WO2022264603A1 - プラズマ源及び当該プラズマ源を用いた原子時計 - Google Patents

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magnetic pole
electrode
plasma source
magnetic field
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優一 倉島
大成 本村
真也 柳町
秀樹 高木
栄治 日暮
貴司 松前
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/02—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
    • H05H1/10—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using externally-applied magnetic fields only, e.g. Q-machines, Yin-Yang, base-ball
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J41/12—Discharge tubes for evacuating by diffusion of ions, e.g. ion pumps, getter ion pumps
    • H01J41/18—Discharge tubes for evacuating by diffusion of ions, e.g. ion pumps, getter ion pumps with ionisation by means of cold cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference

Definitions

  • the present invention relates to a plasma source and an atomic clock using the plasma source.
  • Small cells sealed in ultra-high vacuum are expected to be applied to various innovative devices.
  • Such an ultra-high vacuum small cell is realized by airtightly sealing the cell in a medium vacuum (10 ⁇ 1 to 1 Pa) and then evacuating the cell from the outside using an ultra-high vacuum pump.
  • Ion pumps are generally widely used as ultra-high vacuum pumps, and plasma sources capable of highly efficient discharge are used inside the ion pumps.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • a technique is known that realizes a structure similar to that of an ion pump by a MEMS process (microfabrication and anodic bonding).
  • the N pole of the first magnet and the S pole of the second magnet are opposed to each other, and the first cathode electrode made of silicon is placed on the side of the first magnet, and the second cathode electrode made of silicon is placed on the side of the second magnet.
  • a cathode electrode and a silicon anode electrode are positioned to provide a space between the first cathode electrode and the second cathode.
  • the cathode electrode is arranged in the center
  • the anode electrode is arranged on substantially the same plane as the cathode electrode so as to surround the cathode electrode on the outer side
  • magnets are arranged above and below the cathode electrode and the anode electrode so that different magnetic poles face each other.
  • Other techniques are also known. As a result, the electrons are confined to cause discharge, and the electrons collide with the residual gas to be exhausted. Even with such a technique, it is not possible to discharge with high efficiency in an ultra-high vacuum state of about 10 ⁇ 5 Pa or less.
  • a magnetron sputtering method is known as a method for forming a film on a substrate.
  • this technique aims at film formation on a substrate, this technique cannot be applied as it is to the problem of highly efficient discharge in an ultra-high vacuum state.
  • one object of the present invention is to provide a compact plasma source that enables highly efficient discharge in an ultra-high vacuum.
  • the plasma source according to the first aspect of the present invention includes (A) a first magnet, and (B) a second magnetic pole different from the first magnetic pole with respect to the first magnetic pole of the first magnet.
  • a second magnet arranged to face and (C) a second magnetic pole different from the first magnetic pole directed in the same direction as the direction of the first magnetic pole of the first magnet, a third magnet arranged to surround the magnet; and (D) a first magnetic pole different from the second magnetic pole faces the second magnetic pole of the third magnet, and the second magnet
  • E a first electrode provided on the side of the first magnetic pole of the first magnet and the second magnetic pole of the third magnet
  • a plasma source includes (A) a first magnet, and (B) a second magnetic pole different from the first magnetic pole with respect to the first magnetic pole of the first magnet.
  • a second magnet arranged to face and (C) a second magnetic pole different from the first magnetic pole directed in the same direction as the direction of the first magnetic pole of the first magnet, a third magnet arranged to surround the magnet; and (D) a first magnetic pole different from the second magnetic pole faces the second magnetic pole of the third magnet, and the second magnet
  • E a first electrode provided on the side of the first magnetic pole of the first magnet and the second magnetic pole of the third magnet;
  • the first G
  • a second electrode provided on the side of the second magnetic pole of the second magnet and the first magnetic pole of the fourth magnet, and (G) higher than the first electrode and the second electrode It is adapted to be energized to a potential and has a third electrode positioned between the first and second electrodes. Then, the shorter one of the distance between the first magnet and the second magnet and the
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a plasma source according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a plasma source according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the arrangement of magnets and the like in the plasma source according to the first embodiment.
  • FIGS. 4(a) to 4(c) are diagrams showing examples of magnetic force line distribution for each inter-magnet distance ratio.
  • FIGS. 5(a) to 5(c) are diagrams showing examples of magnetic force line distribution for each inter-magnet distance ratio.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of magnetic force intensity distribution in the Y direction.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of magnetic force intensity distribution in the X direction.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the effects of the plasma source according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration example when the plasma source is used as an ion pump.
  • FIG. 10 is a diagram showing an outline of a small cooled atomic clock.
  • FIG. 11 is a diagram showing an outline of a small cooled atomic clock.
  • FIG. 12 is a diagram showing an embodiment in which the plasma source is used as a vacuum pump.
  • FIG. 13 is a diagram showing the effect of using the plasma source as a vacuum pump.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a plasma source according to this embodiment.
  • the plasma source according to this embodiment is a combination of the yoke 1100 shown in FIG. 1(a) and the cell section 1500 shown in FIG. 1(b).
  • the yoke 1100 has an upper arm 1200 and a lower arm 1300 with a gap 1400 provided between the upper arm 1200 and the lower arm 1300 .
  • a cell portion 1500 is inserted into this gap 1400 . That is, the vertical length of the void 1400 is slightly longer than the thickness of the cell portion 1500 .
  • Upper arm 1200 includes a cylindrical magnet 1220 and a cylindrical magnet 1210 surrounding cylindrical magnet 1220 . That is, the inner diameter of cylindrical magnet 1210 is larger than the diameter of cylindrical magnet 1220 .
  • the center point of cylindrical magnet 1220 viewed from the top and the center point of cylindrical magnet 1210 viewed from the top are arranged to match.
  • the thickness of cylindrical magnet 1210 and the thickness of cylindrical magnet 1220 are the same, and magnets having the same strength are used.
  • the lower surface of cylindrical magnet 1210 and the lower surface of cylindrical magnet 1220 are arranged to match the lower surface of upper arm 1200 .
  • Lower arm 1300 includes a cylindrical magnet 1320 and a cylindrical magnet 1210 surrounding cylindrical magnet 1320 . That is, the inner diameter of cylindrical magnet 1310 is larger than the diameter of cylindrical magnet 1320 .
  • the center point of cylindrical magnet 1320 viewed from the top and the center point of cylindrical magnet 1310 viewed from the top are arranged to match.
