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(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】2024-11-06
(45)【発行日】2024-11-14
(54)【発明の名称】原子セル用ガラス、原子セル、及び原子セルの製造方法
(51)【国際特許分類】
C03C 3/087 20060101AFI20241107BHJP
C03C 3/085 20060101ALI20241107BHJP
C03C 3/091 20060101ALI20241107BHJP
H01S 1/06 20060101ALI20241107BHJP
【ＦＩ】
C03C3/087
C03C3/085
C03C3/091
H01S1/06
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2020097771
(22)【出願日】2020-06-04
(65)【公開番号】P2021187723
(43)【公開日】2021-12-13
【審査請求日】2023-05-08
(73)【特許権者】
【識別番号】000232243
【氏名又は名称】日本電気硝子株式会社
(72)【発明者】
【氏名】板谷 雅之
(72)【発明者】
【氏名】新井 智
(72)【発明者】
【氏名】瀬川 恭平
(72)【発明者】
【氏名】益田 紀彰
【審査官】若土 雅之
(56)【参考文献】
【文献】特開平０６－２０４５８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０４１９１９４３（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開平０５－１９３９８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２１５５０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２１２６１２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／０６６３７７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】KOVACICH, J．A. et al.，A qualitative and quantitative study of the oxides of aluminum and silicon using AES and XPS，J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.，NL，Elsevier B.V.，1985年01月，Vol. 35, No. 1，pp. 7-18，DOI: 10.1016/0368-2048(85)80038-4
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０３Ｃ １／００－１４／００
Ｈ０１Ｓ １／００－１／０６
Ｈ０３Ｌ １／００－９／００
ＩＮＴＥＲＧＬＡＤ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
モル体積が２３．８ｃｍ３／モル以下であり、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ
２
５０％～７０％、Ａｌ
２
Ｏ
３
１０％～３０％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ９～３０％、Ｌｉ
２
Ｏ ０．５％～１０％、Ｎａ
２
Ｏ ０～３％、Ｂ
２
Ｏ
３
０～１．５％を含有する原子セル用ガラス。
【請求項2】
ＭｇＯ＋ＣａＯを９～３０質量％を含む、請求項１に記載の原子セル用ガラス。
【請求項3】
質量比で、ＣａＯ／ＭｇＯが１．０以下である、請求項１又は２に記載の原子セル用ガラス。
【請求項4】
実質的にＢ２Ｏ３を含有しない、請求項１～３のいずれか１項に記載の原子セル用ガラス。
【請求項5】
実質的にＰ２Ｏ５を含有しない、請求項１～４のいずれか１項に記載の原子セル用ガラス。
【請求項6】
実質的にＮａ２Ｏを含有しない、請求項１～５のいずれか１項に記載の原子セル用ガラス。
【請求項7】
対向している第１の主面及び第２の主面を有し、前記第１の主面及び前記第２の主面間を貫通している貫通孔が設けられている、セル本体と、前記セル本体の第１の主面上に設けられており、前記貫通孔の一方側を塞いでいる第１の窓部と、
前記セル本体の第２の主面上に設けられており、前記貫通孔の他方側を塞いでいる第２の窓部と、
を備え、
前記第１の窓部及び前記第２の窓部が、請求項１～６のいずれか１項に記載の原子セル用ガラスにより構成されている、原子セル。
【請求項8】
前記原子セル用ガラスが、前記原子セルの入光面及び出光面のうち少なくとも一方を構成している、請求項７に記載の原子セル。
【請求項9】
