特許 7544415 プラズマ源及び当該プラズマ源を用いた原子時計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(54)【発明の名称】プラズマ源及び当該プラズマ源を用いた原子時計

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/24 20060101AFI20240827BHJP

   H01J 41/18 20060101ALN20240827BHJP

【ＦＩ】

H05H1/24

H01J41/18

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023529588

(86)(22)【出願日】2022-03-24

(86)【国際出願番号】 JP2022013803

(87)【国際公開番号】W WO2022264603

(87)【国際公開日】2022-12-22

【審査請求日】2023-12-14

(31)【優先権主張番号】P 2021098407

(32)【優先日】2021-06-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】倉島 優一

(72)【発明者】

【氏名】本村 大成

(72)【発明者】

【氏名】柳町 真也

(72)【発明者】

【氏名】高木 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】日暮 栄治

(72)【発明者】

【氏名】松前 貴司

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－００３４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５１３７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００６－５１１９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平５－９２９５３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２３３３９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ １／００－１／５４

Ｈ０１Ｊ ４１／１０－４１／２０

Ｇ０４Ｆ ５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の磁石と、
前記第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、
前記第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、前記第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、
前記第３の磁石の前記第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、前記第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、
前記第１の磁石の前記第１の磁極及び前記第３の磁石の前記第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、
前記第１の電極に対向し、前記第２の磁石の前記第２の磁極及び前記第４の磁石の前記第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される第３の電極と、
を有し、
前記第１の磁石と前記第２の磁石との間の第１の空間と前記第３の磁石と前記第４の磁石との間の第２の空間とにおける、前記第２の磁石から前記第１の磁石への第１の方向の最大の磁場強度|Ｂy(max)|と、前記第１の方向の最小の磁場強度|Ｂy(min)|とが、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．１を満たしており、
前記第１の空間と前記第２の空間とに挟まれた第３の空間における、前記第１の方向と直交する第２の方向の最大の磁場強度|Ｂx(max)|と、前記第２の方向の最小の磁場強度|Ｂx(min)|とが、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．１を満たしている
プラズマ源。

【請求項2】

第１の磁石と、
前記第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、
前記第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、前記第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、
前記第３の磁石の前記第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、前記第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、
前記第１の磁石の前記第１の磁極及び前記第３の磁石の前記第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、
前記第１の電極に対向し、前記第２の磁石の前記第２の磁極及び前記第４の磁石の前記第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される第３の電極と、
を有し、
前記第１の磁石と前記第２の磁石との距離と前記第３の磁石と前記第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、前記第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、１以上１０以下である
プラズマ源。

【請求項3】

前記第１の磁石及び前記第２の磁石が円柱状であり、
前記第３の磁石及び前記第４の磁石が円筒状である
請求項１又は２記載のプラズマ源。

【請求項4】

前記第２の磁石から前記第１の磁石への第１の方向の最大の磁場強度|Ｂy(max)|と、前記第１の方向の最小の磁場強度|Ｂy(min)|とが、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．３を満たしており、
前記第１の方向と直交する第２の方向の最大の磁場強度|Ｂx(max)|と、前記第２の方向の最小の磁場強度|Ｂx(min)|とが、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．０３である
請求項１記載のプラズマ源。

【請求項5】

前記第１の磁石と前記第２の磁石との距離と前記第３の磁石と前記第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、前記第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、２．５以上５以下である
請求項２記載のプラズマ源。

【請求項6】

前記第１乃至第４の磁石が、前記第１乃至第３の電極を含むセルに対して脱着可能である
請求項１乃至５のいずれか１つ記載のプラズマ源。

【請求項7】

請求項６記載のプラズマ源と、
前記プラズマ源の前記セルと連通した冷却原子生成部と、
を含む原子時計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ源及び当該プラズマ源を用いた原子時計に関する。

【背景技術】

【0002】

超高真空で封止された小型セルは様々な革新的なデバイスに応用が期待される。こうした超高真空の小型セルは、中真空（１０^－１乃至１Ｐａ）程度で気密封止された後、セルを外部から超高真空ポンプを用いて更に排気することで実現される。一般的に超高真空ポンプとしてはイオンポンプが広く使われており、イオンポンプ内部には高効率な放電が可能なプラズマ源が用いられる。

