(57)【要約】【課題】スピン偏極の緩和防止のための、コーティング層の最適な構造を提供する。【解決手段】ガスセルは、内壁により規定された内部空間を有するセル本体と、前記内部空間に封入された、アルカリ金属または水素のガスと、長鎖状の分子構造を有する材料により、前記内壁の少なくとも一部に形成されたコーティング層とを有し、前記コーティング層を形成する分子の半数を超える分子が、前記内壁に対し垂直配向していることを特徴とするガスセル。【選択図】図４
2016008836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内壁により規定された内部空間を有するセル本体と、
前記内部空間に封入された、アルカリ金属または水素のガスと、
長鎖状の分子構造を有する材料により、前記内壁の少なくとも一部に形成されたコーティング層と
を有し、
前記コーティング層を形成する分子の半数を超える分子が、前記内壁に対し垂直配向している
ことを特徴とするガスセル。
【請求項２】
前記コーティング層は、前記垂直配向した分子が周期的に二次元配置した二次元結晶膜を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項３】
前記二次元結晶膜が前記内壁に垂直な方向に複数、積層されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガスセル。
【請求項４】
前記二次元結晶膜において、一の分子は、他の分子と、ファンデルワールス結合以外の化学結合をしている
ことを特徴とする請求項２または３に記載のガスセル。
【請求項５】
前記コーティング層は、不飽和結合を有する炭化水素を用いて形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のガスセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内壁にコーティング層を有するガスセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁力計や原子発振器など、ガスセル内部に封入したガス原子のスピン偏極を利用した装置が知られている。これらの装置において、ガスセル内の原子がセルの内壁に衝突するとスピン偏極が緩和してしまうという問題がある。この問題に対処するため、ガスセルの内壁をパラフィンでコーティングする技術が知られている（特許文献１並びに非特許文献１および２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−７７２０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】E. B. Alexandrov and M. V. Balabas, "Light-induced desorption of alkali-metal atoms from paraffin coating", Physical Review A 66, 042903 (2002)
【非特許文献２】N. Castagna, G. Bison, G. Di Domenico, A.Hofer, P. Knowles, C. Macchione, H. Saudan and A. Weis, "A large sample study of spin relaxation and magnetometric sensitivity of paraffin-coated Cs vapor cell", Applied Physics B 96(4), pp. 763-772 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１並びに非特許文献１および２においては、スピン偏極の緩和防止のための、コーティング層の好ましい構造については言及がなかった。
【０００６】
これに対し本発明は、スピン偏極の緩和防止のための、コーティング層の好ましい構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るガスセルは、内壁により規定された内部空間を有するセル本体と、前記内部空間に封入された、アルカリ金属または水素のガスと、長鎖状の分子構造を有する材料により、前記内壁の少なくとも一部に形成されたコーティング層とを有し、前記コーティング層を形成する分子の半数を超える分子が、前記内壁に対し垂直配向していることを特徴とする。
【０００８】
この構造によれば、スピン偏極の緩和防止効果を高めることができる。
【０００９】
上記の本発明に係るガスセルにおいて、前記コーティング層は、前記垂直配向した分子が周期的に二次元配置した二次元結晶膜を含むことが好ましい。
【００１０】