前記セル本体が、ガラスにより構成されている、請求項７又は８に記載の原子セル。
【請求項10】
前記セル本体、前記第１の窓部及び前記第２の窓部が、実質的に同じガラス組成を有する、請求項７～９のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項11】
請求項７～１０のいずれか１項に記載の原子セルの製造方法であって、前記第１の窓部を前記セル本体の前記第１の主面上に配置し、前記セル本体と前記第１の窓部とを接合する工程と、
前記貫通孔内にアルカリ金属を配置する工程と、
前記第２の窓部を前記セル本体の前記第２の主面上に配置し、前記セル本体と前記第２の窓部とを接合し、前記貫通孔内を封止する工程と、
を備える、原子セルの製造方法。
【請求項12】
前記セル本体と前記第１の窓部とを陽極接合法で接合し、且つ前記セル本体と前記第２の窓部とを陽極接合法により接合する、請求項１１に記載の原子セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、原子発振器などに用いられる原子セル用ガラス、原子セル、及び原子セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
原子時計は、セシウム（Ｃｓ）やルビジウム（Ｒｂ）等のアルカリ金属原子におけるエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器を備えており、この原子発振器は、長期的に高精度な発振特性が得られる発振器として知られている。原子発振器の動作原理は、いくつかの方式に区別されるが、量子干渉効果（ＣＰＴ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｐｐｉｎｇ）を利用した原子発振器は、水晶発振器と比較して３桁程度高い周波数安定性を有することが知られている。
【0003】
このような原子発振器では、原子セル内に蒸気状のアルカリ金属が封入されて用いられる。また、原子発振器として必要な性能を確保するため、原子セル内には、さらにネオン（Ｎｅ）やアルゴン（Ａｒ）などのバッファガスが封入されて用いられている。
【0004】
特許文献１には、陽極接合法によりガラスで密封された原子セルが開示されている。そして、同文献には、ガラスとして、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスを用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１９－８７８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１が開示する一般的なガラスを用いた原子セルは、大気中のヘリウム（Ｈｅ）がガラスの外表面から内部を透過して原子セルの内部に侵入する、いわゆるＨｅガスの遮蔽性に問題が生じたり、あるいは内部に存在するバッファガスがセル外部に漏洩する、いわゆるセル抜けが生じたりする虞がある。そのため、時間経過による周波数変動が生じ易いという問題がある。
【0007】
そこで、本発明の目的は、Ｈｅガスの透過による原子発振器における発振周波数の経時変化を生じさせ難い原子セル用ガラスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者等は、鋭意努力した結果、ガラスのモル体積を規定することにより、Ｈｅガスの遮蔽性が改善することを見出し、本発明として提案するものである。
【0009】
詳述すると、本発明に係るガラスは、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下である原子セル用ガラスであることを特徴としている。
【0010】
さらに、本発明に係る原子セル用ガラスは、質量％で、Ｌｉ２Ｏ ０．５～１０％を含有していることが好ましい。これにより、陽極接合法を用いて、ガラスで密封された原子セルの作製が容易になる。
【0011】
さらに、本発明に係る原子セル用ガラスは、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ５０～７０％、Ａｌ２Ｏ３ １０～３０％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ９～３０％、Ｌｉ２Ｏ ０．５～１０％、Ｎａ２Ｏ ０～３％、Ｂ２Ｏ３ ０～３％を含有していることが好ましい。
【0012】
本発明に係る原子セル用ガラスは、ガラス組成として、質量％で、ＭｇＯ＋ＣａＯ ９～３０％を含有していることが好ましい。
【0013】
本発明に係る原子セル用ガラスは、ガラス組成として、質量比で、ＣａＯ／ＭｇＯが１．０以下であることが好ましい。
【0014】
本発明に係る原子セル用ガラスは、実質的にＢ２Ｏ３を含有しないことが好ましい。
【0015】
本発明に係る原子セル用ガラスは、実質的にＰ２Ｏ５を含有しないことが好ましい。
【0016】
本発明に係る原子セル用ガラスは、実質的に、Ｎａ２Ｏを含有しないことが好ましい。
