(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直方向の断面が中央部で膨らんだ紡錘型の円柱により構成する内部電極を設け，前記内部電極の中心から所定の長さだけ離れた半径をもち内部電極に向かって断面が双曲線の形状の円形の外部電極を設け，前記内部電極と外部電極を収容した筐体の上部と下部の各基板に，それぞれ内部電極と外部電極の中間の位置に半径を持ち，上部の基板から下方向に，下部の基板から上方向に向かってそれぞれ断面が双曲線の形状を持つ円形の金属を配置し，
前記筐体内を真空にして，双極子を持つ分子を注入した状態で，前記内部電極と外部電極にそれぞれ，次の式
【数１】
0003660988.tif 000008
に従って変化する電圧Ｖin(t) ，ＶOUT (t) を加えることにより前記分子を捕捉して減速させることを特徴とするリング型電極を用いた分子減速方法。
【請求項２】
垂直方向の断面が中央部で膨らんだ紡錘型の円柱により構成する内部電極を設け，前記内部電極の中心から所定の長さだけ離れた半径をもち内部電極に向かって断面が双曲線の形状の円形の外部電極を設け，前記内部電極と外部電極を収容した筐体の上部と下部の各基板に，それぞれ内部電極と外部電極の中間の位置に半径を持ち，上部の基板から下方向に，下部の基板から上方向に向かってそれぞれ断面が双曲線の形状を持つ円形の金属を配置し，
前記外部電極に内部電極の接線より外側で外部電極の内側の位置をレーザ光が通過する透過孔を設け，真空にした前記筐体内に分子イオンを注入して次の式
【数２】
0003660988.tif 000009
に従って変化する振幅電圧Ｖin(t) ，ＶOUT (t) を持つ同一位相の交流電圧Ｖin(t) sin ωｔとＶOUT (t)sinωｔをそれぞれ内部電極と外部電極に供給し，
前記レーザ光の検知出力により分子イオンを検出して周波数標準に使用することを特徴とするリング型電極を用いた分子減速装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリング型電極を用いた分子減速方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波周波数標準を発生する技術として，原子泉型周波数標準器が知られている。原子泉型は，レーザ冷却を用いてトラップさせた原子を情報に打ち上げて，打ち上げられた原子が上昇時と下降時の２回，マイクロ波共振器を通過することによりラムゼイ（Ramsey) 共振信号を得ることができる。
【０００３】
分子のスペクトラムは光周波数標準に使用される。測定された周波数の精度を改善するには，空中に捕捉されたコールド（冷却）分子からドップラー自由スペクトラムを観測することが望ましい。
【０００４】
双曲面の電極内の極性分子を捕捉するというアイデアはウイング（W.H.Wing,Phys.Rev.Lett.45,631(1980))により提案された。しかしこれを実現することは長い間困難と考えられてきた。ポテンシァルの深さは数百ｍＫ（ミリ・ケルビン）の桁であり，分子は放射の圧力により減速することはできない。近年，ベツレム，他（H.L.Bethlem et.al.,Nature 406,491(2000))により，ＮＤ3 分子を捕捉し，時間変化に対し不均等な電界により減速することを成功させた。しかし，捕捉した分子の総量を増加させることが難しかった。
【０００５】
カッツはリング型電極の使用を提案した（D.P.Katz,J.Chem.Phys.107,8491(1997))。その場合はむしろ速い分子をトラップすることができる。クロプボート，他は，リング型電極で速いＮＤ3 分子（最高１００ｍ／ｓ）を捕捉するのに実験的に成功した（F.M.H.Crompvoeys et.al.,Nature 411,174(2001)) 。リング型電極を用いて，捕捉された分子の総量は，従来の双曲線型電極を使用する場合よりかなり多くなる。このような周波数標準器を高精度に動作させる場合に，トラップされた分子を減速する技術を利用することが考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来の問題を解決し，リング型電極を用いて分子を減速することで冷たい分子を大量に得て高い分解能の分子分光や光周波数標準を実現することができるリング型電極を用いた分子減速装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のリング型電極では，捕捉された分子はリング軸の周りを回転し，回転半径は任意に変化することができる。もし，回転の半径が増加すると，接線速度は固定リング軸の回りの角運動を維持しながら減少する。
【０００８】
