KR20230144545A - 원자빔 생성 장치, 물리 패키지, 광격자 시계용 물리패키지, 원자 시계용 물리 패키지, 원자 간섭계용 물리 패키지, 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지 및 물리 패키지 시스템 - Google Patents

Abstract

원자 오븐(40)은 카트리지(200)와 본체(220)를 포함하고, 카트리지(200)는 원자원을 수용하는 홀더(202)와 캐필러리 노즐(204)을 포함하며, 본체(220)에는 카트리지(200)가 설치되는 하우징(226)과, 버튼 히터(228)와, 본체(220)의 외부인 대기 측에 설치되고 카트리지(200)를 본체(220)로 출입하기 위한 출입구(222a)와, 출입구(222a)로부터 하우징(226)에 이르는 통로를 포함하며, 카트리지(200)가 출입구(222a)로부터 본체(220) 내에 삽입되어 하우징(226)에 설치되고, 버튼 히터(228)에 의해 원자원이 가열됨으로써 원자원으로부터 발생한 원자 기체가, 본체(220)의 외부인 진공 측에 원자빔으로서 출사한다.

Description

원자빔 생성 장치, 물리 패키지, 광격자 시계용 물리 패키지, 원자 시계용 물리 패키지, 원자 간섭계용 물리 패키지, 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지 및 물리 패키지 시스템

본 발명은 원자빔 생성 장치, 물리 패키지, 광격자 시계용 물리 패키지, 원자 시계용 물리 패키지, 원자 간섭계용 물리 패키지, 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지 및 물리 패키지 시스템에 관한 것이다.

광격자 시계는 2001년에, 본 출원의 발명자 중 한 사람인 가토리 히데토시에 의해 제안된 원자 시계이다. 광격자 시계에서는 레이저광으로 형성한 광격자 내에 원자 집단을 가두고 가시광 영역의 공진 주파수를 계측하므로, 현행의 세슘 시계의 정밀도를 훨씬 능가하는 18자리 정밀도의 계측이 가능하다. 광격자 시계는 발명자들의 그룹에 의해 예의 연구 개발이 이루어지고 있는 한편, 일본 국내외의 여러 그룹에 의해서도 연구 개발이 이루어져 차세대 원자 시계로서 발전해 오고 있다.

최근의 광격자 시계의 기술에 대해서는 예를 들면, 하기 특허문헌 1~특허문헌 3을 들 수 있다. 특허문헌 1에는 중공의 통로를 갖는 광도파로의 내부에 1차원의 이동 광격자를 형성하는 것이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는 실효적 마법 주파수를 설정하는 형태에 대해서 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는 주위의 벽으로부터 방사되는 흑체 복사로부터의 영향을 저감하는 복사 실드에 대해서 기재되어 있다.

광격자 시계에서는 고정밀도로 시간 계측을 실시하므로, 중력에 의한 일반 상대성론적인 효과에 기초하는 지구상의 1 ㎝의 고도차를, 시간의 진행 방향의 오차로서 검출할 수 있다. 그래서, 광격자 시계를 소형화, 가반화하여 연구실 밖의 필드에서 이용할 수 있게 되면 지하 자원 탐색, 지하 공동, 마그마 덩어리의 검출 등, 새로운 측지(測地) 기술에의 응용 가능성이 확대된다. 광격자 시계를 양산하여 각지에 배치하고, 중력 포텐셜의 시간 변동을 연속 감시함으로써, 지각 변동의 검출, 중력장의 공간 매핑 등의 응용도 가능해진다. 이와 같이, 광격자 시계는 고정밀도의 시간 계측의 틀을 넘어, 새로운 기반 기술로서 사회에 공헌하는 것이 기대되고 있다.

그런데, 광격자 시계용의 원자빔을 생성하는 장치로서 원자 오븐이 알려져 있다. 일반적으로, 출사하는 원자가 개구각이 적고 가능한 직진하여, 필요 충분한 수의 원자가 목적의 속도 분포를 갖도록 원자 오븐이 설계된다.

통상, 원자 오븐에 탑재하는 것이 가능한 원자원의 양에 제한이 있다. 그 양이 너무 많으면 원자 오븐의 사이즈가 커지고, 또한 히터가 가열해야 할 원자 오븐의 체적이 증가하여 히터의 전력이 과잉이 된다. 그 결과, 원자 오븐의 소형화 및 전력 절감화에 반하는 것이 된다.

원자 오븐에의 원자원의 충전이나 재충전을 위해 필요한 작업이 간편한 것은 광격자 시계를 시동할 때 뿐만 아니라, 원자원이 고갈된 경우 등의 메인터넌스시에도 유효해진다.

비특허문헌 1에는, 원자원의 재충전이 가능한 원자 오븐이 기재되어 있다. 이 원자 오븐은 원자 오븐을 원자 시계 본체에 부착하기 위한 ICF70 플랜지와, 니켈제 가스켓을 갖고 시료실에 액세스 가능한 ICF34 플랜지를 포함한다. 이 ICF34 플랜지는 원자원의 교환이나 재충전을 가능하게 하는 플랜지이다.

특허문헌 1: 일본 특허 제6206973호 공보 특허문헌 2: 일본 공표 특허 공보 제2018-510494호 특허문헌 3: 일본 공개 특허 공보 제2019-129166호

비특허문헌 1 : M.Schioppo et.al. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 83, 103101(2012)

여기에서, 일단 원자 시계가 가동한 후, 예를 들면 메인터넌스 시에 원자원을 재충전하는 것을 생각한다. 비특허문헌 1에 기재된 원자 오븐에서는 그 구조상, ICF34 플랜지가 원자 오븐의 진공 측에 존재하고 있으므로, 대기 측으로부터 직접 ICF34 플랜지에 액세스할 수 없다. 그 때문에, 원자원을 재충전하기 위해서는 일단 ICF70 플랜지를 떼어 내고, 원자 시계로부터 원자 오븐을 분리하여 진공 용기의 일부 부품을 해체하고 나서, ICF34 플랜지에 액세스하여 원자원을 재충전하는 것이 된다. 이와 같이, 종래 기술에서는 원자 오븐의 진공 용기의 내부를 분해할 필요가 있어, 원자원의 교환이나 충전을 위한 작업이 번잡하다.

본 발명의 목적은 진공 측의 부품을 해체하지 않고, 간편한 작업으로 원자원의 교환이나 충전이 가능한 원자빔 생성 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 하나의 형태는, 원자원을 수용하는 홀더를 포함하는 카트리지와; 상기 카트리지가 설치되는 본체;를 포함하고, 상기 본체는 상기 카트리지가 설치되는 설치부와, 상기 설치부에 설치된 상기 카트리지에 수용된 상기 원자원의 온도를 조정하는 온도 조정 기구와, 상기 본체의 외부인 대기 측에 설치되고 상기 카트리지를 상기 본체에 출입하기 위한 출입구와, 상기 출입구부터 상기 설치부에 이르는 통로를 포함하며, 상기 온도 조정 기구에 의해 상기 원자원의 온도를 조정함으로써 상기 원자원으로부터 발생한 원자 기체를, 원자빔으로서 상기 본체로부터 상기 본체의 외부인 진공 측으로 출사시키는 것을 특징으로 하는 원자빔 생성 장치이다.

상기 구성에 의하면, 대기 측의 출입구를 통하여, 원자빔 생성 장치의 본체의 설치부에 대하여 카트리지를 출입하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 사용을 마친 원자원을 수용한 카트리지를, 출입구로부터 본체의 외부인 대기 측으로 취출하고, 원자원을 수용한 다른 카트리지를, 출입구로부터 본체 내에 삽입하여 설치부에 설치함으로써, 원자원을 교환하는 것이 가능해진다. 이와 같은 간편한 작업으로 원자원의 교환이나 충전 등이 가능해진다.

원자빔 생성 장치는 상기 설치부에 설치된 상기 카트리지를 상기 출입구 측으로부터 상기 설치부 측으로 미는 탄성 기구를 추가로 포함해도 된다. 탄성 기구에 의해 카트리지를 설치부 측으로 밈으로써, 카트리지를 설치부에 안정적으로 설치하는 것이 가능해진다.

상기 탄성 기구는 스프링의 탄성력에 의해 상기 카트리지를 상기 설치부 측으로 밀어도 된다. 스프링으로서, 예를 들면 코일 스프링이 사용된다. 물론, 코일 스프링 이외의 스프링이 사용되어도 되고, 스프링 이외의 탄성 부재가 사용되어도 된다.

상기 홀더의 외표면은 상기 홀더의 선단을 향하여 테이퍼상의 형상을 갖고, 상기 설치부에서 상기 카트리지가 설치되는 면은 상기 홀더의 외주면의 형상에 대응한 테이퍼상의 형상을 갖고 있어도 된다. 홀더의 외주면 및 설치부의 면을 테이퍼 형상으로 형성함으로써, 이들 면의 가공이 용이해지고, 또한 카트리지를 설치부에 안정적으로 설치하는 것이 가능해진다.

상기 설치부에서 상기 카트리지가 설치되는 면에 나사홈이 형성되어 있고, 홀더의 외표면에는 상기 설치부의 나사홈에 맞물리는 나사홈이 형성되어도 된다. 홀더의 외주면의 나사홈과 설치부의 나사홈을 맞물림으로써, 카트리지를 안정적으로 설치부에 설치하는 것이 가능해진다.

상기 카트리지는 또한 상기 홀더에 일체화된 노즐을 포함하고, 상기 원자원으로부터 발생한 원자 기체는 상기 노즐 내를 통과하여 진공 측으로 출사해도 된다.

