(57)【要約】【課題】既存の原子時計を改良する。【解決手段】本原子時計は、測定媒体としてヘリウム３プラズマを備える。ヘリウム３プラズマは、物質の準安定状態及び超微細構造の準位を利用するためにプラズマ状態とされ、その寿命は長く、ガス状原子の励起よりも容易に測定することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定媒体で充填されたセルと、前記測定媒体の粒子を高エネルギー準位に励起する第一の装置と、前記高エネルギー状態から落ちる際に前記測定媒体によって戻される光エネルギー周波数であって、時間測定を提供するのに用いられる光エネルギー周波数を収集するシステム（４、６、７）と、少なくとも一つの本質的に静的な磁場を備えた磁場を印加する装置（９）と、磁場を調節するために前記装置（９）を制御する手段（８）とを備えた原子時計であって、前記測定媒体がヘリウム３プラズマを備え、ガス状ヘリウム３からヘリウム３プラズマを生じさせる第二の励起装置（１０）が設けられていることを特徴とする原子時計。
【請求項２】
前記第二の励起装置（１０）がパワー型無線周波数波発生器であることを特徴とする請求項１に記載の原子時計。
【請求項３】
無線周波数波が２０ＭＨｚから３０ＭＨｚの間であることを特徴とする請求項２に記載の原子時計。
【請求項４】
無線周波数波が、略０．１Ｔｏｒｒの圧力で１００ｍｍ３のヘリウム３量に対して１Ｗの出力を有することを特徴とする請求項２に記載の原子時計。
【請求項５】
時間測定を提供するのに用いられる光エネルギー周波数を前記測定媒体が戻すことになる高エネルギー状態が、準安定状態２３Ｓ１であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の原子時計。
【請求項６】
前記測定媒体が、ヘリウム３のみから成り、前記第二の励起装置が動作する際に、１ｐｐｍの原子が準安定準位にされるレベルを有することを特徴とする請求項５に記載の原子時計。
【請求項７】
前記第一の励起装置がレーザビームを備え、前記装置（９）によって印加される磁場が少なくとも一つの振動磁場を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の原子時計。
【請求項８】
前記装置（９）によって印加される磁場が、二つの相互に垂直な振動磁場を備えることを特徴とする請求項７に記載の原子時計。
【請求項９】
前記本質的に静的な磁場が、前記振動磁場に対して正確に配向されることを特徴とする請求項７又は８に記載の原子時計。
【請求項１０】
前記原子時計を取り囲む磁気シールディングを備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の原子時計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の対象は、ヘリウム３で動作する原子時計である。
【背景技術】
【０００２】
原子時計は、ガス状媒体（大抵アルカリ性）と、レーザ等のそのガスの原子を励起するための装置（原子を高エネルギー状態に遷移させることができる）と、レーザからの光子を用いて、通常のエネルギー準位に戻る際に原子から放出される周波数信号を測定するための手段とを備える。
【０００３】
ガスによって戻される光子信号の周波数は、式ν＝ΔＥ／ｈで定義され、ここで、νは周波数、ΔＥはエネルギー準位間の差、ｈはプランク定数であり、６．６２×１０−３４Ｊ／ｓに等しい。
【０００４】
この周波数は非常に安定であり、時間基準ユニットとして機能可能であることが知られている。しかしながら、このことは、物質のゼーマン効果を考慮すると最早正しくない。エネルギー準位は、僅かに異なる状態に対応する副準位から構成されるものとして現れ、角運動量インデックスｍＦによって区別され、エネルギー準位の基準状態に対して０、その他の状態に対して−１、−２…、＋１、＋２…である。このことが、８７Ｒｂ元素の場合について図１に示されていて、初めの二つのエネルギー準位（角運動量Ｆ＝１及びＦ＝２）の分裂が示されている。
【０００５】
