JP3037035B2

JP3037035B2 - 原子発振器用共振器

Info

Publication number: JP3037035B2
Application number: JP5203678A
Authority: JP
Inventors: 弘彦菅
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1993-07-26
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 2000-04-24
Anticipated expiration: 2015-04-24
Also published as: JPH0745886A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、励起された原子・分子
にその共鳴周波数にほぼ等しいマイクロ波を作用させ
て、マイクロ波による誘導放出を生じさせる原子発振器
用共振器に関し、特に内部擾乱磁場の影響を軽減して周
波数（時間）安定度の向上を図るとともに、共振器の小
型化を図った原子発振器用共振器に関する。原子発振器
用共振器を利用したものの一つに水素メーザ原子周波数
標準器がある。この水素メーザ原子周波数標準器は、短
中期の周波数（時間）安定度が１０^{- 14}オーダと優れて
いることから、二次周波数標準器として、ＩＳＤＮ，放
送，航法，ＧＰＳ衛星等に応用されている。しかし、こ
れらの技術分野においては、さらに、その周波数安定度
の向上が要望されている。

【０００２】

【従来の技術】励起された原子・分子の誘導放出を生じ
させる原子発振器用共振器は、水素メーザ（Ｈ₂）やセ
シュウム（Ｃs ）等の原子・分子の固有スペクトル線を
周波数の基準に利用する原子発振器に用いられ、極めて
高精度かつ高安定な周波数源（共振器）となるものであ
る。

【０００３】このような原子発振器は、正確さ、安定度
が高いという特徴を生かして、時刻，時間，周波数ばか
りでなく、長さ，温度等種々の物理量の基準として応用
されている。特に、水素原子の誘導放出エネルギーを用
いた原子発振器は、水素メーザ原子周波数標準器とし
て、実用化されている原子周波数標準器の中では一番安
定度の高い周波数標準器として使用されている。

【０００４】例えば、水素メーザ原子周波数標準器の電
気的構成は、図４に示すような構成になっている。すな
わち、水素原子流供給系１は、放電励振器２、放電管３
及び準位選別マグネット４で構成されており、放電管３
に導入される水素分子を放電励振器２から加えられる高
周波電力でプラズマ放電して水素原子に解離し、そして
この解離した水素原子を準位選別マグネット４でエネル
ギー準位の高いものと低いものとに選別して、エネルギ
ー準位の高い水素原子のみを水素原子流にして原子発振
器用共振器５へ供給する。

【０００５】原子発振器用共振器５は、水素原子流供給
系１から供給されるエネルギー準位の高い水素原子を蓄
積する水素蓄積球７、この水素蓄積球７を取り巻くマイ
クロ波共振器６及びマイクロ波出力手段８から構成され
ており、水素蓄積球７に蓄積された水素原子の誘導放出
エネルギーによって発振した約１４２０ＭＨz の極めて
安定なマイクロ波を共振させて出力する。マイクロ波出
力手段８から出力されたマイクロ波は、低雑音の増幅器
９で増幅された後に位相比較器１０に入力される。周波
数合成逓倍器１３は、電圧制御水晶発振器１２から出力
される例えば５ＭＨz の信号を合成・逓倍して、入力の
５ＭＨz と位相同期のとれた約１４２０ＭＨz のマイク
ロ波を発生させ、位相比較器１０に出力する。

【０００６】位相比較器１０は、増幅器９の出力信号と
周波数合成逓倍器１３の出力信号とを受けて位相比較を
行う。この位相比較によって、周波数合成逓倍器１３か
ら出力されたマイクロ波の位相変動成分（水素原子の誘
導放出エネルギーによるマイクロ波信号との位相差）が
検出される。帰還回路１１は、位相比較器１０からの位
相比較信号を受けて、マイクロ波の位相変動成分が零に
なるように、変動成分に比例した電圧を電圧制御水晶発
振器１２の電圧制御端子に帰還する。

【０００７】ここで、マイクロ波による誘導放出現象
を、図５に示す水素原子のエネルギー準位モデルを用い
て説明する。水素分子は、水素圧調節器（図示せず）を
介して一定の圧力で放電管３に導入される。放電管３内
では、放電励振器２からの高周波電力（例えば１００Ｍ
Ｈz、数Ｗ）を受けてプラズマ放電が起き、水素は分子
から原子に解離される。水素原子は陽子の周囲を１個の
電子が回る最も簡単な構造の原子である。この原子のエ
ネルギーの基底準位は負電荷の電子の自転（スピン）と
正電荷の原子核との磁気的作用により、図５に示すよう
にＦ＝１とＦ＝０の２準位に分かれる。ここで水素原子
に外部から磁界を印加すると、Ｆ＝１がさらにｍ_F＝＋
１、ｍ_F＝０、ｍ_F＝−１の３準位に分かれる。

