JP5727268B2 - Ion trap structure, ion trap type frequency standard, and output frequency stabilization method - Google Patents

Ion trap structure, ion trap type frequency standard, and output frequency stabilization method Download PDF

Info

Publication number
JP5727268B2
JP5727268B2 JP2011057362A JP2011057362A JP5727268B2 JP 5727268 B2 JP5727268 B2 JP 5727268B2 JP 2011057362 A JP2011057362 A JP 2011057362A JP 2011057362 A JP2011057362 A JP 2011057362A JP 5727268 B2 JP5727268 B2 JP 5727268B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ions
electrode
optical pumping
ion trap
zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011057362A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012195391A (en
Inventor
容雄 森川
容雄 森川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anritsu Corp
Original Assignee
Anritsu Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anritsu Corp filed Critical Anritsu Corp
Priority to JP2011057362A priority Critical patent/JP5727268B2/en
Publication of JP2012195391A publication Critical patent/JP2012195391A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5727268B2 publication Critical patent/JP5727268B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

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。   The present invention relates to an ion trap in which ions are confined, an ion trap type frequency standard equipped with the ion trap, and a method for stabilizing the output frequency.

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。）。   There is a document describing an ion trap type frequency standard using mercury ions (for example, see Non-Patent Document 1). In addition, a method of transporting ions in an ion atomic clock provided with two ion traps is disclosed (for example, see Patent Document 1).

ＵＳ公開公報 ２００９／００５８５４５US Publication No. 2009/0058545

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 ２００７John 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

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。   The ion trap of an ion atomic clock disclosed in Patent Document 1 has a structure in which two ion traps are connected in series while being electrically separated by an insulator. For this reason, in the vicinity of this insulator, the electric field created by the two ion trap electrodes interferes to weaken the force of confining the ions, and when this ion passes through this part, the trap hole from which ions leak out of the ion trap Has become an issue. In Patent Document 1, the influence of trap holes is reduced by driving the voltages of electrodes on the same straight line in opposite phases or by driving with voltages of different frequencies.

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。   However, with an ion trap structure in which two ion trap electrodes are connected in series, it is difficult to completely eliminate trap holes. Another problem is that the structure is complicated because the two ion trap electrodes are connected using an insulator.

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。   Therefore, in order to solve the above problems, the present invention has an object to provide an ion trap structure, an ion trap type frequency standard, and an output frequency stabilization method that have a simple structure and can eliminate the influence of trap holes. And

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。   In order to achieve the above object, the ion trap structure according to the present invention is configured by one ion trap. In this specification, an ion trap region for confining ions may be simply referred to as “region”.

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ｆ ０ 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。 Specifically, the ion trap structure according to the present invention is:
An optical pumping zone (18) for irradiating light of a specific wavelength to ions and collecting ions at a specific energy level in a ground state and the optical pumping zone (18) are arranged in series on the same axis adjacent to the optical pumping zone (18). enclosing an area including both zones of interaction zone (19) for emitting an electromagnetic wave of a frequency approximately equal f the ion frequency f 0 corresponding to the energy difference between the energy levels of the ground state ions in the level 2N (N ≧ 2) first linear electrodes (36) arranged in parallel and symmetrically,
Or fastened to the ion optical pumping zone (18) or the interaction zone in the area (19), ions for shuttling between both zones, and an adjustment electrode for controlling the center axis direction of the potential of the region ,
The adjustment electrode is disposed so as to surround the two end pin electrodes (31, 32) respectively disposed at both end positions of the central axis of the region and the first linear electrode (36) at a boundary position between the two zones. The first ring electrode (33), the second ring electrode (34) disposed at the end of the optical pumping zone (18) so as to face the first ring electrode, and the first linear electrode ( 36) and 2M (M ≧ 1) second linear electrodes (37) disposed between the first linear electrodes and surrounding the interaction zone (19) together with the first linear electrodes (36). Consisting of
The region is a single ion trap region formed by the 2N (N ≧ 2) first linear electrodes and the adjustment electrode .

