JPS598075B2 - 原子ビ−ム管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子ビーム装置、さらに詳しくは超微細磁気共
鳴遷移を利用する原子ビーム管に関するものである。

原子ビーム管は、時間または周波数の原子的基準となる
極めて安定した周波数を与える装置である。

その原理は、ビーム中の原子の超微細準位間の共鳴を検
出して、安定した標準周波数を得るのである。この共鳴
を利用するには、例えばセシウム原子のような原子ビー
ムと電磁波とを相互作用させ、この電磁波の周波数をビ
ーム中の特定原子の共鳴周波数にして、高いエネルギー
状態にされた原子を適当な検出器に導くのである。印加
される電磁波の周波数は原子の共鳴周波数に正確に一致
するように変調を受け、一致すると、フライホイール発
振器のサーボ制御に適する検出回路から信号が発生され
る。サーボ制御によつて、印加される電磁波の周波数の
中央が原子共鳴線にロツクされる。原子ビーム管にセシ
ウム原子が使われる場合の共鳴遷移は、核磁気双極子と
価電子のスピン磁気双極子との相互作用からきまる２つ
の超微細レベル間の遷移である。

自然界には安定したセシウム原子は２種類しか存在しな
い０許容される２つの量子状態に対応して、上記双極子
が１つは平行で、他は反平行である。従つて、外部磁場
がないときは超微細エネルギーレベルは２つであるが、
外部磁場が作用するとそれぞれが多数のゼーマン副レベ
ルに分かれる。本発明による原子ビーム管内での共鳴遷
移は、レベル（Ｆ二４，ｍＦ＝Ｏ）とレベル（Ｆ＝３，
ｍＦ＝Ｏ）との間の遷移である。

ここでＦの値は原子の全（電子と核）角運動量の大きさ
に関するものであり、ＭＦの値は全角運動量の外部磁場
方向への成分に関するものである。１つのレベルから他
のレベルに遷移させるには、レベルのエネルギー差に等
しいエネルギーＥを原子に与えるか、原子から取り去ら
なければならない０すべてのセシウム原子は同等なので
、エネルギーＥはすべての原子に対し同じ値である。

原子に遷移を引起す電磁波の周波数ｆは式Ｅ＝Ｈｆで与
えられる。ここでｈはプランク定数である。セ・シウム
に対するｆの値は約９，１９２．６３１７７０Ｍ１Ｉｚ
である。従来のセシウム原子ビーム管には蒸発源があり
、ここから蒸発したセシウムはコリメータによつて細い
ビームにされて管中を進むようになつている〇このコリ
メートされた原子ビームは、第１状態選択磁石すなわち
Ａ一磁石が提供する強い不均一磁場内に通される。

この磁場内でセシウム原子が受ける力の方向は原子の状
態に依存する。この磁場内で、レベルＦ＝３とＦ＝４は
副レベルに分かれる。ＭＦ−一４以外のＦ＝４状態にあ
る原子のすべては１つの方向に曲げられ、他のすべての
原子は他の方向に行く。本発明による装置においては、
Ｆ＝３状態と（Ｆ＝４，ｍＦ＝−４）状態の原子とがビ
ーム中に残り、他は偏向放棄される。Ａ一磁場を出た原
子は一様な弱い磁場であるＣ一磁場のある中央領域に入
れられ、ＭＦ＝ｏにある原子をＭＦ＼Ｏの原子から確実
に分離する。

この弱い磁場はまた選択されたセシウム原子の空間にお
ける向きを印加するマイクロ波磁場の方向にそろえる。
この中央領域においてセシウム原子には、（Ｆ＝３，ｍ
Ｆ＝０）から（Ｆ＝４，ｍＦ＝０）への遷移を引起す共
鳴周波数をもつ振動磁場が作用させられる。

中央領域を出たビームには、第２状態選択磁石すなわち
Ｂ一磁石によつて強い不均一磁場が加えられる０ここで
Ｆ＝３状態と（Ｆ＝４，ｍＦ＝−４）状態にあるすべて
の原子は偏向放棄される。

ここで偏向放棄されない原子は（Ｆ＝４，ｍＦ＝Ｏ）状
態にある原子で、この原子は上述のように遷移によつて
誘導されたものである。この原子は適当な形式の検出装
置、好ましくは熱線電離装置、質量分析計、及び電子増
倍管からなる装置に入れられる。検出装置に流れる電流
は、マイクロ波の周波数が共鳴周波数に一致しているか
否かで非常に違うので、この電流は増幅されてから、マ
イクロ波の発振器の周波数を制御するサーボ装置を駆動
するのに使われる。

従来のセシウムビーム管は製作が難しく高価であつた。

時間または周波数の原子的基準を得るために使うセシウ
ムビーム管では、構成要素の心合せが重要であり、中心
のずれは周波数基準を狂わせることがある。上述の構成
要素は高精度で所定の位置に配備する必要があり、管を
正しく作動させるためには各構成要素の中心はビームの
軸から０．０２５４ｗｍ以内にあることが要求される。
この高精度は機械的な振動や衝撃、管使用中の温度上昇
に対しても保たれる必要がある。従来の管は、機械的振
動や衝撃に対する剛性と、原子ビーム源の焼成と正規作
動中の周囲温度上昇のために、温度勾配が生じると現れ
る微小な熱膨張による妨害力に適応する柔軟性という矛
盾する２つの要求を満足させるために、管の構成要素か
らなる内部集合体と内側または外側真空密閉容器との間
に複雑な取付装置を使用した。さらに従来の管の構造で
は管が大きく且つ重くなることは止むを得ないことであ
り、このことは航空機や宇宙舶に積み込むというような
重要な用途には向かない。従来のセシウム管のあるもの
に２つの容器を使つて構成された。