【０００８】周波数標準として用いられるのは、基底状
態の超微細構造間のエネルギー準位Ｆ＝１、ｍ_F＝０か
らＦ＝０，ｍ_F＝０への遷移である。水素原子が熱平衡
状態にあるときは、Ｆ＝１準位の原子数とＦ＝Ｏ準位の
原子数との差は極めて小さく、水素原子の固有共鳴周波
数に近いマイクロ波を加えても微弱な吸収信号しか得ら
れない。このために、水素メーザ原子周波数標準器では
原子エネルギー準位選別を行ってＦ＝０準位の原子を発
散させ、エネルギー準位の高いＦ＝１、ｍ_F＝０の原子
のみを得るようにする。この原子が、固有共鳴周波数に
極めて近い周波数に同調をとったマイクロ波共振器６の
共振周波数の刺激を受けてＦ＝０、ｍ_F＝０のエネルギ
ー準位の低い状態に遷移するとき、約１４２０ＭＨz の
マイクロ波エネルギーを放出して、自励発振を行う。

【０００９】したがって、この時点における電圧制御水
晶発振器１２の出力周波数を、水素原子による誘導放出
エネルギー（水素メーザ）によるマイクロ波出力と同じ
周波数安定度の高い標準周波数として利用できる。

【００１０】上述したような水素メーザ原子周波数標準
器に利用される原子発振器用共振器５としては、水素原
子の基底状態の超微細構造間のエネルギー遷移Ｆ＝１，
ｍ_F＝０からＦ＝０，ｍ_F＝０で決まる高安定な遷移周
波数をそのまま周波数標準とするために、次の点につい
て考慮される必要がある。

【００１１】原子の基底状態の超微細構造間のエネ
ルギー差は、原子核とこれを中心として回っている電子
群の運動状態や相互作用によって決まる。また、各準位
にある原子のエネルギーは量子力学的に求められ、外部
磁場と原子核、電子との相互作用によって定まる。した
がって、外部変動磁場や内部擾乱磁場等の水素蓄積球７
への影響を磁気シールドによって極力抑圧する必要があ
る。

【００１２】水素蓄積球７へ漏洩した磁場（によ
っても漏洩磁場を完全になくすことは困難である）によ
って、複数個の超微細準位間のエネルギー値間で遷移が
同時に起きる。したがって、これらの中から所望のエネ
ルギー遷移のみを抽出するためには、強度が一定でマイ
クロ波磁場に平行な直流微弱磁場（静磁場）を水素蓄積
球７へ加える必要がある。

【００１３】水素蓄積球７は、水素蓄積球内で水素
原子が衝突・拡散し、壁でトラップされるまでの時間を
長くする目的で内面をテフロンコートしてある。これに
よりマイクロ波との相互作用の時間を長くし、スペクト
ル線幅を狭くできる。しかし、原子の固有共鳴周波数は
水素蓄積球内の原子数、温度により１０^{- 11}〜１０^{- 10}
台のずれを生じる。また、マイクロ波共振器６は、一般
には銅，銅合金，アルミニューム等の金属で造られてお
り、共振器自体の熱膨張によって共振周波数が変化す
る。したがって、水素蓄積球７及びマイクロ波共振器６
の恒温化を図る必要がある。

【００１４】上記の〜の内容を考慮した原子発振器
用共振器としては、従来から、図３に示すような構成の
ものがあった。図３は、図４の原子発振器用共振器５の
概略構成を示す断面模式図である。水素蓄積球７は、円
筒状の一端がくびれたガラス容器（フラスコ状の容器）
で、励起されたエネルギー準位の高い水素原子のみが蓄
積されている。水素蓄積球７は、その軸心に沿ってマイ
クロ波共振器６で覆われている。マイクロ波共振器６
は、一端に水素原子の供給孔６ａが設けられ、かつ他端
が閉塞された円筒状のケースである。この共振器からの
マイクロ波の出力はマイクロ波出力手段８を介して行わ
れる。

