほうが高真空状態としている。外側ガラスカバー３０とガラス容器１０との間は、例えばヘリウムを含まない気体や液体、固体等の物質で満たされていれば良い。また、レーザ冷却装置に超高真空セルを用いる際には、用いるレーザに対して光透過性の高い物質で満たされていれば良い。このような物質で満たされた場合、外側ガラスカバー３０は真空状態に耐える強度を有する必要はなくなる。

本発明の超高真空セルは、上述のような構造により、ヘリウムの影響を排除し、シンプルで長期間高い真空度を維持可能なものとなった。

図２を用いて本発明の超高真空セルの製造過程について説明する。図２は、本発明の超高真空セルの製造過程を説明するための概略側面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。まず、図２（ａ）に示されるように、ガラス容器１０の内部空間内にゲッター材２０を配置する。なお、図示例では錠剤状のゲッター材２０を配置する例を示した。次に、図２（ｂ）に示されるように、ガラス容器１０に外部の真空ポンプ１を例えばバルブ２を介して接続する。そして、真空ポンプ１によりガラス容器１０内の気体を引きながら、ガラス容器１０内に配置されたゲッター材２０を活性化するために加熱処理を行う。そして、図２（ｃ）に示されるように、ガラス容器１０の内部空間を真空状態とした上で、ガラス容器１０を封止し真空ポンプ１を外す。次に、図２（ｄ）に示されるように、ガラス容器１０の外側全体を覆うように外側ガラスカバー３０を設ける。その後、図２（ｅ）に示されるように、外側ガラスカバー３０に外部の真空ポンプ１を例えばバルブ２を介して接続する。そして、外側ガラスカバー３０の内部空間、即ち、外側ガラスカバー３０とガラス容器１０との間の空間を、真空状態とする。これは、ガラス容器１０の内部空間程にまでは真空ポンプ１で引く必要はなく、ガラス容器１０の内部空間よりも低真空状態で良い。なお、真空ポンプ１を接続するのではなく、ヘリウム以外のガスを充填するためにガスボンベ等を接続しても良い。そして、図２（ｆ）に示されるように、外側ガラスカバー３０を封止し真空ポンプ１を外す。これにより、真空ポンプを稼働し続けることなく、ガラス容器１０の内部空間を超高真空状態に長期間維持することが可能となる。

本発明の超高真空セルは、レーザ冷却装置に用いることが可能である。そして、本発明の超高真空セルは、セル単体で超高真空状態を長期間維持可能であり、小型なものも容易に実現でき携帯性にも優れている。したがって、原子時計やジャイロスコープ、重力計等に本発明の超高真空セルを用いたレーザ冷却装置を採用すると、大幅にシステムの小型化が可能となる。

以下、本発明の超高真空セルをレーザ冷却装置に用いる場合について、より具体的に説明する。図３は、本発明の超高真空セルを用いたレーザ冷却装置を説明するための概略斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。レーザ冷却装置は、超高真空セル中を飛び交う中性原子にレーザを照射することで、その温度を一瞬でマイクロケルビン台にまで下げるものである。具体的には、ｘｙｚの正負６方向から円偏光のレーザを照射する。また、超高真空セルの上下にコイル３を配置する。そして、上下のコイル３に逆向きの電流を流すことで、中央に四重極磁場を形成する。このような構成のレーザ冷却装置を用いると、レーザにより原子が冷却され捕獲される。このように冷却された原子の原子波を、原子時計やジャイロスコープ、重力計等に応用するものである。

このようなレーザ冷却装置の場合、超高真空セルのガラス容器の内部空間には、レーザ冷却装置で用いられる気体原子を存在させておくことになる。具体的には、例えばルビジウム原子やセシウム原子である。このため、本発明の超高真空セルのガラス容器１０の内部空間に配置されるゲッター材２０は、レーザ冷却装置で用いられる原子は吸着しないものであることが好ましい。これにより、レーザ冷却装置に本発明の超高真空セルを用いた場合であっても、ゲッター材２０及び外側ガラスカバー３０により超高真空状態を長期間維持したまま、ルビジウム等の原子がゲッター材２０により吸着されないため、問題なくレーザ冷却装置で用いることが可能となる。より具体的に一例を挙げると、ゲッター材２０は、例えばサエス・ゲッターズ社製のＳｔ２００２／Ｐｉｌｌ／６−２が適用可能である。

なお、本発明の超高真空セルは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 真空ポンプ
２ バルブ
３ コイル
１０ ガラス容器
２０ ゲッター材
３０ 外側ガラスカバー

Claims (9)

1. 超高真空状態を維持可能な超高真空セルであって、該超高真空セルは、
   真空状態の内部空間を有するガラス容器と、
   前記ガラス容器の内部空間内に配置され、ガラス容器の内部空間中の活性ガスを吸着可能なゲッター材と、
   ガラス容器の外側全体を覆いガラス容器との間をガラス容器の内部空間よりも低真空状態とし、ガラス容器よりもヘリウム遮蔽性の高い外側ガラスカバーと、
   を具備することを特徴とする超高真空セル。
2. 請求項１に記載の超高真空セルにおいて、前記ガラス容器は、ゲッター材の活性化処理に対する耐熱性を有することを特徴とする超高真空セル。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超高真空セルにおいて、前記ガラス容器は、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、又はコバールガラスからなることを特徴とする超高真空セル。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の超高真空セルにおいて、前記ゲッター材は、錠剤状でガラス容器の内部空間内に配置されることを特徴とする超高真空セル。
5. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の超高真空セルにおいて、前記ゲッター材は、ガラス容器の内側表面にコーティングされることで内部空間内に配置されることを特徴とする超高真空セル。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の超高真空セルにおいて、前記外側ガラスカバーは、ソーダライムガラス、又はアルミノシリケートガラスからなることを特徴とする超高真空セル。
7. 請求項１乃至請求項６の何れかに記載の超高真空セルにおいて、前記外側ガラスカバーとガラス容器との間が、光透過性を有しヘリウムを含まない物質で満たされることを特徴とする超高真空セル。
8. 請求項１乃至請求項７の何れかに記載の超高真空セルを用いるレーザ冷却装置において、
   前記ゲッター材は、さらにレーザ冷却装置で用いられる原子は吸着しない、
   ことを特徴とする超高真空セルを用いるレーザ冷却装置。
9. 請求項８に記載の超高真空セルを用いるレーザ冷却装置において、前記ゲッター材が吸着しない原子は、ルビジウム又はセシウムであることを特徴とする超高真空セルを用いるレーザ冷却装置。