상기 온도 조정 기구는 상기 노즐의 선단의 주위에 설치되어도 된다. 이 구성에 의하면, 노즐의 선단과 홀더 내부의 시료실과의 사이에 온도 구배가 형성된다. 예를 들어, 온도 조정 기구가 히터이면, 노즐의 선단의 온도가 시료실 내의 온도보다 높아진다. 이에 의해, 히터의 가열에 의해 원자원으로부터 발생한 원자 기체가 노즐의 선단 등에 흡착되는 것을 억제 또는 방지하는 것이 가능해진다.

상기 원자원은 가열됨으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원이고, 상기 온도 조정 기구는 상기 원자원을 가열하는 히터이며, 상기 노즐은 상기 히터에 의해 가열됨으로써 증발하는 밀봉재에 의해 밀봉되어도 된다. 이 구성에 의하면, 밀봉재가 증발할 때까지, 홀더의 내부는 대기에 노출되지 않으므로, 홀더에 수용된 원자원의 산화나 열화를 억제 또는 방지하는 것이 가능해진다. 원자원으로서는, 예를 들면 스트론튬이나 이터븀 등이 사용된다. 밀봉재로서, 예를 들어 인듐이 사용된다.

상기 원자원은 냉각됨으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원이고, 상기 온도 조정 기구는 상기 원자원을 냉각하는 냉각 기구이어도 된다. 원자원으로서는, 예를 들면 수은 등이 사용된다.

본 발명의 하나의 형태는 상기의 원자빔 생성 장치와, 원자가 배치되는 시계 천이 공간을 둘러싸는 진공 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리 패키지이다.

본 발명의 하나의 형태는 상기의 물리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 광격자 시계용 물리 패키지이다.

본 발명의 하나의 형태는 상기의 물리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자 시계용 물리 패키지이다.

본 발명의 하나의 형태는 상기의 물리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자 간섭계용 물리 패키지이다.

본 발명의 하나의 형태는 상기의 물리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자 또는 이온화된 원자에 대한 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지이다.

본 발명의 하나의 형태는 상기의 물리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리 패키지 시스템이다.

본 발명에 의하면, 진공 측의 부품을 해체하지 않고, 간편한 작업으로 원자원의 교환이나 충전이 가능한 원자빔 생성 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시 형태에 관한 광격자 시계의 전체 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 광격자 시계의 물리 패키지를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 실시예 1에 관한 원자 오븐의 단면도이다.
도 4는 실시예 1에 관한 원자 오븐의 단면도이다.
도 5는 실시예 1에 관한 원자 오븐의 분해 사시도이다.
도 6은 실시예 2에 관한 원자 오븐의 단면도이다.
도 7은 실시예 2에 관한 원자 오븐의 단면도이다.
도 8은 실시예 3에 관한 원자빔 생성 장치의 단면도이다.
도 9는 실시예 3에 관한 원자빔 생성 장치의 단면도이다.
도 10은 카트리지의 사시도이다.

<광격자 시계의 구성>

도 1을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 원자빔 생성 장치가 사용되는 광격자 시계(10)의 개략 구성에 대해서 설명한다. 도 1은 광격자 시계(10)의 전체 구성을 도시하는 블럭도이다. 여기에서는 원자빔 생성 장치가 사용되는 장치의 일례로서 광격자 시계(10)를 예로 들어 설명하지만, 물론 본 실시 형태에 관한 원자빔 생성 장치는 광격자 시계(10) 이외의 장치에 사용되어도 된다.

광격자 시계(10)는 예를 들면, 물리 패키지(12), 광학계 장치(14), 제어 장치(16) 및 PC(Personal Computer)(18)를 포함한다.

물리 패키지(12)는 원자 집단을 포착하고 광격자에 가두어 시계 천이를 일으키는 장치이다. 광학계 장치(14)는 원자 포착용 레이저 광원, 시계 천이 여기 레이저 광원, 레이저 주파수 제어 장치 등의 광학적 기기를 구비한 장치이다. 광학계 장치(14)는 레이저광을 물리 패키지(12)에 보내는 이외에, 물리 패키지(12)에 있어서 원자 집단이 방출한 형광 신호를 수광하여 전기 신호로 변환하고, 원자의 공명 주파수에 맞도록 레이저 광원에 피드백하는 등의 처리를 실시한다. 제어 장치(16)는 물리 패키지(12) 및 광학계 장치(14)를 제어하는 장치이다. 제어 장치(16)는 예를 들면, 물리 패키지(12)의 동작 제어, 광학계 장치(14)의 동작 제어, 및 계측에 의해 얻어진 시계 천이의 주파수 해석 등의 해석 처리를 실시한다. 물리 패키지(12), 광학계 장치(14) 및 제어 장치(16)가 상호 제휴하여 광격자 시계(10)의 기능이 실현된다.

PC(18)는 프로세서와 메모리를 포함하는 범용적인 컴퓨터이다. 프로세서와 메모리를 포함하는 하드웨어에 의해 소프트웨어가 실행됨으로써, PC(18)의 기능이 실현된다. PC(18)에는 광격자 시계(10)를 제어하는 어플리케이션 프로그램이 인스톨되어 있다. PC(18)는 제어 장치(16)에 접속되어 있고, 제어 장치(16) 뿐만 아니라, 물리 패키지(12)와 광학계 장치(14)를 포함하는 광격자 시계(10) 전체를 제어해도 된다. 또한, PC(18)는 광격자 시계(10)의 UI(User Interface)를 제공한다. 사용자는 PC(18)를 통하여 광격자 시계(10)의 기동, 시간 계측, 및 결과 확인 등을 수행할 수 있다.

또한, 물리 패키지(12)와 물리 패키지(12)의 제어에 필요해지는 구성을 포함하는 시스템을, 「물리 패키지 시스템」이라고 부르는 경우가 있다. 제어에 필요해지는 구성은 제어 장치(16) 또는 PC(18)에 포함되어도 되고, 물리 패키지(12)에 포함되어도 된다. 또한, 제어 장치(16)의 기능의 일부 또는 전부가 물리 패키지(12)에 포함되어도 된다.

이하, 도 2를 참조하여 물리 패키지(12)에 대하여 설명한다. 도 2는 실시 형태에 관한 광격자 시계의 물리 패키지(12)를 모식적으로 도시하는 도면이다.

물리 패키지(12)는 진공 챔버(20), 원자 오븐(40), 제만 감속기용 코일(44), 광학 공진기(46), MOT(자기 광학 트랩) 장치용 코일(48), 저온조(54), 열 링크 부재(56), 냉동기(58), 진공 펌프 본체(60) 및 진공 펌프 카트리지(62)를 포함한다. 원자 오븐(40)은 원자빔 생성 장치의 일례이다.

진공 챔버(20)는 물리 패키지(12)의 주요 부분을 진공으로 유지하는 용기이며, 대략 원기둥상으로 형성되어 있다. 상세하게는, 진공 챔버(20)는 큰 대략 원기둥 형상으로 형성된 본체부(22)와, 본체부(22)로부터 돌기된 작은 대략 원기둥 형상으로 형성된 돌기부(30)를 포함한다. 본체부(22)는 내부에 광학 공진기(46) 등을 격납한 부위이다. 본체부(22)는 원기둥의 측면을 이루는 원통벽(24)과, 원기둥의 원형의 면을 이루는 전부 원형벽(26) 및 후부 원형벽(28)을 포함한다. 전부 원형벽(26)은 돌기부(30)가 설치된 벽이다. 후부 원형벽(28)은 돌기부(30)와는 반대 측의 벽이며, 원통벽(24)에 비해 직경이 확대된 형상으로 형성되어 있다.

돌기부(30)는 원기둥의 측면을 이루는 원통벽(32)과, 전부 원형벽(34)을 포함한다. 전부 원형벽(34)은 본체부(22)로부터 먼 측의 원형의 면이다. 돌기부(30)에 있어서의 본체부(22)의 측은, 대부분이 개구된 형상이 되어 본체부(22)와 접속되어 있고, 벽부를 갖지 않는다.

진공 챔버(20)는 본체부(22)의 원기둥의 중심축(이 축을 Z축이라고 부름)이 거의 수평이 되도록 배치된다. 또한, 돌기부(30)의 원기둥의 중심축(이 축은 빔축이 됨)은, Z축의 연직 방향 하방에 있어서, Z축에 평행하게 연장되어 있다.

진공 챔버(20)는 내부가 진공이 된 경우의 기압차를 견딜 수 있도록, SUS(스테인리스) 등의 금속을 사용하여, 충분히 견고하게 만들어져 있다. 진공 챔버(20)는 후부 원형벽(28)과 전부 원형벽(34)이 분리 가능하게 형성되어 있어, 보수 점검시 등에 분리된다.

원자 오븐(40)은 원자빔 생성 장치의 일례의 장치로, 돌기부(30)의 선단 부근에 설치된 장치이다.

본 실시 형태에 관한 원자빔 생성 장치는 샘플인 원자원의 온도를 조정하는 온도 조정 기구를 포함하고, 그 온도 조정 기구에 의해 원자원의 온도를 조정함으로써 원자원으로부터 원자 기체를 발생시키고, 발생한 원자 기체를 미세 구멍으로부터 방출함으로써 원자빔(42)을 형성한다. 온도 조정 기구는 원자원을 가열하는 가열 기구인 히터, 또는 원자원을 냉각하는 냉각 기구(예를 들면, 펠티어 소자)이다. 가열함으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원(예를 들면, 스트론튬이나 이터븀 등)이 사용되는 경우, 온도 조정 기구로서 히터가 사용되고, 냉각함으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원(예를 들면, 수은)이 사용되는 경우, 온도 조정 기구로서 냉각 기구가 사용된다. 여기에 예시하는 원자원은 일례에 지나지 않고, 원자원은 이들에 한정되는 것은 아니다.

도 2에 도시된 예에서는 원자빔 생성 장치의 일례로서 원자 오븐(40)이 사용되는 것으로 설명한다.

