(57)【要約】【課題】周波数の変動量を小さくすることができる原子発振器を提供する。【解決手段】光を出射する光源と、気体のアルカリ金属原子と、窒素およびアルゴンを含む緩衝ガスとが封入され、前記光が通過する原子セルと、前記原子セルを通過した前記光を検出する光検出素子と、窒素およびアルゴンを含む混合ガスのみが封入され、前記原子セルを収容する容器と、を含み、前記緩衝ガスの全圧に対する前記緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｘ（％）、および前記混合ガスの全圧に対する前記混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｙ（％）は、１５．０≦ｘ≦４０．０、かつ、０．１３２ｘ＋５１．８≦ｙ≦０．１３２ｘ＋８６．９の関係を満たす、原子発振器。【選択図】図１３
2019160878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
気体のアルカリ金属原子と、窒素およびアルゴンを含む緩衝ガスとが封入され、前記光が通過する原子セルと、
前記原子セルを通過した前記光を検出する光検出素子と、
窒素およびアルゴンを含む混合ガスのみが封入され、前記原子セルを収容する容器と、を含み、
前記緩衝ガスの全圧に対する前記緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｘ（％）、および前記混合ガスの全圧に対する前記混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｙ（％）は、
１５．０≦ｘ≦４０．０、かつ、０．１３２ｘ＋５１．８≦ｙ≦０．１３２ｘ＋８６．９
の関係を満たす、原子発振器。
【請求項２】
請求項１において、
前記割合ｘおよび前記割合ｙは、
０．１３２ｘ＋６７．６≦ｙ≦０．１３２ｘ＋７１．１
の関係を満たす、原子発振器。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記割合ｘは、
２５．０≦ｘ≦３７．０
の関係を満たす、原子発振器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記容器は、
互いに反対を向く第１面および第２面と、
互いに反対を向く第３面および第４面と、
互いに反対を向く第５面および第６面と、
を有し、
前記第１面には、第１貫通孔が設けられ、
前記第２面、前記第３面、前記第４面、前記第５面、および前記第６面の少なくとも１つには、第２貫通孔が設けられている、原子発振器。
【請求項５】
請求項４において、
前記第１貫通孔は、仮想平面に対して、前記第２貫通孔とは反対側に配置され、
前記仮想平面は、前記容器の中心を通り、かつ、前記第１面に平行である、原子発振器。
【請求項６】
請求項５において、
前記第１貫通孔は、他の仮想平面に対して、前記第２貫通孔とは反対側に配置され、
前記他の仮想平面は、前記容器の中心を通り、かつ、前記第１面に垂直である、原子発振器。
【請求項７】
請求項６において、
前記第３面は、前記第１面に接続され、
前記第２貫通孔は、前記第３面に設けられている、原子発振器。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれか１項において、
前記第１貫通孔は、前記混合ガスの供給孔であり、
前記光源および前記原子セルは、前記仮想平面に対して、前記第１貫通孔と同じ側に配置されている、原子発振器。
【請求項９】
原子発振器を含む、周波数信号生成システムであって、
前記原子発振器は、
光を出射する光源と、
気体のアルカリ金属原子と、窒素およびアルゴンを含む緩衝ガスとが封入され、前記光が通過する原子セルと、
前記原子セルを通過した前記光を検出する光検出素子と、
窒素およびアルゴンを含む混合ガスのみが封入され、前記原子セルを収容する容器と、
を含み、
前記緩衝ガスの全圧に対する前記緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｘ（％）、および前記混合ガスの全圧に対する前記混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｙ（％）は、
１５．０≦ｘ≦４０．０、かつ、０．１３２ｘ＋５１．８≦ｙ≦０．１３２ｘ＋８６．９
の関係を満たす、周波数信号生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器および周波数信号生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数信号生成装置として、光源と、セシウム等のアルカリ金属原子が封入された原子セルと、原子セルを通過した光を検出する光検出素子と、光源、原子セル、および光検出素子を収容する容器と、を含み、アルカリ金属原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている。
【０００３】
例えば特許文献１には、金属原子および緩衝ガスが封入されている内部空間を有するガスセルにおいて、緩衝ガスを、窒素ガスおよびアルゴンガスを含む混合ガスとし、混合ガスにおけるアルゴンガスのモル分率を１５％以上４０％以下の範囲とすることにより、優れた温度特性を実現できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１１９４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、原子セルを収容する容器内の雰囲気が大気の場合、特に分子量が小さいヘリウムなどが、原子セルを通って、原子セル内に流入する場合がある。そうすると、原子発振器の周波数が変動する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る原子発振器の一態様は、光を出射する光源と、気体のアルカリ金属原子と、窒素およびアルゴンを含む緩衝ガスとが封入され、前記光が通過する原子セルと、前記原子セルを通過した前記光を検出する光検出素子と、窒素およびアルゴンを含む混合ガスのみが封入され、前記原子セルを収容する容器と、を含み、前記緩衝ガスの全圧に対する前記緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｘ（％）、および前記混合ガスの全圧に対する前記混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｙ（％）は、１５．０≦ｘ≦４０．０、かつ、０．１３２ｘ＋５１．８≦ｙ≦０．１３２ｘ＋８６．９の関係を満たす。
【０００７】
前記原子発振器の一態様において、前記割合ｘおよび前記割合ｙは、０．１３２ｘ＋６７．６≦ｙ≦０．１３２ｘ＋７１．１の関係を満たしてもよい。
【０００８】
前記原子発振器の一態様において、前記割合は、２５．０≦ｘ≦３７．０の関係を満たしてもよい。
【０００９】
前記原子発振器の一態様において、前記容器は、互いに反対を向く第１面および第２面と、互いに反対を向く第３面および第４面と、互いに反対を向く第５面および第６面と、を有し、前記第１面には、第１貫通孔が設けられ、前記第２面、前記第３面、前記第４面、前記第５面、および前記第６面の少なくとも１つには、第２貫通孔が設けられていてもよい。
【００１０】
前記原子発振器の一態様において、前記第１貫通孔は、仮想平面に対して、前記第２貫通孔とは反対側に配置され、前記仮想平面は、前記容器の中心を通り、かつ、前記第１面
に平行であってもよい。
【００１１】
前記原子発振器の一態様において、前記第１貫通孔は、他の仮想平面に対して、前記第２貫通孔とは反対側に配置され、前記他の仮想平面は、前記容器の中心を通り、かつ、前記第１面に垂直であってもよい。
【００１２】
前記原子発振器の一態様において、前記第３面は、前記第１面に接続され、前記第２貫通孔は、前記第３面に設けられていてもよい。
【００１３】
前記原子発振器の一態様において、前記第１貫通孔は、前記混合ガスの供給孔であり、前記光源および前記原子セルは、前記仮想平面に対して、前記第１貫通孔と同じ側に配置されていてもよい。
【００１４】
