JP2016205984A - 磁気計測装置、磁気計測装置の製造方法、ガスセル、およびガスセルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ長寿命で安定的に製造することができるガスセルおよびガスセルを備えた磁気計測装置、ガスセルおよび磁気計測装置の製造方法を提供する。【解決手段】磁気計測装置１００は、セル部１２を構成する壁１１と、壁１１の一部に開口された開口部１８と、開口部１８を封止する封止材３０と、セル部１２の内側で封止材３０を覆うコーティング層３２と、セル部１２に封入されたアルカリ金属ガス１３と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気計測装置、磁気計測装置の製造方法、ガスセル、およびガスセルの製造方法に関する。

アルカリ金属ガスが封入されたガスセルに直線偏光を照射し、偏光面の回転角に応じて磁場を測定する光ポンピング式の磁気計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、アルカリ金属が封入されたアンプルをセル内に収容してセルを封止し、アンプルにレーザー光を照射することによりアンプルのガラス管に貫通孔を形成し、アンプル内のアルカリ金属を蒸発させて、その蒸気（ガス）をセル内部に充満させたガスセルの構成が開示されている。

特許文献１の記載によれば、セルはガラスからなるパッケージ（容器）およびリッド（蓋部）を低融点ガラスなどの封止材を用いて接合して形成される。セルの内壁には、非緩和特性を高めるため、鎖式飽和炭化水素（パラフィンなど）からなるコーティング材を流路からセル内に流し込むことによりコーティング層が形成される。そして、アルカリ金属の蒸気（ガス）をセル内に拡散させた後、コーティング材の流路が低融点ガラスなどの封止材で封止される。

特開２０１２−１８３２９０号公報

ところで、アルカリ金属は反応性が高く、低融点ガラスは一般的に耐薬品性が低い。そのため、ガスセル内にアルカリ金属のガスを充満させると、アルカリ金属と低融点ガラスとが化学反応を起こす場合がある。アルカリ金属と低融点ガラスとが化学反応を起こすと、アルカリ金属の化学変化によりガスセル内のアルカリ金属のガスが減少するとともに、封止材（低融点ガラス）の化学変化に伴う封止の劣化によりアルカリ金属のガスがガスセル外へ漏出する。その結果、ガスセルおよび磁気計測装置の製造歩留まりの低下を招くおそれや、ガスセルの寿命の低下により磁気計測装置の感度を長期間維持することができなくなってしまうおそれがあるという課題がある。

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］本適用例に係る磁気計測装置は、閉容器を構成する壁と、前記壁の一部に開口された第１孔と、前記第１孔を封止する封止材と、前記閉容器の内側で前記封止材を覆う鎖式飽和炭化水素と、前記閉容器に封入されたアルカリ金属ガスと、を備えたことを特徴とする。

本適用例の構成によれば、磁気計測装置において、閉容器を構成する壁の一部に開口された第１孔は封止材で封止され、閉容器の内側で封止材が鎖式飽和炭化水素で覆われている。そのため、閉容器に封入されたアルカリ金属ガスと封止材とが接触しないので、反応性が高いアルカリ金属と封止材との化学反応を抑止できる。これにより、アルカリ金属の化学変化によるアルカリ金属ガスの減少や、封止材の化学変化に伴う封止の劣化によるアルカリ金属ガスの漏出が抑えられるので、磁気計測装置の感度を長期間維持することができる。

［適用例２］上記適用例に係る磁気計測装置であって、前記第１孔を覆う蓋をさらに備え、前記封止材は、前記蓋と前記壁との間に前記第１孔を囲むように配置されていることが好ましい。

本適用例の構成によれば、第１孔が蓋で塞がれ、蓋と閉容器の壁とが封止材を介して固定されるので、封止材のみで第１孔を封止する場合よりも閉容器をより強固に封止できる。また、封止材が蓋と壁との間、すなわち、閉容器の外部に第１孔を囲むように配置されるので、封止材のみで第１孔を封止する場合よりも封止材とアルカリ金属ガスとの距離をより長くすることが可能となる。これにより、アルカリ金属と封止材との化学反応をより効果的に抑止することができる。

［適用例３］上記適用例に係る磁気計測装置であって、前記閉容器は、第１室と、前記第１室と第２孔を介してつながる第２室と、を備え、前記第１孔は、前記第２室の前記壁に形成されていることが好ましい。

本適用例の構成によれば、閉容器は第２孔を介してつながる第１室と第２室とを備え、第１孔は第２室の壁に形成されている。そのため、閉容器を加熱し鎖式飽和炭化水素を気体にして第１室と第２室との内側に析出させる際に、第２室側の温度が第１室側の温度よりも低くなるようにすれば、第１孔が設けられた第２室側に析出する鎖式飽和炭化水素の量を第１室側よりも多くできる。これにより、第１孔を封止する封止材を覆う鎖式飽和炭化水素の量をより多くできるので、アルカリ金属と封止材との化学反応をより確実に抑止することができる。

［適用例４］上記適用例に係る磁気計測装置であって、前記第１孔は、前記第２室の前記第１室とは反対側に位置する前記壁に形成されていることが好ましい。

本適用例の構成によれば、第１孔は、第２室の第１室とは反対側、すなわち、第２室を構成する壁のうち第１室から離れた位置にある壁に形成されている。そのため、第２室側の温度が第１室側の温度よりも低くなるようにすれば、第１孔が設けられた位置に析出する鎖式飽和炭化水素の量を第１室側よりもさらに多くできる。

［適用例５］本適用例に係る磁気計測装置の製造方法は、壁で構成され、前記壁の一部に開口された第１孔を有し、アルカリ金属原子材料が密封されたアンプルと鎖式飽和炭化水素とが配置された容器を形成する形成工程と、封止材を用いて前記第１孔を封止する封止工程と、前記封止材で密閉された前記容器を第１温度にする加熱工程と、前記封止材で密閉された前記容器を前記第１温度よりも低い第２温度にする冷却工程と、を含むことを特徴とする。

本適用例の製造方法によれば、形成工程で壁で構成され鎖式飽和炭化水素が配置された容器を形成し、封止工程で封止材を用いて壁の一部に開口された第１孔を封止して容器を密閉する。その後、密閉した容器を加熱工程で第１温度に加熱するので、容器内で鎖式飽和炭化水素を気化させることが可能となる。そして、冷却工程で容器を第１温度よりも低い第２温度に冷却するので、容器内で気化した鎖式飽和炭化水素を析出させて封止材を覆い、封止材を保護することができる。そのため、封止材の化学変化などに伴う封止の劣化が抑えられるので、感度を長期間維持することが可能な磁気計測装置を製造することができる。

［適用例６］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記冷却工程の後に前記アンプルを破壊する工程をさらに含んでいることが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、冷却工程の後にアンプルを破壊するため、アンプル内のアルカリ金属原子材料が容器内に放出されてガス化し、容器内にアルカリ金属ガスが充填される。ここで、封止材は、鎖式飽和炭化水素で覆われているため、アルカリ金属ガスと接触しないので、反応性が高いアルカリ金属と封止材との化学反応を抑止できる。これにより、アルカリ金属の化学変化によるアルカリ金属ガスの減少や、封止材の化学変化に伴う封止の劣化によるアルカリ金属ガスの漏出が抑えられるので、感度を長期間維持することが可能な磁気計測装置を安定的に製造することができる。