第１の容器は内部取付チヤンネルで、これに作動に必要
な構成要素が機械的安定性と断熱性とが保たれるように
固定される。この第１の容器が外側真空容器の中に懸架
される。２つの容器の間では多少動いても差支えないよ
うに作られるので、製造工程はさらに複雑になる。

またこの構造は機械的には比較的弱い。本発明において
は、内部集合体と真空容器とを一体構造にして、この２
者間の支持要素を不要なものにした。

さらに本発明は、後述するように、１０本のねじによつ
て主構造部材（真空容器の１部）に組立てられている３
つの副集合体ユニツトからなるモジユール集合体を提供
する。本発明はまた、従来の管に較べて、よりすぐれた
断熱性、より小さくてより有効な磁石、強弱磁場間のよ
り滑らかな遷移、及びより小さいＣ一磁場摂動をもつた
マイクロ波エネルギーを供給する手段を提供する新規な
特徴を有している。これらの新規な特徴を有する管は従
来の管よりも作動環境によりよく適合し、且つより軽量
である。（従来の管が７．２６Ｋｆに対し、本発明によ
る管は４．０８Ｋｆである。）本発明の設計は高価で複
雑な内部支持構造を除去して、ビームの心軸が正しく保
持されかつ振動や衝撃のような外部からの機械的妨害に
よく耐える簡単なモジユール設計によるビーム管を提供
する。

それと同時に、本発明の設計は熱に敏感な構成要素に対
する断熱性も極めて優れている。本発明による原子ビー
ム管は、真空容器の役割をするものと管が作動するため
の構成要素の役割をするものとが一体構造になつている
。真空容器は重く且つ比較的硬いフレームと、このフレ
ームを覆う比較的薄く且つ柔軟なカバーとからなつて′
いる。

管が作動するための構成要素はフレームに固定されて、
これら要素の心合せが出来るようになつている。柔軟な
カバーは外部からの振動や衝撃を吸収して、これらをフ
レーム、従つて構成要素に伝えないようにしている。こ
のカバーされたユニツトが１つの真空容器となる。管が
作動するための構成要素に周囲から熱が伝わらないよう
にするため、構成要素をフレームに固定する部分の接触
面積を最小にする。例えば、オーブンは比較的長い熱通
路をもつ支持具でフレームに固定される。管がもはや作
動し得ない状態（一般にはセシウムゲツタ一が飽和され
るため）になつたとき、管中の再使用可能な素子を回収
するため、管を解体するのが工業的慣習である。

従来の管を解体するには高い人件費を伴ない、時間を浪
費する大規模な機械作業を必要とした。本発明によるセ
シウムビーム管の作動部は、全部で１０本のねじでフレ
ームに固定された３つのモジユール副集合体からなるの
で、解体は敏速且つ簡単で、モジユールは再使用するこ
とが出来る。セシウムビーム管を作動させるには、既に
述べたように、強磁場（１万ガウス程度）を提供するＡ
一及びＢ一磁石が必要であり、その間にあるＣ−磁場は
弱い磁場（０．０６０ガウス程度）であるが可能な限り
一様でなければならない。

Ｃ一磁場における不連続性はビームがＣ一領域（中央領
域）に入る所と出る所に生じ易い。この不連続は原子に
自発遷移（マジヨラナ遷移）を生じさせて、管の性能を
落とす。本発明は新規な設計のＣ一磁場用巻線を備えて
、Ｃ一領域のビーム開口部におけるＣ一磁場の一様性を
優れたものにしている。一般に、出来る限りコンパクト
で、軽量で構造が簡単なセシウムビーム管が望ましい。
本発明によるＡ一及びＢ一磁石はこのような要求を満足
する構造になつていて、前述のようなモジユール集合体
に特に適している。通常、原子ビーム管を作動させると
き、原子ビーム源を焼成し、真空ポンプで排気している
間は原子ビーム源は密封されたアンプル内にあり、焼成
が完了した最終段階で、真空ポンプによる排気を続けな
がら、アンプルを開く。

アンプルを開くときに出る何等かのガスをこの排気によ
り除去した後、管を密封する。従来、アンプルを開くた
めに多数の方法が使用された。

その１つの方法は、加熱コイルに電流を流してアンプル
の部材を膨張させ、この部材に機械的に結合されている
破壊素子でアンプルを破る方法である。より複雑な従来
の方法は、外部コンデンサからの導線を管内に引込み、
外部コンデンサを放電させるとアンプル部材の所でアー
ク放電が起り、この熱によりアンプルを破る方法である
。これらの方法はアンプルを開くという１操作のためだ
けに使われる部品を備えつける必要があり、特に真空容
器を通して電気エネルギーを伝える手段を設けなければ
ならず、管の構造が複雑になる。本発明は新規なアンプ
ル構造とアンプルを開くための追加部品を必要としない
新規な手段を提供するもので、特に、真空容器を通して
外部から電気的または機械的エネルギー伝達手段を設け
る必要がないのである。他の目的、特徴及び利点は添付
図面を参照して行う以下の本発明の好ましい実施例の説
明から明らかとなろう。

第１図及び第２図に本発明になる原子ビーム管としてセ
シウムビーム管の基本的なビーム形成及び検出器の構成
を示す０液体セシウムがオーブン・アンプル組立体１０
に入つており、この組立体１０は液体セシウムを蒸発さ
せて、前述した２つの安定したエネルギー状態に統計的
に分布する中性のセシウム原子からなるビームを（コリ
メータを通して）放射する。

