JP5167298B2

JP5167298B2 - イオントラップ型周波数標準器

Info

Publication number: JP5167298B2
Application number: JP2010059971A
Authority: JP
Inventors: 容雄森川
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: JP2011192933A

Description

本発明は、水銀イオンを使用したイオントラップ型周波数標準器に関する。

超高真空容器内に閉じこめられた原子−分子、イオンに励起光を照射し、励起された該原子、分子、イオンからの微弱な蛍光を観測する装置において、該励起光や該原子を特定の空間領域に閉じこめるためのトラップ光が容器壁等から散乱されて該蛍光と一緒に蛍光検出器に入射することがある。これらの散乱光は不要光であり、蛍光検出の信号雑音比を劣化させる。このため、良好な信号雑音比を得るためには極力これらの散乱光を抑制することが必要である。

例えば、超高真空容器の壁等の散乱面を反射係数の小さな反射防止膜で覆うことで散乱光を抑制することができる。超高真空容器内で使用する反射防止膜には、ガス放出が小さく、真空ベーキングに耐える高い耐熱温度を有していることが求められる。例えば、高真空環境下で使用できる反射防止膜として、容器壁をコーティングして黒色化処理する無電解ニッケルメッキやＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜（例えば、非特許文献１を参照。）、あるいは誘電体多層膜が知られている。

齊藤芳男、「大型真空システムに利用される最近の材料 −Ｊ・ＰＡＲＣ加速器での例−」、真空、Ｖｏｌ．４９（２００６）、Ｎｏ．８ｐｐ．４５３−４５９

しかし、ＤＬＣ薄膜は、反射防止特性が得られる波長が特定の波長領域に限定されているという課題がある。そこで、本発明は、水銀イオンを光ポンピングする光の散乱を防止できる反射防止膜を備えるイオントラップ型周波数標準器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るイオントラップ型周波数標準器は、広い波長領域で良好な反射防止特性が得られるモスアイ構造を放出ガスが小さくかつ耐熱温度の高い金属薄膜に転写した反射防止膜で容器壁等の散乱面を覆い散乱光を抑制することとした。

具体的には、本発明に係るイオントラップ型周波数標準器は、容器（１７）内の水銀イオンを光ポンピングして前記水銀イオンを基底状態（^２Ｓ_１／２）の下準位（Ｆ＝０）へ集める光ポンピング手段（１５）と、上準位（Ｆ＝１）と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を照射して、前記光ポンピング手段で基底状態の下準位に集まった前記水銀イオンを基底状態の上準位に遷移させる電磁波照射手段（１３）と、前記電磁波照射手段で上準位へ遷移した前記水銀イオンを前記光ポンピング手段で再び光ポンピングし、該水銀イオンが励起状態を経由して再び基底状態へ戻る際に放射される蛍光の光強度を測定する受光手段（１４）と、前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度が最大となるように前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を調整する制御手段と、前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段と、前記容器内のうち前記水銀イオンが光ポンピングされる領域の周囲に配置され、モスアイ構造を有する金属薄膜の反射防止膜（２７）と、を備える。

本発明に係るイオントラップ型周波数標準器の前記反射防止膜は、光ポンピングされる前記領域に前記水銀イオンをトラップする電極にも配置されていることが好ましい。

前記反射防止膜は、金属薄膜であるため、放出ガスが小さくかつ耐熱温度を高くすることができる。さらに、前記反射防止膜は、表面にモスアイ構造が形成された金属薄膜であるので、水銀イオンを光ポンピングする光が容器壁等で散乱するのを防止できる。従って、本発明は、水銀イオンを光ポンピングする光の散乱を防止できる反射防止膜を備えるイオントラップ型周波数標準器を提供することができる。

本発明は、水銀イオンを光ポンピングする光の散乱を防止できる反射防止膜を備えるイオントラップ型周波数標準器を提供することができる。また、本イオントラップ型周波数標準器は、水銀イオンが光ポンピングされる領域の周囲にこの反射防止膜を配置して散乱光を低減するため、良好な信号雑音比を得ることができる。

