(57)【要約】【課題】レーザー光を照射する際にアンプルを安定した状態で保持でき、かつ、アンプルからセルに伝達される熱の量を小さくできるガスセルの製造方法、ガスセル、ガスセルを備えた磁気計測装置および原子発振器を提供する。【解決手段】ガスセル１０の製造方法は、主室１４とリザーバー１６と連通孔１５と開口部１８とを有するセル１２の開口部１８から長手方向を有しアルカリ金属を含むアンプル２０をリザーバー１６に配置する配置工程と、開口部１８を封止してセル１２を密封する封止工程と、アンプル２０にパルスレーザー光４０を照射してリザーバー１６でアルカリ金属ガス１３を発生させ主室１４に充満させるレーザー光照射工程とを含み、リザーバー１６にはアンプル２０の一部分を支持する支持部２５，２６が設けられ、レーザー光照射工程ではアンプル２０における支持部２５，２６で支持されていない部位にパルスレーザー光４０を照射する。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１室と、第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通する連通孔と、前記第２室に設けられた開口部と、を有するセルの前記開口部から、長手方向を有しアルカリ金属を含むアンプルを前記第２室に配置する配置工程と、
前記開口部を封止して前記セルを密封する封止工程と、
前記アンプルにレーザー光を照射して前記第２室内で前記アルカリ金属のガスを発生させ、前記ガスを前記連通孔を介して前記第１室に充満させるレーザー光照射工程と、を含み、
前記第２室には、前記アンプルの長手方向における一部分を支持する支持部が設けられ、
前記レーザー光照射工程では、前記アンプルにおける前記支持部で支持されていない部位に前記レーザー光を照射することを特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセルの製造方法であって、
前記配置工程では、前記アンプルの長手方向が第１方向に沿うように前記第２室に配置し、
前記第１方向における前記支持部の断面形状は凸形状であり、前記第１方向と交差する第２方向における前記支持部の断面形状は凹形状であることを特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載のガスセルの製造方法であって、
前記第２方向における前記アンプルの断面は曲面を有し、前記曲面の曲率半径は前記支持部の凹形状の曲率半径よりも大きいことを特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載のガスセルの製造方法であって、
前記第２方向における前記アンプルの断面は曲面を有し、前記曲面の曲率半径は前記支持部の凹形状の曲率半径よりも小さいことを特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか一項に記載のガスセルの製造方法であって、
前記支持部は、前記第１方向における２箇所に設けられていることを特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載のガスセルの製造方法であって、
前記レーザー光照射工程では、前記アンプルにおける前記２箇所の前記支持部の間に位置する部位に前記レーザー光を照射することを特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載のガスセルの製造方法であって、
前記第２室には、前記２箇所の前記支持部の間に、前記凸形状が突出する側とは反対側に窪む凹部がさらに設けられていることを特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載のガスセルの製造方法であって、
前記配置工程では、前記第２室の前記凹部にコーティング材を含む保持部材をさらに配置し、
前記保持部材を加熱して前記第２室内で前記コーティング材の蒸気を発生させ、前記蒸気を前記第１室に充満させる加熱工程と、
前記セルを冷却して、前記第１室の内壁に前記コーティング材を成膜する成膜工程と、を前記レーザー光照射工程の前に含むことを特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項９】
請求項５から８のいずれか一項に記載のガスセルの製造方法であって、
前記第１方向における前記２箇所の前記支持部の間の距離は、前記アンプルの長手方向の長さの１／２よりも小さいことを特徴とするガスセルの製造方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載のガスセルの製造方法で製造されたことを特徴とするガスセル。
【請求項１１】
請求項１０に記載のガスセルを備えたことを特徴とする磁気計測装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載のガスセルを備えたことを特徴とする原子発振器。
【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、ガスセル、磁気計測装置、および原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、偏光面の回転角に応じて磁場を測定する光ポンピング式の磁気計測装置が知られている。特許文献１には、リザーバーにアルカリ金属が封入されたアンプルを収容し、そのアンプルにレーザー光を照射して加熱することによりアンプルのガラス管に貫通孔を形成し、アンプル内のアルカリ金属を蒸発させて、その蒸気（ガス）をリザーバーから連通孔を介して主室内に充満させたガスセルが開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載のガスセルでは、リザーバー（第２室）の底部に、所定の方向に沿って山状の凸条部、または谷状の凹状部が設けられている。アンプルは、その長手方向のほぼ全長に亘って、凸条部の傾斜面と側壁とに接するか、凹状部の２つの傾斜面に接するように配置される。そのため、アンプルがリザーバー内の所定の位置に安定した状態で保持されるので、アンプルにレーザー光を照射する際に、アンプルに対するレーザー光の照射位置がずれてしまうことや、レーザー光照射による衝撃でアンプルが動いてしまうことが抑えられる。これにより、アンプルに確実に貫通孔を形成できるので、ガスセルの生産性を向上できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−９５２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、アンプルにレーザー光を照射して加熱する際に、アンプルの熱はリザーバー内のアンプルと接する部分（例えば、凸条部の傾斜面および側壁、または凹状部の２つの傾斜面）からセルに伝達される。特許文献１に記載のガスセルでは、アンプルの幅方向における２箇所について、レーザー光を照射して加熱される部位を含むアンプルの長手方向におけるほぼ全長に亘ってアンプルがリザーバーと接触するため、アンプルからセルに伝達される熱の量が大きくなるおそれがある。
【０００６】
アンプルからセルに伝達される（逃げる）熱の量が大きいと、アンプルに貫通孔を形成する加工時間が長くなるため、ガスセルの生産性の低下を招くこととなる。また、アンプルから伝達される熱でセルが加熱されると、セルを構成するガラスなどの部材から不要なガスが発生してアルカリ金属のガスと反応してしまうことで、ガスセルの性能（感度、計測精度等）の低下を招くこととなる。そのため、アンプルにレーザー光を照射する際に、アンプルを安定した状態で保持でき、かつ、アンプルからセルに伝達される熱の量を小さくできるガスセルの製造方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］本適用例に係るガスセルの製造方法は、第１室と、第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通する連通孔と、前記第２室に設けられた開口部と、を有するセルの前記開口部から、長手方向を有しアルカリ金属を含むアンプルを前記第２室に配置する配置工程と、前記開口部を封止して前記セルを密封する封止工程と、前記アンプルにレーザー光を照射して前記第２室内で前記アルカリ金属のガスを発生させ、前記ガスを前記連通孔を介して前記第１室に充満させるレーザー光照射工程と、を含み、前記第２室には、前記アンプルの長手方向における一部分を支持する支持部が設けられ、前記レーザー光照射工程では、前記アンプルにおける前記支持部で支持されていない部位に前記レーザー光を照射することを特徴とする。
【０００９】
