(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンに特定波長の光を照射し基底状態の特定エネルギー準位にイオンを集めるための光ポンピングゾーン（１８）と前記光ポンピングゾーン（１８）と隣接して同一軸上に直列に配置され前記エネルギー準位にあるイオンに基底状態のエネルギー準位間のエネルギー差に相当する周波数ｆ０にほぼ等しい周波数ｆの電磁波をイオンに照射するための相互作用ゾーン（１９）の両ゾーンを含む領域を取り囲むように平行且つ対称に配置される２Ｎ（Ｎ≧２）本の第１直線状電極（３６）と、
イオンを前記領域内の光ポンピングゾーン（１８）または相互作用ゾーン（１９）に留めたり、両ゾーン間でイオンを往復させるために、前記領域の中心軸方向のポテンシャルを制御する調整電極とを備え、
前記調整電極は、前記領域の中心軸の両端位置にそれぞれ配置される２つのエンドピン電極（３１，３２）と、前記両ゾーン間の境界位置で第１直線状電極（３６）を取り囲むように配置される第１リング電極（３３）と、前記第１リング電極と対向するように光ポンピングゾーン（１８）の端部に配置される第２リング電極（３４）と、前記第１直線状電極（３６）に平行且つ前記第１直線状電極間に配置され、前記第１直線状電極（３６）とともに相互作用ゾーン（１９）を取り囲む２Ｍ（Ｍ≧１）本の第２直線状電極（３７）から構成され、
前記領域は前記２Ｎ（Ｎ≧２）本の第１直線状電極と前記調整電極から形成される一つのイオントラップ領域であることを特徴とするイオントラップ構造。
【請求項２】
前記第１直線状電極（３６）は、径方向に拡がろうとするイオンを閉じこめる２Ｎ重極擬似ポテンシャルを発生するために、隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加されており、前記エンドピン電極（３１、３２）は、それぞれ所定の直流電圧が印加されており、前記第１リング電極（３３）、前記第２リング電極（３４）及び前記第２直線状電極（３７）は、所望の中心軸方向のポテンシャルに応じた直流電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載のイオントラップ構造。
【請求項３】
前記第２直線状電極（３７）は、高周波電圧が印加されるとき、前記第１直線状電極（３６）を含めた隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加され、相互作用ゾーン（１９）に径方向の２（Ｎ＋Ｍ）重極擬似ポテンシャルを発生し、径方向に拡がろうとするイオンを閉じこめることを特徴とする請求項１に記載のイオントラップ構造。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のイオントラップ構造のエンドピン電極（３１）及び第２リング電極（３４）と第１リング電極（３３）の間の部位である光ポンピングゾーン（１８）に配置され、前記イオントラップ電極内のイオンを光ポンピングして前記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、
前記イオントラップ構造のエンドピン電極（３２）と第１リング電極（３３）の間の部位である相互作用ゾーン（１９）に配置され、上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数ｆ０にほぼ等しい周波数ｆ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、
前記第１直線状電極（３６）及び前記調整電極（３１〜３４、３７）へ印加する電圧を制御して前記光ポンピングゾーン（１８）と相互作用ゾーン（１９）との間での前記イオンの往来を調整し、前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度に含まれるｆ−ｆ０の情報を利用してｆ＝ｆ０になるようにｆを調整する制御手段（４５）と、
ｆを出力周波数として出力する出力手段と、
を備えるイオントラップ型周波数標準器。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載のイオントラップ構造内のイオンを、前記光ポンピングゾーン（１８）で光ポンピングして前記イオンを基底状態の下準位へ集める光ポンピング手順と、
前記領域内の前記ポテンシャルを制御して前記イオンを前記光ポンピングゾーン（１８）から相互作用ゾーン（１９）へ移動させる第１シャトリング手順と、
前記相互作用ゾーン（１９）で周波数ｆの電磁波を照射して前記イオンを基底状態の上準位へ遷移させる相互作用手順と、
前記領域内の前記ポテンシャルを制御して前記イオンを前記相互作用ゾーン（１９）から光ポンピングゾーン（１８）へ移動させる第２シャトリング手順と、