［適用例７］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記第１温度は、前記鎖式飽和炭化水素の融点よりも高く、前記第２温度は前記鎖式飽和炭化水素の融点よりも低いことが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、加熱工程で鎖式飽和炭化水素の融点よりも高い第１温度に加熱するので、容器内で鎖式飽和炭化水素を気化させることができる。そして、冷却工程で鎖式飽和炭化水素の融点よりも低い第２温度に冷却するので、気化した鎖式飽和炭化水素を封止材の表面に析出させて封止材を覆うことができる。

［適用例８］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記冷却工程では、前記容器における前記第１孔が位置する部位の温度がその他の部位の温度よりも低い期間があることが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、冷却工程で第１孔が位置する部位の温度がその他の部位の温度よりも低い期間があるので、第１孔の周辺ではその他の部位よりも鎖式飽和炭化水素が析出し易くなる。そのため、封止材で封止された第１孔の周辺を覆う鎖式飽和炭化水素の膜厚を、その他の部位を覆う鎖式飽和炭化水素の膜厚よりも厚くすることが可能となる。これにより、アルカリ金属と封止材との化学反応を効果的に抑止することができる。

［適用例９］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記冷却工程では、前記容器における前記第１孔が位置する部位はその他の部位よりも先に前記第２温度に達することが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、冷却工程で第１孔が位置する部位がその他の部位よりも先に第２温度に達するので、第１孔の周辺ではその他の部位よりも早く鎖式飽和炭化水素の析出が始まる。そのため、封止材で封止された第１孔の周辺において、その他の部位よりも析出する鎖式飽和炭化水素の量を多くして膜厚を厚くすることができる。

［適用例１０］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記容器は、前記壁で構成され、前記壁の一部に開口された前記第１孔を有する閉容器であり、前記形成工程は、前記第１孔から前記容器内に前記アンプルと前記鎖式飽和炭化水素とを配置する工程と、前記第１孔を介して、前記容器内から排気する工程と、を含むことが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、形成工程では、壁の一部に開口された第１孔から容器内にアンプルと鎖式飽和炭化水素とを配置し、第１孔を介して容器内から排気する。その後、封止工程で封止材を用いて第１孔を封止するので、アンプルと鎖式飽和炭化水素とが封入された状態で容器を密封できる。

［適用例１１］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記容器は、前記壁で構成され前記第１孔を有する凹状の容器本体と、前記容器本体の上方側に配置される上蓋と、を含み、前記形成工程は、前記容器本体内に前記アンプルと前記鎖式飽和炭化水素とを配置する工程と、前記容器本体の上方側に前記上蓋を固定して前記容器を閉容器とする工程と、前記第１孔を介して、前記容器内から排気する工程と、を含むことが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、形成工程では、凹状の容器本体内にアンプルと鎖式飽和炭化水素とを配置し、容器本体の上方側に上蓋を固定して閉容器とし、第１孔を介して容器内から排気する。その後、封止工程で封止材を用いて第１孔を封止するので、アンプルと鎖式飽和炭化水素とが封入された状態で容器を密封できる。

［適用例１２］本適用例に係るガスセルは、閉容器を構成する壁と、前記壁の一部に開口された第１孔と、前記第１孔を封止する封止材と、前記閉容器の内側で前記封止材を覆う鎖式飽和炭化水素と、前記閉容器に封入されたアルカリ金属ガスと、を備えたことを特徴とする。

本適用例の構成によれば、閉容器を構成する壁の一部に開口された第１孔は封止材で封止され、閉容器の内側で封止材が鎖式飽和炭化水素で覆われている。そのため、封止材がアルカリ金属ガスと接触しないので、反応性が高いアルカリ金属ガスと封止材との化学反応を抑止できる。これにより、アルカリ金属の化学変化によるアルカリ金属ガスの減少や、封止材の化学変化に伴う封止の劣化によるアルカリ金属ガスの漏出が抑えられるので、ガスセルの寿命を向上させることができる。この結果、ガスセルを備えた磁気計測装置の感度を長期間維持することができる。

［適用例１３］本適用例に係るガスセルの製造方法は、壁で構成され、前記壁の一部に開口された第１孔を有し、アルカリ金属原子材料が密封されたアンプルと鎖式飽和炭化水素とが配置された容器を形成する形成工程と、封止材を用いて前記第１孔を封止する封止工程と、前記封止材で密閉された前記容器を第１温度にする加熱工程と、前記封止材で密閉された前記容器を前記第１温度よりも低い第２温度にする冷却工程と、を含むことを特徴とする。

本適用例の製造方法によれば、壁で構成され鎖式飽和炭化水素が配置された容器を形成し、封止材を用いて壁の一部に開口された第１孔を封止して容器を密閉した後、加熱工程で容器を第１温度に加熱するので、容器内で鎖式飽和炭化水素を気化させることができる。そして、冷却工程で容器を第１温度よりも低い第２温度に冷却するので、気化した鎖式飽和炭化水素を析出させて封止材を覆うことができる。これにより、アルカリ金属と封止材との化学反応を抑止できるので、長寿命のガスセルを安定的に製造することができる。

第１の実施形態に係る磁気計測装置の構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係るガスセルおよびアンプルの構成を示す概略断面図。 第１の実施形態に係るガスセルの開口部の周辺の構成を示す概略図。 第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。 第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。 第１の実施形態に係る加熱工程および冷却工程を説明する図。 第１の実施形態に係る冷却工程における温度変化の一例を示す図。 第２の実施形態に係る加熱工程および冷却工程を説明する図。 第２の実施形態に係る冷却工程における温度変化の一例を示す図。 第３の実施形態に係る形成工程を説明する図。 第４の実施形態に係る形成工程を説明する図。 変形例１に係るガスセルの構成を示す概略断面図。 変形例２に係る原子発振器の構成を示す概略図。 変形例２に係る原子発振器の動作を説明する図。 比較例としてのガスセルの蓋部の構成を示す概略図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大、縮小、あるいは誇張して表示している。また、説明に必要な構成要素以外は図示を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
＜磁気計測装置の構成＞
第１の実施形態に係る磁気計測装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る磁気計測装置の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る磁気計測装置１００は、非線形光学回転（Nonlinear Magneto-Optical Rotation：ＮＭＯＲ）を用いた磁気計測装置である。磁気計測装置１００は、例えば、心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）などの生体から発生される微小な磁場を測定する生体状態測定装置（心磁計または脳磁計など）に用いられる。磁気計測装置１００は、金属探知機などにも用いることができる。

図１に示すように、磁気計測装置１００は、光源１と、光ファイバー２と、コネクター３と、偏光板４と、ガスセル１０と、偏光分離器５と、光検出器（Photo Detector：ＰＤ）６と、光検出器７と、信号処理回路８と、表示装置９とを備えている。ガスセル１０内には、アルカリ金属ガス（気体の状態のアルカリ金属）が封入されている。アルカリ金属としては、例えば、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）などを用いることができる。以下では、アルカリ金属としてセシウムを用いる場合を例に取り説明する。

光源１は、セシウムの吸収線に応じた波長（例えばＤ１線に相当する８９４ｎｍ）のレーザービームを出力する装置、例えばチューナブルレーザーである。光源１から出力されるレーザービームは、連続的に一定の光量を有する、いわゆるＣＷ（Continuous Wave）光である。

偏光板４は、レーザービームを特定方向に偏光させ、直線偏光にする素子である。光ファイバー２は、光源１により出力されたレーザービームを、ガスセル１０側に導く部材である。光ファイバー２には、例えば、基本モードのみを伝播するシングルモードの光ファイバーが用いられる。コネクター３は、光ファイバー２を偏光板４に接続するための部材である。コネクター３は、ねじ込み式で、光ファイバー２を偏光板４に接続する。

ガスセル１０は、内部に空隙を有する箱（セル）であり、この空隙にはアルカリ金属（この例ではセシウム）のガスが封入されている。ガスセル１０の構成については、後述する。

