JPS6324684A - メーザ用の電気共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に原子又は分子のメーザ装置、ことに水
素メーザ周波数標準器用の共振器の改良に関する。

原子周波数標準器は、原子又は分子の十分に限定された
２つのエネルギー準位間の遷移を受ける原子種又は分子
種から湧導される基本共振系を持つ装置である。遷移は
電磁スペクトルの適宜な区域のマイクロ波領域で起る。

遷移は、電圧制御水晶発撮器（ｖｃＸｏ）の周波数を電
子装置により保持することのできる極めて安定な周波数
基準として使われる。すなわち原子基準周波数に伴う高
い安定性及び相対的不感度がこのことによってｖｃｘ。

に移る。

水素、七シウム及びルビジウムの周波数標準器は、通常
５　ＭＨｚ又はｉ　Ｑ　ＭＨｚの水晶発振器の周波数を
、極めて長期の著しく正確かつ安定な基準に割当てられ
た出力全維持するようにした物理的パッケージ及び協働
する電子装置によって制御する原子制御発振器である。

水晶発振器ｔ−原子遷移の周波数に適正に従属させるこ
とにより水晶がエージングと他の固有の又環境士の影響
とに基づいてドリア）１−示す傾向は著しく抑制される
。

水素メーデ周波数標準器では水素は、通常容器内に圧力
のもとに貯えられ高温のパラジウム−銀合金拡散壁を通
過しこれにより浄化される。この拡散壁は水素束及びこ
れに続いてビーム強さの制御作用を生ずる。水素は分子
の形で、二原子水素を原子水素に解離する解理室によフ
仕切られた放電内に導入する。次いで得られる水素原子
は、低圧領域に出て平行にビームになジ、通常数鵡の直
径の通路を持つ状態選択装置を経て向きを定められ集束
する。この状態選択装置は、極先端で一般に約０．７　
Ｔ又はそれ以上の磁束密度金持つ大極又は四極の磁石で
ある。状態選択装置は、不均一の磁界を生じ、原子を一
層低い超微細エネルギー状態に引入れるように作られ、
高い超微細状態を持つ水素原子をマイクロ波界領域に位
置する高いＱ−空胴共振器内に入れることができる。こ
の空胴共振器内で水素の原子は約１．４ＧＨｚの共振周
波数でマイクロ波界との相互作用を受ける。

選定した水素原子を差向ける空胴共振器は、磁気遮蔽に
より囲まれ、内部ンレノイド°を設けである。この内部
ソレノイドはマイクロ波領域に加えられる弱い実質的に
−様な磁界を生じて、超微細状態の互いに異なる副準位
を互いに隔離しゼーマン効果が二次である場合にこれ等
の準位間だけに遷移が生ずるようにする。

空胴共振器は、その壁との衝突による原子摂動を減らす
ように特殊な組成物一般にふつ化炭素又は類僚物をこの
空胴共振器の壁に被覆することにより、マイクロ波界に
対する原子の極めて長い相互作用時間が得られるように
しである。マイクロ波界とのこの相互作用により水素原
子を選定したエネルギー状態に誘導して低い方の状態に
遷移させて、精密な周波数のエネルギーをこのマイクロ
波界に放射する。能動メーデシステムでは、空胴共振器
内の原子密度が得られる誘起遷移により空胴損失を相殺
する以上に十分なコヒレントエネルギーを放射するよう
な密度であるときに、メーず振動が自動持続性を持つ。

空胴共振器から出る水素は、真空システムにより、一般
に高速ブラタポンプと共にチタンスパッタイオンポンプ
により容易に取出すことができる。

これ等の両ポンプは一般に各別の真空室内に納めである
。このようなポンプに使われるブラタ材料にはＺｒ−Ａ
４、Ｚｒ−Ｃ及びＺｒ−ＶＣ７）各合金がある。

前記した一般条件は能動メーデモード、すなわち適当な
共振構造内に放射線のコヒレント誘発放出が存在するメ
ーザ原理自体を使うメーデモードに関連するものである
が、別なモードすなわち標準周波数発生器に対し使われ
るいわゆる受動モードもある。この受動モードでは所望
の量子１啓を受ける粒子（すなわち原子又は分子）と補
助放射線源（従属発振器）との組合せを使い、放射線の
周波数が公称周波数に近いときに起る遷移を生じさせる
。すなわち受動式周波数標準器では、補助周波数発生器
により生ずる適正な周波数の電磁信号によ）原子共振を
探査しなければならないが、能動式周波数標準器では原
子共振周波数の自動持続振動が存在する。