前記光ポンピングゾーン（１８）で前記イオンが上準位から光ポンピング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する蛍光測定手順と、
前記蛍光の光強度に含まれるｆ−ｆ０の情報を利用してｆ＝ｆ０になるようにｆを調整する周波数調整手順と、
を繰返し行う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、イオンを閉じこめたイオントラップ、これを備える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について説明された文献がある（例えば、非特許文献１を参照。）。また、２つのイオントラップを備えたイオン原子時計においてイオンを輸送する方法が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＵＳ公開公報  ２００９／００５８５４５
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｊｏｈｎ  Ｄ．  Ｐｒｅｓｔａｇｅ，Ｇｒｅｇｏｒｙ  Ｌ．  Ｗｅａｖｅｒ，“Ａｔｏｍｉｃ  Ｃｌｏｃｋｓ  ａｎｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｄｅｅｐ−Ｓｐａｃｅ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｄｉｏ  Ｓｃｉｅｎｃｅ”，Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．９５，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  ２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されるイオン原子時計のイオントラップは二つのイオントラップを、絶縁体で電気的に分離しながら、直列に接続した構造である。このため、この絶縁体の近傍では二つのイオントラップ電極が作る電界が干渉してイオンを閉じ込める力が弱くなり、この部分をイオンが通過するときにここからイオンがイオントラップ外に漏れ出すトラップホールが課題となっている。特許文献１では同一直線上にある電極の電圧を逆位相で駆動したり、異なる周波数の電圧で駆動することでトラップホールの影響を低減している。
【０００６】
しかし、２つのイオントラップ電極を直列に接続したイオントラップ構造では、完全にトラップホールを解消することは困難である。また、２つのイオントラップ電極を絶縁体を用いて接続するため構造が複雑になるという課題もある。
【０００７】
そこで、上記課題を解決するために、本発明は、構造がシンプルであり、且つトラップホールの影響を排除できるイオントラップ構造、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】
【０００８】
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構造は、１つのイオントラップで構成することとした。本明細書では、イオンを閉じ込めるイオントラップの領域を、単に「領域」と記載することがある。
【０００９】
具体的には、本発明に係るイオントラップ構造は、
イオンに特定波長の光を照射し基底状態の特定エネルギー準位にイオンを集めるための光ポンピングゾーン（１８）と前記光ポンピングゾーン（１８）と隣接して同一軸上に直列に配置され前記エネルギー準位にあるイオンに基底状態のエネルギー準位間のエネルギー差に相当する周波数ｆ０にほぼ等しい周波数ｆの電磁波をイオンに照射するための相互作用ゾーン（１９）の両ゾーンを含む領域を取り囲むように平行且つ対称に配置される２Ｎ（Ｎ≧２）本の第１直線状電極（３６）と、
イオンを前記領域内の光ポンピングゾーン（１８）または相互作用ゾーン（１９）に留めたり、両ゾーン間でイオンを往復させるために、前記領域の中心軸方向のポテンシャルを制御する調整電極とを備え、
前記調整電極は、前記領域の中心軸の両端位置にそれぞれ配置される２つのエンドピン電極（３１，３２）と、前記両ゾーン間の境界位置で第１直線状電極（３６）を取り囲むように配置される第１リング電極（３３）と、前記第１リング電極と対向するように光ポンピングゾーン（１８）の端部に配置される第２リング電極（３４）と、前記第１直線状電極（３６）に平行且つ前記第１直線状電極間に配置され、前記第１直線状電極（３６）とともに相互作用ゾーン（１９）を取り囲む２Ｍ（Ｍ≧１）本の第２直線状電極（３７）から構成され、
前記領域は前記２Ｎ（Ｎ≧２）本の第１直線状電極と前記調整電極から形成される一つのイオントラップ領域であることを特徴とする。
【００１０】
