JP2021163883A - 物理パッケージ、光格子時計用物理パッケージ、原子時計用物理パッケージ、原子干渉計用物理パッケージ、及び、量子情報処理デバイス用物理パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】真空チャンバの内部にゼーマン減速器を設置して、物理パッケージの小型化または可搬化を図る。【解決手段】物理パッケージは、真空チャンバと、ゼーマン減速器４４を備える。ゼーマン減速器４４は、筒形状に形成され筒内にビーム軸に沿って原子ビームが流されるボビン２８０と、ボビン２８０の周りに巻回された一連のコイル２８２とを備える。ボビン２８０には、ビーム軸方向の途中位置において筒の外面が拡径されたフランジ２９０が設けられ、一連のコイル２８２は、フランジ２９０をまたいでボビン２８０に巻回されている。ゼーマン減速器４４は、フランジ２９０を上部支持部材３１２及び下部支持部材３１４を介して真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内に設置されている。【選択図】図２８

Description

本発明は、物理パッケージ、光格子時計用物理パッケージ、原子時計用物理パッケージ、原子干渉計用物理パッケージ、及び、量子情報処理デバイス用物理パッケージに関する。

光格子時計は、２００１年に、本出願の発明者の一人である香取秀俊によって提案された原子時計である。光格子時計では、レーザ光で形成した光格子内に原子集団を閉じ込めて、可視光領域の共振周波数を計測するため、現行のセシウム時計の精度をはるかに凌駕する１８桁の精度の計測が可能である。光格子時計は、発明者らのグループによって鋭意研究開発がなされている他、国内外の様々なグループによっても研究開発が行われて、次世代原子時計として発展してきている。

最近の光格子時計の技術については、例えば、下記特許文献１〜３を挙げることができる。特許文献１には、中空の通路を有する光導波路の内部に、１次元の移動光格子を形成することが記載されている。特許文献２には、実効的魔法周波数を設定する態様について記載されている。また、特許文献３には、周囲の壁から放射される黒体輻射からの影響を低減する輻射シールドについて記載されている。

光格子時計では、高精度で時間計測を行うため、重力による一般相対性論的な効果に基づく地球上の１ｃｍの高度差を、時間の進み方のずれとして検出することができる。そこで、光格子時計を可搬化して研究室外のフィールドで利用できるようになれば、地下資源探索、地下空洞、マグマだまりの検出など、あらたな測地技術への応用可能性が広がる。光格子時計を量産して各地に配置し、重力ポテンシャルの時間変動を連続監視することにより、地殻変動の検出、重力場の空間マッピングなどの応用も可能となる。このように、光格子時計は、高精度な時間計測の枠を超えて、新たな基盤技術として社会に貢献することが期待されている。

下記非特許文献１〜５には、光格子時計を可搬化する試みについて記載されている。例えば、非特許文献４には、長さ９９ｃｍ、幅６０ｃｍ、高さ４５ｃｍのフレームに格納された光格子時計の物理パッケージが記載されている。この物理パッケージでは、長さ方向に順に、原子オーブン、ゼーマン減速器及び真空チャンバが並んでいる。そして、真空チャンバの外側には、長さ方向、幅方向及び高さ方向の３軸について、１辺が３０〜４０ｃｍ程度の１対の正方形の磁場補正コイルが設置されている。磁場補正コイルは、原子をゼロ磁場下のもとで時計遷移分光を行うために、分光時の原子周辺の領域における磁場分布を一様にかつゼロ値に補償するために使われる。

光格子時計では、通常、レーザ冷却装置（ゼーマン減速器とも呼ばれる）を用いて原子を減速し、減速させた原子をＭＯＴ（Magneto-Optical Trap、磁気光学トラップ）捕捉器を利用して所定の位置に補足する。

下記特許文献４には、永久磁石を用いたゼーマン減速器について記載されている。

下記特許文献５には、２次元的または３次元的に原子を捕捉する永久磁石を用いたＭＯＴ装置について記載されている。

下記特許文献６には、コイルを用いたゼーマン減速器において、原子の進行方向ほどコイルの内径を拡幅する構造が記載されている。

下記特許文献７には、コイルで発生させた磁場を高透磁率材を用いて伝達し、ゼーマン減速器を形成することが記載されている。

また、下記特許文献６には、原子減速に最適化したゼーマン減速器で用いるコイル（ゼーマンコイルと呼ばれる）は、ＭＯＴ装置で用いるコイル（ＭＯＴコイルと呼ばれる）が発生する理想的な反対称磁場分布を乱すことが記載されている。そして、この解決策として、ゼーマンコイルをＭＯＴコイルのトラップ位置から十分に引き離すこと、あるいは、磁場の補償を行う第三のコイルを設けゼーマンコイルがＭＯＴコイルのトラップ位置に作る磁場を相殺することが提案されている。

特許第６２０６９７３号公報 特表２０１８−５１０４９４号公報 特開２０１９−１２９１６６号公報 米国特許第８７１０４２８号公報 米国特許第８９２１７６４号公報 米国特許第８０４９１６２号公報 米国特許第１０４４６３０７号公報

Stefan Vogtら著 「A transportable optical lattice clock」Journal of Physics: Conference Series 723 012020, 2016年 S. B. Kollerら著 「Transportable Optical Lattice Clock with 7 × 10-17 Uncertainty」Physical review letters 118 073601, 2017年 William Bowdenら著 「A pyramid MOT with integrated optical cavities as a cold atom platform for an optical lattice clock」Scientific Reports 9 11704, 2019年 S. Origliaら著 「Towards an optical clock for space: Compact, high-performance optical lattice clock based on bosonic atoms」Physical Review A 98, 053443, 2018年 N. Poliら著 「Prospect for a compact strontium optical lattice clock」Proceedings of SPIE 6673, 2007年

上述の非特許文献１〜５に記載された光格子時計よりもさらに小型化または可搬化を進めることで、光格子時計の搬送、設置等が容易となり、活用性も向上することになる。

光格子時計の物理パッケージの小型化または可搬化を進めるため、ゼーマン減速器を真空チャンバ内に設置することを考える。ゼーマン減速器は、ビーム軸方向に長く、また、巻回されたコイルによって重量も大きい。このため、ゼーマン減速器を、真空チャンバ内に機械的に安定に取り付ける必要がある。また、コイルからの発熱量が大きい場合には、熱を効率的に除去する必要もある。物理パッケージの小型化または可搬化の要求は、光格子時計にとどまらない。

本発明の目的は、真空チャンバの内部にゼーマン減速器を設置して、物理パッケージの小型化または可搬化を図ることにある。

本発明にかかる物理パッケージは、真空チャンバと、筒形状に形成され筒内にビーム軸に沿って原子ビームが流されるボビンと、前記ボビンの周りに巻回された一連のコイルとを備え、前記筒内に空間的に勾配が付けられた磁場を形成するゼーマン減速器と、を備え、前記ボビンには、ビーム軸方向の途中位置において筒の外面が拡径されたフランジが設けられ、前記一連のコイルは、前記フランジをまたいで前記ボビンに巻回されており、前記ゼーマン減速器は、前記フランジを直接的または間接的に前記真空チャンバに取り付けられて、前記真空チャンバ内に設置されている。

本発明の一態様においては、前記一連のコイルは、前記原子ビームの上流側に比べて下流側の巻回数が多いインクリーシング型であり、前記フランジは、前記ボビンの下流側に設けられている。

本発明の一態様においては、前記真空チャンバは、前記ビーム軸に平行に中心軸が配置された略円筒形状に形成され、前記フランジは、前記真空チャンバにおける前記原子ビームの下流側の円筒壁に、支持部材を用いて間接的に取り付けられている。

本発明の一態様においては、前記フランジは略円形に形成され、前記支持部材は、前記フランジの外縁を支持する略円環状の支持部を備え、前記略円環状の支持部には、管に液体冷媒を流して前記フランジを冷却する冷却機構が設けられている。

本発明の一態様においては、前記フランジは、鉛直下向きを含む方向に拡径された略扇形に形成され、前記支持部材は、前記フランジの外縁を支持する略Ｕ字型の支持部を備え、前記略Ｕ字型の支持部には、管に液体冷媒を流して前記フランジを冷却する冷却機構が設けられている。

本発明の一態様においては、前記ボビン及び前記フランジは、金属で形成されており、当該物理パッケージには、前記フランジを直接的または間接的に冷却する冷却機構が設けられている。

本発明の一態様においては、さらに、前記ゼーマン減速器から前記原子ビームの下流側に離間した位置に、前記ビーム軸の周りに巻回された相手方コイルを備え、前記一連のコイルと前記相手方コイルは、前記一連のコイルと前記相手方コイルとの間にＭＯＴ磁場を形成する。

本発明の物理パッケージは、光格子時計用物理パッケージ、原子時計用物理パッケージ、原子干渉計用物理パッケージ、原子またはイオン化された原子についての量子情報処理デバイス用物理パッケージとして利用可能である。

本発明によれば、物理パッケージが備える真空チャンバの内部にゼーマン減速器を設置し、物理パッケージを小型化または可搬化することが可能となる。

実施形態にかかる光格子時計の全体構成を示す概略図である。 光格子時計の物理パッケージの概略的な構成を示す図である。 物理パッケージの外観を概略的に示す図である。 図３において物理パッケージの内部を部分的に透視的に示す図である。 ３軸磁場補正コイルの全体形状を示す図である。 Ｘ軸磁場補正コイルの第１コイル群の形状を示す図である。 Ｘ軸磁場補正コイルの第２コイル群の形状を示す図である。 Ｙ軸磁場補正コイルの第１コイル群の形状を示す図である。 Ｙ軸磁場補正コイルの第２コイル群の形状を示す図である。 Ｚ軸磁場補正コイルの第１コイル群の形状を示す図である。 Ｚ軸磁場補正コイルの第２コイル群の形状を示す図である。 ３軸磁場補正コイルのホルダの形状を示す図である。 フレキシブルプリント基板を用いた補正コイルの例を示す図である。 フレキシブルプリント基板を用いた円筒形の補正コイルを示す図である。 補正コイルに流す電流の例を示す図である。 図１５の補正コイルと等価な電流の流れを示す図である。 補正コイルに流す電流の別の例を示す図である。 図１７の補正コイルと等価な電流の流れを示す図である。 フレキシブルプリント基板を用いた補正コイルの別の例を示す図である。 球形状の真空チャンバを備える物理パッケージを示す図である。 ３軸磁場補正コイルの別の設置例を示す図である。 図２１の３軸磁場補正コイルの支持態様について説明する図である。 磁場の補正態様について示す模式図である。 磁場の補正態様について示す模式図である。 ３軸磁場補正コイルのキャリブレーションのフローチャートである。 ３軸磁場補正コイルの補正手順を示すフローチャートである。 磁場の補正態様の別例について示す模式図である。 冷凍機における漏洩磁場の補償について示す図である。 ゼーマン減速器とＭＯＴ装置の構造を示す断面図である。 コイルのボイドについて説明する断面図である。 図２８の構成に対応した磁場分布を示す図である。 ゼーマン減速器とＭＯＴ装置の構造を示す断面図である。 ゼーマン減速器とＭＯＴ装置の構造を示す断面図である。 図３１Ａ、図３１Ｂの構成に対応した磁場分布を示す図である。 図３１Ａ、図３１Ｂの変形態様にかかる構造を示す図である。 図３１Ａ、図３１Ｂの変形態様にかかる構造を示す図である。 コイル外径が一定となるゼーマンコイルの断面図である。 ゼーマン減速器用コイルのカプセル化について示す断面図である。 ゼーマン減速器用コイルのカプセル化について示す断面図である。

（１）物理パッケージの概略的な構成
図１は、光格子時計１０の全体構成を示す概略図である。光格子時計は、物理パッケージ１２と、光学系装置１４と、制御装置１６と、ＰＣ（Personal Computer）１８を組み合わせて構成されている。

物理パッケージ１２は、次に詳述するように、原子集団を捕捉し、光格子に閉じ込め、時計遷移を起こさせる装置である。光学系装置１４は、レーザ発光装置、レーザ受光装置、レーザ分光装置などの光学的機器を備えた装置である。光学系装置１４は、レーザを発光して物理パッケージ１２に送る他、物理パッケージ１２において原子集団が時計遷移により発光した光を受光して電気信号に変換し、周波数帯で分波するなどの処理を行う。制御装置１６は、物理パッケージ１２及び光学系装置１４を制御する装置である。制御装置１６は、光格子時計１０に特化したコンピュータであり、プロセッサ及びメモリを備えたコンピュータハードウエアをソフトウエアによって制御することで動作する。制御装置１６は、例えば、物理パッケージ１２の動作制御、光学系装置１４の動作制御などの他、計測により得られた時計遷移の周波数解析などの解析処理も行っている。物理パッケージ１２、光学系装置１４、及び制御装置１６は、相互に密接に連携をして、光格子時計１０を形成している。

ＰＣ１８は、汎用的なコンピュータであり、プロセッサ及びメモリを備えたコンピュータハードウエアをソフトウエアによって制御することで動作する。ＰＣ１８には、光格子時計１０を制御するアプリケーションプログラムがインストールされている。ＰＣ１８は、制御装置１６に接続されており、制御装置１６のみならず、物理パッケージ１２と光学系装置１４を含む光格子時計１０の全体にかかる制御を行っている。また、ＰＣ１８は、光格子時計１０のＵＩ（User Interface）となっており、ユーザは、ＰＣ１８を通じて、光格子時計１０の起動、時間計測、結果確認などを行うことができる。本実施形態では、物理パッケージ１２を中心に説明を行う。なお、物理パッケージ１２と、その制御に必要となる構成を含むものを物理パッケージシステムと呼ぶことがある。制御に必要となる構成は、制御装置１６またはＰＣ１８に含まれる場合があるが、物理パッケージ１２自体に内蔵される場合もある。

図２は、実施形態にかかる光格子時計の物理パッケージ１２を模式的に示した図である。また、図３は、物理パッケージ１２の外観の例を示す図であり、図４は図３に示した物理パッケージ１２の内部構造を部分的に透視的に示す図である。図２〜４（及び以後の図）には、後述する原子が時計遷移分光の際に存在し得る対象空間（時計遷移空間５２）を原点とするＸＹＺ直交直線座標系を図示して、方向を明示している。

物理パッケージ１２は、真空チャンバ２０、原子オーブン４０、ゼーマン減速器用コイル４４、光学共振器４６、ＭＯＴ装置用コイル４８、低温槽５４、熱リンク部材５６、冷凍機５８、真空ポンプ本体６０、及び、真空ポンプカートリッジ６２を備える。