本適用例の製造方法によれば、第２室にアンプルを支持する支持部が設けられているので、レーザー光照射工程において、アンプルを第２室内の所定の位置に安定した状態で保持できる。ここで、支持部により、アンプルの長手方向における一部分を支持するので、アンプルの長手方向におけるほぼ全長に亘って支持する場合と比べて、アンプルが支持部と接触する範囲は小さくなる。そして、アンプルにおける支持部で支持されていない部位にレーザー光を照射するため、アンプルにおける加熱される部位は支持部と接触しないので、アンプルからセルに伝達される（逃げる）熱の量を小さくできる。これにより、アンプルに貫通孔を形成する加工時間を短くでき、かつ、セルを構成する部材から不要なガスが発生することが抑えられるので、ガスセルの生産性の向上と、ガスセルの性能（感度、計測精度等）の向上とを図ることができる。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に係るガスセルの製造方法であって、前記配置工程では、前記アンプルの長手方向が第１方向に沿うように前記第２室に配置し、前記第１方向における前記支持部の断面形状は凸形状であり、前記第１方向と交差する第２方向における前記支持部の断面形状は凹形状であることが好ましい。
【００１１】
本適用例の製造方法によれば、アンプルが第２室に配置された状態において、アンプルの長手方向（第１方向）に沿った支持部の断面形状が凸形状であるので、長手方向においてアンプルが支持部と接触する範囲を小さくできる。また、アンプルの長手方向と交差する方向（第２方向）、すなわちアンプルの幅方向における支持部の断面形状が凹形状であるので、支持部によりアンプルを安定した状態で保持できる。
【００１２】
［適用例３］上記適用例に係るガスセルの製造方法であって、前記第２方向における前記アンプルの断面は曲面を有し、前記曲面の曲率半径は前記支持部の凹形状の曲率半径よりも大きいことが好ましい。
【００１３】
本適用例の製造方法によれば、アンプルの断面の曲率半径が支持部の凹形状の曲率半径よりも大きいので、アンプルはその幅方向における両側部の２箇所が凹形状の支持部に接触した状態で支持される。したがって、外部からの衝撃やレーザー光照射による衝撃などに対して、支持部によりアンプルを安定した状態で保持できる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例に係るガスセルの製造方法であって、前記第２方向における前記アンプルの断面は曲面を有し、前記曲面の曲率半径は前記支持部の凹形状の曲率半径よりも小さいことが好ましい。
【００１５】
本適用例の製造方法によれば、アンプルの断面の曲率半径が支持部の凹形状の曲率半径よりも小さいので、アンプルはその幅方向における底部の１箇所が凹形状の支持部の底部に接触した状態で支持される。したがって、アンプルが支持部と接触する範囲をより小さくできる。また、レーザー光の光源との距離のばらつきが抑えられるので、アンプルに対してレーザー光の焦点位置を容易に合わせることができる。
【００１６】
［適用例５］上記適用例に係るガスセルの製造方法であって、前記支持部は、前記第１方向における２箇所に設けられていることが好ましい。
【００１７】
本適用例の製造方法によれば、アンプルはその長手方向における２箇所が凸形状の支持部に接触した状態で支持されるので、支持部によりアンプルを安定した状態で保持できる。
【００１８】
［適用例６］上記適用例に係るガスセルの製造方法であって、前記レーザー光照射工程では、前記アンプルにおける前記２箇所の前記支持部の間に位置する部位に前記レーザー光を照射することが好ましい。
【００１９】
本適用例の製造方法によれば、アンプルの長手方向において支持部と接触する２箇所の部位の間に位置する部位にレーザー光を照射するので、レーザー光照射により加熱されたアンプルからセルに伝達される（逃げる）熱の量を小さくできる。
【００２０】
［適用例７］上記適用例に係るガスセルの製造方法であって、前記第２室には、前記２箇所の前記支持部の間に、前記凸形状が突出する側とは反対側に窪む凹部がさらに設けられていることが好ましい。
【００２１】
本適用例の製造方法によれば、２箇所の支持部の間に、支持部の凸形状が突出する側とは反対側に窪む凹部が設けられている。そのため、アンプルにおけるレーザー光が照射される部位とセルとの間に空洞があるので、レーザー光照射により加熱されたアンプルからセルに伝達される（逃げる）熱の量をより小さくできる。また、レーザー光が照射される位置に凹部（空洞）があることで、アンプルに合わせられたレーザー光の焦点からセルまでの距離を長くできるので、レーザー光照射によるセルの加熱を抑えることができる。
【００２２】
［適用例８］上記適用例に係るガスセルの製造方法であって、前記配置工程では、前記第２室の前記凹部にコーティング材を含む保持部材をさらに配置し、前記保持部材を加熱して前記第２室内で前記コーティング材の蒸気を発生させ、前記蒸気を前記第１室に充満させる加熱工程と、前記セルを冷却して、前記第１室の内壁に前記コーティング材を成膜する成膜工程と、を前記レーザー光照射工程の前に含むことが好ましい。
【００２３】
本適用例の製造方法によれば、レーザー光照射工程でアンプルからアルカリ金属のガスを発生させる前に、加熱工程と成膜工程とによって第１室の内壁にコーティング材を成膜する。そのため、セル内で励起されたアルカリ金属原子が第１室の内壁に直接衝突したときの挙動の変化を抑制または低減できる。また、レーザー光が照射される位置に凹部（空洞）があることで、レーザー光の焦点からセルの表面に成膜されたコーティング材までの距離を長くできるので、レーザー光照射によりコーティング材が加熱されることに起因する不要なガスの発生が抑えられる。そして、保持部材が２箇所の支持部の間の凹部に配置されることで、レーザー光の焦点から保持部材までの距離を長くできるので、レーザー光照射により保持部材が加熱されることに起因する不要なガスの発生が抑えられる。
【００２４】
［適用例９］上記適用例に係るガスセルの製造方法であって、前記第１方向における前記２箇所の前記支持部の間の距離は、前記アンプルの長手方向の長さの１／２よりも小さいことが好ましい。
【００２５】
本適用例の製造方法によれば、配置工程において開口部からアンプルをその長手方向が第１方向に沿うように第２室に挿入する場合に、アンプルの先端が１箇所目の支持部を通過して２箇所目の支持部に到達するまで、アンプルの長手方向の中心（重心）は１箇所目の支持部よりも開口部側にある。そのため、配置工程において、アンプルが２箇所の支持部の間で凹部に落下することを抑止できる。
【００２６】
［適用例１０］本適用例に係るガスセルは、上記に記載のガスセルの製造方法で製造されたことを特徴とする。
【００２７】
本適用例の構成によれば、コスト競争力および品質（感度、計測精度等）に優れたガスセルを提供することができる。
【００２８】
［適用例１１］本適用例に係る磁気計測装置は、上記に記載のガスセルを備えたことを特徴とする。
【００２９】
本適用例の構成によれば、高感度かつ高精度で磁気を測定可能な磁気計測装置を安定的に供給することができる。
【００３０】
［適用例１２］本適用例に係る原子発振器は、上記に記載のガスセルを備えたことを特徴とする。
【００３１】
本適用例の構成によれば、高精度な原子発振器を安定的に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施形態に係る磁気計測装置の構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態に係るガスセルの長手方向に沿った側断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ’線に沿った平断面図。
【図４】図３のＣ−Ｃ’線に沿った部分断面図。
【図５】図２の要部の拡大図。
【図６】第１の実施形態に係るアンプルの長手方向に沿った断面図。
【図７】図６のＤ−Ｄ’線に沿った断面図。
【図８】第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図９】第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図１０】第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図１１】第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図１２】第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図１３】第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図１４】第２の実施形態に係るガスセルの長手方向に沿った側断面図。
【図１５】第２の実施形態に係るガスセルの平断面図。
【図１６】第２の実施形態に係るガスセルの部分断面図。
【図１７】図１４の要部の拡大図。
【図１８】第２の実施形態に係る保持部材の長手方向に沿った断面図。
【図１９】図１８のＥ−Ｅ’線に沿った断面図。