偏光分離器５は、入射したレーザービームを、互いに直交する２つの偏光成分のビームに分離する素子である。偏光分離器５は、例えば、ウォラストンプリズムまたは偏光ビームスプリッターである。光検出器６および光検出器７は、レーザービームの波長に感度を有する検出器であり、入射光の光量に応じた電流を信号処理回路８に出力する。光検出器６および光検出器７は、それ自体が磁場を発生すると測定に影響を与える可能性があるので、非磁性の材料で構成されることが望ましい。光検出器６および光検出器７は、ガスセル１０からみて偏光分離器５と同じ側（下流側）に配置される。

磁気計測装置１００における各部の配置を、レーザービームの経路に沿って説明すると、レーザービームの経路の最上流には光源１が位置し、以下、上流側から、光ファイバー２、コネクター３、偏光板４、ガスセル１０、偏光分離器５、および光検出器６，７の順で配置されている。

磁気計測装置１００における各部の動作を、レーザービームの進行に沿って説明する。光源１から出力されたレーザービームは、光ファイバー２に導かれて偏光板４に到達する。偏光板４に到達したレーザービームは、偏光度がより高い直線偏光になる。ガスセル１０を透過しているレーザービームは、ガスセル１０に封入されているアルカリ金属原子を励起（光ポンピング）する。このとき、レーザービームは、磁場の強さに応じた偏光面回転作用を受けて偏光面が回転する。ガスセル１０を透過したレーザービームは偏光分離器５により２つの偏光成分のビームに分離される。２つの偏光成分のビームの光量は、光検出器６および光検出器７で計測（プロービング）される。

信号処理回路８は、光検出器６および光検出器７により計測されたビームの光量を示す信号をそれぞれから受け取る。信号処理回路８は、受け取った各信号に基づいて、レーザービームの偏光面の回転角を計測する。偏光面の回転角は、レーザービームの伝播方向の磁場の強さに基づく関数で表される（例えば、Ｄ．バドカー、外５名，「原子の共鳴非線形磁気光学回転効果」，レビュー・オブ・モダン・フィジクス誌，米国，米国物理学会，２００２年１０月，第７４巻，第４号，ｐ．１１５３−１２０１の数式（２）を参照。数式（２）は線形光学回転に関するものであるが、ＮＭＯＲの場合もほぼ同様の式を用いることができる）。信号処理回路８は、偏光面の回転角からレーザービームの伝播方向における磁場の強さを測定する。表示装置９は、信号処理回路８により測定された磁場の強さを表示する。

続いて、第１の実施形態に係るガスセルとガスセルに用いられるアンプルとについて、図２を参照して説明する。図２は、第１の実施形態に係るガスセルおよびアンプルの構成を示す概略断面図である。詳しくは、図２（ａ）はガスセルの概略断面図であり、図２（ｂ）はアンプルの概略断面図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。

＜ガスセルの構成＞
図２（ａ）に、第１の実施形態に係るガスセル１０の概略断面を示す。図２（ａ）において、ガスセル１０の高さ方向をＺ軸とし、上方側を＋Ｚ方向とする。Ｚ軸と交差する方向であって、ガスセル１０の長さ方向をＸ軸とし、図２（ａ）における右側を＋Ｘ方向とする。そして、Ｚ軸およびＸ軸と交差する方向であって、ガスセル１０の幅方向をＹ軸とし、図２（ａ）の紙面における手前から奥へ向う側を＋Ｙ方向とする。

図２（ａ）に示すように、第１の実施形態に係るガスセル１０は、閉容器としてのセル部１２と蓋部１９とで構成される。セル部１２は、石英ガラスにより形成された複数の壁１１で構成され、内部に空隙を有する箱（セル）である。蓋部１９は、石英ガラスにより板状に形成されている。このように、セル部１２と蓋部１９とは同じ材料にて構成されることが好ましい。セル部１２と蓋部１９との間には、後述する封止材３０が配置されている。セル部１２と蓋部１９とが同じ材料であると、両者の熱膨張係数も当然同じとなるので、セル部１２と蓋部１９との熱膨張係数の相違に起因する封止材３０の割れを抑制できるからである。

セル部１２を構成する各壁１１の厚さは、例えば、１．５ｍｍ程度である。セル部１２は、内部の空隙として、第１室としての主室１４と、第２室としてのリザーバー１６とを有している。主室１４とリザーバー１６とは、第２孔としての連通孔１５を介して連通している。連通孔１５の内径は、例えば、０．４ｍｍ〜１ｍｍ程度である。

セル部１２（主室１４およびリザーバー１６）を構成する各壁１１の内面には、非緩和特性を高めるためのコーティング層３２が形成されている。コーティング層３２は、主室１４およびリザーバー１６の壁１１の内面と、蓋部１９の内面とを覆っている。コーティング層３２は、パラフィンなどの鎖式飽和炭化水素で形成されている。パラフィンの一例として、例えば、化学式（ＣＨ₃（ＣＨ₂）₄₈ＣＨ₃）で示されるペンタコンタンを用いることができる。

セル部１２のリザーバー１６の壁１１の一部には、第１孔としての開口部１８が設けられている。開口部１８は、リザーバー１６における主室１４とは反対側の先端部に設けられている。換言すれば、開口部１８は、Ｘ軸方向において、主室１４から最も離れた位置に設けられている。開口部１８は、蓋部１９で覆われている。

開口部１８が設けられたセル部１２の壁１１の外面と蓋部１９との間には、封止材３０が配置されている。開口部１８は封止材３０を介して蓋部１９により封止されており、これにより、セル部１２が密封されている。封止材３０の材料としては、例えば、低融点ガラスフリットが用いられる。蓋部１９の周辺（図２（ａ）に示すＡ部）の構成については後で詳述する。

また、本実施形態のように開口部１８を蓋部１９と封止材３０とで封止する方法は、開口部１８を封止材３０単独で埋め込んで封止する方法（後述する変形例１）に比べて、封止材３０を薄くできるので、封止材３０の熱膨張係数がセル部１２や蓋部１９の熱膨張係数と相違することに起因する封止材３０の割れを抑制できる。

さらに、本実施形態のように蓋部１９を有する構成では、封止材３０が蓋部１９と開口部１８周辺（周囲）の壁１１との間、すなわち、セル部１２（リザーバー１６）の外部に配置されるので、封止材３０をアルカリ金属ガス１３からより遠くに離間することが可能となる。また、封止材３０の外側に蓋部１９が配置されて開口部１８が塞がれるので、セル部１２をより強固に封止できる。したがって、本実施形態のように蓋部１９を有する構成の方が、アルカリ金属と封止材３０との化学反応をより確実に抑止できるので、ガスセル１０の寿命をより向上させることができる。

セル部１２の主室１４およびリザーバー１６内には、アルカリ金属ガス１３が封入されている。セル部１２の主室１４およびリザーバー１６内には、アルカリ金属ガス１３の他に、希ガスなどの不活性ガスが存在していてもよい。リザーバー１６には、アンプル２０が配置されている。アルカリ金属ガス１３は、アンプル２０内のアルカリ金属固体２４（図２（ｂ）参照）が蒸発（ガス化）したものである。

＜アンプルの構成＞
図２（ｂ）にアンプル２０のＸ−Ｚ断面を示す。図２（ｂ）に示すように、アンプル２０は、中空状のガラス管２２で構成される。ガラス管２２は、ホウ珪酸ガラスにより形成されている。