第１状態選択磁石すなわちＡ一磁石１２は２つのエネル
ギー状態にある原子を副レベルに分け、Ｆ＝３状態と（
Ｆ＝４，ｍＦ＝−４）状態とにある原子を選択し、これ
以外の状態にある原子を偏向させてビーム中に残らない
ようにする。

選択された原子からなるビームは中央領域１４に入る。
この領域には単層プリント配線ソレノイド２２によつて
弱い一様な磁場（Ｃ一磁場）がつくられている。共鳴周
波数のマイクロ波のエネルギーが供給されて、原子は（
Ｆ−３，ｍＦ＝Ｏ）状態から，（Ｆ＝４，ｍＦ＝Ｏ）状
態に遷移する（第７図）。次に、ビーム中の（Ｆ＝４，
ｍＦ＝０）状態に遷移した原子は第２状態選択磁石すな
わちＢ一磁石１６によつて選択され、この状態以外の原
子はビ．ームから偏向放棄される。Ｂ一磁石１６によつ
て選択されたセシウム原子は熱線電離装置２０に衝突し
て１個の電子が剥ぎ取られる。電子１個を失つたセシウ
ムイオンは質量分析計２０７を通つて電子増倍管１８に
入る。電子増倍管１８は熱線電離装置２０に衝突した原
子の数、すなわち中央領域１４で遷移により高いエネル
ギー状態になつた原子の数に比例する出力電流を提供す
る〇第８図に示すように、原子ビーム管１１の出力は制
御信号２６１を発信する制御電子装置２６０に供与され
る０制御信号２６１は水晶発振器２６２に供与される。

水晶発振器２６２の出力は、その周波数（代表的には５
ＭＨｚ）が制御信号２６１によつて制御され、更に周波
数逓倍器２６４によつて共鳴周波数（９１９２ＭＨｚ）
に一致する周波数にされて、原子ビーム管１１に供与さ
れる。水晶発振器２６２と周波数逓倍器２６４とでマイ
クロ波発振器２６６を構成する。出力端子２６８は水晶
発振器２６２の出力信号を取り出すためのものである。
モジユール構成要素の概要 第８図に示した制御方式はこの方面の技術では古くから
存在し、公知である。

本発明は全く新規な設計による３つのモジユール副集合
体からなるセシウムビーム管と管全体を収める新規な容
器とを提供するものである。３つのモジユール副集合体
は、Ｄセシウム・アンプル組立体とイオンポンプと組み
合わさつた第１状態選択磁石、２）質量分析計と組み合
わさつた第２状態選択磁石、３）Ｃ一磁場と中央領域で
ある。

第１図及び第２図に別々にして示してあるオーブン・ア
ンプル組立体とイオンポンプと一緒になつたＡ一磁石１
２は、第２４図では１つのオーブン／Ａ一磁石集合体モ
ジユール２４０として示されている０中央領域１４とＣ
一磁場は、第１図及び第２図には囲まないで示してある
が、第２４図に示すように磁気遮蔽パツケージ１７９内
に収容されている。

Ｂ一磁石１６、熱線電離装置２０、質量分析計２０７及
び電子増倍管１８は、第２４図に示すように、検出装置
集合体モジユール２４４に収められている。第２４図及
び第２５図から分るように、モジユール２４０及び２４
４と磁気遮蔽パツケージ１７９は互いに独立しており、
ビーム管中の集合体単位として構成されていて、後述す
るように１０本のねじで管のフレームに取り付けられる
。これらのモジユール構成要素の詳細を次に述べる。

オーブン／Ａ一磁石モジユールリオーブンとアンプル本
発明によるセシウムビームの供給源となる新規なオーブ
ン・アンプル組立体１０の構造を第３〜６図に示す。

組立体１０にはコリメータ４２とアンプル２７を収納す
る容器２９を有するオーブンとがある。アンプル２７は
薄い（０．３８７ｍ）側壁の円筒形シエル３０と充填管
３８をもつ頂部３７とを有する。円筒形シエル３０と頂
部３７とで１つの囲いを形成する。円筒形シエル３０の
、頂部３７とは反対の端には孔４９がある。

カツプ状底部３４が孔４９に共融金属３２で密着される
が、約６００℃の温度になるとシエル３０は底部３４を
支えることが出来なくなるようにつくられる。このよう
な共融金属の例として銅４５％とインジウム５５（ｆ）
の合金がある。弱いばね３５が底部３４と頂部３７との
間に圧縮されて入つている。円筒形シエル３０、頂部３
７及び底部３４で形成する１つの囲いの中に液体セシウ
ムを入れてから充填管３８を押し込んでヘリアーク溶接
により閉鎖する。

熱伝導性の良い金網３６が容器２９内のアンプル２７を
取囲む。

金網３６は熱伝達素子とアンプル保持具の役をする。ア
ンプル２７は容器２９の中に入つているが、容器２９を
構成する外側の鋼製円筒２８の下部は細められて環状凹
所４０を形成している０環状凹所４０に下部フランジ４
１をもつ溶接アダプタ３９が半田付けされる。

アンプル支持具４３は逆カツプ状底部４４と間隔を置い
て配置された３つの保持具４５とからなる。逆カツプ状
底部４４がヘリアーク溶接部４６（第４図）で下部フラ
ンジ４１の内側に溶接されて、容器２９の下方が密封さ
れる。これで底部３４を囲み且つ金網３６と連通する取
囲まれた容器空間５１が形成される。アンプル２７はそ
の底部３４が保持具４５の中にはまつてアンプル支持具
４３の上に載る〇セラミツク製支持具８８で保持された
タンタルヒーター線９０，９２がそれぞれ石英管８０，
８２を通してコリメータ４２の部分から容器２９の中に
挿入されている。

