(57)【要約】【課題】ガスセルを小型化しても、優れた周波数安定度を実現することができるガスセル、量子干渉装置および原子発振器を提供すること、また、かかるガスセルを備える信頼性に優れた電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】本発明のガスセル２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し、緩衝ガスは、窒素ガスを含んでおり、内部空間における窒素ガスの分圧が３０Ｔｏｒｒ以上である。また、ガスセル２は、１対の窓部２２、２３および胴部２１とを備えており、１対の窓部２２、２３が並ぶ方向に沿った内部空間の長さが１０ｍｍ以下であり、１対の窓部２２、２３が並ぶ方向に対して垂直な方向に沿った内部空間の幅が１０ｍｍ以下である。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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し、
前記緩衝ガスは、窒素ガスを含んでおり、
前記内部空間における前記窒素ガスの分圧が３０Ｔｏｒｒ以上であることを特徴とするガスセル。
【請求項２】
前記緩衝ガスは、アルゴンガスをさらに含んでいる請求項１に記載のガスセル。
【請求項３】
前記緩衝ガスは、クリプトンガスをさらに含んでいる請求項１または２に記載のガスセル。
【請求項４】
前記金属原子がセシウム原子である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセル。
【請求項５】
前記金属原子がルビジウム原子である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセル。
【請求項６】
１対の窓部と、
前記１対の窓部の間に配置され、前記１対の窓部とともに前記内部空間を構成している胴部と、を備えており、
前記１対の窓部が並ぶ方向に沿った前記内部空間の長さが１０ｍｍ以下である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガスセル。
【請求項７】
前記１対の窓部が並ぶ方向に対して垂直な方向に沿った前記内部空間の幅が１０ｍｍ以下である請求項６に記載のガスセル。
【請求項８】
前記緩衝ガスは、ネオンガスを実質的に含まない請求項１ないし７のいずれか１項に記載のガスセル。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のガスセルを備えることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のガスセルを備えることを特徴とする原子発振器。
【請求項１１】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のガスセルを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１２】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のガスセルを備えることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周波数長期安定度の優れた発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の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。
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。
いずれの方式の原子発振器においても、通常、アルカリ金属を緩衝ガスとともにガスセル内に封入している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、近年、原子発振器の小型化の要請に伴って、ガスセルの小型化が求められている。小型なガスセルにおいては、周波数短期安定度を高める目的から、緩衝ガスの圧力を高める必要がある。
しかし、緩衝ガスの圧力を高くした（例えば３０Ｔｏｒｒ以上とした）場合、緩衝ガスとしてネオンを用いると、周波数長期安定度が低下するという問題があった。かかる問題は、ネオンがガスセルの内壁に拡散しやすい傾向があり、ガスセル内の圧力が高くなると、その傾向が顕著になるためと推察される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４５８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、ガスセルを小型化しても、優れた周波数安定度を実現することができるガスセル、量子干渉装置および原子発振器を提供すること、また、かかるガスセルを備える信頼性に優れた電子機器および移動体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。
［適用例１］
本発明のガスセルは、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し、
前記緩衝ガスは、窒素ガスを含んでおり、
前記内部空間における前記窒素ガスの分圧が３０Ｔｏｒｒ以上であることを特徴とする。
【０００７】
このようなガスセルによれば、窒素ガスが内部空間の壁面へ拡散し難いため、長期にわたり内部空間における緩衝ガスの圧力の安定化を図ることができる。そのため、優れた周波数長期安定度を実現することができる。特に、窒素ガスの分圧が３０Ｔｏｒｒ以上であるため、緩衝ガスとしてネオンガスを用いた場合と比較して周波数長期安定度が高くなり、このような効果が顕著となる。
