静磁界および２つの振動磁界によって調整される原子時計

专利摘要:
本発明の原子時計は、静磁界及び２つの振動磁界を共に加える手段(8,9,10)を磁気シールド(11)内に備え、これらの磁界は全て互いに直交する。これらの振動磁界の振幅及び周波数は、励起原子の副遷移準位間のエネルギー変動を消滅させ、時計の出力信号を増強し、そして調整における不具合に対して低感度であるように選定する。
公开号:JP2011507249A
申请号:JP2010537437
申请日:2008-12-10
公开日:2011-03-03
发明作者:レジェ ジャン−ミシェル；レ；プラド マシュー
申请人:コミサリア ア レネルジー アトミーク エ オ エネルジー アルテルナティヴ；
IPC主号:G04F5-00

专利说明:

[0001] 本発明は、シールド内で加えられる２つの振動磁界および静磁界によって調整されるか、これらの磁界に覆われる原子時計に関するものである。]
背景技術

[0002] 原子時計は、多くはアルカリ性の気体媒質、この気体の原子を励起してより高いエネルギー状態にジャンプ（遷移）させることのできるレーザーのような装置、及び原子が基底エネルギー準位（レベル）に戻る際に放出する周波信号を、レーザーから来る光子を用いて測定する手段を備えている。]
[0003] 気体によって戻される光子の周波数は公式ν＝ΔＥ／ｈによって規定され、ここにνは周波数、ΔＥはエネルギー準位間の差、ｈは６．６３×１０-34Ｊ・ｓに等しいプランク定数である。この周波数は非常に安定しており、従って時間基準単位として役立てることができる。しかし、物質のゼーマン構造を考慮すると、このことはもはや正しくなく：エネルギー準位は、少しずつ異なる状態に対応する副準位から成るものとして現れ、これらの副準位は、その磁気量子数ｍによって区別され、ｍは、エネルギー準位の基準状態に対して０であり、他の状態に対して−１、−２、等、あるいは＋１、＋２、等である。このことを、元素87Ｒｂの場合について図１に例示し、ここでは（角度モーメントＦ＝１およびＦ＝２の）最初２つのエネルギー準位への分解を示す。] 図１
[0004] これらのエネルギー準位は周辺磁界に敏感である。この感度は、０に等しい磁気数における副準位に対しては低い（２次）が、他の副準位に対してはずっと高く（１次）：これらの副準位からの、あるいはこれらの副準位への遷移は光子を生成し、その周波数は変化し、従って基準として役立たず、磁気数０の２つの副準位間の遷移に対応する信号部分しか、上記測定用に利用されず、このことは測定の質に悪影響を与える。従って、時計によって与えられる基準周波数は、気体中で考えられる超微細遷移周波数ｆ0＝Ｅ0／ｈであり、ここにＥ0は、２つの状態（図１の例ではＦ＝１及びＦ＝２）のｍ＝０における副準位間のエネルギー差である。] 図１
[0005] 従って、ゼロ磁界を保証することができないので、止む無く、時計周囲の磁気シールドを用いて外部摂動を減少し、このシールド内で定磁界用いて、これらの副準位を適切に分離している。時計の動作はより安定になるが、これらの副準位は不動であり、従って明確に規定され、周波数の分散が生じ、かつ弱まった信号で事を済ませなければならないという欠点は不可避である。]
先行技術

[0006] Haroche, “Modified Zeeman hyperfine spectra observed in H1 and Rb87 ground states interacting with a nonresonant RF field”, Physical Review Letters, volume 24, number 16, 1970年4月20日, 861〜864ページ]
発明が解決しようとする課題