このヒータ線でアンプルが熱せられて、６００℃になる
と共融金属が溶けて、アンプルが開かれる０すなわち、
アンプル２７中のセシウムの蒸気圧とばね３５の合力が
、共融金属３２の封印力に打勝つと、底部３４をシエル
３０から押し外して、アンプル中のセシウムがアンプル
の外に出る。その後、タンタルヒーター線９０，９２は
オープン・アンプル組立体１０全体を作動温度９『Ｃに
保つために使われる。

この温度で液体セシウムはゆつくり蒸発して金網３６を
通つてコリメータ４２へ拡散してゆく。コリメータ４２
は１つの方向へ進むセシウムビームを発射する小ビーム
管の束と機能的に同等である。コリメータの構造は公知
のものであり、ここでは詳述しない〇オーブン支持構造
は外部とは熱的絶縁がよいようになつている。

オーブンは真空中で作動するので、対流による熱損失は
ない。熱損失の大部分は輻射により、僅かの部分が伝導
によるものである。オーブン支持構造はステンレススチ
ールのような貧弱な熱伝導度をもつ材料で造られ、後述
するようにオーブン・アンプル組立体１０をＡ一磁石集
合体に固定するための耳部１００，１０２をもつている
。更に、支持構造の耳部１００，１０２とＡ一磁石集合
体との間に挿入される０．０７６ｗｍのシム９９が熱伝
導を阻む。よく磨かれたアルミニウム製の輻射シールド
１０４がオーブンの大部分を取囲んでオーブンからの輻
射熱損失を阻止する。記載された設計のオーブンは２ワ
ツト以下で作動する。オーブン／Ａ一磁石モジユール：
Ａ一磁石とイオンポンプ第９〜１２図から分かるように
、永久磁石１１１の磁場は第１状態選択磁石（Ａ一磁石
）１２とイオンポンプ１１０のために分けられる０イオ
ンポンプ１１０は不要なガスを除去して作動中真空を保
つための役をする。

永久磁石１１１は略Ｃ字形をなすが、ビーム粒子の選択
とイオンポンプとのために磁極部に凹入部分が形成され
ている。永久磁石１１１の軸はビームと平行である。公
知の設計の凸形と凹形の軟鉄製ポールピース１１２と１
１４が永久磁石１１１の磁極に固定されて、第１状態選
択磁石１２の不均一磁場をつくつている。

永久磁石１１１の磁極部の凹入によつて出来た凸部１０
８，１０９には円板状ポールピース１１６，１１８がつ
けられて、このポールピース１１６，１１８間に置かれ
る。

イオンポンプ１１０のための磁場をつくる。イオンポン
プは公知の適当な形式のものでよい〇永久磁石１１１ほ
Ａ一磁石１２としてイオンポンプ１１０のためとの２つ
の永久磁石の役目をする。

磁場の大きさはＡ一磁石としては約１万ガウスで、イオ
ンポンプのためには１０００ガウスである。このコンパ
クトな設計は原子ビーム管を従来のものよりもより小さ
く、より軽量且つより安価にし、更に本発明のようにモ
ジユール方式にするのに適している。磁気遮蔽１３２が
永久磁石１１１の路上半分を覆つて、この磁石と中央領
域１４のモジユールとの間に位置している。

遮蔽１３２には孔１３８があり、この孔を通つて原子ビ
ームはＡ一磁石１２から中央領域１４へ進む。更に、遮
蔽１３２があるために、Ａ一磁石の位置における１万ガ
ウスの強磁場から中央領域１４においてＣ一磁場の０．
０６０ガウスという弱磁場に変えることができるＯブラ
ケツト１３４と１３６とを備えた取付板１２８が永久磁
石１１１のビーム入射側に取り付けられる。

磁気遮蔽１３２、ステンレス鋼製スペーサ１１３、磁石
１１１、及びもう１対のステンレス鋼製スペーサ１１７
の全部が、それぞれにあけられた孔を通つたねじ１１５
と取付板１２８にあけられたねじの切られた孔とで固着
される。オーブン・アンプル組立体１０は耳部１００，
１０２とによつてブラケツト１３４，１３６に固定され
る０ブラケツト１３４，１３６は塊状でなく、表面積の
大きい構造になつているので、オーブンからブラケツト
が固定される外側フレームまでの熱通路は比較的長くな
つている。０．０７６ｍのシム９９が耳部１００，１０
２とブラケツト１３４，１３６との間に挿入されるので
断熱性は更によくなる。

オーブン・アンプル組立体とイオンポンプ１１０と組み
合わさつたＡ一磁石１２はオーブン／Ａ−磁石集合体モ
ジユール２４０（第２４図）を形成する。

Ｃ一磁場／中央領域モジユール 第１，２及び２４図から分かるように、Ｃ一磁場、中央
領域１４は、後述する磁気遮蔽を含めて、磁気遮蔽パツ
ケージ１７９内に収められている。

既に述べたように、Ａ一磁石１２で選択されたセシウム
ビームは、−次に中央領域１４に入る。この領域には、
新規な設計による単層プリント配線ソレノイド２２によ
つて、ビームに直角な方向に０．０６０ガウス程度の弱
い一様な磁場（Ｃ一磁場）がつくられている。このソレ
ノイド２２の構造と取付方法を第１３〜１９図を参照し
て説明する。第１５図に示すように、ソレノイド２２の
導線は厚さ０．０５１ｍのポリアミド製基板１５２に接
着された薄い銅板から公知のプリント配線技術のエツチ
ング法によつて作製する０基板１５２の一般的な形状と
一様な間隔に引かれた８本の導線１５０−１〜１５０−
８が第１５図に示されている。はと目孔３０７が導線１
５０の各端部に設けられる。このプリント配線ソレノイ
ドは非常に均一な断面積及び定電導度をもつ薄く、幅広
で且つ互いに接近した導線を提供する。第１５図に示す
プリント配線は、第１４図に示すように矩形状にされ、
導線１５０のはと目端が隣の導線のはと目端に一致する
ように次々にずらされて、全体の導線は等間隔に巻かれ
た単層の螺旋状巻線になるように組立てられる。