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。   This ion trap structure includes only one ion trap formed by the first linear electrode 36 and the adjustment electrodes (31 to 34, 37). This ion trap structure is simple because the two ion trap electrodes are not connected by an insulator, and the electric field of a plurality of electrodes does not interfere with each other. Therefore, trap holes are not generated during ion shut-down described later. Therefore, the present invention can provide an ion trap structure that is simple in structure and can eliminate the influence of trap holes.

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。 The first linear electrode (36) of the ion trap structure according to the present invention has a high frequency voltage whose phase is inverted between adjacent electrodes in order to generate a 2N quadrupole pseudopotential that confines ions that are to expand in the radial direction. Is applied to the end pin electrodes (31, 32), respectively, and the first ring electrode (33), the second ring electrode (34), and the second linear shape are applied to the end pin electrodes (31, 32), respectively. The electrode (37) is characterized in that a DC voltage corresponding to a desired potential in the central axis direction is applied.

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。 The second linear electrode (37) of the ion trap structure according to the present invention has a high-frequency voltage whose phase is inverted between adjacent electrodes including the first linear electrode (36) when a high-frequency voltage is applied. When applied, the interaction zone (19) generates a radial 2 (N + M) quadrupole pseudo-potential, thereby confining ions to spread in the radial direction.

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。 In the present ion trap structure, the voltage applied to the adjustment electrodes (31 to 34, 37) is adjusted to control the potential in the central axis direction, thereby controlling the traffic of ions in the region. Further, in this ion trap structure , only the first linear electrode 36 generates a 2N quadrupole pseudo-potential in the optical pumping zone 18 that is a portion between the end pin electrode 31 and the second ring electrode 34 and the first ring electrode 33. by the end pin electrode 32 and the first linear electrode 36 in the interaction zone 19 is a region between the first ring electrode 33 and the second linear electrode 37 generates a 2 (N + M) quadrupole pseudopotential, light The ion existence range (radius from the central axis) of the pumping zone 18 can be made smaller than the ion existence range (radius from the central axis) of the interaction zone 19.

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。 Specifically, the ion trap type frequency standard according to the present invention is disposed in the optical pumping zone 18 and optically pumps mercury ions (102) in the ion trap electrode to convert the mercury ions into a ground state ( 2 S 1 / 2 ) optical pumping means (15) for collecting the lower level (F = 0),
An electromagnetic wave having a frequency f that is arranged in the interaction zone 19 and is substantially equal to a frequency f0 corresponding to an energy difference between the upper level (F = 1) and the lower level is irradiated, and a ground state is generated by the optical pumping means. Electromagnetic wave irradiation means (13) for transitioning the mercury ions collected at the lower level to the upper level of the ground state;
A light receiving means (14) for measuring the light intensity of the fluorescence emitted when the mercury ion that has transitioned to the upper level by the electromagnetic wave irradiation means returns to the ground state via the excited state again by the optical pumping means;
Controlling the voltage applied to the first linear electrode 36 and the adjusting electrodes (31 to 34, 37) to adjust the flow of the mercury ions between the optical pumping zone 18 and the interaction zone 19, Control means (45) for adjusting f so that f = f 0 using the information of f−f 0 included in the light intensity of the fluorescence measured by the light receiving means;
output means for outputting f as an output frequency.

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。 An output frequency stabilization method according to the present invention includes an optical pumping procedure in which mercury ions in the ion trap structure are optically pumped in the optical pumping zone (18) to collect the mercury ions to a lower level of a ground state.
A first shutting procedure for controlling the potential in the region to move the mercury ions from the optical pumping zone (18) to an interaction zone (19);
An interaction procedure for irradiating electromagnetic waves of frequency f in the interaction zone (19) to transition the mercury ions to the upper level of the ground state;
A second shuttling procedure for controlling the potential in the region to move the mercury ions from the interaction zone (19) to the optical pumping zone (18);
A fluorescence measurement procedure for measuring the intensity of fluorescence emitted when the mercury ions return from the upper level to the ground state via the excited state again by optical pumping in the optical pumping zone (18) of the region;
A frequency adjustment procedure for adjusting f so as to be f = f 0 using information on f−f 0 included in the light intensity of the fluorescence is repeatedly performed.