【図２０】第２の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図２１】第２の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図２２】第２の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図２３】第２の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図２４】第２の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図２５】第２の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。
【図２６】第３の実施形態に係る原子発振器の構成を示す概略図。
【図２７】第３の実施形態に係る原子発振器の動作を説明する図。
【図２８】第３の実施形態に係る原子発振器の動作を説明する図。
【図２９】変形例１に係るガスセルの長手方向に沿った側断面図。
【図３０】変形例１に係るガスセルの部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大、縮小、あるいは誇張して表示している。また、説明に必要な構成要素以外は図示を省略する場合がある。
【００３４】
（第１の実施形態）
＜磁気計測装置の構成＞
第１の実施形態に係る磁気計測装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る磁気計測装置の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る磁気計測装置１００は、非線形光学回転（Nonlinear Magneto-Optical Rotation：ＮＭＯＲ）を用いた磁気計測装置である。磁気計測装置１００は、例えば、心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）などの生体から発生さ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。磁気計測装置１００は、金属探知機などにも用いることができる。
【００３５】
図１に示すように、磁気計測装置１００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１０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、を備えている。ガスセル１０内には、アルカリ金属ガス（気体のアルカリ金属）が封入されている。
【００３６】
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。例えば、セシウムは融点が２８℃程度であるため、セシウムを用いると磁気計測装置１００を室温に近い温度で動作させることが可能となる。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。
【００３７】
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。
【００３８】
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１０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。
【００３９】
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。
【００４０】
コリメーターレンズ１７は、レーザービームを、平行光とするためのレンズである。
【００４１】
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。
【００４２】
ガスセル１０は、内部に空隙を有する箱（セル）であり、この空隙（図２に示す主室１４）にはアルカリ金属の蒸気（図２に示すアルカリ金属ガス１３）が封入されている。ガスセル１０の構成については、後述する。
【００４３】
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。
【００４４】
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１０からみて偏光分離器５と同じ側（下流側）に配置される。
【００４５】
磁気計測装置１００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１０、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。
【００４６】
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を通過したレーザービームは、偏光度がより高い直線偏光になる。ガスセル１０を透過しているレーザービームは、ガスセル１０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回転作用を受けて偏光面が回転する。ガスセル１０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、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。
【００４７】
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計測する。偏光面の回転角は、レーザービームの伝播方向の磁場の強さに基づく関数で表される（例えば、Ｄ．バドカー、外５名，「原子の共鳴非線形磁気光学回転効果」，レビュー・オブ・モダン・フィジクス誌，米国，米国物理学会，２００２年１０月，第７４巻，第４号，ｐ．１１５３−１２０１の数式（２）を参照。数式（２）は線形光学回転に関するものであるが、ＮＭＯＲの場合もほぼ同様の式を用いることができる）。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測定する。表示装置９は、信号処理回路８により測定された磁場の強さを表示する。
【００４８】
＜ガスセルの構成＞
続いて、第１の実施形態に係るガスセルの構成について、図２から図５を参照して説明する。図２は、第１の実施形態に係るガスセルの長手方向に沿った側断面図である。図２は、図３のＢ−Ｂ’線に沿った側断面図でもある。図３は、図２のＡ−Ａ’線に沿った平断面図である。図４は、図３のＣ−Ｃ’線に沿った部分断面図である。図５は、図２の要部の拡大図である。
【００４９】
図２において、ガスセル１０の高さ方向をＺ軸とし、上方側を＋Ｚ方向とする。Ｚ軸と交差する方向であって、ガスセル１０の長手方向（第１方向）をＸ軸とし、図２における右側を＋Ｘ方向とする。そして、Ｚ軸およびＸ軸と交差する方向であって、ガスセル１０の幅方向（第２方向）をＹ軸とし、図２の紙面における手前から奥へ向う側を＋Ｙ方向とする。
【００５０】
図２および図３に示すように、第１の実施形態に係るガスセル１０は、セル１２と封止部材１９とを備えている。セル１２は、内部に空隙を有する箱（セル）であり、例えば、石英ガラスやホウ珪酸ガラスなどからなる板状の部材により形成されている。セル１２（板状の部材）の厚さは、１ｍｍ〜５ｍｍであり、例えば、１．５ｍｍ程度である。
【００５１】
セル１２は、内部の空隙として、第１室としての主室１４と、第２室としてのリザーバー１６とを有している。主室１４とリザーバー１６とは、セル１２の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って並ぶように配置されている。セル１２（主室１４およびリザーバー１６）の内部には、アルカリ金属が蒸発したガス（以下ではアルカリ金属ガスという）１３が充填されている。主室１４およびリザーバー１６には、アルカリ金属ガス１３の他に、希ガスなどの不活性ガスが存在していてもよい。
【００５２】
主室１４とリザーバー１６とは、連通孔１５を介して連通している。連通孔１５は、主室１４およびリザーバー１６の上方側（＋Ｚ方向側）に設けられている。連通孔１５の断面形状は、例えば矩形状であるが、円形状であってもよい。連通孔１５の長さは、例えば、１ｍｍ〜３ｍｍ程度である。後述する製造工程において、リザーバー１６で発生させたアルカリ金属ガス１３を連通孔１５を介して主室１４に充満させるため、連通孔１５の長さは短いことが好ましい。連通孔１５の断面積は、例えば、０．０１ｍｍ2〜３ｍｍ2程度である。主室１４に充満させたアルカリ金属ガス１３のリザーバー１６への戻りを抑えるため、連通孔１５の断面積は小さいことが好ましい。
【００５３】