本発明に係るイオントラップ型周波数標準器を説明する図である。本発明に係るイオントラップ型周波数標準器を説明する図である。水銀イオンエネルギー準位を説明する図である。反射防止膜のないイオントラップ型周波数標準器を説明する図である。

以下、具体的に実施形態を示して本発明を詳細に説明するが、本願の発明は以下の記載に限定して解釈されない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１は、本実施形態のイオントラップ型周波数標準器３０２を説明する図である。イオントラップ型周波数標準器３０２は、容器１７内の水銀イオン１０２を光ポンピングして水銀イオン１０２を基底状態の下準位へ集める光ポンピング手段１５と、上準位と下準位の間のエネルギー差に対応する周波数の電磁波を照射して、光ポンピング手段１５で基底状態の下準位に集まった水銀イオン１０３を上準位へ遷移させる電磁波照射手段１３と、電磁波照射手段１３で上準位へ遷移した水銀イオン１０２を光ポンピング手段１５で再び光ポンピングし、水銀イオン１０２が励起状態を経由して再び基底状態へ戻る際に放射される蛍光２３の光強度を測定する受光手段１４と、受光手段１４で測定した蛍光２３の光強度が最大となるように電磁波照射手段１３が照射する電磁波の周波数を調整する制御手段（不図示）と、電磁波照射手段１３が照射する電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段（不図示）と、容器１７内のうち水銀イオン１０２が光ポンピングされる領域の周囲に配置され、モスアイ構造を有する金属薄膜の反射防止膜２７と、を備える。

水銀源１０１は、容器１７内に水銀蒸気を供給する。電子銃１６は電子線２２で水銀蒸気を水銀イオンにイオン化する。四重極トラップ１８は、１〜２ＭＨｚのＲＦ電圧が印加されており、水銀イオンを中心部に閉じ込める。図１では、この様子を水銀イオン１０２として示している。光ポンピング手段１５は、波長１９４．２ｎｍの励起光２１を出力する水銀ランプである。

光ポンピングについて、図３の水銀イオンのエネルギー準位の図で説明する。水銀イオンは２つのエネルギー状態、つまり基底状態^２Ｓ_１／２と励起状態^２Ｐ_１／２を持ち、基底状態は二つのエネルギー準位（Ｆ＝０、１）から構成される。ここで、光ポンピング手段１５から励起光２１を照射すると、基底状態の準位Ｆ＝１にあるイオンのみが励起状態へ遷移する。しかし、励起状態に遷移したイオンは、すぐに基底状態へ遷移する。このとき、イオンはそれぞれの準位（Ｆ＝０、１）に均等に遷移する。そして、基底状態の準位Ｆ＝１にあるイオンは、励起光２１を吸収して再び励起状態へ上がる。一方、基底状態の準位Ｆ＝０にあるイオンは、そのまま残る。これを繰り返すことで、全てのイオンは基底状態の準位Ｆ＝０に集まる。

十二重極トラップ１９も、１〜２ＭＨｚのＲＦ電圧が印加されており、水銀イオンを中心部に閉じ込めることができる。十二重極トラップ１９は、光ポンピングされた水銀イオン１０２を四重極トラップ１８から取り出し、中心部に閉じ込める。図１では、この様子を水銀イオン１０３として示している。

電磁波照射手段１３は、例えば、４０ＧＨｚ導波管である。電磁波照射手段１３は、制御手段で周波数が設定された電磁波を水銀イオン１０３に照射する。このときの水銀イオン１０３の様子を図３の水銀イオンのエネルギー準位の図で説明する。光ポンピング直後の水銀イオン１０３は基底状態の準位Ｆ＝０にある。周波数４０．５ＧＨｚの電磁波が照射されると、基底状態の準位Ｆ＝０にあるイオンは同じ基底状態の準位Ｆ＝１に遷移する。このとき、電磁波の周波数が４０．５ＧＨｚからずれると基底状態の準位Ｆ＝０から準位Ｆ＝１へ遷移するイオンの量が少なくなる。