【0003】

小型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）真空ポンプとして、イオンポンプと同様の構造をＭＥＭＳプロセス（微細加工と陽極接合）により実現する技術が知られている。この技術では、第１の磁石のＮ極と第２の磁石のＳ極とを対向させ、第１の磁石側にシリコンの第１のカソード電極と、第２の磁石側にシリコンの第２のカソード電極と、第１のカソード電極と第２のカソードとの間に空間を設けるようにシリコンのアノード電極とを配置している。このような小型のＭＥＭＳ真空ポンプでは、１０^－５Ｐａ程度以下の超高真空状態で高効率に放電するのは難しい。

【0004】

また、中心にカソード電極、その外側でカソード電極を囲うようにカソード電極と略同一面にアノード電極を配置し、異なる磁極が対向するようにカソード電極及びアノード電極の上下に磁石を配置するような他の技術も知られている。これにより、電子を閉じ込めて放電を行い、残留ガスに電子を衝突させて、排気するものである。このような技術でも、１０^－５Ｐａ程度以下の超高真空状態で高効率に放電できるわけではない。

【0005】

一方、基板上に膜を成膜する方法として、マグネトロンスパッタリング法が知られており、そのための成膜装置には、下側にＮ極、Ｓ極、Ｎ極といった並びで磁石を配置し、下側の磁石に対向するように上側にＳ極、Ｎ極、Ｓ極といった並びで磁石を配置する技術が存在している。しかし、この技術では基板への成膜が目的となっているので、この技術を超高真空状態での高効率な放電という問題に対してそのまま適用できるわけではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０２０－２６５５９号公報

【文献】特開昭６３－３０３０６５号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】T.Grzebyk et.al.,"MEMS ion-sorption high vacuum pump", Journal of Physics: Conference Series 773 (2016) 012047

【文献】T.Grzebyk et.al.,"Magnetron-like miniature ion source", Vacuum 151 (2018) 167-174

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

従って、本発明の目的は、一側面として、超高真空状態での高効率な放電を可能とする小型のプラズマ源を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の第１の側面に係るプラズマ源は、（Ａ）第１の磁石と、（Ｂ）第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、（Ｃ）第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、（Ｄ）第３の磁石の第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、（Ｅ）第１の磁石の第１の磁極及び第３の磁石の第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、（Ｆ）第１の電極に対向し、第２の磁石の第２の磁極及び第４の磁石の第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、（Ｇ）第１の電極及び第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、第１の電極と第２の電極との間に配置される第３の電極とを有する。そして、第１の磁石と第２の磁石との間の第１の空間と第３の磁石と第４の磁石との間の第２の空間とにおける、第２の磁石から第１の磁石への第１の方向の最大の磁場強度|Ｂy(max)|と、上記第１の方向の最小の磁場強度|Ｂy(min)|とが、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．１を満たしている。また、第１の空間と第２の空間とに挟まれた第３の空間における、第１の方向と直交する第２の方向の最大の磁場強度|Ｂx(max)|と、第２の方向の最小の磁場強度|Ｂx(min)|とが、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．１を満たしている。

【0010】

本発明の第２の側面に係るプラズマ源は、（Ａ）第１の磁石と、（Ｂ）第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、（Ｃ）第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、（Ｄ）第３の磁石の第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、（Ｅ）第１の磁石の第１の磁極及び第３の磁石の第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、（Ｆ）第１の電極に対向し、第２の磁石の第２の磁極及び第４の磁石の第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、（Ｇ）第１の電極及び第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、第１の電極と第２の電極との間に配置される第３の電極とを有する。そして、第１の磁石と第２の磁石との距離と第３の磁石と第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、１以上１０以下である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、第１の実施の形態に係るプラズマ源の概要を示す図である。