[0007] 本発明は、原子時計をゼロ磁界で動作させて、上記副準位を同一エネルギー値に集中させ、より先鋭な測定ピーク値を含む信号を得ることによって、既存の原子時計を改良することを目的とする。]
[0008] 静磁界が生じさせる、エネルギーの副準位間にわたる分散を解消することによって、０でない磁気数を有する副準位を有用な信号に関与させることが提案されている。Harocheによる論文：“Modified Zeeman hyperfine spectra observed in H1 and Rb87 ground states interacting with a nonresonant RF field”, Physical Review Letters, volume 24, number 16, 1970年4月20日, 861〜864ページ（非特許文献１）は、次の二重不等式：



を満足する条件で、この静磁界に直交する振動磁界を加えることによって、静磁界の励起原子に対する影響を消滅させることができることを開示し、ここに、Ｈ0は静磁界の強度、Ｔは原子の緩和時間、ωは振動磁界の振動、γは磁気回転モーメントである。従って、同じ準位の副準位間のエネルギー差ΔＥは、各準位において全て０になり、気体によって戻される光子は全てエネルギー差Ｅ０に対応し、従って図２の物質の状態が得られ：全てのことが、結果的な（仮想的）ゼロ磁界が存在するかのように行われる。] 図２
[0009] しかし、このことは、振動磁界の強度と周波数との間に定められる、この効果を得るための比率を守ることを暗に意味するが、その調整において高度な手腕を必要とし、弱い摂動でも、この発見の利益を得ることを妨げる、無視できない仮想的残留磁界を残したままである。]
課題を解決するための手段

[0010] 本発明は、装置に第２の振動磁界を追加することによる改良に基づく。従って、本発明は、気体を充填したセルと、この気体の原子をより高いエネルギー準位にジャンプさせる、この気体の励振器（エキサイター）と、この気体を通過する光信号を集光する検出器と、このセルの周囲の磁気シールドと、このシールド内に静磁界を含む磁界を加える手段とを備え、この磁界を加える手段は、互いに直交し、かつこの静磁界に直交する２つの振動磁界も加えることを特徴とする。]
[0011] 第２の振動磁界を追加することは、ずっと高い信頼性を伴って、励起原子にとってゼロ磁界と等価な結果的磁界を得ることを可能にし、換言すれば、摂動に対するずっと低い感度を伴う。]
[0012] 本発明の原子時計が、上記振動磁界の強度または周波数のいずれかを調整する手段を備えていることが有利である。]
図面の簡単な説明

[0013] 原子時計内で使用する化学元素のエネルギー準位を示す図である。
原子時計内で使用する化学元素のエネルギー準位を示す図である。
時計の概略図である。
本発明の効果を例示する関数のグラフ表現である。]
実施例

[0014] 以下、本発明を、図面を参照しながら説明する。
図３を参照しながら説明する。時計のコアは、アルカリ性の気体を充填したセル１である。励振器２は、この気体にエネルギーを、円偏光子３を通過して偏光した光子束の形で伝達する。この励振器は、例えばマイクロ波場とすることもできる。従って、いずれの場合にも、光ビーム（例えばレーザー）を注入して、この気体の共振を検出することが必要である。光検出器４は、セル１の気体によって反射された発光エネルギーを捕集して、信号を計数装置５に伝送する。周波数分離器６は、計数装置５の出力端子において信号を捕集して、その結果を時計の操作装置７及び制御装置８に伝送し、制御装置８は、励振器２、並びに磁界を加える手段９及び１０を調整する。後者は、Ωおよびωで表される振動の無線周波数で磁界を放出し、これらの磁界は互いに直交し、かつ偏光に依存する方向に直交する（例えば、円偏光子の場合は、励振器２が放出した光線に直交する）。これらの振動磁界は、セル１、及び磁界を加える手段９及び１０を包囲する磁気シールド１１内に加えられる。] 図３
[0015] ここで、現象の理論的説明に戻る。以上で示した条件を満足する、強度Ｈ0の静磁界と、強度Ｈω及び振動ωの無線周波数磁界との組合せは、強度