続いて、四重極トラップ１８は電磁波が照射された水銀イオン１０３を十二重極トラップ１９から取り出し、再び中心部に閉じ込める。図１では、この様子を水銀イオン１０２として示している。四重極トラップ１８では光ポンピング手段１５から励起光２１が照射されているので、水銀イオン１０２の基底状態の準位Ｆ＝１にあるイオンは励起状態へ遷移することになる。そして、励起状態へ遷移したイオンは、すぐに蛍光２３を出して基底状態へ遷移する。

受光手段１４は、蛍光２３の光強度を測定する。ここで、前述のように電磁波照射手段１３が照射した電磁波の周波数が４０．５ＧＨｚからずれていると基底状態の準位Ｆ＝１にあるイオンが少ないので、蛍光２３の光強度が弱くなる。そこで、制御手段は、蛍光２３の光強度が最大となるように電磁波の周波数を調整する。出力手段は、制御手段が調整した電磁波の周波数を出力周波数として出力する。イオントラップ型周波数標準器３０２は、このようにして、正確な４０．５ＧＨｚの周波数を出力することができる。なお、イオントラップ型周波数標準器３０２は、磁場の影響を低減するための磁場シールド１１及びエネルギー状態の縮退を解くＣコイル１２も備えている。

反射防止膜２７は、表面にモスアイ構造を有する金属薄膜である。容器１７は高真空とするために高温ベーキングされる。このため、金属薄膜は、耐熱温度が高く、ベーキング時に放出ガスが少ない金属とする。例えば、金属薄膜は金である。

図２は、イオントラップ型周波数標準器３０２の反射防止膜２７を説明する図である。反射防止膜２７は、水銀イオン１０２が四重極トラップ１８（図２において不図示）でトラップされる領域の周囲に配置されている。例えば、反射防止膜２７は、容器１７の内壁に貼り付けられる。さらに、反射防止膜２７は、金属であるため、四重極トラップ１８の電極にも貼り付けることができる。

図４は、反射防止膜を具備しないイオントラップ型周波数標準器３００を説明する図である。イオントラップ型周波数標準器３００において、光ポンピング手段１５からの励起光２１は、容器１７の内壁や四重極トラップ電極１８に当たり散乱する。散乱光２９の一部は蛍光２３とともに受光手段１４に受光されることになる。一方、図２のイオントラップ型周波数標準器３０２においても、光ポンピング手段１５からの励起光２１は、同様に容器１７の内壁や四重極トラップ電極１８に当たるが、これらには反射防止膜２７が配置されており、散乱光の発生を抑制することができる。従って、受光手段１４が受光する散乱光が低減し、イオントラップ型周波数標準器３０２は良好な信号雑音比を得ることができる。

１１：磁場シールド
１２：Ｃコイル
１３：電磁波照射手段
１４：受光手段
１５：光ポンピング手段
１６：電子銃
１７：容器
１８：四重極トラップ
１９：十二重極トラップ
２１：励起光
２２：電子線
２３：蛍光
２７：反射防止膜
２９：散乱光
１０１：水銀源
１０２、１０３：水銀イオン
３００、３０２：イオントラップ型周波数標準器

Claims

容器（１７）内の水銀イオンを光ポンピングして前記水銀イオンを基底状態の下準位へ集める光ポンピング手段（１５）と、
上準位と下準位の間のエネルギー差に対応する周波数の電磁波を照射して、前記光ポンピング手段で基底状態の下準位に集まった前記水銀イオンを基底状態の上準位へ遷移させる電磁波照射手段（１３）と、
前記電磁波照射手段で上準位へ遷移した前記水銀イオンを前記光ポンピング手段で再び光ポンピングし、該水銀イオンが励起状態を経由して再び基底状態へ戻る際に放射される蛍光の光強度を測定する受光手段（１４）と、
前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度が最大となるように前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を調整する制御手段と、
前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段と、
前記容器内のうち前記水銀イオンが光ポンピングされる領域の周囲に配置され、モスアイ構造を有する金属薄膜の反射防止膜（２７）と、
を備えるイオントラップ型周波数標準器。
前記反射防止膜は、光ポンピングされる前記領域に前記水銀イオンをトラップする電極にも配置されていることを特徴とする請求項１に記載のイオントラップ型周波数標準器。