【図2】図２は、第１の実施の形態に係るプラズマ源の概要を示す図である。

【図3】図３は、第１の実施の形態に係るプラズマ源における磁石配置などを説明するための図である。

【図4】図４(ａ)乃至(ｃ)は、磁石間距離比毎の磁力線分布の例を示す図である。

【図5】図５(ａ)乃至(ｃ)は、磁石間距離比毎の磁力線分布の例を示す図である。

【図6】図６は、Ｙ方向の磁力強度分布の例を示す図である。

【図7】図７は、Ｘ方向の磁力強度分布の例を示す図である。

【図8】図８は、第１の実施の形態に係るプラズマ源の効果を説明するための図である。

【図9】図９は、プラズマ源をイオンポンプとして用いる場合の構成例を示す図である。

【図10】図１０は、小型冷却原子時計の概要を示す図である。

【図11】図１１は、小型冷却原子時計の概要を示す図である。

【図12】図１２は、プラズマ源を真空ポンプとして用いる場合の実施例を示す図である。

【図13】図１３は、プラズマ源を真空ポンプとして用いる場合の効果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［実施の形態１］
図１に本実施の形態に係るプラズマ源の構成例を示す。本実施の形態に係るプラズマ源は、図１（ａ）に示すヨーク１１００と、図１（ｂ）に示すセル部１５００との組み合わせである。ヨーク１１００は、上側アーム１２００と、下側アーム１３００とを有しており、上側アーム１２００と下側アーム１３００との間には空隙１４００が設けられている。この空隙１４００に、セル部１５００を挿入するようになっている。すなわち、空隙１４００の縦方向の長さは、セル部１５００の厚みより若干長くなっている。

【0013】

上側アーム１２００は、円柱状磁石１２２０と、当該円柱状磁石１２２０を囲う円筒状磁石１２１０とを含む。すなわち、円筒状磁石１２１０の内径は、円柱状磁石１２２０の直径より大きい。好ましくは、円柱状磁石１２２０の上面から見た中心点と、円筒状磁石１２１０の上面から見た中心点は一致するように配置する。また、好ましくは、円筒状磁石１２１０の厚みと円柱状磁石１２２０との厚みは同じであり、同じ強度の磁石を用いる。さらに、好ましくは、円筒状磁石１２１０の下面と、円柱状磁石１２２０の下面とは、上側アーム１２００の下面と一致するように配置する。

【0014】

下側アーム１３００は、円柱状磁石１３２０と、当該円柱状磁石１３２０を囲う円筒状磁石１２１０とを含む。すなわち、円筒状磁石１３１０の内径は、円柱状磁石１３２０の直径より大きい。好ましくは、円柱状磁石１３２０の上面から見た中心点と、円筒状磁石１３１０の上面から見た中心点は一致するように配置する。また、好ましくは、円筒状磁石１３１０の厚みと円柱状磁石１３２０との厚みは同じであり、同じ強度の磁石を用いる。さらに、好ましくは、円筒状磁石１３１０の上面と、円柱状磁石１３２０の上面とは、下側アーム１３００の上面と一致するように配置する。なお、図１（ａ）において参照符号が振られていない円柱状の要素は、以下の説明では関係ない設計上の接続部などであるから、説明を省略する。

【0015】

なお、さらに好ましくは、円筒状磁石１２１０及び１３１０と、円柱状磁石１２２０及び１３２０とは、同じ強度の磁石である。例えば、磁石には、ネオジムやサマリウムコバルトの磁石が想定される。さらに、好ましくは、円柱状磁石１２２０と円柱状磁石１３２０の形状は同じであり、円筒状磁石１２１０と円筒状磁石１３１０の形状も同じである。さらに、好ましくは、円柱状磁石１２２０の上面から見た中心点と、円筒状磁石１２１０の上面から見た中心点と、円柱状磁石１３２０の上面から見た中心点と、円筒状磁石１３１０の上面から見た中心点とは一致するように配置する。

