(57)【要約】【課題】ガスセルの特性の均一性を向上させること。【解決手段】ガスセルの製造方法は、板材の面にコーティング層を形成するコーティング工程と、前記コーティング層が形成された複数の前記板材を、前記コーティング層が形成された面で囲まれたセルを形成するように組み立てる組立工程と、前記形成されたセル内にアルカリ金属ガスを充填する充填工程とを有する。【選択図】図５
2018028550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージとリッドとを接合して主室を形成する接合工程と、
前記主室の内壁にコーティング層を形成するコーティング工程と、
前記主室内にアルカリ金属ガスを充填する充填工程と
を含む事を特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項２】
パッケージとリッドとを接合して主室を形成する接合工程と、
前記主室の内壁にコーティング層を形成するコーティング工程と、
前記主室内にアルカリ金属ガスを充填する充填工程と
を含む事を特徴とする磁気測定装置の製造方法。
【請求項３】
主室と、
狭窄孔と、
前記主室に前記狭窄孔を介して連通するアンプル収容室と、
前記主室内に気密封止されているアルカリ金属ガスと
を備える事を特徴とするガスセル。
【請求項４】
前記アンプル収容室は、断面がＶ字形状である事を特徴とする請求項３に記載のガスセル。
【請求項５】
請求項３または４に記載のガスセルを備える事を特徴とする磁気測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセルの製造方法およびガスセルに関する。
【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生体磁気測定装置として、光ポンピング式の磁気センサーが用いられている。特許文献１は、ガスセルと、ポンプ光と、プローブ光とを用いた磁気センサーを開示している。この磁気センサーにおいては、ガスセル内に封入された原子は、ポンプ光により励起され、スピンの偏極を生じる。ガスセルを透過したプローブ光の偏光面は磁場に応じて回転するので、プローブ光の偏光面の回転角を用いて磁場が測定される。
【０００３】
特許文献２、特許文献３、および非特許文献１は、セルにガスを充填する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３６５９９号公報
【特許文献２】特開平１１−２３８４６９号公報
【特許文献３】米国特許第７６６６４８５号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Grbax Singh, Philip Diavore, and Carrol O.Alley, "A Technique for preparing Wall Coated Cesium Vapor Cells", The Review of Scientific Instruments, Vol. 43, No. 9, pp. 1388-1389 (1972)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
複数のガスセルを製造する際、ガスセルの特性にばらつきがあると、それが磁気センサーの感度のばらつきとして反映されてしまう。
本発明は、ガスセルの特性の均一性を向上させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、板材の第１面にコーティング層を形成するコーティング工程と、前記コーティング層が形成された複数の前記板材を、前記コーティング層が形成された面で囲まれたセルを形成するように組み立てる組立工程と、前記形成されたセル内にアルカリ金属原子を充填する充填工程とを有するガスセルの製造方法を提供する。
この製造方法によれば、組立後にコーティング層を形成する場合と比較して、ガスセル内壁のコーティング層の厚さの均一性を向上させることができる。
【０００８】
好ましい態様において、前記板材は、前記第１面の裏に第２面を有し、前記コーティング工程において、前記板材の前記第１面および前記第２面に前記コーティング層が形成され、前記組立工程において、前記第１面を含む複数の面で囲まれた第１セルおよび前記第２面を含む複数の面で囲まれた第２セルを含む複数の前記セルが形成されてもよい。
この製造方法によれば、複数のセルを有するセルアレイにおいて、ガスセル内壁のコーティング層の厚さの均一性を向上させることができる。
【０００９】
別の好ましい態様において、前記複数のセルは、内部にアルカリ金属固体が置かれた第３セルを有し、前記第１セルおよび前記第２セルと前記第３セルとの間の前記板材には貫通孔が設けられており、前記充填工程は、前記第３セル内の前記アルカリ金属固体を気化して前記アルカリ金属ガスを発生させる気化工程と、発生した前記アルカリ金属ガスを前記貫通孔を介して前記第３セルから前記第１セルおよび前記第２セルに拡散させる拡散工程とを含んでもよい。
この製造方法によれば、複数のセルを有するセルアレイにおいて各セルに個別にアルカリ金属ガスを封入する場合と比較して、アルカリ金属ガスの濃度の均一性を向上させることができる。
【００１０】
さらに別の好ましい態様において、前記複数のセルは、第４セルおよび第５セルを有し、前記第１セル、前記第２セル、前記第４セル、および前記第５セルを含むセル群は、平面上に２次元配置され、前記第３セルは、前記平面上に位置してもよい。
この製造方法によれば、第３セルがセル群に対して２次元的に配置されたガスセルを製造することができる。
