原子発振器のマイクロ波空洞共振装置
【課題】空洞共振器内に規定周波数を有する安定したＴＥ０１１共振モードを生起する。
【解決手段】原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、空洞共振器２内における軸方向の両端近傍に設けられ、ガスセル４を空洞共振器内の中央位置に支持する低誘電率の材料で形成された一対の支持部材２１、２２と、空洞共振器内に挿脱自在に設けられた高誘電率の誘電体部材２６と、ＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数が規定周波数になるように、空洞共振器内における軸方向の一端面から高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量を調整する突出量調整機構２７と、空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設され、アンテナ２４の一部を側壁に対して隙間を有して収納する凹部２３とを備えている。
【解決手段】原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、空洞共振器２内における軸方向の両端近傍に設けられ、ガスセル４を空洞共振器内の中央位置に支持する低誘電率の材料で形成された一対の支持部材２１、２２と、空洞共振器内に挿脱自在に設けられた高誘電率の誘電体部材２６と、ＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数が規定周波数になるように、空洞共振器内における軸方向の一端面から高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量を調整する突出量調整機構２７と、空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設され、アンテナ２４の一部を側壁に対して隙間を有して収納する凹部２３とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルビジウムやセシウム１３３等の吸収ガスが有する光の吸収特性を利用した原子発振器に係わり、特にこの原子発振器に組込まれたマイクロ波空洞共振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ励起型の原子発振器の中核部品であるマイクロ波空洞共振装置は、例えば、特許文献１に報告されている。すなわち、この特許文献１に報告されているマイクロ波空洞共振装置は、図１０の断面図に示すように構成されている。円筒状の空洞共振器（キャビティ）３１内に、円筒状のガラス容器にルビジウムガスを充填したガスセル３２が配設されている。さらに、空洞共振器３１内に、この空洞共振器３１の共振周波数を調整する低誘電損失でかつ空気よりも比誘電率の大きな環状の誘電体３３が設けられている。この誘電体３３は、例えばテフロン（登録商標）等の低誘電損失の物体である。
【０００３】
空洞共振器３１の軸方向の一端壁３１ａに形成されたねじ穴に大径を有する金属製のネジ部３４がねじ込まれており、このネジ部３４の先端に前述した環状の誘電体３３が固定されている。なお、ネジ部３４には、軸方向にレーザ光３８を貫通させるための貫通孔３５が形成されている。
【０００４】
また、空洞共振器３１の軸方向の一方の壁３１ａには、この空洞共振器３１内に共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナ３６が取付けられている。なお、このアンテナ３６には図示しない電圧制御水晶発振器（ＶＣＯ）からの発振出力を逓倍した信号が印加されている。
【０００５】
そして、前述したネジ部３４のねじ穴に対するねじ込み量を変更することによって、誘電体３３を矢印方向へ移動して、空洞共振器３１の容積を変更させて、空洞共振器３１に発生しているマイクロ波の共振モードにおける共振周波数を、ルビジウムに対して予め定められた基準の共振周波数（規定周波数）に調整する。
【０００６】
外部のレーザダイオード３７から出射したレーザ光３８は、ネジ部３４の貫通孔３５を介して空洞共振器３１内へ入射し、さらにガスセル３２へ入射する。ガスセル３２を透過したレーザ光３８は、空洞共振器３１の軸方向の他方の壁３１ｂに取付けられたフォトセル３９へ入射して、このフォトセル３９で電気信号に変換される。
【０００７】
さらに、空洞共振器３１の外周には、ガスセル３２を収納した空洞共振器３１内に静磁界を生起させる磁気シールドコイル４０が巻かれている。
【０００８】
原子発振器においては、空洞共振器３１内における共振モード発生時における基準の共振周波数（規定周波数）のマイクロ波入力周波数を用いて外部に出力する基準周波数を作成する。そして、空洞共振器３１内に共振モードが発生した状態においては、ガスセル３２内に収納されたルビジウムの光に対する吸収特性における光の吸収が最大になるので、フォトセル３９で受光されたレーザ光３８の強度が最小となる。したがって、空洞共振器３１内に共振モードが発生したことをレーザ光３８の強度が最小となることで検出する。
【０００９】
したがって、マイクロ波空洞共振装置において、フォトセル３９から出力される電気信号によって、フォトセル３９の入射光量が小さくなるように、電圧制御水晶発振器（ＶＣＯ）の発振出力（発振周波数）を制御する。この結果、電圧制御水晶発振器（ＶＣＯ）の発振周波数をルビジウムの原子共振周波数に一致させるようにしている。
【特許文献１】特開平７―２６４０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら図１０に示したマイクロ波空洞共振装置においてもまだ解消すべき次のような課題があった。
【００１１】
このような構成のマイクロ波空洞共振装置において、吸収ガスとしてルビジウムを採用した場合において、円筒状の空洞共振器３１の直径や軸長は、アンテナ３６から出力されるマイクロ波入力周波数が前述した基準の共振周波数（規定周波数）で、この空洞共振器３１内に共振モードが発生するように設定されている。
【００１２】
しかし、空洞共振器３１内には、ガスセル３２、誘電体３３、ネジ部３４、アンテナ３６、フォトセル３９等が存在する。これらの構成部材は、共振モード発生時の周波数に影響を与える。したがって、製造された空洞共振器３１の共振モード発生時の周波数が正確に前述した基準の共振周波数（規定周波数）になるとは限らない。
【００１３】
そこで、空洞共振器３１に発生しているマイクロ波の共振モードにおける共振周波数を、ルビジウムに対して予め定められた基準の共振周波数（規定周波数）に調整する手法として、先端にテフロン（登録商標）等の低誘電損失の物体で形成された環状の誘電体３３が取付けられた金属製のネジ部３４のねじ穴に対するねじ込み量を変更することによって、空洞共振器３１の容積を変更させている。すなわち、誘電体３３の挿入位置は変化するが、ネジ部３４の空洞共振器３１の挿入量を変更している。
【００１４】
このことは、結果的に、空洞共振器３１の外径を変えずに軸長を調整して周波数を調整することになる。そのために空洞共振器設計ツールであるモードチャートの線上から外れてモード飛び現象などが発生し、空洞共振器３１としては不安定となっていた。