また、窒素ガスの分圧が３０Ｔｏｒｒ以上という高圧であるため、ガスセルを小型化しても、ガスセル内の緩衝ガスの作用が好適に発揮され、優れた周波数短期安定度を実現することができる。
【０００８】
［適用例２］
本発明のガスセルでは、前記緩衝ガスは、アルゴンガスをさらに含んでいることが好ましい。
アルゴンガスは、窒素ガスと反対の温度特性を有する。したがって、緩衝ガスが窒素ガスおよびアルゴンガスを含んでいると、互いに温度特性を相殺することができる。そのため、優れた温度特性を実現する（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。
【０００９】
［適用例３］
本発明のガスセルでは、前記緩衝ガスは、クリプトンガスをさらに含んでいることが好ましい。
クリプトンガスは、窒素ガスと反対の温度特性を有する。したがって、緩衝ガスが窒素ガスおよびクリプトンガスを含んでいると、互いに温度特性を相殺することができる。そのため、優れた温度特性を実現する（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。
【００１０】
［適用例４］
本発明のガスセルでは、前記金属原子がセシウム原子であることが好ましい。
これにより、二重共鳴現象を利用した方式や、量子干渉効果を利用した方式の量子干渉装置に利用可能なガスセルを比較的容易に実現することができる。
［適用例５］
本発明のガスセルでは、前記金属原子がルビジウム原子であることが好ましい。
これにより、二重共鳴現象を利用した方式や、量子干渉効果を利用した方式の量子干渉装置に利用可能なガスセルを比較的容易に実現することができる。
【００１１】
［適用例６］
本発明のガスセルでは、１対の窓部と、
前記１対の窓部の間に配置され、前記１対の窓部とともに前記内部空間を構成している胴部と、を備えており、
前記１対の窓部が並ぶ方向に沿った前記内部空間の長さが１０ｍｍ以下であることが好ましい。
これにより、小型なガスセルを提供することができる。また、このような小型なガスセルは、優れた特性を発揮するために、緩衝ガスの分圧を高くする必要がある。したがって、本発明は、このような小型なガスセルに適用することにより、効果が顕著となる。
【００１２】
［適用例７］
本発明のガスセルでは、前記１対の窓部が並ぶ方向に対して垂直な方向に沿った前記内部空間の幅が１０ｍｍ以下であることが好ましい。
これにより、小型なガスセルを提供することができる。また、このような小型なガスセルは、優れた特性を発揮するために、緩衝ガスの分圧を高くする必要がある。したがって、本発明は、このような小型なガスセルに適用することにより、効果が顕著となる。
【００１３】
［適用例８］
本発明のガスセルでは、前記緩衝ガスは、ネオンガスを実質的に含まないことが好ましい。
これにより、長期にわたって緩衝ガスの分圧の安定化を図ることができる。
［適用例９］
本発明の量子干渉装置は、本発明のガスセルを備えることを特徴とする。
これにより、ガスセルを小型化しても、優れた周波数安定度を実現することができる。
【００１４】
［適用例１０］
本発明の原子発振器は、本発明のガスセルを備えることを特徴とする。
これにより、ガスセルを小型化しても、優れた周波数安定度を実現することができる。
［適用例１１］
本発明の電子機器は、本発明のガスセルを備えることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する電子機器を提供することができる。
［適用例１２］
本発明の移動体は、本発明のガスセルを備えることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。
【図２】アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。
【図３】光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す原子発振器が備えるガスセルの縦断面図である。
【図５】図４に示すガスセルの横断面図である。
【図６】緩衝ガスの種類（ネオン、窒素、アルゴン）ごとに緩衝ガスの分圧と長期周波数安定度の関係を示すグラフである。
【図７】ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の移動体の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明のガスセル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の量子干渉装置を備える原子発振器）について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。また、図２は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。また、図３は、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。
この原子発振器１は、図１に示すように、ガスセル２（ガスセル）と、光出射部３と、光学部品４１、４２、４３、４４と、光検出部５と、ヒーター６と、温度センサー７と、磁場発生部８と、制御部１０とを備える。
【００１８】
まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
図１に示すように、原子発振器１では、光出射部３がガスセル２に向けて励起光ＬＬを出射し、ガスセル２を透過した励起光ＬＬを光検出部５が検出する。
ガスセル２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されており、アルカリ金属は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００１９】