【００１１】
さらに別の好ましい態様において、前記複数のセルは、第４セルおよび第５セルを有し、前記第１セル、前記第２セル、前記第４セル、および前記第５セルを含むセル群は、平面上に２次元配置され、前記第３セルは、前記セル群に対して前記平面に垂直な方向に積まれていてもよい。
この製造方法によれば、第３セルがセル群に対して立体的に配置されたガスセルを製造することができる。
【００１２】
さらに別の好ましい態様において、前記製造方法は、前記コーティング層が形成された前記板材を複数に切断する切断工程を有し、前記組み立て工程において、前記切断工程により得られた複数の板材が組み立てられてもよい。
この製造方法によれば、コーティング工程で取り扱う板材の数が少なくてすむので、切断後にコーティング工程を行う場合と比較して、板材の取り扱いが簡便になる。
【００１３】
また、本発明は、閉空間を形成する外壁と、前記閉空間を複数のセルに仕切る内壁と、前記内壁に形成され、隣接するセルのうち少なくとも１つのセル同士を結ぶ貫通孔と、前記セル内に封入されたアルカリ金属原子とを有するガスセルを提供する。
このガスセルによれば、複数のセルを有するセルアレイにおいて、ガスセルの特性の均一性を向上させることができる。
【００１４】
さらに、本発明は、閉空間を形成する壁面と、前記閉空間に収容され、アルカリ金属を内包した第１アンプルとを有するガスセルを提供する。
このガスセルの製造方法によれば、作業者の技能によらず、安定的にガスセルを製造することができる。
【００１５】
好ましい態様において、このガスセルは、前記閉空間の壁面に形成されたコーティング層であって、前記アルカリ金属の原子のスピン偏極状態の緩和を抑制するコーティング層を有してもよい。
このガスセルによれば、作業者の技能によらず、安定的に製造することができる。
【００１６】
別の好ましい態様において、前記閉空間は、前記アルカリ金属の原子が充填される第１主室と、前記第１アンプルを収容する収容室と、前記第１主室と前記収容室とを接続する第１孔とを有してもよい。
このガスセルによれば、第１アンプルが収容室に収容される場合でも、作業者の技能によらず、安定的に製造することができる。
【００１７】
さらに別の好ましい態様において、前記第１アンプルは、前記アルカリ金属の原子の移動速度を抑制するためのバッファーガスを内包していてもよい。
このガスセルによれば、第１アンプルにバッファーガスが内包される場合でも、作業者の技能によらず、安定的に製造することができる。
【００１８】
さらに別のこのましい態様において、前記バッファーガスは、希ガスであってもよい。
このガスセルによれば、第１アンプルに希ガスが内包される場合でも、作業者の技能によらず、安定的に製造することができる。
【００１９】
さらに別の好ましい態様において、前記第１アンプルは、前記バッファーガスを前記第１アンプルの外部に拡散させる貫通孔を有していてもよい。
このガスセルによれば、バッファーガスを閉空間に拡散させることができる。
【００２０】
さらに別の好ましい態様において、前記閉空間は、前記アルカリ金属の原子が充填され、前記第１主室と異なる第２主室と、前記第１主室と前記第２主室とを接続する第２孔とを有していてもよい。
このガスセルによれば、複数の主室を有するセルを、作業者の技能によらず、安定的に製造することができる。
【００２１】
さらに別の好ましい態様において、前記第１アンプルは、前記貫通孔を形成するための光を吸収する吸収材を有していてもよい。
このガスセルによれば、第１アンプルに光照射される場合でも、作業者の技能によらず、安定的に製造することができる。
【００２２】
さらに別の好ましい態様において、このガスセルは、前記コーティング層を形成するためのコーティング材を内包した第２アンプルを有していてもよい。
このガスセルによれば、第２アンプルが収容室に収容される場合でも、作業者の技能によらず、安定的に製造することができる。
【００２３】
さらに別の好ましい態様において、前記アルカリ金属は固体または液体であってもよい。
このガスセルによれば、第１アンプルに収容されるアルカリ金属が固体または液体であっても、作業者の技能によらず、安定的に製造することができる。
【００２４】
さらに、本発明は、閉空間を形成する壁面、および前記閉空間に収容され、アルカリ金属を内包した第１アンプルを有するセルにおいて、前記第１アンプルの破壊をする工程と、前記第１アンプルを破壊した後で、前記アルカリ金属を前記閉空間に拡散させる工程とを有するガスセルの製造方法を提供する。
このガスセルの製造方法によれば、作業者の技能によらず、安定的にガスセルを製造することができる。
【００２５】
好ましい態様において、前記第１アンプルの破壊は、前記第１アンプルへの光照射により貫通孔を形成する工程を含んでもよい。
このガスセルの製造方法によれば、光照射を用いて、安定的にガスセルを製造することができる。
【００２６】
別の好ましい態様において、前記光照射は、１マイクロ秒以下のパルス幅で光照射するパルスレーザーを用いて行われてもよい。
このガスセルの製造方法によれば、パルスレーザーを用いて、安定的にガスセルを製造することができる。
【００２７】
さらに別の好ましい態様において、前記第１アンプルの破壊は、前記第１アンプルへの光照射により前記第１アンプルを割断する工程を含んでもよい。
このガスセルの製造方法によれば、光照射を用いた貫通孔形成により破壊する場合と比較して、脱ガスが少なくなる。
【００２８】
さらに別の好ましい態様において、前記光照射は、１ナノ秒以下のパルス幅で光照射するパルスレーザーを用いて行われてもよい。
このガスセルの製造方法によれば、パルスレーザーを用いて、安定的にガスセルを製造することができる。