【0016】

セル部１５００は、例えばシリコンからなる平板状の上部電極１５１０と、例えばシリコンからなる平板状の下部電極１５３０と、例えばガラスからなるスペーサ１５４１乃至１５４３等と、上部電極１５１０と下部電極１５３０との間にスペーサ１５４１乃至１５４３等により保持され且つ穴１５２１が設けられた平板状の電極１５２０とを有する。なお、スペーサについては、例えば、スペーサ１５４１及び電極１５２０の下のスペーサのように、図示の都合で図１には現れていないものもある。電極１５２０には、上部電極１５１０及び下部電極１５３０より高い電位の電圧が印加される。例えば、上部電極１５１０及び下部電極１５３０は接地され、電極１５２０には正の電圧が印加される。好ましくは、上部電極１５１０と下部電極１５３０との中間に電極１５２０を保持する。また、好ましくは、穴１５２１は、円形であり、その直径は、円筒状磁石１２１０及び１３１０の内径以上とする。さらに好ましくは、穴１５２１の中心と、円柱状磁石１２２０及び１３２０の上面から見た中心点とを一致させる。但し、穴１５２１の形状は任意である。穴１５２１は、図３に示す空間１７００を形成するために空けられており、上部電極１５１０に対して下部電極１５３０を完全には遮蔽しないようにしている。

【0017】

図１（ｂ）において、図示の都合でセル部１５００の左右に空きがあるように示されているが、スペーサを適切に追加配置するか形状を変更することで密閉空間を形成することが出来る。

【0018】

図２に、ヨーク１００とセル部１５００とを組み合わせた状態を模式的に示す。以下、詳細な構成について説明するため、一点鎖線Ａ－Ａ'で切断し、その断面を矢印方向に見た場合を説明する。

【0019】

図３は、上記断面の概略を示す図である。本実施の形態では、円柱状磁石１２２０は、対向する円柱状磁石１３２０の方にＳ極を向けており、円柱状磁石１３２０は、対向する円柱状磁石１２２０の方にＮ極を向けている。円筒状磁石１２１０は、対向する円筒状磁石１３１０の方にＮ極を向けており、円筒状磁石１３１０は、対向する円筒状磁石１２１０の方にＳ極を向けている。なお、Ｓ極とＮ極とは逆にしても良い。このような磁石配置を行うことで、上部電極１５１０と下部電極１５３０で挟まれ、スペーサ１５４１乃至１５４３等及び電極１５２０でさらに囲まれる空間１７００内に、図示したような磁力線が生じる。本実施の形態では、円柱状磁石１２２０及び１３２０と円筒状磁石１２１０及び１３１０による磁気回路によって、高密度にプラズマを閉じ込めるため一定強度以上のマグネトロン磁場Ｑ及び平行磁場Ｐを生成する。ここで、下側アーム１３００から下側アーム１３００に対向する上側アーム１２００への方向をＹ方向とし、Ｙ方向に直交する方向をＸ方向とする。電子は、磁力線が疎から密（磁場強度が弱から強）に対しては進行できずに跳ね返される。電子は、マグネトロン磁場ＱによりＹ方向には進めない。また、電子は、上下にあるマグネトロン磁場Ｑの間ではゼロ磁場領域が発生するので、ゼロ磁場領域から磁力線を横切って進むことも出来ない。さらに、Ｘ方向にも同様に平行磁場Ｐにより進むことが出来ない。このため、領域Ｒにプラズマが閉じ込められ、高密度なプラズマを生成することが出来る。

【0020】

なお、図３では、図示の都合上、電極の厚みが強調されている。一例として、円柱状磁石１２２０及び１３２０の直径は７ｍｍであり、円筒状磁石１２１０及び１３１０の外径は２０ｍｍ、内径は１０ｍｍである。また、上部電極１５１０と下部電極１５３０との間の距離は、４．４ｍｍである。なお、本実施の形態では、小型のプラズマ源を想定しており、上部電極１５１０と下部電極１５３０の距離は、長くても２０ｍｍ程度を想定している。これを実現させるためにはデバイ長さ（プラズマの大きさ）λＤが上記距離の１／１０以下（上下２つプラズマが生成されるので１ｍｍ以下）となる。より具体的には、１０^－４Ｐａの真空度でデバイ長さが１ｍｍ以下である。デバイ長さ（プラズマの大きさ）が上記距離の１／１０を超えてくると、電極から生成される荷電粒子の数より壁に衝突して消失する荷電粒子が多くなり、プラズマが維持できなくなる。