本発明に係る周波数信号生成システムの一態様は、原子発振器を含む、周波数信号生成システムであって、前記原子発振器は、光を出射する光源と、気体のアルカリ金属原子と、窒素およびアルゴンを含む緩衝ガスとが封入され、前記光が通過する原子セルと、前記原子セルを通過した前記光を検出する光検出素子と、窒素およびアルゴンを含む混合ガスのみが封入され、前記原子セルを収容する容器と、を含み、前記緩衝ガスの全圧に対する前記緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｘ（％）、および前記混合ガスの全圧に対する前記混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｙ（％）は、１５．０≦ｘ≦４０．０、かつ、０．１３２ｘ＋５１．８≦ｙ≦０．１３２ｘ＋８６．９の関係を満たす。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る原子発振器を示す概略図。
【図２】実施形態に係る原子発振器を模式的に示す断面図。
【図３】実施形態に係る原子発振器を模式的に示す断面図。
【図４】実施形態に係る原子発振器を模式的に示す断面図。
【図５】実施形態に係る原子発振器を模式的に示す斜視図。
【図６】実施形態に係る原子発振器の窒素ガスの封入方法を説明するための図。
【図７】実施形態の第１変形例に係る原子発振器を模式的に示す断面図。
【図８】実施形態の第２変形例に係る原子発振器を模式的に示す断面図。
【図９】実施形態に係る周波数信号生成システムを示す概略構成図。
【図１０】経過時間に対する周波数偏差を示すグラフ。
【図１１】経過時間に対する周波数偏差を示すグラフ。
【図１２】混合ガスの全圧に対する混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合と、周波数偏差の変化量と、の関係を示すグラフ。
【図１３】緩衝ガスの全圧に対する緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合と、混合ガスの全圧に対する混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合と、の関係を示すグラフ。
【図１４】実験例に用いたモデルを説明するための図。
【図１５】実験例に用いたモデルを説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
１．  原子発振器
１．１．  概略
まず、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１は、本実施形態に係る原子発振器１００を示す概略図である。
【００１８】
原子発振器１００は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の２つの共鳴光を同時に照射したときに当該２つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器である。なお、この量子干渉効果による現象は、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象とも言う。また、本発明に係る原子発振器は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した原子発振器であってもよい。
【００１９】
原子発振器１００は、図１に示すように、光源ユニット１０と、光学系ユニット２０と、原子セルユニット３０と、光源ユニット１０および原子セルユニット３０を制御する制御ユニット５０と、を含む。以下、まず、原子発振器１００の概略について説明する。
【００２０】
光源ユニット１０は、ペルチェ素子１１と、光源１２と、温度センサー１３と、を有している。
【００２１】
光源１２は、周波数の異なる２種の光を含んでいる直線偏光の光ＬＬを出射する。光源１２は、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などの発光素子である。温度センサー１３は、光源１２の温度を検出する。ペルチェ素子１１は、光源１２の温度を第１の温度に制御する第１温度制御素子である。具体的には、ペルチェ素子１１は、光源１２を加温または冷却する。第１の温度は、例えば、２５℃以上３５℃以下である。
【００２２】
光学系ユニット２０は、光源ユニット１０と原子セルユニット３０との間に配置されている。光学系ユニット２０は、減光フィルター２１と、レンズ２２と、１／４波長板２３と、を有している。
【００２３】
減光フィルター２１は、光源１２から出射された光ＬＬの強度を減少させる。レンズ２２は、光ＬＬの放射角度を調整する。具体的には、レンズ２２は、光ＬＬを平行光にする。１／４波長板２３は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を、直線偏光から円偏光に変換する。
【００２４】
原子セルユニット３０は、光源１２から出射される光ＬＬが通過する原子セル３１と、光検出素子３２と、ヒーターユニット３８と、温度センサー３３と、コイル３４と、を有している。
【００２５】
原子セル３１には、アルカリ金属原子が収容されている。アルカリ金属原子は、互いに異なる２つの基底準位と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。原子セル３１には、光源１２から出射された光ＬＬが減光フィルター２１、レンズ２２、および１／４波長板２３を介して入射する。
【００２６】
光検出素子３２は、原子セル３１を通過した光ＬＬを受光し、検出する。光検出素子３２は、例えば、フォトダイオードである。
【００２７】
ヒーターユニット３８は、原子セル３１を、第１の温度とは異なる第２の温度に制御する第２温度制御素子である。ヒーターユニット３８は、原子セル３１に収容されたアルカリ金属原子を加熱し、アルカリ金属原子の少なくとも一部をガス状態にする。第２の温度は、例えば、６０℃以上７０℃以下である。
【００２８】
温度センサー３３は、原子セル３１の温度を検出する。コイル３４は、原子セル３１に収容されたアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、アルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。
【００２９】
アルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光した共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くなる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号が大きくなる。その結果、原子発振器１００の発振特性を向上させることができる。
【００３０】
制御ユニット５０は、温度制御部５１と、光源制御部５２と、磁場制御部５３と、温度制御部５４と、を有している。
【００３１】
温度制御部５１は、温度センサー３３の検出結果に基づいて、原子セル３１の内部が所望の温度となるように、ヒーターユニット３８への通電を制御する。磁場制御部５３は、コイル３４が発生する磁場が一定となるように、コイル３４への通電を制御する。温度制御部５４は、温度センサー３３の検出結果に基づいて、光源１２の温度が所望の温度となるように、ペルチェ素子１１への通電を制御する。
【００３２】
光源制御部５２は、光検出素子３２の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、光源１２から出射された光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御する。ここで、これら２種の光が原子セル３１に収容されたアルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差の共鳴光対となったとき、ＥＩＴ現象が生じる。光源制御部５２は、２種の光の周波数の制御に同期して安定化するように発振周波数が制御される電圧制御型発振器（図示せず）を備えており、この電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）の出力信号を原子発振器１００の出力信号（クロック信号）として出力する。
