(57)【要約】【課題】バッファガスの圧力に影響され難いイオントラップ型周波数標準器及び出力周波数安定化方法を提供することを目的とする。【解決手段】イオントラップ型周波数標準器３０１は、容器１７内の水銀イオン１０２を光ポンピングして基底状態の下準位へ集める光ポンピング手段１５と、電磁波を照射して、基底状態の下準位に集まった水銀イオン１０３を上準位へ遷移させる電磁波照射手段１３と、水銀イオン１０３が光ポンピング手段１５により再び励起状態を経由して基底状態となる際に放射される蛍光２３の光強度を測定する受光手段１４と、蛍光２３の光強度が最大となるように電磁波の周波数を調整する制御手段と、電磁波照射手段１３が照射する電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段と、バッファガスとして、圧力が変動しても出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを容器１７に供給するガス供給手段２５と、を備える。【選択図】図２
2011188352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器（１７）内の水銀イオンを光ポンピングして前記水銀イオンを基底状態の下準位へ集める光ポンピング手段（１５）と、
上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を照射して、前記光ポンピング手段で基底状態の下準位に集まった前記水銀イオンを基底状態の上準位へ遷移させる電磁波照射手段（１３）と、
前記電磁波照射手段で上準位へ遷移した前記水銀イオンが前記光ポンピング手段により再び励起状態を経由して基底状態に戻る際に放射される蛍光の光強度を測定する受光手段（１４）と、
前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度が最大となるように前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を調整する制御手段と、
前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段と、
前記水銀イオンを冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても前記出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを前記容器に供給するガス供給手段（２５）と、
を備えるイオントラップ型周波数標準器。
【請求項２】
前記ガス供給手段は、
圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が上昇する正の周波数シフト率をもつガスと圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が下降する負の周波数シフト率をもつガスとを混合することを特徴とする請求項１に記載のイオントラップ型周波数標準器。
【請求項３】
容器内の水銀イオンを光ポンピングして前記水銀イオンを基底状態の下準位へ集め、上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を照射して前記水銀イオンを基底状態の上準位へ遷移させ、前記水銀イオンが上準位から前記光ポンピング手段により再び励起状態を経由して基底状態に戻る際に放射される蛍光の強度を測定し、前記蛍光の光強度が最大となるように前記電磁波の周波数を調整し、前記電磁波の周波数を出力周波数として出力する際に、
前記水銀イオンを冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても前記出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを前記容器に供給する出力周波数安定化方法。
【請求項４】
前記バッファガスとして、
圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が上昇する正の周波数シフト率をもつガスと圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が下降する負の周波数シフト率をもつガスとを混合することを特徴とする請求項３に記載の出力周波数安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水銀イオンを使用したイオントラップ型周波数標準器及びその出力周波数の安定化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀イオンを使用したイオントラップ型周波数標準器は、水銀イオンを冷却するために容器内にバッファガスが導入されている（例えば、非特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｓａｎｇ  Ｋ．  Ｃｈｕｎｇ，  Ｊｏｈｎ  Ｄ．  Ｐｒｅｓｔａｇｅ，  Ｒｏｂｅｒｔ  Ｌ．  Ｔｊｏｅｌｋｅｒ，  Ｌｕｔｅ  Ｍａｌｅｋｉ，“Ｂｕｆｆｅｒ  Ｇａｓ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｍｅｒｃｕｒｙ  （Ｈｇ＋）  Ｉｏｎ  Ｃｌｏｃｋ”．Ｐｒｏｃ．  Ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，  ２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１は、バッファガスの導入でイオントラップ型周波数標準器から出力される出力周波数が変動することを報告している。さらに、非特許文献１は、バッファガスの圧力変動に応じて出力周波数も変動することを報告している。これは、イオントラップ型周波数標準器の容器内に導入するバッファガスの圧力の制御精度が、イオントラップ型周波数標準器から出力される出力周波数の精度に影響することを意味する。しかし、求められる出力周波数の精度を得る程度に、バッファガスの圧力を高精度に制御することは困難である。