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。   Since this ion trap type frequency standard and its output frequency stabilization method have an ion trap structure with one ion trap, the structure is simple and the influence of trap holes can be eliminated.

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。   The present invention can provide an ion trap structure, an ion trap type frequency standard, and an output frequency stabilization method that have a simple structure and can eliminate the influence of trap holes.

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。It is a figure explaining the ion trap type | mold frequency standard device which concerns on this invention. 本発明に係るイオントラップ構造を説明する図である。It is a figure explaining the ion trap structure concerning the present invention. 本発明に係るイオントラップ構造を説明する図である。It is a figure explaining the ion trap structure concerning the present invention. 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。It is the table | surface which put together the voltage applied to each electrode of the ion trap structure which concerns on this invention for every mode. 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。It is a figure explaining the potential in the optical pumping mode or interaction mode of the ion trap structure which concerns on this invention. 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。It is a figure explaining the potential in the 1st shuttling mode of the ion trap structure concerning the present invention. 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。It is a figure explaining the potential in the 2nd shuttling mode of the ion trap structure concerning the present invention. 水銀イオンエネルギー準位を説明する図である。It is a figure explaining a mercury ion energy level.

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。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with specific embodiments, but the present invention is not construed as being limited to the following description. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

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。 FIG. 1 is a diagram for explaining an ion trap type frequency standard 301 according to this embodiment. The ion trap type frequency standard 301 is disposed on the optical pumping zone 18 side, optical pumping means 15 for optically pumping the mercury ions 102 in the optical pumping zone 18 and collecting the mercury ions 102 to the lower level of the ground state, An electromagnetic wave having a frequency f substantially equal to the frequency f 0 corresponding to the energy difference between the upper level and the lower level is irradiated on the interaction zone 19 side, and the lower level of the ground state is irradiated by the optical pumping means 15. The electromagnetic wave irradiation means 13 for making the mercury ions 103 collected at the upper level transition to the upper level, and the fluorescence emitted when the mercury ions 103 that have been changed to the upper level by the electromagnetic wave irradiation means 13 return to the ground state again by the optical pumping means 15. and light receiving means 14 for measuring the light intensity of 23, by controlling the voltage applied to the first linear electrode 36 and the adjusting electrode (31～34,37) light Ponpi Adjust the traffic of mercury ions (102, 103) between the ring zone 18 and interaction zone 19, by using the information of the f-f 0 contained in the light intensity of the fluorescence 23, measured by the light receiving means 14 and a control unit 45 for adjusting the f such that f = f 0, an output means for the electromagnetic wave irradiation unit 13 outputs as the output frequency of the frequency of the electromagnetic wave to be irradiated (not shown).

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。 2 and 3 are diagrams illustrating the electrode structure of the ion trap. FIG. 2 is a view seen from the same direction as FIG. FIG. 3 is a view as seen from the end pin electrode 32 side. The electrode structure of the ion trap controls 2N (N ≧ 2) first linear electrodes 36 arranged in parallel and symmetrically so as to surround the ion trap region, and the potential in the central axis direction generated in the region. Adjustment electrodes (31 to 34, 37).

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。 The adjustment electrode includes end pin electrodes (31, 32) disposed at both end positions of the central axis of the region, and a first ring electrode 33 disposed so as to surround the region between the optical pumping zone 18 and the interaction zone 19. The second ring electrode 34 disposed at one end of the optical pumping zone 18 and the second linear electrode 37 disposed between the first linear electrode 36 parallel to the first linear electrode 36 and surrounding the interaction zone 19. And including.