光出射部３から出射された励起光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光１、２を含んでおり、この２種の共鳴光１、２を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射したとき、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２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１、２は、いずれも、アルカリ金属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。
【００２０】
例えば、光出射部３が共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２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５の検出強度は、図３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信号として検出する。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信号を用いることにより、発振器を構成することができる。
【００２１】
以下、原子発振器１の各部を順次説明する。
［ガスセル］
ガスセル２内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、ガスセル２内には、緩衝ガスがアルカリ金属ガスとともに封入されている。
特に、ガスセル２は、緩衝ガスとして高圧の窒素ガスを用いている。これにより、ガスセル２の小型化を図りつつ、原子発振器１の優れた周波数安定度を実現している。なお、ガスセル２の詳細については、後に詳述する。
【００２２】
［光出射部］
光出射部３（光源）は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有する。
より具体的には、光出射部３は、励起光ＬＬとして、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射する。
【００２３】
共鳴光１は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態へ励起（共鳴）し得るものである。一方、共鳴光２は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態へ励起（共鳴）し得るものである。
この光出射部３としては、前述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。
なお、光出射部３は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度（例えば４０℃程度）に温度調節される。
【００２４】
［光学部品］
複数の光学部品４１、４２、４３、４４は、それぞれ、前述した光出射部３とガスセル２との間における励起光ＬＬの光路上に設けられている。
ここで、光出射部３側からガスセル２側へ、光学部品４１、光学部品４２、光学部品４３、光学部品４４の順に配置されている。
【００２５】
光学部品４１は、レンズである。これにより、励起光ＬＬを無駄なくガスセル２へ照射することができる。
また、光学部品４１は、励起光ＬＬを平行光とする機能を有する。これにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁で反射するのを簡単かつ確実に防止することができる。そのため、ガスセル２内での励起光の共鳴を好適に生じさせ、その結果、原子発振器１の発振特性を高めることができる。
【００２６】
光学部品４２は、偏光板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬの偏光を所定方向に調整することができる。
光学部品４３は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、ガスセル２に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光出射部３の出力が大きい場合でも、ガスセル２に入射する励起光を所望の光量とすることができる。本実施形態では、前述した光学部品４２を通過した所定方向の偏光を有する励起光ＬＬの強度を光学部品４３により調整する。
光学部品４４は、λ／４波長板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。
【００２７】
後述するように磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、仮に直線偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位に均等に分散して存在することとなる。その結果、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数が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少なくなるため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が減少し、所望のＥＩＴ信号の強度が小さくなり、その結果、原子発振器１の発振特性の低下をもたらす。
【００２８】
これに対し、後述するように磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、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することができる。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信号の強度が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。