  • the thickness of cylindrical magnet 1310 and the thickness of cylindrical magnet 1320 are the same, and magnets having the same strength are used.
  • the upper surface of cylindrical magnet 1310 and the upper surface of cylindrical magnet 1320 are arranged to coincide with the upper surface of lower arm 1300 . It should be noted that columnar elements with no reference numerals in FIG. 1(a) are design connections and the like that are irrelevant to the following description, so description thereof will be omitted.
  • cylindrical magnets 1210 and 1310 and cylindrical magnets 1220 and 1320 are magnets of the same strength.
  • the magnets may be Neodymium or Samarium Cobalt magnets.
  • the cylindrical magnet 1220 and the cylindrical magnet 1320 have the same shape, and the cylindrical magnet 1210 and the cylindrical magnet 1310 also have the same shape.
  • the center point of the cylindrical magnet 1220 as seen from above, the center point of the cylindrical magnet 1210 as seen from the upper surface, the center point of the cylindrical magnet 1320 as seen from the upper surface, and the upper surface of the cylindrical magnet 1310 arranged so that it coincides with the center point seen from
  • the cell part 1500 includes a flat upper electrode 1510 made of silicon, a flat lower electrode 1530 made of silicon, spacers 1541 to 1543 made of glass, and between the upper electrode 1510 and the lower electrode 1530 . and a plate-shaped electrode 1520 which is held by spacers 1541 to 1543 and the like and provided with a hole 1521 . Note that some spacers, such as the spacer 1541 and the spacer under the electrode 1520, do not appear in FIG. 1 for convenience of illustration.
  • a voltage having a potential higher than that of the upper electrode 1510 and the lower electrode 1530 is applied to the electrode 1520 .
  • top electrode 1510 and bottom electrode 1530 are grounded and electrode 1520 is applied with a positive voltage.
  • electrode 1520 is retained intermediate top electrode 1510 and bottom electrode 1530 .
  • the hole 1521 is circular and its diameter is equal to or greater than the inner diameter of the cylindrical magnets 1210 and 1310 . More preferably, the center of the hole 1521 and the central points of the cylindrical magnets 1220 and 1320 viewed from above are aligned. However, the shape of the hole 1521 is arbitrary. Hole 1521 is left open to form space 1700 shown in FIG.
  • the cell portion 1500 is shown as if there are spaces on the left and right sides. .
  • FIG. 2 schematically shows a state in which the yoke 100 and the cell portion 1500 are combined.
  • the cross section is cut along the dashed line AA' and viewed in the direction of the arrow will be described.
  • FIG. 3 is a diagram showing the outline of the cross section.
  • the columnar magnets 1220 have their south poles directed toward the opposing columnar magnets 1320 and the columnar magnets 1320 have their north poles toward the opposing columnar magnets 1220 .
  • the cylindrical magnets 1210 have their north poles oriented toward the opposing cylindrical magnets 1310 , and the cylindrical magnets 1310 have their south poles oriented toward the opposing cylindrical magnets 1210 . Note that the S pole and the N pole may be reversed.
  • a magnetic circuit of cylindrical magnets 1220 and 1320 and cylindrical magnets 1210 and 1310 generates a magnetron magnetic field Q and a parallel magnetic field P having a certain strength or more in order to confine the plasma at high density.
  • the direction from the lower arm 1300 to the upper arm 1200 facing the lower arm 1300 is defined as the Y direction
  • the direction orthogonal to the Y direction is defined as the X direction.
  • Electrons cannot travel from sparse to dense magnetic field lines (weak to strong magnetic field strength) and are bounced back. Electrons cannot travel in the Y direction due to the magnetron magnetic field Q. Also, since a zero magnetic field region is generated between the upper and lower magnetron magnetic fields Q, electrons cannot move across the magnetic lines of force from the zero magnetic field region. Furthermore, it cannot advance in the X direction due to the parallel magnetic field P as well. Therefore, the plasma is confined in the region R, and high-density plasma can be generated.
  • cylindrical magnets 1220 and 1320 have a diameter of 7 mm, and cylindrical magnets 1210 and 1310 have an outer diameter of 20 mm and an inner diameter of 10 mm.
  • the distance between the upper electrode 1510 and the lower electrode 1530 is 4.4 mm.
  • a small plasma source is assumed, and the distance between upper electrode 1510 and lower electrode 1530 is assumed to be about 20 mm at the longest.
  • the Debye length (plasma size) ⁇ D is 1/10 or less of the above distance (1 mm or less because two plasmas are generated vertically).
  • the Debye length is 1 mm or less at a degree of vacuum of 10 ⁇ 4 Pa.
  • the Debye length (plasma size) exceeds 1/10 of the above distance, the number of charged particles that collide with the wall and disappear is greater than the number of charged particles generated from the electrodes, and the plasma cannot be maintained. .
  • the value obtained by dividing the shortest distance between the magnet in upper arm 1200 and the magnet in lower arm 1300 facing the magnet by the average thickness of the magnets used is It is defined as the distance ratio between magnets.
  • the thicknesses of the magnets are all the same T, and the distances between the magnets in the upper arm 1200 and the magnets in the lower arm 1300 that face the magnets are all the same L as well. In such a case, L/T becomes the inter-magnet distance ratio.
  • the inter-magnet distance ratio L/T is a small value, for example, a value of 0.5, the magnets are too close and the magnetron magnetic field of sufficient strength is generated, as shown in the simulation results schematically shown in FIG. Not generated.
  • the inter-magnet distance ratio L/T increases to, for example, 1.0, a magnetron magnetic field is generated and high-density plasma can be generated, as shown in the simulation results schematically shown in FIG. 4(b). .
  • Further increasing the inter-magnet distance ratio L/T to, for example, 2.5 produces sufficiently strong magnetron magnetic field and parallel magnetic field.
  • the distance ratio L/T between magnets is 1 or more and 10 or less, it can be used as a general plasma source. Further, in order to confine the plasma at a higher density, it is preferable that the distance ratio L/T between the magnets is 2.5 or more and 5 or less.
  • a parallel magnetic field and a magnetron magnetic field of sufficient strength can be generated.
  • the direction from the magnet of the lower arm 1300 to the magnet of the upper arm 1200 is the Y direction, and the direction orthogonal thereto is the X direction.