リザーバー１６の主室１４および連通孔１５とは反対側（−Ｘ方向側）には、開口部１８が設けられている。開口部１８の断面形状は、例えば円形状である。開口部１８の内径は、例えば０．４ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であるが、後述するアンプル２０のガラス管２２の外径φ１よりも大きく設定される。これは、後述する製造工程において、アンプル２０が開口部１８からリザーバー１６に挿入され配置されるためである。
【００５４】
開口部１８は、セル１２に接合された封止部材１９で封止されている。これにより、セル１２（主室１４およびリザーバー１６）が密封されている。封止部材１９の形状は、例えば、矩形状であるが、円形状など他の形状であってもよい。封止部材１９の材料としては、セル１２と同じガラス基材が用いられる。封止部材１９は、開口部１８の周囲に配置された低融点ガラスフリット等を介してセル１２に接合されている。
【００５５】
リザーバー１６内には、アンプル２０が収納されている。アンプル２０のガラス管２２には、貫通孔（開口部）２１が形成されている。アルカリ金属ガス１３は、後述するレーザー光照射工程において、アンプル２０のガラス管２２に貫通孔２１を形成することにより、アンプル２０内に充填されていたアルカリ金属固体２４（図６参照）が蒸発（ガス化）したものである。
【００５６】
リザーバー１６には、アンプル２０の一部分を支持する支持部２５，２６が設けられている。アンプル２０は、リザーバー１６内に、その長手方向がセル１２の長手方向に沿うように配置されている。したがって、アンプル２０は、セル１２の長手方向（Ｘ軸方向）において支持部２５，２６により２箇所で支持されている。支持部２５，２６のＸ軸方向における（Ｂ−Ｂ’線に沿った）断面形状は、＋Ｚ方向側に突出する凸形状である。より具体的には、支持部２５，２６の断面形状は、曲面と曲面とが交わる稜線状の凸形状で構成されている（図５参照）。
【００５７】
支持部２５と支持部２６との間には、支持部２５，２６の凸形状が突出する側とは反対側（−Ｚ方向側）に窪む凹部２７が設けられている。また、支持部２５の開口部１８側には−Ｚ方向側に窪む凹部２８が設けられ、支持部２６の主室１４側には−Ｚ方向側に窪む凹部２９が設けられている。図３に示すように、支持部２５は、セル１２の幅方向（Ｙ軸方向）に沿って延在している。凹部２７、凹部２８、および凹部２９も、セル１２の幅方向（Ｙ軸方向）に沿って延在している。
【００５８】
図４に示すように、支持部２５のＹ軸方向における（Ｃ−Ｃ’線に沿った）断面形状は、−Ｚ方向側に窪む凹形状である。支持部２５の凹形状は、＋Ｚ方向側に向かって開く曲面で構成されており、支持部２５のＹ軸方向における略中央部に底部２５ａを有している。なお、図３のＢ−Ｂ’線は、Ｘ軸方向に沿って支持部２５の底部２５ａを通る線である。図４には図示されていないが、支持部２６の断面形状も、支持部２５と同様に底部２６ａを有する凹形状である。支持部２５，２６の凹形状の曲率半径は、アンプル２０の曲率半径よりも小さい。
【００５９】
支持部２５，２６の凹形状のＹ軸方向における間隔は、底部２５ａ，２６ａに近付くほど小さくなる。アンプル２０の曲率半径が支持部２５，２６の凹形状の曲率半径よりも大きいため、アンプル２０は、Ｚ軸方向においてアンプル２０の径と支持部２５，２６の間隔とが同じとなる位置で支持部２５，２６に支持される。したがって、アンプル２０は、支持部２５，２６の凹形状の底部２５ａ，２６ａには接触せず、セル１２の幅方向（Ｙ軸方向）における２箇所で、支持部２５，２６により支持される。
【００６０】
このように、アンプル２０は支持部２５，２６により、その長手方向（Ｘ軸方向）における２箇所と、幅方向（Ｙ軸方向）における２箇所との計４か所で支持されている。これにより、アンプル２０を安定した状態でリザーバー１６内に保持できる。
【００６１】
図５に示すように、ガスセル１０が完成した状態では、アンプル２０のガラス管２２に貫通孔２１が形成されており、アルカリ金属固体２４が蒸発したことにより、ガラス管２２の内部は空洞となっている。アンプル２０の長手方向の長さをＬ１とする。また、Ｘ軸方向における支持部２５の稜線部と支持部２６の稜線部との間の距離をＬ２とする。本実施形態では、支持部２５の稜線部と支持部２６の稜線部との間の距離Ｌ２は、アンプル２０の長さＬ１の１／２よりも小さい。貫通孔２１は、アンプル２０の長手方向の略中央部に形成されている。アンプル２０が支持部２５，２６に支持された状態において、貫通孔２１は支持部２５と支持部２６との間の位置に形成されている。
【００６２】
＜アンプルの構成＞
続いて、アンプル２０の構成を図６および図７を参照して説明する。図６は、第１の実施形態に係るアンプルの長手方向に沿った断面図である。図７は、図６のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。図６に示すように、第１の実施形態に係るアンプル２０は、長手方向を有している。図６には、アンプル２０を、その長手方向がＸ軸方向に沿うように配置したときのＸ−Ｚ断面を示している。アンプル２０は、中空状のガラス管２２で構成される。
【００６３】
ガラス管２２は、例えば、ホウ珪酸ガラスにより形成されている。ガラス管２２の材料が磁場に置かれても磁化されにくい非磁性材料であるので、ガスセル１０を磁気計測装置１００に用いる場合に、ガラス管２２が磁気の計測に影響を与えることを抑止できる。ガラス管２２は、長手方向の両端部が溶着されている。これにより、内部が中空状のガラス管２２は密封されている。なお、ガラス管２２の両端部の形状は、図６に示すような丸い形状に限定されず、平面に近い形状や一部が尖った形状などであってもよい。
【００６４】
図６には、アンプル２０（ガラス管２２）が密封された状態を示している。ガラス管２２の内部の空洞２２ａには、アルカリ金属固体（粒状や粉末状のアルカリ金属原子）２４が充填されている。アンプル２０は、真空に近い低圧環境下（理想的には真空中）において、管状のガラス管２２の空洞２２ａにアルカリ金属固体２４を充填し、ガラス管２２の両端部をそれぞれ溶着し密封して形成される。アルカリ金属固体２４としては、上述したように、セシウムの他に、ルビジウム、カリウム、ナトリウムなどを用いることができる。
【００６５】
アンプル２０が製造された段階ではガラス管２２は密封された状態であるが、ガスセル１０が完成した段階では、ガラス管２２に貫通孔２１（図２参照）が形成され密封が破られる。これにより、アンプル２０内のアルカリ金属固体２４が蒸発してガスセル１０内に流出し、セル１２の空隙がアルカリ金属ガス１３で満たされる（図２参照）。なお、アンプル２０内からアルカリ金属固体２４が蒸発して流出し易くなるように、アンプル２０の上面とセル１２の内面との間には、例えば＋Ｚ方向に１．５ｍｍ程度の隙間が設けられている（図２参照）。
【００６６】
図７に、アンプル２０の長手方向と交差する方向（幅方向）におけるＹ−Ｚ断面を示す。図７に示すように、ガラス管２２のＹ−Ｚ断面の形状は、例えば略円形であるが、他の形状であってもよい。ガラス管２２の外径φ１は、例えば０．３ｍｍ≦φ１≦１．２ｍｍである。ガラス管２２の肉厚ｔ１は、例えば０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．５ｍｍであり、概ね外径φ１の２０％程度であることが好ましい。ガラス管２２の肉厚ｔ１が０．１ｍｍ未満であるとガラス管２２が破損し易くなり、ガラス管２２の肉厚ｔ１が０．５ｍｍを超えると、ガラス管２２に貫通孔２１を形成する加工（詳細は後述する）が困難となる。
【００６７】
なお、ガラス管２２の長さＬ１（図６参照）は、特に限定されず、アンプル２０内に収容されるアルカリ金属固体２４の量に応じて適宜設定される。
【００６８】
＜ガスセルの製造方法＞
次に、第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を図８から図１３を参照して説明する。図８から図１３は、第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図である。なお、図８、図９、図１１、図１２、および図１３は、図２に対応するガスセルの側断面図である。図１０は、図５に対応する要部の拡大図である。
【００６９】
まず、セル１２を組み立てる。図８に示すように、セル１２は、例えば石英ガラスやホウ珪酸ガラスからなるガラス板部材１１を組み合わせて構成されている。図示を省略するが、石英ガラスやホウ珪酸ガラスからなるガラス板を切断して、セル１２を構成する各壁面に対応するガラス板部材１１を準備する。
【００７０】
リザーバー１６が配置されるガラス板部材１１には、例えば切削加工や成型加工により凸形状の支持部２５，２６および凹部２７，２８，２９を形成する。本実施形態に係る凸形状の支持部２５，２６および凹部２７，２８，２９は、成型加工により容易に形成できる。準備したガラス板部材１１を組み立て、ガラス板部材１１同士を接着剤または溶着により接合して、図８に示すような主室１４とリザーバー１６とを有するセル１２を得る。この段階では、セル１２の開口部１８は開放されている。