【００３３】
１．２．  具体的な構成
次に、原子発振器１００の具体的な構成について説明する。図２および図３は、原子発振器１００を模式的に示す断面図である。なお、図２は、図３のＩＩ−ＩＩ線断面図である。また、図２，３および後述する図４〜図８では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
【００３４】
原子発振器１００は、図２および図３に示すように、光源ユニット１０と、光学系ユニット２０と、原子セルユニット３０と、支持部材４０と、制御ユニット５０と、外容器６０と、を含む。
【００３５】
ここで、Ｚ軸は、外容器６０の基部６７の内面６７ａの垂線Ｑに沿う軸であり、＋Ｚ軸方向は、内面６７ａから内面６７ａ上に配置されている部品へ向かう方向である。Ｘ軸は、光源ユニット１０から出射される光ＬＬに沿う軸であり、＋Ｘ軸方向は、光ＬＬの進む方向である。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な軸であり、＋Ｙ軸方向は、＋Ｚ軸方向を上、＋Ｘ軸方向を右に向けた時に、手前から奥へ向かう方向である。
【００３６】
光源ユニット１０は、支持部材４０に配置されている。光源ユニット１０は、ペルチェ素子１１と、光源１２と、温度センサー１３と、これらを収容している光源容器１４と、光源容器１４が配置される光源基板１５と、を有している。光源基板１５は、例えば、ねじ（図示せず）によって支持部材４０に固定されている。ペルチェ素子１１、光源１２、および温度センサー１３は、制御ユニット５０と電気的に接続されている。
【００３７】
光学系ユニット２０は、支持部材４０に配置されている。光学系ユニット２０は、減光フィルター２１と、レンズ２２と、１／４波長板２３と、これらを保持しているホルダー２４と、を有している。ホルダー２４は、例えば、ねじ（図示せず）によって支持部材４０に固定されている。
【００３８】
ホルダー２４には、貫通孔２５が設けられている。貫通孔２５は、光ＬＬの通過領域である。貫通孔２５には、減光フィルター２１、レンズ２２、および１／４波長板２３が光源ユニット１０側からこの順で配置されている。
【００３９】
原子セルユニット３０は、原子セル３１と、光検出素子３２と、保持部材３５と、第１原子セル容器３６と、第２原子セル容器３７と、ヒーターユニット３８と、を有している。
【００４０】
原子セル３１には、気体のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属原子が収容されている。原子セル３１には、光源１２から出射された光ＬＬが入射する。原子セル３１の材質は、例えば、ガラスなどである。
【００４１】
原子セル３１に規定される内部空間１３１は、図３に示すように、第１空間１３１ａと、第２空間１３１ｂ、第１空間１３１ａと第２空間１３１ｂとを連通する連通路１３１ｃと、を有している。第１空間１３１ａの容積は、第２空間１３１ｂの容積よりも小さい。光源１２から出射された光ＬＬは、第１空間１３１ａを通過する。
【００４２】
第２空間１３１ｂは、第１空間１３１ａよりも低温となるように温度調整される。そのため、第２空間１３１ｂには、液体のアルカリ金属原子（図示せず）が存在する。これにより、第１空間１３１ａの気体のアルカリ金属原子が原子セル３１との反応等により減少した場合、液体のアルカリ金属原子が気化して、第１空間１３１ａにおける気体のアルカリ金属原子の濃度を一定に保つことができる。
【００４３】
光検出素子３２は、原子セル３１の光源１２側とは反対側に配置されている。図示の例では、光検出素子３２は、第１原子セル容器３６に配置されている。光検出素子３２は、制御ユニット５０と電気的に接続されている。
【００４４】
保持部材３５は、第１原子セル容器３６内において、原子セル３１を保持している。図示の例では、保持部材３５は、ねじ２によって、第１原子セル容器３６に固定されている。保持部材３５は、光源１２から出射された光ＬＬを通過させる構造を有している。保持部材３５の材質は、例えば、アルミニウム、チタン、銅、真鍮などである。
【００４５】
第１原子セル容器３６は、原子セル３１、光検出素子３２、および保持部材３５を収容している。第１原子セル容器３６は、略直方体の外形形状を有している。第１原子セル容器３６には、光ＬＬが通過する貫通孔３６ａが設けられている。図２に示す例では、第１原子セル容器３６は、支持板４１を介して、支持部材４０に支持されている。第１原子セル容器３６の材質は、例えば、パーマロイ、ケイ素鉄などである。このような材料を用いることにより、第１原子セル容器３６は、外部からの磁場を遮蔽することができる。これにより、外部からの磁場によって原子セル３１内のアルカリ金属原子が影響を受けることを抑え、原子発振器１００の発振特性の安定化を図ることができる。
【００４６】
第１原子セル容器３６の外表面には、例えば、伝熱部材３９が配置されている。伝熱部材３９は、第１原子セル容器３６とヒーターユニット３８との間に配置されている。伝熱部材３９は、ヒーターユニット３８の熱を原子セル３１内のアルカリ金属原子に伝える。
伝熱部材３９の材質は、例えば、アルミニウム、銅などである。
【００４７】
第２原子セル容器３７は、第１原子セル容器３６を収容している。第２原子セル容器３７は、図３に示すように、例えば、ねじ３によって支持部材４０に固定されている。第２原子セル容器３７には、光ＬＬが通過する貫通孔３７ａが設けられている。
【００４８】
第２原子セル容器３７の材質は、例えば、第１原子セル容器３６と同じである。第２原子セル容器３７は、外部からの磁場を遮蔽することができる。第１原子セル容器３６および第２原子セル容器３７は、例えば、互いに離間している。そのため、例えば第１原子セル容器３６と第２原子セル容器３７とが接触している場合に比べて、外部からの磁場を遮蔽する機能を高めることができる。
【００４９】
ヒーターユニット３８は、例えば、伝熱部材３９に接している。ヒーターユニット３８は、加熱素子３８ａを有している。加熱素子３８ａは、原子セル３１内のアルカリ金属原子を加熱するための素子である。加熱素子３８ａは、例えば、発熱抵抗体などである。なお、加熱素子３８ａとして、発熱抵抗体に代えて、あるいは発熱抵抗体と併用して、ペルチェ素子を用いてもよい。
【００５０】
なお、温度センサー３３は、図２および図３では図示していないが、原子セル３１の近傍に配置されている。温度センサー３３は、例えば、サーミスタ、熱電対等の各種温度センサーである。
【００５１】
また、コイル３４は、図２および図３では図示していないが、例えば、原子セル３１の外周に沿って巻回して設けられているソレノイド型のコイル、または、原子セル３１を介して対向するヘルムホルツ型の１対のコイルである。コイル３４は、原子セル３１内に光ＬＬの光軸Ａに沿った方向の磁場を発生させる。これにより、原子セル３１に収容されたアルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップをゼーマン分裂により拡げて、分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。
【００５２】
支持部材４０は、図２に示すように、外容器６０の基部６７に片持ちで固定されている。支持部材４０は、例えば、基部６７の台座部６７ｂに、図３に示すように、２つのねじ４によって固定されている。支持部材４０の材質は、例えば、アルミニウム、銅である。支持部材４０は、炭素繊維を用いたカーボンシートであってもよい。なお、支持部材４０は、接着剤によって、基部６７に固定されていてもよい。
【００５３】
支持部材４０には、図２に示すように、例えば、貫通孔４２が設けられている。図２に示す例では、貫通孔４２は、支持部材４０をＺ軸方向に貫通している。Ｚ軸方向からみて、原子セルユニット３０は、貫通孔４２と重なる様に配置されている。
【００５４】