원자 오븐(40)은 원자원을 히터로 가열하고, 열 운동에 의해 원자원으로부터 튀어나온 원자를 미세 구멍으로부터 방출함으로써, 원자빔(42)을 형성한다. 원자빔(42)이 통과하는 빔축은 Z축과 평행하게 설정되어 있고, X축과는 원점으로부터 약간 떨어진 위치에서 교차하도록 설정되어 있다. 교차하는 위치는 원자가 포착되는 미소한 공간인 포착 공간(50)에 상당한다. 원자 오븐(40)은 기본적으로는 진공 챔버(20)의 내부에 설치되어 있지만, 냉각을 위해 방열부가 진공 챔버(20)의 밖으로까지 연장되어 있다. 원자 오븐(40)에서는 예를 들면, 750 K 정도로까지 원자원이 가열된다.

본 실시 형태에서는 원자 오븐(40)은 원자원을 수용하는 홀더를 포함하는 카트리지(200)와, 그 카트리지(200)가 설치되는 본체를 포함한다. 카트리지(200)는 본체에 대하여 착탈 가능한 유닛이다. 카트리지(200)를 원자 오븐(40)의 본체로부터 분리함으로써, 원자원의 교환이나 충전이 가능해진다. 카트리지(200)에 대해서는 후에 상세하게 설명한다.

제만 감속기용 코일(44)은 원자 오븐(40)의 빔축의 하류 측에 있어서, 진공 챔버(20)의 돌기부(30)로부터 본체부(22)에 걸쳐 배치되어 있다. 제만 감속기용 코일(44)은 원자빔(42)의 원자를 감속하는 제만 감속기와, 감속된 원자를 포착하는 MOT 장치를 융합시킨 장치이다. 제만 감속기와 MOT 장치는 모두 원자 레이저 냉각 기술에 기초하는 장치이다. 제만 감속기용 코일(44)에는 제만 감속기에서 사용되는 제만 코일과, MOT 장치에서 사용되는 1 쌍의 MOT 코일 중 한쪽이, 일련의 코일로서 설치되어 있다. 명확한 구분은 할 수 없지만, 대략적으로는 상류 측으로부터 하류 측까지의 대부분이, 제만 감속법에 기여하는 자기장을 발생하는 제만 코일에 상당하고, 최하류 측이 MOT법에 기여하는 구배 자기장을 생성하는 MOT 코일에 상당한다.

예를 들면, 제만 코일은 상류 측일수록 권회수가 많고 하류 측일수록 권회수가 적은 디크리싱형으로 되어 있다. 제만 감속기용 코일(44)은 제만 코일과 MOT 코일의 내측에 원자빔(42)이 통과하도록, 빔 축의 주위에 축 대칭으로 배치되어 있다. 제만 코일의 내측에는 공간적으로 구배가 형성된 자기장이 형성되고, 제만 감속 광빔(82)이 조사됨으로써 원자의 감속이 실시된다.

광학 공진기(46)는 Z축 둘레에 배치되는 원통형의 부품이고, 내측에 광격자가 형성된다. 광학 공진기(46)에는 복수의 광학 부품이 설치되어 있다. X축 상의 1 쌍의 광학 미러와, 그것과 평행하여 또 1 쌍의 광학 미러를 구비하고, 총 4 매의 미러 사이에서 광격자광을 다중 반사함으로써 보타이형의 광격자 공진기를 생성한다. 포착 공간(50)에서 포착된 원자 집단은 이 광격자의 내부에 갇힌다. 또한, 광학 공진기(46)에서는, 공진기에 입사시키는 2 개(우회전, 좌회전)의 광격자광의 상대 주파수를 시프트시킨 경우, 광격자의 정재파가 이동하는 이동 광격자를 형성한다. 이동 광격자에 의해, 원자 집단은 시계 천이 공간(52)으로 이동된다. 실시 형태에서는, 이동 광격자를 포함하는 광격자를 X축 상에 형성되도록 설정되어 있다. 또한, 광격자로서는, X축에 더하여, Y축상과 Z축의 일방 또는 양방에도 격자가 늘어서는 2차원, 또는 3차원의 것을 채용하는 것도 가능하다. 이와 같이, 광학 공진기(46)는 광격자를 형성하는 광격자 형성부라고 할 수 있다. 광학 공진기(46)도, 원자 레이저 냉각 기술에 기초하는 장치이다.

MOT 장치용 코일(48)은 포착 공간(50)에 대하여 구배 자기장을 생성한다. MOT 장치에서는 구배 자기장을 형성한 공간에 XYZ의 3축을 따라 MOT광이 조사된다. 이에 의해, MOT 장치는 포착 공간(50)에 원자를 포착한다. 포착 공간(50)은 X축 상에 설정되어 있다. 제만 감속기용 코일(44)에는 제만 감속기에서 사용되는 제만 코일과, MOT 장치에서 사용되는 1 쌍의 MOT 코일 중 한쪽이 일련의 코일로서 설치되어 있다. 도 2에 도시된 예에서는, MOT법에 기여하는 구배 자기장은 MOT 장치용 코일(48)과, 제만 감속기용 코일(44)의 일부와 함께 생성된다.

저온조(54)는 시계 천이 공간(52)을 둘러싸도록 형성되고, 내측의 공간을 저온으로 유지한다. 이에 의해 내측 공간에서는 흑체 복사가 저감된다. 저온조(54)에는 지지 구조를 겸한 열 링크 부재(56)가 부착되어 있다. 열 링크 부재(56)는 저온조(54)로부터 냉동기(58)로 열을 전도한다. 냉동기(58)는 열 링크 부재(56)를 통하여 저온조(54)를 저온화하는 장치이다. 냉동기(58)는 펠티어 소자를 구비하고 있고, 저온조(54)를 예를 들면 190 K 정도로 냉각한다.

진공 펌프 본체(60)와 진공 펌프 카트리지(62)는 진공 챔버(20)를 진공화하기 위한 장치이다. 진공 펌프 본체(60)는 진공 챔버(20)의 외측에 설치되어 있고, 진공 펌프 카트리지(62)는 진공 챔버(20)의 내측에 설치되어 있다. 진공 펌프 카트리지(62)는 기동 개시시에, 진공 펌프 본체(60)에 설치된 히터에 의해 가열되어 활성화된다. 이에 의해, 진공 펌프 카트리지(62)가 활성화되어 원자를 흡착함으로써 진공화를 실시한다.

물리 패키지(12)에는 광학계의 부품으로서, 광격자광용 내진공 광학창(64, 66), MOT광용 내진공 광학창(68), 제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(70, 72), 및 광학 미러(74, 76)가 설치되어 있다.

광격자광용 내진공 광학창(64, 66)은 광격자광을 입사 및 출사하기 위해 설치되어 있다.

MOT광용 내진공 광학창(68)은 MOT 장치에서 사용하는 3 축의 MOT광 중, 2 축의 MOT광을 입사 및 출사하기 위해 설치되어 있다.

제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(70, 72)은 제만 감속광과 1 축의 MOT광을 입사 및 출사하기 위해 설치되어 있다.

광학 미러(74, 76)는 제만 감속광과 1 축의 MOT광의 방향을 변경하기 위해 설치되어 있다.

또한, 물리 패키지(12)에는 냉각용 부품으로서 원자 오븐용 냉각기(90), 제만 감속기용 냉각기(92) 및 MOT 장치용 냉각기(94)가 설치되어 있다.

원자 오븐용 냉각기(90)는 원자 오븐(40)을 냉각하는 수냉 장치이다. 원자 오븐용 냉각기(90)는 진공 챔버(20)의 밖에 설치되어 있고, 원자 오븐(40) 중 진공 챔버(20)의 밖에 연장된 방열부를 냉각한다. 원자 오븐용 냉각기(90)는 냉각용의 관인 금속제의 수냉관을 구비하고 있고, 내부에 액체 냉매인 냉각수를 흘림으로써, 진공 챔버(20)를 냉각한다.

제만 감속기용 냉각기(92)는 진공 챔버(20)의 벽부에 설치되고 제만 감속기 용 코일(44)을 냉각하는 장치이다. 제만 감속기용 냉각기(92)는 금속제의 파이프를 구비하고 있고, 내부에 냉각수를 흘림으로써, 제만 감속기용 코일(44)의 코일에서 발생하는 줄 열을 빼앗는다.

MOT 장치용 냉각기(94)는 진공 챔버(20)의 원벽부에 설치된 방열부이다. MOT 장치용 코일(48)에서는, 제만 감속기용 냉각기(92)보다 작지만(예를 들면, 1/10 정도), 코일에 줄 열이 발생한다. 그래서, MOT 장치용 코일(48)로부터는, MOT 장치용 냉각기(94)의 금속이 진공 챔버(20)의 밖까지 연장되어 있고, 대기 중에 열을 방출한다.

또한, 물리 패키지(12)는 자기장을 보정하기 위한 부품으로서, 3축 자기장 보정 코일(96), 내진공 전기 커넥터(98), 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102), 및 원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일(104)이 설치되어 있다.

3축 자기장 보정 코일(96)은 시계 천이 공간(52)에 있어서의 자기장을 균일하게 제로화하기 위한 코일이다. 3축 자기장 보정 코일(96)은 XYZ의 3축 방향의 자기장을 보정하도록 입체적인 형상으로 형성되어 있다. 예를 들어, 3축 자기장 보정 코일(96)은 전체적으로 대략 원통 형상으로 형성되어 있다. 3축 자기장 보정 코일(96)을 구성하는 각 코일은 각 축 방향에 있어서, 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되어 있다.

내진공 전기 커넥터(98)는 진공 챔버(20) 내에 전력을 공급하기 위한 커넥터이며, 진공 챔버(20)의 원벽부에 설치되어 있다. 내진공 전기 커넥터(98)로부터는 제만 감속기용 코일(44), MOT 장치용 코일(48) 및 3축 자기장 보정 코일(96)에 전력이 공급된다.

냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은 저온조(54)를 냉각하는 냉동기(58)로부터의 누설 자기장을 보상하기 위한 코일이다. 냉동기(58)가 구비하는 펠티어 소자는 상대적으로 큰 전류가 흐르는 대전류 디바이스이며, 큰 자기장을 발생시킨다. 펠티어 소자의 주위는 고투자율재에 의해 자기장을 차폐하고 있지만, 완전히는 차폐할 수 없고 일부의 자기장이 누설된다. 그래서, 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은 시계 천이 공간(52)에서의 이 누설 자기장을 보상하도록 설정되어 있다.

원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일(104)은 원자 오븐(40)의 히터로부터의 누설 자기장을 보상하기 위한 코일이다. 원자 오븐(40)의 히터도 대전류 디바이스이고, 고투자율재에 의한 차폐에도 불구하고, 누설 자기장을 무시할 수 없는 경우가 있다. 예를 들면, 히터 회로를 무유도권 배선으로 구성했다고 해도, 배선 단말이나 절연층을 통한 배선 등에서 현실적으로 유도 성분이 남는 경우가 있다. 또한, 예를 들면, 원자 오븐(40)을 고투자율재로 덮어 자기 차폐를 도모 한 경우이어도, 원자빔 개구부 등, 현실적으로 덮을 수 없는 부분이 존재하는 경우가 있다. 그래서, 원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일(104)은 시계 천이 공간(52)에서의 이 누설 자기장을 보상하도록 설정되어 있다.

이하, 물리 패키지(12)의 동작에 대해서 설명한다. 물리 패키지(12)에서는 진공 챔버(20)의 내부에 구비된 진공 펌프 카트리지(62)가 원자를 흡착함으로써, 진공 챔버(20)의 내부가 진공화된다. 이에 의해, 진공 챔버(20)의 내부는 예를 들면, 10^-8 Pa 정도의 진공 상태가 되어 질소, 산소 등의 공기 성분의 영향이 배제된다.

원자 오븐(40)에서는 원자원이 히터에 의해 가열됨으로써 원자 기체가 생성되고, 원자 기체는 차례차례로 미세 구멍을 빠져나가, 집속되어 병진한다. 이에 의해, 원자빔(42)이 형성된다. 원자 오븐(40)은 원자빔(42)이 Z축에 평행한 빔축 상에 형성되도록 설치되어 있다. 또한, 원자 오븐(40)에서는, 원자 오븐(40)의 본체는 히터에 의해 가열되지만, 원자 오븐(40)의 본체와, 그것을 지지하는 이음매와는 열 절연체를 개재하여 단열되고, 또한 물리 패키지(12)에 접속되는 이음매는 원자 오븐용 냉각기(90)에 의해 냉각되어 있고, 물리 패키지(12)로 고온화의 영향이 미치는 것을 방지 내지는 저감하고 있다.

또한, 냉각됨으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원(예를 들면 수은)이 사용되는 경우, 냉각 기구(예를 들면 펠티어 소자)에 의해 원자원이 냉각됨으로써 원자 기체가 발생하고, 원자 기체는 수속되어 병진한다. 이에 의해, 원자빔(42)이 형성된다.

제만 감속기용 코일(44)은 빔축에 대하여 축대칭이 되도록 설치되어 있다. 제만 감속기용 코일(44)의 내부에는 제만 감속광빔(82) 및 1 축의 MOT광빔(84)이 조사되어 있다. 제만 감속광빔(82)은 제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(70)으로부터 입사되고, MOT 장치용 코일(48)보다 빔의 하류에 설치된 광학 미러(74)에 의해 반사된다. 이에 의해, 제만 감속광빔(82)은 원자빔(42)과 겹치면서 빔축에 거의 평행하게 빔축의 상류를 향한다. 이 과정에서, 자기장의 강도에 비례한 제만 분열에 의한 효과와 도플러 시프트에 의한 효과에 의해, 원자빔(42) 중의 원자는 제만 감속광을 흡수하고, 감속 방향으로 운동량을 부여받아 감속된다. 제만 감속광은 제만 감속기용 코일(44)의 상류에서 빔 축의 옆에 놓인 광학 미러(76)에 의해 반사되고, 제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(72)으로부터 출사된다. 또한, 제만 감속기용 코일(44)에서는 줄 열이 발생하지만, 제만 감속기용 냉각기(92)에 의한 냉각이 실시되므로, 고온화가 방지된다.

충분히 감속된 원자빔(42)은 제만 감속기용 코일(44)의 최하류 측의 MOT 코일과, MOT 장치용 코일(48)에 의해 형성되는 MOT 장치에 이른다. MOT 장치 내에서는 포착 공간(50)을 중심으로, 선형적인 공간 구배를 갖는 자기장이 형성되어 있다. 또한, MOT 장치에는 3축 방향에 있어서, 양의 측 및 음의 측으로부터 MOT광이 조사되고 있다.

Z축 방향의 MOT광 빔(84)은 Z축의 음 방향을 향하여 조사되고, 또한 제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(72)의 밖에서 반사됨으로써 Z축의 양(正) 방향을 향해서도 조사된다. 남은 2축의 MOT광 빔은 MOT광용 내진공 광학창(68)과, 도시를 생략한 광학 미러에 의해 MOT장치 내에 조사된다.

MOT장치 내에서는, 원자빔은 자기장 구배를 위해 포착 공간(50)을 중심으로 복원력을 받도록 하여 감속된다. 이에 의해, 원자 집단은 포착 공간(50)에 포착된다. 또한, 포착 공간(50)의 위치의 미세 조정은, 3축 자기장 보정 코일(96)의 발생 자기장의 오프셋값 조정에 의해 실시할 수 있다. 또한, MOT 장치용 코일(48)에서 발생하는 줄 열은 MOT 장치용 냉각기(94)에 의해 진공 챔버(20) 밖으로 배출된다.

광격자광빔(80)은 광격자광용 내진공 광학창(64)으로부터 광격자광용 내진공 광학창(66)을 향하여 X축 상에 입사된다. X축상에는 2 개의 광학 미러를 구비하는 광학 공진기(46)가 설치되어 반사를 일으킨다. 이 때문에, X축상에서는 광학 공진기(46)의 내부에 X축 방향으로 정재파가 이어진 광격자 포텐셜을 형성한다. 원자 집단은 광격자 포텐셜에 포획된다.

광격자는 파장을 약간 변화시킴으로써 X축을 따라 이동시킬 수 있다. 이 이동 광격자에 의한 이동 수단에 의해, 원자 집단은 시계 천이 공간(52)까지 이동된다. 그 결과, 시계 천이 공간(52)은 원자빔(42)의 빔 축으로부터 벗어나므로, 고온의 원자 오븐(40)이 발하는 흑체 복사의 영향을 제거할 수 있다. 또한, 시계 천이 공간(52)은 저온조(54)에 의해 둘러싸여 있고, 주위의 상온의 물질이 발하는 흑체 복사로부터 차폐되어 있다. 일반적으로, 흑체 복사는 물질의 절대 온도의 4제곱에 비례하므로, 저온조(54)에 의한 저온화는 흑체 복사의 영향 제거에 큰 효과가 있다.

시계 천이 공간(52)에서는 광 주파수를 제어한 레이저광을 원자에 조사하고, 시계 천이(즉 시계의 기준이 되는 원자의 공명 천이)의 고정밀도 분광을 실시하고, 원자 고유 또한 불변인 주파수를 계측한다. 이에 의해, 정확한 원자 시계가 실현된다. 원자 시계의 정밀도를 높이기 위해서는, 원자를 둘러싸는 섭동을 배제하고 주파수를 정확하게 읽어낼 필요가 있다. 특히 중요한 것은 원자의 열운동에 의한 도플러 효과가 일으키는 주파수 시프트의 제거이다. 광격자 시계에서는 시계 레이저의 파장에 비해 충분히 작은 공간에, 레이저광의 간섭에 의해 만드는 광격자로 원자를 가둠으로써 원자의 운동을 동결시킨다. 한편, 광격자 내에서는, 광격자를 형성하는 레이저광에 의해 원자의 주파수가 어긋난다. 그래서, 광격자광빔(80)으로서는, 「마법 파장」또는 「마법 주파수」라고 불리는 특정의 파장·주파수를 선택함으로써, 광격자가 공명 주파수에 주는 영향을 제거한다.

시계 천이는 또한 자기장에 의해서도 영향을 받는다. 자기장 중의 원자는 자기장의 강도에 대응한 제만 분열을 일으키므로, 시계 천이를 정확하게 계측할 수 없게 된다. 그래서, 시계 천이 공간(52)에서는 자기장을 균일화하고 또한 제로로 하도록 자기장의 보정이 실시된다. 우선, 냉동기(58)의 펠티어 소자에 기인하는 누설 자기장은, 누설 자기장의 크기에 대응한 보상 자기장을 발생하는 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)에 의해 동적으로 보상된다. 동일하게 하여, 원자 오븐 (40)의 히터에 기인하는 누설 자기장은 원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일(104)에 의해 동적으로 보상할 수 있도록 설정되어 있다. 또한, 제만 감속기용 코일(44) 및 MOT 장치용 코일(48)에 대해서는, 시계 천이의 주파수를 계측하는 타이밍에서, 전류 신호를 OFF로 하여 통전하지 않고, 자기장의 영향이 미치지 않도록 하고 있다. 시계 천이 공간(52)의 자기장은 또한 3축 자기장 보정 코일(96)에 의해 보정된다. 3축 자기장 보정 코일(96)은 각 축의 방향으로 복수 설치되어 있고, 자기장의 균일 성분뿐만 아니라, 공간적으로 변화되는 성분에 대해서도 제거할 수 있다.

이와 같이 하여, 요란(擾亂)을 제거한 상태에서 원자 집단은 레이저광에 의해 시계 천이를 촉진받는다. 시계 천이의 결과 발광하는 광은 광학계 장치에 의해 수광되고, 제어 장치에 의해 분광 처리 등 되어 주파수가 구해진다.