  • a parallel magnetic field is a magnetic field in the Y direction and a magnetron magnetic field is a magnetic field in the X direction.
  • FIG. 6 schematically shows the magnetic field intensity in the Y direction when the magnets are arranged as shown in FIG. It should be noted that the darker the color, the larger the absolute value of the magnetic field intensity.
  • the distance between cylindrical magnet 1220 and cylindrical magnet 1320 is the same as the distance between cylindrical magnet 1210 and cylindrical magnet 1310, but the magnet pair of cylindrical magnets 1220 and 1320 is of interest here. Then, the strongest magnetic field strength
  • the magnetron magnetic field is a magnetic field in the x direction, and attention is paid to the magnetic field strength in the x direction.
  • FIG. 7 schematically shows the magnetic field intensity in the X direction in the case of the magnet arrangement as shown in FIG.
  • the darker the color the larger the absolute value of the magnetic field intensity.
  • the midpoint of the line connecting the ends of the cylindrical magnet 1220 and the cylindrical magnet 1210 and the midpoint of the line connecting the ends of the cylindrical magnet 1320 and the cylindrical magnet 1310 should be the strongest is obtained, the magnetic field strength
  • is obtained at the midpoint of the line connecting the positions where
  • the magnetic field configuration enables dense plasma confinement.
  • FIG. 8 shows the relationship between the degree of vacuum and the ignition voltage for the magnet arrangement as shown in FIG. 3 and the magnet arrangement for generating only a parallel magnetic field.
  • the case of no magnet discharge occurred outside the electrodes, and no discharge occurred in the space between the electrodes.
  • the case of generating a magnetron magnetic field and a parallel magnetic field is indicated by a circle, and the case of generating only a parallel magnetic field is indicated by a square. Up to about 10 2 to 10 -1 Pa, even if a magnetron magnetic field was generated, ignition was performed at approximately the same voltage as in the case of only a parallel magnetic field.
  • FIG. 8 shows the relationship between the degree of vacuum and the ignition voltage for the magnet arrangement as shown in FIG. 3 and the magnet arrangement for generating only a parallel magnetic field.
  • the plasma source shown in the first embodiment can be applied to ion pumps.
  • ion pumps When used as an ion pump, in the configuration shown in FIG. A Ti film 1620 is formed on the surface on the 1200 side.
  • ions in the plasma are directed toward the upper electrode 1510 and the lower electrode 1530, which are cathodes, and collide with the Ti atoms of the Ti films 1610 and 1620 formed on the surface, causing the Ti atoms to scatter in all directions. That is, it is sputtered.
  • the sputtered Ti atoms also form a Ti film on electrode 1520 .
  • the sputtered Ti atoms chemically adsorb the active gas to increase the degree of vacuum. Even inert gas is ionized by collision with electrons and confined inside electrodes 1510 and 1530 serving as cathodes and Ti films 1610 and 1620 . Therefore, the degree of vacuum is further increased.
  • FIG. 10 shows an outline of the portion related to the vacuum pump in the small cooled atomic clock together with the configuration of the vacuum pump.
  • the cell portion 1500 and the atomic clock portion 1800 sandwiched between the upper arm 1200 and the lower arm 1300 of the yoke 1100 are integrated.
  • the cold atom generator 1810 of 1800 communicates with the space 1830 between the upper electrode 1510 and the electrode 1520 and the space 1840 between the electrode 1520 and the lower electrode 1530 .
  • Such small cooled atomic clocks are used not only for high-precision positioning of mobile objects such as automobiles, and for 5th and 6th generation mobile communication base stations, but also for reference time in network communication such as mobile, cloud, and electronic commerce, and industrial and advanced science applications.
  • the plasma source according to the embodiment can be used as an ion generation source or light source for ion beams.
  • the present invention is not limited to this. That is, the numerical values other than the index values such as the magnet distance ratio L/T,
  • the cylindrical magnets 1210 and 1310 may be made cylindrical by combining a plurality of magnets. Also, both the cylindrical magnets 1220 and 1320 and the cylindrical magnets 1210 and 1310 may have shapes other than circles.
  • FIG. 3 and the like show an example in which the plasma source is axially symmetrical, it is not necessarily axially symmetrical.
  • FIG. 12 shows a diagram showing the experimental method.
  • a vacuum pump 2000 according to the second embodiment was placed in a glass tube with a volume of 280 cm 3 , and a voltage could be applied from outside the glass tube while hermetically sealed with a feedthrough electrode.
  • the glass tube was evacuated by a turbomolecular pump (TMP: TurboMolecular Pump), and the degree of vacuum inside the glass tube was monitored by an ionization vacuum gauge.
  • TMP Turbomolecular Pump
  • the bellows valve was closed to seal the glass tube.
  • the degree of vacuum deteriorates due to degassing adsorbed on the O-ring and the inner wall of the glass tube when the valve is sealed.
  • the pressure rise was evaluated, it was 3 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa/min.
  • a voltage of 1.2 kV was applied to the cathode and anode of the vacuum pump 2000 to attempt discharge for 6 minutes. After that, voltages of 1.5 kV and 1.8 kV were applied for 6 minutes each to attempt discharge.
  • the pressure before applying the voltage was 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa, while the voltage of 1.2 kV was applied to the vacuum pump 2000 to cause discharge for 6 minutes.
  • the pressure decreased to 1.8 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa, and finally a voltage of 1.8 kV was applied.
  • the pressure was lowered to 1.7 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa by discharging for 6 minutes. Therefore, it can be said that evacuation can be performed by using the plasma source according to the first embodiment.
  • a plasma source includes (A) a first magnet, and (B) a second magnetic pole different from the first magnetic pole of the first magnet. (C) a second magnet arranged so that the magnetic poles face each other; a third magnet arranged to surround one magnet; and (D) a first magnetic pole different from the second magnetic pole faces the second magnetic pole of the third magnet; (E) a first electrode provided on the side of the first magnetic pole of the first magnet and the second magnetic pole of the third magnet; (F) a second electrode facing the first electrode and provided on the side of the second magnetic pole of the second magnet and the first magnetic pole of the fourth magnet; and (G) the first electrode and the second electrode It is adapted to be energized to a higher potential and has a third electrode positioned between the first and second electrodes.
  • in the second direction satisfy
  • a plasma source according to the second aspect of the present embodiment has components similar to (A) to (G) in the plasma source according to the first aspect. Then, the shorter one of the distance between the first magnet and the second magnet and the distance between the third magnet and the fourth magnet is divided by the average value of the thicknesses of the first to fourth magnets. The value obtained is 1 or more and 10 or less.