制御ユニット５０は、回路基板５５を有している。回路基板５５は、複数のリードピン５９を介して、外容器６０の基部６７に固定されている。回路基板５５は、図示しないＩＣ（Integrated Circuit）チップが配置されており、ＩＣチップは、温度制御部５１、光源制御部５２、磁場制御部５３、および温度制御部５４として機能する。ＩＣチップは、光源ユニット１０および原子セルユニット３０と電気的に接続されている。回路基板５５には、支持部材４０が挿通されている貫通孔５６が設けられている。光源ユニット１０、光学系ユニット２０、および原子セルユニット３０は、平面視において、貫通孔５６と重なって配置されている。
【００５５】
制御ユニット５０は、さらに、回路基板５５と光源ユニット１０とを接続する第１フレキシブル配線基板５７と、回路基板５５と原子セルユニット３０とを接続する第２フレキ
シブル配線基板５８と、を有している。なお、便宜上、図３では、フレキシブル配線基板５７，５８の図示を省略している。
【００５６】
外容器６０は、光源ユニット１０、光学系ユニット２０、原子セルユニット３０、支持部材４０、および制御ユニット５０を収容している。すなわち、外容器６０は、原子セル３１を収容している。外容器６０は、基部６７と、基部６７とは別体の蓋部６８と、を有している。
【００５７】
外容器６０の材質は、例えば、第１原子セル容器３６と同じである。そのため、外容器６０は、外部からの磁気を遮蔽することができ、外部からの磁気によって原子セル３１内のアルカリ金属原子が影響を受けることを抑えることができる。
【００５８】
ここで、図４は、原子発振器１００を模式的に示す断面図である。図５は、原子発振器１００を模式的に示す斜視図である。なお、便宜上、図４では、光源ユニット１０、光学系ユニット２０、原子セルユニット３０、および支持部材４０を簡略化して図示している。
【００５９】
外容器６０は、図４および図５に示すように、第１面６１と、第２面６２と、第３面６３と、第４面６４と、第５面６５と、第６面６６と、を有している。面６１，６２，６３，６４，６５，６６は、外容器６０の外表面である。面６１，６２，６３，６４，６５は、例えば、蓋部６８の面である。第６面６６は、例えば、基部６７の面である。外容器６０は、例えば、略直方体の形状を有している。
【００６０】
第１面６１および第２面６２は、互いに反対方向を向いている。図示の例では、面６１，６２は、互いに平行で、Ｙ軸方向を向いている。第３面６３および第４面６４は、互いに反対方向を向いている。図示の例では、面６３，６４は、互いに平行で、Ｘ軸方向を向いている。面６３，６４は、面６１，６２に接続されている。図示の例では、面６３，６４は、面６１，６２と直交している。第５面６５および第６面６６は、互いに反対方向を向いている。図示の例では、面６５，６６は、互いに平行で、Ｚ軸方向を向いている。第５面６５は、面６１，６２，６３，６４に接続されている。図示の例では、第５面６５は、面６１，６２，６３，６４と直交している。
【００６１】
第１面６１には、第１貫通孔６０ａが設けられている。第２面６２、第３面６３、第４面６４、第５面６５、および第６面６６の少なくとも１つには、第２貫通孔６０ｂが設けられている。図示の例では、第２貫通孔６０ｂは、第３面６３に設けられている。第２貫通孔６０ｂは、第１面６１には設けられていない。図５に示す例では、貫通孔６０ａ，６０ｂの形状は、楕円であるが、その形状は、特に限定されない。貫通孔６０ａ，６０ｂは、外容器６０の側壁を貫通して設けられている。図示の例では、貫通孔６０ａ，６０ｂは、１つずつ設けられている。
【００６２】
第１貫通孔６０ａは、図４に示すように、例えば、第１仮想平面Ｓ１に対して、第２貫通孔６０ｂとは反対側に配置されている。図示の例では、第１貫通孔６０ａは、第１仮想平面Ｓ１の−Ｙ軸方向側に配置され、第２貫通孔６０ｂは、第１仮想平面Ｓ１の＋Ｙ軸方向側に配置されている。第１仮想平面Ｓ１は、外容器６０の中心Ｃを通り、かつ、第１面６１に平行な面である。中心Ｃは、例えば、面６１，６２間の中間点であり、かつ、面６３，６４間の中間点であり、かつ、面６５，６６間の中間点である。
【００６３】
第１貫通孔６０ａは、例えば、第２仮想平面（他の仮想平面）Ｓ２に対して、第２貫通孔６０ｂとは反対側に配置されている。図示の例では、第１貫通孔６０ａは、第２仮想平面Ｓ２の＋Ｘ軸方向側に配置され、第２貫通孔６０ｂは、第２仮想平面Ｓ２の−Ｘ軸方向
側に配置されている。第２仮想平面Ｓ２は、外容器６０の中心Ｃを通り、かつ、第１面６１に垂直な面である。
【００６４】
光源ユニット１０、光学系ユニット２０、原子セルユニット３０、支持部材４０、およびフレキシブル配線基板５７，５８は、第１仮想平面Ｓ１に対して、第１貫通孔６０ａと同じ側に配置されている。すなわち、光源１２および原子セル３１は、第１仮想平面Ｓ１に対して、第１貫通孔６０ａと同じ側に配置されている。図示の例では、光源ユニット１０、光学系ユニット２０、原子セルユニット３０、支持部材４０、フレキシブル配線基板５７，５８、および第１貫通孔６０ａは、第１仮想平面Ｓ１の−Ｙ軸方向側に配置されている。
【００６５】
第１貫通孔６０ａは、第１封止部材７０によって封止されている。第２貫通孔６０ｂは、第２封止部材７２によって封止されている。封止部材７０，７２の材質は、例えば、はんだなどである。
【００６６】
なお、図示はしないが、貫通孔６０ａ，６０ｂは、ねじ穴であり、封止部材７０，７２は、それぞれ貫通孔６０ａ，６０ｂに螺合可能なねじであってもよい。また、図示はしないが、回路基板５５の第１仮想平面Ｓ１よりも＋Ｙ軸方向側の領域には、回路基板５５と電気的に接続された他の回路基板が積層されていてもよい。
【００６７】
原子セル３１には、気体のアルカリ金属原子（アルカリ金属原子ガス）と、窒素（Ｎ２）およびアルゴン（Ａｒ）を含む緩衝ガスが封入されている。原子セル３１には、例えば、気体のアルカリ金属原子および緩衝ガスのみが封入されている。緩衝ガスは、例えば、窒素およびアルゴンのみを含む。緩衝ガスは、例えば、気体のアルカリ金属原子同士が衝突して原子発振器１００の周波数安定度が低下することを抑制することができる。
【００６８】
緩衝ガスの全圧に対する緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｘ（％）は、下記式（１）を満たし、好ましくは下記式（２）を満たす。これにより、例えば、原子セル３１を小型化した場合に、優れた温度特性を実現することができる。すなわち、温度変化に対する周波数の変動を小さくすることができる。
【００６９】
１５．０≦ｘ≦４０．０  ・・・（１）
２５．０≦ｘ≦３７．０  ・・・（２）
【００７０】
なお、原子セル３１内（内部空間１３１）には、緩衝ガスとアルカリ金属原子ガスとからなる混合ガスが封入されているが、アルカリ金属原子ガスの分圧は、アルカリ金属原子の蒸気圧に等しいため、緩衝ガスの分圧に比べて極めて小さい。したがって、緩衝ガスの分圧は、緩衝ガスとアルカリ金属原子ガスとからなる混合ガスの圧力、すなわち、原子セル３１内の圧力に近似することができる。
【００７１】
外容器６０には、窒素およびアルゴンを含む混合ガスのみが封入されている。外容器６０に封入されているガスは、窒素およびアルゴンを含む混合ガスのみである。混合ガスは、例えば、窒素およびアルゴンのみを含む。緩衝ガスの全圧に対する緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｘ（％）、および混合ガスの全圧に対する混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｙ（％）は、下記式（３）を満たし、好ましくは下記式（４）を満たし、さらに好ましくは下記式（５）を満たす。
【００７２】
０．１３２ｘ＋５１．８≦ｙ≦０．１３２ｘ＋８６．９  ・・・（３）
０．１３２ｘ＋６７．６≦ｙ≦０．１３２ｘ＋７１．１  ・・・（４）
ｙ＝０．１３２ｘ＋６９．４  ・・・（５）
【００７３】
外容器６０内の圧力は、例えば、大気圧である。これにより、外部からの圧力（大気圧）によって外容器６０が凹むことを抑制することができる。
【００７４】
なお、原子セル３１内の所定のガスの分圧、または外容器６０内の所定のガスの分圧は、例えば、既知の温度および既知の雰囲気で、原子セル３１または外容器６０を破壊し、四重極型質量分析計Ｍ−４０１ＱＡ−ＭＵ／Ｇ（キヤノンアネルバ株式会社製）や、高分解能マルチターン飛行時間型質量分析装置ｉｎｆｉＴＯＦ−ＵＨＶ（日本カノマックス株式会社製）を用いて、質量分析を行うことにより、求めることができる。
