(57)【要約】【課題】スピン偏極の緩和を抑制することができるガスセルを提供する。【解決手段】内壁により規定された第１室を有するセル本体と、前記内壁に設けられた第１パラフィン膜と、を含み、前記第１室には、電磁波と相互作用する気体が収容され、前記第１パラフィン膜は、純パラフィン膜であり、前記第１パラフィン膜を構成するパラフィンは、分子軸の向きをそろえて配列している、ガスセル。【選択図】図３
2018084452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内壁により規定された第１室を有するセル本体と、
前記内壁に設けられた第１パラフィン膜と、
を含み、
前記第１室には、電磁波と相互作用する気体が収容され、
前記第１パラフィン膜は、純パラフィン膜であり、
前記第１パラフィン膜を構成するパラフィンは、分子軸の向きをそろえて配列している、ガスセル。
【請求項２】
内壁により規定された第１室を有するセル本体と、
前記内壁に設けられた第１パラフィン膜と、
を含み、
前記第１室には、電磁波と相互作用する気体が収容され、
前記第１パラフィン膜は、混合純パラフィン膜であり、
前記第１パラフィン膜を構成するパラフィンは、分子軸の向きをそろえて配列している、ガスセル。
【請求項３】
請求項２において、
前記パラフィン膜は、第１パラフィンと、前記第１パラフィンと炭素数の異なる第２パラフィンと、の混合純パラフィン膜である、ガスセル。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記パラフィン膜は、炭素数５０のパラフィンと炭素数３８のパラフィンとの混合純パラフィン膜である、ガスセル。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記内壁と前記第１パラフィン膜との間に設けられた第２パラフィン膜を含み、
前記第２パラフィン膜は、前記第１パラフィン膜よりも低い融点を有する、ガスセル。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記電磁波と相互作用する気体は、アルカリ金属の気体である、ガスセル。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、
前記セル本体は、前記第１室に連通孔を介して連通する第２室を有する、ガスセル。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のガスセルを含む、磁場計測装置。
【請求項９】
セル本体の内部空間にパラフィンを配置するパラフィン配置工程と、
前記セル本体を加熱して前記パラフィンを気化させる加熱工程と、
前記加熱工程の後に、前記セル本体を冷却して、前記パラフィンをＳｕｒｆａｃｅ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇ温度より高い第１温度まで冷却する第１冷却工程と、
前記第１冷却工程の後に、前記セル本体を冷却して、前記パラフィンを融点より低い第２温度まで冷却する第２冷却工程と、
前記セル本体の前記内部空間に気体のアルカリ金属を充填させる充填工程と、
を含み、
前記第２冷却工程の平均降温速度は、１℃／時間以上１０℃／時間以下である、ガスセルの製造方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記第２冷却工程の後であって前記充填工程の前に、前記パラフィンを第２温度に保持する保持工程を含む、ガスセルの製造方法。
【請求項１１】
請求項９または１０において、
前記加熱工程、前記第１冷却工程、および前記第２冷却工程によって形成されるパラフィン膜は、混合純パラフィン膜である、ガスセルの製造方法。
【請求項１２】
請求項９ないし１１のいずれか１項において、
前記内部空間に前記アルカリ金属が収容された容器を配置するアルカリ金属配置工程を含み、
前記充填工程では、前記容器を破壊して前記内部空間に気体の前記アルカリ金属を充填させる、ガスセルの製造方法。
【請求項１３】
請求項９ないし１１のいずれか１項において、
前記内部空間に前記アルカリ金属を含む固形物を配置するアルカリ金属配置工程を含み、
前記充填工程では、前記固形物にレーザー光を照射して前記内部空間に気体の前記アルカリ金属を充填させる、ガスセルの製造方法。
【請求項１４】
請求項９ないし１３のいずれか１項において、
前記第２冷却工程の平均降温速度は、前記第１冷却工程の平均降温速度より遅い、ガスセルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセル、磁場計測装置、およびガスセルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体の心臓等から発せられる磁場を検出する磁場計測装置として、光ポンピング式の磁場計測装置が知られている。光ポンピング式の磁場計測装置では、アルカリ金属ガスが封入されたガスセルに直線偏光を照射し、ガスセルを透過した光の偏光面の回転角に応じて磁場を測定する。
【０００３】
磁場計測装置において、ガスセル内のアルカリ金属は、光でスピン偏極した後、ガスセルの内壁に衝突して熱平衡状態に戻る（スピン偏極が緩和される）が、熱平衡状態に戻るまでの時間が長くなると性能が向上する。アルカリ金属のスピン偏極の緩和を抑制するため、ガスセルの内壁をパラフィン膜でコーティングする技術が知られている（特許文献１参照）。このように、アルカリ金属のスピン偏極の緩和を抑制することは、磁場計測装置において重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−８８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、スピン偏極の緩和を抑制することができるガスセルを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記ガスセルを含む磁場計測装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、スピン偏極の緩和を抑制することができるガスセルの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るガスセルは、
内壁により規定された第１室を有するセル本体と、
前記内壁に設けられた第１パラフィン膜と、
を含み、
前記第１室には、電磁波と相互作用する気体が収容され、
前記第１パラフィン膜は、純パラフィン膜であり、
前記第１パラフィン膜を構成するパラフィンは、分子軸の向きをそろえて配列している。
【０００７】
このようなガスセルでは、パラフィンの分子軸の向きをそろえて配列していない場合に比べて、第１パラフィン膜の結晶性が高く、緻密で平滑な表面を有することができ、スピン偏極の緩和を抑制することができる。
【０００８】
本発明に係るガスセルは、
内壁により規定された第１室を有するセル本体と、
前記内壁に設けられた第１パラフィン膜と、
を含み、
前記第１室には、電磁波と相互作用する気体が収容され、