이하, 원자빔 생성 장치에 대하여 상세하게 설명한다.

<실시예 1에 관한 원자빔 생성 장치>

도 3 내지 도 5를 참조하여, 실시예 1에 관한 원자빔 생성 장치에 대하여 설명한다. 도 3 내지 도 5에는 원자빔 생성 장치의 일례인 원자 오븐(40)이 도시되어 있다. 도 3은 원자 오븐(40)의 단면도이다. 도 4는 원자 오븐(40)의 단면도이다. 도 5는 원자 오븐(40)의 분해 사시도이다. 또한, 도 5에는 원자 오븐(40)의 일부만(예를 들어, 카트리지(200) 및 플랜지(222))가 도시되어 있다.

원자 오븐(40)은 카트리지(200)와, 카트리지(200)가 설치되는 본체(220)를 포함한다.

카트리지(200)는 홀더(202), 캐필러리 노즐(204) 및 커버(206)를 포함한다.

홀더(202)는, 예를 들면 원통상의 형상을 갖는 부재이다. 홀더(202)의 내부에는 공간인 시료실(208)이 형성되어 있고, 그 시료실(208) 내에 샘플로서의 원자원이 설치된다. 이와 같이, 원자원은 홀더(202) 내에 수용된다. 홀더(202)의 외표면에는 나사홈(202a)이 형성되어 있다. 나사홈(202a)은 후술하는 하우징(226)의 내주면에 형성된 나사홈(226a)과 맞물리는 홈이다. 후술하는 바와 같이, 나사홈(202a)과 나사홈(226a)이 맞물림으로써, 카트리지(200)가 하우징(226)에 고정된다.

캐필러리 노즐(204)은 홀더(202)의 직경보다 가는 직경을 갖는 원통상의 부재이다. 캐필러리 노즐(204)은 홀더(202)의 일단에 설치되고, 그 일단으로부터 연장되는 부재이다. 예를 들어, 홀더(202)와 캐필러리 노즐(204)은 일체화된 부재이다. 시료실(208)과 캐필러리 노즐(204)의 내부는 연통하고 있고, 시료실(208) 내에서 원자원으로부터 발생한 원자 기체는 캐필러리 노즐(204)을 통과하여 원자빔(42)으로서 원자 오븐(40)의 외부로 출사한다.

커버(206)는 나사에 의해 홀더(202)의 타단에 착탈 가능하게 설치되는 부재이다. 커버(206)를 홀더(202)로부터 분리함으로써, 시료실(208)을 개방하고, 시료실(208) 내에 원자원을 설치할 수 있다.

원자원으로서 예를 들면, 스트론튬이나 이터븀 등과 같이 가열함으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원이 사용된다. 물론, 이들 이외의 원자원이 사용되어도 된다.

커버(206)의 표면에는 홈(212)이 형성되어 있다. 홈(212)은 예를 들면, 일자 드라이버를 삽입하는 것이 가능한 형상을 갖는다. 구체적으로는, 홈(212)은 직선 형상의 홈이나, 십자 형상의 홈(예를 들면, 2 개의 직선 형상의 홈이 교차하는 홈)이다.

본체(220)는 플랜지(222), 열복사 실드(224), 하우징(226), 버튼 히터(228), 커버(230), 열 절연성 튜브(232), 로드(234), 열복사 실드(236) 및 홀더(202) 내의 시료실(208)의 온도를 계측하는 온도 센서를 포함한다. 이들 부재는 물리 패키지(12) 내에서 진공의 부분(진공 측)에 배치된다.

플랜지(222)는 원자 오븐(40)을 물리 패키지(12)에 부착하기 위한 진공 플랜지(예를 들어, ICF70 플랜지)이다. 플랜지(222)를 경계로, 일방 측이 진공 측이고 타방 측이 대기 측이다. 즉, 플랜지(222)가 물리 패키지(12)에 부착된 경우, 상기의 각 부재(열복사 실드(224) 등)가 진공 측에 배치된다.

플랜지(222)에는 플랜지(222)의 두께 방향으로 관통하는 구멍인 출입구(222a)가 형성되어 있다. 출입구(222a)는 플랜지(222)의 외측인 대기측으로부터 카트리지(200)를 본체(220) 내에 출입하기 위한 구멍이고, 홀더(202)의 직경보다 큰 직경을 갖는다.

또한, 플랜지(222)에는, 냉각액이 흐르는 유로(222b), 및 진공 측과 대기 측을 전기적으로 접속할 수 있는 진공 허메틱 시일 커넥터(222c, 222d)가 적절히 설치된다. 커넥터(222c)는 버튼 히터(228)용 커넥터이고, 버튼 히터(228)용 리드선의 일단이 접속된다. 리드선의 타단은 버튼 히터(228)에 접속된다. 커넥터(222d)는 온도 센서에 접속되는 커넥터이다.

플랜지(222)의 위치를 기준으로 하여 플랜지(222) 측으로부터 차례로 열복사 실드(224), 하우징(226) 및 버튼 히터(228)가 배치되어 있다.

열복사 실드(224)는 예를 들면 원통상의 형상을 갖고, 플랜지(222)에 설치되어 있다. 열복사 실드(224)는 예를 들면 SUS(스테인리스)로 이루어지는 부재이다. 열복사 실드(224)는 플랜지(222)의 출입구(222a)의 위치에 맞추어 플랜지(222)에 설치되어 있다. 통 형상의 열복사 실드(224)의 내부에는 공간인 통로(238)가 형성되어 있다. 통로(238)는 출입구(222a)로부터 본체(220) 내에 삽입된 카트리지(200)가 통과하는 공간이다. 통로(238)는 홀더(202)의 외형에 대응하는 형상을 갖고, 통로(238)의 크기(예를 들어, 직경)는 홀더(202)의 크기(예를 들어, 직경)보다 약간 크다. 이와 같이, 통로(238)는 홀더(202)를 삽입하는 것이 가능한 형상 및 크기를 갖는다. 카트리지(200)는 통로(238)를 지나 하우징(226)까지 삽입되고 하우징(226)에 의해 지지된다.

하우징(226)은 일방 측(열복사 실드(224) 측)에서 카트리지(200)를 지지하고 타방 측(열복사 실드(224)의 반대 측)에서 버튼 히터(228)를 지지하는 부재이다. 하우징(226)은 설치부의 일례에 상당한다. 하우징(226)은 예를 들면, SUS로 이루어지는 부재이다. 하우징(226)의 일방 측은 카트리지(200)의 홀더(202)의 형상에 대응한 형상(예를 들어 원통상의 형상)을 갖고, 그 형상을 갖는 부분에 홀더(202)의 일부 또는 전부가 설치되도록 이루어져 있다. 도 4에 도시된 예에서는, 홀더(202)의 일부가 하우징(226)의 일방 측에 설치되고 하우징(226)에 의해 지지된다.

또한, 하우징(226)의 일방 측의 내면에는 나사홈(226a)이 형성되어 있다. 나사홈(226a)은 홀더(202)의 외주면에 형성된 나사홈(202a)과 맞물리는 형상을 갖는다.

또한, 하우징(226)의 저부에는, 일방 측으로부터 타방 측에 걸쳐 그 저부를 관통하는 구멍(226b)이 형성되어 있다. 카트리지(200)의 캐필러리 노즐(204)이 그 구멍(226b)에 삽입되어 하우징(226)의 저부를 관통하게 되어 있다.

버튼 히터(228)는 온도 조정 기구의 일례이고, 홀더(202) 내의 시료실(208)을 가열하는 가열 기구이다. 도 4에 도시된 예에서는, 버튼 히터(228)는 캐필러리 노즐(204)의 선단의 개구부를 덮지 않도록 캐필러리 노즐(204)의 선단의 주위에 배치되어 있다. 이에 의해, 시료실(208)의 온도보다 캐필러리 노즐(204)의 선단 측의 온도가 높아진다. 이와 같이, 캐필러리 노즐(204)로부터 시료실(208)에 걸쳐 온도 구배가 형성되도록 버튼 히터(228)의 설치 위치가 정해져 있다.

또한, 버튼 히터(228)를 덮도록 커버(230)가 설치되어 있다. 커버(230)에는 하우징(226)의 구멍(226b)의 위치에 대응하는 위치에 구멍(230a)이 형성되어 있다. 그 구멍(230a)에 캐필러리 노즐(204)의 선단이 삽입된다.

열복사 실드(224) 및 하우징(226)보다 외측의 위치에 있어서, 버튼 히터(228)의 설치 위치로부터 플랜지(222)에 걸쳐, 열 절연성 튜브(232)와 로드(234)가 설치되어 있다. 열 절연성 튜브(232) 및 로드(234)의 일단은 버튼 히터(228)의 커버(230)에 접속되고(예를 들어, 고정되고), 열 절연성 튜브(232) 및 로드(234)의 타단은 플랜지(222)에 접속되어 있다(예를 들어, 고정되어 있다). 열 절연성 튜브(232)는 원통상의 형상을 갖고, 그 내부에 로드(234)가 설치되어 있다. 열 절연성 튜브(232)는 예를 들면 산화마그네슘이고, 로드(234)는 예를 들면 스틸제의 부재이다. 열 절연성 튜브(232) 및 로드(234)에 의해 가열 부분(예를 들어, 버튼 히터(228)와 커버(230))를 기계적으로 지지하고 또한, 가열 부분의 열이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.

열복사 실드(236)는 열복사 실드(224), 하우징(226), 버튼 히터(228), 커버(230), 열 절연성 튜브(232) 및 로드(234)를 덮는 부재이다. 열복사 실드(236)는 예를 들면, 알루미늄으로 이루어지는 부재이다. 열복사 실드(236)의 저부에는 하우징(226)의 구멍(226b) 및 커버(230)의 구멍(230a)에 대응하는 위치에, 즉 하우징(226)에 설치된 카트리지(200)의 캐필러리 노즐(204)의 선단에 대응하는 위치에, 그 저부를 관통하는 구멍(236a)이 형성되어 있다.