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。   In the present embodiment, electrode numbers are assigned to the first linear electrode 36 and the second linear electrode 37. The first linear electrode 36 has electrode numbers # 0, # 3, # 6, and # 9, and the second linear electrode 37 has electrode numbers # 1, # 2, # 4, # 5, # 7, # 8, and # 10. , # 11. In the present embodiment, there are four first linear electrodes 36 and eight second linear electrodes 37, but the number is not limited to this.

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。   The first linear electrode 36 is applied with a high frequency voltage whose phase is inverted between adjacent electrodes. A predetermined DC voltage is applied to each of the end pin electrodes (31, 32). The first ring electrode 33, the second ring electrode 34, and the second linear electrode 37 are applied with a DC voltage corresponding to a desired potential in the central axis direction.

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。   When a high frequency voltage is applied to the second linear electrode 37, a high frequency voltage whose phase is inverted between adjacent electrodes including the first linear electrode 36 is applied.

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。   FIG. 4 is a table summarizing the DC voltage and the high frequency voltage applied to each electrode for each mode in order to control the potential in the central axis direction and the pseudo potential in the radial direction. 5 to 7 are diagrams for explaining the potential in the central axis direction in the region in the optical pumping mode or the interaction mode, the first shuttling mode, and the second shuttling mode, respectively.

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。 The optical pumping mode is a mode for keeping mercury ions in the optical pumping zone 18, that is, a mode for keeping the mercury ions 102 in FIG. The interaction mode is a mode for keeping mercury ions in the interaction zone 19, that is, a mode for keeping the mercury ions 103 in FIG.

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。 In the optical pumping mode and the interaction mode, a DC voltage of + V E1 is applied to the end pin electrode 31, a DC voltage of + V E2 is applied to the end pin electrode 32, and a DC voltage of + V RC is applied to the first ring electrode 33. FIG. 5 shows the result of simulation of the potential by giving specific voltages and electrode positions. The horizontal axis represents the central axis. An end pin electrode 31 is disposed at a position of −119 mm, an end pin electrode 32 is disposed at a position of +60 mm, and a first ring electrode 33 is disposed at a position of −65 mm. Both the optical pumping zone 18 and the interaction zone 19 have potential peaks at both end portions, and the potential is low in the central portion. Since mercury ions are positive ions, they collect in the central part where this potential is low. From the energy conservation law, the total energy (= kinetic energy + potential energy) is constant. The horizontal line in the figure shows the case where the total energy is 0.22 eV. Since kinetic energy ≧ 0, total energy ≧ potential energy. That is, the ions have a potential energy within the range below this horizontal line. Mercury ions are collected in the optical pumping zone 18 or the interaction zone 19 in a shuttling mode, which will be described later, and by applying a DC voltage to each electrode as described above, the mercury ions can be stably maintained at the respective positions. .

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）。 In the optical pumping mode, a high-frequency voltage V RF1 , for example, a high-frequency voltage of 1 to 2 MHz, for example, is applied only to the first linear electrode 36, but in the interaction mode, the high-frequency voltage V RF2 is applied to the first linear electrode 36. The high frequency voltage V RF2 is also applied to the second linear electrode 37. Here, + and-mean that the phases are opposite. This high frequency voltage is applied to confine mercury ions in the radial direction of the region. As the number of electrodes increases, the size of the range where confined mercury ions exist increases. In the present embodiment, there are four first linear electrodes 36 and eight second linear electrodes 37, so the range in which mercury ions are present is the size schematically shown in FIG. 103).