本イオントラップ構造は、第１直線状電極３６と調整電極（３１〜３４、３７）とで形成されるイオントラップを１つだけ備える。本イオントラップ構造は、絶縁体で２つのイオントラップ電極を接続しないため構造がシンプルであり、複数の電極の電界が干渉することもないため、後述するイオンシャトリング時にトラップホールも発生しない。従って、本発明は、構造がシンプルであり、且つトラップホールの影響を排除できるイオントラップ構造を提供することができる。
【００１２】
本発明に係るイオントラップ構造の前記第１直線状電極（３６）は、径方向に拡がろうとするイオンを閉じこめる２Ｎ重極擬似ポテンシャルを発生するために、隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加されており、前記エンドピン電極（３１、３２）は、それぞれ所定の直流電圧が印加されており、前記第１リング電極（３３）、前記第２リング電極（３４）及び前記第２直線状電極（３７）は、所望の中心軸方向のポテンシャルに応じた直流電圧が印加されることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るイオントラップ構造の前記第２直線状電極（３７）は、高周波電圧が印加されるとき、前記第１直線状電極（３６）を含めた隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加され、相互作用ゾーン（１９）に径方向の２（Ｎ＋Ｍ）重極擬似ポテンシャルを発生し、径方向に拡がろうとするイオンを閉じこめることを特徴とする。
【００１４】
本イオントラップ構造は、調整電極（３１〜３４、３７）に印加する電圧を調整して中心軸方向のポテンシャルを制御して領域内のイオンの往来を制御できる。また、本イオントラップ構造において、エンドピン電極３１及び第２リング電極３４と第１リング電極３３の間の部位である光ポンピングゾーン１８では第１直線状電極３６のみが２Ｎ重極擬似ポテンシャルを発生し、エンドピン電極３２と第１リング電極３３の間の部位である相互作用ゾーン１９では第１直線状電極３６と第２直線状電極３７が２（Ｎ＋Ｍ）重極擬似ポテンシャルを発生することで、光ポンピングゾーン１８のイオン存在範囲（中心軸からの半径）を相互作用ゾーン１９のイオン存在範囲（中心軸からの半径）より小さくすることができる。
【００１５】
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、光ポンピングゾーン１８に配置され、イオントラップ電極内の水銀イオン（１０２）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、
前記相互作用ゾーン１９に配置され、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ｆ０にほぼ等しい周波数ｆ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、
前記第１直線状電極３６及び前記調整電極（３１〜３４、３７）へ印加する電圧を制御して前記光ポンピングゾーン１８と相互作用ゾーン１９との間での前記水銀イオンの往来を調整し、前記受光手段で測定した前記蛍光の光強度に含まれるｆ−ｆ０の情報を利用してｆ＝ｆ０になるようにｆを調整する制御手段（４５）と、
ｆを出力周波数として出力する出力手段と、を備える。
【００１６】
本発明に係る出力周波数安定化方法は、前記イオントラップ構造内の水銀イオンを、前記光ポンピングゾーン（１８）で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順と、
前記領域内の前記ポテンシャルを制御して前記水銀イオンを前記光ポンピングゾーン（１８）から相互作用ゾーン（１９）へ移動させる第１シャトリング手順と、
前記相互作用ゾーン（１９）で周波数ｆ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る相互作用手順と、
前記領域内の前記ポテンシャルを制御して前記水銀イオンを前記相互作用ゾーン（１９）から光ポンピングゾーン（１８）へ移動させる第２シャトリング手順と、
前記領域の光ポンピングゾーン（１８）で前記水銀イオンが上準位から光ポンピング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する蛍光測定手順と、
前記蛍光の光強度に含まれるｆ−ｆ０の情報を利用してｆ＝ｆ０になるようにｆを調整する周波数調整手順と、を繰返し行う。
【００１７】
本イオントラップ型周波数標準器及びその出力周波数安定化方法は、イオントラップが１つであるイオントラップ構造を備えるため、構造がシンプルであり、且つトラップホールの影響を排除できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、構造がシンプルであり、且つトラップホールの影響を排除できるイオントラップ構造、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】