【0021】

図３で示したような磁石配置のみでは、上で述べたような高密度なプラズマを生成することは出来ない。本実施の形態では、上側アーム１２００における磁石と、当該磁石に対向する、下側アーム１３００の磁石との距離のうち最短距離を、用いられている磁石の厚みの平均値で除した値を、磁石間距離比と定義する。図３に示すような例では、磁石の厚みは全て同じＴであり、上側アーム１２００における磁石と当該磁石に対向する、下側アーム１３００の磁石との距離も全て同じＬである。このような場合には、Ｌ／Ｔが磁石間距離比となる。

【0022】

磁石間距離比Ｌ／Ｔが小さな値、例えば０．５といった値の場合には、図４（ａ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、磁石が近すぎて十分な強度のマグネトロン磁場が生成できていない。磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば１．０になると、図４（ｂ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、マグネトロン磁場が生成されて高密度なプラズマを生成できるようになる。さらに磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば２．５になると、十分な強度のマグネトロン磁場及び平行磁場が生成される。さらに磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば５．０でも、図５（ａ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、十分な強度のマグネトロン磁場及び平行磁場が生成される。さらに磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば１０になると、図５（ｂ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、マグネトロン磁場が支配的になってはいるが、平行磁場もある程度形成されている。さらに磁石間距離比Ｌ／Ｔが増加して例えば２０になると、図５（ｃ）に模式的に示すシミュレーション結果のように、平行磁場がほとんど生成されておらず、マグネトロン磁場が支配的になっており、プラズマ閉じ込めが出来なくなる。

【0023】

以上のシミュレーション結果からすると、磁石間距離比Ｌ／Ｔが１以上１０以下であれば、一般的なプラズマ源として用いることが出来る。また、より高密度なプラズマ閉じ込めを行うには、磁石間距離比Ｌ／Ｔが２．５以上５以下にすることが好ましい。

【0024】

また、十分な強度の平行磁場及びマグネトロン磁場を生成できる別の指標についても説明する。ここでも、下側アーム１３００の磁石から上側アーム１２００の磁石への方向をＹ方向とし、それに直交する方向をＸ方向とする。平行磁場はＹ方向の磁場であり、マグネトロン磁場はＸ方向の磁場である。このとき、下側アーム１３００の磁石と、当該磁石に対向する、上側アームの磁石との距離が最も短い磁石ペア（円柱状磁石１２２０及び１３２０、又は円筒状磁石１２１０及び１３１０）の間の空間において、最強の磁場強度|Ｂy(max)|を探索する。図６に、図３のような磁石配置の場合におけるＹ方向の磁場強度を模式的に示す。なお、黒いほど磁場強度の絶対値が大きい。この例では、円柱状磁石１２２０と円柱状磁石１３２０の距離と、円筒状磁石１２１０と円筒状磁石１３１０の距離は同じであるが、ここでは円柱状磁石１２２０及び１３２０の磁石ペアに着目する。そうすると、円柱状磁石１２２０及び１３２０の表面（白太点線）で、最強の磁場強度|Ｂy(max)|が得られる。また、最強の磁場強度|Ｂy(max)|が得られた磁石ペア（すなわち円柱状磁石１２２０及び１３２０）の間の空間において、最弱の磁場強度|Ｂy(min)|を探索する。図３のような磁石配置では、|Ｂy(max)|が得られた円柱状磁石１２２０及び１３２０の表面（白太点線）に垂直な線分の中点を通り且つ当該線分に垂直な面内（中央の白太点線）において、最弱の磁場強度|Ｂy(min)|が得られる。そして、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|を指標値として、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．１となると好ましい平行磁場が生成される。これは、磁石から出ている磁場が乱れずに全ての磁束がＮ極からＳ極へ向かうことが好ましく、それを判定するための基準である。なお、|Ｂy(min)|＝|Ｂy(max)|で指標値は１となるので、１＞|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|である。