の仮想的静磁界の影響と等価な影響を原子に与え、この静磁界の、無線周波数磁界の方向及びこの磁界に直交する方向の成分はそれぞれ、Ｈ0・ｃｏｓα、及び



に等しく、Ｊ0は第１種ベッセル関数であり、αは、この静磁界と無線周波数磁界との間の角度である。これらの磁界が互いに直交する場合、第１成分は消失し、次式のようになる：



しかし、第１種ベッセル関数Ｊ0は−１〜＋１の値であり、少なくとも１点でそれ自身が相殺される。このことのグラフ表現を図４に示す（曲線１２）。従って、比率



の良好な選定は、結果的な仮想的磁界を相殺して



にすることを可能にし、これらの比率の１つは２．４である。それにもかかわらず、関数の傾きは重要であり、調整プロセス（過程）における１０％の変動が、強度が約０．１Ｈ0であり過度である結果的磁界を生じさせる、ということがあり得る。このことが、第２の振動磁界を追加する理由である。この磁界は、上記第１の無線周波数磁界及び静磁界に直交し、その振動はΩであり、その強度はＨΩである。振動Ωは次の不等式：



を満足し、換言すれば、この第２の無線周波数磁界は、上記静磁界に対して第１の無線周波数磁界と同じ影響を与えるが、その振動は第１の無線周波数磁界の振動よりずっと小さい。なお、これに加えて、これら２つの振動磁界の周波数は高過ぎてはならず：これらの周波数が約（ｆ0／４）を超えないことが必要であり、ここに、ｆ0は既に述べた通り超微細遷移周波数であり、気体中の原子のエネルギー準位の変化に対応する。そして、第１の振動磁界にも修正を施し、この修正は、その振幅ＨΩの上記ベッセル関数による減衰を生じさせる。従って、無線周波数の２つの磁界及び静磁界から成る系は、仮想的な無線周波数磁界



及び仮想的な静磁界



と等価であり、以上のことによれば、この系自体が、強度



の２つの無線周波数磁界の寄与によって減衰した仮想的な静磁界

と等価である。] 図４
[0016] この磁界は、上記無線周波数磁界の各々の特定の調整によって相殺することができる。図４に、比率



の変化の例を、



の関数として示し（曲線１３）：

は最初に、比率



において相殺される。この値は、



の値に依存し、この場合は３．８に選定され、換言すれば、曲線１２のベッセル関数の極値である。この方法を採ることによって、



の変動に関する

の感度がなくなり、このことは、その調整を安定させる。それにもかかわらず、



の変動に関する

の感度は一次のままであるが、曲線１２と１３との比較に見られるように、単一の無線周波数磁界で得られるものに比べれば大幅に減衰している、というのは、（縦軸の値０における）横軸との交点における傾きが