  • the first and second magnets described above may be cylindrical, and the third and fourth magnets may be cylindrical. Axisymmetric is preferable from the viewpoint of efficiency.
  • the shorter one of the distance between the first magnet and the second magnet and the distance between the third magnet and the fourth magnet is It is more preferable that the value obtained by dividing by the average value of the thickness of the magnets in 4 is 2.5 or more and 5 or less. Higher density plasma confinement becomes possible.
  • first through fourth magnets described above may be removable from the cell containing the first through third electrodes.
  • the cell can be used by removing the first to fourth magnets.
  • An atomic clock includes a plasma source detachable from a cell in which first to fourth magnets include first to third electrodes, and a cooled atom generator communicating with the cell of the plasma source. including. By doing so, it is possible to evacuate the cold atom generating section by the ion pump by the plasma source and obtain an ultra-high vacuum state. Also, the first to fourth magnets can be separated from the cell when cold atoms are generated.

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Abstract

超高真空状態での高効率な放電を可能とする小型のプラズマ源は、第１磁石と、第１磁石の第１磁極に対して第２磁極が対向するように配置された第２磁石と、第１磁石の第１磁極の向きと同じ方向に第２磁極が向けられ、第１磁石を囲うように配置された第３磁石と、第３磁石の第２磁極に対して当該第２磁極とは異なる第１磁極が対向し、第２磁石を囲うように配置された第４磁石と、第１磁石の第１磁極及び第３磁石の第２磁極の側に設けられる第１電極と、第１電極に対向し、第２磁石の第２磁極及び第４磁石の第１磁極の側に設けられる第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置される第３電極とを有する。第１磁石と第２磁石との距離と第３磁石と第４磁石との距離のうち短い方の距離を、第１乃至第４磁石の厚みの平均値で除した値が１以上１０以下である。

Description

プラズマ源及び当該プラズマ源を用いた原子時計
本発明は、プラズマ源及び当該プラズマ源を用いた原子時計に関する。
超高真空で封止された小型セルは様々な革新的なデバイスに応用が期待される。こうした超高真空の小型セルは、中真空（１０－１乃至１Ｐａ）程度で気密封止された後、セルを外部から超高真空ポンプを用いて更に排気することで実現される。一般的に超高真空ポンプとしてはイオンポンプが広く使われており、イオンポンプ内部には高効率な放電が可能なプラズマ源が用いられる。
小型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）真空ポンプとして、イオンポンプと同様の構造をＭＥＭＳプロセス（微細加工と陽極接合）により実現する技術が知られている。この技術では、第１の磁石のＮ極と第２の磁石のＳ極とを対向させ、第１の磁石側にシリコンの第１のカソード電極と、第２の磁石側にシリコンの第２のカソード電極と、第１のカソード電極と第２のカソードとの間に空間を設けるようにシリコンのアノード電極とを配置している。このような小型のＭＥＭＳ真空ポンプでは、１０－５Ｐａ程度以下の超高真空状態で高効率に放電するのは難しい。
また、中心にカソード電極、その外側でカソード電極を囲うようにカソード電極と略同一面にアノード電極を配置し、異なる磁極が対向するようにカソード電極及びアノード電極の上下に磁石を配置するような他の技術も知られている。これにより、電子を閉じ込めて放電を行い、残留ガスに電子を衝突させて、排気するものである。このような技術でも、１０－５Ｐａ程度以下の超高真空状態で高効率に放電できるわけではない。
一方、基板上に膜を成膜する方法として、マグネトロンスパッタリング法が知られており、そのための成膜装置には、下側にＮ極、Ｓ極、Ｎ極といった並びで磁石を配置し、下側の磁石に対向するように上側にＳ極、Ｎ極、Ｓ極といった並びで磁石を配置する技術が存在している。しかし、この技術では基板への成膜が目的となっているので、この技術を超高真空状態での高効率な放電という問題に対してそのまま適用できるわけではない。
特開２０２０－２６５５９号公報 特開昭６３－３０３０６５号公報
T.Grzebyk et.al.,"MEMS ion-sorption high vacuum pump", Journal of Physics: Conference Series 773 (2016) 012047 T.Grzebyk et.al.,"Magnetron-like miniature ion source", Vacuum 151 (2018) 167-174
従って、本発明の目的は、一側面として、超高真空状態での高効率な放電を可能とする小型のプラズマ源を提供することである。
本発明の第１の側面に係るプラズマ源は、（Ａ）第１の磁石と、（Ｂ）第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、（Ｃ）第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、（Ｄ）第３の磁石の第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、（Ｅ）第１の磁石の第１の磁極及び第３の磁石の第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、（Ｆ）第１の電極に対向し、第２の磁石の第２の磁極及び第４の磁石の第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、（Ｇ）第１の電極及び第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、第１の電極と第２の電極との間に配置される第３の電極とを有する。そして、第１の磁石と第２の磁石との間の第１の空間と第３の磁石と第４の磁石との間の第２の空間とにおける、第２の磁石から第１の磁石への第１の方向の最大の磁場強度|Ｂy(max)|と、上記第１の方向の最小の磁場強度|Ｂy(min)|とが、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．１を満たしている。また、第１の空間と第２の空間とに挟まれた第３の空間における、第１の方向と直交する第２の方向の最大の磁場強度|Ｂx(max)|と、第２の方向の最小の磁場強度|Ｂx(min)|とが、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．１を満たしている。