上記の本発明に係るガスセルにおいて、前記二次元結晶膜が前記内壁に垂直な方向に複数、積層されていることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、コーティング層の信頼性を向上させることができる。
【００１２】
上記の本発明に係るガスセルにおいて、前記二次元結晶膜において、一の分子は、他の分子と、ファンデルワールス結合以外の化学結合をしていることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、コーティング層の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
前記コーティング層が、不飽和結合を有する炭化水素から形成されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態に係る磁気測定装置１の構成を表すブロック図。
【図２】ガスセルアレイ１０の外観図。
【図３】ガスセル１１のIII− III断面図。
【図４】コーティング層１１４の構造を示す模式図。
【図５】ガスセル１１の製造方法を示すフローチャート。
【図６Ａ】ステップＳ１開始前の状態を示す図。
【図６Ｂ】ステップＳ２の状態を示す図。
【図６Ｃ】ステップＳ３の状態を示す図。
【図６Ｄ】ステップＳ４の状態を示す図。
【図６Ｅ】ステップＳ５の状態を示す図。
【図６Ｆ】ステップＳ６の状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１．構造
図１は、一実施形態に係る磁気測定装置１の構成を表すブロック図である。磁気測定装置１は、心臓から発生する磁場（心磁）または脳から発生する磁場（脳磁）等、生体から発生する磁場を、生体の状態の指標として測定する生体状態測定装置である。磁気測定装置１は、ガスセルアレイ１０と、ポンプ光照射ユニット２０と、プローブ光照射ユニット３０と、検出ユニット４０とを有する。ガスセルアレイ１０は、複数のガスセルを有する。これら複数のガスセル内には、アルカリ金属ガス（例えば、セシウム（Ｃｓ））が封入されている。ポンプ光照射ユニット２０は、アルカリ金属原子と相互作用するポンプ光（例えば、セシウムのＤ１線に相当する波長８９４ｎｍの光）を出力する。ポンプ光は円偏光成分を有する。ポンプ光が照射されると、アルカリ金属原子の最外殻電子が励起され、スピン偏極が生じる。スピン偏極したアルカリ金属原子は、被測定物が生じる磁場Ｂによって歳差運動をする。一つのアルカリ金属原子のスピン偏極は、時間の経過とともに緩和するが、ポンプ光がＣＷ（Continuous Wave）光であるので、スピン偏極の形成と緩和は、同時平行的かつ連続的に繰り返される。その結果、原子の集団全体としてみれば、定常的なスピン偏極が形成される。
【００１７】
プローブ光照射ユニット３０は、直線偏光成分を有するプローブ光を出力する。ガスセルの透過前後において、プローブ光の偏光面は、ファラデー効果により回転する。偏光面の回転角は、磁場Ｂの関数である。検出ユニット４０は、プローブ光の回転角を検出する。検出ユニット４０は、入射した光の光量に応じた信号を出力する光検出器と、信号を処理するプロセッサーと、データを記憶するメモリーとを有する。プロセッサーは、光検出器から出力された信号を用いて磁場Ｂの大きさを算出する。プロセッサーは、算出した結果を示すデータをメモリーに書き込む。こうして、ユーザーは、被測定物が発生する磁場Ｂの情報を得ることができる。
【００１８】
図２は、ガスセルアレイ１０の外観図である。この例で、ガスセルアレイ１０は、第１方向および第２方向に沿ってマトリクス状に２次元配置された複数（２×２個）のガスセル１１を有する。説明のため、第１方向をｘ軸正方向とし、第２方向をｙ軸正方向として、ｘｙｚ直交座標系を定義する。
【００１９】
図３は、ガスセル１１のIII−III断面図である。この断面は、ｙｚ平面に平行である。ガ
スセル１１の本体は、光透過性を有し、封入されるアルカリ金属と反応せず、かつアルカリ金属原子を透過しない材料、例えば石英ガラスまたはホウケイ酸ガラス等を用いて形成される。ガスセル１１は、本体の内壁により規定される内部空間である主室１１１および副室１１２を有する。主室１１１は、ガスセル１１がセンシング素子としての機能を発揮するための空間、すなわちアルカリ金属ガスが封入された空間である。副室１１２は、アルカリ金属溜まりとして機能する空間である。主室１１１に封入されたアルカリ金属ガスは、低温になると凝固する。このとき、凝固したアルカリ金属が主室１１１の壁面に付着すると、ポンプ光またはプローブ光の妨げとなり、測定に支障が出てしまう。アルカリ金属溜まりは、測定に支障が出ないようにアルカリ金属を溜める空間である。例えば主室１１１と副室１１２とに温度差をつけることにより、アルカリ金属が副室１１２に溜まるように制御される。
【００２０】