【００１５】
また、結果的に、空洞共振器３１内に大きく突出するテフロン（登録商標）等の低誘電損失の物体で形成された誘電体３３を支持するネジ部３４は金属で形成されているので、形成された共振モードが乱れて、共振器としてのＱ値が劣化する。
【００１６】
次に、アンテナ３６と同軸線(セミリジッド)のインピーダンス整合について述べる。空洞共振器３１内は自由空間と異なりほぼ完全に密閉状態になる。また、マイクロ波共振点は狭く、マイクロ波入カはこのような密閉状態ではほぼ全反射するので、このアンテナ３６と同軸線(セミリジッド)のインピーダンスは誘導（インダクタンス）成分が大きくて、インピーダンス整合を取ることはかなり困難である。特に、図１０のマイクロ波空洞共振装置においては、１／４波長のアンテナ３６を空洞共振器３１内に配設していると推定できるためにインピーダンス整合を取ることはかなり困難である。その結果、空洞共振器３１内のマイクロ波のレベルが不安定になる。
【００１７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、マイクロ波の共振モードとしてＴＥ０１１共振モードを採用し、空洞共振器内に存在する各構成部材のＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数に与える影響を選択でき、簡単に、空洞共振器内に規定周波数を有する安定したＴＥ０１１共振モードを生起できる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置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】
【００１８】
本発明は、金属体内に形成された円筒形の空洞共振器と、この空洞共振器内に収納され、吸収ガスと緩衝ガスとを封入したガスセルと、空洞共振器内にＴＥ０１１共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナと、外部から入射されてガスセルを透過した光を受光する受光器とを有する原子発振器のマイクロ波空洞共振装置に適用される。
【００１９】
そして、上記課題を解消するために、本発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、円筒形の空洞共振器内における軸方向の両端近傍に設けられ、ガスセルを空洞共振器内の中央位置に支持する低誘電率の材料で形成された一対の支持部材と、空洞共振器内に挿脱自在に設けられた高誘電率の誘電体部材と、ＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数が規定周波数になるように、空洞共振器内における軸方向の一端面から高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量を調整する突出量調整機構と、空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設され、アンテナの一部を側壁に対して隙間を有して収納する凹部とを備えている。
【００２０】
このように構成された原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、マイクロ波の共振モードとして、図５（ｂ）に示す、ＴＥ０１１共振モードを採用している。そして、ガスセルは空洞共振器内の中央位置に低誘電率の材料で形成された一対の支持部材で支持されているので、ガスセルはＴＥ０１１共振モードの中心に位置している。その結果、ガスセル内において、磁界の磁力線のほとんどが垂直方向となる。さらに、支持部材は空気により近い低誘電率の材料で形成されているので、マイクロ波の誘電体損失が低減され、この支持部材の存在によって、ＴＥ０１１共振モードの安定性が大きく劣化することはない。
【００２１】
また、空洞共振器内に周波数調整用の高誘電率の誘電体部材が、突出量調整機構にて、空洞共振器内への突出量が調整される。このように、高誘電率の誘電体部材を採用することによって、少ない突出量でより効率的にＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数を規定周波数に調整可能である。また、金属で作られたネジの接触不良による難しさもなくなる。
【００２２】
さらに、空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設された凹部内にアンテナの一部を収納している。このようにアンテナの一部を凹部内に収納することにより、アンテナと同軸線(セミリジッド)のインピーダンス整合が容易になり、空洞共振器内のマイクロ波のレベルが安定になる。
【００２３】
また、別の発明は、上述した発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、吸収ガスとしてルビジウム又はセシウム１３３を採用し、光としてレーザ光又はランプ光を採用している。
【００２４】
また、別の発明は、上述した発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、ガスセルとして球形のガスセルを採用している。
【００２５】
また、別の発明は、上述した発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、ガスセルとして円筒形のガスセルを採用している。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、マイクロ波の共振モードとしてＴＥ０１１共振モードを採用し、ガスセルを低誘電率の材料で形成された一対の支持部材で空洞共振器内の中央位置に支持するとともに、高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量で周波数調整を実施ししている。
【００２７】
したがって、ガスセルを空洞共振器内の中心に固定でき、かつ空洞共振器内に存在する各構成部材のＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数に与える影響を選択でき、簡単に、空洞共振器内に規定周波数を有する安定したＴＥ０１１共振モードを生起できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
【００２９】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図であり、また、図２（ａ）はこのマイクロ波空洞共振装置の上面図であり、図２（ｂ）はこのマイクロ波空洞共振装置をＡ―Ａ線で切断して上方から下方を見た断面図である。
【００３０】
この第１実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、アルミ材からなる円柱状のハウジング１内に円筒状の空洞共振器（キャビティ）２が形成されている。この空洞共振器２の下端はアンテナベース９で蓋されている。空洞共振器２内には、セシウム１３３の吸収ガスと緩衝ガスとが封入された球形のガスセル４が収納されている。
【００３１】