또한, 플랜지(222)의 대기 측(즉, 열복사 실드(224) 등이 설치되는 진공 측과는 반대 측)에 플랜지(240)(예를 들면 ICF34 플랜지)가 설치된다. 플랜지(240)는 플랜지(222)의 출입구(222a)를 덮도록 플랜지(222)의 대기 측에 부착된다. 플랜지(240)가 플랜지(222)에 부착됨으로써, 출입구(222a)가 폐색된다.

플랜지(240)의 일방의 면(즉, 플랜지(222)에 대향하는 면)에는 기둥상의 형상을 갖는 로드(244)가 고정되어 있다. 그 로드(244)의 선단에는 원반상의 형상을 갖는 열복사 실드(242)가 고정되어 있다. 열복사 실드(242)의 직경은 출입구(222a)의 직경 및 통로(238)의 직경보다 작다. 열복사 실드(242) 및 로드(244)는 예를 들면 SUS로 이루어지는 부재이다.

이하, 카트리지(200)를 원자 오븐(40)의 본체(220)에 설치할 때의 작업에 대하여 설명한다.

원자 오븐(40)의 본체(220)가 물리 패키지(12)에 부착되어 있는 상태에서 원자 오븐(40)의 진공 측을 대기로 되돌리고, 플랜지(240)를 플랜지(222)로부터 분리한다. 이에 의해, 출입구(222a)를 통하여 통로(238) 내가 대기에 노출된다.

다음에, 원자원이 시료실(208) 내에 수용된 카트리지(200)를, 출입구(222a)를 통하여 통로(238) 내에 삽입하고, 통로(238)를 통하여 하우징(226)까지 삽입한다. 예를 들어, 카트리지(200)의 홈(212)에 일자 드라이버를 대고, 일자 드라이버에 의해 카트리지(200)를 회전시키면서 카트리지(200)를 하우징(226)까지 삽입한다. 이 회전에 의해, 홀더(202)의 외주면에 형성되어 있는 나사홈(202a)과, 하우징(226)의 내주면에 형성되어 있는 나사홈(226a)이 맞물리고, 이에 의해 카트리지(200)가 하우징(226)에 고정되어 하우징(226)에 의해 지지된다.

카트리지(200)의 캐필러리 노즐(204)은 하우징(226)의 구멍(226b)을 관통하고 또한 버튼 히터(228)의 커버(230)의 구멍(230a)에 삽입된다. 이에 의해, 캐필러리 노즐(204)의 선단은 열복사 실드(236)의 구멍(236a)에 대응하는 위치에 설치된다.

다음에, 플랜지(240)를 플랜지(222)에 부착한다. 이에 의해, 출입구(222a)가 플랜지(240)에 의해 폐색된다. 물리 패키지(12) 내를 진공으로 함으로써, 통로(238) 및 시료실(208) 내가 진공으로 유지된다.

시료실(208) 내에 수용된 원자원이 버튼 히터(228)에 의해 가열됨으로써, 원자원으로부터 원자 기체가 발생한다. 원자 기체는 캐필러리 노즐(204) 내를 빠져나가, 수속되어 병진하고, 열복사 실드(236)의 구멍(236a)으로부터 원자 오븐(40)의 외부인 진공 측에 출사한다. 이에 의해, 원자빔(42)이 형성된다(도 2 참조).

버튼 히터(228)가 캐필러리 노즐(204)의 선단의 주위에 설치되어 있으므로, 캐필러리 노즐(204)의 선단의 온도는 시료실(208) 내의 온도보다 높아진다. 이와 같이 함으로써, 시료실(208) 내에서 발생한 원자 기체가 캐필러리 노즐(204) 내에 흡착하는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.

카트리지(200)를 원자 오븐(40)의 본체(220)로부터 분리하는 경우, 원자 오븐(40)의 진공부를 대기로 되돌리고, 플랜지(240)를 플랜지(222)로부터 분리한다. 다음에, 일자 드라이버를 출입구(222a)로부터 통로(238) 내에 삽입하고, 카트리지(200)의 홈(212)에 대고 회전시킴으로써 카트리지(200)를 회전시켜, 출입구(222a)로부터 카트리지(200)를 취출한다.

상기의 작업에 의해, 원자원의 교환 등을 실시하는 것이 가능해진다. 카트리지(200)는 원자 오븐(40)의 본체(220)를 구성하는 부품과 독립된 부품이다. 그 때문에, 원자 오븐(40)의 본체(220)를 물리 패키지(12)에 부착한 후에는, 대기 측에 설치되어 있는 플랜지(240)를 분리하는 것만으로, 카트리지(200)를 본체(220)에 대하여 출입하는 것이 가능해진다. 즉, 플랜지(222)를 물리 패키지(12)로부터 분리하여 본체(220)를 물리 패키지(12)로부터 분리하지 않고, 원자원의 교환 등을 실시하는 것이 가능해진다. 플랜지(222)를 물리 패키지(12)로부터 분리할 필요가 없으므로, 플랜지(222)를 용접 등에 의해 물리 패키지(12)에 고정하는 것이 가능해지고, 그 결과, 원자 오븐(40)의 소형화, 저비용화 및 양산화에 도움이 된다.

또한, 버튼 히터(228)의 단열 성능은 각 열복사 실드에 의한 열 유출 방지 효과 외에, 고온 측과 실온 측을 연결하는 열 절연성 튜브(232) 및 로드(234)의 열전도율, 직경 및 길이에도 의존한다. 예를 들어, 열 절연성 튜브(232) 및 로드(234)에서 가열 부분을 지지하는 부분을, 실온 측으로부터 분리하고 가능한 한 이들의 길이를 길게 하도록, 각 부재가 설계된다.

홀더(202)의 외주면 및 하우징(226)의 내주면이, 은이나 몰리브덴 등의 금속의 도금이 실시되어도 된다. 예를 들어, 나사홈(202a, 226a)에 도금이 실시된다. 이에 의해, 버튼 히터(228)에 의해 홀더(202) 및 하우징(226)이 가열되어도, 카트리지(200)를 원활하게 회전시켜 하우징(226)에 부착하거나 하우징(226)으로부터 분리할 수 있다.

또한, 상술한 실시예 1에서는 온도 조정 기구로서 버튼 히터(228)가 사용되고, 원자원으로서, 가열함으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원(예를 들어, 스트론튬이나 이터븀 등)이 사용되는 경우에 대해서 설명하였다. 이와는 다른 예로서, 온도 조정 기구로서 펠티어 소자 등의 냉각 기구가 사용되고, 원자원으로서 냉각함으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원(예를 들면 수은 등)이 사용되어도 된다. 이 경우에도, 상술한 작업에 의해 원자원을 교환하는 것이 가능해진다.

<실시예 2에 관한 원자빔 생성 장치>

도 6 및 도 7을 참조하여, 실시예 2에 관한 원자빔 생성 장치에 대하여 설명한다. 도 6 및 도 7에는, 원자빔 생성 장치의 일례인 원자 오븐(40A)이 도시되어 있다. 도 6은 원자 오븐(40A)의 단면도이다. 도 7은 원자 오븐(40A)의 단면도이다. 실시예 2에서는, 원자 오븐(40) 대신 원자 오븐(40A)이 물리 패키지(12)에 설치된다.

원자 오븐(40A)은 카트리지(260)와, 카트리지(260)가 설치되는 본체(220A)를 포함한다. 실시예 2에서는 실시예 1의 카트리지(200) 대신 카트리지(260)가 사용되고, 실시예 1의 본체(220) 대신, 본체(220A)가 사용된다.

본체(220A)는 실시예 1의 하우징(226) 대신 하우징(250)을 포함한다. 본체(220A)는 하우징(250)을 제외하고, 실시예 1의 본체(220)의 구성과 동일한 구성을 갖는다. 또한, 하우징(250)의 저부에는 하우징(226)의 구멍(226b)과 동일하게 구멍(250b)이 형성되어 있다.

카트리지(260)는 홀더(262)와, 캐필러리 노즐(264)을 포함한다.

실시예 1과 동일하게, 홀더(262)의 내부에는 공간에서 시료실(266)이 형성되어 있고, 그 시료실(266) 내에 샘플로서의 원자원이 설치된다.

실시예 1과 동일하게, 캐필러리 노즐(264)이 홀더(262)의 일단에 설치되어 있다. 실시예 2에서는 홀더(262)의 외표면의 일부의 면(262a)이 캐필러리 노즐 (264)의 설치 위치를 향하여 테이퍼 형상으로 형성되어 있다. 홀더(262)의 외주면의 형상에 대응하여, 홀더(262)가 설치되는 하우징(250)의 내주면(250a)이 테이퍼 형상으로 형성되어 있다. 기계 가공 정밀도를 고려하면, 이들의 면은 테이퍼 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하지만, 물론 실시예 1과 동일하게, 홀더(262)의 면(262a) 및 하우징(250)의 내주면(250a)은 테이퍼 형상으로 형성되지 않아도 된다.

실시예 2에서는 하우징(250)에 설치된 카트리지(260)를 출입구(222a)의 측으로부터 하우징(250)의 측으로 미는 탄성 기구가 사용된다. 예를 들어, 탄성 기구는 코일 스프링 등의 스프링을 사용함으로써, 카트리지(260)를 하우징(250)의 측으로 밀어, 카트리지(260)를 하우징(250)에 억압하여 카트리지(260)를 하우징(250)에 고정한다. 이하, 탄성 기구에 대하여 설명한다.

탄성 기구는 예를 들면, 코일 스프링(270), 플런저(272), 플랜지(278)에 의해 구성된다.