【００７５】
第１貫通孔６０ａは、窒素およびアルゴンを含む混合ガスを、外容器６０内に供給するための供給孔（混合ガスの供給孔）である。第２貫通孔６０ｂは、外容器６０内に配置されていた大気を、外容器６０外に排出するための排気孔である。
【００７６】
次に、原子発振器１００の混合ガスの封入方法について、図面を参照しながら説明する。図６は、原子発振器１００の混合ガスの封入方法を説明するための図である。
【００７７】
図６に示すように、第１面６１が下方（重力が作用する方向）を向くようにして（図示の例では、−Ｙ軸方向を下向きとして）、第１貫通孔６０ａにチューブ８０を挿入する。チューブ８０は、例えば、ガスボンベ（図示せず）に接続されている。そして、チューブ８０から外容器６０内に混合ガスを供給する。混合ガスは、窒素よりもアルゴンの割合が大きいため、混合ガスは、大気よりも重い。そのため、混合ガスは、外容器６０内の下部から充満し、外容器６０内の大気を混合ガスに置換し易い。大気の平均モル質量は、２８．９７１ｇ／ｍｏｌであり、窒素の分子量は、２８．００６ｇ／ｍｏｌであり、アルゴンの分子量は、３９．９６２ｇ／ｍｏｌである。
【００７８】
混合ガスを供給する際の混合ガスの圧力は、例えば、０．２ＭＰａ／ｍ２以上０．４ＭＰａ／ｍ２以下である。混合ガスの圧力が０．２ＭＰａ／ｍ２より小さいと、外容器６０内に十分に混合ガスを供給できない場合がある。混合ガスの圧力が０．４ＭＰａ／ｍ２より大きいと、チューブ８０が第１貫通孔６０ａから外れてしまう場合がある。混合ガスを供給する際の供給時間は、例えば、２０秒間以上である。混合ガスの供給時間が２０秒間より小さいと、外容器６０内に十分に混合ガスを供給できない場合がある。
【００７９】
混合ガスを供給する際には、例えば、第２貫通孔６０ｂ近傍に、酸素濃度計８２を配置して行う。これにより、混合ガスによって、外容器６０内の大気を置換できたかどうかを確認することができる。酸素濃度計８２が所定の値になったら、図４に示すように、チューブ８０を第１貫通孔６０ａから外し、第１貫通孔６０ａを第１封止部材７０で封止し、第２貫通孔６０ｂを第２封止部材７２で封止する。
【００８０】
原子発振器１００の混合ガスの封入方法は、外容器６０に、光源ユニット１０、光学系ユニット２０、原子セルユニット３０、支持部材４０、および制御ユニット５０を収容する工程を、混合ガスの雰囲気で行ってもよい。これにより、より確実に、混合ガスのみを外容器６０に封入することができる。
【００８１】
原子発振器１００は、例えば、以下の効果を有する。
【００８２】
原子発振器１００では、上記式（１）かつ上記式（３）を満たす。原子発振器１００では、上記式（３）を満たすため、外容器６０内の雰囲気が大気の場合、外容器６０に窒素ガスのみが封入されている場合、および外容器６０にアルゴンガスのみが封入されている場合に比べて、周波数偏差の変動量、具体的には、アルカリ金属原子の基底準位の超微細
分裂周波数の変動を小さくすることができる。詳細は「実験例」の項で後述する。したがって、原子発振器１００では、長期周波数安定度が高い。さらに、原子発振器１００では、上記式（１）の関係を満たすため、優れた温度特性を有することができる。
【００８３】
原子発振器１００では、上記式（４）の関係を満たす。そのため、原子発振器１００では、周波数偏差の変動量を、より小さくすることができる。詳細は「実験例」の項で後述する。
【００８４】
原子発振器１００では、上記式（２）の関係を満たす。そのため、原子発振器１００では、より優れた温度特性を有することができる。
【００８５】
原子発振器１００では、第１面６１には、第１貫通孔６０ａが設けられ、第２面６２、第３面６３、第４面６４、第５面６５、および第６面６６の少なくとも１つには、第２貫通孔６０ｂが設けられている。そのため、例えば、第１貫通孔６０ａが混合ガスの供給孔であり、第２貫通孔６０ｂが大気の排気孔である場合に、第１貫通孔６０ａおよび第２貫通孔６０ｂが第１面６１に設けられている場合に比べて、混合ガスを外容器６０に封入する際に、混合ガスの流路が偏り難く、外容器６０内の大気を混合ガスで置換し易い。
【００８６】
さらに、原子発振器１００では、外容器６０に混合ガスのみが封入されているため、大気に含まれる水分起因の加水分解による接着剤劣化を抑制することができる。接着剤は、例えば、支持部材４０を基部６７に固定させるためなどに用いられる。
【００８７】
原子発振器１００では、第１貫通孔６０ａは、第１仮想平面Ｓ１に対して、第２貫通孔６０ｂとは反対側に配置されている。そのため、原子発振器１００では、例えば第１貫通孔６０ａおよび第２貫通孔６０ｂが第１仮想平面Ｓ１に対して同じ側に配置されている場合に比べて、第１仮想平面Ｓ１に対して第１貫通孔６０ａとは反対側にまで、混合ガスを供給し易い。
【００８８】
原子発振器１００では、第１貫通孔６０ａは、第２仮想平面Ｓ２に対して、第２貫通孔６０ｂとは反対側に配置されている。そのため、原子発振器１００では、例えば、第１貫通孔６０ａおよび第２貫通孔６０ｂが第２仮想平面Ｓ２の同じ側に配置されて、第１面６１の垂線（図示せず）に沿って並んでいる場合に比べて、第２貫通孔６０ｂから排気される混合ガスの量を低減することができる。
【００８９】
原子発振器１００では、第２貫通孔６０ｂは、第３面６３に設けられている。そのため、原子発振器１００では、例えば第２貫通孔６０ｂが第２面６２に設けられている場合に比べて、混合ガスを外容器６０内に供給する際に、混合ガスが外容器６０の第２面６２を構成する側壁に当たって、混合ガスが拡散し易い。したがって、原子発振器１００では、混合ガスを外容器６０に封入する際に、より、外容器６０内の大気を混合ガスで置換し易い。
【００９０】
原子発振器１００では、第１貫通孔６０ａは、混合ガスの供給孔であり、光源１２および原子セル３１は、第１仮想平面Ｓ１に対して、第１貫通孔６０ａと同じ側に配置されている。そのため、原子発振器１００では、光源１２および原子セル３１が第１仮想平面Ｓ１に対して第１貫通孔６０ａと異なる側に配置されている場合に比べて、混合ガスを外容器６０内に供給する際に、混合ガスが光源１２や原子セル３１が当たって拡散し易い。したがって、原子発振器１００では、混合ガスを外容器６０に封入する際に、より、外容器６０内の大気を混合ガスで置換し易い。
【００９１】
２．  原子発振器の変形例
２．１．  第１変形例
次に、本実施形態の第１変形例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７は、本実施形態の第１変形例に係る原子発振器１１０を模式的に示す断面図である。
【００９２】
なお、便宜上、図７および後述する図８では、光源ユニット１０、光学系ユニット２０、原子セルユニット３０、および支持部材４０を簡略化して図示している。
【００９３】
以下、第１実施形態の第１変形例に係る原子発振器１１０において、上述した本実施形態に係る原子発振器１００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。このことは、以下に示す第１実施形態の第２変形例に係る原子発振器において、同様である。
【００９４】
上述した原子発振器１００では、図４に示すように、第２貫通孔６０ｂは、１つ設けられていた。これに対し、原子発振器１１０では、図７に示すように、第２貫通孔６０ｂは、２つ設けられている。
【００９５】
図７に示す例では、一方の第２貫通孔６０ｂは、第１仮想平面Ｓ１に対して、第１貫通孔６０ａと同じ側（−Ｙ軸方向側）に配置されている。他方の第２貫通孔６０ｂは、第１仮想平面Ｓ１に対して、第１貫通孔６０ａと反対側（＋Ｙ軸方向側）に配置されている。
【００９６】
原子発振器１１０は、貫通孔６０ａ，６０ｂが第１面６１に設けられている場合に比べて、外容器６０内の大気を混合ガスで置換し易いが、２つの第２貫通孔６０ｂを封止しなければならず、その分、手間がかかることを考慮すると、原子発振器１００の方が好ましい。
【００９７】
２．２．  第２変形例
次に、本実施形態の第２変形例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８は、本実施形態の第２変形例に係る原子発振器１２０を模式的に示す平面図である。