【００１９】
【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構造を説明する図である。
【図３】本発明に係るイオントラップ構造を説明する図である。
【図４】本発明に係るイオントラップ構造の各電極に印加する電圧をモード毎にまとめた表である。
【図５】本発明に係るイオントラップ構造の光ポンピングモード又は相互作用モードにおけるポテンシャルを説明する図である。
【図６】本発明に係るイオントラップ構造の第１シャトリングモードにおけるポテンシャルを説明する図である。
【図７】本発明に係るイオントラップ構造の第２シャトリングモードにおけるポテンシャルを説明する図である。
【図８】水銀イオンエネルギー準位を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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、光ポンピングゾーン１８側に配置され、光ポンピングゾーン１８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、相互作用ゾーン１９側に配置され、上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数ｆ０にほぼ等しい周波数ｆ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、第１直線状電極３６及び調整電極（３１〜３４、３７）へ印加する電圧を制御して光ポンピングゾーン１８と相互作用ゾーン１９との間での水銀イオン（１０２、１０３）の往来を調整し、受光手段１４で測定した蛍光２３の光強度に含まれるｆ−ｆ０の情報を利用してｆ＝ｆ０になるようにｆを調整する制御手段４５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、を備える。
【００２２】
図２及び図３は、イオントラップの電極構造を説明する図である。図２は図１と同じ方向から見た図である。図３は、エンドピン電極３２側から見た図である。イオントラップの電極構造は、イオントラップ領域を取り囲むように平行且つ対称に配置される２Ｎ（Ｎ≧２）本の第１直線状電極３６と、前記領域内に生ずる中心軸方向のポテンシャルを制御する調整電極（３１〜３４、３７）と、を備える。
【００２３】
調整電極は、領域の中心軸の両端位置に配置されるエンドピン電極（３１、３２）と、光ポンピングゾーン１８と相互作用ゾーン１９の間で領域を囲むように配置される第１リング電極３３と、光ポンピングゾーン１８の一端に配置される第２リング電極３４と、第１直線状電極３６に平行且つ第１直線状電極３６間に配置され、相互作用ゾーン１９を取り囲む第２直線状電極３７と、を含む。
【００２４】
本実施形態において、第１直線状電極３６と第２直線状電極３７に電極番号を付している。第１直線状電極３６は電極番号＃０、＃３、＃６、＃９、第２直線状電極３７は電極番号＃１、＃２、＃４、＃５、＃７、＃８、＃１０、＃１１である。また、本実施形態では、第１直線状電極３６が４本、第２直線状電極３７が８本であるが、この本数に限定されるものではない。
【００２５】
第１直線状電極３６は、隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加される。エンドピン電極（３１、３２）は、それぞれ所定の直流電圧が印加される。第１リング電極３３、第２リング電極３４及び第２直線状電極３７は、所望の中心軸方向のポテンシャルに応じた直流電圧が印加される。
【００２６】
第２直線状電極３７は、高周波電圧が印加されるとき、第１直線状電極３６を含めた隣接電極間で位相が反転した高周波電圧が印加される。
【００２７】
図４は、中心軸方向のポテンシャルと径方向の擬似ポテンシャルを制御するために各電極に印加する直流電圧と高周波電圧をモード毎にまとめた表である。図５〜図７は、それぞれ光ポンピングモード又は相互作用モード、第１シャトリングモード、第２シャトリングモードにおける領域内の中心軸方向のポテンシャルを説明する図である。
【００２８】
光ポンピングモードは、水銀イオンを光ポンピングゾーン１８に保つモード、すなわち図１の水銀イオン１０２の状態に保つモードである。相互作用モードは、水銀イオンを相互作用ゾーン１９に保つモード、すなわち図１の水銀イオン１０３の状態に保つモードである。
【００２９】