前記第１パラフィン膜は、混合純パラフィン膜であり、
前記第１パラフィン膜を構成するパラフィンは、分子軸の向きをそろえて配列している。
【０００９】
このようなガスセルでは、パラフィンの分子軸の向きをそろえて配列していない場合に比べて、第１パラフィン膜の結晶性が高く、緻密で平滑な表面を有することができ、スピン偏極の緩和を抑制することができる。
【００１０】
本発明に係るガスセルにおいて、
前記パラフィン膜は、第１パラフィンと、前記第１パラフィンと炭素数の異なる第２パラフィンと、の混合純パラフィン膜であってもよい。
【００１１】
このようなガスセルでは、スピン偏極の緩和を抑制することができる。
【００１２】
本発明に係るガスセルにおいて、
前記パラフィン膜は、炭素数５０のパラフィンと炭素数３８のパラフィンとの混合純パラフィン膜であってもよい。
【００１３】
このようなガスセルでは、より確実に、スピン偏極の緩和を抑制することができる（詳細は「５．  実験例」参照）。
【００１４】
本発明に係るガスセルにおいて、
前記内壁と前記第１パラフィン膜との間に設けられた第２パラフィン膜を含み、
前記第２パラフィン膜は、前記第１パラフィン膜よりも低い融点を有してもよい。
【００１５】
このようなガスセルでは、表面凝固（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇ：ＳＦ）を利用して第１パラフィン膜および第２パラフィン膜が形成されており、第１パラフィン膜を構成するパラフィンを、分子軸の向きをそろえて配列させることができる。
【００１６】
本発明に係るガスセルにおいて、
前記電磁波と相互作用する気体は、アルカリ金属の気体であってもよい。
【００１７】
このようなガスセルでは、スピン偏極の緩和を抑制することができる。
【００１８】
本発明に係るガスセルにおいて、
前記セル本体は、前記第１室に連通孔を介して連通する第２室を有していてもよい。
【００１９】
このようなガスセルでは、第１室の気体のアルカリ金属の蒸気圧を調整することができ、また、第１室の気体のアルカリ金属の量を調整することができる。
【００２０】
本発明に係る磁場計測装置は、
本発明に係るガスセルを含む。
【００２１】
このような磁場計測装置は、本発明に係るガスセルを含むため、スピン偏極の緩和を抑制することができる。
【００２２】
本発明に係るガスセルの製造方法は、
セル本体の内部空間にパラフィンを配置するパラフィン配置工程と、
前記セル本体を加熱して前記パラフィンを気化させる加熱工程と、
前記加熱工程の後に、前記セル本体を冷却して、前記パラフィンをＳｕｒｆａｃｅ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇ温度より高い第１温度まで冷却する第１冷却工程と、
前記第１冷却工程の後に、前記セル本体を冷却して、前記パラフィンを融点より低い第２温度まで冷却する第２冷却工程と、
前記セル本体の前記内部空間に気体のアルカリ金属を充填させる充填工程と、
を含み、
前記第２冷却工程の平均降温速度は、１℃／時間以上１０℃／時間以下である。
【００２３】
このようなガスセルの製造方法では、Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇが生じる第２冷却工程を、時間をかけて行うことができ、分子軸の向きがそろって配列されたパラフィンからなるパラフィン膜を形成することができる。したがって、このようなガスセルの製造方法では、スピン偏極の緩和を抑制することができるガスセルを製造することができる。
【００２４】
本発明に係るガスセルの製造方法において、
前記第２冷却工程の後であって前記充填工程の前に、前記パラフィンを第２温度に保持する保持工程を含んでもよい。
【００２５】
このようなガスセルの製造方法では、特性の安定したパラフィン膜を形成することができる。
【００２６】
本発明に係るガスセルの製造方法において、
前記加熱工程、前記第１冷却工程、および前記第２冷却工程によって形成されるパラフィン膜は、混合純パラフィン膜であってもよい。
【００２７】
このようなガスセルの製造方法では、パラフィンのＳｕｒｆａｃｅ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇ温度と、パラフィンのバルクの融点と、の差を、純パラフィン膜を形成する場合よりも大きくすることができ、Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇが生じる第２冷却工程を、時間をかけて行うことができる。
【００２８】
本発明に係るガスセルの製造方法において、
前記内部空間に前記アルカリ金属が収容された容器を配置するアルカリ金属配置工程を含み、
前記充填工程では、前記容器を破壊して前記内部空間に気体の前記アルカリ金属を充填させてもよい。
【００２９】
このようなガスセルの製造方法では、充填工程において、内部空間の気密性を保った状態で、第１室に気体のアルカリ金属を充填させることができる。
【００３０】
本発明に係るガスセルの製造方法において、
前記内部空間に前記アルカリ金属を含む固形物を配置するアルカリ金属配置工程を含み、
前記充填工程では、前記固形物にレーザー光を照射して前記内部空間に気体の前記アルカリ金属を充填させてもよい。
【００３１】
このようなガスセルの製造方法では、内部空間にアルカリ金属が収容された容器を配置せずに、第１室にアルカリ金属ガスを充填させることができる。
【００３２】
本発明に係るガスセルの製造方法において、
前記第２冷却工程の平均降温速度は、前記第１冷却工程の平均降温速度より遅くてもよい。
【００３３】
このようなガスセルの製造方法では、Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇが生じる第２冷却工程を、時間をかけて行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態に係る磁場計測装置の構成を示すブロック図。
【図２】本実施形態に係るガスセルを模式的に示す断面図。
【図３】本実施形態に係るパラフィン膜を説明するための図。
【図４】本実施形態に係るガスセルの製造方法を説明するためのフローチャート。
【図５】本実施形態に係るガスセルの製造方法を模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態に係るガスセルの製造方法を模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係るガスセルの製造方法を模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態に係るガスセルの製造方法を模式的に示す断面図。
【図９】本実施形態に係るガスセルの製造方法を模式的に示す断面図。
【図１０】本実施形態に係るパラフィン膜の形成工程を説明するための図。
【図１１】本実施形態に係るパラフィン膜の形成工程を説明するための図。
【図１２】加熱工程から第３冷却工程までの温度プロファイルの一例を示す図。
【図１３】本実施形態の変形例に係るガスセルの製造方法を模式的に示す断面図。