【0025】

一方、マグネトロン磁場はｘ方向の磁場であり、Ｘ方向の磁場強度に着目する。このとき、円柱状磁石１２２０と円柱状磁石１３２０との間の空間と、円筒状磁石１２１０と円筒状磁石１３１０との間の空間とで挟まれる空間Ｗにおいて、最強の磁場強度|Ｂx(max)|を探索する。図７に、図３のような磁石配置の場合におけるＸ方向の磁場強度を模式的に示す。ここでも黒いほど磁場強度の絶対値が大きい。このような場合には、円柱状磁石１２２０と円筒状磁石１２１０の端部を結ぶ線分の中点と、円柱状磁石１３２０と円筒状磁石１３１０の端部を結ぶ線分の中点に、最強の磁場強度|Ｂx(max)|が得られる。また、同じ空間Ｗにおいて、最弱の磁場強度|Ｂx(min)|を探索する。図３のような磁石配置では、|Ｂx(max)|が得られた位置を繋ぐ線分の中点において、最弱の磁場強度|Ｂx(min)|が得られる。そして、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|を指標値として、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．１となると好ましいマグネトロン磁場が生成される。ゼロ磁場領域とマグネトロン磁場で形成される高強度磁場のコントラストが強い方が良いということを表している。なお、|Ｂx(min)|＝０で指標値は０となるので、０≦|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|である。

【0026】

なお、より好ましくは、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．３、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．０３である。

【0027】

以上のように、図３に示すような基本的な磁石配置と、図４及び図５を用いて説明した詳細な磁石配置、又は図６及び図７を用いて説明した詳細なマグネトロン磁場及び平行磁場構成とにより、高密度なプラズマ閉じ込めが可能となる。

【0028】

図３に示すような磁石配置の場合と平行磁場のみを生成させる磁石配置の場合とについて、真空度とイグニッション電圧との関係を図８に示す。なお、磁石なしの場合には、電極外で放電してしまい、電極間の空間では放電しなかった。図８において、マグネトロン磁場と平行磁場とを生成する場合は丸印で示されており、平行磁場のみを生成させる場合は四角印で示されている。１０^２乃至１０^－１Ｐａ程度までは、マグネトロン磁場を生成したとしても、平行磁場のみの場合と略同程度の電圧でイグニッションしていた。しかしながら、図８から分かるように、１０^－１Ｐａ以下の高真空状態では明らかに、マグネトロン磁場をも生成した方が、イグニッション電圧が低く、放電しやすかった。すなわち、１０^－１Ｐａ以下の高真空状態でプラズマの生成効率が向上していることが分かる。１０^－６Ｐａ以下の超高真空状態でプラズマの生成効率が向上していることが期待される。

【0029】

［実施の形態２］
第１の実施の形態で示したプラズマ源は、イオンポンプに応用できる。イオンポンプとして用いる場合には、図３に示すような構成において、図９に示すように、上部電極１５１０の下側アーム１３００側の面にＴｉ膜１６１０を形成し、下側電極１５３０の上側アーム１２００側の面にＴｉ膜１６２０を形成しておく。

【0030】

イオンポンプでは、プラズマ中のイオンが陰極である上部電極１５１０及び下部電極１５３０に向かい、表面に成膜したＴｉ膜１６１０及び１６２０のＴｉ原子に衝突し、Ｔｉ原子は四方に飛び散る。すなわち、スパッタされる。スパッタされたＴｉ原子は、電極１５２０にもＴｉ膜を形成する。さらに、スパッタされたＴｉ原子は、活性ガスを化学的に吸着して真空度が高くなる。また、不活性ガスであっても、電子との衝突でイオン化して、陰極である電極１５１０及び１５３０内部やＴｉ膜１６１０及び１６２０に閉じ込められる。このため、さらに真空度が高くなる。