ずらされて一致した導線１５０のはと目端における電気
的接続はインジウムワツシヤ一（図示せず）を使つて溶
接し、更にはと目孔にリベツト３０８を通して固定する
。ソレノイドへの電気的接続は、螺旋状巻線の両端のは
と目孔付パツド３０４，３０６に導線を半田付けするこ
とによつてなされる〇単層プリント配線ソレノイド２２
には、ビームに対しては直角をなすが、お互いに平行な
端部１４０，１４２がある。ソレノイド２２の巻線はセ
シウムビームの断面を横切ることになるから、導線１５
０−４と１５０−５を切断してしまう大きさの開口２７
０と２７１とをそれぞれ端部１４０と１４２とに設けな
ければならない。基板１５２の開口２７０は２つの対向
縁部１４４（第１５図）があり、これが連続した導線１
５０の２本の隣接する導線１５０−４及び１５０−５の
細片を切断して端部１２２を形成するので、この端部を
接続する必要がある。

加えて、前に説明したように、ビーム原子に好ましくな
い遷移を起さないよう、開口部におけるＣ一磁場の一様
性を保つ必要がある。本発明においては、既に述べたと
同じプリント配線材料で出来た、それぞれ開口３１９が
あけられている２枚のパツチ３１８を使つて端部１２２
を電気的に連結し、Ｃ一磁場の一様性を保つようにして
いる。

開口３１９の縁に沿つて曲げられはと目孔のついたジア
ッパ１６６，１６８がベース３２０に接着されている０
第１４及び１７図に示すように、ジアッパ１６６，１６
８と端部１２２とを、それらのはと目孔を通るリベツト
１８２に半田付けすることにより、パツチ３１８がソレ
ノイド２２に組み込まれる。こうして、開口２７０，２
７１があつても導線１５０全体に電流が流れることにな
る。ジアッパ１６６，１６８は開口２７０，２７１のそ
れぞれの周りに電流を流し、開口の縁は２倍の磁化力を
もつので、開口部でのＣ一磁場の一様性は殆んど失われ
ることはない。この構造は開口がなくて一様に電流が流
れている理想的な場合に対して非常に近い近似を与える
。ソレノイド２２の周りの電気的絶縁は基板１５２と同
じ形状につくつたポリアミド板１８４と１８６とを、第
１４図に示すように基板１５２を狭むようにして置くこ
とにより保たれる。

内部磁気遮蔽パツケージ ２枚のポリアミド板１８４と１８６、２枚のパツチ３１
８が取り付けられたソレノイド２２は、第１８図に示す
ように、内部磁気遮蔽１５４の中に入れられ、内部磁気
遮蔽底板１５６の上に載せられて、底板１５６とアルミ
ニウム板２８２とを通るリベツトによつて所定の位置に
保持される。

開口２７０と２７１とがくる位置には開口２７０と２７
１に一致する開口を有するアルミニウム板２８０が備え
られる。フロツプコイル１９２（第２及び１８図）が中
央のアルミニウム板２８２の上に載つて、ビーム軸と同
軸になるように内部磁気遮蔽１５４で支持されている。

このコイルＣ一磁場ソレノイド電流の調整のため２０Ｋ
Ｈｚの電気信号を出すもので、．従来公知の方法で使用
されるので、これ以上詳述しない。ビームに平行な内部
磁気遮蔽１５４（第１８図）の側面はソレノイド２２の
つくる磁力線を吸い込む。

それ故、ソレノイド２２を貫いて生じる磁場は、無限に
長いソレノイドがつくる、セシウムビーム通路に垂直な
一様な磁場であるということが出来る。内部磁気遮蔽１
５４は、その外側にある外部磁気遮蔽１５７と共に、Ａ
一及びＢ一磁石によつてつくられる強磁場から遮蔽し、
且つ中央領域１４を外部の擾乱磁場から遮蔽する。マイ
クロ波放射 第１，２，１３，１８，１９及び２５図に示すようにマ
イクロ波は、標準１ラムゼ゛型の導波管１９０によつて
中央領域１４に供給される。

この型の導波管は公知であるので説明はしない。機械的
な衝撃や振動に対する保護と真空容器とが別個に構成さ
れていた従来の原子ビーム管では、この２つの構成体間
に僅かな相対的運動があつても支障を来たさないように
、マイクロ波装置と真空容器との間には柔軟性のある接
続法が必要であつた０このような柔軟性は、磁気遮蔽底
板に設ける開口を゛、直径５ｃｍ位の大きなものにしな
ければならなかつた。このような大きな開口はＣ一磁場
の一様性を乱し、これを補償するために、例えば米国特
許第３６７０１７１号に記載されているような゛阻止装
置゛を設けなければならない〇本発明における機械的支
持方法と真空容器とが一体になつている構造では、この
ような相対的な運動が起らない。従つて導波管１９０の
入力アームは、内部遮蔽底板１５６の下面にしつかりと
鑞付けすることが出来る。この構造は磁気遮蔽体に設け
る開口を大きくする必要がなく、比較的小さな開口１９
４、約２．５４ｃｍ×１．２７ｃｍを底板１５６に設け
ればよい（第１８図）。このような小さな開ＵａｌＩま
、Ｃ一磁場にほんの僅かの擾乱しか起さず、１阻止装置
１又は他の補償手段を構する必要はなく、従つてこの構
造は有利である。外部磁気遮蔽パツケージ 第１８及び１９図から分かるように、内部磁気遮蔽パツ
ケージは外部磁気遮蔽１５７と外部磁気遮蔽底板１５９
の中に収められる。