【００２９】
［光検出部］
光検出部５は、ガスセル２内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
この光検出部５としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。
【００３０】
［ヒーター］
ヒーター６（加熱部）は、前述したガスセル２（より具体的にはガスセル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。
このヒーター６は、通電（直流）により発熱するものであり、例えば、発熱抵抗体を含んでいる。
また、ヒーター６は、ガスセル２を加熱することができるものであれば、ガスセル２に対して非接触であってもよく、この場合、熱伝導性に優れた部材（例えば金属で構成された部材）を介してガスセル２に接続するように配置される。また、ヒーター６に代えて、または、ヒーター６と併用して、ペルチェ素子を用いて、ガスセル２を加熱してもよい。
【００３１】
［温度センサー］
温度センサー７は、ヒーター６またはガスセル２の温度を検出するものである。そして、この温度センサー７の検出結果に基づいて、前述したヒーター６の発熱量が制御される。これにより、ガスセル２内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
この温度センサー７の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター６上であってもよいし、ガスセル２の外表面上であってもよい。
温度センサー７としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
【００３２】
［磁場発生部］
磁場発生部８は、ガスセル２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機能を有する。これにより、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１の発振周波数の精度を高めることができる。
【００３３】
この磁場発生部８は、例えば、ガスセル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、ガスセル２を覆うように配置されたソレノイドコイルで構成されている。これにより、ガスセル２内に一方向の均一な磁場を生じさせることができる。
また、磁場発生部８が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。
【００３４】
［制御部］
制御部１０は、光出射部３、ヒーター６および磁場発生部８をそれぞれ制御する機能を有する。
この制御部１０は、光出射部３の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部１２と、ガスセル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部１１と、磁場発生部８からの磁場を制御する磁場制御部１３とを有する。
【００３５】
励起光制御部１２は、前述した光検出部５の検出結果に基づいて、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。より具体的には、励起光制御部１２は、前述した（ω１−ω２）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω０となるように、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。
また、励起光制御部１２は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部５の検知結果に基づいて同期・調整しながら原子発振器１の出力信号として出力する。
【００３６】
また、温度制御部１１は、温度センサー７の検出結果に基づいて、ヒーター６への通電を制御する。これにより、ガスセル２を所望の温度範囲内（例えば７０℃程度）に維持することができる。
また、磁場制御部１３は、磁場発生部８が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部８への通電を制御する。
【００３７】
このような制御部１０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。
以上のように構成されている原子発振器１は、量子干渉効果を利用した方式を採用しており、二重共鳴現象を利用した方式の原子発振器のようなマイクロ波を共振させるためのキャビティが不要である。そのため、原子発振器１は、二重共鳴現象を利用した原子発振器と比較して、小型化を容易に図ることができる。
【００３８】
一方、短期周波数安定度を高めるには、前述したＥＩＴ信号は、線幅（半値幅）が小さく、かつ、強度が高いことが必要である。
しかし、原子発振器１全体を小型化するために単にガスセル２を小型化すると、前述したようなＥＩＴ現象に寄与するアルカリ金属の原子数が少なくなるため、前述したＥＩＴ信号の強度が低くなり、Ｓ／Ｎ比が劣化してしまう。また、ＥＩＴ信号の強度を高めようとすると、アルカリ金属の原子同士の相互作用の影響が大きくなり、ＥＩＴ信号の線幅が大きくなってしまう。このようなことから、単にガスセル２を小型化しても、優れた周波数短期安定度を実現することができない。
【００３９】
そこで、原子発振器１では、ガスセル２内に高圧の緩衝ガスを封入している。緩衝ガスの圧力を高くすると、アルカリ金属の原子同士の相互作用を緩衝ガスにより効果的に抑制することができる。そのため、優れた短期周波数安定度を図ることができる。