ガラス管２２は、一方向（図２（ｂ）ではＸ軸）に沿って延在しており、その両端部が溶着されている。これにより、内部が中空状のガラス管２２は密封されている。なお、ガラス管２２の両端部の形状は、図２（ｂ）に示すような丸い形状に限定されず、平面に近い形状や一部が尖った形状などであってもよい。

ガラス管２２の中空部には、アルカリ金属固体（粒状や粉末状のアルカリ金属原子材料）２４が充填されている。アルカリ金属固体２４としては、上述したように、セシウムの他に、ルビジウム、カリウム、ナトリウムを用いることができる。図２（ｂ）は、アンプル２０（ガラス管２２）が密封された状態を示している。アルカリ金属は反応性が高いため、アンプル２０が製造された段階では、内部にアルカリ金属固体２４が充填され、ガラス管２２が密封された状態となっている。

図２（ａ）に示すガスセル１０が完成した段階では、ガスセル１０内に配置されたアンプル２０は、ガラス管２２に貫通孔２１が形成され密封が破られた状態となる。これにより、アンプル２０内のアルカリ金属固体２４が蒸発してガスセル１０内に流出し、セル部１２の主室１４およびリザーバー１６内がアルカリ金属ガス１３で満たされる。なお、アンプル２０内からアルカリ金属固体２４が蒸発して流出し易くなるように、アンプル２０の上面とセル部１２の内面との間には、例えば１．５ｍｍ程度の隙間が設けられている。

図２（ｃ）に、アンプル２０のＹ−Ｚ断面を示す。図２（ｃ）に示すように、ガラス管２２のＹ−Ｚ断面形状は、例えば略円形であるが、他の形状であってもよい。ガラス管２２の外径φは、０．２ｍｍ≦φ≦１．２ｍｍである。ガラス管２２の肉厚ｔは、０．１ｍｍ≦ｔ≦０．５ｍｍであり、概ね外径φの２０％程度であることが好ましい。ガラス管２２の肉厚ｔが０．１ｍｍ未満であるとガラス管２２が破損し易くなり、ガラス管２２の肉厚ｔが０．５ｍｍを超えると、ガラス管２２に貫通孔２１を形成する深さ方向の加工が困難となる。

＜開口部の周辺の構成＞
続いて、開口部１８の周辺の構成を説明する。図３は、第１の実施形態に係るガスセルの開口部の周辺の構成を示す概略図である。詳しくは、図３（ａ）は、図２（ａ）中のＡ部を拡大した断面図であり、図３（ａ）のＤ−Ｄ’線に沿った断面図に相当する。図３（ｂ）は、図３（ａ）における側方（−Ｘ方向）から平面視した図である。図１５は、比較例としてのガスセルの蓋部の構成を示す概略図である。

図３（ａ）に示すように、開口部１８が設けられたセル部１２（リザーバー１６）の壁１１の外面と蓋部１９との間には、封止材３０が配置されている。図３（ｂ）に示すように、開口部１８は、−Ｘ方向から見た平面視で略円形である。蓋部１９は、平面視で略矩形である。封止材３０は、開口部１８を囲むように環状に配置されている。封止材３０の内径は開口部１８の外径よりも大きく、封止材３０の外径は蓋部１９の外形よりも小さい。環状に配置された封止材３０の内側には、コーティング層３２（コーティング材３２ａ）が配置されている。

図３（ａ）に示すように、コーティング層３２（コーティング材３２ａ）は、セル部１２（リザーバー１６側）の壁１１の内面から壁１１の外面と蓋部１９との間に入り込むように配置され、封止材３０の内側の表面を覆っている（図３（ａ）にＣ部で示す）。コーティング層３２は、上述したセル部１２の非緩和特性を高める機能とともに、封止材３０がアルカリ金属ガス１３と接触しないようにして、反応性が高いアルカリ金属と封止材３０との化学反応を抑止する機能を有している。

仮に、図１５に比較例として示すガスセル６０のように、コーティング層３２がセル部１２の壁１１の内面のみに配置され、封止材３０の内側の表面を覆っていない場合、アルカリ金属ガス１３（アルカリ金属）と封止材３０の材料（低融点ガラスフリット）とが接触するため、両者が化学反応を起こすおそれがある。

アルカリ金属ガス１３（アルカリ金属）と、封止材３０の材料とが化学反応を起こすと、アルカリ金属の化学変化によりセル部１２内のアルカリ金属ガス１３が減少するとともに、封止材３０の化学変化に伴う封止の劣化によりアルカリ金属ガス１３がセル部１２外へ漏出する。その結果、ガスセル６０およびガスセル６０を備えた磁気計測装置１００の製造歩留まりの低下を招くおそれや、ガスセル６０の寿命の低下により磁気計測装置１００の感度を長期間維持することができなくなってしまうおそれがある。

これに対して、第１の実施形態に係るガスセル１０では、図３（ａ）に示すように、封止材３０の内側の表面をコーティング層３２で覆うことにより、セル部１２の内部に封入されたアルカリ金属ガス１３から封止材３０を保護している。そのため、封止材３０がアルカリ金属ガス１３と接触しないので、アルカリ金属と封止材３０との化学反応を抑止できる。これにより、アルカリ金属の化学変化によるアルカリ金属ガス１３の減少や、封止材３０の化学変化に伴う封止の劣化によるアルカリ金属ガス１３の漏出が抑えられるので、ガスセル１０を備えた磁気計測装置１００の感度を長期間維持することができる。

図３（ａ）において、封止材３０のＸ軸方向の厚さをＴ１とすると、３μｍ≦Ｔ１≦２０μｍであることが好ましく、Ｔ１＝５μｍ〜６μｍであることがより好ましい。封止材３０の厚さＴ１が３μｍ以上であれば、セル部１２の壁１１の外面と蓋部１９との間に、平面視で環状の形状の各部において略均一に配置できるので、セル部１２と蓋部１９とを良好に接着することができる。一方、封止材３０の厚さＴ１が２０μｍ以下であれば、温度変化に伴う石英ガラス（セル部１２および蓋部１９）と低融点ガラスフリット（封止材３０）の熱膨張に差があっても、封止材３０の破損（割れなど）が抑えられる。

図３（ａ）のＣ部におけるコーティング層３２のＸ軸方向の厚さをＴ２とすると、厚さＴ２は、１００μｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることがより好ましい。コーティング層３２の厚さＴ２を封止材３０の厚さＴ１よりも厚い１００μｍ以上とすることにより、封止材３０の内側の表面をコーティング層３２で確実に覆ってアルカリ金属ガス１３から保護することができる。また、コーティング層３２の厚さＴ２が厚いほど、アルカリ金属ガス１３から封止材３０までの距離を長くできるので、コーティング層３２内でアルカリ金属ガス１３の金属原子（セシウムなど）が封止材３０側へ拡散することを効果的に抑制できる。

なお、セル部１２（主室１４およびリザーバー１６）を構成する壁１１の内面に配置されるコーティング層３２の厚さは、例えば、１００ｎｍ以下程度であればよい。したがって、第１の実施形態では、セル部１２を構成する壁１１の内面に配置されるコーティング層３２の厚さに対して、図３（ａ）のＣ部に配置されるコーティング層３２の厚さＴ２は格段に厚く設定されている。

＜ガスセルの製造方法＞
次に、第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を図４〜図７を参照して説明する。第１の実施形態に係るガスセルの製造方法は、形成工程と、封止工程と、加熱工程と、冷却工程とを含む。図４および図５は、第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図である。図６は、第１の実施形態に係る加熱工程および冷却工程を説明する図である。図７は、第１の実施形態に係る冷却工程における温度変化の一例を示す図である。