セシウムビームのための開口１６７と１６９とが外部磁
気遮蔽１５７に設けられている。外部及び内部磁気遮蔽
パツケージと中央領域１４とで磁気遮蔽パツケージ１７
９（第２４図）が形成される。第２状態選択磁石（Ｂ一
磁石）／検出装置モジユーノレ第２０〜２３図に示すよ
うに、それぞれ略馬蹄形をした永久磁石１９８と１９９
とがビーム軸を含む水平面内に位置して検出器台１９６
に固定されている。

磁石１９８と１９９のつくるビーム軸上にある２つの磁
極間隙は略１８０く離れ、第１の間隙は中央領域１４よ
りもビームの下流にあり、第２の間隙は更に下流にある
０Ａ一磁石のポールピースと同じ形状の軟鉄ポールピー
ス２００と２０１が、磁石１９８と１９９の第１の磁極
間隙に取り付けられている。ポールピース２００と２０
１は磁石１９８と１９９とによつて磁化されて、第２状
態選択磁石（Ｂ一磁石）１６として働く。１対のポール
ピース２０４が磁石１９８と１９９の第２の磁極間隙に
、ビーム軸から僅かに横にずらされて、取り付けられて
いる。

１対のポールピース２０４は磁石１９８と１９９とによ
つて磁化されて、質量分析計２０７として働く。

従つて、１対の永久磁石１９８と１９９とがつくる磁気
回路が直列になつていて、第２状態選択磁石として働い
た後、質量分析計として働くというわけである。この組
み合わせは、本発明によるセシウムビーム管を従来の原
子ビーム管に比してより小型且つ軽量にする。検出器台
１９６には熱線電離装置２０を有する熱線電離装置組立
体２１を固定するための３つの取付突起がある。

シールドされた電子増倍管１８が検出器台１９６の下に
取り付けられ、検出器１９６に設けられた開口２０３と
電子増倍管１８の開口２０５とが同じ位置に来る０Ｂ一
磁石１６、質量分析計２０７、熱線電離装置組立体２１
及び電子増倍管１８とで検出装置集合体モジユール２４
４を構成する（第２４図）。中央領域１４（第２図）を
通つて出てくるセシウム原子のビーム中には遷移をした
原子と放棄されるべきその他の原子とがある。

第２状態選択磁石すなわちＢ一磁石１６によつて選択さ
れる原子は熱線電離装置２０に衝突するが、この装置は
標準型で説明の要はない。熱線電離装置２０は衝突した
中性のセシウム原子から１個の電子を奪い、正に帯電し
たセシウムイオンを再放射する。セシウムイオンは次に
、質量分析計２０７によつて、不可避的に混入している
不純物原子から分離されて電子増倍管１８へ向う。電子
増倍管１８は入射したイオンの数に比例する増幅出力を
提供する０・外部パツケージ第２４及び２５図に示すよ
うに、本発明による原子ビーム管の外部パツケージは、
厚さ３．１７ｗｍのステンレス鋼板からなる硬い底板２
１０と厚さ０．１ｗｎのステンレス鋼箔でつくられた比
較的薄く柔軟性のあるカバー２１２からつくられる。

底板２１０には必要な電力及びマイクロ波入力を取り入
れるための真空密封の接続ピンが備えられている。マイ
クロ波発振器は標準品であるので詳細な説明はしない。
先に説明した３つの主な副集合体すなわぢモジユール１
７９，２４０及び２４４は底板２１０に固定される。オ
ーブン／Ａ一磁石集合体モジユール２４０は底板２１０
上の支持台２２２と２２４に２本のねじ４００で固定さ
れる。

従つて、オーブン・アンプル組立体１０からセシウムビ
ーム管の外へ熱が伝わるにはブラケツト１３４，１３６
から支持台２２２，２２４を通り底板２１０へ行く通路
を通らなければならない。この構造は熱通路を比較的長
くするので、オーブン・アンプル組立体１０を熱的に外
部から遮断する助けとなる〇磁気遮蔽パツケージ１７９
は底板２１０上の４本の支柱２２６に４本のねじ２２８
で固定される〇検出装置集合体モジユール２４４は底板
２１０上のブラケツト２３４と２３６に４本のねじ２３
７で固定される。

検出器台１９６とブラケツト２３４と２３６が熱線電離
装置２０からビーム管の外へ至る熱通路を比較的長いも
のにしている。カバー２１２は、入力供給用の接続ピン
への必要な接続が終つた後に、底板２１０に溶接される
。

ついで管は、高温に保つた状態で、中を真空にする。原
子ビーム管のこのモジユール構造と、各モジユールすな
わち副集合体が個々に、単一の容器の硬いフレームに最
小の支持点で固定されていることは、モジユールの構成
要素を熱的に外界から遮断し且つ外界からの機械的擾乱
からも保護するという両者を満しながら、モジユールの
心合せと保持を容易にしている。