に等しく表すことのできる率だけ低減されるからである。約６．０の値の



の１０％変動は、単一の無線周波数磁界による０．１Ｈ0の代わりに、仮想的な磁界：



を誘発し、調整の不具合に対する感度は８４％も低減される。さらに、



が極値になると、

は、この調整点付近におけるこの比率の変動に敏感でなくなる。比率



を、ベッセル関数の他の極値に置くことは明らかに可能であり、この極値は、調整の不具合に対するさらに低い感度を与える。] 図４
[0017] 実験上の調整は、理論上の調整とわずかに異なり得る。これらの調整は、（１／２πＴより十分低い）低周波数υかつＨ0に対して共直線的な正弦波磁界よって与えられる情報を利用することによって実行することができる。この磁界は、周波数ｆ0±υの時計が伝達する信号中に摂動を誘発する。従って、原子時計が伝達する信号の上記静磁界に対する感度は、この摂動の周波数における同期検波によって定量化することができる。関心事の動作点は、まず、最高周波数（ω／２π）における磁界の振幅Ｈωを、静磁界Ｈ0の最大感度に合わせて調整することによって得ることができる。次に、他の無線周波数磁界ＨΩを追加して、Ｈ0の最小感度を得るように調整する。]
[0018] 制御装置８は、第２の無線周波数磁界の振幅を、時計が伝達する信号の最小感度を保つこうした原則の関数として連続的に調整する働きをすることができる。]
[0019] 本発明独自の励振器は、例えばダイオードレーザーまたはランプが放出するレーザー束のような光子束とすることができる。気体元素は、87Ｒｂ、133Ｃｓで構成することができ、必要であればバッファガスと混合する。セル１の材料は、パイレックス（登録商標）のようなガラスで構成することができる。磁界９及び１０を加える手段は、三軸コイル、あるいは互いに同心の３つの単軸コイルを備えることができる。光検出器４は、セル１の出力において光子束を測定するあらゆる種類のものとすることができる。これらの光子は、例えば励振器に加えた偏光板によって偏光しなければならない。制御は、計数装置を備えた既知のあらゆる機材によって達成される。コイルは電流制御される。共振周波数における励起は、周波数ｆ0／２におけるダイオードレーザーの振幅変調によって、あるいは周波数ｆ0において共振するマイクロ波空洞（キャビティ）によって達成される。周波数差がｆ0である２つのレーザーを備えた励振器も考えられる。]
[0020] そして、シールドは特に効率的であり、磁界が０であるので、全ての副準位が等価になる。そして、原子時計に通常使用する気体（アルカリ性の気体）以外の気体を用いることができ、特に、3Ｈｅのような、その原子の超微細構造が角運動量０を有する副準位を有しない気体を用いることができる。]
[0021] 磁気シールド１１は、μ金属の重ね合わせ円筒（シリンダ）で構成することができ、必要ならば軟鉄の円筒を伴う。元素87Ｒｂを使用する特定の場合には、本発明の方法の有効性のための、前に確認した条件を与えるために、レーザーの光子の波長が７８０nmであり、１／４波長板が入射光子を左円偏光させ、磁気シールド１１はμ金属の４つの同心円筒及びその外側の軟鉄円筒で構成され、磁界Ｈ0は主軸上で１００マイクロガウスであり、γは６７０キロヘルツ／ガウスであり、上記無線周波数は、２７ミリガウス及び１１４ミリガウスの振幅において、それぞれ３キロヘルツおよび２０キロヘルツである。]

权利要求:

請求項1
気体を充填したセル(1)と、前記気体の原子を、より高いエネルギー準位にジャンプさせる、前記気体の励振器(2)と、前記気体を通過する光信号を捕集する検出器(4)と、前記セルの周囲の磁気シールド(11)と、静磁界を含む磁界を加える手段(9, 10)とを備えた原子時計において、前記磁界を加える手段(9, 10)が２つの振動磁界も加え、前記２つの振動磁界は互いに直交し、かつ前記静磁界に直交することを特徴とする原子時計。
請求項2
前記２つの振動磁界の強度または周波数のいずれかを調整する手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の原子時計。
請求項3
比率γＨΩ／Ωの第１種ベッセル関数が０に等しく、ここに、ＨΩ及びΩは、前記２つの振動磁界の一方の強度及び周波数であり、前記一方の振動磁界は他方の振動磁界より低い周波数を有し、γは磁気回転比であることを特徴とする請求項１または２に記載の原子時計。
請求項4
比率γＨω／ωの第１種ベッセル関数の値が極値であり、ここに、Ｈω及びωは、前記他方の振動磁界の強度及び周波数であり、γは磁気回転比であることを特徴とする請求項３に記載の原子時計。
請求項5
前記磁界を加える手段が、少なくとも３つの同心の単軸コイルを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の原子時計。
請求項6
前記磁界を加える手段が、少なくとも１つの三軸磁気コイルを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の原子時計。
請求項7
前記気体を、アルカリ性の気体及びヘリウム３から選定したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の原子時計。
請求項8
前記振動磁界が、最大でも、前記原子時計が測定した超微細遷移周波数の４分の１に等しい周波数を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の原子時計。