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。 The first shuttling mode is a mode in which mercury ions are moved from the optical pumping zone 18 to the interaction zone 19. In the first shuttling mode, the end pin electrode 31 has a DC voltage of + V E1 , the end pin electrode 32 has a DC voltage of + V E2 , the second ring electrode 34 has a DC voltage of + V RE , and the first linear electrode 36 has a high frequency of V RF1 . A voltage is applied, and no high frequency voltage is applied to the second linear electrode 37. FIG. 6 shows the result of simulation of potential by giving specific voltages and electrode positions. The position of each electrode is the same as described with reference to FIG.

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。 Since the DC voltage of the first ring electrode 33 is 0, the potential peak described in FIG. 5 disappears. On the other hand, since the DC voltage VRE is applied to the second ring electrode 34, the potential of the optical pumping zone 18 becomes higher than the potential of the interaction zone 19. For this reason, the mercury ions move to the low potential portion, that is, the interaction zone 19. At this time, only the first linear electrode 36 generates a pseudo-potential for confining mercury ions that are about to expand in the radial direction, so that no trap hole is generated. If the potential of FIG. 5 is formed after the mercury ions move to the interaction zone 19, the mercury ions are stably kept at the position of reference numeral 103 in FIG.

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。 The second shuttling mode is a mode in which mercury ions are moved from the interaction zone 19 to the optical pumping zone 18. In the second shuttling mode, a DC voltage of + V E1 is applied to the end pin electrode 31, a DC voltage of + V E2 is applied to the end pin electrode 32, a DC voltage of + V L is applied to the second linear electrode 37, and V RF1 is applied to the first linear electrode 36. A high frequency voltage is applied, and no high frequency voltage is applied to the second linear electrode 37. FIG. 7 shows the result of simulation of potential by giving specific voltages and electrode positions. The position of each electrode is the same as described with reference to FIG.

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。 Since the DC voltage of the first ring electrode 33 is 0, the potential peak described in FIG. 5 disappears. In addition, since the DC voltage VL is applied to the second linear electrode 37 and the DC voltage of the second ring electrode 34 is also zero, the potential of the interaction zone 19 becomes higher than the potential of the optical pumping zone 18. For this reason, the mercury ions move to the low potential portion, that is, the optical pumping zone 18. At this time, trap holes are not generated as in the first shuttling mode. If the potential of FIG. 5 is formed after the mercury ions have moved to the optical pumping zone 18, the mercury ions will remain stable at the position of reference numeral 102 in FIG.

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。   As described above, this ion trap structure can control the voltage of each electrode in an analog manner, and can freely control the potential in the central axis direction of the region to control the traffic of ions. By adjusting the voltage, not only mercury ions but also other ions can be moved in the same manner.

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 Subsequently, each part of the ion trap type frequency standard 301 and the output frequency control method will be described. The ion trap type frequency standard 301 controls the optical pumping procedure in which mercury ions in the ion trap are optically pumped in the optical pumping zone 18 to collect the mercury ions to the lower level of the ground state, and the potential in the region is controlled. A first shuttling procedure for moving mercury ions from the optical pumping zone 18 to the interaction zone 19 and a frequency f approximately equal to the frequency f 0 corresponding to the energy difference between the upper and lower levels in the interaction zone 19. The interaction procedure in which mercury ions are irradiated to the upper level of the ground state by irradiating the electromagnetic wave, and the second shuttling that moves the mercury ions from the interaction zone 19 to the optical pumping zone 18 by controlling the potential in the region In the optical pumping zone 18, the mercury ions are excited from the upper level by optical pumping and again through the excited state. Fluorescence measurement procedure for measuring the intensity of fluorescence emitted when returning to the state, and frequency adjustment for adjusting f so that f = f 0 using the information of f−f 0 included in the light intensity of the fluorescence Execute the output frequency stabilization method that repeats the procedure

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。   The mercury source 101 supplies mercury vapor into the vacuum vessel 17. The electron gun 16 ionizes mercury vapor into mercury ions with an electron beam 22. The ionized mercury ions are confined in the region as described with reference to FIG.