本発明は、誘電性材料から形成され互いに間隔を隔てた
外面及び内面を持つ容器を備えた電気式空胴共振器に係
わる。前記容器はその外面に導電性層を形成しである。

この容器の内面は、エネルギー状態最少化被覆を表面に
接着した内部空胴を仕切る。前記容器は、各エネルギー
準位における遷移を受ける原子種又は分子種の空胴内の
半径方向砧界への露出を制限する手段を備えている。前
記容器には又その一端部に容器内部に連通ずる穴を設け
である。

本発明の重要な特長は、各エネルギー準位の遷移を受け
る各種を除去し又は排除する手段にある。

この場合これ等の種は、高周波磁界が純粋に半径方向に
なる。すなわち力線がこの容器の中心軸國から半径方向
に延びる容器端部頌域から排除される。共振器の２つの
端部は誘電性材料を充てんされ従って原子又は分子の種
の入込むことのできない佃域になる。これ等の禅が存在
しないことにより、これ等の種は、半径方向の大きい磁
界すなわち前記容器の各端部に近接する磁界が存在する
領域内には持束されないが、中心磁力線が容器の縦方向
軸線に沿い軸線方向に一層近くなる場合に磁界内で遷移
を受ける。このことは、半径方向の高周波の大きさを減
らすことによりクランゾトン効果と称する周波数シフト
の減小を生ずる点で有利である。この改良により外部直
流磁界を変えることに基づくメーデ周波数変化の減少す
ることが仮定できる。クランプトン効果周波数シフトは
厖子貯蔵頌域にわたシ半径方向ｒ、ｆ、磁界振幅及び半
径方向直流磁界振幅の相乗積の平均に比例するのは明ら
かである。本発明では、ｒ、ｆ、磁界を原子貯蔵領域内
で一層軸線方向に近くすることによりそしてｒ、ｆ、及
び直流の半径方向磁界が一層太きい振幅を持つ容器の端
部に近接する原子を排除することにより、前記の平均の
値を減小させる。

本発明による原子共振装置は原子種の集団を減圧のもと
て気体状態で収容する空胴を形成する手段を備えている
。この空胴形成手段は、お電性材料から形成され容器主
要部分を構成する外面及び内面を持つ容器により形成さ
れる。この容器の内面は容胴共振器を形成する。この空
胴共振器は前記容器に対し原子種を導入し又引出すよう
にこの容器の外部部分から内部部分に軸約方向及び半径
方向に連通する穴を形成しである。前記空胴はその内面
にエネルギー状態最少化組成物から成る薄い被覆を設け
て、前記内面に対する前記原子種の相互作用を実質的に
減らすようにしである。前記容器はその外面に、所定の
配置の薄い導電性外層と、容器の各端部壁に近接しこの
容器から原子種を排除する手段と、前記の原子種の集団
を量子化するように強さの弱い磁界を生ずる手段と、原
子種の集団に電磁的に結合され原子種の自然の原子超微
細共振周波数に実質的に同調する共振回路を形成しこれ
等の原子種から極めて安定な周波数及びスペクトル純度
を持つ電磁波エネルギーを受けるようにした手段とを備
えている。