エネルギー準位は環境磁場に敏感である。その感度は、０に等しい角運動量における副準位に対しては低いが（二次のオーダ）、他の副準位に対してははるかに高く（一次のオーダ）、そこから又はそこへの遷移は光子を生じ、その周波数が可変であるので基準として機能せず、角運動量ゼロの二つの副準位間の遷移に対応する信号の一部のみが、測定用に利用されて、その質に悪影響を及ぼす。原子時計によって与えられる基準周波数は、ｆ０＝Ｅ０／ｈであり、ここで、Ｅ０は、二つの状態（例えば図１のＦ＝１及びＦ＝２）のｍＦ＝０における副準位間のエネルギー差である。
【０００６】
現在に至るまで、アルカリ性ガスが原子時計の測定媒体として好まれている。何故ならば、アルカリ性ガスは一般的に安定な励起状態を備え、各励起状態が角運動量ゼロの副準位を備えるので、安定な共鳴周波数での測定が保証されるからである。しかしながら、これらの物質は、通常の動作条件において複数の物理的状態を有し、化学的に非常に反応性であり得るという欠点を有する。
【０００７】
環境磁場を一定値に維持することができるのであれば、全ての副準位を固定して、測定に寄与させることができる。環境磁場を安定化するための複数の方法が開発されていて、特許文献１等の文献に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２４７２４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、既存の原子時計を改良することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ヘリウム３を測定媒体として用いることに基づいているが、励起装置によってヘリウム３はプラズマ状態にされていて、測定用に粒子を励起する従来の装置と区別される。
【００１１】
一般的には、ガス状の測定媒体のみが、原子時計の測定用に考慮されている。プラズマの使用、特にヘリウム３のプラズマの使用は、高周波数において、超微細構造を備えた準安定状態を発生させることを可能にし、相当に正確な時間測定の基準を提供する。
【００１２】
更に、ヘリウム３は化学的に不活性であるので、周囲の物質との反応を心配する必要がない。そして、還元された一部のみが通常プラズマ状態になるので、大部分は、ガス状のままであり、準安定準位のヘリウム３の原子間の衝突を抑えるためのバッファガスとして機能し、その原子は磁気的情報のキャリアとなる。
【００１３】
本発明の総合的な定義は、測定媒体で充填されたセルと、測定媒体を高エネルギー準位に励起する第一の装置と、高エネルギー準位から落ちる際に測定媒体によって戻される光エネルギー周波数（その光エネルギー周波数バンドは時間測定を提供するのに用いられる）を収集するシステム（４、６、７）と、少なくとも一つの本質的に静的な磁場を備える磁場を印加する装置（９）と、磁場を調節するために装置（９）を制御する手段（８）とを備えた原子時計であり、測定媒体がヘリウム３プラズマを備え、ガス状ヘリウム３からヘリウム３プラズマを生じさせるために第二の励起装置（１０）が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
第二の励起装置は、“パワー型”無線周波数波発生器であり得る。この表現は、第二の励起装置が測定媒体に確立するパワーが、第一の励起装置によって確立されるものよりも顕著に大きく、測定の基点における励起に関与するということを意味する。
【００１５】
無線周波数波は、２０ＭＨｚから３０ＭＨｚの間であり得て、その出力は、略０．１Ｔｏｒｒの圧力の１００ｍｍ３のヘリウム３ガス量に対して１Ｗであり得る。実際には、測定媒体の一部のみをイオン化するだけで十分であり、例えば、１ｐｐｍ（ｐａｒｔ  ｐｅｒ  ｍｉｌｌｉｏｎ）の原子が準安定準位にされるレベルを有し、残りのヘリウム３はガス状態のままであり、測定には直接利用されない。しかしながら、ガス状態のヘリウム３は、準安定準位のヘリウム３原子に対するバッファガスとして機能する。この元素の化学的安定性については上述したとおりであり、測定用の元素と同じ化学的性質のものであるので、互いに化学的に反応することがなく、バッファガスとしていっそう興味深いものになっている。アルカリ性ガスの場合にはこうはいかない。アルカリ性ガスは、安定状態を与えるために、バッファガスと混合しなければならないことが多い。よって、本発明の好ましい実施形態によると、測定媒体は、ヘリウム３のみからなり、その準安定状態は２３Ｓ１準位である。