このガスセル４は、ハウジング１の上壁に形成された貫通孔５に取付けられたリング状の上側支持部材２１と、アンテナベース９の貫通孔８内に上下移動自在に設けられた円筒状の下側支持部材２２とで支持されている。下側支持部材２２は、アンテナベース９に固定されたバネ１０にて上方へ付勢されている。したがって、ガスセル４はバネ１０にて上側支持部材２１に付勢されている。
【００３２】
なお、リング状の上側支持部材２１の軸方向の厚みｔは、ガスセル４が空洞共振器２の軸方向の中心に位置するように設定されている。上側支持部材２１及び下側支持部材２２は例えばテフロン（登録商標）等の低誘電率の材料で形成されている。実施形態の上側支持部材２１及び下側支持部材２２の比誘電率εは２．１である。なお、ガスセル４の比誘電率εは４．０である。
【００３３】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、リング状の上側支持部材２１の外観図である。この実施形態においては、軸方向の厚みｔは全て等しいが、外径がそれぞれ異なる値に設定された３種類の上側支持部材２１、２１ａ、２１ｂが予め準備されている。そして、空洞共振器２内に形成されるＴＥ０１１共振モード発生時の周波数の調整時に、いずれか１個の上側支持部材２１（２１ａ、２１ｂ）が選択されて、マイクロ波空洞共振装置に組込まれる。図４は円筒状の下側支持部材２２の外観図である。この下側支持部材２２は１種類のみである。
【００３４】
そして、外部から入射した光としてのレーザ光１１は、凸平レンズ１７、貫通孔５、上側支持部材２１を介してガスセル４へ入射する。ガスセル４を透過したレーザ光１１は、下側支持部材２２を介して、アンテナベース９に取付けられた受光器１２へ入射して、この受光器１２で電気信号に変換される。
【００３５】
また、このマイクロ波空洞共振装置における空洞共振器２のアンテナベース９の外周縁近傍には、図２（ｂ）に示すように、長円形断面を有する溝状の凹部２３が周方向に刻設されている。この凹部２３内に、空洞共振器２内にＴＥ０１１共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナ２４が取付けられている。このアンテナ２４には同軸コネクタ１３が接続されている。
【００３６】
このアンテナ２４は、図２（ｂ）、及び図５（ａ）に示すように、空洞共振器２の周方向に配設され、アンテナ２４の全長はＴＥ０１１共振モードを生成するマイクロ波の１波長にほぼ等しく設定されている。アンテナ２４の先端は凹部２３から約３ｍｍ空洞共振器２内へ突出している。さらに、アンテナ２４と凹部２３の側壁２３ａとの間には一定の隙間が存在する。
【００３７】
このように配設されたアンテナ２４において、アンテナ２４と凹部２３の側壁２３ａとの間に分布容量（キャパシタ）が存在する。この分布容量（キャパシタ）成分は、前述した誘導（インダクタンス）成分が大きいアンテナと同軸線(セミリジッド)のインピーダンスにおける誘導（インダクタンス）成分を打ち消すことになり、インピーダンスを抵抗成分のみにできる。その結果、アンテナ２４と同軸線(セミリジッド)のインピーダンス整合を簡単に取ることができる。この整合位置が上記で説明したアンテナ２４の凹部２３からの突出量が約３ｍｍとなる。
【００３８】
そして、アンテナ２４の空洞共振器２内への突出量を前述した３ｍｍとすることで、ＴＥ０１１共振モード発生時において、アンテナ２４の入力インピーダンスを５０Ωの抵抗成分のみにでき、空洞共振器２内のマイクロ波のレベルが安定になり、かつ、同軸コネクタ１３からアンテナ２４に供給するマイクロ波の電力レベルを低減できる。
【００３９】
さらに、アンテナ２４は周方向に配設されているので、図５（ｂ）に示すように、アンテナ２４で生成される磁界の方向と、空洞共振器２内に生成されるＴＥ０１１共振モード発生時の磁界の方向とが一致している。その結果、このアンテナ２４が空洞共振器２内に存在することに起因するＴＥ０１１共振モードの乱れを最小限に抑制できる。
【００４０】
なお、図５（ｃ）に、アンテナ２４の形状と、このアンテナ２４に同軸コネクタ１３を介して印加されるマイクロ波の信号の１波長分（λ）の波形との関係を示す。図示するように、アンテナ２４の両端Ａ、Ｃ位置が１波長分（λ）の波形の最大点位置（０、２π）を示し、アンテナ２４の中間Ｂ位置が１波長分（λ）の波形の最小点位置（π）を示す。
【００４１】
また、このマイクロ波空洞共振装置における空洞共振器２のアンテナベース９の外周縁近傍には、図１及び図２（ｂ）に示すように、円形断面を有する凹部２５が刻設されている。この凹部２５内に、空洞共振器２内におけるＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数を調整するための例えばアルミナ等で円柱状に形成された高誘電率の誘電体部材２６が挿脱自在に収納されている。この高誘電率の誘電体部材２６の空洞共振器２への突出量は、突出量調整機構としての調整ネジ２７のアンテナベース９へのネジ込み量を調整することにより実施される。調整が終了すると、ロックナット２８で調整ネジ２７の位置を固定する。
【００４２】
このように、アルミナ等で円柱状に形成された高誘電率の誘電体部材２６でマイクロ波の周波数を調整しているので、少ない突出量でより効率的にＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数を、吸収ガスとしてセシウム１３３を採用した場合における、９．１９２６３１７７ＧHzの規定周波数に調整可能である。ちなみに、アルミナの比誘電率εは約９．６で、従来のマイクロ波空洞共振装置におけるリン青銅で形成された調整ネジ３４による乱反射を軽減できる。その結果、この高誘電体部材２６が空洞共振器２内に存在することに起因するＴＥ０１１共振モードの乱れを最小限に抑制できる。
【００４３】
さらに、円柱状のハウジング１の外周には、ガスセル４を収納した空洞共振器２内に静磁界を生起させる磁気シールドコイル１８が巻かれている。
【００４４】
次に、ＴＥ０１１共振モードが発生する空洞共振器２の外径と軸長とからなる形状について述べる。
空洞共振器２の内部構造を決めた後で、アンテナ２４を除いた他の構造部材を取り去った時のＴＥ０１１共振モード発生時の周波数と、全ての構造部材を取付けた時のＴＥ０１１共振モード発生時の周波数との差をシミュレーションで解析する。シミュレーション結果から、内部構造部材が存在すると、誘電率が増加し、ＴＥ０１１共振モード発生時の周波数が低くなることが判明した。
【００４５】
これまでの設計ではこの周波数の低下分を空洞共振器２の軸長を可変して周波数を調整していたが、その方法では、数ミリ動かすだけで他のモードに移り、モード飛び現象を起こす危険性があった。
【００４６】
そこで、実施形態装置においては、空洞共振器２の形状を予め周波数の低下分だけ高くして設計し、ＴＥ０１１共振モード発生時の周波数を、内部構造部材の存在により前述した理想とする９．１９２６３１７７ＧHz近くにする。このように空洞共振器２の形状をＴＥ０１１共振モード発生のための基本条件に基づいて設計しているので、モード飛び現象の発生がしにくくなり、ＴＥ０１１共振モードの安定性が向上する。
【００４７】
さらに、空洞共振器２の形状を予め周波数の低下分だけ高くして設計した結果、実施形態の空洞共振器２を、図１０に示す従来の空洞共振器３１に比較して、外径が小さく小型に形成できた。
【００４８】