【００９８】
上述した原子発振器１００では、図４に示すように、第２貫通孔６０ｂは、第３面６３に設けられていた。これに対し、原子発振器１２０では、図８に示すように、第２貫通孔６０ｂは、第２面６２に設けられている。
【００９９】
原子発振器１２０は、貫通孔６０ａ，６０ｂが第１面６１に設けられている場合に比べて、外容器６０内の大気を混合ガスで置換し易いが、原子発振器１００の方が、外容器６０内に混合ガスを供給する際に、混合ガスが外容器６０の第２面６２を構成する側壁に当たって、混合ガスが拡散し易い。
【０１００】
なお、図示はしないが、第２貫通孔６０ｂは、第４面６４に設けられていてもよいし、第５面６５に設けられていてもよいし、第６面６６に設けられていてもよい。また、第２貫通孔６０ｂは、第１面６１に設けられていなければ、第３面６３および第４面６４など、複数の面に設けられていてもよい。
【０１０１】
３．  周波数信号生成システム
次に、本実施形態に係る周波数信号生成システムについて、図面を参照しながら説明する。以下のクロック伝送システム（タイミングサーバー）は、周波数信号生成システムの一例である。図９は、クロック伝送システム９００を示す概略構成図である。
【０１０２】
本発明に係るクロック伝送システムは、本発明に係る原子発振器を含む。以下では、一例として、原子発振器１００を含むクロック伝送システム９００について説明する。
【０１０３】
クロック伝送システム９００は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Normal）系およびＥ（Emergency）系の冗長構成を有するシステムである。
【０１０４】
クロック伝送システム９００は、図９に示すように、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置９０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置９０２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置９０３およびＳＤＨ装置９０４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置９０５およびＳＤＨ装置９０６，９０７と、を備える。クロック供給装置９０１は、原子発振器１００を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置９０１内の原子発振器１００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック９０８，９０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
【０１０５】
ＳＤＨ装置９０２は、クロック供給装置９０１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置９０５に伝送する。クロック供給装置９０３は、原子発振器１００を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置９０３内の原子発振器１００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック９０８，９０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
【０１０６】
ＳＤＨ装置９０４は、クロック供給装置９０３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置９０５に伝送する。クロック供給装置９０５は、クロック供給装置９０１，９０３からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。
【０１０７】
クロック供給装置９０５は、通常、クロック供給装置９０１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置９０５は、クロック供給装置９０３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。ＳＤＨ装置９０６は、クロック供給装置９０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置９０７は、クロック供給装置９０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局またはＢ局の装置と同期させることができる。
【０１０８】
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、クロック伝送システムに限定されない。周波数信号生成システムは、原子発振器が搭載され、原子発振器の周波数信号を利用する各種の装置および複数の装置から構成されるシステムを含む。
【０１０９】
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、液体吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ（point of sales）端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡、心磁計）、魚群探知機、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）周波数標準器、各種測定機器、計器類（例えば、自
動車、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、移動体（自動車、航空機、船舶等）であってもよい。
【０１１０】
４．  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。
【０１１１】
４．１．  第１実験例
上述した図２〜図５に示すような原子セルおよび外容器のモデルにおいて、下記のシミュレーションを行った。
【０１１２】
４．１．１．  経過時間に対する周波数偏差の変化
まず、経過時間に対する原子セル内の分圧Ｐｉｎ（ｔ）の変化を計算した。Ｐｉｎ（ｔ）は、下記式（６）に基づいて算出した。
【０１１３】
【数１】
2019160878.tif 000003
【０１１４】
なお、上記式（６）において、Ｐｉｎ（ｔ＝０）は、原子セル内の圧力の初期値［Ｔｏｒｒ］である。Ｐｅｘｔは、外容器内の圧力（原子セル外の圧力）の初期値［Ｔｏｒｒ］である。Ｌは、ガスの原子セルに対する透過レート［Ｔｏｒｒ・Ｌ／ｓ］である。Ｖは、原子セル内の容積［Ｌ］である。Ｐｒｅｆは、大気圧［Ｔｏｒｒ］である。なお、Ｐｉｎ（ｔ＝０）、Ｐｅｘｔ、およびＬは、分圧を計算する対象となる分子についての値である。
【０１１５】
具体的には、原子セル内には窒素ガスおよびアルゴンガスのみが封入されているとし、原子セル内の窒素の分圧の初期値を７２．５Ｔｏｒｒとし、原子セル内のアルゴンの分圧の初期値を２７．５Ｔｏｒｒとした。窒素の透過レートを、５．１２×１０−１６（５．１２Ｅ−１６）Ｔｏｒｒ・Ｌ／ｓとした。アルゴンの透過レートを、５．１２×１０−１６Ｔｏｒｒ・Ｌ／ｓとした。原子セル内の容積を、１１１．３３μＬとした。大気圧を、７６０Ｔｏｒｒとした。
【０１１６】
次に、外容器に窒素ガスのみを封入した場合と、外容器にアルゴンガスのみを封入した場合と、において、時刻ｔにおける原子発振器の周波数Δν（ｔ）を計算した。Δν（ｔ）は、下記式（７）に基づいて算出した。
【０１１７】
【数２】
2019160878.tif 000004
【０１１８】
なお、上記式（７）において、Ｐ０は、温度Ｔ０における原子セル内の圧力［Ｔｏｒｒ］であり、Ｐ０に式（６）の分圧Ｐｉｎ（ｔ）を代入することで、各時刻におけるΔν（ｔ）を算出した。Ｔ０は、参照温度であり、２５℃である。Ｔは、原子セルの温度であり、６５℃である。β、δ、およびγは、セシウムに対する圧力係数または温度係数であり、下記表１のように設定した。また、原子セル内の窒素の分圧の初期値（時刻０における値）を７２．５Ｔｏｒｒとし、原子セル内のアルゴンの分圧の初期値を２７．５Ｔｏｒｒとした。また、表１には、窒素およびアルゴンの他、ネオンのβ、δ、γと、ヘリウムおよび水素のβ、δについても記載している。