【図１４】実験例で用いた光学系を説明するための図。
【図１５】スピン偏極の緩和特性評価の結果を示すグラフ。
【図１６】光学顕微鏡写真。
【図１７】光学顕微鏡写真。
【図１８】本実施形態に係る原子発振器の構成を示す概略図。
【図１９】本実施形態に係る原子発振器の動作を説明する図。
【図２０】本実施形態に係る原子発振器の動作を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３６】
１．  磁場計測装置
まず、本実施形態に係る磁場計測装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る磁場計測装置１０００の構成を示すブロック図である。
【００３７】
磁場計測装置１０００は、非線形光学回転（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｏｔａｔｉｏｎ：ＮＭＯＲ）を用いた磁場計測装置である。磁場計測装置１０００は、例えば、心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）などの生体から発せられる微小な磁場を測定する生体状態測定装置（心磁計または脳磁計など）に用いられる。磁場計測装置１０００は、金属探知機などにも用いることができる。
【００３８】
磁場計測装置１０００は、本発明に係るガスセルを含む。以下では、本発明に係るガスセルとして、ガスセル１００を用いた例について説明する。
【００３９】
磁場計測装置１０００は、光源１と、光ファイバー２と、コネクター３と、偏光板４と、ガスセル１００と、偏光分離器５と、光検出器（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＤ）６と、光検出器（ＰＤ）７と、信号処理回路８と、表示装置９と、を含んで構成されている。ガスセル１００内には、アルカリ金属ガス（気体のアルカリ金属）が収容されている。アルカリ金属としては、例えば、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）などを用いることができる。以下では、アルカリ金属としてセシウムを用いる場合を例に取り説明する。
【００４０】
光源１は、セシウムの吸収線に応じた波長（例えばＤ１線に相当する８９４ｎｍ）のレーザービームを出力する装置、例えばチューナブルレーザーである。光源１から出力されるレーザービームは、連続的に一定の光量を有する、いわゆるＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）光である。
【００４１】
光ファイバー２は、光源１により出力されたレーザービームを、ガスセル１００側に導く部材である。光ファイバー２には、例えば、偏波保持ファイバーや、基本モードのみを伝播するシングルモードの光ファイバーが用いられる。
【００４２】
コネクター３は、光ファイバー２に接続されている部材である。コネクター３は、例えば、ねじ込み式で、光ファイバー２に接続されている。
【００４３】
コリメーターレンズ１１は、レーザービームを、平行光とするためのレンズである。
【００４４】
偏光板４は、レーザービームを特定方向に偏光させ、直線偏光にする素子である。
【００４５】
ガスセル１００は、内部に空隙を有する箱（セル）であり、この空隙（図２に示す第１室１２）には気体のアルカリ金属（アルカリ金属の蒸気）が収容されている。ガスセル１００の構成については、後述する。
【００４６】
偏光分離器５は、入射したレーザービームを、互いに直交する２つの偏光成分のビームに分離する素子である。偏光分離器５は、例えば、ウォラストンプリズムまたは偏光ビームスプリッターである。
【００４７】
光検出器６および光検出器７は、レーザービームの波長に感度を有する検出器であり、入射光の光量に応じた電流を信号処理回路８に出力する。光検出器６および光検出器７は、それ自体が磁場を発生すると測定に影響を与える可能性があるので、非磁性の材料で構成されることが望ましい。光検出器６および光検出器７は、ガスセル１００からみて偏光分離器５と同じ側（下流側）に配置される。
【００４８】
磁場計測装置１０００において、レーザービームの経路の最上流には光源１が位置し、以下、上流側から下流側に向かって、光ファイバー２、コネクター３、偏光板４、ガスセル１００、偏光分離器５、および光検出器６，７の順で配置されている。
【００４９】
磁場計測装置１０００における各部の動作を説明する。
【００５０】
光源１から出力されたレーザービームは、光ファイバー２に導かれて偏光板４に到達する。偏光板４によってレーザービームは、偏光度がより高い直線偏光になる。ガスセル１００において、レーザービームは、ガスセル１００に封入されているアルカリ金属原子を励起（光ポンピング）する。このとき、レーザービームは、磁場の強さに応じた偏光面の回転作用を受けて偏光面が回転する。ガスセル１００を透過したレーザービームは偏光分離器５により２つの偏光成分のビームに分離される。２つの偏光成分のビームの光量は、それぞれ光検出器６および光検出器７で計測（プロービング）される。
【００５１】
信号処理回路８は、光検出器６および光検出器７により計測されたビームの光量を示す信号をそれぞれから受け取る。信号処理回路８は、受け取った各信号に基づいて、レーザービームの偏光面の回転角を求める。最も簡便な方法は、両信号の差をとることである。また、信号処理回路８は、偏光面の回転角からレーザービームの伝播方向における磁場の強さを求める。表示装置９は、信号処理回路８で求められた磁場の強さを表示する。
【００５２】
２．  ガスセル
次に、本実施形態に係るガスセルについて、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係るガスセル１００を模式的に示す断面図である。
【００５３】
ガスセル１００は、図２に示すように、セル本体１０と、封止栓２０と、被覆膜３０と、を含む。
【００５４】
セル本体１０の材質は、耐熱性に優れ、アルカリ金属ガスの吸収栓を透過し、かつ紫外光領域での吸収が小さいホウ珪酸ガラスや石英ガラスが望ましい。セル本体１０は、例えば、石英板を貼り合わせることで形成することができる。セル本体１０を構成する石英板の厚さは、例えば、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。
【００５５】
セル本体１０は、第１室（主室）１２と、連通孔（キャピラリー）１４と、第２室（副室、リザーバー）１６と、を有している。
【００５６】
第１室１２は、セル本体１０の内壁１３によって規定されている。第１室１２には、アルカリ金属ガス（アルカリ金属の気体）４０が収容されている。アルカリ金属ガスは、電磁波と相互作用する気体である。図示の例では、第１室１２には、アルカリ金属ガス４０が充満（充填）している。第１室１２に光（レーザービーム）を照射することで、アルカリ金属は、光と相互作用して、光ポンピングによるスピン偏極や量子干渉等を生じる。なお、第１室１２に収容されている気体は、電磁波と相互作用する気体であれば、アルカリ金属ガスに限定されず、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）などの気体であってもよい。