【００２９】
さらに別の好ましい態様において、このガスセルの製造方法は、前記第１アンプルに応力集中部を形成する工程を有してもよい。
このガスセルの製造方法によれば、応力集中部を設けない場合と比較して、安定的にガスセルを製造することができる。
【００３０】
さらに別の好ましい態様において、前記第１アンプルの破壊は、前記セルに加速度を加える工程を含んでもよい。
このガスセルの製造方法によれば、加速度を力学的に与える工程を用いて、安定的にガスセルを製造することができる。
【００３１】
さらに別の好ましい態様において、前記第１アンプルの破壊は、前記第１アンプルに熱応力を発生させる熱を与える工程を含んでもよい。
このガスセルの製造方法によれば、熱を与える工程を用いて、安定的にガスセルを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】磁気測定装置１の構成を表すブロック図。
【図２】ガスセルアレイ１０の外観図。
【図３】ガスセルアレイ１０のIII−III断面図。
【図４】ガスセルアレイ１０のIV−IV断面図。
【図５】ガスセルアレイ１０の製造工程を示すフローチャート。
【図６】切断された板材を示す図。
【図７】アンプルが収納されたガスセルアレイ１０を示す模式図。
【図８】アルカリ金属ガスが拡散されたガスセルアレイ１０を示す模式図。
【図９】比較例の構成を示す図。
【図１０】変形例１に係るガスセルアレイ１５の外観図。
【図１１】ガスセルアレイ１５のXI−XI断面図。
【図１２】変形例２に係る貫通孔の配置を示す模式図。
【図１３】変形例３に係る貫通孔の配置を示す模式図。
【図１４】変形例８に係るガスセルアレイの製造工程を示すフローチャート。
【図１５】変形例９に係るガスセルアレイの製造工程を示すフローチャート。
【図１６】変形例１０に係るガスセルの製造方法を示すフローチャート。
【図１７】パッケージの断面図。
【図１８】パッケージおよびリッドの断面図。
【図１９】アンプル２００が破壊された後の状態を例示する図。
【図２０】変形例１１に係るガスセルアレイ７０の断面図。
【図２１】変形例１２に係るガスセルの断面図。
【図２２】変形例１３におけるガスセルの断面図。
【図２３】変形例１５に係るガスセルの断面図。
【図２４】変形例１５に係るガスセルの製造方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
１．構成
図１は、一実施形態に係る磁気測定装置１の構成を表すブロック図である。磁気測定装置１は、心臓から発生する磁場（心磁）または脳から発生する磁場（脳磁）等、生体から発生する磁場を、生体の状態の指標として測定する生体状態測定装置である。磁気測定装置１は、ガスセルアレイ１０と、ポンプ光照射ユニット２０と、プローブ光照射ユニット３０と、検出ユニット４０とを有する。ガスセルアレイ１０は、複数のガスセルを有する。ガスセル内には、アルカリ金属ガス（例えば、セシウム（Ｃｓ））が封入されている。ポンプ光照射ユニット２０は、アルカリ金属原子と相互作用するポンプ光（例えば、セシウムのＤ１線に相当する波長８９４ｎｍの光）を出力する。ポンプ光は円偏光成分を有する。ポンプ光が照射されると、アルカリ金属原子の最外殻電子が励起され、スピン偏極が生じる。スピン偏極したアルカリ金属原子は、被測定物が生じる磁場Ｂによって歳差運動をする。一つのアルカリ金属原子のスピン偏極は、時間の経過とともに緩和するが、ポンプ光がＣＷ（Continuous Wave）光であるので、スピン偏極の形成と緩和は、同時平行的
かつ連続的に繰り返される。その結果、原子の集団全体としてみれば、定常的なスピン偏極が形成される。
【００３４】
プローブ光照射ユニット３０は、直線偏光成分を有するプローブ光を出力する。ガスセルの透過前後において、プローブ光の偏光面は、ファラデー効果により回転する。偏光面の回転角は、磁場Ｂの関数である。検出ユニット４０は、プローブ光の回転角を検出する。検出ユニット４０は、入射した光の光量に応じた信号を出力する光検出器と、信号を処理するプロセッサーと、データを記憶するメモリーとを有する。プロセッサーは、光検出器から出力された信号を用いて磁場Ｂの大きさを算出する。プロセッサーは、算出した結果を示すデータをメモリーに書き込む。こうして、ユーザーは、被測定物から発生する磁場Ｂの情報を得ることができる。
【００３５】
図２は、ガスセルアレイ１０の外観図である。この例で、ガスセルアレイ１０は、ｘｙ平面上に２次元配置された複数（２×２個）のガスセルを有する。ガスセルは、内部にアルカリ金属ガスが封入されたセル（箱）である。ガスセルは、石英ガラスまたはホウケイ酸ガラス等、光透過性を有する材料を用いて形成される。また、ガスセルアレイ１０は、ｘｙ平面上において２×２個のガスセルを囲むように設けられたダミーセルを有する。中央の２×２個のガスセルは磁場の測定に寄与するセルであるが、ダミーセルは磁場の測定に寄与しないセルである。
【００３６】
図３は、ガスセルアレイ１０のIII−III断面図である。この断面は、ｘｚ平面に平行である。この断面には、ガスセル１１０と、ガスセル１２０と、ダミーセル１３０とが示されている。ガスセル１１０とダミーセル１３０との間には、貫通孔１１１が設けられている。ガスセル１２０とダミーセル１３０との間には、貫通孔１２１が設けられている。
【００３７】
図４は、ガスセルアレイ１０のIV−IV断面図である。この断面は、ｘｙ平面に平行である。この断面には、ガスセル１１０と、ガスセル１２０と、ガスセル１４０と、ガスセル１５０と、ダミーセル１３０とが示されている。ガスセル１４０とダミーセル１３０との間には、貫通孔１４１が設けられている。ガスセル１５０とダミーセル１３０との間には、貫通孔１５１が設けられている。貫通孔１１１、貫通孔１２１、貫通孔１４１、および貫通孔１５１の機能については後述する。