【００１５】恒温槽１４は、水素蓄積球７とマイクロ波
共振器６の温度を一定に保つための円筒状の容器で、一
端に水素原子の供給孔１４ａが上記供給孔６ａに対応す
るように設けられている。その外周には温度制御ヒータ
１５が配設されている。（上述のに対応）恒温槽１４
の外側には、水素蓄積球７に強度が一定でマイクロ波磁
場に平行な直流微弱磁場（静磁場）を与えるための円筒
状の静磁場コイル１６が上記軸心に沿って配設されてい
る。（上述のに対応）

【００１６】そして、最外部には水素蓄積球７への外部
磁場の影響を軽減するために、パーマロイ，鉄等の強磁
性体材料で作られた磁気シールド１７が、静磁場コイル
１６，恒温槽１４等を覆うように配設されている。磁気
シールド１７の一端には、水素原子の供給孔１７ａが、
上記供給孔１４ａに対応するように設けられている。
（上述のに対応）なお、マイクロ波共振器６及び恒温
槽１４の材料としては、温度制御のために熱伝導率がよ
く、かつ、静磁場コイル１６からの静磁場を遮断しない
ような、銅，銅合金，アルミニューム等の非磁性体の金
属が用いられている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示すような構成では、原子発振器用共振器５の外部から
の外部磁場の水素蓄積球７への影響は磁気シールド１７
で抑圧することができるが、温度制御ヒータ１５の制御
電流の変動で発生する内部擾乱磁場の影響は何ら軽減さ
れないという問題があった。すなわち、水素蓄積球７へ
静磁場を与えるための静磁場コイル１６が温度制御ヒー
タ１５の外側に設けられているために、温度制御ヒータ
１５の内側では磁気遮蔽を行うことができなかった。そ
の結果、水素メーザ原子周波数標準器の短中期の周波数
安定度は、１０^{- 14}オーダが限界で、それ以上の改善は
できなかった。本発明の目的は、上記課題を解決し、内
部擾乱磁場の影響を軽減し、共振器の小型化を図った原
子発振器用共振器を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では図１に示すごとく、温度制御ヒータで温
度制御される恒温槽（第２のケースに相当する）の内側
に静磁場コイルを配設するとともに、この恒温槽に磁気
シールド機能を兼ねさせることによって、上述の温度制
御ヒータによる内部擾乱磁場の影響ばかりでなく、外部
磁場からの影響をも共通の磁気シールドで同時に軽減す
ることができるという点に着眼した。

【００１９】このために、本発明では、励起された状態
にある原子又は分子を蓄積する容器を覆う両端解放の円
筒状の非磁性体材料でなる第１のケースと、第１のケー
スの周囲に配設された静磁場コイルと、第１のケースと
静磁場コイルとを覆い一端が孔を備えかつ他端が閉塞さ
れた円筒状の強磁性体材料でなる第２のケースと、第２
のケースの周囲に配設された温度制御ヒータとを備え、
第１のケースの内面と第２のケースの両端の内面とが協
働してマイクロ波共振器を形成するようにした。

【００２０】

【作用】強磁性体材料でなる第２のケースの内側に静磁
場コイルと原子又は分子を蓄積する容器を、また外側に
温度制御ヒータを配置するので、温度制御ヒータによる
内部擾乱磁場の原子又は分子を蓄積する容器への影響が
軽減でき、その結果、原子発振器用共振器の短中期周波
数安定度が１０倍（水素メーザ原子周波数標準器の場合
１０^{- 14}オーダが１０^{- 15}オーダになる）向上する。ま
た、強磁性体材料でなる第２のケースの周囲に温度制御
ヒータを設けることによって、第２のケースに磁気シー
ルド機能と恒温槽機能を兼ねさせることができ、原子発
振器用共振器の小型化が図れる。

【００２１】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す原子発振器用
共振器の概略構成を示す断面模式図である。なお、従来
例と同一の構成部分には同一の符号をつけ、その部分の
詳細説明は省略する。円筒状（フラスコ状）の水素蓄積
球７は、その軸心に沿って第１のケース１８で覆われて
いる。第１のケース１８は、銅，銅合金，アルミニュー
ム等の非磁性体の金属でなる両端が開放された円筒状の
ケースである。第１のケース１８の外周には、水素蓄積
球７に静磁場を与えるための静磁場コイル１９が上記軸
心に沿って配設されている。第１のケース１８と静磁場
コイル１９は、上記軸心に沿って第２のケース２０で覆
われている。