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。 Here, the control means 45 controls the potential of the region as described with reference to FIG. 7 to move ions to the optical pumping zone 18 and then set the potential of the region described with reference to FIG. In FIG. 1, this state is shown as mercury ions 102. The optical pumping means 15 is a mercury lamp that outputs excitation light 21 having a wavelength of 194.2 nm.

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。 Optical pumping will be described with reference to the energy level diagram of mercury ions in FIG. Mercury ions have two energy states, namely a ground state 2 S 1/2 and an excited state 2 P 1/2 , and the ground state is composed of two energy levels (F = 0, 1). Here, when the excitation light 21 is irradiated from the optical pumping means 15, only the ions in the ground state level F = 1 transition to the excitation state. However, the ions that have transitioned to the excited state immediately return to the ground state. At this time, the ions uniformly transition to the respective levels (F = 0, 1). Then, the ions that have returned to the ground state level F = 1 absorb the excitation light 21 and rise to the excited state again. On the other hand, ions in the ground state level F = 0 remain as they are. By repeating this, all ions gather at the ground state level F = 0.

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。 Here, the control means 45 controls the potential of the region as described with reference to FIG. 6, moves ions to the interaction zone 19, and then sets the potential of the region described with reference to FIG. In FIG. 1, this state is shown as mercury ions 103.

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。 The electromagnetic wave irradiation means 13 is, for example, a waveguide or an electromagnetic horn. The electromagnetic wave irradiation means 13 irradiates the mercury ions 103 with an electromagnetic wave whose frequency is set by the control means. The state of the mercury ion 103 at this time will be described with reference to the energy level diagram of the mercury ion in FIG. The mercury ion 103 immediately after the optical pumping is at the ground state level F = 0. When an electromagnetic wave having a frequency f is irradiated, ions in the ground state level F = 0 transition to the same ground state level F = 1. At this time, when the frequency f of the electromagnetic wave deviates from f 0 , the amount of ions that transition from the ground state level F = 0 to the level F = 1 decreases.

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。 Subsequently, the control means 45 controls the potential of the region as described with reference to FIG. 7 to move ions to the optical pumping zone 18 and then set the potential of the region described with reference to FIG. In FIG. 1, this state is shown as mercury ions 102. In the optical pumping zone 18, since the excitation light 21 is irradiated from the optical pumping means 15, the ions in the ground state level F = 1 of the mercury ions 102 transition to the excited state. The ions that have transitioned to the excited state immediately emit fluorescence 23 and return to the ground state.

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。 The light receiving means 14 measures the light intensity of the fluorescence 23. Here, as described above, when the frequency f of the electromagnetic wave irradiated by the electromagnetic wave irradiation means 13 deviates from f 0 , the number of ions in the ground state level F = 1 is small, so the light intensity of the fluorescence 23 is weakened. Therefore, the control means 45 adjusts f so that f = f 0 using the information of f−f 0 included in the light intensity of the fluorescence 23. The output means outputs the frequency of the electromagnetic wave adjusted by the control means 45 as an output frequency. In this way, the ion trap type frequency standard 301 can output a frequency f that coincides with an accurate f 0 . The ion trap type frequency standard 301 includes a magnetic field shield 11 for reducing the influence of the magnetic field and a C coil 12 for solving the degeneracy of the energy state.

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。   In addition, although the Example of this invention uses mercury ion, this invention is not limited to this, It can apply also to other ions.

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


11: magnetic field shield 12: C coil 13: electromagnetic wave irradiation means 14: light receiving means 15: optical pumping means 16: electron gun 17: vacuum vessel 18: optical pumping zone 19: interaction zone 21: excitation light 22: electron beam 23: Fluorescence 31: End pin electrode 32: End pin electrode 33: First ring electrode 34: Second ring electrode 36: First linear electrode 37: Second linear electrode 45: Control means 101: Mercury source 102, 103: Mercury ion 301 : Ion trap type frequency standard


Claims (5)