同時に、比較的柔軟なカバーが溶接の際に入つた熱的及
び機械的応力に順応している。厚い材料で容器全部を造
つた場合はこのような順応性はなく、心合せも困難にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は原子ビーム管の主要なビーム形成及び検出素子
の構成図、第２図は第１図に示す原子ビーム管の斜視図
第３図はオーブン及びアンプルの構成要素の分解図、第
４図はアンラ゜ルの断面図、第５図は組立てたオーブン
を示す図、第６図は反射装置及び支持装置をもつオーブ
ンを示す図、第７図は基底状態にあるセシウム１３３の
ゼーマンエネルギー線図、第８図は本発明による原子ビ
ーム管を使用する際に使う制御回路のプロツク線図、第
９図は第１状態選択磁石及びイオンポンプの斜視図、第
１０図は第１状態選択磁石とその遮蔽体及び支持体の分
解斜視図、第１１図及び第１２図はそれぞれ第１状態選
択磁石とイオンポンプの側面図及び横断面図、第１３図
は導波管及びＣ一磁場コイルの斜視図、第１４図は一部
を破断して示すＣ一磁場コイルの斜視図、第１５図は展
開したＣ一磁場コイルの平面図、第１６図はビーム開口
部における組立てられたＣ一磁場コイルの断面図、第１
７図はビーム開口部におけるＣ一磁場コイルの導線の断
面図、第１８図は磁気遮蔽パツケージと内部の分解図、
第１９図は中央部近くの外部パツケージと内部の断面図
、第２０図はＢ一磁石と検出器の斜視図、第２１図は第
２０図の一部と支持装置とを示す図、第２２図及び第２
３図はＢ−磁石と検出器の平面図及び背面図、第２４図
は外部パツケージと接続部及びモジユールユニツトの分
解図、第２５図は第２４図に示す組立てられたユニツト
の縦断面図である。 符号の説明、１０・・・・・・オーブン・アンプル組立
体、１１・・・・・・原子ビーム管、１２・・・・・・
第１状態選択磁石（Ａ一磁石）、１４・・・・・・中央
領域、１６・・・・・・第２状態選択磁石（Ｂ一磁石）
、１８・・・・・・電子増倍管、２０・・・・・・熱線
電離装置、２１・・・・・・熱線電離装置組立体、２２
・・・・・・単層プリント配線ソレノイド、２７・・・
・・・アンプル、２８・・・・・・銅製円筒、２９・・
・・・・容器、３０・・・・・・円筒形シエル、３２・
・・・・・共融金属、３４・・・・・・カツプ状底部、
３５・・・・・・弱いばね、３６・・・・・・金網、３
７・・・・・・頂部、３８・・・・・・充填管、３９・
・・・・・溶接アダプタ、４０・・・・・・環状凹所、
４１・・・・・・下部フランジ、４２・・・・・・コリ
メータ、４３・・・・・・アンプル支持具、４４・・・
・・・逆カツプ状底部、４５・・・・・・保持具、４６
・・・・・・ヘリアーク溶接部、４９・・・・・・孔、
５１・・・・・・容器空間、８０，８２・・・・・・石
英管、８８・・・・・・セラミツク製支持具、９０，９
２・・・・・・タンタルヒーター線、９９・・・・・・
シム、１００，１０２・・・・・・オーブン支持構造の
耳部、１０４・・・・・・輻射シールド、１０８，１０
９・・・・・・突出部、１１０・・・・・・イオンポン
プ、１１１・・・・・・永久磁石、１１２，１１４・・
・・・・ポールピース、１１３，１１７・・・・・・ス
テンレス鋼製スペーサ、１１５・・・・・・ねじ、１１
６，１１８・・・・・・ポールピース、１２２・・・・
・・端部、１２８・・・・・・取付板、１３２・・・・
・・磁気遮蔽、１３４，１３６・・・・・・ブラケツト
、１３８・・・・・・孔、１４０，１４２・・・・・・
端部、１４４・・・・・・対向縁部、１５０−１〜１５
０−８・・・・・・導線、１５２・・・・・・基板、１
５４・・・・・・内部磁気遮蔽、１５６・・・・・・内
部磁気遮蔽底板、１５７・・・・・・外部磁気遮蔽、１
５９・・・・・・外部磁気遮蔽底板、１６６，１６８・
・・・・・ジアッパ １６７，１６９・・・・・・開口
、１７９・・・・・・磁気遮蔽パツケージ、１８２・・
・・・・リベツト、１８４，１８６・・・・・・ポリア
ミド板、１９０・・・・・・導波管、１９２・・・・・
・フロツプコイル、１９４・・・・・・開口、１９６・
・・・・・検出器台、１９８，１９９・・・・・・永久
磁石、２００，２０１，２０４・・・・・・ポールピー
ス、２０３，２０５・・・・・・開口、２０７・・・・
・・質量分析計、２１０・・・・・・底板、２１２・・
・・・・カバー、２２２，２２４・・・・・・支持台、
２２６・・・・・・支柱、２２８，２３７・・・・・・
ねじ、２３４，２３６・・・・・・ブラケツト、２４０
・・・・・・オープン／Ａ一磁石集合体モジユール、２
４４・・・・・・検出装置集合体モジユール、２６０・
・・・・・制御電子装置、２６１・・・・・・制御信号
、２６２・・・・・・水晶発振器、２６４・・・・・・
周波数逓倍器、２６６・・・・・・マイクロ波発振器、
２６８・・・・・・出力端子、２７０，２７１・・・・
・・開口、２８０，２８２・・・・・・アルミニウム板
、３０４，３０６・・・・・・はと目孔付パ゛ンド、３
０７・・・・・・はと目子Ｌ．３Ｏ８・・・・・・リベ
゛ント、３１８・・・・・・パツチ、３１９・・・・・
・開口、３２０・・・・・・ベース、４００・・・・・
・ねじ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 制御した原子粒からなるビーム供給源、前記ビーム