主室１１１と副室１１２とは、通気孔１１３で連結されている。主室１１１内の圧力分布を一定に近づけるために、通気孔１１３の径は細いことが好ましい。通気孔１１３と連結している部分を除けば、主室１１１は直方体の形状を有している（通気孔１１３および副室１１２を除けば、ガスセル１１は直方体の形状を有している）。
【００２１】
ガスセル１１は、主室１１１の壁面の少なくとも一部において、コーティング層１１４を有する。コーティング層１１４は、スピン偏極の緩和を防止する目的で設けられる。コーティング層１１４は、直鎖状の分子構造を有する炭化水素、例えばパラフィンにより形成される。パラフィンとは、炭素数２０以上のアルカン（一般式がＣnＨ2n+2の鎖式飽和炭化水素）をいう。パラフィンの分子構造は、枝分かれの無い直鎖状のものが好ましい。また、炭素数は４０〜６０が好ましく、５０程度がより好ましい。
【００２２】
図４は、コーティング層１１４の構造を示す模式図である。この例では、コーティング層１１４の材料として直鎖状の分子構造を有するパラフィンが用いられる。パラフィン分子が取り得る状態としては、垂直配向と平行配向とがある。垂直配向とは、表面（主室１１１の内壁面）に対してパラフィン分子が垂直に配向していることをいい、平行配向とは、表面に対してパラフィン分子が平行に配向していることをいう。なおここで、「垂直」および「平行」という語は、数学的に厳密に垂直および平行であることのみを意味するものではなく、厳密な垂直および平行からのずれが所定量以下である状態も含む。
【００２３】
スピン偏極の緩和効果とパラフィン分子の状態との関係について説明する。理想的な結晶において、パラフィン分子の分極は最小となり、表面自由エネルギーも最小となる。このとき、衝突した原子の吸着時間（結晶表面における滞在時間）も最小となる。すなわち、スピン偏極の緩和作用は最大となる。
【００２４】
しかし、コーティング層１１４は、必ずしも理想的な単結晶膜ではない。コーティング層１１４の形成には、例えば真空蒸着が用いられる。真空蒸着の初期段階においては、まず表面に複数の結晶核が発生し、次に、この結晶核を基点として結晶粒が成長していく。すなわち、真空蒸着により形成されるパラフィン膜は多結晶膜である。結晶粒界は大きな格子不整合であるが、格子不整合に起因してパラフィン分子に微弱な電気的または磁気的な分極が生じる。この分極は表面自由エネルギーを増加させ、衝突した原子の吸着時間を増加させる。すなわち、スピン偏極の緩和作用に悪影響を与える。
【００２５】
次に、パラフィン分子の配向について考察する。真空蒸着後のパラフィン膜においては、一般的に、垂直配向の分子と平行配向の分子とが混在している。垂直配向の結晶粒と平行配向の結晶粒との結晶粒界は、結晶軸の異なる２つの水平配向の結晶粒の結晶粒界よりも格子不整合が大きくなる場合があり、スピン偏極の緩和作用の低下も大きいと考えられる。
【００２６】
以上の考察から、コーティング層１１４は、垂直配向の結晶粒と平行配向の結晶粒との結晶粒界が少ないことが好ましい。そのため、コーティング層１１４において、パラフィン分子は、ほぼ全面に渡って垂直配向している。この例で、コーティング層１１４は、垂直方向においては単一のパラフィン分子から構成される単分子層、すなわち二次元結晶膜である。
【００２７】
２．製造方法
図５は、ガスセル１１の製造方法を示すフローチャートである。また、図６は、各工程におけるガスセルの状態を示す図である。ここでは、主室１１１および通気孔１１３が形成された状態から説明する（図６Ａ）。この時点で副室１１２は完全には形成されておらず、開口１１５を介して外気に解放されている。
【００２８】
ステップＳ１において、ガスセル１１が洗浄される。洗浄には、例えば、酸溶液を用いた洗浄および減圧雰囲気における加熱の少なくとも一方が用いられる。
【００２９】
ステップＳ２において、コーティング層１１４を形成するためのコーティング剤が、主室１１１に導入される。コーティング剤は、減圧雰囲気で、開口１１５に挿入されたニードル栓９２を介して導入される（図６Ｂ）。このとき、副室１１２はヒーター９１により加熱される。副室１１２を加熱することにより、コーティング剤は副室１１２ではなく主室１１１の内壁に吸着および堆積する。
【００３０】
ステップＳ３において、副室１１２内にアンプル９３が導入される（図６Ｃ）。アンプル９３の内部には、アルカリ金属原子が封入されている。
【００３１】
ステップＳ４において、副室１１２が封止される（図６Ｄ）。副室１１２は、減圧雰囲気において、開口１１５をリッド１１６で塞ぐことにより封止される。リッド１１６は、例えばガスセル１１と同じ材料で形成された蓋である。リッド１１６とガスセル１１とは、例えば低融点ガラスを用いて接合される。
【００３２】