図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に形成工程を示す。形成工程では、まず、図４（ａ）に示すセル部１２を形成する。図示を省略するが、例えば、石英ガラスからなるガラス板を切断して、セル部１２を構成する壁１１に対応する複数のガラス板部材を準備する。そして、これらのガラス板部材を組立て、ガラス板部材同士を接着剤または溶着により接合して、主室１４とリザーバー１６とを有するセル部１２を形成する。形成したセル部１２におけるリザーバー１６の主室１４とは反対側の壁１１の一部に開口部１８を形成する。この段階では、開口部１８は開放されている。

続いて、セル部１２（主室１４およびリザーバー１６）を構成する各壁１１の内面にコーティング層３２を形成する。予めセル部１２内の脱気を十分に行い、セル部１２内およびセル部１２の周囲の環境に不純物が極力少ない状態において、図４（ｂ）に示すように、コーティング層３２の材料であるコーティング材３２ａ（鎖式飽和炭化水素）をセル部１２内に配置する。コーティング材３２ａは、例えば、ニードルなどを用いて、開口部１８からセル部１２内の主室１４およびリザーバー１６に配置する。この他にも、セル部１２内を真空とし、コーティング材３２ａ（鎖式飽和炭化水素）を加熱して気相又は液相の状態で、開口部１８を介してセル部１２に導入してもよい。

そして、図４（ｃ）に示すように、仮の蓋３４で開口部１８を塞ぎ、セル部１２を内部に配置されたコーティング材３２ａとともに第１温度に加熱する。第１温度については、後の加熱工程で詳述する。加熱することにより、コーティング材３２ａ（鎖式飽和炭化水素）が溶解し、セル部１２（主室１４およびリザーバー１６）を構成する各壁１１の内面に、コーティング材３２ａ（鎖式飽和炭化水素）の膜であるコーティング層３２が形成される。

続いて、図５（ａ）に示すように、内面にコーティング層３２が形成されたセル部１２のリザーバー１６内にアンプル２０を収納する。アンプル２０は、セル部１２のリザーバー１６側に設けられた開口部１８から挿入され、リザーバー１６内に配置される。この段階では、アンプル２０は、図２（ｂ）に示すように、中空状のガラス管２２の内部にアルカリ金属固体２４が充填され密封された状態となっている。

なお、アンプル２０は、真空に近い低圧環境下（理想的には真空中）において、管状のガラス管２２の中空部にアルカリ金属固体２４を充填し、ガラス管２２の両端部をそれぞれ溶着し密封して形成する。アルカリ金属固体２４として用いられるセシウムなどのアルカリ金属は、反応性に富み大気中で取り扱うことができないため、低圧環境下でアンプル２０内に密封された状態でセル部１２に収納される。

図５（ｂ）は、封止工程を示す図である。図５（ａ）に示すセル部１２内からの排気を十分に行い、主室１４およびリザーバー１６内に不純物が極めて少ない状態で、図５（ｂ）に示すように、セル部１２を封止する。例えば、真空に近い低圧環境下（理想的には真空中）または不活性気体中において、セル部１２の開口部１８を、封止材３０（低融点ガラスフリット）を用いて蓋部１９で封止する。これにより、内部にアンプル２０が収納された状態で、セル部１２が密封される。

続いて、封止材３０を用いて蓋部１９で密閉されたセル部１２を加熱する加熱工程と、加熱工程の後、セル部１２の温度を低下させる冷却工程とを行う。加熱工程は、コーティング層３２の材料（鎖式飽和炭化水素）を再び溶解させて、セル部１２の内面のコーティング層３２の膜厚を均一にさせることを目的とする。そして、冷却工程は、コーティング層３２をセル部１２の内面に定着させるとともに、図３（ａ）に示すＣ部にコーティング層３２の材料を析出させることを目的とする。

加熱工程および冷却工程では、図６に示すように、密封されたセル部１２を、本体２０１と扉２０４とを有するオーブン２００の室内２０２に配置する。セル部１２は、主室１４が室内２０２の奥側（図６の＋Ｘ方向側）に位置し、リザーバー１６が扉２０４側（図６の−Ｘ方向側）に位置するように配置する。

加熱工程では、セル部１２が配置されたオーブン２００の室内２０２を、コーティング層３２の材料（鎖式飽和炭化水素）の融点以上、かつ、熱分解温度以下のできる限り高い第１温度まで加熱する。この第１温度が高い程、気相における単位体積当たりの鎖式飽和炭化水素の量が増えるため、後の冷却工程で第１温度よりも低い第２温度以下とした際に、開口部１８の周辺に多量のコーティング層３２の材料が析出するので好ましい。

酸素や水蒸気が微量な不活性雰囲気（例えば、窒素やアルゴン雰囲気）で、炭化水素は、一般には３００℃程度の温度から熱分解を始める。具体的には、鎖式飽和炭化水素は、不活性雰囲気での加熱処理時間が数分であれば、４００℃程度の温度からの熱分解が顕著になるが、３５０℃程度の温度であればほとんど熱分解は認められない。もちろん、３５０℃の温度であっても、加熱処理時間が長くなると熱分解が認められるようになる。

本実施形態では、セル部１２にアルカリ金属気体単独、あるいは、アルカリ金属気体と不活性ガスとの混合気体が封入され、加熱処理時間は数分から数時間程度である。アルカリ金属気体はパラフィンと殆ど相互作用を行わないので、パラフィンにとっては不活性気体として作用する。したがって、不活性気体中で加熱処理時間がこの程度の範囲であって、第１温度を３５０℃以下とすれば、鎖式飽和炭化水素の熱分解は理論上ほとんど問題にならない。

ただし、鎖式飽和炭化水素は分子量分布を有し、それ故に鎖式飽和炭化水素の熱分解開始温度も分布を有する。したがって、こうした熱分解開始温度の分布を考慮して、安定的な製造との視点からは、第１温度は２５０℃以下であることが好ましい。本実施形態の場合、鎖式飽和炭化水素としてペンタコンタンを用いるので、第１温度は、ペンタコンタンの融点である９１℃以上であって、かつ、３５０℃以下のできる限り高い温度が好ましい。本実施形態では、加熱処理における第１温度を２００℃とした。

ここで、ペンタコンタンの１気圧での沸点は５７５℃であるが、融点は圧力依存性を有するため、１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）程度の真空下でのペンタコンタンの沸点は３２０℃程度となり、１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）程度の真空下でのペンタコンタンの沸点は２３０℃程度となる。本実施形態では、１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）程度以下の減圧下で加熱処理を施したため、ペンタコンタンの沸点は３２０℃程度以下に下がっている。したがって、第１温度が２００℃であると、ペンタコンタンの沸点近くの温度となり、効率的に短時間で加熱処理を完了させることができる。

なお、先に述べたコーティング層３２を形成する工程（図４（ｃ）参照）における第１温度も、上述の加熱工程における第１温度に準ずるものとする。

続く冷却工程では、セル部１２が配置されたオーブン２００の室内２０２を、第１温度よりも低い第２温度に低下させる。第２温度は、鎖式飽和炭化水素の融点未満の温度であればよい。本実施形態の場合、鎖式飽和炭化水素としてペンタコンタンを用いるので、第２温度は９１℃未満であればよい。

一般に、加熱工程におけるオーブン２００の室内２０２の温度は奥側よりも扉２０４の方において低い傾向があり、冷却工程においても室内２０２の温度は奥側よりも扉２０４の方が低下し易い。また、リザーバー１６のＹ−Ｚ平面における断面積は、主室１４のＹ−Ｚ平面における断面積よりも小さい。すなわち、セル部１２において、扉２０４側に位置するリザーバー１６の断面積は、室内２０２の奥側に位置する主室１４のＹ−Ｚ平面における断面積よりも小さい。