플런저(272)는 로드(272a)와, 그 로드(272a)의 일단에 고정된, 원반상의 형상을 갖는 원반부(272b)를 포함한다. 원반부(272b)는 열복사 실드이며, 홀더 (262)의 저면(262b)에 억압되는 부재이다. 로드(272a)의 타단에, 플랜지(278)에 형성된 홈 내에 수용되는 코일 스프링(270)이 배치된다.

이하, 카트리지(260)를 원자 오븐(40A)의 본체(220A)에 설치할 때의 작업에 대하여 설명한다.

원자 오븐(40A)의 본체(220A)가 물리 패키지(12)에 부착되어 있는 상태에서 원자 오븐(40A)의 진공 측을 대기로 되돌리고, 플랜지(278)를 플랜지(222)로부터 분리한다.

다음에, 원자원인 샘플이 시료실(266) 내에 수용된 카트리지(260)를, 출입구(222a)를 통하여 통로(238) 내에 삽입한다. 또한, 코일 스프링(270)이 플랜지(278)의 홈 내에 수용되고, 로드(272a)의 타단이 그 홈 내에 삽입된 상태에서, 플랜지(278)를 플랜지(222)에 부착한다. 이에 의해, 플런저(272)의 원반부(272b)가, 카트리지(260)의 홀더(262)의 저면(262b)에 접촉하고, 또한 코일 스프링(270)의 탄성력에 의해 원반부(272b)가 홀더(262)의 저면(262b)에 억압된다. 이 탄성력에 의해, 카트리지(260)는 하우징(250) 측으로 억압되어 하우징(250)에 고정된다.

또한, 코일 스프링(270)은, 고온에 노출되면 자연장이 줄어들 가능성이 있으므로, 가능한 실온을 유지하는 것이 가능한 부위에 장착되는 것이 바람직하다.

홀더(262)는 버튼 히터(228)에 의해 가열되어 있고, 플런저(272)의 원반부(272b)는 그 가열되어 있는 홀더(262)의 저면(262b)에 접촉된다. 홀더(262)로부터 플런저(272)로의 열 유입을 가능한 줄이기 위해, 원반부(272b)와 홀더(262)의 저면(262b)의 접촉 면적은 적은 편이 바람직하다. 예를 들어, 원반부(272b)에서 저면(262b)에 접촉하는 면에, 3 개의 돌기부가 설치되고, 그들 3 개의 돌기부가 저면(262b)에 접촉되도록, 플런저(272)를 구성해도 된다. 이와 같이 접점의 수를 줄임으로써 접촉 면적이 감소되므로, 홀더(262)로부터 플런저(272)로의 열 유량을 줄일 수 있다.

실시예 2에 있어서, 실시예 1과 동일하게 플랜지(222)를 물리 패키지(12)로부터 분리하여 본체(220A)를 물리 패키지(12)로부터 분리하지 않고, 원자원의 교환 등을 실시하는 것이 가능해진다.

또한, 온도 조정 기구로서 펠티어 소자 등의 냉각 기구가 사용되고, 원자원으로서, 냉각함으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원이 사용되어도 된다. 이 경우도, 본체(220A)를 물리 패키지(12)로부터 분리하지 않고, 원자원의 교환 등을 실시할 수 있다.

상술한 실시예 1, 2에 관한 원자 오븐에서, 버튼 히터(228)에 9 W의 전력을 통전한 후, 정상 상태가 되었을 때의, 원자 오븐의 온도 분포를 시뮬레이트하였다. 경계 조건으로서, 플랜지(222) 측면에는 냉각수의 배관이 감겨지고, 플랜지(222)가 실온으로 유지되어 있는 것으로 했다. 열 절연성 튜브나 각 열복사 실드가 기능함으로써, 하우징이나 시료실에서, 원하는 온도에서 열 구배가 적은 균일한 고온 공간을 달성할 수 있었다.

또한, 원자 오븐의 길이 방향의 축(도 2 중의 Z축)에 직교하는 방향으로, 지구 표면에서의 중력의 8 배의 힘이 가해졌을 때의, 원자 오븐의 변위량을 시뮬레이트하였다. 가령 변위가 커지면 원자빔이 구부러져, 원하는 방향 및 위치로 원자빔을 출사할 수 없게 될 가능성이 있다. 시뮬레이션 결과에 의하면, Z축에 직교하는 방향으로 상기의 힘이 가해진 경우에도, 열 절연성 튜브(232)나 로드(234) 등의 강도에 의해 변위량이 1 μ미터 이하에 머물러, 원자 오븐의 사용상, 문제가 없는 것을 확인할 수 있었다.

<실시예 3에 관한 원자빔 생성 장치>

도 8 및 도 9를 참조하여, 실시예 3에 관한 원자빔 생성 장치에 대하여 설명한다. 도 8 및 도 9에는 원자빔 생성 장치의 일례가 도시되어 있다. 도 8은 원자빔 생성 장치(40B)의 단면도이다. 도 9는 원자빔 생성 장치(40B)의 단면도이다. 실시예 3에서는, 원자 오븐(40) 대신 원자빔 생성 장치(40B)가 물리 패키지(12)에 설치된다.

원자빔 생성 장치(40B)는 실시예 1과 동일한 카트리지(200)와, 카트리지(200)가 설치되는 본체(220B)를 포함한다.

본체(220B)는 실시예 1의 하우징(226) 대신에 하우징(226B)을 포함한다. 실시예 1에서는 버튼 히터(228)가 본체(220)에 설치되어 있지만, 실시예 3에서는 버튼 히터(228) 대신, 냉각 장치(300)가 본체(220)에 설치되어 있다. 또한, 하우징(226B)으로부터 냉각 장치(300)에 걸쳐 열 링크 부재(302)가 연장되어, 하우징(226B)과 냉각 장치(300)는 열 링크 부재(302)에 의해 접속되어 있다. 이에 의해, 하우징(226B)은 열 링크 부재(302)를 통하여 냉각 장치(300)에 의해 냉각된다. 본체(220B)는 하우징(226B)과 냉각 장치(300)를 제외하고 실시예 1의 본체(220)의 구성과 동일한 구성을 갖는다.

실시예 1과 동일하게, 카트리지(200)의 홀더(202)의 내부에는 공간인 시료실(208)이 형성되어 있고, 그 시료실(208) 내에 샘플로서의 원자원이 설치된다. 실시예 3에서는, 예를 들면 원자원으로서 수은 원자(예를 들면 액체의 수은)가 시료실(208) 내에 설치된다.

실시예 1에서는, 버튼 히터(228)로부터 하우징(226)이나 홀더를 통하여. 원자원으로 열이 흘러 원자원이 가열된다. 실시예 3에서는 하우징(226)이나 열 링크 부재(302)를 통하여, 냉각 장치(300)에 의해 원자원으로부터 흡열하여 원자원이 냉각된다.

예를 들면, 수은 원자는 전술한 스트론튬 원자나 이터븀 원자에 비해, 흑체 복사에 기인하는 영향이 작으므로, 광격자 시계의 고정밀도화에 유망한 것으로 여겨진다. 수은은 융점이 섭씨 -40도로 낮고, 상압·실온에서는 액체이다. 또한, 진공 하에서도 실온에서는 증기압이 비교적 높다. 따라서, 원자원으로서 수은을 사용하는 경우, 진공하에서 원자빔 생성 장치(40B)로부터 출사되는 원자 유량을 적량으로까지 억제하기 위해, 원자원을 냉각하여 고화하여, 증기압을 저하시키는 것이 바람직하다.

원자원을 간편하게 착탈할 수 있고, 운전시에 원자원의 온도를 낮출 수 있는, 실시예 3은 수은 원자와 같은 실온에서 증기압이 높은 원자의 원자빔 생성 장치로서 적합하다.

냉각 장치(300)의 구체적인 하나의 예는 펠티어 소자이다. 펠티어 소자는 구성하는 2 종 이상의 금속의 접합부에 전류를 흘림으로써, 접합면의 일방의 면으로부터 반대면으로 열의 흐름이 촉진되고, 그 결과 한쪽면에 접촉되는 물체를 냉각할 수 있다. 구체적으로, 펠티어 소자의 냉각면을 열 링크 부재(302)에 접속하고, 다른 한쪽의 면을 플랜지(222)에 접속함으로써, 열 링크 부재(302) 및 하우징(226B)을 통하여 원자원을 냉각시킬 수 있다. 전류는 커넥터를 통하여 공급된다. 플랜지(222)에 구비된 유로(222b)에는 냉각수가 흐르고 있어, 펠티어 소자의 발열을 배출할 수 있다. 펠티어 소자의 냉각능은 열 링크 부재(302)를 통하여 하우징(226B) 전체를 냉각할 수 있을 정도로 높은 것이 바람직하다. 또한, 펠티어 소자로부터 떨어진 캐필러리 노즐(204)의 쪽에서, 다소 냉각이 불충분해도, 펠티어 소자에 가까운 원자원조차 냉각할 수 있고, 원자원의 증기압을 적절히 억제할 수 있으면, 원자원의 불필요한 소비가 억제되고 캐필러리 노즐(204)이 막힐 우려도 없어 문제가 되지는 않는다.

하우징(226B)과 카트리지(200)의 홀더(202)의 열 접촉은, 원자원을 가열하는 경우에 비해, 냉각하는 경우의 쪽이 한층 더 강하게 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 고온하에서는 비교적 큰 열복사에 의한 열전도를 기대할 수 있지만, 저온하에서는 열복사를 기대할 수 없고, 접촉면을 통한 열전도가 지배적이기 때문이다. 따라서, 예를 들면 나사식의 접촉이면, 통상 나사에 비하여 세목 나사 등과 같이 접촉 면적이 증가하는 연결이 바람직하다. 또한, 예를 들면 실시예 2와 같은 면 접촉과 탄성 스프링을 이용한 접촉이면, 면의 표면 거칠기를 미세하게 하거나, 탄성 정수를 강하게 하는 등, 강한 연결이 바람직하다.