【００３８】
２．製造方法
図５は、ガスセルアレイ１０の製造工程を示すフローチャートである。ステップＳ１００（コーティング工程）において、ガスセルを形成するための板材にコーティング層が形成される。コーティング層には、例えばパラフィンが用いられる。コーティング層は、ドライプロセスまたはウェットプロセスにより塗布される。コーティング層は、板材の表裏両面に塗布される。
ステップＳ１１０（切断工程）において、コーティング層が形成された板材が切断される。
【００３９】
図６は、切断された板材を示す図である。板材１１および板材１２は、ガスセルアレイ１０の上面および下面を形成する部材である。ここで、「上」とは図１のｚ軸正方向をいい、「下」とはｚ軸負方向をいう。板材２１、板材２２、板材２３、および板材２４は、ガスセルアレイ１０の外部側面を形成する部材である。「外部側面」とはｘｙ平面に垂直であり、外部に露出している面をいう。板材３１、板材３２、板材３３、板材３４、板材３５、板材４１、および板材４２は、ガスセルを形成する部材である。板材３４および板材３５には、貫通孔（貫通孔１１１、貫通孔１２１、貫通孔１４１、および貫通孔１５１）となる溝（凹部）が設けられている。この例では、板材３１、板材３２、および板材３３がｘｚ平面に平行な壁面を形成する。板材３１、板材３２、および板材３３は、ｙ軸座標が大きくなる向きにこの順番で配置される。板材３４、板材３５、板材４１、および板材４２はｙｚ平面に平行な壁面を形成する。
【００４０】
再び図５を参照する。ステップＳ１２０（組立工程）において、切断された板材が組み立てられる。この時点では、次にアンプルを収納するため、少なくとも１面が開放された状態まで組み立てられる。例えば、ガスセルアレイ１０の上面を形成する板材１１以外のすべての部材が組み立てられる。組み立てにおいては、板材同士が、例えば、溶着、または接着材による接着により接合される。
ステップＳ１３０（アンプル収納工程）において、ガスセルアレイ１０内のダミーセル１３０にアンプルが収納される。アンプルは、開放されている面から収納される。
【００４１】
図７は、アンプルが収納されたガスセルアレイ１０を示す模式図である。図７は、図４と同様の断面を示している。アンプル２００の内部にはアルカリ金属固体３００が封入されている。
【００４２】
再び図５を参照する。ステップＳ１４０（封止工程）において、ガスセルアレイ１０は封止される。この例で、ガスセル内には、アルカリ金属ガスに加え、希ガス等の不活性ガス（バッファーガス）が封入される。したがって、ガスセルアレイ１０の封止は、不活性ガス雰囲気の中で行われる。具体的には、不活性ガス雰囲気の中で、開放されている面の部材（例えば上面を構成する板材１１）が接合される。
【００４３】
ステップＳ１５０（アンプル破壊工程）において、アンプル２００が破壊される。具体的には、アンプル２００に焦点を合わせたレーザー光がアンプル２００に照射され、アンプルに穴が開けられる。
ステップＳ１６０（気化工程）において、アンプル２００内のアルカリ金属固体が気化される。具体的には、ガスセルアレイ１０を加熱することによりアルカリ金属固体を加熱し、気化させる。
ステップＳ１７０（拡散工程）において、アルカリ金属ガスが拡散される。具体的には、ある温度（室温より高い温度が望ましい）で一定時間保持することにより、アルカリ金属ガスが拡散される。
【００４４】
図８は、アルカリ金属ガスが拡散されたガスセルアレイ１０を示す模式図である。図８は、図４と同様の断面を示している。図８において、白丸はアルカリ金属ガスの原子を模式的に示している。拡散工程において、アルカリ金属ガスは、ダミーセル１３０から、貫通孔１１１、貫通孔１２１、貫通孔１４１、および貫通孔１５１を介して、ガスセル１１０、ガスセル１２０、ガスセル１４０、およびガスセル１５０に拡散される。拡散工程の時間を十分にとれば、すべてのガスセルに対してほぼ均一にアルカリ金属ガスが拡散する。
【００４５】
以上、まとめると、ガスセルアレイ１０の製造工程は、板材の面にコーティング層を形成するコーティング工程（ステップＳ１００）と、コーティング層が形成された板材を複数に切断する切断工程（ステップＳ１１０）と、コーティング層が形成された複数の板材を、コーティング層が形成された面で囲まれたセルを形成するように組み立てる組立工程（ステップＳ１２０）と、形成されたセル内にアルカリ金属ガスを充填する充填工程とを有する。板材は、第１面と、第１面の裏に第２面を有する。コーティング工程において、板材の第１面および第２面にコーティング層が形成される。組立工程において、第１面を含む複数の面で囲まれた第１セル（ガスセル１１０）および第２面を含む複数の面で囲まれた第２セル（ガスセル１２０）を含む複数のセルが形成される。ガスセルアレイ１０は、内部にアルカリ金属固体が置かれた第３セル（ダミーセル１３０）を有する。第１セルおよび第２セルと第３セルとの間の板材には貫通孔が設けられている。充填工程は、アンプル破壊工程（ステップＳ１５０）と、気化工程（ステップＳ１６０）と、拡散工程（ステップＳ１７０）とを含む。アルカリ金属固体は、アンプルに封入された状態で第３セル内に置かれる。破壊工程は、拡散工程の前にアンプルを破壊する工程である。気化工程は、第３セル内のアルカリ金属固体を気化してアルカリ金属ガスを発生させる工程である。拡散工程は、発生したアルカリ金属ガスを貫通孔を介して第３セルから第１セルおよび第２セルに拡散させる工程である。