そのため、室内２０２の温度を低下させると、図７に示す例のように、室内２０２の奥側に位置する主室１４の温度よりも扉２０４側に位置するリザーバー１６の温度の方が早く低下する。また、リザーバー１６においても、最も扉２０４側の先端部に位置する蓋部１９（開口部１８）の周辺の温度は、その他の部位の温度よりも低下し易い。

したがって、冷却工程において、蓋部１９（開口部１８）の周辺の温度はその他の部位の温度よりも先に鎖式飽和炭化水素の融点未満の温度に到達するので、溶解したコーティング層３２の材料（鎖式飽和炭化水素）は、蓋部１９（開口部１８）の周辺から析出し始める。この結果、図３（ａ）に示すＣ部におけるコーティング層３２の材料の析出量がその他の部位よりも多くなるので、コーティング層３２をセル部１２の壁１１の外面と蓋部１９との間に入り込ませて封止材３０の内側の表面を覆うように配置させることができる。

続いて、図５（ｃ）に示すように、アンプル２０（ガラス管２２）に貫通孔２１を形成する。この工程では、パルスレーザー光４０を、集光レンズ４２で集光して、上方（＋Ｚ方向）側からセル部１２を間に介してアンプル２０のガラス管２２に照射する。レーザー光は指向性や収束性に優れているので、ガラス管２２を容易に加工することができる。パルスレーザー光４０を照射することにより、ガラス管２２の上面（表面）から深さ方向（−Ｚ方向）に加工が進む。そして、ガラス管２２に貫通孔２１が形成されると、アンプル２０の中空部がリザーバー１６と連通してアンプル２０の密封が破られる。

ガラス管２２に貫通孔２１を形成することにより、アンプル２０内のアルカリ金属固体２４（図２（ｂ）参照）が蒸発し、アルカリ金属ガス１３となってリザーバー１６内に流出する。リザーバー１６内に流出したアルカリ金属ガス１３は、連通孔１５を通ってセル部１２の主室１４に流入し拡散する。この結果、図２（ａ）に示すように、セル部１２の主室１４内がアルカリ金属ガス１３で満たされる。以上の工程により、ガスセル１０を製造できる。

以上述べたように、第１の実施形態では、冷却工程で蓋部１９（開口部１８）の周辺の温度をその他の部位の温度よりも早く低下させることにより、開口部１８周辺におけるコーティング層３２の材料（鎖式飽和炭化水素）の析出量をその他の部位よりも多くする。そして、このコーティング層３２で封止材３０の内側の表面を覆うことで、アルカリ金属（アルカリ金属ガス１３）と封止材３０との化学反応を抑止している。

したがって、第１の実施形態に係るガスセルの構成およびガスセルの製造方法によれば、ガスセル１０の製造歩留まりを向上でき、ガスセル１０の寿命を長期化できる。また、封止材３０の保護にセル部１２の非緩和特性を高めるためのコーティング層３２を用いるため、封止材３０の表面を覆うための材料や工程を別途必要としないので、生産性を低下させたり生産コストを上昇させたりすることなく、小型で長寿命のガスセル１０を安定的に製造することができる。

第１の実施形態に係る磁気計測装置の製造方法は、上述したガスセルの製造方法を含んでいる。したがって、感度を長期間維持することが可能な磁気計測装置１００を安定的に製造することができる。なお、第１の実施形態に係る磁気計測装置１００を製造する工程は、ガスセル１０を製造する工程以外の工程では公知の方法を用いることができるため、その説明を省略する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態に対して、ガスセルの構成は同じであるが、ガスセルの製造方法が一部異なっている。より具体的には、ガスセルを製造する冷却工程において、仕切り板を用いる点が異なる。ここでは、冷却工程における第１の実施形態との相違点を説明する。

＜ガスセルの製造方法＞
図８は、第２の実施形態に係るガスセルの製造方法における加熱工程および冷却工程を説明する図である。第２の実施形態に係る加熱工程および冷却工程では、図８に示すように、オーブン２００の室内２０２を奥側（図８の＋Ｘ方向側）の第１部分２０２ａと扉２０４側の第２部分２０２ｂとに区画する仕切り板２０６を配置する点が第１の実施形態と異なる。

仕切り板２０６は、板状の部材で構成される。仕切り板２０６は、加熱工程および冷却工程において、オーブン２００の室内２０２における第１部分２０２ａと第２部分２０２ｂとの間の空気の流れを抑制して、両者の間に温度差を設けることを目的とする。したがって、第１部分２０２ａと第２部分２０２ｂとの間の空気の流れを抑制できればよいので、仕切り板２０６の外径は室内２０２の内径より小さくてよい。仕切り板２０６の材料は、加熱工程における高温（３５０℃程度）に耐えられる材料であれば限定されない。

仕切り板２０６には、セル部１２を室内２０２に配置したときにリザーバー１６が位置する部分に、リザーバー１６の外径よりも大きな径を有する貫通孔２０５が設けられている。加熱工程および冷却工程において、セル部１２は、主室１４が仕切り板２０６よりも奥側の第１部分２０２ａに位置し、リザーバー１６の先端側が貫通孔２０５を通って仕切り板２０６よりも扉２０４側の第２部分２０２ｂに位置するように配置される。

図９は、第２の実施形態に係る冷却工程における温度変化の一例を示す図である。図９に示す例のように、加熱工程においてオーブン２００の室内２０２を加熱して、奥側の第１部分２０２ａに位置する主室１４の温度が２００℃まで上昇しても、扉２０４側の第２部分２０２ｂに位置するリザーバー１６の温度は２００℃よりも低い。

冷却工程では、第１部分２０２ａと第２部分２０２ｂとの間に温度差がある状態から室内２０２の温度を低下させるので、第１の実施形態と比べて、室内２０２の奥側に位置する主室１４の温度よりも扉２０４側に位置するリザーバー１６の温度の方がより早く低下する。そして、リザーバー１６の先端側の蓋部１９（開口部１８）の周辺の温度が鎖式飽和炭化水素の融点未満の温度により早く到達する。

この結果、図３（ａ）に示すＣ部におけるコーティング層３２の材料の析出量がより多くなるので、より確実に封止材３０の内側の表面を覆うようにコーティング層３２を形成することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、上記実施形態に対して、ガスセルの構成が一部異なっており、それに伴って、ガスセルの製造方法における形成工程が異なっている。ここでは、ガスセルの構成および形成工程における上記実施形態との相違点を説明する。図１０は、第３の実施形態に係る形成工程を説明する図である。

＜ガスセルの構成＞
図１０（ｃ）には、第３の実施形態に係る形成工程が終了したときのガスセル１０Ａを示している。図１０（ｃ）に示すように、第３の実施形態に係るガスセル１０Ａは、閉容器としてのセル部１２Ａと、上記実施形態と同様の蓋部１９（図２（ａ）参照）とで構成される。セル部１２Ａは、凹状の容器本体１２ａと、容器本体１２ａの上方側に配置される上蓋１２ｂとを含む。容器本体１２ａは、主室１４となる凹部と、リザーバー１６となる凹部とを有している。容器本体１２ａのリザーバー１６となる凹部の壁１１の一部には、第１孔としての開口部１８が設けられている。

＜ガスセルの製造方法＞
第３の実施形態に係るガスセルの形成工程では、図１０（ａ）に示すように、セル部１２Ａ（容器本体１２ａおよび上蓋１２）を構成する壁１１に対応する複数のガラス板部材を準備する。これらのガラス板部材を組立て、ガラス板部材同士を接着剤または溶着により接合して、容器本体１２ａを形成する。そして、主室１４となる凹部とリザーバー１６となる凹部とに、コーティング層３２の材料（鎖式飽和炭化水素）であるコーティング材３２ａを配置する。