真空チャンバ２０は、物理パッケージ１２の主要部分を真空に保つ容器であり、略円柱形に形成されている。詳細には、真空チャンバ２０は、大きな略円柱形状に形成された本体部２２と、本体部２２から突起した小さな略円柱形状に形成された突起部３０とを備える。本体部２２は、内部に後述する光学共振器４６等を格納した部位である。本体部２２は、円柱の側面をなす円筒壁２４と、円柱の円形の面をなす前部円形壁２６及び後部円形壁２８とを備える。前部円形壁２６は、突起部３０が設けられた壁である。後部円形壁２８は、突起部３０とは反対側の壁であり、円筒壁２４に比べて拡径された形状に形成されている。

突起部３０は、円柱の側面をなす円筒壁３２と、前部円形壁３４とを備える。前部円形壁３４は、本体部２２から遠い側の円形の面である。突起部３０における本体部２２の側は、大部分が開口された形状となって本体部２２と接続されており、壁部を有しない。

真空チャンバ２０は、本体部２２の円柱の中心軸（この軸をＺ軸と呼ぶ）がほぼ水平になるように配置される。また、突起部３０の円柱の中心軸（この軸はビーム軸となる）は、Ｚ軸の鉛直方向下方において、Ｚ軸に平行に延びている。

真空チャンバ２０は、例えば、Ｚ軸方向に３５ｃｍ程度以下、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に２０ｃｍ程度以下に形成することを想定している。さらに小型化を進めて、Ｚ軸方向の長さを３０ｃｍ程度以下、２５ｃｍ程度以下、あるいは、２０ｃｍ程度以下とすることも想定される。また、Ｘ軸方向及びＹ方向についても、１５ｃｍ程度以下、あるいは１０ｃｍ程度以下とすることも十分に可能であると想定される。また、ビーム軸とＺ軸の距離は、例えば、１０〜２０ｍｍ程度に設定される。

実施形態では、真空チャンバ２０の本体部２２下部における四隅付近には、４本の脚３８が設けられており、真空チャンバ２０を支える。真空チャンバ２０は、内部が真空になった場合の気圧差に耐えられるように、ＳＵＳ（ステンレス）などの金属を用いて、十分頑強に作られている。真空チャンバ２０は、後部円形壁２８と前部円形壁３４とが取り外し可能に形成されており、保守点検時などに取り外される。

原子オーブン４０は、突起部３０の先端付近に設けられた装置である。原子オーブン４０は、設置した個体金属をヒータで加熱し、熱運動により金属から飛び出した原子を細孔から放出して、原子ビーム４２を形成する。原子ビーム４２が通るビーム軸は、Ｚ軸と平行に設定されており、Ｘ軸とは原点から若干離れた位置において交差するように設定されている。交差する位置は、後述する原子が捕捉される微小な空間である捕捉空間５０に相当する。原子オーブン４０は、基本的には、真空チャンバ２０の内部に設けられているが、冷却のために、放熱部が真空チャンバ２０の外にまで延びている。原子オーブン４０では、例えば、７５０Ｋ程度にまで金属が加熱される。金属としては、例えば、ストロンチウム、水銀、カドミウム、イッテルビウムなどが選ばれるが、これらに特に限定されるものではない。

ゼーマン減速器用コイル４４は、原子オーブン４０のビーム軸の下流側において、真空チャンバ２０の突起部３０から本体部２２に渡って配置されている。ゼーマン減速器用コイル４４は、原子ビーム４２の原子を減速するゼーマン減速器と、減速した原子を捕捉するＭＯＴ装置を融合させた装置である。ゼーマン減速器と、ＭＯＴ装置は、いずれも原子レーザ冷却技術に基づく装置である。図２に示されたゼーマン減速器用コイル４４には、ゼーマン減速器で用いられるゼーマンコイルと、ＭＯＴ装置で用いられる１対のＭＯＴコイルの一方が、一連のコイルとして設けられている。明確な区分けはできないが、大まかには、上流側から下流側までの大部分が、ゼーマン減速法に寄与する磁場を発生するゼーマンコイルに相当し、最下流側がＭＯＴ法に寄与する勾配磁場を生成するＭＯＴコイルに相当する。

図示した例では、ゼーマンコイルは上流側ほど巻回数が多く下流側ほど巻回数が少ないディクリーシング型となっている。ゼーマン減速器用コイル４４は、ゼーマンコイルとＭＯＴコイルの内側に原子ビーム４２が通るように、ビーム軸の周囲に軸対称に配置されている。ゼーマンコイルの内側には、空間的に勾配が付けられた磁場が形成され、ゼーマン減速光ビーム８２が照射されることで、原子の減速が行われる。

光学共振器４６は、Ｚ軸周りに配置される円筒形の部品であり、内側に光格子が形成される。光学共振器４６には、複数の光学部品が設置されている。Ｘ軸上の１対の光学ミラーと、それと平行してもう１対の光学ミラーを備え、計４枚のミラー間で光格子光を多重反射することで、ボウタイ型の光格子共振器を生成する。捕捉空間５０で捕捉された原子集団は、この光格子の内部に閉じ込められる。また、光学共振器４６では、共振器に入射させる２本（右回り、左回り）の光格子光の相対周波数をシフトさせた場合、光格子の定在波が移動する移動光格子を形成する。移動光格子によって、原子集団は、時計遷移空間５２に移動される。実施形態では、移動光格子を含む光格子をＸ軸上に形成されるように設定されている。なお、光格子としては、Ｘ軸に加えて、Ｙ軸上とＺ軸の一方または両方にも格子が並ぶ２次元、または３次元のものを採用することも可能である。このように、光学共振器４６は、光格子を形成する光格子形成部ということができる。光学共振器４６も、原子レーザ冷却技術に基づく装置である。

ＭＯＴ装置用コイル４８は、捕捉空間５０に対して、勾配磁場を生成する。ＭＯＴ装置では、勾配磁場を形成した空間にＸＹＺの３軸に沿ってＭＯＴ光が照射される。これにより、ＭＯＴ装置は、捕捉空間５０に原子を捕捉する。捕捉空間５０は、Ｘ軸上に設定されている。図２に示されたゼーマン減速器用コイル４４には、ゼーマン減速器で用いられるゼーマンコイルと、ＭＯＴ装置で用いられる１対のＭＯＴコイルの一方が、一連のコイルとして設けられている。この図では、ＭＯＴ法に寄与する勾配磁場は、ＭＯＴ装置用コイル４８と、ゼーマン減速器用コイル４４の一部と合わせて生成される。

低温槽５４は、時計遷移空間５２を囲むように形成され、内側の空間を低温に保つ。これにより、内側の空間では黒体輻射が低減される。低温槽５４には、支持構造を兼ねた熱リンク部材５６が取り付けられている。熱リンク部材５６は、低温槽５４から冷凍機５８へ熱を伝導する。冷凍機５８は、熱リンク部材５６を介して、低温槽５４を低温化する装置である。冷凍機５８は、ペルチエ素子を備えており、低温槽５４を例えば１９０Ｋ程度に冷却する。

真空ポンプ本体６０と真空ポンプカートリッジ６２は、真空チャンバ２０を真空化するための装置である。真空ポンプ本体６０と真空ポンプカートリッジ６２は、その後に、真空チャンバ２０の真空化を行う装置である。真空ポンプ本体６０は、真空チャンバ２０の外側に設けられており、真空ポンプカートリッジ６２は、真空チャンバ２０の内側に設けられている。真空ポンプカートリッジ６２は、起動開始時に、真空ポンプ本体６０に設けられたヒータによって加熱され活性化する。これにより、真空ポンプカートリッジ６２が活性化されて、原子を吸着することで、真空化を行う。

真空ポンプカートリッジ６２は、本体部２２において、ゼーマン減速器用コイル４４と並置するように設置されている。ゼーマン減速器用コイル４４は、本体部２２の円柱の中心軸に対して、Ｘ軸方向に偏心したビーム軸に沿って配置されている。このため、ゼーマン減速器用コイル４４が偏心した方向とは反対側には、比較的大きな空間がある。真空ポンプカートリッジ６２は、この空間に設置されている。

物理パッケージ１２は、光学系の部品として、光格子光用耐真空光学窓６４、６６、ＭＯＴ光用耐真空光学窓６８、ゼーマン減速光およびＭＯＴ光用耐真空光学窓７０、７２、及び、光学ミラー７４，７６を備える。

光格子光用耐真空光学窓６４、６６は、真空チャンバ２０の本体部２２における向かい合う円筒壁２４に対面して設けられた耐真空の光学窓である。光格子光用耐真空光学窓６４，６６は、光格子光を入射及び出射するために設けられている。

ＭＯＴ光用耐真空光学窓６８は、ＭＯＴ装置で用いる３軸のＭＯＴ光のうち、２軸のＭＯＴ光を入射及び出射するために設けられている。

ゼーマン減速光およびＭＯＴ光用耐真空光学窓７０、７２は、ゼーマン減速光と１軸のＭＯＴ光を入射及び出射するために設けられている。

光学ミラー７４，７６は、ゼーマン減速光と１軸のＭＯＴ光の方向を変えるために設けられている。

また、物理パッケージは、冷却用の部品として、原子オーブン用冷却器９０、ゼーマン減速器用冷却器９２、及び、ＭＯＴ装置用冷却器９４を備える。

原子オーブン用冷却器９０は、原子オーブン４０を冷却する水冷装置である。原子オーブン用冷却器９０は、真空チャンバ２０の外に設けられており、原子オーブン４０のうち真空チャンバ２０の外に延びた放熱部を冷却する。原子オーブン用冷却器９０は、冷却用の管である金属製の水冷管を備えており、内部に液体冷媒である冷却水を流すことで、真空チャンバ２０を冷却する。

ゼーマン減速器用冷却器９２は、真空チャンバ２０の壁部に設けられ、ゼーマン減速器用コイル４４を冷却する装置である。ゼーマン減速器用冷却器９２は、金属製のパイプを備えており、内部に冷却水を流すことで、ゼーマン減速器用コイル４４のコイルで発生するジュール熱を奪う。

ＭＯＴ装置用冷却器９４は、真空チャンバ２０の円壁部に設けられた放熱部である。ＭＯＴ装置用コイル４８では、ゼーマン減速器用冷却器９２よりも小さい（例えば１／１０程度）が、コイルにジュール熱が発生する。そこで、ＭＯＴ装置用コイル４８からは、ＭＯＴ装置用冷却器９４の金属が真空チャンバ２０の外まで延びており、大気中に熱を放出する。

さらに、物理パッケージ１２は、磁場を補正するための部品として、３軸磁場補正コイル９６、耐真空電気コネクタ９８、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２、及び、原子オーブン用個別磁場補償コイル１０４を備える。

３軸磁場補正コイル９６は、時計遷移空間５２における磁場を均一にゼロ化するためのコイルである。３軸磁場補正コイル９６は、ＸＹＺの３軸方向の磁場を補正するように立体的な形状に形成されている。図４に示した例では、３軸磁場補正コイル９６は、全体として略円筒形状に形成されている。３軸磁場補正コイル９６を構成する各コイルは、各軸方向において、時計遷移空間５２を中心として点対称な形状に形成されている。

耐真空電気コネクタ９８は、真空チャンバ２０内に電力を供給するためのコネクタであり、真空チャンバ２０の円壁部に設けられている。耐真空電気コネクタ９８からは、ゼーマン減速器用コイル４４、ＭＯＴ装置用コイル４８、及び３軸磁場補正コイル９６に電力が供給される。

冷凍機用個別磁場補償コイル１０２は、低温槽５４を冷却する冷凍機５８からの漏洩磁場を補償するためのコイルである。冷凍機５８が備えるペルチエ素子は、相対的に大きな電流が流される大電流デバイスであり、大きな磁場を発生させる。ペルチエ素子の周囲は、高透磁率材によって磁場を遮蔽しているが、完全には遮蔽できず一部の磁場が漏洩する。そこで、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２は、時計遷移空間５２におけるこの漏洩磁場を補償するように設定されている。

原子オーブン用個別磁場補償コイル１０４は、原子オーブン４０のヒータからの漏洩磁場を補償するためのコイルである。原子オーブン４０のヒータも大電流デバイスであり、高透磁率材による遮蔽にもかかわらず、漏洩磁場が無視できない場合がある。たとえば、ヒータ回路を無誘導巻配線で構成したとしても、配線端末や絶縁層を介した配線などにおいて、現実的に誘導成分が残ってしまうことがある。また、たとえば、原子オーブンを高透磁率材で覆い磁気遮蔽を図った場合であっても、原子ビーム開口部など、現実的に覆えない部分が存在してしまうことがある。そこで、原子オーブン用個別磁場補償コイル１０４は、時計遷移空間５２におけるこの漏洩磁場を補償するように設定されている。

（２）物理パッケージの動作
物理パッケージ１２の基本的な動作について説明する。物理パッケージ１２では、真空チャンバ２０の内部に備わった真空ポンプカートリッジ６２が原子を吸着することで、真空チャンバ２０の内部が真空化される。これにより、真空チャンバ２０の内部は、例えば、１０^−８Ｐａ程度の真空状態となり、窒素、酸素などの空気成分の影響が排除される。使用する真空ポンプの種類に応じて、あらかじめ前処理を実施しておく。たとえば、非蒸発型ゲッターポンプ（ＮＥＧポンプ）やイオンポンプなどでは、それを稼働する前に、大気からある程度の真空度に粗引きしておく必要がある。この場合、真空チャンバに粗引きポートを備えておき、そのポートから例えばターボ分子ポンプなどを利用して十分に粗引きしておく。また、たとえば、真空ポンプ本体６０としてＮＥＧポンプを使用する場合には、あらかじめ、真空中で高温に熱する活性化という工程を実施しておく必要がある。

原子オーブン４０では、金属がヒータによって加熱されて高温化し、原子蒸気を生成する。この過程で金属から飛び出した原子蒸気は、次々と細孔を通り抜け、集束され並進し、原子ビーム４２を形成する。原子オーブン４０は、原子ビーム４２がＺ軸に平行なビーム軸上に形成されるように設置されている。なお、原子オーブン４０では、原子オーブン本体は、ヒータによって加熱されるが、原子オーブン本体と、それを支持する継手とは熱絶縁体を介して断熱され、さらに物理パッケージに接続される継手は、原子オーブン用冷却器９０に依って冷却されており、物理パッケージ１２へ高温化の影響が及ぶことを防止ないしは低減している。