図６は、上記の条件で設計された空洞共振器２の内部に、上側支持部材２１、ガスセル４、下側支持部材２２、高誘電率の誘電体部材２６、アンテナ２４等の内部構造部材を収納した状態における、アンテナ２４を介して空洞共振器２内へ印加したマイクロ波の周波数ｆを変化させたときのマイクロ波入力端への反射（リターン）特性を示す図である。
【００４９】
この特性においては、ＴＥ０１１共振モードの発生時の周波数ｆは、ほぼ９．１７ＧHzとなり、吸収ガスとしてセシウム１３３を採用した場合の基準周波数としての理想の９．１９２６３１７７ＧHzに対して２２ＭHzまだ低いが、この程度であれば、上側支持部材２１の外径の変更と、高誘電体部材２６の空洞共振器２内への突出量の調整により、ＴＥ０１１共振モードの発生時の周波数ｆを理想の９．１９２６３１７７ＧHzに容易に一致させることが可能である。
【００５０】
次に、周波数の調整手順を説明する。
先ず、ガスセル４を装着し、次に、外径の異なる各上側支持部材２１、２１ａ、２１ｂを順番に装着して、その時のＴＥ０１１共振モードの発生時の周波数ｆを測定する。そして、理想の９．１９２６３１７７ＧHzに最も近い周波数ｆの一つの上側支持部材２１（２１ａ、２１ｂ）を選択して、マイクロ波空洞共振装置に装着する。
【００５１】
次に、空洞共振器２内にＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数ｆが理想の９．１９２６３１７７ＧHzに一致するように、調整ネジ２７のアンテナベース９へのネジ込み量を変更することにより高誘電率の誘電体部材２６の空洞共振器２への突出量を調整する。調整が終了すると、ロックナット２８で調整ネジ２７の位置を固定する。
【００５２】
このように、２段階に亘って調整することによって、簡単にかつ高い精度で周波数の調整が可能である。
【００５３】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００５４】
この第２実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、空洞共振器２内に、円筒形のガスセル２９が中心位置に収納されている。その他の構成は、図１に示す第１実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置とほぼ同一である。
【００５５】
この円筒形のガスセル２９を採用することによる特徴を図８（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図８（ａ）は空洞共振器２内にＴＥ０１１共振モードが発生している状態における磁力線分布と球形のガスセル４との位置関係を示す模式図であり、図８（ｂ）は空洞共振器２内にＴＥ０１１共振モードが発生している状態における磁力線分布と円筒形のガスセル２９との位置関係を示す模式図である。
【００５６】
図８（ａ）と図８（ｂ）と比較すれば明らかなように、円筒形のガスセル２９を採用することで、ＴＥ０１１共振モードの磁界方向がガスセル２９内でほとんど垂直になる。したがって、ラムゼー共鳴特性におけるπ遷移成分がほとんど無い状態になる可能性が有り、原子発振器の周波数安定性がより一層向上する。
【００５７】
図９は、円筒形のガスセル２９を採用したマイクロ波空洞共振装置において、アンテナ２４を介して空洞共振器２内へ印加したマイクロ波の周波数ｆを変化させたときのマイクロ波入力端への反射（リターン）特性を示す図である。この特性によると、ＴＥ０１１共振モードが発生する周波数ｆは、理想の９．１９２６３１７７ＧHzから少しずれた９．３５８ＧHzとなるが、最終調整はπ遷移を最小にする方向なので円筒形ガスセルを使用すると調整箇所の数が減少する利点もある。
【００５８】
なお、円筒形のガスセル２９は、球形のガスセル４に比較して、外気圧に対するガスセルの体積が変化しやすいために周波数安定度に変動をきたす。これを解決させるためには、ガスセル２９の上下端の厚みを増す必要がある。
【００５９】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。各実施形態においては、ガスセル４、２９に封入する吸収ガスとしてセシウム１３３を採用したが、ルビジウム、及び他の吸収ガスを採用することが可能である。
【００６０】
さらに、各実施形態においては、空洞共振器２へ入射する光としてレーザ光１１を採用したが、レーザ光１１に代えて、ランプ光を採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図
【図２】同マイクロ波空洞共振装置の上面図及び水平断面図
【図３】同マイクロ波空洞共振装置に組込まれた上側支持部材の斜視図
【図４】同マイクロ波空洞共振装置に組込まれた下側支持部材の斜視図
【図５】同マイクロ波空洞共振装置に組込まれたアンテナ及びその動作を示す図
【図６】同マイクロ波空洞共振装置におけるマイクロ波の反射及び周波数特性図
【図７】本発明の第２実施形態に係わる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図
【図８】同マイクロ波空洞共振装置に組込まれたガスセルの特徴を示す図
【図９】同マイクロ波空洞共振装置におけるマイクロ波の反射及び周波数特性図
【図１０】従来の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図
【符号の説明】
【００６２】
１…ハウジング、２…空洞共振器、４，２９…ガスセル、９…アンテナベース、１０…バネ、１１…レーザ光、１２…受光器、１３…同軸コネクタ、１７…凸平レンズ、１８…磁気シールドコイル、２１，２１ａ，２１ｂ…上側支持部材、２２…下側支持部材、２３，２５…凹部、２４…アンテナ、２６…高誘電率の誘電体部材、２７…調節ネジ、２８…ロックナット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルビジウムやセシウム１３３等の吸収ガスが有する光の吸収特性を利用した原子発振器に係わり、特にこの原子発振器に組込まれたマイクロ波空洞共振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ励起型の原子発振器の中核部品であるマイクロ波空洞共振装置は、例えば、特許文献１に報告されている。すなわち、この特許文献１に報告されているマイクロ波空洞共振装置は、図１０の断面図に示すように構成されている。円筒状の空洞共振器（キャビティ）３１内に、円筒状のガラス容器にルビジウムガスを充填したガスセル３２が配設されている。さらに、空洞共振器３１内に、この空洞共振器３１の共振周波数を調整する低誘電損失でかつ空気よりも比誘電率の大きな環状の誘電体３３が設けられている。この誘電体３３は、例えばテフロン（登録商標）等の低誘電損失の物体である。
【０００３】
空洞共振器３１の軸方向の一端壁３１ａに形成されたねじ穴に大径を有する金属製のネジ部３４がねじ込まれており、このネジ部３４の先端に前述した環状の誘電体３３が固定されている。なお、ネジ部３４には、軸方向にレーザ光３８を貫通させるための貫通孔３５が形成されている。
【０００４】