空胴共振器は原子又は分子のメーデ装置の重要な部品で
ある。とくに大学や政府の研究所では水素メーデ周波数
標準器に対し幾つかの構造が使われている。

第６０回アニュアルφシンポジウム・オン・フリクエン
シー・コントロール（Ａｎｎｕａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕ
ｍｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）の会報
（１９７６年）の第４７３ないし４８０頁のフォール（
Ｗａｌｉ　）等の論文には、原子重用の入口及び出口金
持つ端板と末端板とを備えた円筒体から成る受動水素共
振器について記載しである。前記の各板は円筒体に密封
状態で連結され空胴を形成しである。この円筒体は二酸
化けい素又は石英から作られ、各為板はアルミニウムか
ら作っである。空胴を仕切る内面はテフロンで被覆しで
ある。さらにノ・つ（Ｗｏｗｓ　）等は第３３回アニュ
アル・シンポジウム・オン・フリクエンシー・コントロ
ール（１９７９年）の会報の第５５４ないし５６２頁に
、酸化アルミニウムから作った円筒体及び各端板から成
シ、前記円筒体の外面部分は銀で被覆され前記各端板も
又連続した銀被覆を被覆しであるがこれ等の端板の連続
した銀被覆面は空胴内側に向くようにした受動水素共振
器空胴について記載している。内部空胴面はすべて普通
の方法でテフロンを被覆しである。

本発明による電気空胴共振器は各別のエネルギー準位の
間で共振遷移を受ける量子機械的粒子からとくにマイク
ロ波範囲の高い純度のコヒレント放射ｉ！ｊ！七発生す
る主装置である。本発明によれば少くとも約ｓ、ｏ　ｏ
　ｏの無負荷Ｑ値を持つ共振装置が得られる。本発明に
よる空胴共振器は、極めて好ましい小さい壁シフトを生
じ良好な真空特性を持つ空胴と共に磁界により所定の値
に容易に同調できる空胴を提供する。以下に述べようと
する共振器又は貯蔵手段の若干の構造上又は設計上或は
これ等の両方の特長は本発明によるメーデ装置の１項な
部品についてのものである。

本発明空胴共振器には、各端部壁から内方に延び従って
この空胴共振器の両端部に又その仕切内に原子又は分子
の種が移行しない領域を生ずる誘電性材料を設けである
。各端部壁に近接してこのような種を排除するこのよう
な手段を設けることによって、中心軸線に沿う各力線は
、前記の排除手段のない空胴共振器に比べて一層直繍形
に近くなる。すなわち比較的大きい半径方向磁界が存在
するこの領域又は容積には前記したように原子又は分子
の種は入込むことができない。この結果として、前記し
た各論文でハウ等又はウオール等の使ったような普通の
受動水素共振器に伴うことの多い変動する磁界に基づく
メーデ周波数の変化が実質的になくなる。

本発明空胴共振器は、多少共ハイブリッドの電磁撮動モ
ードが得られるように特殊な配置の導電性被覆を備えて
いる。このことは主として、連続した導電性被覆を円筒
形部分外面に固定した円筒形部分と、不連続の導電性被
覆をそれぞれ外面に持・り協働する端部壁又は端板とを
備えた空胴共振器の構造関係により達成できる。円筒形
部分は外面の全体にわたシこのような連続した導電性被
覆を備えているが、別の実施例では被覆を設けてない表
面に中央帯域を設けである。導電性被覆は円筒形部分の
各端部のまわシにこの各端部で約１／４の距離にわたシ
帯状に存在するだけであシ、中央部分には被覆を設けて
ない。各端板の被覆は、不連続であシ１つ又は複数の同
心環から成シ、これ等の同心環の中心は共振器の円筒形
部分の縦方向軸線に一致している。外側の導電性被覆が
本空胴共振器の内面又は内部体の一部を形成しないよう
にしであることは重要なことである。

以下本発明電気共振器の実施例を添付図面について詳細
に説明する。

第１図、第２ａ図及び第２１：１図は本発明電気空胴共
振器を示す。図示のように本発明による電気空胴共握器
１０は、薄い導電性層１２ｆ：外面に被覆し穴中空の円
形構造１１を備えている。各端部壁１３，１４には、円
形構造１１の内側みぞ１７に結合したみぞ１６ａ、１６
ｂ（第５図）を形成しである。

電気共振器１０は、固定の端部壁１３．１４に持つ中空
円形空胴構造１１である。共振器１０の外面は、円形部
分の不連続被覆１２と固定の各端部壁の不連続被覆とを
備えている。共振器１０には、この共振器ｔ−電磁エネ
ルギーで所定の振動モードに励振する手段を協働させで
ある。各端部壁の外面には、これ等の各面に少くとも１
つの同心環１２ａｉ配置しである。環１２ａの中心は円
形空胴構造１１の縦方向軸線に一致する。