【００５７】
連通孔１４は、第１室１２と第２室１６とを接続している。連通孔１４は、アルカリ金属ガス４０が通過できるように形成されている。連通孔１４は、第１室１２に収容されているアルカリ金属ガス４０が第１室１２から第２室１６に戻る割合が小さくなるような大きさに形成されている。連通孔１４の断面積（第１室１２から第２室１６に向かう方向と直交する方向において切断した断面積）は、例えば、第１室１２の断面積の数千分の１程度である。
【００５８】
第２室１６は、第１室１２に連通孔１４を介して連通している。第１室１２、連通孔１４、および第２室１６は、セル本体１０の内部空間１８を構成している。内部空間１８は、外部と気体の出入りがないように気密にされている。
【００５９】
第２室１６の容積は、例えば、第１室１２の容積よりも小さい。第２室１６には、パラフィンを収容していた第１容器５０と、アルカリ金属を収容していた第２容器５２とが収容されている。第１容器５０に収容されたパラフィンを気化させることによって、第１室１２を規定する内壁１３に被覆膜３０を形成することができる。第２容器５２に収容されたアルカリ金属を気化させることによって、第１室１２にアルカリ金属ガスを充填させることができる。第２室１６には、アルカリ金属が固体または液体の状態で収容されていてもよい。
【００６０】
封止栓２０は、投入口２２を密封している。これにより、内部空間１８を気密にすることができる。投入口２２は、第１容器５０および第２容器５２を外部から第２室１６に導入するための入口である。封止栓２０の材質は、例えば、石英ガラスである。封止栓２０の材質は、セル本体１０の材質と同じであってもよい。封止栓２０は、例えば、低融点ガラスの粉末（ガラスフリット）を用いてセル本体１０に接合されている。
【００６１】
被覆膜３０は、第１室１２を規定するセル本体１０の内壁１３に設けられている。被覆膜３０は、例えば９５％以上、好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．９％以上の被覆率で、内壁１３を被覆している。なお、図示はしないが、被覆膜３０は、連通孔１４を規定するセル本体１０の内壁に設けられていてもよいし、第２室１６を規定するセル本体１０の内壁に設けられていてもよい。
【００６２】
被覆膜３０の材質は、パラフィンである。パラフィンとは、炭素数２０以上のアルカン（一般式がＣｎＨ２ｎ＋２の鎖式飽和炭化水素）である。被覆膜３０を構成するパラフィンは、例えば、枝分かれの無い直線状の分子構造を有している。被覆膜３０を構成するパラフィンの炭素数は、例えば、２０以上１００以下であり、好ましくは３０以上６０以下である。被覆膜３０を構成するパラフィンの炭素数（分子量）は、例えば、ガスクロマトグラフィーによって測定することができる。
【００６３】
被覆膜３０は、パラフィン膜（第２パラフィン膜）３２と、パラフィン膜（第１パラフィン膜）３４と、を有している。パラフィン膜３２は、内壁１３の表面に（内壁１３上に）設けられている。パラフィン膜３４は、パラフィン膜３２を介して内壁１３に設けられている。パラフィン膜３４は、パラフィン膜３２の表面に（パラフィン膜３２上に）設けられている。
【００６４】
被覆膜３０（パラフィン膜３２，３４）は、例えば、純パラフィン膜であってもよい。純パラフィン膜とは、パラフィン膜を構成するパラフィンのうち９８％以上が同じ分子量（炭素数）のパラフィンによって構成された膜のことであり、好ましくはパラフィン膜を構成するパラフィンの全てが同じ分子量である膜のことである。分留して分子量が異なるパラフィンを除くことにより、純パラフィン膜を形成することができる。単に分留したのみでは、分子量が様々なパラフィンが得られる。
【００６５】
被覆膜３０（パラフィン膜３２，３４）は、例えば、混合純パラフィン膜であってもよい。混合純パラフィン膜とは、複数の純パラフィン原料を混合して形成されたものである。純パラフィン原料は、９８％以上が同じ分子量のパラフィン（主パラフィン）によって構成されており、混合純パラフィン膜は、主パラフィンの分子量が異なる複数の純パラフィン原料を混合して形成される。純パラフィン原料を構成するパラフィンは、好ましくは、全てが同じ分子量である。混合純パラフィン膜は、２種類の純パラフィン原料を混合して形成されてもよいし、３種類以上の純パラフィン原料を混合して形成されてもよい。
【００６６】
被覆膜３０（パラフィン膜３２，３４）は、例えば、炭素数５０のパラフィン（第１パラフィン）と、炭素数３８のパラフィン（第１パラフィンと炭素数の異なる第２パラフィン）と、の混合純パラフィン膜であってもよい。すなわち、パラフィン膜３２，３４は、炭素数５０を主パラフィンとする第１純パラフィン原料と、炭素数３８を主パラフィンとする第２純パラフィン原料と、を混合して形成された混合純パラフィン膜であってもよい。第１純パラフィン原料と第２順パラフィン原料との混合比は、特に限定されない。パラフィン膜３２，３４は、炭素数５０のパラフィンと炭素数３８のパラフィンとのみからなる混合純パラフィン膜であってもよい。
【００６７】
ここで、図３は、図２に示す被覆膜３０近傍の拡大図であり、被覆膜３０を説明するための図である。なお、便宜上、図３では、パラフィン（パラフィン分子）の両端のメチル基（−ＣＨ３）を○で示し、その間の直鎖部（アルキル鎖、−（ＣＨ２）ｎ−）を線分で示している。また、図３では、一例として、被覆膜３０が混合純パラフィン膜である場合を示しており、線分の長さが分子長を反映している。
【００６８】
パラフィン膜３２の厚さは、例えば、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。パラフィン膜３２は、パラフィン膜３４よりも低い結晶性を有している。パラフィン膜３２は、非晶質であってもよく、結晶性を有していてもよく、結晶性を有する場合は、パラフィン膜３４よりも結晶性が低い。パラフィン膜３２が混合純パラフィン膜である場合、パラフィン膜３２は、共晶であってもよい。パラフィン膜３２を構成するパラフィンは、パラフィン膜３４を構成するパラフィンよりも、パラフィンのアルキル鎖（直鎖分）の長手方向の向き（分子軸の向き）がそろっていない。また、パラフィンの総量が少ない場合は、パラフィン膜３２が形成されていなくてもよい。
【００６９】
パラフィン膜３４の厚さは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。パラフィン膜３４は、パラフィン膜３２よりも高い結晶性を有している。パラフィン膜３４は、単結晶であってもよい。パラフィン膜３４が混合純パラフィン膜である場合、パラフィン膜３４は、共晶であってもよい。パラフィン膜３４が混合純パラフィン膜である場合、パラフィン膜３２を構成するパラフィンの組成と、パラフィン膜３４を構成するパラフィンの組成とは、異なっていてもよい。
【００７０】