また、空洞共振器３１の軸方向の一方の壁３１ａには、この空洞共振器３１内に共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナ３６が取付けられている。なお、このアンテナ３６には図示しない電圧制御水晶発振器（ＶＣＯ）からの発振出力を逓倍した信号が印加されている。
【０００５】
そして、前述したネジ部３４のねじ穴に対するねじ込み量を変更することによって、誘電体３３を矢印方向へ移動して、空洞共振器３１の容積を変更させて、空洞共振器３１に発生しているマイクロ波の共振モードにおける共振周波数を、ルビジウムに対して予め定められた基準の共振周波数（規定周波数）に調整する。
【０００６】
外部のレーザダイオード３７から出射したレーザ光３８は、ネジ部３４の貫通孔３５を介して空洞共振器３１内へ入射し、さらにガスセル３２へ入射する。ガスセル３２を透過したレーザ光３８は、空洞共振器３１の軸方向の他方の壁３１ｂに取付けられたフォトセル３９へ入射して、このフォトセル３９で電気信号に変換される。
【０００７】
さらに、空洞共振器３１の外周には、ガスセル３２を収納した空洞共振器３１内に静磁界を生起させる磁気シールドコイル４０が巻かれている。
【０００８】
原子発振器においては、空洞共振器３１内における共振モード発生時における基準の共振周波数（規定周波数）のマイクロ波入力周波数を用いて外部に出力する基準周波数を作成する。そして、空洞共振器３１内に共振モードが発生した状態においては、ガスセル３２内に収納されたルビジウムの光に対する吸収特性における光の吸収が最大になるので、フォトセル３９で受光されたレーザ光３８の強度が最小となる。したがって、空洞共振器３１内に共振モードが発生したことをレーザ光３８の強度が最小となることで検出する。
【０００９】
したがって、マイクロ波空洞共振装置において、フォトセル３９から出力される電気信号によって、フォトセル３９の入射光量が小さくなるように、電圧制御水晶発振器（ＶＣＯ）の発振出力（発振周波数）を制御する。この結果、電圧制御水晶発振器（ＶＣＯ）の発振周波数をルビジウムの原子共振周波数に一致させるようにしている。
【特許文献１】特開平７―２６４０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら図１０に示したマイクロ波空洞共振装置においてもまだ解消すべき次のような課題があった。
【００１１】
このような構成のマイクロ波空洞共振装置において、吸収ガスとしてルビジウムを採用した場合において、円筒状の空洞共振器３１の直径や軸長は、アンテナ３６から出力されるマイクロ波入力周波数が前述した基準の共振周波数（規定周波数）で、この空洞共振器３１内に共振モードが発生するように設定されている。
【００１２】
しかし、空洞共振器３１内には、ガスセル３２、誘電体３３、ネジ部３４、アンテナ３６、フォトセル３９等が存在する。これらの構成部材は、共振モード発生時の周波数に影響を与える。したがって、製造された空洞共振器３１の共振モード発生時の周波数が正確に前述した基準の共振周波数（規定周波数）になるとは限らない。
【００１３】
そこで、空洞共振器３１に発生しているマイクロ波の共振モードにおける共振周波数を、ルビジウムに対して予め定められた基準の共振周波数（規定周波数）に調整する手法として、先端にテフロン（登録商標）等の低誘電損失の物体で形成された環状の誘電体３３が取付けられた金属製のネジ部３４のねじ穴に対するねじ込み量を変更することによって、空洞共振器３１の容積を変更させている。すなわち、誘電体３３の挿入位置は変化するが、ネジ部３４の空洞共振器３１の挿入量を変更している。
【００１４】
このことは、結果的に、空洞共振器３１の外径を変えずに軸長を調整して周波数を調整することになる。そのために空洞共振器設計ツールであるモードチャートの線上から外れてモード飛び現象などが発生し、空洞共振器３１としては不安定となっていた。
【００１５】
また、結果的に、空洞共振器３１内に大きく突出するテフロン（登録商標）等の低誘電損失の物体で形成された誘電体３３を支持するネジ部３４は金属で形成されているので、形成された共振モードが乱れて、共振器としてのＱ値が劣化する。
【００１６】
次に、アンテナ３６と同軸線(セミリジッド)のインピーダンス整合について述べる。空洞共振器３１内は自由空間と異なりほぼ完全に密閉状態になる。また、マイクロ波共振点は狭く、マイクロ波入カはこのような密閉状態ではほぼ全反射するので、このアンテナ３６と同軸線(セミリジッド)のインピーダンスは誘導（インダクタンス）成分が大きくて、インピーダンス整合を取ることはかなり困難である。特に、図１０のマイクロ波空洞共振装置においては、１／４波長のアンテナ３６を空洞共振器３１内に配設していると推定できるためにインピーダンス整合を取ることはかなり困難である。その結果、空洞共振器３１内のマイクロ波のレベルが不安定になる。
【００１７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、マイクロ波の共振モードとしてＴＥ０１１共振モードを採用し、空洞共振器内に存在する各構成部材のＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数に与える影響を選択でき、簡単に、空洞共振器内に規定周波数を有する安定したＴＥ０１１共振モードを生起できる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置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】
【００１８】
本発明は、金属体内に形成された円筒形の空洞共振器と、この空洞共振器内に収納され、吸収ガスと緩衝ガスとを封入したガスセルと、空洞共振器内にＴＥ０１１共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナと、外部から入射されてガスセルを透過した光を受光する受光器とを有する原子発振器のマイクロ波空洞共振装置に適用される。
【００１９】
そして、上記課題を解消するために、本発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、円筒形の空洞共振器内における軸方向の両端近傍に設けられ、ガスセルを空洞共振器内の中央位置に支持する低誘電率の材料で形成された一対の支持部材と、空洞共振器内に挿脱自在に設けられた高誘電率の誘電体部材と、ＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数が規定周波数になるように、空洞共振器内における軸方向の一端面から高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量を調整する突出量調整機構と、空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設され、アンテナの一部を側壁に対して隙間を有して収納する凹部とを備えている。
【００２０】