ステップＳ５において、ライプニング（均一化）が行われる（図６Ｅ）。ライプニングは、パラフィン分子を垂直配向化させるための熱処理であり、例えばパラフィンの融点直下の温度まで加熱する処理である。ライプニングにより、パラフィン分子は結晶粒から離脱し、垂直配向化、移動、および再結合を繰り返す。ライプニングにより、垂直配向の単結晶に近い膜が得られる。
【００３３】
ステップＳ６において、アンプル９３が破壊される（図６Ｆ）。アンプル９３が破壊されると、内部に封入されていたアルカリ金属原子が拡散し、主室１１１にアルカリ金属が充填される。アンプル９３は、例えば、レーザー照射等による加熱、または物理的な衝撃を与えることにより破壊される。
【００３４】
なお、ステップＳ５とＳ６は入れ替えられてもよい。すなわち、アンプルを破壊した後でライプニングが行われてもよい。
【００３５】
３．変形例
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。
【００３６】
３−１．変形例１
コーティング層１１４において、パラフィン分子はすべてが垂直配向していなくてもよい。パラフィン分子は、例えば半数を超える分子が垂直配向していればよい。なお、半数を超える分子が垂直配向しているか否かは、例えば、Ｘ線回折測定において、垂直配向に相当する回折ピークと平行配向に相当する回折ピークとの強度比を用いて判断する。
【００３７】
３−２．変形例２
コーティング層１１４は単分子層に限定されない。コーティング層１１４は、パラフィンの分子層が２層以上積層された構造を有していてもよい。単分子層であると分子が１層剥がれるとセルの壁面が露出してしまいスピン偏極の緩和効果が失われるが、２層以上の分子層であれば分子が１層剥がれてもその下にパラフィンの分子があるので、スピン偏極の緩和効果を維持することができる。すなわち、コーティング層の信頼性（耐熱性や長期信頼性等）を向上させることができる。
【００３８】
３−３．変形例３
コーティング層１１４の材料は実施形態で説明したものに限定されない。垂直配向したパラフィン分子は、隣接する分子とファンデルワールス力で結合（ファンデルワールス結合）している。しかし、ファンデルワールス力は到達距離が短くかつ非常に弱いため、コーティング層の耐熱性や長期信頼性に問題が発生する場合があった。そこで、コーティング層１１４の構造を安定化させ、信頼性（例えば耐熱性や長期信頼性）を向上させるため、隣接する分子が化学結合する構造の膜を用いてもよい。ここでいう化学結合とは、ファンデルワールス結合以外の結合、例えば、共有結合やイオン結合をいう。このような構造の膜を形成するためのコーティング剤として、例えば、基本骨格に不飽和結合を有する炭化水素が用いられる。この場合、これを用いて膜を形成し、ライプニングで垂直配向させた後、紫外線照射等により不飽和結合を活性化させ、基本骨格同士を結合させる。
【００３９】
また、炭化水素以外にも、フッ化炭素やシリコーン等の有機高分子が、コーティング層１１４の材料として用いられてもよい。
【００４０】
３−４．変形例４
ガスセル１１の形状は実施形態で説明したものに限定されない。ガスセル１１の外形は、球形、錐型等、方形以外の形状を有していてもよい。ガスセル１１の内形すなわち主室１１１の形状も、球形、錐型等、方形以外の形状を有していてもよい。また、ガスセル１１は、副室１１２および通気孔１１３を有さず、主室１１１のみを有していてもよい。
【００４１】
３−５．他の変形例
ガスセル１１に封入される原子はアルカリ金属原子に限定されない。例えば水素原子が封入されてもよい。
【００４２】
ガスセル１１の用途は、磁気測定装置に限定されない。原子発振器等、磁気測定装置以外の装置にガスセル１１が用いられてもよい。
【００４３】
本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において広く適用が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１…磁気測定装置、１０…ガスセルアレイ、１１…ガスセル、２０…ポンプ光照射ユニット、３０…プローブ光照射ユニット、４０…検出ユニット、９１…ヒーター、９２…ニードル栓、９３…アンプル、１１１…主室、１１２…副室、１１３…通気孔、１１４…コーティング層、１１５…開口、１１６…リッド
【図１】
2016008836.tif 000003
【図２】
2016008836.tif 000004
【図３】
2016008836.tif 000005
【図４】
2016008836.tif 000006
【図５】
2016008836.tif 000007
【図６Ａ】
2016008836.tif 000008
【図６Ｂ】
2016008836.tif 000009
【図６Ｃ】
2016008836.tif 000010
【図６Ｄ】
2016008836.tif 000011
【図６Ｅ】
2016008836.tif 000012
【図６Ｆ】
2016008836.tif 000013