パラフィン膜３４を構成するパラフィンは、アルキル鎖の長手方向の向き（分子軸の向き）をそろえて配列している。図示の例では、パラフィンのアルキル鎖の長手方向は、内壁１３の垂線Ｐと平行である。図示はしないが、アルキル鎖の長手方向は、垂線Ｐに対して４５°以下で傾いていてもよく、２０°以下で傾いていてもよい。パラフィン膜３４を構成するパラフィンは、例えば、垂線Ｐの延出方向と直交する方向に配列している。なお、図示の例では、パラフィン膜３４を構成するパラフィンのアルキル鎖の長さは、互いに等しいが、被覆膜３０が混合純パラフィン膜である場合、パラフィン膜３４を構成するパラフィンのアルキル鎖の長さは、互いに異なっていてもよい。
【００７１】
パラフィン膜３４の融点は、パラフィン膜３２の融点よりも高い。すなわち、パラフィン膜３２の融点は、パラフィン膜３４の融点よりも低い。パラフィン膜３２およびパラフィン膜３４の融点は、例えば、５０℃以上１２０℃以下であり、パラフィン膜３４の融点とパラフィン膜３２の融点との差は、例えば、２℃以上２０℃以下である。パラフィン膜３４の融点がパラフィン膜３２の融点よりも高いことは、例えば、被覆膜３０を加熱し、パラフィン膜３２がパラフィン膜３４よりも早く溶け出すことによって確認することができる。
【００７２】
ガスセル１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００７３】
ガスセル１００は、パラフィン膜３４を構成するパラフィンは、分子軸の向きをそろえて配列している。そのため、ガスセル１００では、パラフィンの分子軸の向きをそろえて配列していない場合に比べて、パラフィン膜３４の結晶性が高く、緻密で平滑な表面を有することができ、スピン偏極の緩和を抑制することができる。
【００７４】
さらに、ガスセル１００では、パラフィン膜３４は、純パラフィン膜であってもよい。そのため、ガスセル１００では、パラフィン膜が純パラフィン膜ではなく分子量の様々なパラフィンによって構成されている場合に比べて、パラフィン膜３４の特性（例えばスピン偏極の緩和特性）が安定している。
【００７５】
さらに、ガスセル１００では、パラフィン膜３４は、混合純パラフィン膜であってもよい。そのため、ガスセル１００では、パラフィン膜が純パラフィン膜である場合に比べて、よりスピン偏極の緩和を抑制することができる（詳細は「５．  実験例」参照）。
【００７６】
ガスセル１００では、パラフィン膜３４は、炭素数５０のパラフィンと炭素数３８のパラフィンとの混合純パラフィン膜であってもよい。そのため、ガスセル１００では、より確実に、スピン偏極の緩和を抑制することができる（詳細は「５．  実験例」参照）。
【００７７】
ガスセル１００では、内壁１３とパラフィン膜３４との間に設けられたパラフィン膜３２を含み、パラフィン膜３２は、パラフィン膜３４よりも低い融点を有する。そのため、ガスセル１００では、表面凝固（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇ：ＳＦ）を利用してパラフィン膜３２，３４が形成されており、パラフィン膜３４を構成するパラフィンを、分子軸の向きをそろえて配列させることができる。さらに、ガスセル１００では、ＳＦを利用してパラフィン膜３２，３４が形成されているため、パラフィン膜３２，３４は、密着性および被覆率が高い。なお、ＳＦについては、後述する。
【００７８】
ガスセル１００では、セル本体１０は、第１室１２に連通孔１４を介して連通する第２室１６を有してもよい。そのため、ガスセル１００では、第２室１６にアルカリ金属を固体または液体の状態で収容することにより、第１室１２のアルカリ金属ガス４０の圧力が温度で決まる飽和蒸気圧から乖離した場合に、第２室１６のアルカリ金属が気化または液化することで、第１室１２のアルカリ金属ガス４０の蒸気圧を調整することができる。また、長期的には、アルカリ金属ガス４０は、セル本体１０に拡散したり、僅かであるが外界からリークする不純物等と反応して酸化や水酸化を生じたりして、アルカリ金属が減少する場合がある。このような場合に、第２室１６に収容されたアルカリ金属によって、第１室１２のアルカリ金属ガス４０の量を調整することができる。このように、第２室１６は、アルカリ金属を貯蔵する役割を果たすことができる。
【００７９】
３．  ガスセルの製造方法
次に、本実施形態に係るガスセルの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係るガスセル１００の製造方法を説明するためのフローチャートである。図５〜図９は、本実施形態に係るガスセル１００の製造方法を模式的に示す断面図である。
【００８０】
図５に示すように、セル本体１０を準備し、セル本体１０を減圧状態で加熱して、セル本体１０の内壁１３に付着した不純物を除去する（ステップＳ１）。本工程では、例えば、セル本体１０をオーブン（図示せず）上に配置し、３００℃以上６００℃以下まで加熱する。
【００８１】
図６に示すように、セル本体１０の第２室１６に、投入口２２を通して、パラフィンが収容された第１容器５０を配置する（ステップＳ２、パラフィン配置工程）。本工程は、例えば、室温において、窒素雰囲気中で行われる。第１容器５０へのパラフィンの充填は、例えば、パラフィンを固形または粉末状態で用意し、減圧下でパラフィンを加熱溶融させて均質化し、毛細管現象を利用して行われる。第１容器５０は、例えば、管状のガラス管である。混合パラフィン膜を形成する場合は、複数種の原料を計量して所定の配合比で混合させたものを、第１容器５０へ充填させる。パラフィンが収容された第１容器５０は、被覆膜３０を形成するために必要な個数分だけ配置される。
【００８２】
図７に示すように、セル本体１０の第２室１６に、投入口２２を通して、アルカリ金属が収容された第２容器５２を配置する（ステップＳ３、アルカリ金属配置工程）。本工程は、例えば、室温において、窒素雰囲気中で行われる。アルカリ金属が収容された第２容器５２は、例えば、真空状態において、管状のガラス管の内部にアルカリ金属を充填し、ガラス管の両端を溶着し密封することで得られる。アルカリ金属が収容された第２容器５２は、第１室１２に所定量のアルカリ金属ガス４０を充填するために必要な個数分だけ準備される。なお、パラフィン配置工程（ステップＳ２）とアルカリ金属配置工程（ステップＳ３）とは、順序を入れ替えてもよい。
【００８３】
図８に示すように、減圧状態で、投入口２２を封止栓２０で密封する（ステップＳ４）。これにより、セル本体１０の内部空間１８を、真空状態にすることができる。
【００８４】
図９に示すように、セル本体１０の内壁１３に被覆膜３０を形成する。ここで、図１０および図１１を用いて、被覆膜３０を形成する工程について説明する。なお、図１０および図１１は、被覆膜３０の形成工程を説明するための図であり、図３と同様に、パラフィンの両端のメチル基を○で示し、その間のアルキル鎖を線分で示している。
【００８５】
まず、大気中において、セル本体１０を加熱して、図１０に示すように、第１容器５０に収容されたパラフィンを気化させる（ステップＳ５、加熱工程）。気化したパラフィンは、第１室１２に収容される。本工程では、例えば、セル本体１０をオーブン上に配置し、２００℃以上５００℃以下まで加熱する。本工程により、第１室１２にパラフィンを飽和蒸気圧で存在させることができる。第１容器５０に収容されたパラフィンの量が十分な場合、セル本体１０の加熱温度に対応する飽和蒸気圧により被覆膜３０の膜厚を決定することができる。