このように構成された原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、マイクロ波の共振モードとして、図５（ｂ）に示す、ＴＥ０１１共振モードを採用している。そして、ガスセルは空洞共振器内の中央位置に低誘電率の材料で形成された一対の支持部材で支持されているので、ガスセルはＴＥ０１１共振モードの中心に位置している。その結果、ガスセル内において、磁界の磁力線のほとんどが垂直方向となる。さらに、支持部材は空気により近い低誘電率の材料で形成されているので、マイクロ波の誘電体損失が低減され、この支持部材の存在によって、ＴＥ０１１共振モードの安定性が大きく劣化することはない。
【００２１】
また、空洞共振器内に周波数調整用の高誘電率の誘電体部材が、突出量調整機構にて、空洞共振器内への突出量が調整される。このように、高誘電率の誘電体部材を採用することによって、少ない突出量でより効率的にＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数を規定周波数に調整可能である。また、金属で作られたネジの接触不良による難しさもなくなる。
【００２２】
さらに、空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設された凹部内にアンテナの一部を収納している。このようにアンテナの一部を凹部内に収納することにより、アンテナと同軸線(セミリジッド)のインピーダンス整合が容易になり、空洞共振器内のマイクロ波のレベルが安定になる。
【００２３】
また、別の発明は、上述した発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、吸収ガスとしてルビジウム又はセシウム１３３を採用し、光としてレーザ光又はランプ光を採用している。
【００２４】
また、別の発明は、上述した発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、ガスセルとして球形のガスセルを採用している。
【００２５】
また、別の発明は、上述した発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、ガスセルとして円筒形のガスセルを採用している。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、マイクロ波の共振モードとしてＴＥ０１１共振モードを採用し、ガスセルを低誘電率の材料で形成された一対の支持部材で空洞共振器内の中央位置に支持するとともに、高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量で周波数調整を実施ししている。
【００２７】
したがって、ガスセルを空洞共振器内の中心に固定でき、かつ空洞共振器内に存在する各構成部材のＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数に与える影響を選択でき、簡単に、空洞共振器内に規定周波数を有する安定したＴＥ０１１共振モードを生起できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
【００２９】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図であり、また、図２（ａ）はこのマイクロ波空洞共振装置の上面図であり、図２（ｂ）はこのマイクロ波空洞共振装置をＡ―Ａ線で切断して上方から下方を見た断面図である。
【００３０】
この第１実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、アルミ材からなる円柱状のハウジング１内に円筒状の空洞共振器（キャビティ）２が形成されている。この空洞共振器２の下端はアンテナベース９で蓋されている。空洞共振器２内には、セシウム１３３の吸収ガスと緩衝ガスとが封入された球形のガスセル４が収納されている。
【００３１】
このガスセル４は、ハウジング１の上壁に形成された貫通孔５に取付けられたリング状の上側支持部材２１と、アンテナベース９の貫通孔８内に上下移動自在に設けられた円筒状の下側支持部材２２とで支持されている。下側支持部材２２は、アンテナベース９に固定されたバネ１０にて上方へ付勢されている。したがって、ガスセル４はバネ１０にて上側支持部材２１に付勢されている。
【００３２】
なお、リング状の上側支持部材２１の軸方向の厚みｔは、ガスセル４が空洞共振器２の軸方向の中心に位置するように設定されている。上側支持部材２１及び下側支持部材２２は例えばテフロン（登録商標）等の低誘電率の材料で形成されている。実施形態の上側支持部材２１及び下側支持部材２２の比誘電率εは２．１である。なお、ガスセル４の比誘電率εは４．０である。
【００３３】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、リング状の上側支持部材２１の外観図である。この実施形態においては、軸方向の厚みｔは全て等しいが、外径がそれぞれ異なる値に設定された３種類の上側支持部材２１、２１ａ、２１ｂが予め準備されている。そして、空洞共振器２内に形成されるＴＥ０１１共振モード発生時の周波数の調整時に、いずれか１個の上側支持部材２１（２１ａ、２１ｂ）が選択されて、マイクロ波空洞共振装置に組込まれる。図４は円筒状の下側支持部材２２の外観図である。この下側支持部材２２は１種類のみである。
【００３４】
そして、外部から入射した光としてのレーザ光１１は、凸平レンズ１７、貫通孔５、上側支持部材２１を介してガスセル４へ入射する。ガスセル４を透過したレーザ光１１は、下側支持部材２２を介して、アンテナベース９に取付けられた受光器１２へ入射して、この受光器１２で電気信号に変換される。
【００３５】
また、このマイクロ波空洞共振装置における空洞共振器２のアンテナベース９の外周縁近傍には、図２（ｂ）に示すように、長円形断面を有する溝状の凹部２３が周方向に刻設されている。この凹部２３内に、空洞共振器２内にＴＥ０１１共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナ２４が取付けられている。このアンテナ２４には同軸コネクタ１３が接続されている。
【００３６】
このアンテナ２４は、図２（ｂ）、及び図５（ａ）に示すように、空洞共振器２の周方向に配設され、アンテナ２４の全長はＴＥ０１１共振モードを生成するマイクロ波の１波長にほぼ等しく設定されている。アンテナ２４の先端は凹部２３から約３ｍｍ空洞共振器２内へ突出している。さらに、アンテナ２４と凹部２３の側壁２３ａとの間には一定の隙間が存在する。
【００３７】
このように配設されたアンテナ２４において、アンテナ２４と凹部２３の側壁２３ａとの間に分布容量（キャパシタ）が存在する。この分布容量（キャパシタ）成分は、前述した誘導（インダクタンス）成分が大きいアンテナと同軸線(セミリジッド)のインピーダンスにおける誘導（インダクタンス）成分を打ち消すことになり、インピーダンスを抵抗成分のみにできる。その結果、アンテナ２４と同軸線(セミリジッド)のインピーダンス整合を簡単に取ることができる。この整合位置が上記で説明したアンテナ２４の凹部２３からの突出量が約３ｍｍとなる。
【００３８】
そして、アンテナ２４の空洞共振器２内への突出量を前述した３ｍｍとすることで、ＴＥ０１１共振モード発生時において、アンテナ２４の入力インピーダンスを５０Ωの抵抗成分のみにでき、空洞共振器２内のマイクロ波のレベルが安定になり、かつ、同軸コネクタ１３からアンテナ２４に供給するマイクロ波の電力レベルを低減できる。