本発明の第２の側面に係るプラズマ源は、（Ａ）第１の磁石と、（Ｂ）第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、（Ｃ）第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、（Ｄ）第３の磁石の第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、（Ｅ）第１の磁石の第１の磁極及び第３の磁石の第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、（Ｆ）第１の電極に対向し、第２の磁石の第２の磁極及び第４の磁石の第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、（Ｇ）第１の電極及び第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、第１の電極と第２の電極との間に配置される第３の電極とを有する。そして、第１の磁石と第２の磁石との距離と第３の磁石と第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、１以上１０以下である。
図１は、第１の実施の形態に係るプラズマ源の概要を示す図である。 図２は、第１の実施の形態に係るプラズマ源の概要を示す図である。 図３は、第１の実施の形態に係るプラズマ源における磁石配置などを説明するための図である。 図４(ａ)乃至(ｃ)は、磁石間距離比毎の磁力線分布の例を示す図である。 図５(ａ)乃至(ｃ)は、磁石間距離比毎の磁力線分布の例を示す図である。 図６は、Ｙ方向の磁力強度分布の例を示す図である。 図７は、Ｘ方向の磁力強度分布の例を示す図である。 図８は、第１の実施の形態に係るプラズマ源の効果を説明するための図である。 図９は、プラズマ源をイオンポンプとして用いる場合の構成例を示す図である。 図１０は、小型冷却原子時計の概要を示す図である。 図１１は、小型冷却原子時計の概要を示す図である。 図１２は、プラズマ源を真空ポンプとして用いる場合の実施例を示す図である。 図１３は、プラズマ源を真空ポンプとして用いる場合の効果を示す図である。
［実施の形態１］
図１に本実施の形態に係るプラズマ源の構成例を示す。本実施の形態に係るプラズマ源は、図１（ａ）に示すヨーク１１００と、図１（ｂ）に示すセル部１５００との組み合わせである。ヨーク１１００は、上側アーム１２００と、下側アーム１３００とを有しており、上側アーム１２００と下側アーム１３００との間には空隙１４００が設けられている。この空隙１４００に、セル部１５００を挿入するようになっている。すなわち、空隙１４００の縦方向の長さは、セル部１５００の厚みより若干長くなっている。
上側アーム１２００は、円柱状磁石１２２０と、当該円柱状磁石１２２０を囲う円筒状磁石１２１０とを含む。すなわち、円筒状磁石１２１０の内径は、円柱状磁石１２２０の直径より大きい。好ましくは、円柱状磁石１２２０の上面から見た中心点と、円筒状磁石１２１０の上面から見た中心点は一致するように配置する。また、好ましくは、円筒状磁石１２１０の厚みと円柱状磁石１２２０との厚みは同じであり、同じ強度の磁石を用いる。さらに、好ましくは、円筒状磁石１２１０の下面と、円柱状磁石１２２０の下面とは、上側アーム１２００の下面と一致するように配置する。
下側アーム１３００は、円柱状磁石１３２０と、当該円柱状磁石１３２０を囲う円筒状磁石１２１０とを含む。すなわち、円筒状磁石１３１０の内径は、円柱状磁石１３２０の直径より大きい。好ましくは、円柱状磁石１３２０の上面から見た中心点と、円筒状磁石１３１０の上面から見た中心点は一致するように配置する。また、好ましくは、円筒状磁石１３１０の厚みと円柱状磁石１３２０との厚みは同じであり、同じ強度の磁石を用いる。さらに、好ましくは、円筒状磁石１３１０の上面と、円柱状磁石１３２０の上面とは、下側アーム１３００の上面と一致するように配置する。なお、図１（ａ）において参照符号が振られていない円柱状の要素は、以下の説明では関係ない設計上の接続部などであるから、説明を省略する。
なお、さらに好ましくは、円筒状磁石１２１０及び１３１０と、円柱状磁石１２２０及び１３２０とは、同じ強度の磁石である。例えば、磁石には、ネオジムやサマリウムコバルトの磁石が想定される。さらに、好ましくは、円柱状磁石１２２０と円柱状磁石１３２０の形状は同じであり、円筒状磁石１２１０と円筒状磁石１３１０の形状も同じである。さらに、好ましくは、円柱状磁石１２２０の上面から見た中心点と、円筒状磁石１２１０の上面から見た中心点と、円柱状磁石１３２０の上面から見た中心点と、円筒状磁石１３１０の上面から見た中心点とは一致するように配置する。
セル部１５００は、例えばシリコンからなる平板状の上部電極１５１０と、例えばシリコンからなる平板状の下部電極１５３０と、例えばガラスからなるスペーサ１５４１乃至１５４３等と、上部電極１５１０と下部電極１５３０との間にスペーサ１５４１乃至１５４３等により保持され且つ穴１５２１が設けられた平板状の電極１５２０とを有する。なお、スペーサについては、例えば、スペーサ１５４１及び電極１５２０の下のスペーサのように、図示の都合で図１には現れていないものもある。電極１５２０には、上部電極１５１０及び下部電極１５３０より高い電位の電圧が印加される。例えば、上部電極１５１０及び下部電極１５３０は接地され、電極１５２０には正の電圧が印加される。好ましくは、上部電極１５１０と下部電極１５３０との中間に電極１５２０を保持する。また、好ましくは、穴１５２１は、円形であり、その直径は、円筒状磁石１２１０及び１３１０の内径以上とする。さらに好ましくは、穴１５２１の中心と、円柱状磁石１２２０及び１３２０の上面から見た中心点とを一致させる。但し、穴１５２１の形状は任意である。穴１５２１は、図３に示す空間１７００を形成するために空けられており、上部電極１５１０に対して下部電極１５３０を完全には遮蔽しないようにしている。
図１（ｂ）において、図示の都合でセル部１５００の左右に空きがあるように示されているが、スペーサを適切に追加配置するか形状を変更することで密閉空間を形成することが出来る。
図２に、ヨーク１００とセル部１５００とを組み合わせた状態を模式的に示す。以下、詳細な構成について説明するため、一点鎖線Ａ－Ａ'で切断し、その断面を矢印方向に見た場合を説明する。
図３は、上記断面の概略を示す図である。本実施の形態では、円柱状磁石１２２０は、対向する円柱状磁石１３２０の方にＳ極を向けており、円柱状磁石１３２０は、対向する円柱状磁石１２２０の方にＮ極を向けている。円筒状磁石１２１０は、対向する円筒状磁石１３１０の方にＮ極を向けており、円筒状磁石１３１０は、対向する円筒状磁石１２１０の方にＳ極を向けている。なお、Ｓ極とＮ極とは逆にしても良い。このような磁石配置を行うことで、上部電極１５１０と下部電極１５３０で挟まれ、スペーサ１５４１乃至１５４３等及び電極１５２０でさらに囲まれる空間１７００内に、図示したような磁力線が生じる。本実施の形態では、円柱状磁石１２２０及び１３２０と円筒状磁石１２１０及び１３１０による磁気回路によって、高密度にプラズマを閉じ込めるため一定強度以上のマグネトロン磁場Ｑ及び平行磁場Ｐを生成する。ここで、下側アーム１３００から下側アーム１３００に対向する上側アーム１２００への方向をＹ方向とし、Ｙ方向に直交する方向をＸ方向とする。電子は、磁力線が疎から密（磁場強度が弱から強）に対しては進行できずに跳ね返される。電子は、マグネトロン磁場ＱによりＹ方向には進めない。また、電子は、上下にあるマグネトロン磁場Ｑの間ではゼロ磁場領域が発生するので、ゼロ磁場領域から磁力線を横切って進むことも出来ない。さらに、Ｘ方向にも同様に平行磁場Ｐにより進むことが出来ない。このため、領域Ｒにプラズマが閉じ込められ、高密度なプラズマを生成することが出来る。