ゼーマン減速器用コイル４４は、ビーム軸に対して軸対称となるように設置されている。ゼーマン減速器用コイル４４の内部には、ゼーマン減速光ビーム８２及び１軸のＭＯＴ光ビーム８４が照射されている。ゼーマン減速光ビーム８２は、ゼーマン減速光およびＭＯＴ光用耐真空光学窓７０から入射され、ＭＯＴ装置用コイル４８よりもビームの下流に設置された光学ミラー７４によって反射される。これにより、ゼーマン減速光ビーム８２は、原子ビーム４２と重なりながら、ビーム軸にほぼ平行にビーム軸の上流に向かう。この過程で、磁場の強さに比例したゼーマン分裂による効果とドップラーシフトによる効果によって、原子ビーム４２中の原子は、ゼーマン減速光を吸収し、減速方向に運動量を与えられて減速する。ゼーマン減速光は、ゼーマン減速器用コイル４４の上流において、ビーム軸の脇に置かれた光学ミラー７６によって反射され、ゼーマン減速光およびＭＯＴ光用耐真空光学窓７２から出射される。なお、ゼーマン減速器用コイル４４では、ジュール熱が発生するが、ゼーマン減速器用冷却器９２による冷却が行われるため、高温化が防止される。

十分に減速された原子ビーム４２は、ゼーマン減速器用コイル４４の最下流側のＭＯＴコイルと、ＭＯＴ装置用コイル４８とによって形成されるＭＯＴ装置に至る。ＭＯＴ装置内では、捕捉空間５０を中心に、線形的な空間勾配をもつ磁場が形成されている。また、ＭＯＴ装置には、３軸方向において、正の側及び負の側からＭＯＴ光が照射されている。

Ｚ軸方向のＭＯＴ光ビーム８４は、Ｚ軸の負方向に向けて照射され、さらに、ゼーマン減速光およびＭＯＴ光用耐真空光学窓７２の外で反射されることでＺ軸の正方向に向けても照射される。残る２軸のＭＯＴ光ビーム８６ａ、８６ｂは、ＭＯＴ光用耐真空光学窓６８と、図示を省略した光学ミラーによってＭＯＴ装置内に照射される。図４に示すように、この２軸は、Ｚ軸に垂直で、かつ、Ｘ軸とＹ軸とそれぞれ４５度をなす２つの方向に照射される。２本のＭＯＴ光ビーム８６ａ、８６ｂをＺ軸に垂直とすることで、ゼーマン減速器用コイル４４と、ＭＯＴ装置用コイル４８との間隔を狭めることができており、真空チャンバ２０の小型化に寄与している。ＭＯＴ光ビームを照射する方向をＺ軸及びＹ軸とそれぞれ４５度をなす角度に設定する場合、ＭＯＴ光ビームがゼーマン減速器や低温槽と干渉しないように、ビーム軸方向の距離を大きくとる必要がある。この場合では、ＭＯＴ光の２軸がＺ軸に垂直であった場合に比べ、装置のサイズが大きくなってしまう。

ＭＯＴ装置内では、原子ビームは、磁場勾配のために、捕捉空間５０を中心に復元力を受けるようにして減速される。これにより、原子集団は、捕捉空間５０に捕捉される。なお、捕捉空間５０の位置の微調整は、３軸磁場補正コイル９６の発生磁場のオフセット値調整によって行うことができる。また、ＭＯＴ装置用コイル４８で発生するジュール熱は、ＭＯＴ装置用冷却器９４によって真空チャンバ２０外に排出される。

光格子光ビーム８０は、光格子光用耐真空光学窓６４から光格子光用耐真空光学窓６６へ向けて、Ｘ軸上に入射される。Ｘ軸上には、２つの光学ミラーを備える光学共振器４６が設置されて、反射を起こす。このため、Ｘ軸上では、光学共振器４６の内部に、Ｘ軸方向に定在波が連なった光格子ポテンシャルを形成する。原子集団は、光格子ポテンシャルに捕獲される。

光格子は、波長を若干変化させることで、Ｘ軸に沿って移動させることができる。この移動光格子による移動手段によって、原子集団は、時計遷移空間５２まで移動される。この結果、時計遷移空間５２は、原子ビーム４２のビーム軸から外れるため、高温の原子オーブン４０が発する黒体輻射の影響を除去することができる。また、時計遷移空間５２は、低温槽５４によって囲われており、周囲の常温の物質が発する黒体輻射から遮蔽されている。一般に、黒体輻射は、物質の絶対温度の4乗に比例するため、低温槽５４による低温化は、黒体輻射の影響除去に大きな効果がある。

時計遷移空間５２では、光周波数を制御したレーザ光を原子に照射し、時計遷移（すなわち時計の基準となる原子の共鳴遷移）の高精度分光を行い、原子固有かつ不変な周波数を計測する。これにより、正確な原子時計が実現する。原子時計の精度を高めるためには、原子を取り巻く摂動を排除し、周波数を正確に読みだす必要がある。とくに重要なことは、原子の熱運動によるドップラー効果が引き起こす周波数シフトの除去である。光格子時計では、時計レーザの波長に比べ十分に小さい空間に、レーザ光の干渉によって作る光格子で原子を閉じ込めることで、原子の運動を凍結させる。一方で、光格子内では、光格子を形成するレーザ光によって原子の周波数がずれてしまう。そこで、光格子光ビーム８０としては、「魔法波長」あるいは「魔法周波数」と呼ばれる特定の波長・周波数を選ぶことで、光格子が共鳴周波数に与える影響を除去する。

時計遷移は、さらに、磁場によっても影響を受ける。磁場中の原子は、磁場の強さに応じたゼーマン分裂を起こすため、時計遷移を正確に計測することができなくなる。そこで、時計遷移空間５２では、磁場を均一化し、かつゼロにするように磁場の補正が行われる。まず、冷凍機５８のペルチエ素子に起因する漏洩磁場は、漏洩磁場の大きさに応じた補償磁場を発生する冷凍機用個別磁場補償コイル１０２によって動的に補償される。同様にして、原子オーブン４０のヒータに起因する漏洩磁場は、原子オーブン用個別磁場補償コイル１０４によって、動的に補償できるように設定されている。なお、ゼーマン減速器用コイル４４及びＭＯＴ装置用コイル４８については、時計遷移の周波数を計測するタイミングにおいて、電流信号をＯＦＦとして、通電せず、磁場の影響が及ばないようにしている。時計遷移空間５２の磁場は、さらに、３軸磁場補正コイル９６によって補正される。３軸磁場補正コイル９６は、各軸の方向に複数設けられており、磁場の一様成分のみならず、空間的に変化する成分についても除去することができる。

このようにして、擾乱を除去した状態で、原子集団はレーザ光により時計遷移を促される。時計遷移の結果発光する光は、光学系装置によって受光され、制御装置によって分光処理等されて、周波数が求められる。以下では、物理パッケージ１２についての実施形態を詳細に説明する。

（３）磁場補正コイルの形状と設置態様
図５〜図１１を参照して、物理パッケージ１２における３軸磁場補正コイル９６について説明する。ここでは、３軸磁場補正コイル９６は、銅などの導線の周囲にポリイミド樹脂などで絶縁処理した被覆導線を巻回して所定の形状に形成することを想定している。

図５は、３軸磁場補正コイル９６の全コイルを示す斜視図である。また、図６〜図１１は、３軸磁場補正コイルを構成する個々のコイルを示す斜視図である。３軸磁場補正コイル９６は、真空チャンバ２０の本体部２２の内壁付近に取り付けられる。このため、３軸磁場補正コイル９６は、時計遷移空間５２を中心とする略円筒の形状に形成されている。３軸磁場補正コイル９６は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向において、それぞれ、第１コイル群と第２コイル群により形成されている。

図６は、Ｘ軸方向（１軸の光格子が形成される方向であり、移動光格子が移動する方向である）における第１コイル群１２０について示す図である。第１コイル群１２０は、時計遷移空間５２を中心として、Ｘ軸方向に距離ｃだけ離間して設置された二つのコイル１２２，１２４からなる。コイル１２２，１２４はともにＹ軸方向の辺の長さがａ、Ｚ軸方向の辺の長さがｂに設定された長方形に形成されている。また、コイル１２２，１２４は、時計遷移空間５２に対して点対称な形状に形成されている。

第１コイル群１２０は、中心部のＸ軸方向の磁場を略均一に生成できるように、コイル１２２，１２４を正方形のヘルムホルツ型のコイルに形成している。正方形のヘルムホルツ型のコイルとは、コイル１２２，１２４がａ＝ｂの正方形に形成され、かつ、ｃ／２ａ＝０．５４４５程度であるものをいう。コイル１２２，１２４は、同じ方向に同じ大きさの電流を流したときには、Ｘ軸方向に均一度の高い磁場を形成するヘルムホルツコイルペアとなる。ただし、実施形態ではコイル１２２，１２４には、大きさ及び方向が異なる電流を流すことができる。なお、コイル１２２，１２４は、ａ≠ｂとした場合にも十分に磁場の均一性を高めることが可能である。ａ＞ｂの場合には、Ｚ軸方向の磁場分布に比べて、Ｙ軸方向の磁場分布の偏差が少なくなる傾向にあり、ａ＜ｂの場合には、Ｙ軸方向の磁場分布に比べて、Ｚ軸方向の磁場分布の偏差が少なくなる傾向にある。ａ≠ｂの場合において、ｃを最適化したものを長方形のヘルムホルツ型コイルと呼ぶことにする。第１コイル群１２０を長方形のヘルムホルツ型のコイルとすることも可能である。

第１コイル群１２０は、Ｘ軸方向の磁場成分について、その値とＸ軸方向への空間１階微分項を調整するために用いられる。まず、１）コイル１２２，１２４に同じ方向に同じ大きさの電流を流した場合には、時計遷移空間５２に対してＸ軸方向にほぼ勾配のない均一な磁場を生成する。他方、２）コイル１２２，１２４に逆方向に同じ大きさの電流を流した場合には、時計遷移空間５２に対してＸ軸方向にほぼ一様な勾配をもつ磁場を形成する。そして、コイル１２２，１２４に流す電流の大きさと方向を適当に変更した場合には、１）と２）の線形和からなる磁場が形成される。このため、第１コイル群１２０は、時計遷移空間５２におけるＸ軸方向の磁場成分Ｂｘについて、定数項成分の補正と、Ｘ軸方向の空間１階微分項の補正を行うことができる。

図７は、Ｘ軸方向における第２コイル群１３０について示す図である。第２コイル群１３０は、時計遷移空間５２を中心として、Ｘ軸方向に離間して設置された二つのコイル１３２，１３４からなる。コイル１３２，１３４は、方形のコイルを半径ｅの同一の円筒面に乗るように曲率を持たせて変形した形状に形成されており、中心角はｆ、Ｚ軸方向の高さはｇに設定されている。この円筒面は、図６の第１コイル群１２０が固定される円筒面とほぼ同程度の半径に形成されているため、ｅ^２≒（ａ／２）^２＋（ｃ／２）^２の関係にある。また、コイル１３２，１３４は、時計遷移空間５２に対して点対称な形状に形成されている。

第２コイル群１３０は、ヘルムホルツコイルの形状とは異なる非ヘルムホルツ型のコイルである。また、第２コイル群のコイル１３２，１３４は電気的に接続されており、同方向に同じ大きさの電流が流される。すなわち、コイル１３２，１３４には、ともに矢印１３６の方向に電流が流されるか、ともに矢印１３８の方向に電流が流される。第２コイル群１３０は、非ヘルムホルツ型のコイルであるため、中心である時計遷移空間５２では、ヘルムホルツコイルに準じた一様な成分に加えて、非一様な成分も生成される。ただし、電流の大きさ及び方向が同じであるため、非一様な成分は、主として空間２階微分項の成分となる。すなわち、第２コイル群１３０は、時計遷移空間５２におけるＸ軸方向の磁場成分Ｂｘについて、定数項成分の補正と、Ｘ軸方向の空間２階微分項の補正とを行うことができる。

３軸磁場補正コイル９６のうち、Ｘ軸方向の磁場成分Ｂｘについて制御を行うのは、基本的には、Ｘ軸方向の第１コイル群１２０と第２コイル群１３０である。そこで、これらを合わせて、Ｘ軸磁場補正コイルと呼ぶことにする。補正を行う際には、まず、第２コイル群１３０によってＸ軸方向の空間２階微分項の値がゼロ化される。続いて、第１コイル群１２０によって、Ｘ軸方向の空間１階微分項の値をゼロ化するとともに、Ｘ軸方向の定数項の値をゼロにする調整を行う。

図８は、Ｙ軸方向における第１コイル群１４０について示す図である。第１コイル群１４０は、方形のコイルが曲率を持つように変形し、時計遷移空間５２を中心とする半径ｈの円筒面に乗るように形成されている。第１コイル群は、コイル１４３とコイル１４４からなる複合コイル１４２と、コイル１４６とコイル１４７からなる複合コイル１４５が、Ｙ軸方向に離間して設置されている。コイル１４３、１４４、１４６、１４７は、中心角をｉ、Ｚ軸方向の高さをｊに設定されている。コイル１４３、１４４は互いの端を重ね合わせるかまたは隣接させて形成されている。同様にコイル１４６、１４７は、互いの端を重ね合わせるかまたは隣接させて形成されている。複合コイル１４２と複合コイル１４５は、時計遷移空間５２を中心として点対称に形成されている。また、コイル１４３とコイル１４６、及び、コイル１４４とコイル１４７も、それぞれ、時計遷移空間５２を中心として点対称に形成されている。

まず、３）コイル１４３、１４４に同方向に同じ大きさの電流を流した場合を考える。この場合、重ね合わせまたは隣接させた部分の電流が打ち消し合って、複合コイル１４２全体が大きな一つのコイルのようにふるまう。同様に、コイル１４６，１４７にも同方向に同じ大きさの電流を流した場合には、複合コイル１４５全体が大きな一つのコイルのようにふるまう。第１コイル群１４０は、複合コイル１４２と複合コイル１４５とが１対のヘルムホルツ型のコイルとなるように設定されている。図８に示した円筒面上のヘルムホルツ型のコイル（すなわち２つの方形のコイルを曲げて同一の円筒面上に配置したヘルムホルツ型のコイル）は、中心角が約１２０度に設定されているものをいう。Ｚ軸方向の長さは特に限定されないが、Ｚ軸方向の長さが円筒の半径に比べて長いほど、中心部の磁場均一性が高くなることが知られている。第１コイル群１４０は、流す電流の方向及び大きさを調整することで、中心付近において、磁場のＹ軸方向の成分を均一化することができる。

次に、４）ヘルムホルツコイルを形成する場合の電流から若干変更する。具体的には、コイル１４３とコイル１４７の電流のみを同方向に若干大きくする。この場合、磁場のＹ軸方向の成分がＸ軸方向の空間１階微分項の値をもつことになる。なお、厳密には、コイル１４３とコイル１４７が作る磁場は、Ｘ軸方向の成分ももっており、第１コイル群１４０の調整を行う場合には、Ｘ軸磁場補正コイルの調整も必要となる。