【００８６】
次に、セル本体１０を冷却して、パラフィンをＳｕｒｆａｃｅ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇ温度（ＳＦ温度）より高い第１温度まで冷却する（ステップＳ６、第１冷却工程）。本工程では、例えば、セル本体１０が配置されたオーブンの設定温度を加熱工程（ステップＳ５）よりも下げることにより、セル本体１０の温度を下げる。本工程により、図１１に示すように、気体で存在できなくなったパラフィンが内壁１３に吸着し、液体状態で膜を形成することができる。第１温度は、気体で存在できなくなったパラフィンが内壁１３に吸着し、液体状態で膜を形成することができる温度である。第１温度は、例えば、１００℃以上２００℃以下である。本冷却工程の降温速度は、ステップＳ５の加熱温度から第１温度まで、一定であってもよいし、変化してもよい。また、本冷却工程は、温度を一定に保つ部分を有していてもよい。本冷却工程の平均降温速度は、例えば、２０℃／時間以上４０℃／時間以下である。なお、冷却工程の平均降温速度は、当該冷却工程の始まりの温度Ａ℃から当該冷却工程の終わりの温度Ｂ℃までＴ時間かけて温度を下げたとすると、（Ａ−Ｂ）／Ｔで表すことができる。
【００８７】
ここで、ＳＦは、パラフィンのバルクの融点Ｔｆよりも高い温度Ｔｓにおいて、下層は液体でありながら、表面のみに固体膜を形成する現象であり、ＳＦ温度とはＴｓのことである。パラフィンのＳＦ温度Ｔｓとパラフィンの融点Ｔｆとの差は、例えば、２℃以上２０℃以下である。パラフィン膜３４の融点とパラフィン膜３２の融点との差は、例えば、パラフィンのＳＦ温度Ｔｓと融点Ｔｆとの差と同じである。
【００８８】
次に、セル本体１０を冷却して、パラフィンを融点Ｔｆより低い第２温度まで冷却する（ステップＳ７、第２冷却工程）。本工程では、例えば、セル本体１０が配置されたオーブンの設定温度を、融点Ｔｆよりも低い温度にして、セル本体１０の温度を下げる。第２温度は、例えば、５０℃以上１５０℃以下である。本工程により、パラフィンが凝固して固体化され、パラフィン膜３２，３４を有する被覆膜３０を形成することができ、パラフィン膜３４を構成するパラフィンを、アルキル鎖の長手方向の向きをそろえて配列させることができる。加熱工程（ステップＳ５）、第１冷却工程（ステップＳ６）、および第２冷却工程（ステップＳ７）によって形成されるパラフィン膜３２，３４は、純パラフィン膜であってもよいし、混合純パラフィン膜であってもよい。混合純パラフィン膜を形成するために複数の純パラフィン原料を用いた場合は、本工程において、固液共存領域を形成し、特定の組成のパラフィンの結晶が析出する場合がある。
【００８９】
第２冷却工程（ステップＳ７）の降温速度は、第１温度から第２温度まで、一定であってもよいし、変化してもよい。また、本冷却工程は、温度を一定に保つ部分を有していてもよい。本冷却工程の平均降温速度は、例えば、１℃／時間以上１０℃／時間以下である。本冷却工程の平均降温速度は、自然冷却による平均降温速度（自然冷却によってパラフィンの第１温度から第２温度まで下げる場合の平均降温速度）より遅い。自然冷却とは、大気中で、室温（例えば２５℃）かつ無風の環境に放置した場合の冷却のことをいう。第２冷却工程（ステップＳ７）の平均降温速度は、第１冷却工程（ステップＳ６）の平均降温速度より遅い。例えば、第１冷却工程の始まり側の降温速度を速くし、第１冷却工程の終わり側の降温速度を遅くすることにより、より確実に、第２冷却工程の降温速度を、第１冷却工程の降温速度より遅くすることができる。
【００９０】
次に、パラフィンを第２温度に保持する（ステップＳ８、保持工程）。例えば、第２温度で５時間以上１５時間以下、オーブン上にセル本体１０を配置させることにより、特性の安定した被覆膜３０を形成することができる。
【００９１】
次に、図２に示すように、セル本体１０の第１室１２に、アルカリ金属ガス４０を充填させる（ステップＳ９、充填工程）。具体的には、アルカリ金属が収容された第２容器５２をレーザー光で破壊（単に貫通孔を形成する場合も含む）して、第１室１２にアルカリ金属ガス４０を充填させる。
【００９２】
以上の工程により、ガスセル１００を製造することができる。
【００９３】
ガスセル１００の製造方法では、第２冷却工程（ステップＳ７）の平均降温速度は、１℃／時間以上１０℃／時間以下である。ガスセル１００の製造では、第２冷却工程（ステップＳ７）の平均降温速度が１０℃／時間以下であるため、ＳＦが生じる第２冷却工程を、時間をかけて行うことができ、被覆膜３０の表面に、アルキル鎖の長手方向の向きがそろって配列されたパラフィンからなるパラフィン膜３４を形成することができる。したがって、ガスセル１００の製造方法では、スピン偏極の緩和を抑制することができるガスセル１００を製造することができる。第２冷却工程の平均降温速度が１０℃／時間より速いと、パラフィン膜の表面に、アルキル鎖の長手方向の向きがそろって配列されたパラフィンによって覆われない箇所が生じてしまう場合がある。さらに、ガスセル１００の製造方法では、第２冷却工程（ステップＳ７）の平均降温速度が１℃／時間以上であるため、アルキル鎖の長手方向の向きがそろって配列されたパラフィンからなるパラフィン膜３４を形成可能な範囲で、製造工程の時間の短縮化を図ることができる。
【００９４】
ガスセル１００の製造方法では、パラフィンを第２温度に保持する保持工程（ステップＳ８）を含んでもよい。そのため、ガスセル１００の製造方法では、特性の安定したパラフィン膜３２，３４を形成することができる。
【００９５】
ガスセル１００の製造方法では、加熱工程（ステップＳ５）、第１冷却工程（ステップＳ６）、および第２冷却工程（ステップＳ７）によって形成されるパラフィン膜３２，３４は、混合純パラフィン膜であってもよい。そのため、ガスセル１００では、パラフィンのＳＦ温度Ｔｓと融点Ｔｆとの差を、純パラフィン膜を形成する場合よりも大きくすることができ、ＳＦが生じる第２冷却工程を、時間をかけて行うことができる。
【００９６】
ガスセル１００の製造方法では、内部空間１８にアルカリ金属が収容された第２容器５２を配置するアルカリ金属配置工程（ステップＳ３）を含み、充填工程（ステップＳ９）では、第２容器５２を破壊して第１室１２にアルカリ金属ガス４０を充填させてもよい。そのため、ガスセル１００の製造方法では、充填工程において、内部空間１８の気密性を保った状態で、第１室１２にアルカリ金属ガス４０を充填させることができる。
【００９７】
ガスセル１００の製造方法では、第２冷却工程（ステップＳ７）の平均降温速度は、第１冷却工程（ステップＳ６）の平均降温速度より遅くてもよい。そのため、ガスセル１００の製造方法では、ＳＦが生じる第２冷却工程を、時間をかけて行うことができ、かつ、第１冷却工程の平均降温速度を第２冷却工程の平均降温速度より速くすることにより、製造工程の短縮化を図ることができる。
【００９８】