このような前提のもと、本発明者は、鋭意検討した結果、緩衝ガスの圧力や種類によって、周波数長期安定度が異なるという知見を得た。そして、原子発振器１が備えるガスセル２は、その知見に基づく構成を有している。以下、この点について詳述する。
【００４０】
（ガスセルの詳細な説明）
図４は、図１に示す原子発振器が備えるガスセルの縦断面図、図５は、図４に示すガスセルの横断面図である。また、図６は、緩衝ガスの種類（ネオン、窒素、アルゴン）ごとに緩衝ガスの分圧と長期周波数安定度の関係を示すグラフである。
なお、図４および図５では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、その図示された各矢印の先端側を「＋（プラス）」、基端側を「−（マイナス）」という。また、以下では、説明の便宜上、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」という。
【００４１】
まず、ガスセル２のアルカリ金属および緩衝ガスが封入される容器となる部分について説明する。
図４および図５に示すように、ガスセル２は、胴部２１と、胴部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。
胴部２１には、Ｚ軸方向に貫通している柱状の貫通孔２１１と、＋Ｚ軸方向側に開口する凹部２１２と、−Ｚ軸方向側に開口し貫通孔２１１と凹部２１２とを連通させる溝２１３とが形成されている。
【００４２】
そして、胴部２１の−Ｚ軸方向側の端面には、窓部２２が接合され、一方、胴部２１の＋Ｚ軸方向側の端面には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１による空間Ｓ１と、凹部２１２による空間Ｓ２と、溝２１３による空間Ｓ３とが形成されている。すなわち、ガスセル２は、連通している空間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を有し、空間Ｓ１、Ｓ２が空間Ｓ３を介して互いに連通している。
【００４３】
空間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３には、気体状のアルカリ金属Ｇｍおよび緩衝ガスＧｂが封入されている。また、空間Ｓ２には、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている。
空間Ｓ１内に収納されている気体状のアルカリ金属Ｇｍは、励起光ＬＬによって励起される。
空間Ｓ２は、空間Ｓ１よりも低温となるように温度調節される。これにより、余剰のアルカリ金属Ｇｍを空間Ｓ２に液体状または固体状のアルカリ金属Ｍとして留めておくことができる。また、空間Ｓ１に液体状または固体状のアルカリ金属が析出（凝結）するのを防止することができる。
【００４４】
また、空間Ｓ２は、空間Ｓ３を介して空間Ｓ１に連通しているため、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属Ｇｍがガスセル２の内壁面との反応等により減少した場合、空間Ｓ２内のアルカリ金属Ｍが気化して、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属Ｇｍの濃度を一定に保つことができる。
このようなガスセル２の窓部２２、２３を構成する材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。なお、窓部２２、２３の厚さや励起光の強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。
【００４５】
一方、ガスセル２の胴部２１を構成する材料は、特に限定されず、窓部２２、２３と同様にガラス材料、水晶等であってもよいが、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等であってもよい。中でも、胴部２１の構成材料としては、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さいガスセル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴部２１を容易に形成することができる。また、シリコン材料で構成された胴部２１は、ガラス材料で構成された窓部２２、２３と陽極接合法により簡単に気密的に接合することができる。
また、ガスセル２の胴部２１と窓部２２、２３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、気密的に接合できるものであれば、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。
【００４６】
以上のように、ガスセル２の空間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３からなる内部空間（以下、単に「内部空間」ともいう）には、気体状のアルカリ金属Ｇｍと緩衝ガスＧｂとの混合ガスが封入されている。なお、空間Ｓ２、Ｓ３は、省略し、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを空間Ｓ１に析出させておいてもよい。この場合、励起光ＬＬの通過領域にアルカリ金属Ｍが析出しないようにガスセル２の温度分布を管理すればよい。
【００４７】
次に、アルカリ金属および緩衝ガスについて説明する。
ガスセル２に封入されるアルカリ金属としては、前述したように、例えば、ルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属を用いることができる。