【0031】

［実施の形態３］
第２の実施の形態に係る真空ポンプは、小型冷却原子時計に応用できる。図１０に、小型冷却原子時計において真空ポンプと関連する部分を、真空ポンプの構成と共にその概略を示す。ヨーク１１００の上側アーム１２００と下側アーム１３００との間に挟まれるセル部１５００と原子時計部１８００とは一体化されており、セル部１５００に設けられている内部の空間１７００と、原子時計部１８００の冷却原子生成部１８１０とは、上部電極１５１０と電極１５２０の間の空間１８３０と電極１５２０と下部電極１５３０の間の空間１８４０とで連通している。

【0032】

まず、図１１に示すように、ヨーク１１００の上側アーム１２００と下側アーム１３００の間に、セル部１５００を差し込んで、上部電極１５１０及び下部電極１５３０と電極１５２０との間に電圧をかけることで、セル部１５００の空間１７００にプラズマを生成させて、空間１７００と共に冷却原子生成部１８１０を真空排気する。但し、冷却原子生成には、磁場による悪影響があるので、図１０に示すように、ヨーク１１００からセル部１５００及び原子時計部１８００を分離する。このように、磁石を含むヨーク１１００と、セル部１５００及び原子時計部１８００とを着脱可能な構成とすることで、小型冷却原子時計を適切に運用できるようになる。

【0033】

このような小型冷却原子時計は、自動車等の移動体の高精度測位、第５及び第６世代の移動通信基地局はもとより、モバイル、クラウド、電子商取引といったネットワーク通信における基準時間、工業や先端科学技術（地球探査や重力波計測）における精密計測等の要として、現代社会のあらゆる活動に欠かせないインフラとしての需要がある。但し、実施の形態に係るプラズマ源は、イオンビーム用のイオン発生源や光源等に用いることが出来る。

【0034】

以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、磁石間距離比Ｌ／Ｔ及び|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|及び|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|といった指標値に関する数値以外の数値は、磁石間距離比Ｌ／Ｔ及び|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|及び|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|といった指標値に関する数値を実現するために変更しても良い。また、円筒状磁石１２１０及び１３１０については、複数の磁石を組み合わせて円筒状にしても良い。また、円柱状磁石１２２０及び１３２０も円筒状磁石１２１０及び１３１０も、円ではない形であっても良い。

【0035】

さらに、円筒状磁石１２１０と円筒状磁石１３１０との距離と、円柱状磁石１２２０と円柱状磁石１３２０との距離とを同じにした例を多く図示したが、異なるようにしても良い。また、図３などでは、プラズマ源が軸対称となっている例を示しているが、必ずしも軸対称でなくても良い。

【0036】

［小型真空ポンプとしての実施例について］
図１２に、実験方法を示す図を示す。図１２に示すように、容積２８０ｃｍ^３のガラス管内に、第２の実施の形態に係る真空ポンプ２０００を入れ、フィードスルー電極により気密封止した状態でガラス管外部から電圧を印加できるようにした。ガラス管に取り付けたターボ分子ポンプ（ＴＭＰ：TurboMolecular Pump）により真空排気し、電離真空計によりガラス管内部の真空度をモニタした。

【0037】

ガラス管をターボ分子ポンプにより１×１０^－６Ｐａまで真空排気した後にベローズバルブを閉じてガラス管を封止した。封止した際にＯリングやガラス管内壁に吸着している脱ガスが原因でバルブを閉じた直後から真空度が悪化する。圧力の上昇を評価したところ３×１０^－３Ｐａ／minであった。バルブを閉じて１×１０^－２Ｐａまで真空度が悪化したところで真空ポンプ２０００の陰極及び陽極に１．２ｋＶの電圧を印加して放電を６分間試みた。その後さらに１．５ｋＶ及び１．８ｋＶの電圧をそれぞれ６分間ずつ印加して放電を試みた。

【0038】

その結果、図１３に示すように電圧を印加する前の圧力が１×１０^－２Ｐａであったのに対して、真空ポンプ２０００に１．２ｋＶの電圧を印加して放電を６分間させたところ２．７×１０^－３Ｐａ、１．５ｋＶの電圧を印加して放電を６分間させたところ１．８×１０^－３Ｐａまで圧力が下がり、最終的に１．８ｋＶの電圧を印加して放電を６分間させたところ１．７×１０^－３Ｐａまで圧力を下げることができた。これにより、第１の実施の形態に係るプラズマ源を利用すれば真空排気が可能であると言える。

