セシウムビーム周波数標準器用円筒コリメータ使用リサイクル原子源のビーム指向性と効率

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近畿大学で従来型のセシウムビーム一次周波数標準器の確度を一桁近く改善する基礎技術確立を目指して、「垂直型セシウムビーム周波数標準実験器」を開発している。1994年以来、真空予備排気、静磁場の特性測定、4極電気磁石の製作及び特性測定、リサイクル原子源の製作、ライゼムイ共振器の製作実験等を実施している。リサイクル原子源の周波数標準器での採用は、米国標準技術研究所のNIST-7の例があり好結果を得ている。我々のリサイクル原子源はこれを参考に設計したが、普通のコリメータで径が0.5mm位で小さい場合、ビームが出口の穴を塞ぎ出てこなくなることを経験しているのでNIST-7のようにしみだした原子をコリメータ内で通過させるのでなく、穴の開いたコリメータを通してその内壁に付着した原子をリサイクルさせることにした。このコリメータ材としては、取り扱いが容易なグラファイトをまず試験する。どの程度の穴の径で、どれ位の硬さのグラファイト材料が、この方式で有効か実験で明らかにする必要がある。グラファイトは吸着特性が優れ加工、使用後の交換が容易であり、経費節約ができるなどの利点がある。しかし、セシウム金属を吸着した後空気にさらして水分を吸収するとふやけて穴を塞ぐ危険性がある。このため、硬いグラファイトを用いてできるだけ空気にさらさないようにする。上記のリサイクル原子源を製作し、コリメータ入り口側の温度373Kのとき、出口側の温度331Kを熱電素子1段で得た。また、シミュレーション計算により、製作したリサイクル原子源と今後の改善、運用により期待される特性を明らかにした。製作した直径2mm、長さ20mmのコリメータで入り口の温度373K、出口の温度313Kの場合、ビーム指向性を1/12に改善する。コリメータ温度を373Kから20K上昇させることによりビーム強度を4倍にすることができる。そして、コリメータの長さを2倍の4cmにすることにより外に出る原子を1/2に減少でき、周波数標準器の周波数安定度を約2倍弱改善できる。この場合ビーム効率は4%となり、リサイクルによるビーム改善度は16倍となる。

セシウムビーム周波数標準器用円筒コリメータ使用リサイクル原子源のビーム指向性と効率

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