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ｆ ０ 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。 An optical pumping zone (18) for irradiating light of a specific wavelength to ions and collecting ions at a specific energy level in a ground state and the optical pumping zone (18) are arranged in series on the same axis adjacent to the optical pumping zone (18). enclosing an area including both zones of interaction zone (19) for emitting an electromagnetic wave of a frequency approximately equal f the ion frequency f 0 corresponding to the energy difference between the energy levels of the ground state ions in the level 2N (N ≧ 2) first linear electrodes (36) arranged in parallel and symmetrically,
Or fastened to the ion optical pumping zone (18) or the interaction zone in the area (19), ions for shuttling between both zones, and an adjustment electrode for controlling the center axis direction of the potential of the region ,
The adjustment electrode is disposed so as to surround the two end pin electrodes (31, 32) respectively disposed at both end positions of the central axis of the region and the first linear electrode (36) at a boundary position between the two zones. The first ring electrode (33), the second ring electrode (34) disposed at the end of the optical pumping zone (18) so as to face the first ring electrode, and the first linear electrode ( 36) and 2M (M ≧ 1) second linear electrodes (37) disposed between the first linear electrodes and surrounding the interaction zone (19) together with the first linear electrodes (36). Consisting of
The ion trap structure is characterized in that the region is one ion trap region formed by the 2N (N ≧ 2) first linear electrodes and the adjustment electrode . 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。 The first linear electrode (36) is applied with a high-frequency voltage whose phase is inverted between adjacent electrodes in order to generate a 2N quadrupole pseudopotential that confines ions that are to expand in the radial direction. A predetermined DC voltage is applied to each of the electrodes (31, 32), and the first ring electrode (33), the second ring electrode (34), and the second linear electrode (37) 2. The ion trap structure according to claim 1 , wherein a DC voltage corresponding to the potential in the central axis direction is applied. 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。 When a high-frequency voltage is applied to the second linear electrode (37), a high-frequency voltage whose phase is reversed between adjacent electrodes including the first linear electrode (36) is applied, and an interaction zone (19 ion trap structure of claim 1) a radial 2 (N + M) quadrupole pseudopotential occurs, characterized in that confine ions to be Hirogaro radially. 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。 The end pin electrode (31) of the ion trap structure according to any one of claims 1 to 3 and an optical pumping zone (18) which is a portion between the second ring electrode (34) and the first ring electrode (33). Optical pumping means (15) for optically pumping ions in the ion trap electrode and collecting the ions to a lower level of a ground state;
The frequency corresponding to the energy difference between the upper level and the lower level, disposed in the interaction zone (19), which is a portion between the end pin electrode (32) and the first ring electrode (33) of the ion trap structure. electromagnetic wave irradiating means (13) for irradiating an electromagnetic wave having a frequency f substantially equal to f 0 and causing the ions collected at the lower level of the ground state by the optical pumping means to transition to the upper level of the ground state;
A light receiving means (14) for measuring the light intensity of the fluorescence emitted when the ions that have transitioned to the upper level by the electromagnetic wave irradiation means return to the ground state via the excited state again by the optical pumping means;
The ions applied between the optical pumping zone (18) and the interaction zone (19) are controlled by controlling the voltage applied to the first linear electrode (36) and the adjusting electrode (31-34, 37). Control means (45) for adjusting traffic so that f = f 0 by using information of f−f 0 included in the light intensity of the fluorescence measured by the light receiving means;
an output means for outputting f as an output frequency;
Ion trap type frequency standard equipped with. 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。 An optical pumping procedure in which ions in the ion trap structure according to any of claims 1 to 3 are optically pumped in the optical pumping zone (18) to collect the ions to a lower level of the ground state;
A first shutting procedure for controlling the potential in the region to move the ions from the optical pumping zone (18) to an interaction zone (19);
An interaction procedure in which an electromagnetic wave having a frequency f is irradiated in the interaction zone (19) to cause the ions to transition to the upper level of the ground state;
A second shuttling procedure for controlling the potential in the region to move the ions from the interaction zone (19) to an optical pumping zone (18);
A fluorescence measurement procedure for measuring the intensity of fluorescence emitted when the ions return from the upper level to the ground state via the excited state again by optical pumping in the optical pumping zone (18);
A frequency adjustment procedure for adjusting f so that f = f 0 using information on f−f 0 included in the light intensity of the fluorescence;
Is a method of stabilizing the output frequency.
JP2011057362A 2011-03-16 2011-03-16 Ion trap structure, ion trap type frequency standard, and output frequency stabilization method Active JP5727268B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011057362A JP5727268B2 (en) 2011-03-16 2011-03-16 Ion trap structure, ion trap type frequency standard, and output frequency stabilization method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011057362A JP5727268B2 (en) 2011-03-16 2011-03-16 Ion trap structure, ion trap type frequency standard, and output frequency stabilization method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012195391A JP2012195391A (en) 2012-10-11
JP5727268B2 true JP5727268B2 (en) 2015-06-03