【００３９】
さらに、アンテナ２４は周方向に配設されているので、図５（ｂ）に示すように、アンテナ２４で生成される磁界の方向と、空洞共振器２内に生成されるＴＥ０１１共振モード発生時の磁界の方向とが一致している。その結果、このアンテナ２４が空洞共振器２内に存在することに起因するＴＥ０１１共振モードの乱れを最小限に抑制できる。
【００４０】
なお、図５（ｃ）に、アンテナ２４の形状と、このアンテナ２４に同軸コネクタ１３を介して印加されるマイクロ波の信号の１波長分（λ）の波形との関係を示す。図示するように、アンテナ２４の両端Ａ、Ｃ位置が１波長分（λ）の波形の最大点位置（０、２π）を示し、アンテナ２４の中間Ｂ位置が１波長分（λ）の波形の最小点位置（π）を示す。
【００４１】
また、このマイクロ波空洞共振装置における空洞共振器２のアンテナベース９の外周縁近傍には、図１及び図２（ｂ）に示すように、円形断面を有する凹部２５が刻設されている。この凹部２５内に、空洞共振器２内におけるＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数を調整するための例えばアルミナ等で円柱状に形成された高誘電率の誘電体部材２６が挿脱自在に収納されている。この高誘電率の誘電体部材２６の空洞共振器２への突出量は、突出量調整機構としての調整ネジ２７のアンテナベース９へのネジ込み量を調整することにより実施される。調整が終了すると、ロックナット２８で調整ネジ２７の位置を固定する。
【００４２】
このように、アルミナ等で円柱状に形成された高誘電率の誘電体部材２６でマイクロ波の周波数を調整しているので、少ない突出量でより効率的にＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数を、吸収ガスとしてセシウム１３３を採用した場合における、９．１９２６３１７７ＧHzの規定周波数に調整可能である。ちなみに、アルミナの比誘電率εは約９．６で、従来のマイクロ波空洞共振装置におけるリン青銅で形成された調整ネジ３４による乱反射を軽減できる。その結果、この高誘電体部材２６が空洞共振器２内に存在することに起因するＴＥ０１１共振モードの乱れを最小限に抑制できる。
【００４３】
さらに、円柱状のハウジング１の外周には、ガスセル４を収納した空洞共振器２内に静磁界を生起させる磁気シールドコイル１８が巻かれている。
【００４４】
次に、ＴＥ０１１共振モードが発生する空洞共振器２の外径と軸長とからなる形状について述べる。
空洞共振器２の内部構造を決めた後で、アンテナ２４を除いた他の構造部材を取り去った時のＴＥ０１１共振モード発生時の周波数と、全ての構造部材を取付けた時のＴＥ０１１共振モード発生時の周波数との差をシミュレーションで解析する。シミュレーション結果から、内部構造部材が存在すると、誘電率が増加し、ＴＥ０１１共振モード発生時の周波数が低くなることが判明した。
【００４５】
これまでの設計ではこの周波数の低下分を空洞共振器２の軸長を可変して周波数を調整していたが、その方法では、数ミリ動かすだけで他のモードに移り、モード飛び現象を起こす危険性があった。
【００４６】
そこで、実施形態装置においては、空洞共振器２の形状を予め周波数の低下分だけ高くして設計し、ＴＥ０１１共振モード発生時の周波数を、内部構造部材の存在により前述した理想とする９．１９２６３１７７ＧHz近くにする。このように空洞共振器２の形状をＴＥ０１１共振モード発生のための基本条件に基づいて設計しているので、モード飛び現象の発生がしにくくなり、ＴＥ０１１共振モードの安定性が向上する。
【００４７】
さらに、空洞共振器２の形状を予め周波数の低下分だけ高くして設計した結果、実施形態の空洞共振器２を、図１０に示す従来の空洞共振器３１に比較して、外径が小さく小型に形成できた。
【００４８】
図６は、上記の条件で設計された空洞共振器２の内部に、上側支持部材２１、ガスセル４、下側支持部材２２、高誘電率の誘電体部材２６、アンテナ２４等の内部構造部材を収納した状態における、アンテナ２４を介して空洞共振器２内へ印加したマイクロ波の周波数ｆを変化させたときのマイクロ波入力端への反射（リターン）特性を示す図である。
【００４９】
この特性においては、ＴＥ０１１共振モードの発生時の周波数ｆは、ほぼ９．１７ＧHzとなり、吸収ガスとしてセシウム１３３を採用した場合の基準周波数としての理想の９．１９２６３１７７ＧHzに対して２２ＭHzまだ低いが、この程度であれば、上側支持部材２１の外径の変更と、高誘電体部材２６の空洞共振器２内への突出量の調整により、ＴＥ０１１共振モードの発生時の周波数ｆを理想の９．１９２６３１７７ＧHzに容易に一致させることが可能である。
【００５０】
次に、周波数の調整手順を説明する。
先ず、ガスセル４を装着し、次に、外径の異なる各上側支持部材２１、２１ａ、２１ｂを順番に装着して、その時のＴＥ０１１共振モードの発生時の周波数ｆを測定する。そして、理想の９．１９２６３１７７ＧHzに最も近い周波数ｆの一つの上側支持部材２１（２１ａ、２１ｂ）を選択して、マイクロ波空洞共振装置に装着する。
【００５１】
次に、空洞共振器２内にＴＥ０１１共振モード発生時のマイクロ波の周波数ｆが理想の９．１９２６３１７７ＧHzに一致するように、調整ネジ２７のアンテナベース９へのネジ込み量を変更することにより高誘電率の誘電体部材２６の空洞共振器２への突出量を調整する。調整が終了すると、ロックナット２８で調整ネジ２７の位置を固定する。
【００５２】
このように、２段階に亘って調整することによって、簡単にかつ高い精度で周波数の調整が可能である。
【００５３】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００５４】
この第２実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置においては、空洞共振器２内に、円筒形のガスセル２９が中心位置に収納されている。その他の構成は、図１に示す第１実施形態の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置とほぼ同一である。
【００５５】
この円筒形のガスセル２９を採用することによる特徴を図８（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図８（ａ）は空洞共振器２内にＴＥ０１１共振モードが発生している状態における磁力線分布と球形のガスセル４との位置関係を示す模式図であり、図８（ｂ）は空洞共振器２内にＴＥ０１１共振モードが発生している状態における磁力線分布と円筒形のガスセル２９との位置関係を示す模式図である。
【００５６】
図８（ａ）と図８（ｂ）と比較すれば明らかなように、円筒形のガスセル２９を採用することで、ＴＥ０１１共振モードの磁界方向がガスセル２９内でほとんど垂直になる。したがって、ラムゼー共鳴特性におけるπ遷移成分がほとんど無い状態になる可能性が有り、原子発振器の周波数安定性がより一層向上する。
【００５７】
図９は、円筒形のガスセル２９を採用したマイクロ波空洞共振装置において、アンテナ２４を介して空洞共振器２内へ印加したマイクロ波の周波数ｆを変化させたときのマイクロ波入力端への反射（リターン）特性を示す図である。この特性によると、ＴＥ０１１共振モードが発生する周波数ｆは、理想の９．１９２６３１７７ＧHzから少しずれた９．３５８ＧHzとなるが、最終調整はπ遷移を最小にする方向なので円筒形ガスセルを使用すると調整箇所の数が減少する利点もある。