なお、図３では、図示の都合上、電極の厚みが強調されている。一例として、円柱状磁石１２２０及び１３２０の直径は７ｍｍであり、円筒状磁石１２１０及び１３１０の外径は２０ｍｍ、内径は１０ｍｍである。また、上部電極１５１０と下部電極１５３０との間の距離は、４．４ｍｍである。なお、本実施の形態では、小型のプラズマ源を想定しており、上部電極１５１０と下部電極１５３０の距離は、長くても２０ｍｍ程度を想定している。これを実現させるためにはデバイ長さ（プラズマの大きさ）λＤが上記距離の１／１０以下（上下２つプラズマが生成されるので１ｍｍ以下）となる。より具体的には、１０－４Ｐａの真空度でデバイ長さが１ｍｍ以下である。デバイ長さ（プラズマの大きさ）が上記距離の１／１０を超えてくると、電極から生成される荷電粒子の数より壁に衝突して消失する荷電粒子が多くなり、プラズマが維持できなくなる。
図３で示したような磁石配置のみでは、上で述べたような高密度なプラズマを生成することは出来ない。本実施の形態では、上側アーム１２００における磁石と、当該磁石に対向する、下側アーム１３００の磁石との距離のうち最短距離を、用いられている磁石の厚みの平均値で除した値を、磁石間距離比と定義する。図３に示すような例では、磁石の厚みは全て同じＴであり、上側アーム１２００における磁石と当該磁石に対向する、下側アーム１３００の磁石との距離も全て同じＬである。このような場合には、Ｌ／Ｔが磁石間距離比となる。
磁石間距離比Ｌ／Ｔが小さな値、例えば０．５といった値の場合には、図４（ａ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、磁石が近すぎて十分な強度のマグネトロン磁場が生成できていない。磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば１．０になると、図４（ｂ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、マグネトロン磁場が生成されて高密度なプラズマを生成できるようになる。さらに磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば２．５になると、十分な強度のマグネトロン磁場及び平行磁場が生成される。さらに磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば５．０でも、図５（ａ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、十分な強度のマグネトロン磁場及び平行磁場が生成される。さらに磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば１０になると、図５（ｂ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、マグネトロン磁場が支配的になってはいるが、平行磁場もある程度形成されている。さらに磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば２０になると、図５（ｃ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、平行磁場がほとんど生成されておらず、マグネトロン磁場が支配的になっており、プラズマ閉じ込めが出来なくなる。
以上のシミュレーション結果からすると、磁石間距離比Ｌ／Ｔが１以上１０以下であれば、一般的なプラズマ源として用いることが出来る。また、より高密度なプラズマ閉じ込めを行うには、磁石間距離比Ｌ／Ｔが２．５以上５以下にすることが好ましい。
また、十分な強度の平行磁場及びマグネトロン磁場を生成できる別の指標についても説明する。ここでも、下側アーム１３００の磁石から上側アーム１２００の磁石への方向をＹ方向とし、それに直交する方向をＸ方向とする。平行磁場はＹ方向の磁場であり、マグネトロン磁場はＸ方向の磁場である。このとき、下側アーム１３００の磁石と、当該磁石に対向する、上側アームの磁石との距離が最も短い磁石ペア（円柱状磁石１２２０及び１３２０、又は円筒状磁石１２１０及び１３１０）の間の空間において、最強の磁場強度|Ｂy(max)|を探索する。図６に、図３のような磁石配置の場合におけるＹ方向の磁場強度を模式的に示す。なお、黒いほど磁場強度の絶対値が大きい。この例では、円柱状磁石１２２０と円柱状磁石１３２０の距離と、円筒状磁石１２１０と円筒状磁石１３１０の距離は同じであるが、ここでは円柱状磁石１２２０及び１３２０の磁石ペアに着目する。そうすると、円柱状磁石１２２０及び１３２０の表面（白太点線）で、最強の磁場強度|Ｂy(max)|が得られる。また、最強の磁場強度|Ｂy(max)|が得られた磁石ペア（すなわち円柱状磁石１２２０及び１３２０）の間の空間において、最弱の磁場強度|Ｂy(min)|を探索する。図３のような磁石配置では、|Ｂy(max)|が得られた円柱状磁石１２２０及び１３２０の表面（白太点線）に垂直な線分の中点を通り且つ当該線分に垂直な面内（中央の白太点線）において、最弱の磁場強度|Ｂy(min)|が得られる。そして、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|を指標値として、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．１となると好ましい平行磁場が生成される。これは、磁石から出ている磁場が乱れずに全ての磁束がＮ極からＳ極へ向かうことが好ましく、それを判定するための基準である。なお、|Ｂy(min)|＝|Ｂy(max)|で指標値は１となるので、１＞|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|である。
一方、マグネトロン磁場はｘ方向の磁場であり、Ｘ方向の磁場強度に着目する。このとき、円柱状磁石１２２０と円柱状磁石１３２０との間の空間と、円筒状磁石１２１０と円筒状磁石１３１０との間の空間とで挟まれる空間Ｗにおいて、最強の磁場強度|Ｂx(max)|を探索する。図７に、図３のような磁石配置の場合におけるＸ方向の磁場強度を模式的に示す。ここでも黒いほど磁場強度の絶対値が大きい。このような場合には、円柱状磁石１２２０と円筒状磁石１２１０の端部を結ぶ線分の中点と、円柱状磁石１３２０と円筒状磁石１３１０の端部を結ぶ線分の中点に、最強の磁場強度|Ｂx(max)|が得られる。また、同じ空間Ｗにおいて、最弱の磁場強度|Ｂx(min)|を探索する。図３のような磁石配置では、|Ｂx(max)|が得られた位置を繋ぐ線分の中点において、最弱の磁場強度|Ｂx(min)|が得られる。そして、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|を指標値として、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．１となると好ましいマグネトロン磁場が生成される。ゼロ磁場領域とマグネトロン磁場で形成される高強度磁場のコントラストが強い方が良いということを表している。なお、|Ｂx(min)|＝０で指標値は０となるので、０≦|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|である。
なお、より好ましくは、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．３、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．０３である。
以上のように、図３に示すような基本的な磁石配置と、図４及び図５を用いて説明した詳細な磁石配置、又は図６及び図７を用いて説明した詳細なマグネトロン磁場及び平行磁場構成とにより、高密度なプラズマ閉じ込めが可能となる。