図９は、Ｙ軸方向における第２コイル群１５０について示す図である。図９に示した第２コイル群１５０は、Ｙ軸方向に向かい合う１対のコイル１５２，１５４からなる。コイル１５２，１５４はそれぞれ、半径ｋの円形コイルに曲率を持たせて、時計遷移空間５２を中心とする半径ｌの円筒面上に載せた形状に形成された非ヘルムホルツ型のコイルである。非ヘルムホルツ型のコイルでは、磁場の空間２階微分項の成分も形成される。そこで、第２コイル群１５０は、Ｙ軸方向の磁場成分ＢｙにおけるＸ軸方向の空間２階微分項の制御に用いられる。

図８に示したＹ軸方向の第１コイル群１４０と図９に示したＹ軸方向の第２コイル群１５０は、基本的には、Ｙ軸方向の磁場成分Ｂｙの補正するＹ軸磁場補正コイルを形成する。Ｙ軸磁場補正コイルは、Ｙ軸方向の磁場成分Ｂｙの定数項、Ｘ軸方向の空間１階微分項、及び、Ｘ軸方向の空間２階微分項を補正することができる。

図１０は、Ｚ軸方向における第１コイル群１６０を示す図である。第１コイル群１６０は、半径ｍの円形の複合コイル１６２、１６５が距離ｎを隔てて対面して配置されている。複合コイル１６２、１６５は、中心に対して点対称の関係にある。また、複合コイル１６２は、半円形のコイル１６３、１６４の互いの弦を重ね合わせるかまたは隣接させることで形成されている。半円形のコイル１６３はＸ軸の正の側に配置され、半円のコイル１６４はＸ軸の負の側に配置されている。同様に、複合コイル１６５は、Ｘ軸の正の側にある半円形のコイル１６６と、Ｘ軸の負の側にある半円のコイル１６７を組み合わせて形成されている。

複合コイル１６２、１６５は、ヘルムホルツ型のコイルとなるようにサイズ等が設定されている。円形のヘルムホルツコイルはｍ＝ｎの関係にある。複合コイル１６２、１６５は、両者に同じ向きで同じ大きさの電流を流した場合に、中心付近におけるＺ方向の磁場の均一度がヘルムホルツコイルと実質的に等価になる範囲に設定されている。ただし、複合コイル１６２を構成するコイル１６３、１６４では、電流の向き及び大きさを自由に変更することができる。このため、図８に示したＹ方向の第１コイル群１４０と同様にして、第１コイル群１６０は、Ｚ方向の磁場成分Ｂｚの定数項と、Ｘ軸方向の空間１階微分項について補正できる。

図１１は、Ｚ軸方向の第２コイル群１７０を示す図である。第２コイル群１７０は、半径ｐの円形のコイル１７２，１７４が、Ｚ軸方向に距離ｑだけ離間して対面配置されている。第２コイル群１７０は、非ヘルムホルツ型のコイルである。非ヘルムホルツ型のコイルでは、一様ではない成分を有する。このため、Ｚ軸方向の磁場成分ＢｚのＸ軸方向の空間２階微分項について補正することができる。

図１０に示したＺ軸方向の第１コイル群１６０と図１１に示したＺ軸方向の第２コイル群１７０は、基本的にはＺ軸方向の磁場成分Ｂｚを補正するＺ軸磁場補正コイルを形成する。Ｚ軸磁場補正コイルは、Ｚ軸方向の磁場成分Ｂｚの定数項、Ｘ軸方向の空間１階微分項、及び、Ｘ軸方向の空間２階微分項を補正することができる。

図５に示した３軸磁場補正コイル９６は、Ｘ軸磁場補正コイル、Ｙ軸磁場補正コイル、及び、Ｚ軸磁場補正コイルを組み合わせて制御することで形成されている。３軸磁場補正コイル９６は、Ｘ軸方向の磁場成分Ｂｘについては、定数項、Ｘ軸方向の空間１階微分項、Ｘ軸方向の空間２階微分項を補正可能である。Ｙ軸方向の磁場成分Ｂｙについては、定数項、Ｘ軸方向の空間１階微分項、Ｘ軸方向の空間２階微分項を補正可能である。そして、Ｚ軸方向の磁場成分Ｂｚについては、定数項、Ｘ軸方向の空間１階微分項、Ｘ軸方向の空間２階微分項を補正可能である。

３軸磁場補正コイル９６では、時計遷移空間５２の磁場の値を均一にゼロにする補正を行う。時計遷移空間５２は、１次元の光格子では、例えば、Ｘ軸方向（格子の方向）に１０ｍｍ、Ｙ軸及びＺ軸の方向に１〜２ｍｍ程度の大きさに設定される。この空間を、例えば、磁場の誤差が３μＧ以内、１μＧ以内あるいは０．３μＧ以内となるように磁場を制御する。３軸磁場補正コイル９６で用いるヘルムホルツ型のコイル及び非ヘルムホルツ型のコイルは、この磁場を形成できるように精度が設定される。

３軸磁場補正コイル９６は、図４に示すように、時計遷移空間５２を中心として点対称性を有する形状に形成されており、時計遷移空間５２の磁場補正を精度よく行うことが可能である。しかし、巨視的に見れば、捕捉空間５０も３軸磁場補正コイルの中心付近に存在する。このため、ＭＯＴ装置による捕捉空間５０の磁場を補正するために利用することも可能となる。すなわち、ＭＯＴ装置を起動して原子ビーム４２から原子を捕捉する期間には、捕捉空間５０の磁場補正を行うように電流を制御する。そして、捕捉が終わった後には、ゼーマン減速器用コイル４４とＭＯＴ装置用コイル４８への送電を停止するとともに、時計遷移空間５２の磁場補正を行うようにすればよい。こうすることで、捕捉空間５０の位置を高精度で調整し、効率よく光格子に原子集団を閉じ込めることが可能となる。

図１２は、３軸磁場補正コイル９６を取り付ける円筒形のホルダ１８０を示す図である。ホルダ１８０は、円環状のフレーム１８２，１８４の間を８本の直線状のフレーム１８６で繋いで形成されている。３軸磁場補正コイル９６は、ホルダ１８０の内壁及び外壁に取り付けられる。そして、ホルダ１８０は、真空チャンバ２０の本体部２２の後部円形壁２８に固定される。３軸磁場補正コイル９６をホルダ１８０に取り付けることで、物理パッケージ１２の組み立て及び保守点検作業が効率化される。

ホルダ１８０は、３軸磁場補正コイル９６が作る磁場に影響を与えないように、低透磁率材である樹脂、アルミなどを用いて形成される。また、ホルダ１８０は、本体部２２の円柱の中心軸と同軸にして、本体部２２の内部に設置される。ホルダ１８０は、本体部２２の内径に近いサイズに形成される。このため、３軸磁場補正コイル９６及びホルダ１８０は、本体部２２の内部のスペースをほとんど占有しない。ただし、Ｘ軸方向の第１コイル群１２０であるコイル１２２，１２４については、本体部２２の内側を直線的に横切って取り付けられる。

ホルダ１８０は、フレームを用いて疎構造に形成されている。疎構造とは、各面に多くの隙間がある構造をいう。ホルダ１８０を疎構造とすることで、軽量化される他、真空チャンバ２０に入出射されるレーザ光などとの干渉防止が容易となる。

３軸磁場補正コイル９６は、ホルダ１８０の内壁及び外壁に分散して取り付ける代わりに、例えば、全てホルダ１８０の内壁に取り付けてもよいし、全てホルダ１８０の外壁に取り付けてもよい。この場合には、例えば、３軸磁場補正コイル９６を外壁に押し付ける円環形状の留め具、あるいは、内壁に押し付ける円環形状の留め具を使って、簡単に固定をすることが可能となる。また、３軸磁場補正コイル９６は、ホルダ１８０を使わずに、本体部２２の内壁に固定することも可能である。

以上に示した３軸磁場補正コイル９６は、被覆導線を１周または複数周巻回して形成することを想定した。しかし、３軸磁場補正コイル９６は、一部または全部を、フレキシブルプリント基板で形成することが可能である。

図１３は、平面上に展開されたフレキシブルプリント基板を示す図である。フレキシブルプリント基板には、補正コイル１９０が形成されている。補正コイル１９０は、プリントされた銅などの電気伝導体からなり磁場形成に参加する電流路１９２と、シート状のフレキシブルな樹脂等で形成された絶縁部１９４から成り、フレキシブルに曲げることができる。各電流路１９２は一端に集中的に設けられた配線路１９６に接続されている。配線路１９６も、電気伝導体のプリントにより形成されている。配線路は、電流が往復するペアを隣接配置して、周囲に形成する磁場を相殺している。配線路１９６はターミナルコネクタ１９８に接続されている。

図１４は、真空チャンバ２０の本体部２２にあわせて、円筒形状に折り曲げた補正コイル１９０を示す図である。補正コイル１９０は、２つの端が接続または隣接配置された境界部１９９を備える。なお、図１４では、配線路１９６とターミナルコネクタ１９８は省略している。

上述した被覆導線を巻回した３軸磁場補正コイル９６と同様に、フレキシブルプリント基板で構成する３軸磁場補正コイルも、本体部２２の円筒形状の内壁または円筒形状のホルダ１８０に取り付けられることを想定している。ただし、３軸磁場補正コイル９６では、円筒面上に配置された電流路の他に、円筒面から遊離した電流路が存在した。具体的には、図６に示したＸ軸方向の第１コイル群１２０における長さａの辺と、図１０に示したＺ軸方向における第１コイル群１６０の直線部分は、円筒面から遊離している。そこで、以下では、３軸磁場補正コイル９６を構成する電流路のうち、円筒面に配置された電流路を、フレキシブルプリント基板で形成する例について説明する。

図１５と図１６は、図１０に示したＺ軸方向における第１コイル群１６０の円形部分のコイルをフレキシブルプリント基板により形成する例を示す図である。図１５に示すように、黒色線の電流路２０２に反時計回りの電流を流し、灰色線の電流路２００には電流を流さない。このとき、隣接し互いに反対方向に流れる電流は、相殺し合うことを考慮すると、図１６に示した仮想的な電流路２０３に電流を流す場合と等価であると考えられる。

図１７と図１８は、図８に示したＹ軸方向における第１コイル群１４０における最外周のコイルを、フレキシブルプリント基板により形成する例について示す図である。図１７では、黒色線の電流路２０６に反時計回りの電流を流し、灰色線の電流路２０４には電流を流さない。このとき、隣接し互いに反対方向に流れる電流は、相殺し合うことを考慮すると、図１８に示した仮想的な電流路２０８に電流を流す場合と等価であると考えられる。

このようにして、フレキシブルプリント基板では、円筒面の外周を円筒中心軸周りに一周して還流する電流路、円筒面内を円筒中心軸を周ることなく還流する電流路など、様々な電流路を形成することができる。

フレキシブルプリント基板では、図１３のように、展開図において、長方形の電流路から成るパターンをプリントすることができる。また、図１９に示した補正コイル２１０のように、長方形の電流路２１２と円形の電流路２１４を含む複合的なパターンもプリントすることができる。物理パッケージ１２では、真空チャンバ２０の壁面付近には、レーザ光の経路、耐真空光学窓などが設けられるため、円形の電流路２１４を設けて干渉を防止することが有効となる。また、フレキシブルプリント基板では、図１６、図１８に示したようなコイルを形成してもよい。また、フレキシブルプリント基板は、複数枚を重ねて利用することが可能であり、複数枚を用いて３軸磁場補正コイルの一部または全部を形成することができる。

フレキシブルプリント基板では、絶縁部１９４の樹脂から微量なガスが放出される場合がある。そこで、絶縁部１９４は、ポリイミド系樹脂など、ガスの放出量が少ない材料を選択する。また、製造工程では、脱気処理、脱泡処理、洗浄処理等を行う他、適当な温度での焼出処理を行うことが考えられる。

フレキシブルプリント基板により形成された３軸磁場補正コイルは、様々な形で真空チャンバ２０に設置可能である。例えば、３軸磁場補正コイルを円筒形状に曲げた状態で、本体部２２に内壁面付近に設置し、３軸磁場補正コイルを本体部２２に押し付けるような留め具で固定することが考えられる。あるいは、ホルダ１８０に取り付けて設置してもよい。疎構造なホルダ１８０に代えて、面的にフレキシブルプリント基板を支持できるように、面に孔があまり無い密構造なホルダを用いてもよい。

他方、円筒面から遊離した電流路については、被覆導線を用いて別途形成することができる。あるいは、ホルダの構造を変更することで、円筒面から遊離した電流路についても、フレキシブルプリント基板を用いて形成することが可能となる。

フレキシブルプリント基板を利用した３軸磁場補正コイルは、被覆導線を巻回した３軸磁場補正コイル９６に比べて、真空チャンバ２０への装着が容易となる他、製造再現性の高さ、製品歩留まり向上などの利点がある。

なお、３軸磁場補正コイルのコイル形状は、他にも様々に設定可能である。例えば、３軸のそれぞれにおいて、２つの円形コイルの中間に、サイズの大きい円形コイルを並べることで、マックスウェル型の３軸磁場補正コイルを形成することができる。マックスウェル型の３軸磁場補正コイルでは、磁場の定数項、空間１階微分項、及び空間２階微分項の成分について補正をすることができる。

さらに、３軸のそれぞれにおいて、所定の大きさと間隔で設けられた大きな１対の円形コイルの外側に、所定の大きさと間隔で設けられた小さな円形コイルを配置することで、テトラ型の軸磁場補正コイルを形成することができる。テトラ型の３軸磁場補正コイルでは、定数項、空間１階微分項、空間２階微分項、及び空間３階微分項の成分の補正を行うことが可能となる。

以上に示した軸磁場補正コイルは、全体として球または球を若干ゆがめた形状を有する。このため、特に、略球形状の真空チャンバの内壁または内壁付近に取り付けることで、真空チャンバの内部空間を有効活用することが可能となる。

図２０は、図４に対応する図であり、物理パッケージ２１８の外観と内部を概略的に示す図である。図４と同一または対応する構成には、同一の符号を付している。物理パッケージ２１８の真空チャンバ２２０は、略球形状の本体部２２２と、突起部３０によって形成されている。