ここで、図１２は、加熱工程（ステップＳ５）から第３冷却工程（ステップＳ８）までの温度プロファイル（設定値）の一例を示す図であって、ペンタコタンＣ５０Ｈ１０２からなる被覆膜３０を形成するためのプロファイルを示す図である。ペンタコタンのバルクの融点は約９４℃であり、ＳＦ温度は約１００℃である。
【００９９】
図１２に示す例では、加熱工程では３４０℃まで加熱し、その後、第１冷却工程において１５０℃（第１温度）まで急冷し、第２冷却工程において８０℃（第２温度）までゆっくり冷却させ、第３冷却工程において８０℃で８時間保っている。図１２に示す例では、各工程は、オーブンの上にセル本体１０を配置して行われている。
【０１００】
４．  ガスセルの製造方法の変形例
次に、本実施形態の変形例に係るガスセルの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態に係るガスセルの製造方法を模式的に示す断面図である。以下、本実施形態の変形例に係るガスセルの製造方法において、本実施形態に係るガスセルの製造方法の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
【０１０１】
本実施形態の変形例に係るガスセルの製造方法では、アルカリ金属配置工程（ステップＳ３）において、アルカリ金属が収容された第２容器５２の代わりに、図１３に示すように、内部空間１８に、アルカリ金属を含む固形物５４を配置する。固形物５４は、例えば、略円柱状のピルである。固形物５４は、アルカリ金属化合物および吸着剤を有している。アルカリ金属化合物としては、アルカリ金属としてセシウムを用いる場合、例えば、モリブデン酸セシウム、塩化セシウムなどのセシウム化合物を用いる。吸着剤としては、例えば、ジルコニウム粉末、アルミニウムなどを用いる。
【０１０２】
本実施形態の変形例に係るガスセルの製造方法では、充填工程（ステップＳ９）において、固形物５４にレーザー光を照射して内部空間１８に気体の前記アルカリ金属を充填させる。固形物５４にレーザー光を照射することにより、固形物が加熱されてアルカリ金属化合物が活性化し、アルカリ金属ガスが生成する。その際に放出される不純物や不純ガスは、吸着剤に吸着される。
【０１０３】
本実施形態の変形例に係るガスセルの製造方法では、内部空間１８にアルカリ金属が収容された第２容器５２を配置せずに、第１室１２にアルカリ金属ガスを充填させることができる。
【０１０４】
なお、固定物５４は、レーザー光が照射されて内部空間１８に気体の前記アルカリ金属を充填させることができれば、略円柱状のピルに限定されず、例えば略ワイヤー状のディスペンサーであってもよい。
【０１０５】
５．  実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。
【０１０６】
５．１．  第１実験
Ｃ５０Ｈ１０２の純パラフィン膜、またはＣ５０Ｈ１０２とＣ３８Ｈ７８との混合純パラフィン膜をセル本体の内部空間にコーティングした２種類のガスセルについて、スピン偏極の緩和特性を評価した。Ｃ５０Ｈ１０２の純パラフィン膜は、パラフィン膜を構成するパラフィンのうち９８％以上がＣ５０Ｈ１０２のパラフィンであるパラフィン膜である。Ｃ５０Ｈ１０２とＣ３８Ｈ７８との混合純パラフィン膜は、９８％以上がＣ５０Ｈ１０２である第１純パラフィン原料と、９８％以上がＣ３８Ｈ７８である第２純パラフィン原料と、を１：９（第１純パラフィン原料：第１純パラフィン原料＝１：９）で混合して形成されたパラフィン膜である。セル本体に封入するアルカリ金属としては、セシウムを用いた。
【０１０７】
図１４は、本実験で用いた光学系２０００を説明するための図である。光源２１０から射出された光（レーザー光、セシウムのＤ１線の超微細構造量子数Ｆ＝４からＦ´＝３に遷移する約８９４ｎｍに波長を設定）を、シャッター２１２、レンズ２１４、およびλ／４波長板（円偏光に変換するための素子）２１６を介して、ガスセル１００に照射させた。ガスセル１００を透過した光を、レンズ２１８およびミラー２２０を介して、光電子増倍管（検出器）２２２に入射させた。なお、便宜上、図１４では、ガスセル１００を簡略化して図示している。また、本実験で用いた光学系２０００としては、文献（Ｗ．ＦＲＡＮＺＥＮ，「Ｓｐｉｎ  Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｒｕｂｉｄｉｕｍ  Ｖａｐｏｒ」，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ，ＡＵＧＵＳＴ  １５，１９５９，ＶＯＬＵＭＥ  １１５，ＮＵＭＢＥＲ  ４，ｐ．８５０−８５６）を参考にすることができる。
【０１０８】
上記の光学系２０００においてアルカリ金属をスピン偏極した後、シャッター２１２を閉じ暗状態にしてスピン偏極が緩和する（Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｄａｒｋ）までの時間を計測した。
【０１０９】
図１５は、スピン偏極の緩和特性評価の結果を示すグラフである。図１５において、横軸は、暗状態にした時間であり、縦軸は、ガスセル１００を透過する光強度（光電子増倍管２２２で検出した光強度）を規格化したものであり、縦軸の値が大きいほど、スピン偏極の緩和を抑制できていることになる。
【０１１０】
図１５に示すように、混合純パラフィン膜は、純パラフィン膜よりも規格化透過強度が高かった。純パラフィン膜における緩和速度は、１５．８Ｈｚであった。これに対し、混合純パラフィン膜における緩和速度は、７．２Ｈｚであり、純パラフィン膜よりも緩和時間が長かった。これにより、混合純パラフィン膜は、純パラフィン膜に比べて、よりスピン偏極の緩和を抑制できることがわかった。
【０１１１】
５．２．  第２実験
Ｃ５０Ｈ１０２の純パラフィン膜、およびＣ５０Ｈ１０２とＣ３８Ｈ７８との混合純パラフィン膜を光学顕微鏡により観察した。
【０１１２】
図１６は、Ｃ５０Ｈ１０２の純パラフィン膜の光学顕微鏡写真である。図１７は、Ｃ５０Ｈ１０２とＣ３８Ｈ７８との混合純パラフィン膜の光学顕微鏡写真である。
【０１１３】
図１６に示すように、純パラフィン膜の表面は、僅かであるが凹凸が観測された。これは、純パラフィン膜の下層（純パラフィン膜の下側の部分、例えば図３に示すパラフィン膜３２に相当する部分）の固体化の段階で微結晶が形成されたことにより、表面に凹凸が発生したと推測される。
【０１１４】
一方、図１７に示すように、混合純パラフィン膜の表面は、純パラフィン膜に観測されたような凹凸が見られず滑らかであった。これは、混合純パラフィン膜の場合では、下層は共晶または非晶質により微結晶のような粒界が存在しないため、滑らかな表面が維持されたと推測される。
【０１１５】
６．  原子発振器
次に、本実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１８は、本実施形態に係る原子発振器３０００の構成を示す概略図である。図１９および図２０は、本実施形態に係る原子発振器３０００の動作を説明する図である。本発明に係る原子発振器は、本発明に係るガスセルを含む。以下では、本発明に係るガスセルとして上述したガスセル１００を含む原子発振器３０００について説明する。