【００５８】
なお、円筒形のガスセル２９は、球形のガスセル４に比較して、外気圧に対するガスセルの体積が変化しやすいために周波数安定度に変動をきたす。これを解決させるためには、ガスセル２９の上下端の厚みを増す必要がある。
【００５９】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。各実施形態においては、ガスセル４、２９に封入する吸収ガスとしてセシウム１３３を採用したが、ルビジウム、及び他の吸収ガスを採用することが可能である。
【００６０】
さらに、各実施形態においては、空洞共振器２へ入射する光としてレーザ光１１を採用したが、レーザ光１１に代えて、ランプ光を採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図
【図２】同マイクロ波空洞共振装置の上面図及び水平断面図
【図３】同マイクロ波空洞共振装置に組込まれた上側支持部材の斜視図
【図４】同マイクロ波空洞共振装置に組込まれた下側支持部材の斜視図
【図５】同マイクロ波空洞共振装置に組込まれたアンテナ及びその動作を示す図
【図６】同マイクロ波空洞共振装置におけるマイクロ波の反射及び周波数特性図
【図７】本発明の第２実施形態に係わる原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図
【図８】同マイクロ波空洞共振装置に組込まれたガスセルの特徴を示す図
【図９】同マイクロ波空洞共振装置におけるマイクロ波の反射及び周波数特性図
【図１０】従来の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置の概略構成を示す断面模式図
【符号の説明】
【００６２】
１…ハウジング、２…空洞共振器、４，２９…ガスセル、９…アンテナベース、１０…バネ、１１…レーザ光、１２…受光器、１３…同軸コネクタ、１７…凸平レンズ、１８…磁気シールドコイル、２１，２１ａ，２１ｂ…上側支持部材、２２…下側支持部材、２３，２５…凹部、２４…アンテナ、２６…高誘電率の誘電体部材、２７…調節ネジ、２８…ロックナット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属体内に形成された円筒形の空洞共振器（２）と、この空洞共振器内に収納され、吸収ガスと緩衝ガスとを封入したガスセル（４、２９）と、前記空洞共振器内にＴＥ０１１共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナ（２４）と、外部から入射されて前記ガスセルを透過した光（１１）を受光する受光器（１２）とを有する原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、
前記円筒形の空洞共振器内における軸方向の両端近傍に設けられ、前記ガスセルを前記空洞共振器内の中央位置に支持する低誘電率の材料で形成された一対の支持部材（２１、２２）と、
前記空洞共振器内に挿脱自在に設けられた高誘電率の誘電体部材（２６）と、
前記ＴＥ０１１共振モード発生時の前記マイクロ波の周波数が規定周波数になるように、前記空洞共振器内における軸方向の一端面から前記高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量を調整する突出量調整機構（２７）と、
前記空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設され、前記アンテナの一部を側壁に対して隙間を有して収納する凹部（２３）と
を備えたことを特徴とする原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。
【請求項２】
前記吸収ガスはルビジウム又はセシウム１３３であり、前記光はレーザ光又はランプ光であることを特徴とする請求項１記載の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。
【請求項３】
前記ガスセルの形状は球形であることを特徴とする請求項１又は２記載の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。
【請求項４】
前記ガスセルの形状は円筒形であることを特徴とする請求項１又は２記載の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。
【請求項１】
金属体内に形成された円筒形の空洞共振器（２）と、この空洞共振器内に収納され、吸収ガスと緩衝ガスとを封入したガスセル（４、２９）と、前記空洞共振器内にＴＥ０１１共振モードを生成するマイクロ波を供給するためのアンテナ（２４）と、外部から入射されて前記ガスセルを透過した光（１１）を受光する受光器（１２）とを有する原子発振器のマイクロ波空洞共振装置において、
前記円筒形の空洞共振器内における軸方向の両端近傍に設けられ、前記ガスセルを前記空洞共振器内の中央位置に支持する低誘電率の材料で形成された一対の支持部材（２１、２２）と、
前記空洞共振器内に挿脱自在に設けられた高誘電率の誘電体部材（２６）と、
前記ＴＥ０１１共振モード発生時の前記マイクロ波の周波数が規定周波数になるように、前記空洞共振器内における軸方向の一端面から前記高誘電率の誘電体部材の空洞共振器内への突出量を調整する突出量調整機構（２７）と、
前記空洞共振器内における軸方向の一端壁に刻設され、前記アンテナの一部を側壁に対して隙間を有して収納する凹部（２３）と
を備えたことを特徴とする原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。
【請求項２】
前記吸収ガスはルビジウム又はセシウム１３３であり、前記光はレーザ光又はランプ光であることを特徴とする請求項１記載の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。
【請求項３】
前記ガスセルの形状は球形であることを特徴とする請求項１又は２記載の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。
【請求項４】
前記ガスセルの形状は円筒形であることを特徴とする請求項１又は２記載の原子発振器のマイクロ波空洞共振装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−３３３７３（Ｐ２００６−３３３７３Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０８７８９（Ｐ２００４−２０８７８９）
【出願日】平成１６年７月１５日（２００４．７．１５）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１５日（２００４．７．１５）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
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