図１は本発明の原理構成を示す。図中，１はリング型電極を用いた分子減速装置の筐体，２はリング型電極を構成する断面が双曲線状の内側電極，３はリング型電極を構成し，内側電極２に向かって双曲線状の外側電極，４ａは内側電極２と外側電極３の間の下側基板に設けられ上方に向かって断面が双曲線状のグランド（または接地）電極，４ｂは内側電極２と外側電極３の間の上側基板に設けられ下方に向かって断面が双曲線状の上側のグランド電極，５は真空の空間，６は空間５内の内側電極の周辺で一定の半径を回転運動する双極性（ダイポール）の分子である。
【０００９】
リング型電極内の分子運動を解析すると，リング型電極の断面は理想的な双曲線（図１参照）と考えられる。円筒座標を使用し，半径（ｒ）方向の電場成分Ｅr は次の式(1),(2) により与えられる。なお，式(2) のＲ0 は分子の半径方向の距離であり，分子は電場の低い方へ移る。
【００１０】
【数３】
0003660988.tif 000002
【００１１】
ここで，Ｖin，Ｖout は内側電極と外側電極に供給された電圧で，Ｒin，Ｒout は内側電極と外側電極の半径，Ｈは２つのグランド電極４ａ，４ｂの先端縁の間の最短距離（ｒ＝（Ｒin＋Ｒout ）／２の位置）を表す。
【００１２】
分子運動は次の式(3) 〜(6) により表すことができる。但し, 式(3) のdvr ／dtは半径方向の速度を表す，式(4) のdvt ／dtは接線方向の速度を表し，式(5) はv r の定義，式(6) はv t の定義を表す。
【００１３】
【数４】
0003660988.tif 000003
【００１４】
ここで，Ｐはシュタルク（Stark)エネルギ−のシフトであり，ｍは分子質量を表す。
【００１５】
Ｐを線型の有極分子について考えると，小さな電界においてＰは近似的に次の式(7) で記述される。
【００１６】
【数５】
0003660988.tif 000004
【００１７】
ここで，ＪとＭはそれぞれ総角運動量の量子数と，電場に平行な射影（projectory) の量子数を示す。Ｂは回転定数で，μは分子の永久双極子モーメントである。
【００１８】
３Ｍ2 ＜Ｊ（Ｊ＋１）の場合，Ｐは次の式(8) により表すことができる。
【００１９】
【数６】
0003660988.tif 000005
【００２０】
リング型電極による減速
方程式(2) は，Ｒ0 がＶin／Ｖout を制御することにより任意に変更することができることを示す。ｒがＲ0 （Ω→∞をとるものとする）にほぼ等しいと仮定すると，速度v t はリング軸の周りの角運動量を一定に維持しながらＲ0 を増加させることにより減少される。速度v t の変化は次の式(9) により表すことができる。
【００２１】
vt (t)/v t (0) ≒  Ｒ0 (0)/Ｒ0 (t)                 (9)
Ωもまた電圧を制御することができる。分子の総エネルギ（Ｋ(t))の時間変化は次の式により与えられる。
【００２２】
【数７】
0003660988.tif 000006
【００２３】
上記した論理は，Ω(0) が充分に大きく，ｒ≒Ｒ0 という仮定が成立すれば有効である。実際のΩの値はブレークダウンを起こさない範囲で電極に供給される電圧により制限される（上記式(7))。実際の分子減速効果は後述され，ＶinとＶout は１０ｋＶより小さいな値である。
【００２４】
総分子エネルギの時間変化は，ＶinとＶout が次の式(11)に従って供給される場合に，数値的に計算される。式中，Ｖini とＶinf は内側電極の初期値と最終値を表し，Ｖout i とＶout f は外側電極の初期値と最終値を表す。
【００２５】
【数８】
0003660988.tif 000007
【００２６】
図２に内側電極と外側電極へ供給する電圧（上記式(11)のＶin(t) とＶouti(t) ）の特性を示し，図２のＡ．がＶin(t) ，Ｂ．がＶouti(t) の特性である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
Ｊ＝１，Ｍ＝０の状態における総NaCl分子のエネルギの時間変化が，次の条件において計算することができた。なお，Ｖini とＶinf は内側電極の直流電圧の初期値と最終値，Ｖout i とＶout f は外側電極の直流電圧の初期値と最終値を表す。
【００２８】
Ｈ＝２ｍｍ，Ｒin＝１ｍｍ，ＲOUT ＝２１ｍｍ
Ｖini ＝３kV，Ｖinf ＝４kV, Ｖout i ＝９．５kV, Ｖout f ＝０．５kV,
（Ｒ0 (0) ＝8.4mm,Ｒ0 （∞) ＝14.8kV, Ω(0) ＝2.31kHz,
Ω( ∞) ＝0.83kHz)    τ＝50ms    ｒ(0) ＝Ｒ0 (0)
図３は分子が上記の条件でリング型電極内に分子を捕捉できるｖt (0) とｖr (0) の上限を示し，図４はＪ＝１，Ｍ＝０の状態で，リング型電極内に捕捉されて減速された塩化ナトリュウム（NaCl) 分子のエネルギ分布を示す。