【００７１】
また、図示しない別工程で、アンプル２０を用意する。アンプル２０は、真空に近い低圧環境下（理想的には真空中）において、管状のガラス管２２の内部の空洞２２ａにアルカリ金属固体２４を充填し、ガラス管２２の両端部をそれぞれ溶着し密封して形成される（図６参照）。アルカリ金属固体２４として用いられるセシウムなどのアルカリ金属は、反応性に富み大気中で取り扱うことができないため、低圧環境下でアンプル２０内に密封された状態でセル１２に収納される。
【００７２】
次に、図９に示すように、セル１２のリザーバー１６に、アンプル２０を配置する（配置工程）。例えば、５×１０-6Ｔｏｒｒ以下に減圧された低圧環境下において、セル１２を４００℃程度に加熱して、セル１２の主室１４およびリザーバー１６の脱気（脱ガス）を行う。そして、セル１２を室温まで冷却した後、図９に矢印で示すように、アンプル２０をその長手方向がＸ軸方向に沿うように開口部１８から挿入しリザーバー１６内に配置する。
【００７３】
ここで、図１０に示すように、支持部２５の稜線部と支持部２６の稜線部との間の距離Ｌ２は、アンプル２０の長さＬ１の１／２よりも小さい。そのため、アンプル２０の先端が開口部１８から１箇所目の支持部２５の稜線部を通過して２箇所目の支持部２６の稜線部に到達するまで、アンプル２０の長手方向の中心（重心）２０ｃは１箇所目の支持部２５の稜線部よりも開口部１８側にある。これにより、配置工程において、アンプル２０が支持部２５と支持部２６との間で凹部２７に落下することを抑止できる。
【００７４】
なお、図示しないが、上記と同じ理由から、リザーバー１６の開口部１８側の内壁と支持部２５との距離、およびリザーバー１６の主室１４側の内壁と支持部２６との距離も、アンプル２０の長さＬ１の１／２よりも小さいことが好ましい。
【００７５】
次に、図１１に示すように、開口部１８を封止部材１９で封止してセル１２を密封する（封止工程）。封止工程では、セル１２内の脱気を十分に行い、内部の空隙に不純物が極めて少ない状態で、セル１２（主室１４、連通孔１５、およびリザーバー１６）を密封する。例えば、真空に近い低圧環境下（理想的には真空中）において、セル１２および封止部材１９の少なくとも一方における開口部１８の周囲に低融点ガラスフリット（図示しない）を配置し、セル１２と封止部材１９とを固着して封止することにより、セル１２が密封される。
【００７６】
次に、図１２に示すように、アンプル２０にレーザー光を照射する（レーザー光照射工程）。レーザー光としては、パルスレーザー光４０を用いる。レーザー光照射工程では、パルスレーザー光４０を集光レンズ４２で集光して、リザーバー１６内に配置されたアンプル２０のガラス管２２における支持部２５，２６で支持されていない部位に照射する。より具体的には、アンプル２０のガラス管２２における支持部２５と支持部２６との間に位置する部位にパルスレーザー光４０を照射する。
【００７７】
パルスレーザー光４０は、セル１２を間に介して、アンプル２０（ガラス管２２）の上面で焦点を結ぶように照射する。これにより、図１３に示すように、ガラス管２２に貫通孔２１が形成され、リザーバー１６内でアンプル２０内のアルカリ金属固体２４（図６参照）が蒸発してアルカリ金属ガス１３となる。リザーバー１６内に流出したアルカリ金属ガス１３は、連通孔１５を通ってセル１２の主室１４に流入し拡散する。この結果、主室１４がアルカリ金属ガス１３で満たされる。
【００７８】
レーザー光は指向性や収束性に優れているので、パルスレーザー光４０を照射することにより、ガラス管２２に容易に貫通孔２１を形成することができる。パルスレーザー光４０のエネルギーは、例えば、２０μＪ／ｐｕｌｓｅ〜２００μＪ／ｐｕｌｓｅとする。パルスレーザー光４０のパルス幅は、例えば、１０ナノ秒〜５０ナノ秒とし、３０ナノ秒程度であることが好ましい。パルスレーザー光４０の繰り返し周波数は、例えば、５０ｋＨｚ程度とし、パルスレーザー光４０の照射時間は、例えば、１００ｍｓｅｃ程度とする。
【００７９】
また、アンプル２０のガラス管２２に確実に貫通孔２１を形成するためには、アンプル２０に対するパルスレーザー光４０の照射位置を、パルスレーザー光４０の焦点がアンプル２０の幅方向（図３のＹ軸方向）における中央部に位置するように設定することが好ましい。パルスレーザー光４０の焦点がアンプル２０の幅方向における中央部からずれると、深さ方向の加工が進まなくなりガラス管２２を貫通させることができなくなる場合がある。
【００８０】
配置工程でリザーバー１６内に配置されたアンプル２０は、その長手方向における２箇所が凸形状の支持部２５，２６に接触した状態で支持されるので、レーザー光照射工程においてアンプル２０を安定した状態でリザーバー１６内に保持できる。これにより、パルスレーザー光４０がアンプル２０の幅方向における中央部においてガラス管２２の上面で焦点を結ぶように、アンプル２０に対するパルスレーザー光４０の照射位置を容易に合わせることができる。
【００８１】
レーザー光照射工程では、アンプル２０にパルスレーザー光４０を照射してガラス管２２を加熱する際に、アンプル２０の熱はリザーバー１６内のアンプル２０と接する部分からセル１２に伝達される。アンプル２０からセル１２に伝達される（逃げる）熱の量が大きいと、アンプル２０のガラス管２２に貫通孔２１を形成する加工時間が長くなるため、ガスセル１０の生産性の低下を招くこととなる。
【００８２】
また、アンプル２０から熱が伝達されることや、パルスレーザー光４０がセル１２に照射されることによってセル１２が加熱されると、セル１２を構成するガラス板部材１１から不要なガスが発生してアルカリ金属ガス１３と反応してしまい、ガスセル１０の性能（感度、計測精度等）の低下を招くこととなる。そのため、アンプル２０にパルスレーザー光４０を照射する際に、アンプル２０を安定した状態で保持できるだけでなく、アンプル２０からセル１２に伝達される熱の量が小さいことが望ましい。
【００８３】
ここで、例えば、特許文献１に記載のガスセルでは、アンプルの幅方向における２箇所について、アンプルの長手方向におけるレーザー光を照射して加熱される部位を含むほぼ全長に亘ってリザーバーと接触する（特許文献１の図２（ｂ）および図２（ｃ）参照）。そのため、レーザー光照射工程においてアンプルにパルスレーザー光を照射する際に、アンプルからセルに伝達される（逃げる）熱の量が大きくなるおそれがある。
【００８４】
これに対して、本実施形態に係るガスセル１０では、支持部２５，２６によりアンプル２０の長手方向における一部分を支持し、支持部２５，２６の断面形状が曲面と曲面とが交わる稜線状の凸形状であるので、アンプル２０の長手方向のほぼ全長に亘って支持する場合と比べて、アンプル２０がセル１２（支持部２５，２６）と接触する範囲は極めて小さくなる。
【００８５】
そして、アンプル２０における支持部２５，２６で支持されていない部位にパルスレーザー光４０を照射するため、アンプル２０における加熱される部位がセル１２（支持部２５，２６）と接触しない。さらに、支持部２５と支持部２６との間に凹部２７が設けられているため、アンプル２０におけるパルスレーザー光４０が照射される部位とセル１２との間に空洞があるので、アンプル２０のパルスレーザー光４０の照射により加熱された部位からセル１２に伝達される（逃げる）熱の量をより小さくできる。
【００８６】
また、パルスレーザー光４０が照射される支持部２５と支持部２６との間の位置に凹部２７（空洞）が設けられていることで、アンプル２０（ガラス管２２）の上面に合わせられるパルスレーザー光４０の焦点からセル１２（ガラス板部材１１）までの距離を長くできる。そのため、凹部２７においてセル１２に到達するパルスレーザー光４０はデフォーカスされているので、パルスレーザー光４０の照射によるセル１２の加熱を抑えることができる。これにより、セル１２の加熱に起因して、セル１２を構成するガラス板部材１１から不要なガスを発生させることや、ガラス板部材１１に損傷を与えることを抑止できる。
【００８７】
なお、レーザー光照射工程では、アンプル２０内からアルカリ金属固体２４が蒸発して流出すればよいので、貫通孔２１の形成に限定されず、例えば、ガラス管２２に亀裂を生じさせてアンプル２０を分断してもよいし、ガラス管２２を破壊してもよい。以上で、本実施形態に係るガスセル１０が完成する。
【００８８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態に対して、セル１２（主室１４およびリザーバー１６）の内壁にコーティング材３２の膜が成膜されている点が異なる以外はほぼ同じ構成である。ここでは、第２の実施形態に係るガスセルの構成について、第１の実施形態との差異を説明する。
【００８９】
＜ガスセルの構成＞