【０１１９】
【表１】
2019160878.tif 000005
【０１２０】
次に、各時刻における周波数偏差ｆｄｅｖを下記式（８）に基づいて算出した。
【０１２１】
ｆｄｅｖ＝（Δν（ｔ）−Δν（０））／νｈｆｓ  ・・・（８）
【０１２２】
上記式（８）において、Δν（０）は、式（７）によって求めた時刻０における周波数である。Δν（ｔ）は、式（７）によって求めた時刻ｔにおける周波数である。νｈｆｓは、基底準位の超微細分裂周波数［Ｈｚ］であり、セシウムの場合は、９．１９２ＧＨｚである。
【０１２３】
図１０は、外容器に窒素ガスのみ、アルゴンガスのみ、および混合（窒素＋アルゴン）ガスのみを封入した場合の、経過時間に対する周波数偏差ｆｄｅｖの変化量を示すグラフである。混合ガスは、窒素およびアルゴンのみを含むものとし、混合ガスの全圧に対するアルゴンの分圧の比を、７３％とした。すなわち、混合ガスにおいて、窒素の分圧：アルゴンの分圧＝２７：７３である。外容器内の圧力は、７６０Ｔｏｒｒとした。周波数Δν（ｔ）は、下記式（９）に基づいて算出した。
【０１２４】
【数３】
2019160878.tif 000006
【０１２５】
なお、上記式（９）において、ＰＮ２は、温度Ｔ０における原子セル内の窒素の分圧［Ｔｏｒｒ］である。ＰＡｒは、温度Ｔ０における原子セル内のアルゴンの分圧［Ｔｏｒｒ］である。βＮ２、δＮ２、およびγＮ２は、窒素のセシウムに対する圧力計数または温度係数である。βＡｒ、δＡｒ、およびγＡｒは、アルゴンのセシウムに対する圧力係数または温度係数である。このことは、下記式１３について同様である。また、原子セル内の窒素の分圧の初期値を７２．５Ｔｏｒｒとし、原子セル内のアルゴンの分圧の初期値を２７．５Ｔｏｒｒとした。
【０１２６】
図１０において、縦軸は、周波数偏差ｆｄｅｖを示しており、初期値はゼロである。図１０において、縦軸の値がプラスの場合は、原子発振器の周波数が高くなり、縦軸の値がマイナスの場合は、原子発振器の周波数が低くなったことを意味している。このことは、以下に示す図１１，１２において同様である。
【０１２７】
図１０に示すように、外容器に窒素ガスを封入した場合は、時間経過とともに、周波数が高くなり、外容器にアルゴンガスを封入した場合は、時間経過とともに、周波数が低く
なった。外容器に混合ガスを封入した場合は、時間経過に対して、周波数はほとんど変化しなかった。図１０より、外容器に窒素ガスを封入した場合の、経過時間ｘに対する周波数偏差ｙは、下記式（１０）に近似することができる。また、外容器にアルゴンガスを封入した場合の、経過時間ｘに対する周波数偏差ｙは、下記式（１１）に近似することができる。また、外容器に混合ガスを封入した場合の、経過時間ｘに対する周波数偏差ｙは、下記式（１２）に近似することができる。
【０１２８】
ｙ＝４．１５×１０−１４ｘ＋１．６１×１０−１９  ・・・（１０）
ｙ＝−１．５４×１０−１４ｘ−５．８５×１０−２０  ・・・（１１）
ｙ＝−１．５９×１０−１７ｘ−１．２６×１０−２２  ・・・（１２）
【０１２９】
次に、外容器の雰囲気を大気とした場合の、経過時間に対する周波数偏差ｆｄｅｖを計算した。図１１は、外容器の雰囲気を大気とした場合の、経過時間に対する周波数偏差ｆｄｅｖを示すグラフである。原子セル内の窒素の分圧の初期値を７２．５Ｔｏｒｒとし、原子セル内のアルゴンの分圧の初期値を２７．５Ｔｏｒｒとした。なお、比較のため、図１１には、外容器に窒素ガスのみを封入した場合の、経過時間に対する周波数偏差ｆｄｅｖを示すグラフも図示している。
【０１３０】
図１１に示すように、外容器の雰囲気を大気とした場合は、外容器に窒素ガスを封入した場合に比べて、周波数偏差ｆｄｅｖが大きかった。
【０１３１】
次に、各時刻における周波数偏差ｆｄｅｖを式（８）に基づいて算出した。
【０１３２】
表２は、外容器に上記混合ガス（窒素＋アルゴン）を封入した場合、外容器に窒素ガスのみを封入した場合、外容器にアルゴンガスのみを封入した場合、および外容器の雰囲気を大気とした場合の、１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量を示す表である。表２の「窒素＋アルゴン」、「窒素」、「アルゴン」、および「大気」の値は、図１０，１１に基づくものである。
【０１３３】
なお、大気の計算では、セシウムと化学的に反応せず、緩衝ガスとして機能するガスについてのみ行った。例えば酸素は、セシウムと反応するため、考慮していない。また、二酸化酸素は、酸素よりも分子の直径が大きく、酸素よりもさらに原子セルを透過し難いと考えられるため、考慮していない。
【０１３４】
大気の周波数Δν（ｔ）は、下記式（１３）に基づいて算出した。
【０１３５】
【数４】
2019160878.tif 000007
【０１３６】
なお、上記式（１３）において、ＰＮｅは、温度Ｔ０における原子セル内のネオンの分圧［Ｔｏｒｒ］である。ＰＨｅは、温度Ｔ０における原子セル内のヘリウムの分圧［Ｔｏ
ｒｒ］である。ＰＨ２は、温度Ｔ０における原子セル内の水素の分圧［Ｔｏｒｒ］である。βＮｅ、δＮｅ、およびγＮｅは、ネオンのセシウムに対する圧力係数または温度係数である。βＨｅ、およびδＨｅは、ヘリウムのセシウムに対する圧力係数または温度係数である。βＨ２、およびδＨ２は、水素のセシウムに対する圧力係数または温度係数である。各気体のβ、δ、およびγは、表１のように設定した。
【０１３７】
また、大気の外容器内の窒素、アルゴン、ネオン、ヘリウム、および水素の分圧の初期値を、それぞれ、５９３．４３８４Ｔｏｒｒ、７．０９８４Ｔｏｒｒ、０．０１３８Ｔｏｒｒ、０．００４０Ｔｏｒｒ、０．０００４Ｔｏｒｒと設定した。
【０１３８】
【表２】
2019160878.tif 000008
【０１３９】
表２より、外容器に混合ガスを封入することにより、外容器に窒素ガスまたはアルゴンを封入した場合、または外容器内の雰囲気が大気である場合に比べて、周波数偏差ｆｄｅｖの変化量を小さくできることがわかった。
【０１４０】
表２より、窒素の周波数偏差ｆｄｅｖの変化量は、プラスであり、アルゴンの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量は、マイナスである。また、表１より、窒素の圧力係数の絶対値は、アルゴンの圧力係数の絶対値よりも大きい。そのため、混合ガスにおいて、アルゴンよりも窒素の分圧を小さく設定することによって、全体の周波数の変化をキャンセルできると考えられる。
【０１４１】
４．１．２．  混合ガスのアルゴン分圧における周波数偏差の変化量
次に、外容器の混合ガスのアルゴンの分圧を変化させて、周波数偏差ｆｄｅｖの変化量を０日から１００日までの期間について計算した。図１２は、原子セル内の緩衝ガスの全圧に対する緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合を２５％（アルゴンの分圧：窒素の分圧＝２５：７５）とした場合の、外容器の混合ガスの全圧に対する混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合と、周波数偏差ｆｄｅｖの変化量と、の関係を示すグラフである。
【０１４２】
図１２のようなグラフを、原子セル内の緩衝ガスの全圧に対する緩衝ガスに含まれるアルゴンの割合を、０％〜１００％まで変化させて作成することで、図１３を作成した。図１３は、原子セル内の緩衝ガスの全圧に対する緩衝ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合と、外容器内の混合ガスの全圧に対する混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合と、の関係を示すグラフである。
【０１４３】