本体部２２２の内部には、時計遷移空間５２を中心とし、円形コイルにより形成された３軸磁場補正コイル２２４が設けられている。図面の簡潔化のため、図２０では、各軸方向に１対のヘルムホルツ型のコイルを図示しているにすぎないが、実際には、各軸にはさらに１対以上の非ヘルムホルツ型のコイルも設けることを想定している。３軸磁場補正コイル２２４の外縁は、ほぼ球面となるように設定することができる。このため、略球形の本体部２２２の内壁付近に設置することで、本体部２２２の内部空間に設置される他の部品との干渉を防止することが可能となり、設計自由度も高まる。

同様にして、３軸磁場補正コイルは、正方形コイルを用いて構築することも可能である。円形コイルと同様に、１対の正方形コイルを用いたヘルムホルツ型の３軸磁場補正コイル、３つの正方形コイルを用いたマックスウェル型の３軸磁場補正コイル、２対の正方形コイルを用いたテトラ型の３軸磁場補正コイルなどを採用することができる。これらの３軸磁場補正コイルは、全体として立方体または立方体を若干ゆがめた形状を有する。そこで、略立方体形状または略直方体形状の真空チャンバの内壁または内壁面に取り付けることで、真空チャンバの内部空間を有効活用することが可能となる。

３軸磁場補正コイルは、本体部２２の内壁よりも時計遷移空間５２に近い位置に取り付けることも可能である。図２１は、図１に示した光学共振器４６の内側付近を簡略的に示す図である。ただし、図２１では、図１の３軸磁場補正コイル９６に代えて、ゼーマン減速器用コイル４４とＭＯＴ装置用コイル４８との間の空間に、立方体型の３軸磁場補正コイル２３０を設けている。３軸磁場補正コイル２３０は、低温槽５４の内部の時計遷移空間５２を中心として配置されている。３軸磁場補正コイル２３０は、３軸方向ともに、正方形コイルからなる２対のコイル群により形成されている。２対のコイル群のうち１対はヘルムホルツ型のコイルであり、もう１対は非ヘルムホルツ型のコイルである。３軸磁場補正コイル２３０は、電流の大きさ及び方向を特に制限しない場合には、空間３階微分項までの磁場成分を補償することができる。あるいは、図５〜図１１に示した３軸磁場補正コイル９６の非ヘルムホルツ型のコイルのように、同じ向きに同じ大きさの電流を流すようにした場合には、空間２階微分項までの磁場成分を簡易に補償することができる。

３軸磁場補正コイル２３０は、図５〜図１１に示した３軸磁場補正コイル９６に比べて、非常に小型であり、かつ、時計遷移空間５２に接近している。このため、時計遷移空間５２に形成する磁場は、比較的小さな空間スケールで変化することになる。しかし、３軸磁場補正コイル２３０は、ヘルムホルツ型のコイルにより、比較的広い範囲にわたって、定数項成分及び空間１階微分項成分を補償することができる。また、非ヘルムホルツ型のコイルにより、少なくとも空間２階微分項の磁場成分も補償することができる。したがって、時計遷移空間５２の磁場は、十分に高い精度で一様にゼロ化される。また、３軸磁場補正コイル２３０は、時計遷移空間５２に近い位置にあることから、磁場を形成するために流す電流を非常に小さくすることが可能であり、省電力性に優れている。

図２２は、図２１のＡの方向から見た側面図である。図２２に示すように、捕捉空間５０には、Ｚ軸に垂直で、かつ、Ｘ軸とＹ軸とそれぞれ４５度の角度をなす２つのＭＯＴ光ビーム８６ａ、８６ｂが照射されている。また、紙面に垂直な方向にもＭＯＴ光ビーム８４が照射されている。この捕捉空間５０及びその周囲に形成される勾配磁場を調整するため、バイアスコイル２３４が、捕捉空間５０を中心として配置されている。バイアスコイル２３４は、ビーム軸に沿って向かい合う１対のヘルムホルツ型の円形コイル２３４ａと、Ｘ軸に沿って向かい合う１対のヘルムホルツ型の正方形コイル２３４ｂと、Ｙ軸に沿って向かい合う１対のヘルムホルツ型の正方形コイル２３４ｃからなる。バイアスコイル２３４は、各軸のコイルによって定数項成分または空間１階微分項の成分を調整することで、勾配磁場を所望の分布に補正する。

捕捉空間５０を通るＸ軸には、光格子光ビーム８０が照射されている。時計遷移空間に５２を含む低温槽５４は、この光格子光ビーム８０上に設けられている。そして、低温槽５４の周囲には、時計遷移空間５２を中心として、３軸磁場補正コイル２３０が設けられている。３軸磁場補正コイル２３０は、面の法線がＺ軸に平行となるコイル群２３０ｂと、面の法線がＺ軸に垂直かつＸ軸及びＹ軸と４５度の角度をなす２つのコイル群２３０ａ、２３０ｃによって構成されている。すなわち、３軸磁場補正コイル２３０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿った立方体形状を、Ｚ軸周りに４５度回転させた状態に配置されている。

３軸磁場補正コイル２３０は、ＭＯＴ装置を支持する支持部材であるフランジ４４ａ，４８ａに支持されている。このため、３軸磁場補正コイル２３０は、ＭＯＴ装置の中心である捕捉空間５０に接近して配置される必要がある。他方、３軸磁場補正コイル２３０は、捕捉空間５０を通るＭＯＴ光ビーム８６ａ，８６ｂとの干渉を避けるように配置する必要がある。そこで、３軸磁場補正コイル２３０は、Ｚ軸と、ＭＯＴ光ビーム８６ａ、８６ｂに沿った形状で配置されている。

３軸磁場補正コイル２３０は、各軸方向ともにヘルムホルツ型のコイルと非ヘルムホルツ型コイルを備えており、空間高階微分項の補正を含む広い空間の磁場均一化が可能である。このため、光格子光ビーム８０の方向であるＸ軸方向についても、高精度に磁場を補正することが可能となっている。

ただし、３軸磁場補正コイル２３０は、捕捉空間５０を囲っていないため、捕捉空間５０の磁場補正を行うことができない。このため、上述のように、捕捉空間５０には、勾配磁場を補正するバイアスコイル２３４が設けられている。

図２０及び図２１では、正方形コイルからなる３軸磁場補正コイル２３０を例に挙げた。しかし、例えば、正方形コイルに代えて円形コイルを用いるなど、他の形状のコイルを用いることも可能である。また、例えば、図５〜図１１に示した円筒形状の３軸磁場補正コイル９６を採用してもよい。

３軸磁場補正コイルは、時計遷移空間５２に近い位置と、本体部２２の内壁付近の両方に設けることも可能である。例えば、本体部２２の内壁付近には、ヘルムホルツ型のコイルを設け、時計遷移空間５２に近い位置には、非ヘルムホルツ型のコイルを設けることが考えられる。時計遷移空間５２に近い位置に非ヘルムホルツ型のコイルを設けることで、大きな曲率をもつ磁場の補正を容易に行うことが可能となる。

（４）磁場補正コイルの調整
３軸磁場補正コイルによる磁場の調整について説明する。磁場の補正は、時計遷移空間５２の周辺に対し、定期的な磁場分布を観測し、不均一な磁場分布になっていればそれを相殺するように、３軸磁場補正コイル９６の電流を操作する。磁場分布の観察は、光格子に閉じ込められた原子集団を、光移動光格子によって移動させることで行う。これらの操作によって、原子群に含まれる個々の原子が、常に同じゼロ地磁場下に置かれる状況が具現化される。

図２３Ａと図２３Ｂは、３軸磁場補正コイルの調整過程を模式的に示す図である。図２３Ａには、移動光格子に閉じ込められた原子集団２４０をＸ軸に沿って移動させている状態を示している。また、図２３Ｂは、蛍光遷移と時計遷移の関係について示している。

図２３Ａに示すように、原子集団２４０は、Ｘ軸方向に連なる格子の中に、ある程度の空間的な広がりをもって閉じ込められている。図中では、原子集団２４０が移動する代表的なＸ座標上の位置を、位置Ｘ１，位置Ｘ２，位置Ｘ３，位置Ｘ４，位置Ｘ５という具合に表している。これらは、磁場の補正用に設定された補正用空間２４２内に設定された位置である。補正用空間２４２は、実際の計測を行う時計遷移空間５２を含む広い範囲に設定されている。実施形態では、光格子がＸ軸方向に延びる１次元の格子を採用しており、原子集団２４０がＸ軸方向に拡がって分布していることから、特に、Ｘ軸方向の磁場を高い精度で一様にゼロ化することを目指している。そこで、補正用空間２４２は、Ｘ軸方向に拡がりをもって設定されている。なお、光格子を２次元的に形成する場合には、時計遷移空間５２を２次元方向に広げた補正用空間を設定することが望ましく、光格子を３次元的に形成する場合には時計遷移空間５２を３次元方向に広げた補正用空間を設定することが望ましい。

移動した補正用空間２４２内の各位置において、時計遷移を励起するレーザ光を原子集団２４０に照射し、時計遷移を励起する。レーザ光の周波数を掃引して、各位置での時計遷移の周波数を計測する。時計遷移の励起率の観測には電子棚上げ法を用いる。電子棚上げ法では、時計遷移を励起後、原子を蛍光観測空間２４３に移動させる。図２４Ｂに示すように、蛍光遷移の光を照射することにより、原子は励起率に応じて蛍光２４４を発光し、受光器２４６によって蛍光が観測される。時計遷移は各位置における磁場の大きさによってゼーマン分裂している。このため、ゼーマン分裂の情報から各位置における磁場分布が求められる。図２３Ａの下部には、こうして求めたＸ軸上の周波数分布を示している。この手法により、蛍光が観測できない場所（クライオヘッド内等）でも磁場を測定することが可能となる。また、時計遷移の励起率の測定には、電子棚上げ法の他にも、原子の位相シフトの測定を利用した非破壊測定法なども適用可能である。

図２４と図２５は、３軸磁場補正コイルによる磁場の補正手順を説明するフローチャートである。まず、図２４に示す手順に従って、キャリブレーションが行われる。キャリブレーションでは、３軸磁場補正コイルを構成する全てのコイルの電流が止められ（０Ａにセットされ）、３軸方向の磁場の分布が計測される（Ｓ１０）。この磁場の計測は、例えば、小型のコイル、ホール素子などの磁気センサを用いて３軸方向の磁場を計測する。計測される磁場は、３軸磁場補正コイルを使用しない状態におけるバックグラウンドの値を表す。次に、全コイル（ｎ個とする）に対し、一つずつ同じ大きさの電流（図２４では１Ａとしている）を流し、３軸方向の磁場分布を磁場センサ等により計測する（Ｓ１２〜Ｓ１８）。得られた磁場の分布から、バックグラウンドの磁場を引くことで、各コイルが１Ａの電流で形成する基本磁場を求めることができる。

このキャリブレーションでは、補正用空間２４２の磁場を計測してもよい。しかし、補正用空間２４２は、低温槽５４の中にあり、磁気センサの設置は必ずしも容易ではない。そこで、補正用空間２４２の近傍で磁場を計測し、電磁界シミュレーションの結果と合わせて、磁場を推定するようにしてもよい。磁場の計測は、真空ではなく、大気の下で行うことも可能である。これにより、３軸磁場補正コイルの各コイルが１Ａの電流で形成する基本的な磁場分布を把握することが可能となる。このキャリブレーションは、原則として、物理パッケージ１２を作成した段階で１度行えば十分である。

次に、図２５に示す手順に従って、磁場の補正が行われる。まず、上述のように、原子集団２４０を移動光格子により移動させて、補正用空間２４２における各位置での時計遷移の周波数を計測する（Ｓ２０）。そして、ゼーマン分裂の効果を見積もることで、補正用空間２４２における磁場分布を求める（Ｓ２２）。この磁場分布は、磁場の絶対値として得られる。

続いて、各コイルが補正する磁場に対応した電流を最小二乗法などの最適化手法を用いて決定する（Ｓ２４）。すなわち、各コイルが形成する基本的な磁場を重ね合わせた場合に、補正用空間２４２に形成される磁場が一様にゼロとなるような重ね合わせの係数が求められる。なお、上述のように、へルムホルツ型のコイルと非ヘルムホルツ型のコイルの両方を用いる場合には、まず、非ヘルムホルツ型のコイルが生成する空間高階微分項について最小二乗法などにより最適な重ね合わせの係数を求める。次に、ヘルムホルツ型のコイルが生成する定数項および空間１階微分項について、最小二乗法などにより最適な重ね合わせを求める。これにより、計算が簡単化され、また、計算精度も高くなる。求めた重ね合わせの係数は、個々のコイルに流す電流の方向及び大きさとなる。求めた電流を３軸磁場補正コイルに流すことで、３軸の磁場を補正することができる（Ｓ２６）。

図２５に示した補正は、磁場があまり変動しない通常の条件下では、必ずしも頻繁に行わなくてよい。例えば、時計遷移空間５２における時計遷移の計測を繰り返す場合において、所定回数ごとに、図２５に示した補正を行えば十分である。また、時計遷移空間５２における時計遷移を計測した場合において、ゼーマン分裂の大きさを常に確認し、所定以上の大きさになった場合に、図２５に示した補正を実施することも考えられる。

３軸磁場補正コイルにおける磁場の補正を、補正用空間２４２の範囲に対して行った場合には、時計遷移空間５２の範囲に対して行った場合に比べて、時計遷移空間５２の磁場の一様なゼロ化を安定的に行うことが期待できる。これは、例えば、時計遷移空間５２のように狭い空間のみを対象とした場合には、磁場の若干のゆらぎ、磁場計測の誤差、各コイルの基本磁場の誤差など様々な細かなスケールの乱れの影響を受けるためと考えられる。実際、実験的には、補正用空間２４２を対象として補正を行うことで、精度が向上する結果が得られている。

図２３Ａ及び図２５に示した例では、移動光格子を用いて、原子集団２４０を、補正用空間２４２の各所に移動させた。これに対し、図２６は、一度で、補正用空間２４２内の磁場分布を計測する例を模式的に示す図である。

図２６では、補正用空間２４２の全域にわたって、原子集団２５０が光格子に閉じ込められている。原子集団２５０の蛍光２５２ａ、２５２ｂ、２５２ｃ、２５２ｄ、２５２ｅは、ＣＣＤカメラ２５４によって、空間位置情報を残したまま一度に受光され、周波数が求められる。これにより、ただちに、補正用空間２４２の磁場分布が求められる。

（５）個別磁場補償コイル
上記（１）で説明したように、大電流デバイスであるペルチエ素子（冷凍機５８）については冷凍機用個別磁場補償コイル１０２を設け、時計遷移空間５２の磁場の補償を行っている。また、原子オーブン４０のヒータについては原子オーブン用個別磁場補償コイル１０４を設けて、時計遷移空間５２の磁場の補償を行っている。大電流デバイスからの大きな漏洩磁場を全て３軸磁場補正コイルで補償する場合には、３軸磁場補正コイルの高次化、電流増大などが必要となってしまう。そこで、個別磁場補償コイルを設けて磁場を補償することが有効となる。ここでは、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２を例に挙げて、詳細に説明する。