第２の実施形態に係るガスセルの構成について、図１４から図１７を参照して説明する。図１４は、第２の実施形態に係るガスセルの長手方向に沿った側断面図である。図１５は、第２の実施形態に係るガスセルの平断面図である。図１６は、第２の実施形態に係るガスセルの部分断面図である。図１７は、図１４の要部の拡大図である。第１の実施形態に対して、図１４は図２に対応し、図１５は図３に対応し、図１６は図４に対応し、図１７は図５に対応している。
【００９０】
図１４から図１７に示すように、第２の実施形態に係るガスセル１０Ａは、第１の実施形態に係るガスセル１０と同様に、セル１２と封止部材１９とを備えている。第２の実施形態に係るガスセル１０Ａでは、セル１２（主室１４およびリザーバー１６）の内壁に膜状のコーティング材３２が配置されている。コーティング材３２は、セル１２内で励起されたアルカリ金属原子が主室１４の内壁に直接衝突したときの挙動（例えば、スピン）の変化を抑制または低減する機能を有する。コーティング材３２の詳細については後述する。
【００９１】
リザーバー１６内には、アンプル２０とともに、保持部材３０が収納されている。保持部材３０は、その長手方向がセル１２の幅方向（Ｙ軸方向）に沿うように、凹部２７に配置されている。したがって、アンプル２０と保持部材３０とは、長手方向が互いに交差するように配置されている。保持部材３０は、アンプル２０の下方側（−Ｚ方向側）にアンプル２０から離れて配置されている。
【００９２】
保持部材３０は、両端が開放された空洞を有する管状の部材である。膜状のコーティング材３２は、後述する製造工程において、保持部材３０内に充填されていたものが一旦蒸発した後冷却されて膜状になったものである。なお、リザーバー１６内で保持部材３０が配置される場所は、凹部２７に限定されず、凹部２８や凹部２９であってもよい。
【００９３】
＜保持部材の構成＞
続いて、保持部材３０の構成を図１８および図１９を参照して説明する。図１８は、第２の実施形態に係る保持部材の長手方向に沿った断面図である。図１９は、図１８のＥ−Ｅ’線に沿った断面図である。図１８に示すように、第２の実施形態に係るコーティング材３２を含む保持部材３０は、長手方向を有している。図１８には、保持部材３０を、その長手方向がＸ軸方向に沿うように配置したときのＸ−Ｚ断面を示している。
【００９４】
図１８には、保持部材３０の空洞３１にコーティング材３２が充填された状態を示している。保持部材３０は、管状の細管である。保持部材３０は、長手方向に沿って延在しており、その両端は開放されている。保持部材３０は、非磁性材料であって、耐熱性と透光性とを有する材料からなる。保持部材３０は、例えば、ガラスや石英等の無機材料で形成されている。保持部材３０が磁場に置かれても磁化されにくい非磁性材料で形成されているので、ガスセル１０を磁気計測装置１００に用いる場合に、保持部材３０が磁気の計測に影響を与えることを抑止できる。
【００９５】
保持部材３０の空洞３１には、コーティング材３２が充填されている。コーティング材３２は、パラフィンなどの鎖式飽和炭化水素で構成されている。コーティング材３２の材料としては、鎖式飽和炭化水素の化学式（ＣnＨ2n+2）において、炭素原子数ｎが２０〜１００のものが好ましい。鎖式飽和炭化水素の一例として、例えば、化学式（Ｃ50Ｈ102）で示されるペンタコンタンを好適に用いることができる。
【００９６】
コーティング材３２は、真空に近い低圧環境下において、融点以上の温度に加熱し溶融した状態で保持部材３０の空洞３１に充填される。例えば、コーティング材３２にペンタコンタンを用いる場合、２×１０-6Ｔｏｒｒ程度に減圧された低圧環境下で、１５０℃〜２００℃程度の温度に加熱することで、保持部材３０の空洞３１に充填できる。後述するが、保持部材３０の空洞３１に充填されたコーティング材３２は、リザーバー１６内で加熱されて蒸発した後、冷却されてセル１２（主室１４およびリザーバー１６）の内壁に成膜される（図１４参照）。
【００９７】
保持部材３０が耐熱性を有する材料で形成されているので、コーティング材３２を溶融した状態で充填する際、および、コーティング材３２を蒸発させる際に、保持部材３０の変質や保持部材３０からガスを発生させることなくコーティング材３２を蒸発させることができる。また、保持部材３０が透光性を有する材料で形成されているので、コーティング材３２を溶融した状態で充填する際に充填できたか否かを、そして、コーティング材３２を蒸発させる際にコーティング材３２のすべてが蒸発したか否かを、目視により容易に確認することができる。
【００９８】
図１９に、保持部材３０の長手方向と交差する方向におけるＹ−Ｚ断面を示す。図１９に示すように、保持部材３０のＹ−Ｚ断面の形状は、例えば略円形であるが、他の形状であってもよい。保持部材３０の外径φ２は、例えば０．３ｍｍ≦φ２≦１．２ｍｍである。保持部材３０の空洞３１の内径φ３は、例えば０．１ｍｍ≦φ３≦０．２ｍｍである。保持部材３０にコーティング材３２を充填する際に、毛細管現象を利用するとコーティング材３２を効率良く保持部材３０の空洞３１に導入できるので、内径φ３は０．１ｍｍ≦φ３≦０．１５ｍｍであることが好ましい。保持部材３０の肉厚ｔ２は、例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であるが、特に限定されない。
【００９９】
保持部材３０の長手方向の長さは、特に限定されず、セル１２（主室１４およびリザーバー１６）の内壁を覆う膜を形成するために必要となるコーティング材３２の量（体積）に応じて適宜設定される。換言すれば、保持部材３０の長さの設定により、セル１２に配置するコーティング材３２の量を容易に調整することができる。
【０１００】
＜ガスセルの製造方法＞
次に、第２の実施形態に係るガスセルの製造方法を図２０から図２５を参照して説明する。図２０から図２５は、第２の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図である。なお、図２０から図２５は、図１４に対応するガスセルの側断面図である。
【０１０１】
セル１２を組み立てる工程（図８参照）とは別工程で、図１８に示すコーティング材３２を含む保持部材３０を用意する。保持部材３０が管状であるので、真空に近い低圧環境下において融点以上の温度に加熱し溶融したコーティング材３２を、毛細管現象を利用して容易に空洞３１に充填できる。そして、保持部材３０が透光性を有するので、コーティング材３２を空洞３１に充填する際に、充填できたか否かを目視により容易に確認することができる。
【０１０２】
なお、保持部材３０にコーティング材３２を充填する際は、予め所望の長さに切断した保持部材３０にコーティング材３２を充填してもよいし、所望の長さよりも長い保持部材３０の母材にコーティング材３２を充填した後に、母材をコーティング材３２とともに所望の長さに切断して保持部材３０に個片化してもよい。
【０１０３】
ここで、一般にパラフィンなどの鎖式飽和炭化水素は、常温において軟らかい固体（蝋状）であるため、コーティング材３２単独では取り扱いにくい。コーティング材３２単独で取り扱う場合、例えば、ニードルなどを用いてコーティング材３２を少量ずつセル１２内に配置する方法が上げられる。しかしながら、このような方法では、セル１２内に配置するコーティング材３２の量が所望の量に対してばらついてしまうおそれや、セル１２内へ配置する工数が増加するおそれがある。
【０１０４】
セル１２内に配置するコーティング材３２の量がばらつくと、セル１２（主室１４およびリザーバー１６）の内壁に形成するコーティング材３２の膜が所望の膜厚にならなかったり、複数のセル１２において個体間でコーティング材３２の膜厚にばらつきが生じたりすることとなる。そうすると、製造するガスセル１０の品質（感度、計測精度等）の低下やガスセル１０の個体間での品質のばらつきを招いてしまう。
【０１０５】
本実施形態では、保持部材３０の長さおよび内径φ３を適宜設定することにより、充填するコーティング材３２の量を所望の量に合わせて容易に調整できる。そして、保持部材３０の長さを管理する（長さのばらつきを抑える）ことにより、各セル１２に配置するコーティング材３２の量のばらつきを抑えることができる。そのため、セル１２の内壁に所望の膜厚でコーティング材３２の膜を形成できるとともに、セル１２毎に成膜されるコーティング材３２の膜厚のばらつきを小さく抑えることができる。これにより、ガスセル１０の品質の低下やガスセル１０の個体間での品質のばらつきを抑えて安定的に製造することができる。
【０１０６】
第２の実施形態では、図２０に示すように、配置工程において、アンプル２０を配置する前にリザーバー１６にコーティング材３２を含む保持部材３０を配置する。保持部材３０は、開口部１８からセル１２の長手方向（Ｘ軸方向）に沿ってリザーバー１６に挿入した後、Ｘ−Ｙ平面で略９０度回転させるようにして凹部２７に配置する。
【０１０７】