【００１６】
いくつかある解決策の中で特に、第一の励起装置はレーザビームを備え得て、本装置によって印加される磁場は、測定媒体のエネルギー準位の安定化を目的とするものであり、少なくとも一つの本質的に静的で制御された磁場を備え、必要であれば、該磁場に垂直な一つ又は二つの振動磁場を備え得る。
【００１７】
以下、本発明を、添付図面を参照して、説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】原子時計の測定元素のエネルギー図を示す。
【図２】本発明に係る原子時計の概略図である。
【図３】安定化磁場制御の実施形態を示す。
【図４】安定化磁場制御の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
原子時計（図２）のコアは、測定媒体で充填されたセル１である。励起装置２は、１／４波長板３によって偏光された光子束として、この媒体にエネルギーを伝える。励起装置は、媒体の共鳴を検出する光ビームを放出するレーザであり得る。光検出器４は、セル１の励起媒体によって戻される光エネルギーを収集し、計数装置５に信号を伝える。光検出器４は、励起装置２から発するレーザビームの延長線上に配置されることが有利である。周波数分離器６は、計数装置５の出力において信号を収集し、その結果を、原子時計を動作させる装置７及び制御装置８に伝える。制御装置８は、励起装置２及び磁場を印加する装置９を制御する。
【００２０】
ヘリウム３ガスからヘリウム３プラズマを得るための第二の励起装置１０も存在する。
【００２１】
本発明の考えられる実施形態の複数の構成要素を示す。第一の励起装置２は、１００ｍＷの出力に対して波長１０８３ｎｍのレーザダイオードであり、ヘリウム３の超微細遷移のマイクロ波共鳴を発生させる光学強度変調を誘起するために、略３．３７ＧＨｚに変調されるポンピング電流を備える。１／４波長板３は、光子を左円偏光させる。セル１は、略０．１Ｔｏｒｒの圧力に晒されるヘリウム３で充填されている。セルは、パイレックス（登録商標）製のシリンダー状であり、その体積は１００ｍｍ３である。第二の励起装置１０は、セル１の両側に並置された二つの電極を備え、それら電極は、２５ＭＨｚ（略２０ＭＨｚから３０ＭＨｚ）の無線周波数で１Ｗの電源に接続されている。第二の励起装置は、超微細構造を有する準安定準位２３Ｓ１で分布する必要のあるヘリウムプラズマを発生させる。
【００２２】
磁場を印加する装置９は、一定のエネルギーの副準位をブロックするためにレーザビームに平行な５００μＴの磁場Ｈ０を印加することができる。このために、一対のヘルムホルツコイルが用いられる。この磁場は、超微細構造内のラーモア周波数の測定によって一定値に制御される。このように、環境磁場の変動が共鳴周波数ｆ０を定めるマイクロ波の遷移を摂動させることが防止される。
【００２３】
磁場を印加する装置９は、低周波数の振動磁場成分も発生させる。この成分は、静磁場に垂直に印加され、略１２ＭＨｚのゼーマン遷移で制御装置８によって制御される。この振動磁場は、ゼーマン副準位内の共鳴を誘起することができて、上述の測定に対して、結果としての環境磁場を評価して、それを一定値に制御する。
【００２４】
角運動量インデックスがゼロでは、ヘリウム３に副準位が与えられないので、本装置を一定磁場で動作させる必要があるが、これは、磁場シールディングを用いて又は用いずに、制御された人工磁場によって得ることができる。磁場の制御は、総磁場がゼロになるサーチによるラーモア又はベクトル周波数による、スカラー又はベクトル法によって達成され得る。
【００２５】
磁場を印加する手段９は、制御された三軸コイルから成る場合には、共鳴測定用の磁場も同時に発生させ得る。
【００２６】
改良された構成では、磁場を印加する手段９は、角振動数Ω及びωの無線周波数で磁場を放出し、それら磁場は相互に垂直であり、偏光に依存した方向のものである（例えば、円偏光の場合に励起装置２から放出される光線に垂直である）。