【００４６】
また、ガスセルアレイ１０は、閉空間を形成する外壁と、閉空間を複数のセルに仕切る内壁と、内壁に形成され、隣接するセルのうち少なくとも１つのセル同士を結ぶ貫通孔と、セル内に封入されたアルカリ金属ガスとを有する。なお、ここでいう「セル」は完全な閉空間ではなく、貫通孔により他のセルと結ばれた空間であってもよい。
【００４７】
図９は、比較例の構成を示す図である。図９は、組み立て工程の後でコーティング工程を行った例を示している。この場合、セルのコーナー部分または面と面との境界部分など、特定の場所にコーティング層が厚く形成されてしまうことがある。このように、コーティング層の厚さが不均一であると、ガスセル内部で運動しているアルカリ金属原子が壁面に衝突した際、衝突後の原子の動きが部分的に他と変わってしまうことがある。これは、測定誤差を生じる原因となる場合がある。
【００４８】
これに対し本実施形態によれば、組立工程の前にコーティング層が形成されるので、組立工程の後にコーティング層が形成される場合と比較するとより均一なコーティング層が形成される。すなわち、本実施形態によれば、組立工程の後にコーティング層が形成される場合と比較すると、ガスセル間の特性の均一性が向上する（バラツキが抑制される）。
【００４９】
３．他の実施形態
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。
【００５０】
３−１．変形例１
図１０は、変形例１に係るガスセルアレイ１５の外観図である。ガスセルアレイの形状は、実施形態で説明したものに限定されない。ガスセルアレイ１５は、ダミーセル１３０に代わりダミーセル１６０を有している。ダミーセル１６０は、ガスセル群との位置関係が、ガスセルアレイ１０のダミーセル１３０とは異なっている。なお、ダミーセルとは、磁場の測定に寄与しないセルであって、アンプルを収納するためのセルをいう。ガスセルアレイ１０は、ガスセル１１０（第１セルの一例）、ガスセル１２０（第２セルの一例）、ガスセル１４０（第４セルの一例）、ガスセル１５０（第５セルの一例）、およびダミーセル１３０（第３セルの一例）を有している。ガスセル１１０、ガスセル１２０、ガスセル１４０、およびガスセル１５０を含むセル群は、ｘｙ平面上に２次元配置（マトリクス状に配置）される。このセル群に対して、ダミーセル１３０は、セル群と同じｘｙ平面上に位置する。これに対して、ガスセルアレイ１５において、ダミーセル１６０（第３セルの別の例）は、セル群の上（ｚ軸正方向、すなわち、セル群が属する平面に垂直な方向）に積まれている。ガスセルアレイ１５によれば、ガスセルアレイ１０と比較して、ｘｙ平面上のサイズを小さくすることができる。また、ｘｙ平面に平行な成分を有する光を入射させた場合、ダミーセルを通過させないぶん、光のｘｙ平面に平行な成分の減衰量が、ガスセルアレイ１０と比較して少なくなる。
【００５１】
図１１は、ガスセルアレイ１５のXI−XI断面図である。この例で、ガスセル１１０およびガスセル１２０は、ダミーセル１６０と接続された貫通孔１１２および貫通孔１２２を有する。この断面図には示されていないが、ガスセル１４０およびガスセル１５０も、ダミーセル１６０と接続された貫通孔を有する。
【００５２】
３−２．変形例２
図１２は、変形例２に係る貫通孔の配置を示す模式図である。図１２は、図４と同様の断面を示している。実施形態では、２行２列に配置されたガスセルをガスセルアレイ１０が有する例を説明したが、ガスセルの数はこれに限定されない。図１２は、３行３列に配置されたガスセルを有するガスセルアレイを示している。ガスセルアレイ１０のように、ガスセル群と同じ面においてガスセル群の周辺にダミーセルを配置する構成において、ガスセルの数が３行３列以上になると、ダミーセルと隣接しないガスセルが存在する。図１２の例では、３行３列のガスセルのうち中央のガスセルは、ダミーセルと隣接しない。この場合、中央のガスセルは、隣接する別のガスセルと結ぶ貫通孔を有している。拡散工程においては、この貫通孔および隣接する別のガスセルを介してアルカリ金属ガスが拡散する。
【００５３】
３−３．変形例３
図１３は、変形例３に係る貫通孔の配置を示す模式図である。図１３は、３行３列のガスセルを有するガスセルアレイにおいて、変形例１と同様に、ダミーセルがｚ方向に積層された例を示している。図１３は、図１０と同様の断面を示している。この例では、３行３列のガスセルのうち中央のガスセル以外のガスセルは、ダミーセルと隣接しない。この場合、中央のガスセル以外のガスセルは、中央のガスセルと結ぶ貫通孔を有している。拡散工程においては、この貫通孔および中央のガスセルを介してアルカリ金属ガスが拡散する。
【００５４】
３−４．変形例４
アンプル破壊工程の具体的内容は、実施形態で説明したものに限定されない。アンプル２００は、熱膨張係数が異なる２つの材料が張り合わされた部分を有してもよい。この場合、アンプル破壊工程においては、レーザー光照射に代わり、アンプル２００（が収納されたガスセルアレイ全体）が加熱される。加熱の際は、熱膨張係数の違いによりアンプル２００が破壊する程度の熱が加えられる。
【００５５】
３−５．変形例５
ガスセルアレイの製造方法は、図５で例示したものに限定されない。図５に示した工程に別の工程が加えられてもよい。または、工程の順番が入れ替えられてもよいし、工程のうち一部が省略されてもよい。例えば、コーティング工程と切断工程の順番が入れ替えられてもよい。この場合、板材はまず切断され、切断後に、コーティング層が形成される。別の例で、コーティング層の形成後に、その一部を剥離する工程が導入されてもよい。この場合、板材のうち、他の板材との接合部分のコーティング層が剥離される。または、板材のうち外部に露出している面のコーティング層が剥離されてもよい。