図３に示すような磁石配置の場合と平行磁場のみを生成させる磁石配置の場合とについて、真空度とイグニッション電圧との関係を図８に示す。なお、磁石なしの場合には、電極外で放電してしまい、電極間の空間では放電しなかった。図８において、マグネトロン磁場と平行磁場とを生成する場合は丸印で示されており、平行磁場のみを生成させる場合は四角印で示されている。１０２乃至１０－１Ｐａ程度までは、マグネトロン磁場を生成したとしても、平行磁場のみの場合と略同程度の電圧でイグニッションしていた。しかしながら、図８から分かるように、１０－１Ｐａ以下の高真空状態では明らかに、マグネトロン磁場をも生成した方が、イグニッション電圧が低く、放電しやすかった。すなわち、１０－１Ｐａ以下の高真空状態でプラズマの生成効率が向上していることが分かる。１０－６Ｐａ以下の超高真空状態でプラズマの生成効率が向上していることが期待される。
［実施の形態２］
第１の実施の形態で示したプラズマ源は、イオンポンプに応用できる。イオンポンプとして用いる場合には、図３に示すような構成において、図９に示すように、上部電極１５１０の下側アーム１３００側の面にＴｉ膜１６１０を形成し、下側電極１５３０の上側アーム１２００側の面にＴｉ膜１６２０を形成しておく。
イオンポンプでは、プラズマ中のイオンが陰極である上部電極１５１０及び下部電極１５３０に向かい、表面に成膜したＴｉ膜１６１０及び１６２０のＴｉ原子に衝突し、Ｔｉ原子は四方に飛び散る。すなわち、スパッタされる。スパッタされたＴｉ原子は、電極１５２０にもＴｉ膜を形成する。さらに、スパッタされたＴｉ原子は、活性ガスを化学的に吸着して真空度が高くなる。また、不活性ガスであっても、電子との衝突でイオン化して、陰極である電極１５１０及び１５３０内部やＴｉ膜１６１０及び１６２０に閉じ込められる。このため、さらに真空度が高くなる。
［実施の形態３］
第２の実施の形態に係る真空ポンプは、小型冷却原子時計に応用できる。図１０に、小型冷却原子時計において真空ポンプと関連する部分を、真空ポンプの構成と共にその概略を示す。ヨーク１１００の上側アーム１２００と下側アーム１３００との間に挟まれるセル部１５００と原子時計部１８００とは一体化されており、セル部１５００に設けられている内部の空間１７００と、原子時計部１８００の冷却原子生成部１８１０とは、上部電極１５１０と電極１５２０の間の空間１８３０と電極１５２０と下部電極１５３０の間の空間１８４０とで連通している。
まず、図１１に示すように、ヨーク１１００の上側アーム１２００と下側アーム１３００の間に、セル部１５００を差し込んで、上部電極１５１０及び下部電極１５３０と電極１５２０との間に電圧をかけることで、セル部１５００の空間１７００にプラズマを生成させて、空間１７００と共に冷却原子生成部１８１０を真空排気する。但し、冷却原子生成には、磁場による悪影響があるので、図１０に示すように、ヨーク１１００からセル部１５００及び原子時計部１８００を分離する。このように、磁石を含むヨーク１１００と、セル部１５００及び原子時計部１８００とを着脱可能な構成とすることで、小型冷却原子時計を適切に運用できるようになる。
このような小型冷却原子時計は、自動車等の移動体の高精度測位、第５及び第６世代の移動通信基地局はもとより、モバイル、クラウド、電子商取引といったネットワーク通信における基準時間、工業や先端科学技術（地球探査や重力波計測）における精密計測等の要として、現代社会のあらゆる活動に欠かせないインフラとしての需要がある。但し、実施の形態に係るプラズマ源は、イオンビーム用のイオン発生源や光源等に用いることが出来る。
以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、磁石間距離比Ｌ／Ｔ及び|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|及び|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|といった指標値に関する数値以外の数値は、磁石間距離比Ｌ／Ｔ及び|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|及び|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|といった指標値に関する数値を実現するために変更しても良い。また、円筒状磁石１２１０及び１３１０については、複数の磁石を組み合わせて円筒状にしても良い。また、円柱状磁石１２２０及び１３２０も円筒状磁石１２１０及び１３１０も、円ではない形であっても良い。
さらに、円筒状磁石１２１０と円筒状磁石１３１０との距離と、円柱状磁石１２２０と円柱状磁石１３２０との距離とを同じにした例を多く図示したが、異なるようにしても良い。また、図３などでは、プラズマ源が軸対称となっている例を示しているが、必ずしも軸対称でなくても良い。
［小型真空ポンプとしての実施例について］
図１２に、実験方法を示す図を示す。図１２に示すように、容積２８０ｃｍ３のガラス管内に、第２の実施の形態に係る真空ポンプ２０００を入れ、フィードスルー電極により気密封止した状態でガラス管外部から電圧を印加できるようにした。ガラス管に取り付けたターボ分子ポンプ（ＴＭＰ：TurboMolecular Pump）により真空排気し、電離真空計によりガラス管内部の真空度をモニタした。
ガラス管をターボ分子ポンプにより１×１０－６Ｐａまで真空排気した後にベローズバルブを閉じてガラス管を封止した。封止した際にＯリングやガラス管内壁に吸着している脱ガスが原因でバルブを閉じた直後から真空度が悪化する。圧力の上昇を評価したところ３×１０－３Ｐａ／minであった。バルブを閉じて１×１０－２Ｐａまで真空度が悪化したところで真空ポンプ２０００の陰極及び陽極に１．２ｋＶの電圧を印加して放電を６分間試みた。その後さらに１．５ｋＶ及び１．８ｋＶの電圧をそれぞれ６分間ずつ印加して放電を試みた。
その結果、図１３に示すように電圧を印加する前の圧力が１×１０－２Ｐａであったのに対して、真空ポンプ２０００に１．２ｋＶの電圧を印加して放電を６分間させたところ２．７×１０－３Ｐａ、１．５ｋＶの電圧を印加して放電を６分間させたところ１．８×１０－３Ｐａまで圧力が下がり、最終的に１．８ｋＶの電圧を印加して放電を６分間させたところ１．７×１０－３Ｐａまで圧力を下げることができた。これにより、第１の実施の形態に係るプラズマ源を利用すれば真空排気が可能であると言える。
本実施の形態をまとめると以下のようになる。
本実施の形態の第１の態様に係るプラズマ源は、（Ａ）第１の磁石と、（Ｂ）第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、（Ｃ）第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、（Ｄ）第３の磁石の第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、（Ｅ）第１の磁石の第１の磁極及び第３の磁石の第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、（Ｆ）第１の電極に対向し、第２の磁石の第２の磁極及び第４の磁石の第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、（Ｇ）第１の電極及び第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、第１の電極と第２の電極との間に配置される第３の電極とを有する。そして、第１の磁石と第２の磁石との間の第１の空間と第３の磁石と第４の磁石との間の第２の空間とにおける、第２の磁石から第１の磁石への第１の方向の最大の磁場強度|Ｂy(max)|と、第１の方向の最小の磁場強度|Ｂy(min)|とが、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．１を満たしており、第１の空間と第２の空間とに挟まれた第３の空間における、第１の方向と直交する第２の方向の最大の磁場強度|Ｂx(max)|と、第２の方向の最小の磁場強度|Ｂx(min)|とが、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max|≦０．１を満たしている。