   内の前記粒子の一部分を選択する第１状態選択磁石、前
   記選択したビーム粒子にマイクロ波による共鳴遷移を起
   させるための、前記第１状態選択磁石の下流にある中央
   領域、前記中央領域内に弱い均一磁場を発生する装置、
   前記共鳴遷移を受けたビーム粒子を含む前記ビームの他
   の部分を選択するための前記中央領域の下流にある第２
   状態選択磁石、及び前記他の部分における前記粒子に応
   答する検出装置とを含んでいる原子ビーム管であつて、
   前記原子ビーム管は、軸が前記制御したビームと平行で
   磁極部に凹入部分が形成された略Ｃ字形の永久磁石を有
   し、磁極部に凹入部分があるため磁極間隙は２つあり、
   第１の間隙には凸形と凹形のポールピースを取付けて不
   均一磁場をつくつて前記第１状態選択磁石として使用し
   、第２の間隙には円板状ポールピースを取付けてイオン
   ポンプのための磁場をつくることを特徴とする原子ビー
   ム管。 ２ 制御した原子粒ビーム供給源、前記ビーム内の前記
   粒子の一部分を選択するための第１状態選択磁石、前記
   選択したビーム粒子にマイクロ波による共鳴遷移を起さ
   せるための、前記第１状態選択磁石の下流にある中央領
   域、前記中央領域内の前記ビームに対し直角な方向に弱
   い均一磁場を発生するためのＣ−磁場発生装置、前記共
   鳴遷移を受けたビーム粒子からなる前記ビームの他の部
   分を選択するため前記中央領域の下流にある第２状態選
   択磁石、及び前記他の部分内の前記粒子に応答する検出
   装置を含んでいる原子ビーム管であつて、前記Ｃ−磁場
   発生装置は前記制御したビームの通路を含むビーム平面
   内に大体において横たわるループを形成する等間隔に巻
   かれた単層の螺旋状巻線からなり、前記ループは前記ビ
   ーム通路を横切り且つ互いに平行な２つの端部を含み、
   前記各端部は前記螺旋状巻線に隣接した少くとも２つに
   おいて巻線を遮断する第１及び第２対向縁を有するビー
   ム開口を含んで前記対向ビーム開口縁部の各々に隣接し
   た２つの内端部を備え、更に前記ビーム開口に隣接した
   少くとも２つのジャンパを設け、前記各ジャンパは前記
   第１開口縁部に隣接した前記螺旋状巻線内端に接続され
   る第１ジャンパ端及び前記対向第２縁部に隣接した前記
   螺旋状巻線の前記内端に接続された第２ジャンパ端を有
   し、それにより前記螺旋状巻線は前記ビーム開口の周り
   の前記ジャンパを通して連続導電路を備え、且つ前記開
   口に隣接した前記磁場は前記ループの他の部分における
   より大きい磁場を有することを特徴とする原子線ビーム
   管。 ３ 制御した原子粒からなるビーム供給源、前記ビーム
   内の前記粒子の一部分を選択する第１状態選択磁石、前
   記遷移したビーム粒子にマイクロ波による共鳴遷移を起
   させるための、前記第１状態選択磁石の下流にある中央
   領域、前記中央領域内に弱い均一磁場を発生する装置、
   前記共鳴遷移を受けたビーム粒子を含む前記ビームの他
   の部分を選択するための前記中央領域の下流にある第２
   状態選択磁石、及び質量分析計を含む前記ビームの前記
   他の部分内の前記粒子に応答する検出装置とを含んでい
   る原子ビーム管であつて、前記原子ビーム管は１８０度
   離れて２つの磁極間隙を備えるように方向づけられ、前
   記第１の間隙は前記ビーム通路内の前記中央領域の下流
   にあり且つ第２の間隙は前記第１間隙の下流にある、１
   対の馬蹄形永久磁石、前記第１間隙内にあり且つ前記永
   久磁石により磁化される第１のポールピース及び前記第
   ２間隙内にあり且つ前記永久磁石により磁化される第２
   のポールピースとを備えており、それにより前記第１の
   ポールピースは前記第２状態選択磁石として働き、そし
   て第２のポールピースは前記検出装置内の前記質量分析
   計として働き、前記第２状態選択磁石と前記質量分析計
   の磁気回路が直列になつていることを特徴とする原子ビ
   ーム管。 ４ 原子ビーム管であつて、外部容器、原子粒からなる
   ビーム供給源、前記ビーム内の前記粒子の一部分を選択
   するための第１状態選択磁石、前記選択したビーム粒子
   にマイクロ波による共鳴遷移を起させるための、前記第
   １状態選択磁石の下流にある中央領域、前記中央領域内
   に弱い均一磁場を発生するための装置、前記共鳴遷移を
   受けたビーム粒子からなる前記ビームの他の部分を選択
   するため前記中央領域の下流にある第２状態選択磁石、
   及び前記他の部分内の前記粒子に応答する検出装置とか
   らなつており、前記供給源と前記第１状態選択磁石は第
   １副集合体モジュールを構成し、前記中央領域と弱い均
   一磁場を発生するための前記装置は第２副集合体モジュ
   ールを構成し、そして前記第２状態選択磁石と前記検出
   装置は第３副集合体モジュールを構成し、前記外部容器
   は硬い底板と柔軟なカバーとからなり、前記底板とカバ
   ーとで真空容器を形成するように密封され、前記３つの
   副集合体モジュールは前記底板に個々に且つ取外し可能
   に固定されることを特徴とする原子ビーム管。