Family

ID=47087030

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011057362A Active JP5727268B2 (en) 2011-03-16 2011-03-16 Ion trap structure, ion trap type frequency standard, and output frequency stabilization method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5727268B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10026598B2 (en) 2016-01-04 2018-07-17 Rohde & Schwarz Gmbh & Co. Kg Signal amplitude measurement and calibration with an ion trap
CN112582247B (en) * 2020-12-14 2023-09-12 北京无线电计量测试研究所 Small vacuum device and method for trapping ions
CN112582248B (en) * 2020-12-14 2023-09-12 北京无线电计量测试研究所 Electron gun device for mercury ion microwave frequency standard

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8058936B2 (en) * 2007-08-31 2011-11-15 California Institute Of Technology Atomic ion clock with two ion traps, and method to transfer ions

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012195391A (en) 2012-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102340172B1 (en) Free electron laser radiation source for the euv
JP5615711B2 (en) Circular particle accelerator
KR20160022357A (en) Lithographic method and system
Edwards et al. Waveform-controlled relativistic high-order-harmonic generation
KR20090071610A (en) Compact accelerator for medical therapy
US9837786B2 (en) Short period undulator
JP5727268B2 (en) Ion trap structure, ion trap type frequency standard, and output frequency stabilization method
Eckey et al. Strong-field Breit-Wheeler pair production with bremsstrahlung γ rays in the perturbative-to-nonperturbative-transition regime
JP6649495B2 (en) Accelerator, method of operating accelerator, and method of manufacturing semiconductor using accelerator
KR101350035B1 (en) Electron beam generating apparatus
Ronald et al. Auroral magnetospheric cyclotron emission processes: numerical and experimental simulations
Shafqat et al. Design study of high gradient, low impedance accelerating structures for the FERMI free electron laser linac upgrade
Mitchell et al. A gridded thermionic injector gun for high-average-power free-electron lasers
US20080073590A1 (en) Free electron oscillator
US7746532B2 (en) Electro-optical switching system and method
Yan et al. Investigating instabilities of long, intense laser pulses in plasma wakefield accelerators
JP2011188352A (en) Ion-trap type reference frequency generator and method of stabilizing output frequency
EP2161724A1 (en) Ion beam control apparatus and method
Galkin et al. Temporal and Spectral Characteristics of the Radiation Generated by an Electron Driven by a Relativistically Intense Laser Field
NL2017695A (en) Free electron laser
Hillenbrand Study of plasma-based acceleration for high energy physics and other applications
JP2014079300A (en) Charged particle beam irradiation system
WO2014207852A1 (en) Charged particle beam radiation system and beam emission method
Zhang Smith-Purcell radiation driven by plasma accelerated beam
KR100980099B1 (en) Wideband electromagnetic wave generating apparatus and oscillator therefor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130911

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140826

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150324

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150402

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5727268

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250