図１３において、直線Ｌ１は、１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量がゼロとなるプロットの近似線である。直線Ｌ２は、１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量が＋１×１０−１５となるプロットの近似線である。直線Ｌ３は、１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量が−１×１０−１５となるプロットの近似線である。直線Ｌ４は、１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量が＋１×１０−１４となるプロットの近似線である。直線Ｌ５は、１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量が−１×１０−１４となるプロット
の近似線である。直線Ｌ１〜Ｌ５は、下記のように表される。
【０１４４】
直線Ｌ１：ｙ＝０．１３２ｘ＋６９．４
直線Ｌ２：ｙ＝０．１３２ｘ＋６７．６
直線Ｌ３：ｙ＝０．１３２ｘ＋７１．１
直線Ｌ４：ｙ＝０．１３２ｘ＋５１．８
直線Ｌ５：ｙ＝０．１３２ｘ＋８６．９
【０１４５】
したがって、緩衝ガスの全圧に対する緩衝ガスに含まれるアルゴンの割合ｘ、外容器内の混合ガスの全圧に対する混合ガスに含まれるアルゴンの分圧の割合ｙが
０．１３２ｘ＋５１．８≦ｙ≦０．１３２ｘ＋８６．９
の関係を満たすことにより、１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量を±１×１０−１４以下にできることがわかった。１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量を±１×１０−１４以下であれば、外容器の雰囲気が大気の場合、外容器に窒素ガスのみが封入されている場合、および外容器にアルゴンガスのみが封入されている場合に比べて、周波数の変化量を小さくすることができ（表２参照）、原子発振器として良好な周波数安定度を有することができる。
【０１４６】
さらに、割合ｘおよび割合ｙが
０．１３２ｘ＋６７．６≦ｙ≦０．１３２ｘ＋７１．１
の関係を満たすことにより、１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量を±１×１０−１５以下にできることがわかった。１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量を±１×１０−１５以下であれば、原子発振器として、より良好な周波数安定度を有することができる。
【０１４７】
さらに、割合ｘおよび割合ｙが
ｙ＝０．１３２ｘ＋６９．４
の関係を満たすことにより、１日当たりの周波数偏差ｆｄｅｖの変化量を０にできることがわかった。
【０１４８】
４．２．  第２実験例
次に、外容器に窒素ガスを供給する際のガスの流路について、シミュレーションを行った。具体的には、図１４に示すモデルＭ１と、図１５に示すモデルＭ２において、有限要素法によるシミュレーションを行った。
【０１４９】
図１４および図１５では、外容器Ｐが透視されている。モデルＭ１，Ｍ２は、図１４および図１５に示すように、光源ユニットＵ１、光学系ユニットＵ２、原子セルユニットＵ３、および制御ユニットＵ４を含む。モデルＭ１では、図１４に示すように、窒素ガスを供給するための第１貫通孔ＨＩＮと、大気を排気するための第２貫通孔ＨＯＵＴは、外容器Ｐの異なる面に設けられている。モデルＭ１では、第２貫通孔ＨＯＵＴは、２つ設けられている。モデルＭ２では、図１５に示すように、窒素ガスを供給するための第１貫通孔ＨＩＮと、大気を排気するための第２貫通孔ＨＯＵＴは、外容器Ｐの同じ面に設けられている。
【０１５０】
上記のようなモデルＭ１およびモデルＭ２において、外容器Ｐ内に窒素ガスを供給させた場合のシミュレーションを行った。図１４および図１５では、窒素ガスの流路Ｆを破線で示している。
【０１５１】
図１４および図１５より、モデルＭ１では、窒素ガスの流路Ｆが外容器Ｐ内の全体で確認できたが、モデルＭ２では、窒素ガスの流路Ｆが偏っていた。これにより、貫通孔ＨＩ
Ｎ，ＨＯＵＴが外容器Ｐの異なる面に設けられている方が、貫通孔ＨＩＮ，ＨＯＵＴが外容器Ｐの同じ面に設けられている場合に比べて、窒素ガスの流路Ｆが偏り難く、外容器Ｐ内の大気を窒素ガスで置換し易いことがわかった。
【０１５２】
なお、窒素ガスを、窒素およびアルゴンを含む混合ガスに代えても、図１４および図１５と同様の結果が得られると予想される。
【０１５３】
４．３．  第３実験例
次に、実際に、図１４に示すような原子発振器を作製し、窒素ガスの置換率を測定した。
【０１５４】
窒素ガスの供給孔である第１貫通孔が設けられた面を上向き（重力が作用する方向とは反対の方向）として、第１貫通孔から外容器内に窒素ガスを供給した。窒素ガスを供給する際の窒素ガスの圧力を、０．３ＭＰａ／ｍ２とし、供給時間を３０秒間以上とした。窒素ガスの供給開始から２０秒後に、大気を排気させるための第２貫通孔近傍の酸素濃度計は、１００ｐｐｍ（体積％）以下となったため、外容器は、窒素ガスのみによって封入されたといえる。酸素濃度計としては、低濃度ジルコニア式酸素濃度計ＯＸ４００（横河電機株式会社製）を用いた。なお、窒素ガスの供給孔である第１貫通孔が設けられた面を上向きとしたのは、窒素が大気よりも軽いためである。
【０１５５】
本実験により、窒素ガスの供給孔である第１貫通孔と、大気を排気させるための第２貫通孔と、を外容器の異なる面に設けることにより、窒素ガスのみを外容器に封入できることがわかった。
【０１５６】
なお、窒素ガスを、窒素とアルゴンとを含む混合ガスに代えても、第１貫通孔が設けられた面が上方を向くようにして、混合ガスを供給すれば、窒素ガスと同様の結果が得られると予想される。
【０１５７】
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。
【０１５８】
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】
【０１５９】
２，３，４…ねじ、１０…光源ユニット、１１…ペルチェ素子、１２…光源、１３…温度センサー、１４…光源容器、１５…光源基板、２０…光学系ユニット、２１…減光フィルター、２２…レンズ、２３…１／４波長板、２４…ホルダー、２５…貫通孔、３０…原子セルユニット、３１…原子セル、３２…光検出素子、３３…温度センサー、３４…コイル、３５…保持部材、３６…第１原子セル容器、３６ａ…貫通孔、３７…第２原子セル容器、３７ａ…貫通孔、３８…ヒーターユニット、３８ａ…加熱素子、３９…伝熱部材、４０…支持部材、４１…支持板、４２…貫通孔、５０…制御ユニット、５１…温度制御部、５２…光源制御部、５３…磁場制御部、５４…温度制御部、５５…回路基板、５６…貫通孔、５７…第１フレキシブル配線基板、５８…第２フレキシブル配線基板、５９…リードピン、６０…外容器、６０ａ…第１貫通孔、６０ｂ…第２貫通孔、６１…第１面、６２…第２面、６３…第３面、６４…第４面、６５…第５面、６６…第６面、６７…基部、６７ａ
…内面、６７ｂ…台座部、６８…蓋部、７０…第１封止部材、７２…第２封止部材、８０…チューブ、８２…酸素濃度計、１００，１１０，１２０…原子発振器、１３１…内部空間、１３１ａ…第１空間、１３１ｂ…第２空間、１３１ｃ…連通路、９００…クロック伝送システム、９０１…クロック供給装置、９０２…ＳＤＨ装置、９０３…クロック供給装置、９０４…ＳＤＨ装置、９０５…クロック供給装置、９０６，９０７…ＳＤＨ装置、９０８，９０９…マスタークロック
【図１】
2019160878.tif 000009
【図２】
2019160878.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019160878.tif 000014
【図７】
2019160878.tif 000015
【図８】
2019160878.tif 000016
【図９】
2019160878.tif 000017
【図１０】
2019160878.tif 000018
【図１１】
2019160878.tif 000019
【図１２】
2019160878.tif 000020
【図１３】
2019160878.tif 000021
【図１４】
2019160878.tif 000022
【図１５】
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