【００５６】
別の例で、封止工程は、真空下で行われてもよい。この場合、ガスセルは内部に不活性ガスを有さず、アルカリ金属ガスだけを有する。
【００５７】
３−６．変形例６
ダミーセルの形状は実施形態で説明したものに限定されない。ダミーセルは、アンプルの破片を保持するための凹部を有してもよい。凹部は、磁場の測定への影響を最小化するため、例えばコーナー部分に設けられる。凹部は、組立前に板材に形成されていてもよいし、穴の開いた板材に凹部となる部分を接合することにより形成されてもよい。また、移動（持ち運び）の際にアンプルの破片が動かないように、粘着性の物質が凹部に溜められていてもよい。
【００５８】
３−７．変形例７
ガスセルの形状は実施形態で説明したものに限定されない。実施形態では、ガスセルの形状が立方体である例を説明したが、ガスセルの形状は、立方体以外の多面体、または、円柱等、一部に曲面を有するものであってもよい。例えば、ガスセルは、アルカリ金属原子が凝固する温度以下に温度が低下したときにアルカリ金属固体を溜めるためのリザーバー（金属溜まり）を有していてもよい。なお、アルカリ金属は、少なくとも測定時にガス化していればよく、常にガス状態である必要はない。
【００５９】
３−８．変形例８
図１４は、変形例８に係るガスセルアレイの製造工程を示すフローチャートである。この例で、ガスセルの内壁はコーティング層を有していない。したがって、図１４のフローは、図５のフローからコーティング工程を省略したものになっている。この場合でも、１つずつ閉じたセル（他のセルと連結されてないセル）にアルカリ金属固体を収納する例と比較して、セル内のアルカリ金属ガスの濃度をより均一にすることができる。すなわち、複数のガスセルの特性の均一性をより向上させることができる。また、ガスセルアレイは、２枚の平板（上面と下面）で複数の隔壁を挟んだ構造を有している。２枚の平板を用いることで、個別の板材を用いてアレイ状ではない単体のガスセルを製造するよりも、形状の均一性を向上させることができる。
【００６０】
３−９．変形例９
図１５は、変形例９に係るガスセルアレイの製造工程を示すフローチャートである。この例で、ガスセルアレイは、ダミーセルを有さない。ガスセルアレイの一部は、ガラス管を通じてリザーバーに接続される。リザーバーには、アルカリ金属化合物の固体が入れられる。ステップＳ２１０（気化工程）において、リザーバーは加熱される。リザーバーの加熱によってアルカリ金属化合物が分解され、アルカリ金属ガスが発生する。ステップＳ２２０（拡散工程）において、アルカリ金属ガスは、ガラス管を介してガスセルに拡散する。ガスセルに達したアルカリ金属ガスは、貫通孔を介して各セルに拡散する。十分な時間が経過した後、ガラス管を加熱して切断し、ガスセルを封止する。この場合でも、１つずつ閉じたセル（他のセルと連結されてないセル）にアルカリ金属ガスを封入する例と比較して、セル内のアルカリ金属ガスの濃度をより均一にすることができる。すなわち、複数のガスセルの特性の均一性をより向上させることができる。また、ガスセルアレイは、２枚の平板（上面と下面）で複数の隔壁を挟んだ構造を有している。２枚の平板を用いることで、個別の板材を用いてアレイ状ではない単体のガスセルを製造するよりも、形状の均一性を向上させることができる。なお、図１５のフローにおいて、コーティング工程が省略されてもよい。また、このガスセルアレイは、ダミーセルを有していてもよい。
【００６１】
さらに別の例で、本の製造方法は、ガスセルアレイではなく単体のガスセルの製造に用いられてもよい。この場合、ダミーセルは形成されず、ガスセル内にアルカリ金属固体が直接（アンプルを用いずに）収納されてもよい。
【００６２】
３−１０．変形例１０
図１６は、変形例１０に係るガスセルの製造方法を示すフローチャートである。ステップＳ３００（接合工程）において、パッケージとリッドが接合される。パッケージおよびリッドは、ホウケイ酸ガラスや石英ガラスなど、アルカリ金属に耐性を有する材料で形成される。
【００６３】
図１７は、パッケージの断面図である。図１７は、ｘｙ平面における断面を示している。パッケージ５０は、主室５１と、狭窄孔５２と、アンプル収容室５３とを有する。主室５１は、ガスが充填される空間である。アンプル収容室５３は、アンプル２００を収容する空間である。狭窄孔５２は、主室５１とアンプル収容室５３とを接続する（連通させる）穴である。実施形態で説明したコーティング層は、スピン偏極状態の緩和を抑制する効果があるが、狭窄孔５２の径が大きくなると、コーティング層による非緩和の効果が損なわれる。逆に、狭窄孔５２の径が小さくなると後述するコーティング剤の流入に時間がかかる。したがって、狭窄孔５２の径は、両者のバランスを考慮して設計される。すなわち、このセルは、内部に閉空間を形成する壁面を有する。なお、ここではアンプル中のアルカリ金属固体は図示を省略している。
【００６４】
図１８は、パッケージおよびリッドの断面図である。図１８は、ｘｚ平面における断面を示している（図１７は、図１８のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ断面を示している）。リッド６０は、パッケージ５０の主室５１、狭窄孔５２、およびアンプル収容室５３を封止する蓋である。アンプル収容室５３は、アンプル２００を収容できる程度の大きさおよび形状を有していればよい。この例では、アンプル収容室５３は、断面がＶ字形状（くさび形）を有している。パッケージ５０とリッド６０とは、低融点ガラスを用いた接合、または、光学接着により接合される。パッケージ５０とリッド６０との接合は、真空ポンプ等を用いて系全体を真空（減圧雰囲気）にした状態で行われる。