続いて、図１０（ｂ）に示すように、リザーバー１６となる凹部にアンプル２０を収納する。そして、容器本体１２ａの上方側に上蓋１２ｂを、接着剤または溶着により接合する。これにより、主室１４とリザーバー１６とを有するセル部１２Ａが構成される。

続いて、上記実施形態と同様に、仮の蓋３４（図４（ｃ）参照）で開口部１８を塞ぎ、セル部１２Ａを、内部に配置されたコーティング材３２ａとともに第１温度に加熱する。これにより、図１０（ｃ）に示すように、セル部１２Ａ（主室１４およびリザーバー１６）を構成する各壁１１の内面に、コーティング材３２ａ（鎖式飽和炭化水素）の膜であるコーティング層３２が形成される。

以降は、上記実施形態と同様に、セル部１２Ａ内からの排気を十分に行い、図５（ｂ）に示す封止工程と、図６または図８に示す加熱工程および冷却工程と、図５（ｃ）に示すアンプル２０に貫通孔２１を形成する工程とを行う。これにより、封止材３０の内側の表面を覆うようにコーティング層３２を配置したセル部１２Ａを有するガスセル１０Ａを製造できる。

第３の実施形態では、凹状の容器本体１２ａの上方側が開放された状態でコーティング材３２ａを配置しアンプル２０を収納するので、コーティング材３２ａの配置とアンプル２０収納とを容易に行うことができる。また、第３の実施形態では、上記実施形態のアンプル２０を開口部１８から挿入する方法と比べて、アンプル２０をリザーバー１６内の所望の位置に容易に配置することができる。

なお、図１０（ｂ）に示す容器本体１２ａの上方側に上蓋１２ｂを接合する際の接合方法は、接着剤や溶着に限定されるものではなく、両者の間に封止材３０を配置して接合することとしてもよい。容器本体１２ａと上蓋１２ｂとを封止材３０で接合する場合、セル部１２Ａを構成する各壁１１の内面に形成されるコーティング層３２で封止材３０の表面も覆われる。これにより、容器本体１２ａと上蓋１２ｂとを接合する封止材３０を、アルカリ金属ガス１３から保護することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、上記実施形態に対して、ガスセルの構成が一部異なっており、それに伴って、ガスセルの製造方法における形成工程が異なっている。ここでは、ガスセルの構成および形成工程における上記実施形態との相違点を説明する。図１１は、第４の実施形態に係る形成工程を説明する図である。

＜ガスセルの構成＞
図１１（ｃ）には、第４の実施形態に係る形成工程が終了したときのガスセル１０Ｂを示している。図１１（ｃ）に示すように、第４の実施形態に係るガスセル１０Ｂは、上記実施形態のように蓋部１９を有しておらず、開口部１８を有していない凹状の容器本体１２ｃと上蓋１２ｂとを含む閉容器としてのセル部１２Ｂで構成される。

＜ガスセルの製造方法＞
第４の実施形態に係るガスセルの形成工程では、図１１（ａ）に示すように、ガラス板部材を組立てて接合し、主室１４となる凹部とリザーバー１６となる凹部とを有する容器本体１２ｃを形成する。そして、主室１４となる凹部とリザーバー１６となる凹部とに、コーティング層３２の材料（鎖式飽和炭化水素）であるコーティング材３２ａを配置する。

続いて、図１１（ｂ）に示すように、リザーバー１６となる凹部にアンプル２０を収納する。そして、容器本体１２ｃの上方側に封止材３０（低融点ガラスフリット）を配置し、真空に近い低圧環境下または不活性気体中において、容器本体１２ｃの上方側に上蓋１２ｂを配置して、封止材３０により両者を接合する。これにより、セル部１２Ｂが構成される。

続いて、セル部１２Ｂを内部に配置されたコーティング材３２ａとともに第１温度に加熱した後第２温度に低下させる。これにより、図１１（ｃ）に示すように、セル部１２Ｂ（主室１４およびリザーバー１６）を構成する各壁１１の内面と、封止材３０の表面とに、コーティング材３２ａ（鎖式飽和炭化水素）の膜であるコーティング層３２が形成される。

セル部１２Ｂを第１温度に加熱した後第２温度に低下させる際は、セル部１２Ｂの上蓋１２ｂ側、すなわち封止材３０が配置された側がその他の部位よりも先に第２温度に到達するようにすることが好ましい。このようにすることにより、封止材３０が配置された側でコーティング層３２の材料の析出量がより多くなるので、確実に封止材３０の内側の表面を覆うようにコーティング層３２を形成することができる。

第４の実施形態では、第３の実施形態と同様に、コーティング材３２ａの配置とアンプル２０収納とを容易に行うことができ、アンプル２０をリザーバー１６内の所望の位置に容易に配置することができる。

上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。

（変形例１）
上記実施形態に係るガスセル１０は、開口部１８を覆う蓋部１９を有していたが、本発明を適用可能なガスセルはこのような構成に限定されない。図１２は、変形例１に係るガスセルの構成を示す概略断面図である。図１２は、開口部１８の周辺の拡大断面図であり、第１の実施形態の図３（ａ）に対応する。変形例１に係るガスセル１０Ｃは、開口部１８が封止材３０で封止されており、蓋部１９（図３（ａ）参照）を有していない点が第１の実施形態と異なる。

図１２に示すように、変形例１に係るガスセル１０Ｃは、蓋部１９を有しておらず、開口部１８が封止材３０のみで封止されている。封止材３０のリザーバー１６側の表面は、セル部１２の壁１１の内面に形成されたコーティング層３２（コーティング材３２ａ）で覆われているので、上記実施形態と同様に、アルカリ金属と封止材３０との化学反応を抑止し、セル部１２内のアルカリ金属ガス１３の減少や、封止の劣化によるセル部１２外へのアルカリ金属ガス１３の漏出を抑制できる。

変形例１の構成では、蓋部１９を有していないため、簡易な工程にてガスセルを製造できるという利点がある。また、第１の実施形態の構成では、蓋部１９をセル部１２に押し付けながら加熱する加熱加圧工程が適用されるが、本変形例では加圧工程が不要になるため、安定的にガスセルを製造でき、歩留まりを向上させることができる。

（変形例２）
上記実施形態に係るガスセル１０を適用可能な装置は、磁気計測装置１００に限定されない。ガスセル１０は、例えば、原子時計などの原子発振器にも適用できる。図１３は、変形例２に係る原子発振器の構成を示す概略図である。また、図１４は、変形例２に係る原子発振器の動作を説明する図である。

図１３に示す変形例２に係る原子発振器（量子干渉装置）１０１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。図１３に示すように、原子発振器１０１は、上記実施形態に係るガスセル１０（または、ガスセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのいずれか）と、光源７１と、光学部品７２，７３，７４，７５と、光検出部７６と、ヒーター７７と、温度センサー７８と、磁場発生部７９と、制御部８０とを備えている。

光源７１は、ガスセル１０内のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬとして、後述する周波数の異なる２種の光（図１４（ａ）に示す共鳴光Ｌ１および共鳴光Ｌ２）を射出する。光源７１は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）などの半導体レーザーなどで構成される。光学部品７２，７３，７４，７５は、それぞれ、光源７１とガスセル１０との間における励起光ＬＬの光路上に設けられ、光源７１側からガスセル１０側へ、光学部品７２（レンズ）、光学部品７３（偏光板）、光学部品７４（減光フィルター）、光学部品７５（λ／４波長板）の順に配置されている。