図２７は、低温槽５４、熱リンク部材５６、冷凍機５８、及び、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２の構成例を模式的に示す図である。低温槽５４は、時計遷移空間５２を囲む中空の部品である。図示を省略したが低温槽５４の壁部には、内部に光格子光を通すための開口部がＸ軸に沿って設けられている。低温槽５４は、熱伝導性の高い無酸素銅などを用いて作られている。

低温槽５４には、熱リンク部材５６が取り付けられている。熱リンク部材５６は、低温槽５４を支持する支持構造と、低温槽５４から熱を奪う経路とを兼ねた部材である。熱リンク部材５６も熱伝導性の高い無酸素銅などを用いて作られる。

冷凍機５８は、ペルチエ素子５８ａ、放熱板５８ｂ、断熱部材５８ｃ、パーマロイ磁場シールド５８ｄ、５８ｅを備える。ペルチエ素子５８ａは、熱リンク部材５６に接続されており、電流を流されることで、熱リンク部材５６から熱を奪う。放熱板５８ｂは、熱伝導性の高い無酸素銅などによって作られた部材である。放熱板５８ｂは、真空チャンバ２０の外壁に設けられて、ペルチエ素子５８ａから伝えられる熱を、真空チャンバ２０の外部に放出する。

断熱部材５８ｃは、パーマロイ磁場シールド５８ｄと熱リンク部材５６との間の断熱性を確保する。断熱部材５８ｃは、熱伝導性の低いシリカなどの部材によって作られており、さらに、パーマロイ磁場シールド５８ｄと熱リンク部材５６との接点を減らすために球形に形成されている。パーマロイ磁場シールド５８ｅは、磁場遮蔽体であり、熱伝導性が高く、透磁率も高いパーマロイを用いて作られている。パーマロイ磁場シールド５８ｅは、ペルチエ素子５８ａと放熱板５８ｂの間に設けられており、ペルチエ素子５８ａから放熱板５８ｂへと熱を伝導する。

低温槽５４には、熱電対、サーミスタなどを用いた温度センサ２６０が設けられており、計測した温度Ｔ１を制御装置２６２に入力する。また、放熱板５８ｂまたはその周辺には、温度センサ２６４が設けられており、計測した温度Ｔ２を制御装置２６２に入力する。

制御装置２６２は、低温槽５４の温度Ｔ１を常に一定の低温（例えば１９０Ｋ）に保つように電流を制御している。制御は、例えば、放熱板５８ｂの側の温度Ｔ２も考慮したＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御によって行われる。決定された電流は、電流路２６６を通じて、ペルチエ素子５８ａに流される。

ペルチエ素子５８ａは、流す電流に応じて、熱を移動させる熱電素子である。電流が流されることで、ペルチエ素子５８ａは、低温側の熱リンク部材５６（そして熱リンク部材５６に接続された低温槽５４）から熱を奪い、高温側のパーマロイ磁場シールド５８ｅ（そしてパーマロイ磁場シールド５８ｅに接続された放熱板５８ｂ）に熱を放出する。

ペルチエ素子５８ａは、例えば数アンペア程度の大きな電流が流される。このため、大きな磁場を発生させる。ペルチエ素子５８ａは、高透磁率材であるパーマロイ磁場シールド５８ｄとパーマロイ磁場シールド５８ｅによって大部分が覆われている。このため、発生した磁場の多くは、これらの部材の内部を流れて、外部に漏れださない。しかし、熱リンク部材５６とペルチエ素子５８ａとの間には、熱伝導の効率の観点から、磁場シールドを設けることができない。このため、漏洩磁場２７０が発生している。漏洩磁場２７０は、低温槽５４の内部の時計遷移空間５２における磁場を乱すことになる。

そこで、実施形態では、磁場シールドができない開口部位となる熱リンク部材５６の周囲に、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２を設けている。冷凍機用個別磁場補償コイル１０２は、電流が流された場合に、補償磁場２７２を生成する。

冷凍機用個別磁場補償コイル１０２には、電流路２６６から分岐した電流路２６８によって電流が流される。すなわち、ペルチエ素子５８ａと冷凍機用個別磁場補償コイル１０２とは同一の電流路に並列接続された関係にある。ペルチエ素子５８ａの電気抵抗と冷凍機用個別磁場補償コイル１０２の電気抵抗は、温度によって若干変化するが、計測を行う温度環境ではどちらもほぼ定数値であるとみなしてよい。したがって、制御装置２６２から電流路２６６に流される電流は、一定の割合で、ペルチエ素子５８ａと冷凍機用個別磁場補償コイル１０２に配分される。

ペルチエ素子５８ａに流す電流が増加する場合には、その電流の増加分に比例して、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２に流れる電流も増加する。このため、ペルチエ素子５８ａからの漏洩磁場２７０が増大した場合には、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２が生成する補償磁場２７２も同じだけ増大する。冷凍機用個別磁場補償コイル１０２は、電流路２６６にある大きさの電流が流される場合に、低温槽５４の内部の時計遷移空間５２における漏洩磁場２７０を補償する（反対向きで同じ大きさの磁場を生成する）ように形成されている。このため、電流が変化した場合にも、磁場の補償することができる。なお、電流路２６６、２６８にも電流が流れるが、電流路２６６、２６８では往復する電流が近接して流されるため、生成される磁場は小さく問題とはならない。

電流路２６６、２６８の配置は、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２に流す電流を漏洩磁場２７０に応じて動的に変化させる補償電流制御手段ということができる。補償電流制御手段は、他の形態で構築することも可能であり、例えば、制御装置２６２が、演算により求めた必要な電流を冷凍機用個別磁場補償コイル１０２に流す態様を挙げることができる。

図２７に示した例では、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２は、熱リンク部材５６の周囲に巻回された一つのコイルよって形成されるものとした。この構成では、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２は、真空チャンバ２０の壁近くに設けられるため、低温槽５４付近の構成が煩雑化することを防止できる。しかし、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２の設置場所は特に限定されることはなく、例えば、低温槽５４の近傍に設置することも可能である。冷凍機用個別磁場補償コイル１０２を低温槽５４の近傍に設置する場合には、冷凍機用個別磁場補償コイル１０２の小型化及び省電力化を図ることが可能となる。

冷凍機用個別磁場補償コイル１０２は一つのコイルではなく、複数のコイルによって形成されてもよい。時計遷移空間５２における漏洩磁場の分布が複雑な場合には、複数のコイルを用いることで、比較的簡単に補償できる可能性がある。

電流デバイスと、個別磁場補償コイルと、補償電流制御手段は、磁場補償モジュールを構成する。磁場補償モジュールは、精密な磁場補償を可能とするため、光格子時計１０をはじめとする各種のデバイスに適用することができる。

（６）ゼーマン減速器
図２８は、ゼーマン減速器用コイル４４とＭＯＴ装置用コイル４８の断面図である。図示したゼーマン減速器用コイル４４では、ビーム軸と同軸に配置された長い円筒形状のボビン２８０の周りに、コイル２８２が巻回されている。ボビンの中心付近の中空部分は、ビーム軸に沿って原子ビーム４２が流される空間である。

機能的な観点からいえば、コイル２８２の大部分は、ビーム軸の上流側から下流に向かって巻回数がほぼ漸減しているディクリーシング型のゼーマンコイル部２８４となっている。そして、コイル２８２のビーム軸方向の最下流付近は、巻回数の多いＭＯＴコイル部２８６となっている。ゼーマンコイル部２８４とＭＯＴコイル部２８６の被覆導線は連続しており、また、ゼーマンコイル部２８４が作る磁場はＭＯＴコイル部２８６の付近にまで広がり、ＭＯＴコイル部２８６が作る磁場はゼーマンコイル部２８４の下流側にまで広がる。したがって、ゼーマンコイル部２８４とＭＯＴコイル部２８６の境界は明確には定義できないことに注意されたい。

ボビン２８０のビーム軸上流側には、ゼーマンコイル部２８４の最大半径部位よりも半径の大きい円盤形状の上流フランジ２８８が設けられている。上流フランジ２８８は、真空チャンバ２０の突起部３０における円筒壁３２に取り付けられている。また、上流フランジ２８８の前部には、図示を省略したミラー支持部が取り付けられている。ミラー支持部の先端には、光学ミラー７６が取り付けられている。

ボビン２８０のビーム軸下流側には、ＭＯＴコイル部２８６と同程度の半径に形成された２枚の円環形状の下流フランジ２９０、２９２が設けられている。下流フランジ２９０は、ビーム軸方向に比較的厚い円環形状に形成されており、ゼーマンコイル部２８４とＭＯＴコイル部２８６との境界付近に設けられている。下流フランジ２９２は、ビーム軸方向に比較的薄い円環形状に形成されており、ＭＯＴコイル部２８６の下流側に設けられている。下流フランジ２９０、２９２は、上部を上部支持部材３１２に取り付けられ、下部を下部支持部材３１４に取り付けられる。上部支持部材３１２と、下部支持部材３１４は、それぞれ、真空チャンバ２０の本体部２２における後部円形壁２８に取り付けられている。

ＭＯＴ装置用コイル４８は、ゼーマン減速器用コイル４４の下流側に、所定の距離だけ離間して配置されている。ＭＯＴ装置用コイル４８は、ビーム軸に同軸に設けられた短い円筒形状のボビン３００の周りに、ＭＯＴコイル３０２が巻回されている。ボビン３００のビーム軸上流側には、ＭＯＴコイル３０２と同程度の半径をもつ薄い円環形状のフランジ３０４が設けられている。また、ボビン３００のビーム軸方向下流側には、ＭＯＴコイル３０２と同程度の半径をもつ比較的厚い円環形状のフランジ３０６が設けられている。フランジ３０４、３０６の上部は、上部支持部材３１２に取り付けられて、固定されている。

ゼーマン減速器用コイル４４は、ボビン２８０、上流フランジ２８８及び下流フランジ２９０，２９２が、熱伝導性が高く、低透磁率な銅などを用いて形成されている。また、ボビン２８０、上流フランジ２８８及び下流フランジ２９０，２９２は、溶接によって高強度にかつ密着して結合されている。

ゼーマン減速器用コイル４４では、ビーム軸の上流側に多くのコイルが巻回されており、下流側に比べて上流側の重量が重い。そこで、上流フランジ２８８を真空チャンバ２０の突起部３０における円筒壁３２に結合することで、ゼーマン減速器用コイル４４は、安定して真空チャンバ２０内部に配置される。

また、ゼーマン減速器用コイル４４では、コイル２８２に流される電流によって発熱する。真空チャンバ２０内は真空であるため、大気中と異なり、気体を介した熱伝導は生じない。このため、ゼーマン減速器用コイル４４では、黒体輻射による若干の冷却作用も生じるが、主として、コイル２８２の熱を、固体を介した熱伝導により取り除く必要がある。ボビン２８０は、コイル２８２と接触しており、コイル２８２から熱が効果的に伝導される。また、上流フランジ２８８と、下流フランジ２９０、２９２も、コイル２８２との接触面積が大きく、コイル２８２からの熱を奪う。図２に示したように、上流フランジ２８８は、突起部３０の円筒壁３２において、ゼーマン減速器用冷却器９２に接続されている。ゼーマン減速器用冷却器９２は、銅などで作られた水冷管の中に冷却水を循環することで、上流フランジ２８８を冷却する。こうして、ゼーマン減速器用コイル４４の過剰な高温化が防止される。

ＭＯＴ装置用コイル４８のボビン３００、フランジ３０４、３０６も、熱伝導性が高く、低透磁率な銅などを用いて形成されている。また、ボビン３００、フランジ３０４、３０６は、溶接によって高強度にかつ密着して結合されている。ＭＯＴ装置用コイル４８のＭＯＴコイル３０２は、ゼーマン減速器用コイル４４のコイル２８２に比べて小型かつ軽量であり、ＭＯＴ装置用コイル４８全体も軽量である。このため、ＭＯＴ装置用コイル４８は、フランジ３０４、３０６が固定された上部支持部材３１２を介して、後部円形壁２８に安定的に取り付けられる。

また、ＭＯＴ装置用コイル４８のＭＯＴコイル３０２では、ゼーマン減速器用コイル４４のコイル２８２に比べて流される電流が小さく、発熱量も小さい。また、ＭＯＴ装置用コイル４８では、ＭＯＴコイル３０２の３方向の周囲を、ボビン３００、フランジ３０４、３０６によって囲まれている。このため、ＭＯＴコイル３０２で発生した熱は、上部支持部材３１２を介して、ＭＯＴ装置用冷却器９４に伝えられる。ＭＯＴ装置用冷却器９４は、水冷方式を採用することを想定している。しかし、除去する熱量が小さい場合には、空冷方式とすることも可能である。

図２８の例では、コイル２８２の巻回数は、大まかには短調に減少しているが、詳細には、ビーム軸方向に凹凸が形成されている。凹凸を持たせる理由のひとつは、ビーム軸上の特定の位置で、所望の磁場強度を得るためである。例えば、原子を捕捉する捕捉空間５０では、磁場をゼロにする必要がある。また、別の理由として、省電力の観点から、磁場が不要な位置には磁場を発生させない構成としていることが挙げられる。ゼーマン減速器用コイル４４では、原子を減速するため、あるいは、原子を拘束するために必要な磁場を発生すれば十分である。さらに、凹凸を持たせる理由として、機械的支持あるいは熱的放熱からの要請が挙げられる。巻回数が多くなるとコイルの重量が増加するため、支持が難しくなる。また、コイルからの放熱量が増大する。このため、支持に有利な部位、あるいは、放熱効率が高い部位でコイルの巻回数を増やすことが考えられる。図２８に示した例では、ゼーマン減速器用コイル４４のコイル２８２は、上流フランジ２８８と接触する部位において巻回数が多い相対的に凸な形状に形成され、その下流側は相対的に巻回数が少ない相対的に凹な形状に形成されている。このため、ゼーマン減速器用コイル４４の重心は上流フランジ２８８の側に移動しており、上流フランジ２８８による固定を安定化させている。また、コイル２８２と上流フランジ２８８との接触面積も大きくなるため、コイル２８２から上流フランジ２８８に効率的に熱伝導を行うことができる。