【００６５】
再び図１６を参照する。ステップＳ３１０（コーティング工程）において、コーティングが行われる。すなわち、主室５１の内壁にコーティング層が形成される。コーティング層は、パラフィンなどの炭化水素またはＯＴＳ（オクタデシルトリクロロシラン）などの有機ケイ素化合物により形成される。これらのコーティング材は、液体または気体の状態で、図示しない流路を介して主室５１に流し込まれる。流路は、製造装置の構成などに応じて複数設けられてもよい。
【００６６】
ステップＳ３２０（アンプル破壊工程）において、アンプル２００が破壊される。アンプル２００の破壊は、真空環境下で行われる。アンプルの破壊は、例えば、レーザー光を用いて行われる。この場合、レーザー光は、リッド越しに、アンプル２００に焦点を結ばせるように照射される。アンプル２００において、レーザー光が照射された位置には孔が開く。レーザー光の吸収率を向上させるため、アンプル２００に、光吸収材の膜が形成されてもよい。別の例で、超短パルスレーザー（１ナノ秒以下のパルス幅を有する光を照射するレーザー、例えばピコ秒レーザーまたはフェムト秒レーザー等）が用いられてもよい。なお、アンプル２００は、アルカリ金属に加え、アルカリ金属の原子の移動速度を抑制するためのバッファーガス（例えば希ガス）を内包していてもよい。
【００６７】
図１９は、アンプル２００が破壊された後の状態を例示する図である。レーザー光の照射により、アンプル２００には貫通孔２０１が開けられている。アンプル２００がバッファーガスを内包している場合、バッファーガスは貫通孔２０１を介してアンプル２００の外部に拡散する。
【００６８】
再び図１６を参照する。ステップＳ３３０（拡散工程）において、アルカリ金属が拡散される。セルがある温度（室温より高い温度が望ましい）で一定時間保持されることにより、アルカリ金属ガスが拡散される。
【００６９】
ステップＳ３４０（気密封止工程）において、セルは気密封止される。気密封止は、真空環境下で行われる。気密封止は、コーティング材の流路の封止をいう。気密封止は、半田や低融点ガラス等の封止材を用いて行われる。あるいは、セル（パッケージ５０およびリッド６０）を構成するガラス自体を溶融して気密封止が行われてもよい。封止材の加熱またはセルの加熱には、レーザーが用いられてもよい。
【００７０】
ステップＳ３５０（飽和工程）において、飽和状態になるまで、コーティング層にアルカリ金属ガスを吸収させる。セル内のアルカリ金属原子の数が減少すると（すなわちセル内のアルカリ金属原子密度が低下すると）、測定結果に影響を与える場合があるためである。このとき、セルを加熱してもよい。例えば、セルを８５℃に加熱した状態で１０時間保管する。
【００７１】
例えば非特許文献１の技術においては、作業者が熟練したガラス細工の技術を有することを必要とし、工業的な安定製造に適さないという問題があった。しかし、変形例１０の製造方法によれば、作業者の技能によらず、安定的にガスセルを製造することができる。さらに、非特許文献１の技術においては、アルカリ金属をセルに導入するための配管をセルに接合する必要があり、配管の大きさとの兼ね合いで、小型のセルの製造が難しい場合があったが、変形例１０の製造方法によれば、小型のセルも製造することができる。
【００７２】
３−１１．変形例１１
図２０は、変形例１１に係るガスセルアレイ７０の断面図である。図２０は、ｘｚ平面における断面を示している。変形例１０では単一のセルが製造される例を説明したが、変形例１０の方法で、複数のセルを有するセルアレイが形成されてもよい。ガスセルアレイ７０は、パッケージ７１と、リッド７２とを有する。パッケージ７１は、複数の主室７１１と、狭窄孔７１２と、アンプル収容室７１３とを有する。隣り合う２つの主室７１１は、狭窄孔７１２により接続されている。アンプル収容室７１３とその隣の主室７１１とは、狭窄孔７１２により接続されている。なお、図２０では１つのアンプル収容室７１３のみが設けられる例を示したが、アンプル収容室７１３は複数設けられてもよい。パッケージおよびリッドの形状が異なる以外は、製造方法は変形例１０と共通である。
【００７３】
３−１２．変形例１２
図２１は、変形例１２に係るガスセルの断面図である。図２１は、ｘｙ平面における断面を示している。変形例１２のガスセルは、変形例１０のガスセルと異なり、アンプル収納室を有していない。このガスセルは、主室５１を有する。アンプル２００は、主室５１に収容されている。パッケージおよびリッドの形状が異なる以外は、製造方法は変形例１０と共通である。
【００７４】
３−１３．変形例１３
図２２は、変形例１３におけるガスセルの断面図である。このガスセルは、主室５１、狭窄孔５２、およびアンプル収容室５３を有する。アンプル収容室５３には、アンプル２００およびアンプル２５０が収容されている。アンプル２５０は、コーティング材が封入されたアンプルである。この例では、コーティング工程において、アンプル２５０が破壊される。アンプル２５０の破壊は、アンプル２００の場合と同様に行われる。これ以外の点は、変形例１０と同様である。
【００７５】
３−１４．変形例１４
アンプルの破壊はレーザー光の照射によるものに限定されない。力学的な衝撃や振動を与えることにより、アンプル２００をアンプル収容室５３の内壁に衝突させ、アンプルを破壊してもよい。別の例で、アンプル２００に熱応力を発生させる熱を与え、この熱応力によりアンプル２００を破壊してもよい。
【００７６】
３−１５．変形例１５