光検出部７６は、ガスセル１０内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光Ｌ１，Ｌ２）の強度を検出する。光検出部７６は、例えば、太陽電池、フォトダイオードなどで構成されており、後述する制御部８０の励起光制御部８２に接続されている。ヒーター７７（加熱部）は、ガスセル１０内のアルカリ金属をガス状に（アルカリ金属ガス１３として）維持するために、ガスセル１０を加熱する。ヒーター７７（加熱部）は、例えば、発熱抵抗体などで構成される。

温度センサー７８は、ヒーター７７の発熱量を制御するために、ヒーター７７またはガスセル１０の温度を検出する。温度センサー７８は、サーミスター、熱電対などの公知の各種温度センサーで構成される。磁場発生部７９は、ガスセル１０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***させる磁場を発生させる。ゼーマン***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１０１の発振周波数の精度を高めることができる。磁場発生部７９は、例えば、ヘルムホルツコイルやソレノイドコイルなどで構成される。

制御部８０は、光源７１が射出する励起光ＬＬ（共鳴光Ｌ１，Ｌ２）の周波数を制御する励起光制御部８２と、温度センサー７８の検出結果に基づいてヒーター７７への通電を制御する温度制御部８１と、磁場発生部７９から発生する磁場が一定となるように制御する磁場制御部８３とを有する。制御部８０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。

原子発振器１０１の原理を簡単に説明する。図１４（ａ）は原子発振器１０１のガスセル１０内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明する図であり、図１４（ｂ）は原子発振器１０１の光源７１からの２つの光の周波数差と光検出部７６での検出強度との関係を示すグラフである。図１４（ａ）に示すように、ガスセル１０内に封入されているアルカリ金属（アルカリ金属ガス１３）は、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態Ｓ１、基底状態Ｓ２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態Ｓ１は、基底状態Ｓ２よりも低いエネルギー状態である。

このようなアルカリ金属ガス１３に対して周波数の異なる２種の共鳴光Ｌ１，Ｌ２を照射すると、共鳴光Ｌ１の周波数ω１と共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光Ｌ１，Ｌ２のアルカリ金属ガス１３における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、共鳴光Ｌ１の周波数ω１と共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態Ｓ１と基底状態Ｓ２とのエネルギー差に相当する周波数と一致したとき、基底状態Ｓ１，Ｓ２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Ｌ１，Ｌ２は、いずれも、アルカリ金属ガス１３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。

光源７１は、ガスセル１０に向けて、上述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光Ｌ１および共鳴光Ｌ２）を射出する。ここで、例えば、共鳴光Ｌ１の周波数ω１を固定し、共鳴光Ｌ２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光Ｌ１の周波数ω１と共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態Ｓ１と基底状態Ｓ２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７６の検出強度は、図１４（ｂ）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信号と呼ぶ。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信号を基準として用いることにより、高精度な原子発振器１０１を実現することができる。

原子発振器１０１に用いられるガスセル１０には小型であり、かつ、長寿命であることが要求されるが、上記実施形態のガスセルの構成およびその製造方法によれば、小型で長寿命のガスセル１０を安定的に製造できるので、小型で精度が高く長寿命の原子発振器１０１に好適に用いることができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…ガスセル、１１…壁、１２，１２Ａ，１２Ｂ…セル部（閉容器）、１２ａ，１２ｃ…容器本体、１２ｂ…上蓋、１３…アルカリ金属ガス、１４…主室（第１室）、１５…連通孔（第２孔）、１６…リザーバー（第２室）、１８…開口部（第１孔）、１９…蓋部（蓋）、２０…アンプル、２４…アルカリ金属固体（アルカリ金属原子材料）、３０…封止材、３２…コーティング層（鎖式飽和炭化水素）、３２ａ…コーティング材（鎖式飽和炭化水素）、１００…磁気計測装置。

Claims (13)

1. 閉容器を構成する壁と、前記壁の一部に開口された第１孔と、前記第１孔を封止する封止材と、前記閉容器の内側で前記封止材を覆う鎖式飽和炭化水素と、前記閉容器に封入されたアルカリ金属ガスと、を備えたことを特徴とする磁気計測装置。
2. 請求項１に記載の磁気計測装置であって、
   前記第１孔を覆う蓋をさらに備え、
   前記封止材は、前記蓋と前記壁との間に前記第１孔を囲むように配置されていることを特徴とする磁気計測装置。
3. 請求項１または２に記載の磁気計測装置であって、
   前記閉容器は、第１室と、前記第１室と第２孔を介してつながる第２室と、を備え、
   前記第１孔は、前記第２室の前記壁に形成されていることを特徴とする磁気計測装置。
4. 請求項３に記載の磁気計測装置であって、
   前記第１孔は、前記第２室の前記第１室とは反対側に位置する前記壁に形成されていることを特徴とする磁気計測装置。
5. 壁で構成され、前記壁の一部に開口された第１孔を有し、アルカリ金属原子材料が密封されたアンプルと鎖式飽和炭化水素とが配置された容器を形成する形成工程と、
   封止材を用いて前記第１孔を封止する封止工程と、
   前記封止材で密閉された前記容器を第１温度にする加熱工程と、
   前記封止材で密閉された前記容器を前記第１温度よりも低い第２温度にする冷却工程と、を含むことを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記冷却工程の後に前記アンプルを破壊する工程をさらに含むことを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
7. 請求項５または６に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記第１温度は、前記鎖式飽和炭化水素の融点よりも高く、前記第２温度は前記鎖式飽和炭化水素の融点よりも低いことを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
8. 請求項５から７のいずれか一項に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記冷却工程では、前記容器における前記第１孔が位置する部位の温度がその他の部位の温度よりも低い期間があることを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
9. 請求項５から８のいずれか一項に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記冷却工程では、前記容器における前記第１孔が位置する部位はその他の部位よりも先に前記第２温度に達することを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
10. 請求項５から９のいずれか一項に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
    前記容器は、前記壁で構成され、前記壁の一部に開口された前記第１孔を有する閉容器であり、
    前記形成工程は、
    前記第１孔から前記容器内に前記アンプルと前記鎖式飽和炭化水素とを配置する工程と、
    前記第１孔を介して、前記容器内から排気する工程と、を含むことを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
11. 請求項５から９のいずれか一項に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
    前記容器は、前記壁で構成され前記第１孔を有する凹状の容器本体と、前記容器本体の上方側に配置される上蓋と、を含み、
    前記形成工程は、
    前記容器本体内に前記アンプルと前記鎖式飽和炭化水素とを配置する工程と、
    前記容器本体の上方側に前記上蓋を固定して前記容器を閉容器とする工程と、
    前記第１孔を介して、前記容器内から排気する工程と、を含むことを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
12. 閉容器を構成する壁と、前記壁の一部に開口された第１孔と、前記第１孔を封止する封止材と、前記閉容器の内側で前記封止材を覆う鎖式飽和炭化水素と、前記閉容器に封入されたアルカリ金属ガスと、を備えたことを特徴とするガスセル。
13. 壁で構成され、前記壁の一部に開口された第１孔を有し、アルカリ金属原子材料が密封されたアンプルと鎖式飽和炭化水素とが配置された容器を形成する形成工程と、
    封止材を用いて前記第１孔を封止する封止工程と、
    前記封止材で密閉された前記容器を第１温度にする加熱工程と、
    前記封止材で密閉された前記容器を前記第１温度よりも低い第２温度にする冷却工程と、を含むことを特徴とするガスセルの製造方法。

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