特に、アルカリ金属の原子としては、セシウム原子またはルビジウム原子を用いることが好ましい。これにより、二重共鳴現象を利用した方式や、量子干渉効果を利用した方式の原子発振器１に利用可能なガスセル２を比較的容易に実現することができる。
【００４８】
また、ガスセル２に封入される緩衝ガスとしては、例えば、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、クリプトン等を用いることができる。ここで、アルカリ金属の原子としてセシウム原子またはルビジウム原子を用いた場合、ヘリウム、ネオン、窒素を単独で緩衝ガスとして用いると、原子発振器１の他の温度特性を無視した場合、温度が上昇するに従って周波数が上昇する正の温度特性を示す。一方、アルゴン、クリプトンを単独で緩衝ガスとして用いると、原子発振器１の他の温度特性を無視した場合、温度が上昇するに従って周波数が低下する負の温度特性を示す。
【００４９】
緩衝ガスとして正の温度特性を示すヘリウム、ネオン、窒素のうちネオンガスを用いた場合、図６に示すように、緩衝ガスの分圧が大きくなると、周波数長期安定度が低下する。特に、緩衝ガスの分圧が３０Ｔｏｒｒ以下となると、周波数長期安定度が急激に低下する。これは、ネオンがガスセルの内壁（ガラス）に拡散しやすい傾向があり、ガスセル内の圧力が高くなると、その傾向が顕著になるためと推察される。なお、緩衝ガスとしてヘリウムを用いた場合も、同様に、緩衝ガスの分圧が大きくなると、周波数長期安定度が低下する。
【００５０】
一方、緩衝ガスとして窒素ガスを用いた場合、緩衝ガスの分圧が大きくなっても、周波数長期安定度が低下しない。
そこで、ガスセル２に用いる緩衝ガスは、窒素ガスを含んでおり、その窒素ガスの分圧が３０Ｔｏｒｒ以上となっている。
窒素ガスはガスセル２の内部空間の壁面（ガラス）へ拡散し難いため、長期にわたりガスセル２の内部空間における緩衝ガスの圧力の安定化を図ることができる。そのため、優れた周波数長期安定度を実現することができる。特に、窒素ガスの分圧が３０Ｔｏｒｒ以上であるため、緩衝ガスとしてネオンガスを用いた場合と比較して周波数長期安定度が高くなり、このような効果が顕著となる。
【００５１】
また、窒素ガスの分圧が３０Ｔｏｒｒ以上という高圧であるため、ガスセル２を小型化しても、ガスセル２内の緩衝ガスの作用が好適に発揮され、優れた周波数短期安定度を実現することができる。
ここで、「窒素ガスの分圧」は、緩衝ガスが混合ガスである場合、その混合ガスにおける分圧である。なお、ガスセル２内には、緩衝ガスとアルカリ金属ガスとからなる混合ガスが封入されているが、アルカリ金属ガスの分圧は、アルカリ金属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ガスとからなる混合ガスの圧力、すなわち、ガスセル内の圧力に近似することができる。よって、高圧の緩衝ガスを用いる場合において、アルカリ金属ガスの分圧は無視することができる。
【００５２】
また、窒素ガスの分圧は、３０Ｔｏｒｒ以上であればよいが、３０Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下であることが好ましく、３０Ｔｏｒｒ以上８０Ｔｏｒｒ以下であることがより好ましい。これにより、前述したようなアルカリ金属の原子同士の相互作用を抑制するという緩衝ガスの作用を効果的に発揮させることができる。同様の観点から、緩衝ガスの分圧は、３０Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下であることが好ましく、３０Ｔｏｒｒ以上８０Ｔｏｒｒ以下であることがより好ましい。これに対し、窒素ガスまたは緩衝ガスの分圧が小さすぎると、ＥＩＴ信号の線幅が大きくなる傾向を示す。一方、窒素ガスまたは緩衝ガスの分圧が大きすぎると、ＥＩＴ信号の強度が小さくなる傾向を示し、また、ガスセル２を堅牢にしなければならず、小型化が難しい。
【００５３】
また、図６に示す結果から、緩衝ガスは、ネオンガスを実質的に含まないことが好ましい。これにより、長期にわたって緩衝ガスの分圧の安定化を図ることができる。ここで、「ネオンガスを実質的に含まない」とは、緩衝ガスがネオンガスを全く含まない場合と、ネオンガスを含んでいたとしても周波数安定度に影響を与えない程度のごく微量である場合の双方を含む。
【００５４】
また、緩衝ガスには、窒素ガス以外のガスが含まれていてもよく、この場合、緩衝ガスは、アルゴンガスおよびクリプトンガスのうちの少なくとも一方をさらに含んでいることが好ましい。
上述したように、アルゴンガスおよびクリプトンガスは、窒素ガスと反対の温度特性を有する。したがって、緩衝ガスが窒素ガスおよびアルゴンガスを含んでいると、互いに温度特性を相殺することができる。そのため、優れた温度特性を実現する（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。
【００５５】
ここで、図６に示すように、緩衝ガスとしてアルゴンガスを用いた場合、緩衝ガスの分圧が大きくなっても、周波数長期安定度が低下しない。これは、アルゴン原子がガスセル２の内壁に拡散し難いためと推察される。同様に、緩衝ガスとしてクリプトンガスを用いた場合も、緩衝ガスの分圧が大きくなっても、周波数長期安定度が低下しない。
以上説明したような緩衝ガスが封入されたガスセル２は、１対の窓部２２、２３が並ぶ方向（Ｚ軸方向）に沿った内部空間の長さが１０ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、小型なガスセル２を提供することができる。また、このような小型なガスセル２は、優れた特性を発揮するために、緩衝ガスの分圧を高くする必要がある。したがって、本発明は、このような小型なガスセル２に適用することにより、前述したような効果が顕著となる。同様の観点から、ガスセル２は、１対の窓部２２、２３が並ぶ方向に対して垂直な方向に沿った内部空間の幅が１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５６】