【０１１６】
原子発振器（量子干渉装置）３０００は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。原子発振器３０００は、図１８に示すように、ガスセル１００と、光源７１と、光学部品７２，７３，７４，７５と、光検出部７６と、ヒーター７７と、温度センサー７８と、磁場発生部７９と、制御部８０と、を含む。
【０１１７】
光源７１は、ガスセル１００内のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬとして、後述する周波数の異なる２種の光（図１９に示す共鳴光Ｌ１および共鳴光Ｌ２）を射出する。光源７１は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）などの半導体レーザーなどで構成される。光学部品７２，７３，７４，７５は、それぞれ、光源７１とガスセル１００との間における励起光ＬＬの光路上に設けられ、光源７１側からガスセル１００側へ、光学部品７２（レンズ）、光学部品７３（偏光板）、光学部品７４（減光フィルター）、光学部品７５（λ／４波長板）の順に配置されている。
【０１１８】
光検出部７６は、ガスセル１００内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光Ｌ１，Ｌ２）の強度を検出する。光検出部７６は、例えば、太陽電池、フォトダイオードなどで構成されており、後述する制御部８０の励起光制御部８２に接続されている。ヒーター７７（加熱部）は、ガスセル１００内のアルカリ金属をガス状に（アルカリ金属ガスとして）維持するために、ガスセル１００を加熱する。ヒーター７７（加熱部）は、例えば、発熱抵抗体などで構成される。
【０１１９】
温度センサー７８は、ヒーター７７の発熱量を制御するために、ヒーター７７またはガスセル１００の温度を検出する。温度センサー７８は、サーミスター、熱電対などの公知の各種温度センサーで構成される。磁場発生部７９は、ガスセル１００内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場を発生させる。ゼーマン分裂により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器３０００の発振周波数の精度を高めることができる。磁場発生部７９は、例えば、ヘルムホルツコイルやソレノイドコイルなどで構成される。
【０１２０】
制御部８０は、光源７１が射出する励起光ＬＬ（共鳴光Ｌ１，Ｌ２）の周波数を制御する励起光制御部８２と、温度センサー７８の検出結果に基づいてヒーター７７への通電を制御する温度制御部８１と、磁場発生部７９から発生する磁場が一定となるように制御する磁場制御部８３と、を有する。制御部８０は、例えば、基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。
【０１２１】
原子発振器３０００の原理を簡単に説明する。図１９は、原子発振器３０００のガスセル１００内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明する図である。図２０は、原子発振器３０００の光源７１からの２つの光の周波数差と光検出部７６での検出強度との関係を示すグラフである。図１９に示すように、ガスセル１００内に封入されているアルカリ金属（アルカリ金属ガス）は、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態Ｓ１、基底状態Ｓ２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態Ｓ１は、基底状態Ｓ２よりも低いエネルギー状態である。
【０１２２】
このようなアルカリ金属ガスに対して周波数の異なる２種の共鳴光Ｌ１，Ｌ２を照射すると、共鳴光Ｌ１の周波数ω１と共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光Ｌ１，Ｌ２のアルカリ金属ガス１３における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、共鳴光Ｌ１の周波数ω１と共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態Ｓ１と基底状態Ｓ２とのエネルギー差に相当する周波数と一致したとき、基底状態Ｓ１，Ｓ２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光Ｌ１，Ｌ２は、いずれも、アルカリ金属ガスに吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）と呼ぶ。
【０１２３】
光源７１は、ガスセル１００に向けて、上述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光Ｌ１および共鳴光Ｌ２）を射出する。ここで、例えば、共鳴光Ｌ１の周波数ω１を固定し、共鳴光Ｌ２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光Ｌ１の周波数ω１と共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態Ｓ１と基底状態Ｓ２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、光検出部７６の検出強度は、図２０に示すように急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号と呼ぶ。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を基準として用いることにより、高精度な原子発振器３０００を実現することができる。
【０１２４】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１２５】
１…光源、２…光ファイバー、３…コネクター、４…偏光板、５…偏光分離器、６，７…光検出器、８…信号処理回路、９…表示装置、１０…セル本体、１１…コリメートレンズ、１２…第１室、１３…内壁、１４…連通孔、１６…第２室、１８…内部空間、２０…封止栓、２２…投入口、３０…被覆膜、３２…パラフィン膜、３４…パラフィン膜、４０…アルカリ金属ガス、５０…第１容器、５２…第２容器、５４…固形物、７１光源、７２，７３，７４，７５…光学部品、７６…光検出器、７７…ヒーター、７８…温度センサー、７９…磁場発生部、８０…制御部、８１…温度制御部、８２…励起光制御部、８３…磁場制御部、１００…ガスセル、２１０…光源、２１２…シャッター、２１４…レンズ、２１６…λ／４波長板、２１８…レンズ、２２０…ミラー、２２２…光電子増倍管、１０００…磁場計測装置、２０００…光学系、３０００…原子発振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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