【００２２】第２のケース２０は、一端に水素原子の供
給孔２０ａが設けられ、かつ他端が閉塞された円筒状
の、パーマロイ等の強磁性体材料でなる金属ケースであ
る。このケースの両端の内面２０ｂは、前述の第１のケ
ース１８の内面１８ａとで協働してマイクロ波共振器を
形成する。なお、この共振器からのマイクロ波の出力は
マイクロ波出力手段８を介して行われる。第２のケース
２０の外周には、水素蓄積球７と第１のケース１８の温
度を一定に保つための温度制御ヒータ２１が配設されて
いる。このために、第２のケース２０は恒温槽の機能を
有している。なお、温度制御ヒータ２１は、磁場発生を
極力抑えるため予めツイストしたヒータ線をさらにバイ
ファイラ捲きにしている。

【００２３】このような構成でなる原子発振器用共振器
においては、第２のケース２０とその回りに設けられた
温度制御ヒータ２１によって水素蓄積球７等の温度を一
定に保つ恒温槽が形成され、また、パーマロイ等の強磁
性体材料でなる第２のケース２０によって温度制御ヒー
タ２１で発生する内部擾乱磁場及び外部磁場の影響を軽
減する磁気シールド槽が形成される。なお、磁気遮蔽率
は磁気シールド槽の壁厚に比例するので、第２のケース
２０の壁厚を厚くすればその分磁気遮蔽特性がよくなる
ことは言うまでもない。

【００２４】ここで、磁気シールド機能と恒温槽機能を
兼ねた第２のケース２０について詳述する。すなわち、
第２のケース２０は、パーマロイ等の強磁性体材料を用
いて造らなければならないが、その製造にはロストワッ
クス，ダイキャスト等の精密鋳造方式が適している。以
下に、その理由を述べる。

【００２５】磁気遮蔽上最適な任意形状が比較的容
易に得られ、その上、曲げ加工や溶接による製作時の永
久歪（パーマネント・スポット）が生じないために、高
温からの焼鈍も必要なく、加熱・冷却による物理的変形
が皆無となる。その結果、勘合部（例えば、円筒部分と
端部とを別々に造る場合のそれらの接合部）がキッチリ
と収まるため磁路の形成が理想に近くなる。また、一連
の加工作業に伴う磁気シールド槽（第２のケース２０）
自体の帯磁も少ないため、より優れた磁気遮蔽特性が期
待できる。

【００２６】滑らかな鋳肌はその外面に装備する加
熱手段（温度制御ヒータ２１）との密着性に優れ熱伝導
の点で効率の良い温度制御ができる。ひいては温度制御
ヒータ２１用電流の変動を抑えることができ、変動磁場
の発生をさらに抑圧できる。

【００２７】なお、上記実施例においては、マイクロ波
共振器の一部を形成する第１のケース１８と水素蓄積球
７に静磁場を与えるための静磁場コイル１９とを別々の
部材で構成するようにしたが、図２に示すようなフレキ
シブル多層プリント板２２を円筒状に形成し、第１のケ
ース１８と静磁場コイル１９とを一体的に構成してもよ
い。図２の、フレキシブル多層プリント板２２と水素蓄
積球７の部分を示す断面模式図を用いて、その具体例を
説明する。

【００２８】水素蓄積球７の周りに円筒状に捲いたフレ
キシブル多層プリント板２２（以下プリント板２２とい
う）の外導体２２ａは、マイクロ波共振器の円筒壁面を
形成する。より高いＱ値を得るためには外導体２２ａに
銀メッキをし、研磨することで達成される。メッキ厚
は、使用するマイクロ波帯（約１４２０ＭＨｚ）の表皮
効果を考慮すると数μｍ程度でよい。そして、マイクロ
波共振器の両端壁面は、第２のケース２０の両端の内面
２０ｂ（研磨したもの）で形成される。なお、この場
合、マイクロ波共振器の励振モードとして、共振器の円
筒壁面と両端壁面との間にマイクロ波電流が流れないＴ
Ｅ₀₁₁モードを使用するので、プリント板２２の外導体
２２ａと第２のケース２０の両端の内面２０ｂとの物理
的不連続があっても支障ない。

【００２９】プリント板２２の内部の絶縁層２２ｂに挟
まれて、予めソレノイドコイル状にエッチングされた内
導体２２ｃは、静磁場コイルとして使用される。所望の
エネルギー遷移を他の不要な遷移と区別するために必要
とされる静磁場は５μＴ程度であって、これを励磁する
励磁電流は数ｍＡ以下であり、これによるプリント板２
２の発熱は問題とならない。プリント板２２の外側にも
絶縁層２２ｂを設けてあるので、第２のケース２０の円
筒部分の内側に密接させて挿入することで、温度制御ヒ
ータ２１、第２のケース２０、プリント板２２（静磁場
コイル１９と第１のケース１８を一体にしたもの）の密
着化（一体化）がなされて、良好な熱伝導が確保でき温
度制御特性の改善が図れる。