【0039】

本実施の形態をまとめると以下のようになる。

【0040】

本実施の形態の第１の態様に係るプラズマ源は、（Ａ）第１の磁石と、（Ｂ）第１の磁石の第１の磁極に対して当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が対向するように配置された第２の磁石と、（Ｃ）第１の磁石の第１の磁極の向きと同じ方向に当該第１の磁極とは異なる第２の磁極が向けられ、第１の磁石を囲うように配置された第３の磁石と、（Ｄ）第３の磁石の第２の磁極に対して当該第２の磁極とは異なる第１の磁極が対向し、第２の磁石を囲うように配置された第４の磁石と、（Ｅ）第１の磁石の第１の磁極及び第３の磁石の第２の磁極の側に設けられる第１の電極と、（Ｆ）第１の電極に対向し、第２の磁石の第２の磁極及び第４の磁石の第１の磁極の側に設けられる第２の電極と、（Ｇ）第１の電極及び第２の電極より高電位となるように電圧が印加されるようになっており、第１の電極と第２の電極との間に配置される第３の電極とを有する。そして、第１の磁石と第２の磁石との間の第１の空間と第３の磁石と第４の磁石との間の第２の空間とにおける、第２の磁石から第１の磁石への第１の方向の最大の磁場強度|Ｂy(max)|と、第１の方向の最小の磁場強度|Ｂy(min)|とが、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．１を満たしており、第１の空間と第２の空間とに挟まれた第３の空間における、第１の方向と直交する第２の方向の最大の磁場強度|Ｂx(max)|と、第２の方向の最小の磁場強度|Ｂx(min)|とが、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max|≦０．１を満たしている。

【0041】

このような磁場強度分布を有するように第１乃至第４の磁石を配置することで、超高真空状態での高効率な放電を可能とする小型のプラズマ源が得られるようになる。なお、より好ましくは、|Ｂy(min)|／|Ｂy(max)|≧０．３、|Ｂx(min)|／|Ｂx(max)|≦０．０３である。

【0042】

本実施の形態の第２の態様に係るプラズマ源は、第１の態様に係るプラズマ源における（Ａ）乃至（Ｇ）と同様の構成要素を有する。そして、第１の磁石と第２の磁石との距離と第３の磁石と第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、１以上１０以下である。

【0043】

このような磁石サイズ及び磁石配置を採用することで、超高真空状態での高効率な放電を可能とする小型のプラズマ源が得られるようになる。

【0044】

なお、上で述べた第１の磁石及び第２の磁石が円柱状であり、第３の磁石及び第４の磁石が円筒状であってもよい。軸対称の方が効率の観点からすると好ましい。

【0045】

また、第２の態様に係るプラズマ源では、第１の磁石と第２の磁石との距離と第３の磁石と第４の磁石との距離とのうち短い方の距離を、第１乃至第４の磁石の厚みの平均値で除した値が、２．５以上５以下であることがより好ましい。より高密度なプラズマ閉じ込めが可能となる。

【0046】

さらに、上で述べた第１乃至第４の磁石は、第１乃至第３の電極を含むセルに対して脱着可能であっても良い。このようにすれば、プラズマ源を例えばイオンポンプとして用いた後、磁石の磁力が悪影響を及ぼすような場合には、第１乃至第４の磁石を取り外してセルを用いることが出来るようになる。

【0047】

本実施の形態に係る原子時計は、第１乃至第４の磁石が第１乃至第３の電極を含むセルに対して着脱可能なプラズマ源と、プラズマ源の上記セルと連通した冷却原子生成部とを含む。このようにすれば、プラズマ源によるイオンポンプで冷却原子生成部をも排気して超高真空状態を得ることが出来るようになる。そして、冷却原子生成時には、第１乃至第４の磁石をセルから分離することも出来る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】