例えば、保持部材３０をリザーバー１６に挿入した後、セル１２に振動や回転を加えることで、セル１２に対して保持部材３０を回転させるようにして、保持部材３０を凹部２７，２８，２９のいずれかに配置するようにしてもよい。また、セル１２の上下方向を反転させた状態で、保持部材３０をリザーバー１６に挿入して略９０度回転させた後、セル１２の上下方向を再度反転させて（図２０に示す姿勢にして）、保持部材３０を凹部２７，２８，２９のいずれかに配置するようにしてもよい。
【０１０８】
コーティング材３２を保持部材３０に充填された状態で取り扱うので、コーティング材３２単独で取り扱う場合と比べて、コーティング材３２を容易にリザーバー１６内の所定の位置に配置できる。これにより、コーティング材３２単独で取り扱う場合と比べて、配置工程におけるコーティング材３２の取り扱いに起因する工数増を抑えることができる。
【０１０９】
続いて、図２１に示すように、第１の実施形態と同様にして、アンプル２０を開口部１８から挿入してリザーバー１６の支持部２５，２６に配置する。これにより、リザーバー１６内に、コーティング材３２を含む保持部材３０とアンプル２０とが配置される。
【０１１０】
次に、図２２に示すように、開口部１８を封止部材１９で封止してセル１２を密封する（封止工程）。これにより、リザーバー１６内にコーティング材３２を含む保持部材３０とアンプル２０とが配置された状態で、セル１２が密封される。
【０１１１】
次に、レーザー光照射工程の前に、保持部材３０を加熱する加熱工程とセル１２を冷却する成膜工程とを行うことにより、図２３に示すように、セル１２の内壁にコーティング材３２を成膜する。加熱工程では、セル１２（リザーバー１６）を、例えば２３０℃程度に加熱する。リザーバー１６を加熱することで、保持部材３０が加熱され、空洞３１（図１８参照）に充填されていたコーティング材３２が加熱されて蒸発する。リザーバー１６内で蒸発したコーティング材３２は、連通孔１５を通ってセル１２内全体に拡散し、主室１４に充満する。
【０１１２】
加熱工程では、保持部材３０が両端が開放された管状の部材であるので、空洞３１に充填されたコーティング材３２を保持部材３０の両端から容易に蒸発させることができる。そして、保持部材３０が透光性材料で形成されているので、空洞３１に充填されたコーティング材３２のすべてが蒸発したか否かを目視により容易に確認することができる。
【０１１３】
加熱工程で蒸発したコーティング材３２が主室１４およびリザーバー１６の内壁に付着すると、コーティング材３２の薄膜となる。成膜工程では、セル１２を冷却して主室１４およびリザーバー１６の内壁にコーティング材３２の膜を形成する。加熱工程でコーティング材３２が蒸発した後、セル１２を、例えば２００℃程度で１０分程度加熱した後徐々に冷却して、主室１４およびリザーバー１６の内壁に形成されるコーティング材３２の薄膜の膜厚を均一化させる。これにより、主室１４およびリザーバー１６の内壁を覆うように、コーティング材３２の膜が成膜される。
【０１１４】
成膜工程では、コーティング材３２の薄膜の膜厚をより均一化させるため、上述の加熱および徐冷に加えて、さらにセル１２を８０℃〜２００℃程度の温度で１時間から１０時間程度加熱した後徐冷してもよい。この場合、連続してセル１２を加熱し徐冷してもよいし、複数回に分けて加熱と徐冷とを繰り返すようにしてもよい。
【０１１５】
次に、図２４に示すように、第１の実施形態と同様にして、アンプル２０にレーザー光を照射してアルカリ金属のガスを発生させる（レーザー光照射工程）。これにより、図２５に示すように、ガラス管２２に貫通孔２１が形成され、リザーバー１６内でアンプル２０内のアルカリ金属固体２４（図６参照）が蒸発してアルカリ金属ガス１３となり、連通孔１５を通って主室１４に流入し拡散する。
【０１１６】
第２の実施形態に係るガスセル１０Ａでは、セル１２の内壁がコーティング材３２の膜で覆われているため、セル１２内で励起されたアルカリ金属原子が主室１４の内壁に直接衝突したときの挙動（例えば、スピン）の変化を抑制または低減することができる。これにより、ガスセル１０Ａの感度を向上させることができる。
【０１１７】
一方で、リザーバー１６の内壁がコーティング材３２の膜で覆われているため、レーザー光照射工程でコーティング材３２が加熱されると、コーティング材３２が蒸発してアルカリ金属のガスと反応してしまうことで、ガスセル１０Ａの性能（感度、計測精度等）の低下を招くこととなる。
【０１１８】
第２の実施形態では、図２４に示すように、パルスレーザー光４０が照射される支持部２５と支持部２６との間の位置に凹部２７（空洞）があることで、アンプル２０（ガラス管２２）の上面で焦点を結ぶパルスレーザー光４０の焦点からセル１２の内壁の表面に成膜されたコーティング材３２までの距離を長くできる。そのため、凹部２７においてコーティング材３２に到達するパルスレーザー光４０はデフォーカスされているので、パルスレーザー光４０の照射によるコーティング材３２の加熱を抑えることができる。これにより、コーティング材３２が蒸発してアルカリ金属ガス１３と反応してしまうことを抑止できる。
【０１１９】
そして、保持部材３０が凹部２７（または、凹部２８，２９）に配置されているため、パルスレーザー光４０の焦点から保持部材３０までの距離を長くできるので、保持部材３０の加熱も抑えられる。これにより、保持部材３０を構成するガラス部材から不要なガスを発生させることを抑止できる。
【０１２０】
なお、第２の実施形態では、配置工程で保持部材３０とともにアンプル２０を収容したセル１２を封止工程で封止した後で、コーティング材３２の膜を成膜する。そのため、セル１２を仮封止してコーティング材３２の膜を成膜した後に仮封止を外し、別工程でアンプル２０をセル１２内に配置して封止する場合と比べて、封止する工程を一つにでき、コーティング材３２を成膜した後で外部からセル１２内に不純物が侵入することを抑止できる。
【０１２１】
（第３の実施形態）
＜原子発振器＞
第１の実施形態では、ガスセル１０（またはガスセル１０Ａ）を適用可能な装置として、磁気計測装置１００を説明したが、第３の実施形態では、上記実施形態に係るガスセル１０（またはガスセル１０Ａ）を適用した装置として、原子時計などの原子発振器を説明する。図２６は、第３の実施形態に係る原子発振器の構成を示す概略図である。また、図２７および図２８は、第３の実施形態に係る原子発振器の動作を説明する図である。
【０１２２】
図２６に示す第３の実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）１０１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。図２３に示すように、原子発振器１０１は、上記実施形態に係るガスセル１０（またはガスセル１０Ａ）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とを備えている。
【０１２３】
光源７１は、ガスセル１０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２７に示す共鳴光ＬＬ１および共鳴光ＬＬ２）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１０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１０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。
【０１２４】
光検出部７６は、ガスセル１０内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光ＬＬ１，ＬＬ２）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１０内のアルカリ金属をガス状に（アルカリ金属ガス１３として）維持するために、ガスセル１０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。
【０１２５】
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１０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１０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１０１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。
【０１２６】
制御部８０は、光源７１が射出する励起光ＬＬ（共鳴光ＬＬ１，ＬＬ２）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。
【０１２７】