光ポンピングモード及び相互作用モードでは、エンドピン電極３１に＋ＶＥ１の直流電圧、エンドピン電極３２に＋ＶＥ２の直流電圧、第１リング電極３３に＋ＶＲＣの直流電圧を印加する。図５は、具体的な電圧及び電極の位置を与えてポテンシャルをシミュレーションした結果である。横軸は中心軸を表す。−１１９ｍｍの位置にエンドピン電極３１、＋６０ｍｍの位置にエンドピン電極３２、−６５ｍｍの位置に第１リング電極３３が配置されている。光ポンピングゾーン１８、相互作用ゾーン１９ともに両端部分にポテンシャルの山が発生し、中央部分が対照的にポテンシャルが低くなっている。水銀イオンは陽イオンであるため、このポテンシャルが低くなっている中央部分に集まることになる。エネルギー保存則から全エネルギー（＝運動エネルギー＋ポテンシャルエネルギー）は一定である。図中の横線は全エネルギーが０．２２ｅＶの場合を示している。運動エネルギー≧０であるので、全エネルギー≧ポテンシャルエネルギーとなる。すなわち、イオンはポテンシャルエネルギーがこの横線より下の範囲内にとどまる。後述するシャトリングモードで水銀イオンを光ポンピングゾーン１８又は相互作用ゾーン１９に集め、上述のように各電極に直流電圧を印加することで水銀イオンを安定してそれぞれの位置に維持することができる。
【００３０】
なお、光ポンピングモードでは第１直線状電極３６のみに高周波電圧ＶＲＦ１、例えば１〜２ＭＨｚの高周波電圧が印加されるが、相互作用モードでは第１直線状電極３６に高周波電圧ＶＲＦ２が印加され、第２直線状電極３７にも高周波電圧ＶＲＦ２が印加される。ここで、＋と−は位相が逆であることを意味する。この高周波電圧は水銀イオンを領域の径方向に閉じ込めるために印加される。そして、電極数が多いほど閉じ込められた水銀イオンが存在する範囲の大きさが大きくなる。本実施形態では第１直線状電極３６が４本であり、第２直線状電極３７が８本であるので、水銀イオンが存在する範囲は図１に概略的に示した大きさとなる（符号１０２、１０３）。
【００３１】
第１シャトリングモードは、水銀イオンを光ポンピングゾーン１８から相互作用ゾーン１９へ移動させるモードである。第１シャトリングモードでは、エンドピン電極３１に＋ＶＥ１の直流電圧、エンドピン電極３２に＋ＶＥ２の直流電圧、第２リング電極３４に＋ＶＲＥの直流電圧、第１直線状電極３６にＶＲＦ１の高周波電圧を印加し、第２直線状電極３７には高周波電圧を印加しない。図６は、具体的な電圧及び電極の位置を与えてポテンシャルをシミュレーションした結果である。それぞれの電極の位置は図５での説明と同じである。
【００３２】
第１リング電極３３の直流電圧は０であるので、図５で説明したポテンシャルの山は消滅する。一方、第２リング電極３４に直流電圧ＶＲＥが印加されるため、光ポンピングゾーン１８のポテンシャルが相互作用ゾーン１９のポテンシャルより高くなる。このため、水銀イオンはポテンシャルの低い部分、すなわち相互作用ゾーン１９へ移動する。このとき、第１直線状電極３６だけが径方向に拡がろうとする水銀イオンを閉じこめる擬似ポテンシャルを発生するため、トラップホールは発生しない。水銀イオンが相互作用ゾーン１９へ移動した後に図５のポテンシャルを形成すれば水銀イオンは安定して図１の符号１０３の位置に留まる。
【００３３】
第２シャトリングモードは、水銀イオンを相互作用ゾーン１９から光ポンピングゾーン１８へ移動させるモードである。第２シャトリングモードでは、エンドピン電極３１に＋ＶＥ１の直流電圧、エンドピン電極３２に＋ＶＥ２の直流電圧、第２直線状電極３７に＋ＶＬの直流電圧、第１直線状電極３６にＶＲＦ１の高周波電圧を印加し、第２直線状電極３７には高周波電圧を印加しない。図７は、具体的な電圧及び電極の位置を与えてポテンシャルをシミュレーションした結果である。それぞれの電極の位置は図５での説明と同じである。
【００３４】
第１リング電極３３の直流電圧は０であるので、図５で説明したポテンシャルの山は消滅する。また、第２直線状電極３７に直流電圧ＶＬが印加される一方、第２リング電極３４の直流電圧も０であるため、相互作用ゾーン１９のポテンシャルが光ポンピングゾーン１８のポテンシャルより高くなる。このため、水銀イオンはポテンシャルの低い部分、すなわち光ポンピングゾーン１８へ移動する。このとき、第１シャトリングモードと同様にトラップホールは発生しない。水銀イオンが光ポンピングゾーン１８へ移動した後に図５のポテンシャルを形成すれば水銀イオンは安定して図１の符号１０２の位置に留まる。
【００３５】
このように、本イオントラップ構造は、各電極の電圧をアナログ的に制御可能であり、領域の中心軸方向のポテンシャルを自在に制御して、イオンの往来を制御することができる。電圧を調整することで、水銀イオンに限らず他のイオンでも同様に往来させることができる。
【００３６】