【０００５】
そこで、本発明は、バッファガスの圧力に影響され難いイオントラップ型周波数標準器及び出力周波数安定化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係るイオントラップ型周波数標準器及び出力周波数安定化方法は、バッファガスとして複数の希ガスを混合したものを使用することとした。
【０００７】
具体的には、本発明に係るイオントラップ型周波数標準器は、容器（１７）内の水銀イオンを光ポンピングして前記水銀イオンを基底状態（２Ｓ１／２）の下準位（Ｆ＝０）へ集める光ポンピング手段（１５）と、上準位（Ｆ＝１）と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を照射して、前記光ポンピング手段で基底状態の下準位に集まった前記水銀イオンを基底状態の上準位に遷移させる電磁波照射手段（１３）と、前記電磁波照射手段で上準位に遷移した前記水銀イオンが前記光ポンピング手段により再び励起状態を経由して基底状態に戻る際に放射される蛍光の光強度を測定する受光手段（１４）と、前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度が最大となるように前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を調整する制御手段と、前記電磁波照射手段が照射する前記電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段と、前記水銀イオンを冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても前記出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを前記容器に供給するガス供給手段（２５）と、を備える。
【０００８】
本発明に係るイオントラップ型周波数標準器の前記ガス供給手段は、圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が上昇する正の周波数シフト率をもつガスと圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が下降する負の周波数シフト率をもつガスとを混合することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る出力周波数安定化方法は、容器内の水銀イオンを光ポンピングして前記水銀イオンを基底状態の下準位へ集め、上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を照射して前記水銀イオンを基底状態の上準位に遷移させ、前記水銀イオンが上準位から前記光ポンピング手段により再び励起状態を経由して基底状態に戻る際に放射される蛍光の強度を測定し、前記蛍光の光強度が最大となるように前記電磁波の周波数を調整し、前記電磁波の周波数を出力周波数として出力する際に、前記水銀イオンを冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても前記出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを前記容器に供給する。
【００１０】
本発明に係る出力周波数安定化方法は、前記バッファガスとして、圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が上昇する正の周波数シフト率をもつガスと圧力上昇で前記出力手段が出力する出力周波数が下降する負の周波数シフト率をもつガスとを混合することを特徴とする。
【００１１】
本発明は、正の周波数シフト率をもつガスと負の周波数シフト率をもつガスとを所定の混合比で混合したものをバッファガスとしている。このバッファガスを容器内に導入することで容器内の圧力が変動しても出力周波数を一定に保つことができる。従って、本発明は、バッファガスの圧力に影響され難いイオントラップ型周波数標準器及び出力周波数安定化方法を提供することができる。すなわち、バッファガスの圧力を高精度に制御することが不要になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、バッファガスの圧力に影響され難いイオントラップ型周波数標準器及び出力周波数安定化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るイオントラップ型周波数標準器を説明する図である。
【図２】本発明に係るイオントラップ型周波数標準器とバッファガス供給手段を説明する図である。
【図３】水銀イオンエネルギー準位を説明する図である。
【図４】バッファガスの圧力に対する出力周波数の周波数シフトを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、具体的に実施形態を示して本発明を詳細に説明するが、本願の発明は以下の記載に限定して解釈されない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１５】
図１は、本実施形態のイオントラップ型周波数標準器３０１を説明する図である。イオントラップ型周波数標準器３０１は、容器１７内の水銀イオン１０２を光ポンピングして水銀イオン１０２を基底状態の下準位へ集める光ポンピング手段１５と、上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を照射して、光ポンピング手段１５で基底状態の下準位に集まった水銀イオン１０３を上準位へ遷移させる電磁波照射手段１３と、電磁波照射手段１３で上準位へ遷移した水銀イオン１０３が光ポンピング手段１５により再び基底状態へ戻る際に放射される蛍光２３の光強度を測定する受光手段１４と、受光手段１４で測定した蛍光２３の光強度が最大となるように電磁波照射手段１３が照射する電磁波の周波数を調整する制御手段（不図示）と、電磁波照射手段１３が照射する電磁波の周波数を出力周波数として出力する出力手段（不図示）と、水銀イオン（１０２、１０３）を冷却するバッファガスとして、圧力が変動しても出力手段が出力する出力周波数を一定に保つ混合比の複数のガスを容器１７に供給するガス供給手段２５と、を備える。