原子発振器１０１の原理を簡単に説明する。図２７は原子発振器１０１のガスセル１０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り、図２８は原子発振器１０１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２７に示すように、ガスセル１０内に封入されているアルカリ金属（アルカリ金属ガス１３）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。
【０１２８】
このようなアルカリ金属ガス１３に対して周波数の異なる２種の共鳴光ＬＬ１，ＬＬ２を照射すると、共鳴光ＬＬ１の周波数ω１と共鳴光ＬＬ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光ＬＬ１，ＬＬ２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ＬＬ１の周波数ω１と共鳴光ＬＬ２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。
【０１２９】
このとき、共鳴光ＬＬ１，ＬＬ２は、いずれも、アルカリ金属ガス１３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（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象と呼ぶ。ＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を光検出部７６で検出し、そのＥＩＴ信号を基準信号として用いる。ＥＩＴ信号は、短期周波数安定度を高める観点から、線幅（半値幅）が小さく、かつ、強度が高いことが好ましい。
【０１３０】
光源７１は、ガスセル１０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ＬＬ１および共鳴光ＬＬ２）を射出する。ここで、例えば、共鳴光ＬＬ１の周波数ω１を固定し、共鳴光ＬＬ２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光ＬＬ１の周波数ω１と共鳴光ＬＬ２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２８に示すように急峻に上昇する。
【０１３１】
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。本実施形態では、線幅が小さく高品質かつ大きなＥＩＴ信号が得られる。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１０１を実現することができる。
【０１３２】
原子発振器１０１に用いられるガスセル１０には小型で長寿命であり、かつ、精度が高いことが要求されるが、上記実施形態のガスセルの構成によれば、小型で長寿命で高精度のガスセル１０を安定的に製造できるので、小型で精度が高く長寿命の原子発振器１０１を提供できる。
【０１３３】
上記実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。
【０１３４】
（変形例１）
上記実施形態に係るガスセル１０，１０Ａでは、セル１２の幅方向（Ｙ軸方向）における支持部２５，２６の断面形状である凹形状の曲率半径がアンプル２０の曲率半径よりも小さい構成であったが、本発明はこのような構成に限定されない。支持部の凹形状の曲率半径がアンプル２０の曲率半径よりも大きい構成であってもよい。図２９は、変形例１に係るガスセルの長手方向に沿った側断面図である。図３０は、変形例１に係るガスセルの部分断面図である。上記実施形態に対して、図２９は図２および図１４に対応し、図３０は図４および図１６に対応している。
【０１３５】
図２９に示すように、変形例１に係るガスセル６０は、主室１４とリザーバー６４とを有するセル６２と封止部材１９とを備えている。リザーバー６４には、セル６２の長手方向（Ｘ軸方向）における２箇所に、支持部６５，６６が設けられている。Ｘ軸方向における支持部６５，６６の断面形状は、上記実施形態の支持部２５，２６と同様に、曲面と曲面とが交わる稜線状の凸形状で構成されている。アンプル２０は、支持部６５，６６により、その長手方向（Ｘ軸方向）において２箇所で支持されている。
【０１３６】
図３０に示すように、セル６２の幅方向（Ｙ軸方向）における支持部６５の断面形状は−Ｚ方向側に窪む凹形状であり、＋Ｚ方向側に向かって開く曲面状の支持部６５の略中央部に底部６５ａを有している。支持部６６（図２９参照）の断面形状も、底部６６ａを有する凹形状である。支持部６５，６６の凹形状の曲率半径は、アンプル２０の曲率半径よりも大きい。すなわち、アンプル２０の曲率半径が支持部６５，６６の凹形状の曲率半径よりも小さいので、アンプル２０は、支持部６５，６６の凹形状の底部６５ａ，６６ａに接して、セル１２の幅方向（Ｙ軸方向）において１箇所で支持される。したがって、変形例１では、アンプル２０が支持部６５，６６と接触する範囲をより小さくできるので、アンプル２０からセル１２への熱の伝達をより小さくできる。
【０１３７】
また、上記実施形態では、アンプル２０の曲率半径が支持部２５，２６の凹形状の曲率半径よりも大きく、アンプル２０の径と支持部２５，２６の間隔とが同じとなる位置で支持部２５，２６に支持されるため、アンプル２０の径がばらついた場合には、Ｚ軸方向におけるアンプル２０の位置（高さ）がばらつくおそれがある。変形例１に係るガスセル１０Ａでは、アンプル２０が支持部６５，６６の凹形状の底部６５ａ，６６ａに接して配置されるので、アンプル２０の径がばらついた場合でも、Ｚ軸方向におけるアンプル２０の位置のばらつきを小さくできる。これにより、レーザー光照射工程において、パルスレーザー光４０の焦点をより容易にアンプル２０の上面に合わせることができる。
【０１３８】
（変形例２）
上記実施形態および変形例１に係るガスセル１０，１０Ａ，６０では、セル１２の幅方向（Ｙ軸方向）における支持部２５，２６，６５，６６の断面形状が凹形状であったが、支持部の断面形状はＶ字状など別の形状であってもよい。支持部の断面形状がＶ字状である場合は、第１の実施形態と同様に、セル１２の幅方向（Ｙ軸方向）において支持部により２箇所で支持される。
【０１３９】
（変形例３）
第２の実施形態において、保持部材３０の長さは必要となるコーティング材３２の量に応じて適宜設定されることとしたが、空洞３１の内径φ３の設定との兼ね合いも含め可能であれば、保持部材３０の長さを支持部２５の稜線部と支持部２６の稜線部との間の距離Ｌ２（図５参照）よりも小さく設定してもよい。保持部材３０の長さをこのように設定すれば、配置工程において開口部１８からセル１２の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って保持部材３０をリザーバー１６に挿入する際に、保持部材３０の先端が２箇所目の支持部２６の稜線部に到達する前に保持部材３０の長手方向の中心（重心）が１箇所目の支持部２５の稜線部を通過する。そのため、保持部材３０を容易に凹部２７（または凹部２８）に落下させて配置することができる。
【０１４０】
（変形例４）
上記実施形態および変形例に係るガスセル１０，１０Ａ，６０では、セル１２の内部にアルカリ金属ガス１３を発生させる手段としてアンプル２０を用いていたが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば、アルカリ金属ガス１３を発生させる手段として、アルカリ金属化合物と吸着剤とを含むピルを用いることとしてもよい。
【０１４１】
図示を省略するが、このようなピルに、赤色から赤外線領域の波長の連続発振レーザー光を照射すると、アルカリ金属化合物が活性化されることでアルカリ金属が生成され、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。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ことができる。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ことができる。ピルの形状は、例えば、円筒形、直方体、球体などの形状とすることができる。
【符号の説明】
【０１４２】
１０，１０Ａ，６０…ガスセル、１２，６２…セル、１３…アルカリ金属ガス（アルカリ金属のガス）、１４…主室（第１室）、１５…連通孔、１６…リザーバー（第２室）、１８…開口部、２０…アンプル、２５，２６，６５，６６…支持部、２８…凹部、３０…保持部材、３２…コーティング材、４０…パルスレーザー光（レーザー光）、１００…磁気計測装置、１０１…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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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