良好な充満容量が得られるようにするのに空胴共振器１
０は若干の種類の形状にすることができる。本発明によ
る空胴共振器１０は、特殊な設計に作られ、各端部壁１
３．１４を密封状態に連結した直円筒構造１１に形成し
て、エネルギー遷移を受ける原子全除去又は排除する手
段と、このようなエネルギー遷移の起る閉じた空胴とを
備えるようにしである。円筒形構造１１及び各端部壁１
３．１４は、成る範囲の誘導性材料、とくに９より大き
い誘電定数を持つ組成物から作ればよい。

ガラス又はセラミック材、とくにアルミニウムセラミッ
ク材はこのような製造の場合によく適合することが分っ
た。一方の端部壁１３には、空胴共振器１０の内部部分
及び外部部分の間を連通させる穴１５ｔ−形成しである
。１実施例では縦方向軸線に沿う空胴の内法長さは約６
ｉｎである。円筒形構造の厚さは約１ｉｎであフ、又各
鴻部壁の厚さはそれぞれ約１／４　ｉｎである。

円筒形構造１１及びその２つの端部壁１３゜１４の内面
を構成する空胴共振器１０の内壁には、エネルギー状態
最少化被覆２０を設けである。被覆２０の主な目的は、
空胴内の相互作用を最少にして壁シフトが減小するよう
にすることである。

被覆２０は一般に、ジクロルジメチルシラン、テトラフ
ルオルエチレン、フっ素化エチレン−プロぎレン又は長
い直鎖の飽和水素から成っている。

テトラフルオルエチレンは、エネルギー状態選少化作用
を持ち接合面に沿う有効な密封材料として役立ちこれ等
の接合面間のすぐれた接着を行う被覆になるので、テト
ラフルオルエチレンを使うのが有利であることが分った
。内面の被覆後に共振器は被覆樹脂を軟化させ内面に固
着させるのに十分な温度のかま又はアニール室内に入れ
るのがよい。本共振器の内部被覆はこのようにして、各
端板の接合された面が相互に結合し確実に保持されるか
ら、低圧又は真空系を保持するのに極めて適当な緊密な
密封部を生ずる連続層に形成される。

内部被覆の厚さは、エネルギー状態最少化被覆として有
効になるようにするには約１／、。。。ないし２／１０
００　ｉｎの範囲でなければならない。所望の厚さを得
るには被覆ｔ−複数回遂次に施せばよい。

本発明空胴共振器の重要な構造上の特長は、その端部壁
１３．１４がそれぞれ誘電性材料から成る充てん領域Ａ
、Ｂを形成することである。領域Ａ、Ｂは、導電性被覆
１２にすぐ隣接する又は近接する領域に原子又は分子の
種が入らないようにする。誘電性被覆の厚さは空胴共振
器の寸法に従って広い範囲にわたって変る。本発明によ
フ作った小形の共振器では誘電性材料の厚さはこの空胴
共振器の長さの約ｌ／２４であった。

第１図から明らかなように本共振器は外部導電性被覆１
２を備えている。円筒構造１１及び各端部壁１３．１４
はそれぞれ外部部分に所定の配置の導電性組成物を設け
である。被覆１２自体の導電性材料は若干の導電性組成
物のうちの任意のものでよい。１実施例では互いに異な
る３層を使うのが有利であることが分った。すなわち第
１にセラミック材空胴共振器の外面に直接銅基体被覆を
施し、次いでクロム又はロジウムの上側層を施しさらに
これに次いで金を施す。一般に第１の銅被覆は普通の非
電気的方法により更にフラッシュコーティングとして施
し、次いで普通の電着法を使うことにより銅の厚さをさ
らに増す。クロム又はロジウムと金とはこれに容易に付
着させることができる。

種種の導電性層すなわち金属層に対する厚さの適当な範
囲は、銅は釣６００ないし約１０００μｉｎであシ、ク
ロム又はロジウムは約５０ないし約１２５μｉｎであシ
、金は約２５ないし約７５μｉｎである。金属のこのよ
うな６層系は、この系がセラミック材及び金属の境界面
を接着により損傷したシ弱めたシするおそれが少いので
従来よりもすぐれた実質的な利点を生ずる。さらに所定
の配置に従って構成すると導電性被覆は望ましくない界
又はモードの振動を抑制する効果を生ずる。