【００１６】
水銀源１０１は、容器１７内に水銀蒸気を供給する。電子銃１６は電子線２２で水銀蒸気を水銀イオンにイオン化する。四重極トラップ１８は、１〜２ＭＨｚのＲＦ電圧が印加されており、水銀イオンを中心部に閉じ込める。図１では、この様子を水銀イオン１０２として示している。光ポンピング手段１５は、波長１９４．２ｎｍの励起光２１を出力する水銀ランプである。
【００１７】
光ポンピングについて、図３の水銀イオンのエネルギー準位の図で説明する。水銀イオンは２つのエネルギー状態、つまり基底状態２Ｓ１／２と励起状態２Ｐ１／２を持ち、基底状態は二つのエネルギー準位（Ｆ＝０、１）から構成される。ここで、光ポンピング手段１５から励起光２１を照射すると、基底状態の準位Ｆ＝１にあるイオンのみが励起状態へ遷移する。しかし、励起状態に遷移したイオンは、すぐに基底状態へ戻る。このとき、イオンはそれぞれの準位（Ｆ＝０、１）に均等に遷移する。そして、基底状態の準位Ｆ＝１に戻ったイオンは、励起光２１を吸収して再び励起状態へ上がる。一方、基底状態の準位Ｆ＝０にあるイオンは、そのまま残る。これを繰り返すことで、全てのイオンは基底状態の準位Ｆ＝０に集まる。
【００１８】
十二重極トラップ１９も、１〜２ＭＨｚのＲＦ電圧が印加されており、水銀イオンを中心部に閉じ込めることができる。十二重極トラップ１９は、光ポンピングされた水銀イオン１０２を四重極トラップ１８から取り出し、中心部に閉じ込める。図１では、この様子を水銀イオン１０３として示している。
【００１９】
電磁波照射手段１３は、例えば、４０ＧＨｚ導波管である。電磁波照射手段１３は、制御手段で周波数が設定された電磁波を水銀イオン１０３に照射する。このときの水銀イオン１０３の様子を図３の水銀イオンのエネルギー準位の図で説明する。光ポンピング直後の水銀イオン１０３は基底状態の準位Ｆ＝０にある。周波数４０．５ＧＨｚの電磁波が照射されると、基底状態の準位Ｆ＝０にあるイオンは同じ基底状態の準位Ｆ＝１に遷移する。このとき、電磁波の周波数が４０．５ＧＨｚからずれると基底状態の準位Ｆ＝０から準位Ｆ＝１へ遷移するイオンの量が少なくなる。
【００２０】
続いて、四重極トラップ１８は電磁波が照射された水銀イオン１０３を十二重極トラップ１９から取り出し、再び中心部に閉じ込める。図１では、この様子を水銀イオン１０２として示している。四重極トラップ１８では光ポンピング手段１５から励起光２１が照射されているので、水銀イオン１０２の基底状態の準位Ｆ＝１にあるイオンは励起状態へ遷移することになる。そして、励起状態へ遷移したイオンは、すぐに蛍光２３を出して基底状態へ戻る。
【００２１】
受光手段１４は、蛍光２３の光強度を測定する。ここで、前述のように電磁波照射手段１３が照射した電磁波の周波数が４０．５ＧＨｚからずれていると基底状態の準位Ｆ＝１にあるイオンが少ないので、蛍光２３の光強度が弱くなる。そこで、制御手段は、蛍光２３の光強度が最大となるように電磁波の周波数を調整する。出力手段は、制御手段が調整した電磁波の周波数を出力周波数として出力する。イオントラップ型周波数標準器３０１は、このようにして、正確な４０．５ＧＨｚの周波数を出力することができる。なお、イオントラップ型周波数標準器３０１は、磁場の影響を低減するための磁場シールド１１及びエネルギー状態の縮退を解くＣコイル１２も備えている。
【００２２】
さらに、ガス供給手段２５は、容器１７内にバッファガスを供給する。水銀イオン（１０２、１０３）は高温になると、四重極トラップ１８内や十二重極トラップ１９内に閉じ込めることが難しくなる。このため、水銀イオンをバッファガスに衝突させて水銀イオンの温度を下げる必要がある。ところが、非特許文献１で説明されるようにバッファガスの圧力変動は出力周波数の変動をひきおこす。図４は、バッファガスとしてＡｒ、Ｎｅ、Ｈｅを使った場合のガス圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）に対する出力周波数ｆ（Ｈｚ）の周波数シフトを説明する図である。ここで、
（ｄｆ／ｄＰ）・（１／ｆ）
を周波数シフト率と定義する。図４より、
Ａｒの周波数シフト率＝−４．１×１０−７（／Ｔｏｒｒ）
Ｎｅの周波数シフト率＝８．５×１０−９（／Ｔｏｒｒ）
Ｈｅの周波数シフト率＝２．１×１０−８（／Ｔｏｒｒ）
である。
【００２３】
図２は、イオントラップ型周波数標準器３０１のガス供給手段２５を説明する図である。ガス供給手段２５は、２つのガスボンベ（３１Ａ、３１Ｂ）、２つのリークバルブ（３２Ａ、３２Ｂ）及び２つのガスを混合する混合部３３を有する。ガス供給手段２５は、正の周波数シフト率をもつガスと負の周波数シフト率をもつガスとを混合する。例えば、ガスボンベ３１ＡにＡｒを入れ、ガスボンベ３１ＢにＨｅを入れる。混合部３３は、ＡｒとＨｅを混合し、バッファガスとして容器１７に導入する。このとき、リークバルブ（３２Ａ、３２Ｂ）を調整し、容器１７内のバッファガスの圧力で出力周波数が変動しないようにＡｒとＨｅを混合する。
【００２４】
イオントラップ型周波数標準器３０１は、ＡｒとＨｅを混合したものをバッファガスとして使用することで、水銀イオンとバッファガスとの衝突による周波数シフトを打ち消し、バッファガスの圧力が変化しても出力周波数を一定に保つことができる。このため、イオントラップ型周波数標準器３０１は、バッファガスの圧力を高精度に制御する必要がない。
【符号の説明】
【００２５】
１１：磁場シールド
１２：Ｃコイル
１３：電磁波照射手段
１４：受光手段
１５：光ポンピング手段
１６：電子銃
１７：容器
１８：四重極トラップ
１９：十二重極トラップ
２１：励起光
２２：電子線
２３：蛍光
２５：ガス供給手段
１０１：水銀源
１０２、１０３：水銀イオン
３０１：イオントラップ型周波数標準器
【図１】
2011188352.tif 000003
【図２】
2011188352.tif 000004
【図３】
2011188352.tif 000005
【図４】
2011188352.tif 000006