２．電子機器
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような電子機器は、優れた信頼性を有する。
以下、本発明の電子機器について説明する。
図７は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
図７に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
【００５７】
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。
【００５８】
ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。
ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。
【００５９】
３．移動体
図８は、本発明の移動体の一例を示す図である。
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。
【００６０】
なお、本発明の原子発振器を備える電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（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（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型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（通信機能付も含む）、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）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、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、携帯電話基地局等に適用することができる。
【００６１】
以上、本発明のガスセル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、前述した実施形態では、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してセシウム等を共鳴遷移させる量子干渉装置を本発明の量子干渉装置の例として説明したが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用してルビジウム等を共鳴遷移させる二重共鳴装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１‥‥原子発振器
２‥‥ガスセル
３‥‥光出射部
５‥‥光検出部
６‥‥ヒーター
７‥‥温度センサー
８‥‥磁場発生部
１０‥‥制御部
１１‥‥温度制御部
１２‥‥励起光制御部
１３‥‥磁場制御部
２１‥‥胴部
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
４１‥‥光学部品
４２‥‥光学部品
４３‥‥光学部品
４４‥‥光学部品
１００‥‥測位システム
２００‥‥ＧＰＳ衛星
２１１‥‥貫通孔
２１２‥‥凹部
２１３‥‥溝
３００‥‥基地局装置
３０１‥‥アンテナ
３０２‥‥受信装置
３０３‥‥アンテナ
３０４‥‥送信装置
４００‥‥ＧＰＳ受信装置
４０１‥‥アンテナ
４０２‥‥衛星受信部
４０３‥‥アンテナ
４０４‥‥基地局受信部
１５００‥‥移動体
１５０１‥‥車体
１５０２‥‥車輪
Ｇｂ‥‥緩衝ガス
Ｇｍ‥‥アルカリ金属（金属原子）
ＬＬ‥‥励起光
Ｍ‥‥アルカリ金属
Ｓ１‥‥空間
Ｓ２‥‥空間
Ｓ３‥‥空間
【図１】
2015122596.tif 000003
【図２】
2015122596.tif 000004
【図３】
2015122596.tif 000005
【図４】
2015122596.tif 000006
【図５】
2015122596.tif 000007
【図６】
2015122596.tif 000008
【図７】
2015122596.tif 000009
【図８】
2015122596.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月8日(2014.12.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
まず、ガスセル２のアルカリ金属および緩衝ガスが封入される容器となる部分について説明する。
図４および図５に示すように、ガスセル２は、胴部２１と、胴部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。
胴部２１には、Ｚ軸方向に貫通している柱状の貫通孔２１１と、＋Ｚ軸方向側に開口する凹部２１２と、＋Ｚ軸方向側に開口し貫通孔２１１と凹部２１２とを連通させる溝２１３とが形成されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
そして、胴部２１の＋Ｚ軸方向側の端面には、窓部２２が接合され、一方、胴部２１の−Ｚ軸方向側の端面には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１による空間Ｓ１と、凹部２１２による空間Ｓ２と、溝２１３による空間Ｓ３とが形成されている。すなわち、ガスセル２は、連通している空間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を有し、空間Ｓ１、Ｓ２が空間Ｓ３を介して互いに連通している。