원자빔 생성 장치(40B)에서 수은을 원자원으로서 취급하는 경우, 하나의 주의점은 카트리지(200)의 시료실(208)에 모인 액체에 있는 수은이 캐필러리 노즐(204)을 막지 않도록 그 양을 적량으로 하는 것이다. 또한, 카트리지(200)의 착탈 작업이나 카트리지(200)의 보관시 등, 캐필러리 노즐(204)이 위가 되도록 취급하는 등, 카트리지(200)의 자세에 주의를 기울여야 한다.

<카트리지(200, 260)의 관리 방법>

이하, 카트리지(200, 260)의 관리 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는 일례로서 카트리지(260)의 관리 방법에 대해서 설명하지만, 카트리지(200)에 대해서도 동일한 방법에 의해 관리하는 것이 가능하다.

도 10을 참조하여, 카트리지(260)의 관리 방법에 대해서 설명한다. 도 10은 카트리지(260)의 사시도이다.

원자원으로서 스트론튬 등을 사용하는 경우, 원자원이 대기하에 장시간 노출되면, 산화하여 열화된다. 이를 방지하기 위해, 카트리지(260)의 홀더(262) 내의 시료실(266)에 원자원을 충전하고, 홀더(262)의 저부 덮개를 닫고, 카트리지(260)를 유리관(280) 내에 수용한다. 유리관(280) 내는 진공 형성된다. 진공 형성 후, 불활성 가스로 유리관(280) 내부가 퍼지되어도 된다. 또한, 유리관(280) 대신, 플라스틱백 등을 사용한 진공팩 등에, 카트리지(260)를 수용해도 된다. 이와 같이, 원자원을 수용한 카트리지(260) 자체가, 진공 중이나 불활성 가스 분위기 중에서 보관된다.

또한, 카트리지(260)는 반복 사용되는 것은 상정되어 있지 않고, 일회용을 전제로 하고 있다. 카트리지(260)를 구성하는 부품은 일반적으로 본체(220A)를 구성하는 부품보다 저렴하다. 고가이고 가공이 곤란한 부품으로 구성되어 있는 본체(220A)를 항구적으로 이용하고, 소모되는 원자원을 저렴한 부품인 카트리지(260)별로 교환하는 것은, 제품을 제작하는 관점이나 메인터넌스의 관점에서 장점이 있다.

카트리지(260)를 사용하는 경우, 광격자 시계(10)의 준비가 된 단계에서, 플랜지(278)를 플랜지(222)로부터 분리하고, 유리관(280)으로부터 카트리지(260)를 취출하고, 그 카트리지(260)를 원자 오븐(40A)의 본체(220A)에 탑재하고, 플랜지(278)를 플랜지(222)에 부착하고, 물리 패키지(12)의 진공 형성을 개시한다.

이상과 같이, 원자원을 수용하는 카트리지(260) 자체가, 진공 중이나 불활성 가스 분위기 중에서 보관되므로, 원자원의 산화를 억제 또는 방지하는 것이 가능해진다.

또한, 캐필러리 노즐(264)이 버튼 히터(228)에 의해 가열됨으로써 증발하는 밀봉재(282)에 의해 밀봉되어도 된다. 예를 들어, 캐필러리 노즐(264) 내에 밀봉재(282)가 충전됨으로써 캐필러리 노즐(264)이 밀봉된다.

밀봉재(282)로서, 예를 들면 인듐이 사용된다. 물론, 버튼 히터(228)에 의해 가열됨으로써 증발하는 재료이면, 인듐 이외의 재료가 밀봉재(282)로서 사용되어도 된다.

밀봉재(282)에 의해 캐필러리 노즐(264)을 밀봉함으로써, 홀더(262) 내의 시료실(266)이 대기에 노출될 가능성이 더욱 낮아지고, 그 결과, 원자원의 산화를 억제 또는 방지하는 것이 가능해진다.

광격자 시계(10)의 시동시에 버튼 히터(228)에 통전하면, 버튼 히터(228)에 의한 가열에 의해 밀봉재(282)가 증발하여, 원자원으로부터 발생한 원자 기체가 캐필러리 노즐(264)을 통과하게 된다.

이상의 설명에서는 광격자 시계를 예로 들었다. 그러나, 본 실시 형태의 기술은 당업자이면 광격자 시계 이외에도 적용 가능하다. 구체적으로는, 광격자 시계 이외의 원자 시계, 또는 원자를 사용한 간섭계인 원자 간섭계에도 적용 가능하다. 예를 들어, 본 실시 형태에 관한 원자빔 생성 장치와 진공 챔버를 포함하는 원자 시계용의 물리 패키지나, 원자 간섭계용의 물리 패키지가 구성되어도 된다. 또한, 본 실시 형태는 원자 또는 이온화된 원자에 대한 각종의 양자 정보 처리 디바이스에도 적용 가능하다. 양자 정보 처리 디바이스란, 원자나 광의 양자 상태를 이용하여 계측, 센싱, 및 정보 처리를 실시하는 장치를 말하며 원자 시계, 원자 간섭계 외에 자기장계, 전계계(電場計), 양자 컴퓨터, 양자 시뮬레이터, 양자 중계기 등을 예시할 수 있다. 양자 정보 처리 디바이스의 물리 패키지에서는 본 실시 형태의 기술을 이용함으로써, 광격자 시계의 물리 패키지와 동일하게, 소형화 또는 가반화를 달성할 수 있다. 또한, 이러한 디바이스에서는 시계 천이 공간은 시계 계측을 목적으로 하는 공간이 아니라, 단순히 시계 천이 분광을 일으키는 공간으로서 취급되는 경우가 있는 것에 유의하기 바란다.

이들 디바이스에서는 본 실시 형태에 관한 원자빔 생성 장치를 사용함으로써, 진공 용기의 내부를 분해하지 않고, 매우 간편한 작업으로 원자원의 교환 등을 수행하는 것이 가능해진다. 또한, 이들 디바이스의 소형화 및 가반화를 도모하는 것이 가능해진다.

이상의 설명에서는 이해를 용이하게 하기 위해 구체적인 실시 형태를 나타내었다. 그러나, 이들은 실시 형태를 예시하는 것이며, 그 밖에도 다양한 실시 형태를 취하는 것이 가능하다.

10: 광격자 시계 12: 물리 패키지
40,40A: 원자 오븐 200, 260: 카트리지
202, 262: 홀더 204, 264: 캐필러리 노즐
208, 266: 시료실 220, 220A: 본체
226, 250: 하우징 228: 버튼 히터
270: 코일 스프링 272: 플런저

Claims (15)

1. 원자원을 수용하는 홀더를 포함하는 카트리지, 및
   상기 카트리지가 설치되는 본체
   를 포함하고,
   상기 본체는
   상기 카트리지가 설치되는 설치부,
   상기 설치부에 설치된 상기 카트리지에 수용된 상기 원자원의 온도를 조정하는 온도 조정 기구,
   상기 본체의 외부인 대기 측에 설치되고, 상기 카트리지를 상기 본체에 출입하기 위한 출입구, 및
   상기 출입구로부터 상기 설치부에 이르는 통로
   를 포함하며,
   상기 온도 조정 기구에 의해 상기 원자원의 온도를 조정함으로써 상기 원자원으로부터 발생한 원자 기체를, 원자빔으로서 상기 본체로부터 상기 본체의 외부인 진공 측으로 출사시키는, 원자빔 생성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 설치부에 설치된 상기 카트리지를 상기 출입구 측으로부터 상기 설치부 측으로 미는 탄성 기구를 추가로 포함하는, 원자빔 생성 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 탄성 기구는 스프링의 탄성력에 의해 상기 카트리지를 상기 설치부 측으로 미는, 원자빔 생성 장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 홀더의 외표면은 상기 홀더의 선단을 향하여 테이퍼상의 형상을 갖고,
   상기 설치부에서 상기 카트리지가 설치되는 면은 상기 홀더의 외주면의 형상에 대응한 테이퍼상의 형상을 갖는, 원자빔 생성 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 설치부에서 상기 카트리지가 설치되는 면에 나사홈이 형성되어 있고,
   상기 홀더의 외표면에 상기 설치부의 나사홈에 맞물리는 나사홈이 형성되어 있는, 원자빔 생성 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 카트리지는 또한
   상기 홀더에 일체화된 노즐을 포함하고,
   상기 원자원으로부터 발생한 원자 기체는 상기 노즐 내를 통과하여 진공 측으로 출사하는, 원자빔 생성 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 온도 조정 기구는 상기 노즐의 선단 주위에 설치되어 있는, 원자빔 생성 장치.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 원자원은 가열됨으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원이고,
   상기 온도 조정 기구는 상기 원자원을 가열하는 히터이며,
   상기 노즐은 상기 히터에 의해 가열됨으로써 증발하는 밀봉재에 의해 밀봉되어 있는, 원자빔 생성 장치.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 원자원은 냉각됨으로써 원자 기체를 발생시키는 원자원이고,
   상기 온도 조정 기구는 상기 원자원을 냉각하는 냉각 기구인, 원자빔 생성 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 원자빔 생성 장치와,
    원자가 배치되는 시계 천이 공간을 둘러싸는 진공 챔버
    를 포함하는, 물리 패키지.
11. 제 10 항에 기재된 물리 패키지를 포함하는, 광격자 시계용 물리 패키지.
12. 제 10 항에 기재된 물리 패키지를 포함하는, 원자 시계용 물리 패키지.
13. 제 10 항에 기재된 물리 패키지를 포함하는, 원자 간섭계용 물리 패키지.
14. 제 10 항에 기재된 물리 패키지를 포함하는, 원자 또는 이온화된 원자에 대한 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지.
15. 제 10 항에 기재된 물리 패키지를 포함하는, 물리 패키지 시스템.