【００２７】
図３を参照する。計数装置５からの信号は、複数の光線を備え、まず第一に、ガス状媒体による光子の戻りに対応する有用な周波数ｆ０のものであり、時間測定に基準を与える光線を備える。図３は、周波数Ω／２π、（ω−Ω）／２π、ω／２π、（ω＋Ω）／２πにおけるスペクトル線も示す。これらのスペクトル線は、小さな値の磁場（１／δＴＲよりも十分に小さい）に対して現れ、ここでＴＲは副準位の緩和時間、γは磁気回転比であり、励起化学元素の特徴である。これらのスペクトル線は、副準位間の共鳴に対応する。振幅は、環境磁場に比例する。本制御方法に従って、実質的に静的な環境磁場を補償する磁場を印加するが、これは、必要であれば連続的に振幅及び方向を変化させて行われて、線の振幅が可能な限り減少されて、補償磁場が環境磁場を相殺する。図４は、各主要準位の副準位が同一のエネルギー値にあり、ガス状媒体によって戻される光子が全て有用な周波数ｆ０にあることを示す。対応するスペクトル線は、はるかに鋭くて高いピークとして現れ、その検出が容易になる。従来の原子時計の磁気シールディングを省略することが考えられる。しかしながら、磁気シールディングは表皮効果によって電場をフィルタリングするので、磁気シールディングが省略される場合には、原子のエネルギー準位を乱さないように電気シールディングが有利に追加される。無線周波数場の振幅は、（補償静止場の印加前の）スペクトル共鳴線の振幅を最大化するように有利に選択される。近似的に式γＨω／ω＝１及びγＨΩ／Ω＝１の関係が推奨される。ここで、Ｈω及びＨΩは、角振動数ω及びΩの無線周波数場の振幅である。有利には、磁場を印加する装置９は、実質的に静的な補償磁場及び無線周波数磁場を同時に印加する。
【００２８】
磁場を印加する装置９は、三軸コイル、又は三つの相互に同心状の一軸コイルで構成され得る。制御は、計算ユニットを備えた既知のものによって達成される。コイルは、電流又は電圧駆動される。共鳴周波数ｆ０への励起は、周波数ｆ０／２におけるレーザダイオードの振幅変調によって、又は周波数ｆ０において共鳴するマイクロ波キャビティによって達成される。二つのレーザ（その周波数差がｆ０である）を備えた励起装置も考えられる。
【００２９】
角運動量インデックスがゼロでは、ヘリウム３に副準位が与えられないので、本装置を一定磁場で動作させる必要があるが、これは、磁場シールディングを用いて又は用いずに、制御された人工磁場によって得ることができる。磁場の制御は、総磁場がゼロになるサーチによるラーモア又はベクトル周波数による、スカラー又はベクトル法によって達成され得る。
【００３０】
磁場を印加する装置９は、制御された三軸コイルから成る場合には、共鳴測定用の磁場も同時に発生させ得る。
【００３１】
レーザ束を測定する設備は、ＩｎＧａＡｓ型の光ダイオードであり得る。磁場を安定化する装置を備える本実施形態は、磁気シールディングを備えない。しかしながら、上述のように磁場を制御する装置に加えて、磁場シールディングを用いることも考えられる。磁場シールディングは、例えば軟鉄製のシリンダー及びそれに重なるμメタルのシリンダーで構成され得る。
【００３２】
励起装置２は、ランプ又はＶＣＳＥＬ（面発光レーザ，ｖａｒｉａｔｉｏｎ  ｃａｐａｃｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ）を備え得る。環境磁場を安定化する装置が存在しない場合、共鳴周波数への励起は、マイクロ波共鳴キャビティによる、又は二つのレーザ（その周波数差が共鳴周波数である）によってももたらされ得る。
【符号の説明】
【００３３】
１  セル
２  第一の励起装置
３  １／４波長板
４  光検出器
５  計数装置
６  周波数分離器
７  原子時計を動作させる装置
８  制御装置
９  磁場を印加する装置
１０  第二の励起装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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