ここで、図２９を参照して、コイル中のボイド（void）について説明する。図２９は、２つのゼーマンコイル３２０、３３０の上部についての断面図である。ゼーマンコイル３２０は、部位３２２を含めてコイル巻回数はビーム軸方向に短調減少している。他方、ゼーマンコイル３３０は、ボイドと呼ばれる部位３３２において局所的に巻回数が少ない。しかし、ゼーマンコイル３３０では、ビーム軸方向における部位３３２の前後において巻回数が局所的に多く形成されている。このため、ゼーマンコイル３３０の全体によって作り出される磁界の分布は、ゼーマンコイル３２０が作り出す磁界の分布と実質的に等しくなる。

ボイドとその周囲のコイル形状をどう形成するかは、理論的に求めることができる。単位電流成分が発生する磁場分布は、ビオ・サバールの法則に従う。また、磁場分布から電流分布への変換は、デコンボリューション法、あるいは広く逆問題として取り扱うことができる。逆問題によって最小電流路の解を求める手法は、例えば、Mansfield P, Grannell PK.著「NMR diffraction in solids.」J Phys C: Solid State Phys 6:L422-L427 1973年に記載されている。しかしながら、最小電流にこだわらなければ、いくつかの重解が存在することは自明である。図２９において、所望の磁場分布を満たす最小電流路の解がゼーマンコイル３２０であるとして、ボイドの周囲の電流密度を増やしたゼーマンコイル３３０もまた、所望の磁場分布を形成することが可能となる。

図２８に示したコイル２８２では、コイル２８２の途中に下流フランジ２９０が設けられた。これは、下流フランジ２９０は、大きなボイドの位置に設けられたことに相当する。そして、下流フランジ２９０のビーム方向前後では、下流フランジ２９０を設けない場合に比べて巻回数を多く設定することで、下流フランジ２９０の影響を除去または低減している。

図３０は、ゼーマン減速器用コイル４４とＭＯＴ装置用コイル４８における磁場分布を示す図である。横軸はビーム軸上の位置を表しており、原点は、捕捉空間５０に相当する。縦軸はビーム軸上における磁場の大きさを表している。ゼーマン減速器用コイル４４とＭＯＴ装置用コイル４８はビーム軸に対して対称に形成されているため、ビーム軸上の磁場はビーム軸方向の成分のみを有する。ビーム軸上には、ゼーマン減速器用コイル４４のコイル２８２が配置される位置と、ＭＯＴ装置用コイル４８のＭＯＴコイル３０２が配置される位置も示している。グラフ中の点は、計算により求めた磁場の値を示し、グラフ中の細線はゼーマン減速により捕捉空間５０に向けて原子を減速する上で理想的な磁場の値を示している。

磁場はコイル２８２の上流側の端部よりも若干下流側で最大となる。最大値をとる位置より少し上流側では急激に磁場の値が減少し、さらに上流側でなだらかゼロに近づく。理想的な磁場は、コイル２８２の外側では磁場がゼロとなり、磁場が外部に漏れださない分布である。しかし、電流による磁場の生成は空間的に広がりをもつため、例えば、外部磁場を補償する（打ち消す）逆向きのコイルを設けない場合には、コイル２８２の外側の磁場を全てゼロにすることはできない。

磁場が最大値をとる位置より下流側では、磁場は単調に減少する。コイルの巻回数は、上述のように若干の凹凸をもつが、周辺のコイルの影響によって、ゼーマン減速を行う上で理想的な単調減少の磁場が作られている。この勾配を有する磁場は、ゼーマン減速を行う上での理想的な磁場分布とほぼ一致しており、原子を捕捉空間５０に向けて、着実に減速できることを示している。

磁場は、コイル２８２の下流側の端部よりも手前から、急激に減少する。この付近にあるＭＯＴコイル部２８６は、巻回数が多いが、さらに下流側にコイルが存在しないことから、磁場の値が急速に減少する。

磁場は、ほぼ一定の傾きで減少し、捕捉空間５０でゼロとなる。さらに、磁場は同じ傾きで減少し、ＭＯＴ装置用コイル４８のＭＯＴコイル３０２の付近で最小値（負の値が最大）となる。これは、ＭＯＴコイル３０２が、コイル２８２とは逆向きに電流を流しているためである。コイル２８２のＭＯＴコイル部２８６付近からＭＯＴコイル３０２の付近は、近似的にはヘルムホルツ型のコイルが形成されている。このため、ＭＯＴコイル３０２に逆向きの電流を流すことで、傾きが一定となる磁場を形成することができる。また、図示を省略するが、ビーム軸に垂直な方向にも、傾きが一定となる磁場が形成されている。ＭＯＴ装置で形成されるこの勾配磁場中には、３軸のそれぞれからＭＯＴ光ビームが照射される。これにより、原子を原点である捕捉空間５０に捕捉することが可能となる。ＭＯＴコイル３０２よりも下流側では、磁場は徐々にゼロに近づく。

このように、ゼーマン減速器用コイル４４とＭＯＴ装置用コイル４８とを組み合わせて設置することで、ゼーマン減速器とＭＯＴ装置を別々に設ける場合に比べて、ビーム軸方向の長さを短縮することが可能となる。また、全体のコイル長さも短くできるため、省電力化と発熱量低減を図ることができる。

なお、バックグラウンドの磁場が存在する場合には、磁場がゼロとなる位置が捕捉空間５０からずれてしまう。そこで、原子を捕捉する過程では、３軸磁場補正コイル９６、あるいは、勾配磁場を補正するバイアスコイルを調整して、捕捉空間５０付近のバックグラウンドの磁場を打ち消す補償磁場を生成することができる。

次に、図３１Ａと図３２Ｂを参照して、インクリーシング型のゼーマン減速器用コイル３４０の例を示す。図３１Ａは、ゼーマン減速器用コイル３４０を真空チャンバ２０の内部に取り付ける前の状態を示す断面図であり、図３１Ｂは、取り付け後の状態を示す断面図である。図３１Ａに示したゼーマン減速器用コイル３４０のコイル３４２は、ビーム軸の上流側の大部分がゼーマンコイルの機能をもつゼーマンコイル部３４４となっている。また、コイル３４２の最下流側はゼーマンコイルの機能とＭＯＴコイルの機能が混在したＭＯＴコイル部３４６となっている。ゼーマンコイル部３４４では、上流側の端部から下流側に向けて、コイルの巻回数が単調増加している。そして、下流側の端部近くでは、凹凸が繰り返された後、最下流側で巻回数が最大となる。巻回数最大の付近を便宜的にＭＯＴコイル部３４６と呼んでいるが、上述の通り、機能的にはゼーマンコイルの役割も果たしている。

ゼーマン減速器用コイル３４０は、内側にボビンを備えている。また、上流側の端部にはフランジ３５０が設けられ、下流側の端部近くではコイル３４２の途中にフランジ３５２が設けられ、下流の端部にはフランジ３５４が設けられている。フランジ３５０、３５２、３５４はボビンに溶接されている。

最上流のフランジ３５０には、図示を省略したミラー支持部が取り付けられており、ミラー支持部には光学ミラー７６が固定されている。

下流側のフランジ３５２、３５４は、ボビン以外の部位でも相互に連結されて強度を高められている。フランジ３５２は、薄くかつ半径の大きな円盤となっている。フランジ３５２は、リング状に作られた円環支持部３７０に取り付けられる。円環支持部３７０のリングは、内部に冷却水を流す水冷管３７２を備えており、フランジ３５２を通じてコイル３４２を冷却する。円環支持部３７０には上部に左右２本の梁３７４が取り付けられ、下部に水冷管を兼ねた左右２本の梁３７６が取り付けられている。梁３７４、３７６は、真空チャンバ２０の本体部２２における後部円形壁２８に取り付けられており、ゼーマン減速器用コイル３４０を含む全体を支持している。また、梁３７４、３７６は、コイル３４２の熱を後部円形壁２８に伝える排熱経路となっている。なお、梁３７６に流す冷却水は、冷凍機５８における放熱板５８ｂにも循環させることができる。

この構成では、ＭＯＴ装置用コイル３８０は、別途設けられた支持部材によって後部円形壁２８に取り付けられることを想定している。また、ゼーマン減速器用コイル３４０は、位置決め機構によって、ＭＯＴ装置用コイル３８０と位置決めされることを想定している。

図３２は、図３０に対応する図であり、インクリーシング型のゼーマン減速器用コイル３４０とＭＯＴ装置用コイル３８０を用いた場合の磁気分布を示している。磁気は、ゼーマン減速器用コイル３４０のコイル３４２よりも下流側から徐々に増加して、ＭＯＴコイル部３４６の手前付近で最大の値となる。この磁気の増加は、ゼーマン減速を実現するために必要となるターゲットの曲線によく一致している。最大値をとる位置よりも下流側では、磁気は急速に減少する。そして、原点である捕捉空間５０の前後ではほぼ一定の傾きでプラスからマイナスへと減少しており、捕捉空間５０でゼロとなっている。磁場は、ＭＯＴ装置用コイル３８０の付近で最小となり、その後は徐々にゼロに近づく。

捕捉空間５０の前後のＭＯＴ装置を構成する部位においては、図３０のディクリーシング型の場合に比べて、磁場の傾きが急激になっている。これは、コイル３４２におけるＭＯＴコイル部３４６の巻回数が大きいこと、向かい合うＭＯＴ装置用コイル３８０のコイル巻回数も大きいことなどが理由である。磁場の傾きを急にすることで、ビーム軸方向に短い距離で原子を捕捉することができる。

また、図３２に示したインクリーシング型のゼーマン減速器用コイル３４０は、図３０のディクリーシング型のゼーマン減速器用コイル４４に比べて、ビーム軸方向の長さを短縮することができている。これは、インクリーシング型では、効率的に原子を減速できるためである。インクリーシング型では、ディクリーシング型に比べて、原子の減速に要する磁場を抑制できるため、省電力化できる利点がある。

他方、インクリーシング型のゼーマン減速器用コイル３４０では、捕捉空間５０の側の方が重いため、真空チャンバ２０の内部で支持することが難しくなる。また、インクリーシング型では、捕捉空間５０の側のコイル巻回数が多いため、真空チャンバ２０の中央付近での発熱量が多くなり、冷却が難しくなる課題がある。しかし、上述のように、ゼーマン減速器用コイル３４０は、冷却機能が付いた円環支持部３７０によって、真空チャンバ２０の中央付近で支持されているため、これらの問題は生じない。

図３１Ａと図３１Ｂに示したインクリーシング型のゼーマン減速器用コイル３４０の取り付け態様は一例にすぎず、他の態様もとることができる。図３３Ａと図３３Ｂを参照して、変形例について説明する。

図３３Ａは、ゼーマン減速器用コイル３９０を真空チャンバ２０の内部に取り付ける前の状態を示す斜視図であり、図３３Ｂは取り付け後の状態を示す斜視図である。ゼーマン減速器用コイル３９０のコイル３９２は、ゼーマン減速器用コイル３４０と同様に巻回されており、ボビン及び複数のフランジ３９４、３９６、３９８を備える構成もほぼ同様である。ただし、ゼーマン減速器用コイル３９０では、ビーム方向の下端近くに設けられたフランジ３９６の形状が下半分程度の半円形状となっている。そして、フランジ３９６を支持する部位も円環を半分にした略Ｕ字型の半円環支持部４００となっている。半円環支持部４００には水冷管４０２が設けられている。

図３３Ａと図３３Ｂに示した態様では、フランジ３９６が半円形状となったことで、冷却水の循環が同程度である場合の冷却性能が若干低下する。その一方で、ゼーマン減速器用コイル３９０では、フランジ３９６の上部に空間があるため、真空チャンバ２０の内部において、光学共振器４６の側から原子オーブン４０の側へアクセスしやすくなっている。また、半円環支持部４００の上部に空間ができたことで、光学共振器４６の取り外しなども容易となっている。さらに、水冷管の上下方向の距離が短くなったことで、水冷管内における対流に起因した流れの乱れを防止しやすくなっている。なお、図３３Ａ、３３Ｂに示したフランジ３９６には、面内に適宜孔部を設けることができる。孔部を設ける場合には、熱伝導の効率は低下するが、軽量化が可能となる。同様にして、図３１Ａ、３１Ｂに示したフランジ３５２にも、面内に孔部を設けることが可能である。

図３４は、別の形態にかかるインクリーシング型のゼーマン減速器用コイル４１０の断面図である。ゼーマン減速器用コイル４１０では、ビーム方向に厚みの異なるボビン４１２を用いている。円筒形状のボビン４１２は、内径は一定であるが、外径は、ビーム方向の上流から下流に向けて階段状に漸減している。そして、ボビン４１２の周囲に巻回されたコイル４１４は、ビーム軸方向の下流側ほど多く巻回されている。このため、コイル４１４の外径はビーム軸方向にほぼ一定である。

図３４に示した構成では、ボビン４１２の外径を大きくすることで、ボビン４１２とコイル４１４との接触面積が大きくなるため、コイル４１４からボビン４１２への熱伝導効率が向上する。また、ボビン４１２の段差を利用して被覆導線を巻回できるため、コイル４１４の設置が容易となる。

なお、本実施形態に限らないが、コイル４１４を構成する被覆導線は、断面が丸い丸線ではなく、断面が方形状の平角線を用いることで、ボビン４１２等との熱伝導効率が一層向上する。また、次に示すように、コイル４１４の周囲を熱伝導性のカバーで覆う場合には、コイル４１４の外径が一定であるため、カバーをコイル４１４に密着させて、カバーを通じた熱の除去を行うことが容易となる。

これまで、ゼーマン減速器を真空チャンバ２０の内部に設置する例について説明してきた。コイルで発生するジュール熱を除去する冷却機構を設けることで、ゼーマン減速器を真空チャンバ２０内に熱的に安定して設置することができる。以下では、別の例として、コイルの一部または全部をカバーで密封する（すなわち、カプセル化する）例について説明する。

図３５Ａと図３５Ｂは、ゼーマン減速器用コイル４２０とカバー４４０を示す側断面図である。図３５Ａは、ゼーマン減速器用コイル４２０にカバー４４０を取り付ける前の状態を示す図であり、図３５Ｂは取り付け後の状態を示す図である。ゼーマン減速器用コイル４２０は、ビーム軸の方向にコイルの巻回数が漸減するディクリーシング型である。

ゼーマン減速器用コイル４２０のボビン４２２には、ビーム軸の上流側の端部にフランジ４２４が設けられ、下流側の途中位置にもフランジ４２６が設けられている。ボビン４２２とフランジ４２４、４２６は、上述の例と同様に、銅などで形成されて高い熱伝導性が確保されている。フランジ４２４，４２６の外周には、ともに、インジウムで作られたシール部材４２８，４３０が設けられている。シール部材４２８，４３０は、環状（リング状ともいう）の比較的薄いシート状に形成されるか、あるいは、環状の比較的肉厚の形状に形成される。インジウムは、大きな温度変化がある場合にも、安定的に真空シールを可能とする特徴がある。また、フランジ４２６には、耐真空コネクタであるハーメチックコネクタ４３２が設けられている。