【００２９】
ｖt (0) とｖr (0) は図３に示される上限の範囲で温度１Ｋでボルツマン分布により記述される。図４はリング型電極内に捕捉され減速された分子のエネルギ分布を示し，Ｊ＝１，Ｍ＝０（ＪとＭは上記式(7) に関して説明済）の状態における塩化ナトリュウム分子のエネルギ分布の例である。捕捉された分子のエネルギは初期状態から０．３３のファクターで減じられる。この結果は式(10)の概算と調和している。
【００３０】
この減速技術は断熱的な冷却であり，τは一定値より大きくする。小さなτでは，Ｒ0 の突然の変化でｒ方向への加速を起こす。実際に５００μｓ＜τ＜５０ｍｓの間では重大な違いはない。τ＜４００μｓの場合，ｖr ，ｖt →０であっても分子を捕捉することはできない。
【００３１】
図５は本発明の具体的応用例を示す。すなわち，本発明のリング型電極を用いた分子減速装置を分子イオン光周波数標準に応用したものである。
【００３２】
この図５のＡ．は上記図１と同様の装置の断面図，Ｂ．は供給電圧の初期値と最終値の波形を示す。図５において，１０は減速装置の筐体，１１はリング型電極を構成する断面が双曲線状の内側電極，１２はリング型電極を構成し，内側電極１１に向かって双曲線状の外側電極，１３ａはグランド電極（上記図１の４ａに対応），１３ｂはグランド電極（上記図１の４ｂに対応），１４は真空の空間，１５は真空１４内の内側電極の周辺で一定の半径を回転運動する分子イオン，１６は電極へ供給する電圧を発生する電圧発生部である。
【００３３】
電圧発生部１６は，内側電極１１と外側電極１２に対し，振幅が上記の式(11)に示すように変化する交流電圧を供給する。この場合，内側電極の電圧はＶinsin(ωt)，外側電極の電圧はＶout sin(ωt)で表す。内側電極に供給される交流電圧の振幅値は初期値がＶini で最終値がＶinf で，外側電極の振幅は初期値がＶout i で最終値がＶout f であり，それぞれの振幅値は上記式(11)に従って, 上記図２の曲線で変化するよう制御される。
【００３４】
図６は図５に示す装置内部の上面図であり，上記図５において線Ａ，Ａ’の位置（グランド電極が入らない位置）で水平に切断した場合の上から見た構成を示す。図中の各符号は上記図５と同じものは同一であり，１１は内側電極，１２は外側電極，１５は分子イオンであり，グランド電極１３ａと１３ｂは図示省略した。また，１７ａ，１７ｂはレーザ光の透過孔，１８はレーザ光発生部，１９はレーザ光検出部である。
【００３５】
図５，図６に示す構成において，分子イオン１５は真空中に分布しており，電圧発生部１６に対して上記の式(11)に従った振幅を持つ交流電圧であって，位相が同一である２つの電圧Ｖinsin(ωt)とＶout sin(ωt)が供給されると，分子イオン１５は内側電極１５ａの周囲を回転する運動をしながら，外側電極に向かって移動するが，その運動速度は半径が大きくなるに従って減速される。その分子の状態はレーザ光発生部１８から出力されたレーザ光が透過孔１７ａを通ってリング型電極内の空間及び透過孔１７ｂを通って，レーザ光検出部１９に入力することにより検出される。すなわち，レーザ光が分子と衝突すると，レーザ光が吸収されてレーザ光検出部１９でレーザ光が検出されないが，分子と衝突しないとレーザ光はそのままレーザ光検出部１９に達してレーザ光が検出される。このレーザ光検出部１９の出力により，当該分子の速度を減速した状態で検出し，振動周波数の精度を向上することができ，光周波数の標準として使用することが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば，リング型電極を用いて冷たい分子を安定して確実に減速することができ，高い分解能の分子分光器や，光周波数標準の性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成を示す図である。
【図２】内側電極と外側電極へ供給する電圧の特性を示す図である
【図３】リング型電極内に分子を捕捉できる速度の上限を示す図である。
【図４】リング型電極内に捕捉され減速された分子のエネルギ分布を示す図である。
【図５】本発明の応用例を示す図である。
【図６】図５に示す装置の内部上面図である。
【符号の説明】
１        筐体
２        内側電極
３        外側電極
４ａ      グランド電極
４ｂ      グランド電極
５        真空の空間
６        双極性（ダイポール）の分子
【図１】
0003660988.tif 000010
【図２】
0003660988.tif 000011
【図３】
0003660988.tif 000012
【図４】
0003660988.tif 000013
【図５】
0003660988.tif 000014
【図６】
0003660988.tif 000015