図２３は、変形例１５に係るガスセルの断面図である。図２３は、ｘｚ平面における断面を示している。このガスセルは、主室５１およびアルカリ金属収容室５４を有する。変形例１５では、アンプル２００は用いられない。アルカリ金属収容室５４は、パッケージ５０に設けられた空間（室）である。この空間は、ガスセルの製造時点においては閉じられている。アルカリ金属収容室５４には、アルカリ金属固体が置かれている。
【００７７】
図２４は、変形例１５に係るガスセルの製造方法を示すフローチャートである。ステップＳ３００（接合工程）において、パッケージとリッドが接合される。ステップＳ３１０（コーティング工程）において、コーティングが行われる。ステップＳ４２０（収容室破壊工程）において、アルカリ金属収容室５４、より具体的には、主室５１とアルカリ金属収容室５４との間の壁面が破壊される。アルカリ金属収容室５４の破壊は、アンプル２００の破壊と同様に、例えばレーザー光の照射により行われる。ステップＳ３３０（拡散工程）において、アルカリ金属が拡散される。ステップＳ３４０（気密封止工程）において、セルは気密封止される。ステップＳ３５０（飽和工程）において、飽和状態になるまで、コーティング層にアルカリ金属ガスを吸収させる。なお、この例で、パッケージにコーティング材を収容するためのコーティング材収容室を設けてもよい。この場合、コーティング工程において、コーティング材収容室が破壊される。
【００７８】
３−１６．変形例１６  レーザー光の照射による貫通孔形成の代わりに、光照射により熱応力を発生させ、この熱応力でアンプル２００を割断する工程が用いられてもよい。この方法によれば、光照射により貫通孔を形成する場合と比較して、脱ガス（工程中にガラス等から放出されるガス）が減少し、センサーの特性が向上する場合がある。この場合において、ナノ秒以下のパルス幅を有するレーザーが用いられてもよい。さらに、アンプル２００の割断を容易にするため、アンプル２００に応力集中部（例えば、傷）を形成してもよい。
【００７９】
上述の実施形態および変形例において、ガスセルにアルカリ金属原子を導入する際に主としてガス（気体）状態で導入する例を説明した。しかし、ガスセルにアルカリ金属原子を導入するときの状態は、気体に限定されない。アルカリ金属原子は、固体、液体、または気体のうち、どの状態でガスセルに導入されてもよい。また、アンプルの変わりにカプセルが用いられてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１０…ガスセルアレイ、１１…板材、１２…板材、１５…ガスセルアレイ、２０…ポンプ光照射ユニット、２１…板材、２２…板材、２３…板材、２４…板材、３０…プローブ光照射ユニット、３１…板材、３２…板材、３３…板材、３４…板材、３５…板材、４０…検出ユニット、４１…板材、４２…板材、５０…パッケージ、５１…主室、５２…狭窄孔、５３…アンプル収容室、５４…アルカリ金属収容室、６０…リッド、７０…ガスセルアレイ、７１…パッケージ、７２…リッド、１１０…ガスセル、１１１…貫通孔、１１２…貫通孔、１２０…ガスセル、１２１…貫通孔、１２２…貫通孔、１３０…ダミーセル、１４０…ガスセル、１４１…貫通孔、１５０…ガスセル、１５１…貫通孔、１６０…ダミーセル、２００…アンプル、２５０…アンプル、３００…アルカリ金属固体、７１１…主室、７１２…狭窄孔、７１３…アンプル収容室
【図１】
2018028550.tif 000003
【図２】
2018028550.tif 000004
【図３】
2018028550.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018028550.tif 000009
【図８】
2018028550.tif 000010
【図９】
2018028550.tif 000011
【図１０】
2018028550.tif 000012
【図１１】
2018028550.tif 000013
【図１２】
2018028550.tif 000014
【図１３】
2018028550.tif 000015
【図１４】
2018028550.tif 000016
【図１５】
2018028550.tif 000017
【図１６】
2018028550.tif 000018
【図１７】
2018028550.tif 000019
【図１８】
2018028550.tif 000020
【図１９】
2018028550.tif 000021
【図２０】
2018028550.tif 000022
【図２１】
2018028550.tif 000023
【図２２】
2018028550.tif 000024
【図２３】
2018028550.tif 000025
【図２４】
2018028550.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月15日(2017.11.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属ガスが充填された主室と、
前記主室と接続されたアンプル収容室と、を含み、
前記アンプル収容室の断面がテーパ形状である
ガスセル。
【請求項２】
前記主室と前記アンプル収容室とは、狭窄孔によって接続されており、
前記アンプル収容室の前記断面は、狭窄孔に近い側が広く、狭窄孔から遠い側が狭いテーパ形状である
請求項１に記載のガスセル。
【請求項３】
前記アンプル収容室の、テーパ形状を構成する面によって支持されたアンプルを含む
請求項２に記載のガスセル。
【請求項４】
前記狭窄孔は、前記アンプルよりも高い位置に存在する
請求項３に記載のガスセル。