このような磁場強度分布を有するように第１乃至第４の磁石を配置することで、超高真空状態での高効率な放電を可能とする小型のプラズマ源が得られるようになる。なお、より好ましくは、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．３、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．０３である。
本実施の形態の第２の態様に係るプラズマ源は、第１の態様に係るプラズマ源における（Ａ）乃至（Ｇ）と同様の構成要素を有する。そして、第１の磁石と第２の磁石との距離と第３の磁石と第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、１以上１０以下である。
このような磁石サイズ及び磁石配置を採用することで、超高真空状態での高効率な放電を可能とする小型のプラズマ源が得られるようになる。
なお、上で述べた第１の磁石及び第２の磁石が円柱状であり、第３の磁石及び第４の磁石が円筒状であってもよい。軸対称の方が効率の観点からすると好ましい。
また、第２の態様に係るプラズマ源では、第１の磁石と第２の磁石との距離と第３の磁石と第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、２．５以上５以下であることがより好ましい。より高密度なプラズマ閉じ込めが可能となる。
さらに、上で述べた第１乃至第４の磁石は、第１乃至第３の電極を含むセルに対して脱着可能であっても良い。このようにすれば、プラズマ源を例えばイオンポンプとして用いた後、磁石の磁力が悪影響を及ぼすような場合には、第１乃至第４の磁石を取り外してセルを用いることが出来るようになる。
本実施の形態に係る原子時計は、第１乃至第４の磁石が第１乃至第３の電極を含むセルに対して着脱可能なプラズマ源と、プラズマ源の上記セルと連通した冷却原子生成部とを含む。このようにすれば、プラズマ源によるイオンポンプで冷却原子生成部をも排気して超高真空状態を得ることが出来るようになる。そして、冷却原子生成時には、第１乃至第４の磁石をセルから分離することも出来る。

Claims (7)

  1. 　第１の磁石と、
    　前記第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、
    　前記第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、前記第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、
    　前記第３の磁石の前記第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、前記第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、
    　前記第１の磁石の前記第１の磁極及び前記第３の磁石の前記第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、
    　前記第１の電極に対向し、前記第２の磁石の前記第２の磁極及び前記第４の磁石の前記第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、
    　前記第１の電極及び前記第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される第３の電極と、
    　を有し、
    　前記第１の磁石と前記第２の磁石との間の第１の空間と前記第３の磁石と前記第４の磁石との間の第２の空間とにおける、前記第２の磁石から前記第１の磁石への第１の方向の最大の磁場強度|Ｂy(max)|と、前記第１の方向の最小の磁場強度|Ｂy(min)|とが、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．１を満たしており、
    　前記第１の空間と前記第２の空間とに挟まれた第３の空間における、前記第１の方向と直交する第２の方向の最大の磁場強度|Ｂx(max)|と、前記第２の方向の最小の磁場強度|Ｂx(min)|とが、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．１を満たしている
    　プラズマ源。
  2. 　第１の磁石と、
    　前記第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、
    　前記第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、前記第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、
    　前記第３の磁石の前記第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、前記第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、
    　前記第１の磁石の前記第１の磁極及び前記第３の磁石の前記第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、
    　前記第１の電極に対向し、前記第２の磁石の前記第２の磁極及び前記第４の磁石の前記第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、
    　前記第１の電極及び前記第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される第３の電極と、
    　を有し、
    　前記第１の磁石と前記第２の磁石との距離と前記第３の磁石と前記第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、前記第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、１以上１０以下である
    　プラズマ源。
  3. 　前記第１の磁石及び前記第２の磁石が円柱状であり、
    　前記第３の磁石及び前記第４の磁石が円筒状である
    　請求項１又は２記載のプラズマ源。
  4. 　前記第２の磁石から前記第１の磁石への第１の方向の最大の磁場強度|Ｂy(max)|と、前記第１の方向の最小の磁場強度|Ｂy(min)|とが、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．３を満たしており、
    　前記第１の方向と直交する第２の方向の最大の磁場強度|Ｂx(max)|と、前記第２の方向の最小の磁場強度|Ｂx(min)|とが、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．０３である
    　請求項１記載のプラズマ源。
  5. 　前記第１の磁石と前記第２の磁石との距離と前記第３の磁石と前記第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、前記第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、２．５以上５以下である
    　請求項２記載のプラズマ源。
  6. 　前記第１乃至第４の磁石が、前記第１乃至第３の電極を含むセルに対して脱着可能である
    　請求項１乃至５のいずれか１つ記載のプラズマ源。
  7. 　請求項６記載のプラズマ源と、
    　前記プラズマ源の前記セルと連通した冷却原子生成部と、
    　を含む原子時計。
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