【００３０】以上の実施例においては、水素メーザ原子
周波数標準器を例に説明したが、セシュウム（Ｃs ）原
子，ルビジウム（Ｒb ）原子等の金属原子やアンモニヤ
（ＮＨ₃）等のガスの固有共鳴周波数を基準周波数とす
る原子周波数標準器の共振器にも適用できることは言う
までもない。なお、この場合は、水素蓄積球７は金属原
子を封入したガスセルに、水素原子の供給孔２０ａはガ
スセルに光を入射するための入射孔に、またマイクロ波
出力手段８はマイクロ波共振器にマイクロ波を供給する
ためのマイクロ波供給手段にそれぞれ変わり、また第２
のケース２０の水素原子の供給孔２０ａに対向する内面
には光電変換器が設けられる。

【００３１】

【発明の効果】強磁性体材料でなる第２のケースの内側
に静磁場コイルと原子又は分子を蓄積する容器を、また
外側に温度制御ヒータを配置したので、温度制御ヒータ
による内部擾乱磁場の原子又は分子を蓄積する容器への
影響が軽減でき、その結果、原子発振器用共振器の短中
期周波数安定度が１０倍（水素メーザ原子周波数標準器
の場合１０^{- 14}オーダが１０^{- 15}オーダになる）向上し
た。また、強磁性体材料でなる第２のケースの周囲に温
度制御ヒータを設けることによって、第２のケースに磁
気シールド機能と恒温槽機能を兼ねさせることができ、
原子発振器用共振器の小型化が図れ、容積比が従来の約
１／２となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す原子発振器用共振器
の概略構成を示す断面模式図、

【図２】フレキシブル多層プリント板と水素蓄積球を
示す断面模式図、

【図３】従来例の原子発振器用共振器の概略構成を示
す断面模式図、

【図４】水素メーザ原子周波数標準器の電気的構成を
示す図、

【図５】水素原子のエネルギー準位図。

【符号の説明】

１・・・・水素原子流供給系、２・・・・放電励振器、３・・・・放
電管、４・・・・準位選別マグネット、５・・・・原子発振器用
共振器、６・・・・マイクロ波共振器、６ａ，１４ａ，１７
ａ，２０ａ・・・・供給孔、７・・・・水素蓄積球、８・・・・マイ
クロ波出力手段、９・・・・増幅器、１０・・・・位相比較器、
１１・・・・帰還回路、１２・・・・電圧制御水晶発振器、１３
・・・・周波数合成逓倍器、１４・・・・恒温槽、１５，２１・・
・・温度制御ヒータ、１６，１９・・・・静磁場コイル、１７
・・・・磁気シールド、１８・・・・第１のケース、１８ａ，２
０ｂ・・・・内面、２０・・・・第２のケース、２２・・・・フレキ
シブル多層プリント板、２２ａ・・・・外導体、２２ｂ・・・・
絶縁層、２２ｃ・・・・内導体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−104507（ＪＰ，Ａ) 特開平４−316379（ＪＰ，Ａ) 特開平２−9228（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−281522（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−59117（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−37681（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−183782（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−281482（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−153005（ＪＰ，Ｕ) 特公昭44−394（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 1/00 - 1/06 H03L 7/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】励起された状態にある原子又は分子にマ
イクロ波を作用させて、マイクロ波による原子又は分子
の誘導放出を生じさせる原子発振器用共振器において、励起された状態にある原子又は分子を蓄積する円筒状の
容器（７）と、該容器の軸心に沿って該容器を覆う両端解放の円筒状を
呈し、内面がマイクロ波共振器の一部を構成する非磁性
体材料でなる第１のケース（１８）と、該第１のケースの周囲に配設されて、前記容器に磁場を
励磁する静磁場コイル（１９）と、前記容器の軸心に沿って前記第１のケースと該静磁場コ
イルとを覆い一端が孔を備えかつ他端が閉塞された円筒
状を呈し、両端の内面が前記第１のケースの内面と協動
してマイクロ波共振器を形成する強磁性体材料でなる第
２のケース（２０）と、該第２のケースの周囲に配設されて、前記容器と前記マ
イクロ波共振器の温度変動を制御するための温度制御ヒ
ータ（２１）とを備えたことを特徴とする原子発振器用
共振器。