ボビン４２２には、フランジ４２４とフランジ４２６との間にコイル４３４が巻回されており、フランジ４２６の下流側にコイル４３６が巻回されている。コイル４３４、４３６は、ともに、銅を樹脂で絶縁した被覆導線によって形成されている。コイル４３４とコイル４３６は、ハーメチックコネクタ４３２を介して電気的に接続されている。

カバー４４０は、円筒形に形成されている。カバー４４０は、ボビン４２２、フランジ４２４、４２６及びコイル４３４，４３６と同じ銅を用いて形成されており、熱膨張による変形を抑制している。

カバー４４０は、フランジ４２４からフランジ４２６までを覆うように設置される。すなわち、カバー４４０の上流側端部の内周部の一部は、フランジ４２４の外周部の一部を囲んでおり、シール部材４２８でシールされている。また、カバー４４０の下流側端部の内周部の一部は、フランジ４２６の外周部の一部を囲んでおり、シール部材４３０でシールされている。カバー４４０は、フランジ４２４からフランジ４２６までの長さに対して、プラスの公差をもつように作られており、確実に、両者を囲むことができる。

カバー４４０の内側は、シール部材４２８、４３０が確実にシールをできるのであれば、気圧の設定は自由である。例えば、大気圧の空気を封入してもよいし、粗引きの真空とすることもできる。粗引きの真空とは、ターボポンプなどを用いて希薄化した状態であり、例えば１Ｐａ〜０．１Ｐａ程度に設定される。カバー４４０の内側を粗引きの真空とした場合には、真空チャンバ２０を真空にした状態において、カバー４４０の内外における圧力差が小さくなるため、シール部材４２８，４３０によるシール面の引き離れを強く防止することができる。

カバー４４０の内側に、窒素、ヘリウムなどの不活性ガスを封入することも可能である。不活性ガスは、コイル４３４が高温化した場合に、コイルで使われる樹脂との反応性が低い気体が選ばれる。不活性ガスの圧力も特に限定されるものではなく、例えば、１気圧であってもよいし、粗引きの真空状態としてもよい。また、カバー４４０の内側には、例えば、発泡ウレタンなどの軽量な樹脂を充填するようにしてもよい。この場合には、カバー４４０の強度を高めることが可能となる。

ゼーマン減速器用コイル４２０は、通電時には、ジュール熱によって高温化する。ジュール熱は、巻回数の少ないコイル４３６よりも、巻回数の多いコイル４３４において多く発生する。このため、コイル４３４は高温化する傾向にある。高温化が進んだ場合、コイル４３４を構成する被覆導線の樹脂に含まれる微量なガスが樹脂から放出される（このガスをアウトガスという）。しかし、ゼーマン減速器用コイル４２０では、コイル４３４は、ボビン４２２、フランジ４２４、４２６及びカバー４４０で密閉されており、アウトガスが真空チャンバ２０の内部に漏れ出すことはない。このため、アウトガスによる時計遷移の誤差の発生が防止される。したがって、カバー４４０で密閉したゼーマン減速器用コイル４２０は、真空中で設置する際の利便性が高い真空設置用コイルとして機能する。

カバー４４０は、フランジ４２４とフランジ４２６との間の熱伝導媒体ともなる。すなわち、フランジ４２４とフランジ４２６との間は、ボビン４２２のみならず、カバー４４０によっても熱伝導が行われるため、コイル４３４，４３６の冷却を促進する効果もある。

以上の説明では、カバー４４０は、フランジ４２４，４２６の外周を覆うものとし、コイル４３４には接触しないことを想定した。しかし、カバー４４０をコイル４３４の外表面の一部または全部に接触させるようにしてもよい。この場合には、コイル４３４からの熱は、カバー４４０に直接熱伝導されるため、放熱効率が高められる。特に、図３４に示したコイル４１４のように、コイル４１４の外径が一定である場合には、カバー４４０の内周に密着させることが容易となる。また、カバー４４０をコイル４３４の外表面と接触させる形状を形成することが難しい場合には、カバー４４０とコイル４３４との間に、熱伝導性のある部材を挿入するようにしてもよい。

図３５Ａと図３５Ｂに示した実施形態では、カバー４４０は、コイル４３４を覆っていない。これは、コイル４３４の巻回数が少なく、アウトガスの放出対策を行う必要性が低いためである。また、コイル４３４はＭＯＴ装置を構成するＭＯＴコイル部を含む部分であり、近傍には光学共振器４６などが配置されることから、コイル４３４をカバーで覆って大口径化することを回避している。しかし、周囲の装置・部品との干渉を回避可能であるならば、コイル４３４を含む全体をカバーで覆いカプセル化するようにしてもよい。

また、図３５Ａと図３５Ｂの例では、ディクリーシング型のゼーマン減速器用コイル４２０を例に挙げた。しかし、インクリーシング型の場合にも、巻回数の多い部分を含む一部または全部をカプセル化することが可能である。

なお、以上の説明においては、カバー４４０は、インジウムのシール部材４２８、４３０を用いて、フランジ４２４、４２６と密着させて、内部を気密化するものとした。しかし、インジウムに代えて、他の材質で形成されたシール部材を用いてもよい。シール部材を使った場合には、例えば、固定ネジを用いて、カバー４４０をフランジ４２４，４２６に着脱することが可能となる。しかし、例えば、カバー４４０とフランジ４２４，４２６とを、溶接、真空ロウ付けなどの半永久的な密閉手法により密着させて、内部を気密化するようにしてもよい。

以上の説明においては、光格子時計を例に挙げた。しかし、本実施形態の各技術は、当業者であれば、光格子時計以外にも適用可能である。具体的には、光格子時計以外の原子時計、あるいは、原子を使った干渉計である原子干渉計にも適用可能である。さらに、本実施形態は、原子（イオン化された原子を含む）に対する各種の量子情報処理デバイスにも適用可能である。ここで、量子情報処理デバイスとは、原子や光の量子状態を利用して計測、センシング、情報処理を行う装置をいい、原子時計、原子干渉計の他に、磁場計、電場計、量子コンピュータ、量子シミュレータ、量子中継器などを例示することができる。量子情報処理デバイスの物理パッケージでは、本実施形態の技術を利用することで、光格子時計の物理パッケージと同様に、小型化または可搬化を達成することができる。なお、こうしたデバイスでは、時計遷移空間は、時計計測を目的とする空間ではなく、単に、時計遷移分光を起こす空間として扱われる場合があることに注意されたい。

これらのデバイスでは、例えば、本実施形態にかかる３軸磁場補正コイルを設けることで、装置の精度向上を達成できる可能性がある。また、本実施形態にかかる３軸を真空チャンバ内に設けることで、物理パッケージの小型化、可搬化、または、高精度化を実現できる可能性がある。さらに、磁場補償モジュールを導入することで、磁場分布を高い精度で制御することが可能となる。また、真空チャンバを用いた物理パッケージにおいて、真空設置用コイルを設置することは効果的である。

以上の説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示した。しかし、これらは実施形態を例示するものであり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

１０ 光格子時計、１２ 物理パッケージ、１４ 光学系装置、１６ 制御装置、１８ ＰＣ、２０ 真空チャンバ、２２ 本体部、２４ 円筒壁、２６ 前部円形壁、２８ 後部円形壁、３０ 突起部、３２ 円筒壁、３４ 前部円形壁、３８ 脚、４０ 原子オーブン、４２ 原子ビーム、４４ ゼーマン減速器用コイル、４４ａ フランジ、４６ 光学共振器、４８ ＭＯＴ装置用コイル、４８ａ フランジ、５０ 捕捉空間、５２ 時計遷移空間、５４ 低温槽、５６ 熱リンク部材、５８ 冷凍機、５８ａ ペルチエ素子、５８ｂ 放熱板、５８ｃ 断熱部材、５８ｄ，５８ｅ パーマロイ磁場シールド、６０ 真空ポンプ本体、６２ 真空ポンプカートリッジ、６４，６６ 光格子光用耐真空光学窓、６８ ＭＯＴ光用耐真空光学窓、７０，７２ ＭＯＴ光用耐真空光学窓、７４，７６ 光学ミラー、８０ 光格子光ビーム、８２ ゼーマン減速光ビーム、８４，８６ａ，８６ｂ ＭＯＴ光ビーム、９０ 原子オーブン用冷却器、９２ ゼーマン減速器用冷却器、９４ ＭＯＴ装置用冷却器、９６ ３軸磁場補正コイル、９８ 耐真空電気コネクタ、１０２ 冷凍機用個別磁場補償コイル、１０４ 原子オーブン用個別磁場補償コイル、１２０ 第１コイル群、１２２，１２４ コイル、１３０ 第２コイル群、１３２，１３４ コイル、１３６，１３８ 矢印、１４０ 第１コイル群、１４２ 複合コイル、１４３，１４４ コイル、１４５ 複合コイル、１４６，１４７ コイル、１５０ 第２コイル群、１５２，１５４ コイル、１６０ 第１コイル群、１６２ 複合コイル、１６３，１６４ コイル、１６５ 複合コイル、１６６，１６７ コイル、１７０ 第２コイル群、１７２，１７４ コイル、１８０ ホルダ、１８２，１８４，１８６ フレーム、１９０ 補正コイル、１９２ 電流路、１９４ 絶縁部、１９６ 配線路、１９８ ターミナルコネクタ、１９９ 境界部、２００，２０２，２０３，２０４，２０６，２０８ 電流路、２１０ 補正コイル、２１２，２１４ 電流路、２１８ 物理パッケージ、２２０ 真空チャンバ、２２２ 本体部、２２４，２３０ ３軸磁場補正コイル、２４０ 原子集団、２４２ 補正用空間、２４３ 蛍光観測空間、２４４ 蛍光、２４６ 受光器、２５０ 原子集団、２５２ａ，２５２ｂ，２５２ｃ，２５２ｄ，２５２ｅ 蛍光、２５４ ＣＣＤカメラ、２６０ 温度センサ、２６２ 制御装置、２６４ 温度センサ、２６６ 電流路、２６８ 電流路、２７０ 漏洩磁場、２７２ 補償磁場、２８０ ボビン、２８２ コイル、２８４ ゼーマンコイル部、２８６ ＭＯＴコイル部、２８８ 上流フランジ、２９０，２９２ 下流フランジ、３００ ボビン、３０２ ＭＯＴコイル、３０４，３０６ フランジ、３１２ 上部支持部材、３１４ 下部支持部材、３２０ ゼーマンコイル、３２２ 部位、３３０ ゼーマンコイル、３３２ 部位、３４０ ゼーマン減速器用コイル、３４２ コイル、３４４ ゼーマンコイル部、３４６ ＭＯＴコイル部、３５０，３５２，３５４ フランジ、３７０ 円環支持部、３７２ 水冷管、３７４，３７６ 梁、３８０ ＭＯＴ装置用コイル、３９０ ゼーマン減速器用コイル、３９２ コイル、３９４，３９６，３９８ フランジ、４００ 半円環支持部、４０２ 水冷管、４１０ ゼーマン減速器用コイル、４１２ ボビン、４１４ コイル、４２０ ゼーマン減速器用コイル、４２２ ボビン、４２４，４２６ フランジ、４２８，４３０ シール部材、４３２ ハーメチックコネクタ、４３４，４３６ コイル、４４０ カバー。

Claims (11)

1. 真空チャンバと、
   筒形状に形成され筒内にビーム軸に沿って原子ビームが流されるボビンと、前記ボビンの周りに巻回された一連のコイルとを備え、前記筒内に空間的に勾配が付けられた磁場を形成するゼーマン減速器と、
   を備え、
   前記ボビンには、ビーム軸方向の途中位置において筒の外面が拡径されたフランジが設けられ、
   前記一連のコイルは、前記フランジをまたいで前記ボビンに巻回されており、
   前記ゼーマン減速器は、前記フランジを直接的または間接的に前記真空チャンバに取り付けられて、前記真空チャンバ内に設置されている、
   ことを特徴とする物理パッケージ。
2. 請求項１に記載の物理パッケージにおいて、
   前記一連のコイルは、前記原子ビームの上流側に比べて下流側の巻回数が多いインクリーシング型であり、
   前記フランジは、前記ボビンの下流側に設けられている、ことを特徴とする物理パッケージ。
3. 請求項２に記載の物理パッケージにおいて、
   前記真空チャンバは、前記ビーム軸に平行に中心軸が配置された略円筒形状に形成され、
   前記フランジは、前記真空チャンバにおける前記原子ビームの下流側の円筒壁に、支持部材を用いて間接的に取り付けられている、ことを特徴とする物理パッケージ。
4. 請求項３に記載の物理パッケージにおいて、
   前記フランジは略円形に形成され、
   前記支持部材は、前記フランジの外縁を支持する略円環状の支持部を備え、
   前記略円環状の支持部には、管に液体冷媒を流して前記フランジを冷却する冷却機構が設けられている、ことを特徴とする物理パッケージ。
5. 請求項３に記載の物理パッケージにおいて、
   前記フランジは、鉛直下向きを含む方向に拡径された略扇形に形成され、
   前記支持部材は、前記フランジの外縁を支持する略Ｕ字型の支持部を備え、
   前記略Ｕ字型の支持部には、管に液体冷媒を流して前記フランジを冷却する冷却機構が設けられている、ことを特徴とする物理パッケージ。
6. 請求項１に記載の物理パッケージにおいて、
   前記ボビン及び前記フランジは、金属で形成されており、
   当該物理パッケージには、前記フランジを直接的または間接的に冷却する冷却機構が設けられている、ことを特徴とする物理パッケージ。
7. 請求項１に記載の物理パッケージにおいて、
   さらに、前記ゼーマン減速器から前記原子ビームの下流側に離間した位置に、前記ビーム軸の周りに巻回された相手方コイルを備え、
   前記一連のコイルと前記相手方コイルは、前記一連のコイルと前記相手方コイルとの間にＭＯＴ磁場を形成する、ことを特徴とする物理パッケージ。
8. 請求項１に記載の物理パッケージを備えることを特徴とする光格子時計用物理パッケージ。
9. 請求項１に記載の物理パッケージを備えることを特徴とする原子時計用物理パッケージ。
10. 請求項１に記載の物理パッケージを備えることを特徴とする原子干渉計用物理パッケージ。
11. 請求項１に記載の物理パッケージを備えることを特徴とする原子またはイオン化された原子についての量子情報処理デバイス用物理パッケージ。
    

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