続いて、イオントラップ型周波数標準器３０１の各部と出力周波数制御方法について説明する。イオントラップ型周波数標準器３０１は、イオントラップ内の水銀イオンを、光ポンピングゾーン１８で光ポンピングして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順と、領域内のポテンシャルを制御して水銀イオンを光ポンピングゾーン１８から相互作用ゾーン１９へ移動させる第１シャトリング手順と、相互作用ゾーン１９で上準位と下準位の間のエネルギー差に相当する周波数ｆ０にほぼ等しい周波数ｆの電磁波を照射して水銀イオンを基底状態の上準位へ遷移させる相互作用手順と、領域内のポテンシャルを制御して水銀イオンを相互作用ゾーン１９から光ポンピングゾーン１８へ移動させる第２シャトリング手順と、光ポンピングゾーン１８で水銀イオンが上準位から光ポンピング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する蛍光測定手順と、蛍光の光強度に含まれるｆ−ｆ０の情報を利用してｆ＝ｆ０になるようにｆを調整する周波数調整手順と、を繰返し行う出力周波数安定化方法を実行する
【００３７】
水銀源１０１は、真空容器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。イオン化された水銀イオンを図２で説明したように領域に閉じ込める。
【００３８】
ここで、制御手段４５は、図７で説明したように領域のポテンシャルを制御して、イオンを光ポンピングゾーン１８へ移動させ、その後、図５で説明した領域のポテンシャルとする。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。
【００３９】
光ポンピングについて、図８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。
【００４０】
ここで、制御手段４５は、図６で説明したように領域のポテンシャルを制御し、イオンを相互作用ゾーン１９へ移動させ、その後、図５で説明した領域のポテンシャルとする。図１では、この様子を水銀イオン１０３として示している。
【００４１】
電磁波照射手段１３は、例えば、導波管あるいは電磁ホーンである。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８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ｆ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ｆがｆ０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。
【００４２】
続いて、制御手段４５は、図７で説明したように領域のポテンシャルを制御して、イオンを光ポンピングゾーン１８へ移動させ、その後、図５で説明した領域のポテンシャルとする。図１では、この様子を水銀イオン１０２として示している。光ポンピングゾーン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。
【００４３】
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ｆがｆ０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４５は、蛍光２３の光強度に含まれるｆ−ｆ０の情報を利用してｆ＝ｆ０となるようにｆを調整する。出力手段は、制御手段４５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ｆ０に一致した周波数ｆ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。
【００４４】
なお、本発明の実施例は水銀イオンを用いているが、本発明はこれに限定されず、他のイオンについても適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
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：真空容器
１８：光ポンピングゾーン
１９：相互作用ゾーン
２１：励起光
２２：電子線
２３：蛍光
３１：エンドピン電極
３２：エンドピン電極
３３：第１リング電極
３４：第２リング電極
３６：第１直線状電極
３７：第２直線状電極
４５：制御手段
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】
0005727268.tif 000002
【図２】
0005727268.tif 000003
【図３】
0005727268.tif 000004
【図４】
0005727268.tif 000005
【図５】
0005727268.tif 000006
【図６】
0005727268.tif 000007
【図７】
0005727268.tif 000008
【図８】
0005727268.tif 000009