さらに導電性金属の層は、種種の接合構造及び類似物に
一体に接着又はろう付けすることにより全体をメーデ装
置内に固着することができる。

望ましくない共振モードに対し電界に出口を設けること
によフ望ましくない共振モードを抑制し又は差別する、
高いＱｔ持つ電気共振空胴共振器を提供することが最も
望ましい。縮退（ａｅｇｅｎｅｒａｔｅ　）（同じ周波
数）に近いどのようなモードも、空胴非同調を招く空胴
の線形状の著しい非対称を生ずる。前記したような円形
環配置を使うことにより、これ等の環の循環電流に干渉
しこれと同時に望ましいモードの電流の乱れをできるだ
け少くすることによって望ましくない撮動モード全抑制
する。

貯蔵手段すなわち電気共振器自体は、高い方のエネルギ
ー準位から低い方の準位への遷移中に原子により放出さ
れる波の周波数に対し基本モードで共振するように同調
させる空胴として作用する。

この空胴共振器を遷移周波数に近い周波数に同調させ又
原子の入シ集団の強さが十分に大きいときに、上部準位
の原子を誘発する振動が生じ極めて安定な周波数を持つ
信号を放射する。すなわちとの共振器に入る原子は、上
部超微細状態の相互作用領域に入り誘発され下部超微細
状態に遷移する。

水素の場合には、発生信号をマイクロ波出力ループによ
り増上げて、周波数合成器比較器を介して水晶発振器を
安定な水素遷移周波数に保持するのに使う。

マイクロ波空胴は、一般にＴＥ０１１モードで動作し、
通常モリパーマロイ（ｍｏｌｙｐｅｒｍａｌｌｏｙ　）
又は類似物のような適当な磁気遮蔽にょシ囲んである。

共振器は、この空胴内の一定位相の軸塚方向高周波磁界
の領域に位置させ約１，４２０，４５０，７５１０Ｈ２
の水素の超微細遷移周波数に同調させる。さらにこのマ
イクロ波空胴の外側の交流コイルにょ９静磁界を生じ上
部超微細状態のゼーマン準位全分離する。

以上本発明をその実施例について詳細に説明したが本発
明はな訃その精神を逸脱しないで種種の変化変型を行う
ことができるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電気空胴共振器の１実施例の側面図、第
２ａ図及び第２１）ＩＤは第１図の共振器の各端板の平
面図、第３図は第１図の電気空胴共振器を持つ水素メー
デ装置の線図的縦断面図である。 １０・・・電気共振器、１１・・・容器、１２・・・導
電性外層、１３．１４・・・端部壁、１５・・・穴、２
０・・・エネルギー状態最少化被覆 １９３８へ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）実質的に誘電性材料から形成され外面及び内面を
   持ちこの内面により前記外面から間隔を隔てた内部空胴
   を仕切り薄い導電性外層を設けた容器を備え、この容器
   にその内部部分及び外部部分の間を軸線方向に連通させ
   る穴を形成し、前記空胴にその内面にエネルギー状態最
   少化被覆を接着し、前記容器に高周波（ｒ．ｆ．）磁界
   が実質的に半径方向である共振器領域から原子又は分子
   の種を排除する手段を設けて成る電気共振器。
2. （２）９より大きい誘電定数を持つ誘電性材料から容器
   を実質的に形成した特許請求の範囲第（１）頂記載の電
   気共振器。
3. （３）セラミック材及びガラスを主要な要素として成る
   群から選定した誘電性材料から容器を実質的に形成した
   特許請求の範囲第（１）項記載の電気共振器。
4. （４）容器をアルミナセラミック材から実質的に形成し
   た特許請求の範囲第（２）項記載の電気共振器。
5. （５）排除手段を誘電性材料から形成し前記排除手段に
   より空胴内の半径方向磁界を減らすようにした特許請求
   の範囲第（１）項記載の電気共振器。