【0017】
本発明に係る原子セルは、対向している第１の主面及び第２の主面を有し、前記第１の主面及び前記第２の主面間を貫通している貫通孔が設けられている、セル本体と、前記セル本体の第１の主面上に設けられており、前記貫通孔の一方側を塞いでいる第１の窓部と、前記セル本体の第２の主面上に設けられており、前記貫通孔の他方側を塞いでいる第２の窓部と、を備え、前記第１の窓部及び前記第２の窓部が、本発明に従って構成される原子セル用ガラスにより構成されている。
【0018】
本発明に係る原子セルは、前記原子セル用ガラスが、前記原子セルの入光面及び出光面のうち少なくとも一方を構成することが好ましい。
【0019】
本発明に係る原子セルは、前記セル本体が、ガラスにより構成されていることが好ましい。
【0020】
本発明に係る原子セルは、前記セル本体、前記第１の窓部、及び前記第２の窓部が、同じガラス組成を有することが好ましい。
【0021】
本発明に係る原子セルの製造方法は、本発明に従って構成される原子セルの製造方法であって、前記第１の窓部を前記セル本体の前記第１の主面上に配置し、前記セル本体と前記第１の窓部とを接合する工程と、前記貫通孔内にアルカリ金属を配置する工程と、前記第２の窓部を前記セル本体の前記第２の主面上に配置し、前記セル本体と前記第２の窓部とを接合し、前記貫通孔内を封止する工程と、を備える。
【0022】
本発明に係る原子セルの製造方法は、前記セル本体と前記第１の窓部及び前記第２の窓部とを、それぞれ、陽極接合法により接合することが好ましい。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、Ｈｅガスの透過による原子発振器における発振周波数の経時変化を生じさせ難い原子セル用ガラスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。
【0026】
（原子セル用ガラス）
本発明の原子セル用ガラスは、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下であることを特徴とする。ガラスのモル体積を上記のように限定した理由を以下に示す。
本発明の原子セル用ガラスは、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下であることを特徴とする。ガラスのモル体積を上記のように限定した理由を以下に示す。
【0027】
ガラスのモル体積は、ガラスの構造的な緻密さを表す指標であり、大気中のＨｅが、ガラス表面から内部を通って、原子セルの内部に侵入し難くする要素である。これにより、原子発振器における発振周波数の経時変化をより一層生じ難くすることができる。ガラスのモル体積は、２６．０ｃｍ３／モル以下、好ましくは２５．５ｃｍ３／モル以下、より好ましくは２５．０ｃｍ３／モル以下、更に好ましくは２４．５ｃｍ３／モル以下、特に好ましくは２４．０ｃｍ３／モル以下である。なお、原子セル用ガラスのモル体積の下限値は、好ましくは１９．０ｃｍ３／モル以上、より好ましくは２０．０ｃｍ３／モル以上とすることができる。
【0028】
ガラス組成を以下のように調整することで、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下のガラスを得ることができる。なお、各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「質量％」を意味する。
【0029】
Ｌｉ２Ｏは、ガラスの溶融温度や軟化点を顕著に下げ、また、ガラス中の可動成分として陽極接合を可能にする成分である。Ｌｉ２Ｏの含有量は、好ましくは０．５～１０％であり、より好ましくは１～８％、更に好ましくは１．５～７％、特に好ましくは２～６％である。Ｌｉ２Ｏの含有量が少な過ぎると、ガラスの溶融温度が不当に高くなり、また可動成分であるＬｉイオンが少ないことにより、陽極接合が顕著に困難になる。一方、Ｌｉ２Ｏの含有量が多過ぎると、Ｌｉ成分がガラス表面から析出したり（アルカリ吹き）、ガラスの耐候性や耐酸性が顕著に低下する。
【0030】
ＳｉＯ２は、ガラスの網目形成成分であるため、ガラスを安定化させ、耐候性や耐酸性を高める成分である。ＳｉＯ２の含有量は、好ましくは５０～７０％であり、より好ましくは５２～６７％、更に好ましくは５４～６５％、特に好ましくは５６～６３％である。ＳｉＯ２の含有量が少な過ぎると、耐候性や耐酸性が低下する傾向がある。一方、ＳｉＯ２の含有量が多過ぎると、ガラスの溶融温度が高くなり製造コストが上昇すると共に、失透（意図しない結晶物）がガラス中から析出し、陽極接合に支障をきたす。
【0031】
Ａｌ２Ｏ３は、ガラスを安定化させると共に、耐候性や耐酸性を改善する成分である。Ａｌ２Ｏ３の含有量は、好ましくは１０～３０％であり、より好ましくは１２～２８％、更に好ましくは１５～２５％、特に好ましくは１８～２３％である。Ａｌ２Ｏ３の含有量が少な過ぎると、耐候性や耐酸性が低下し、また溶融時にガラス融液中から失透物が析出し、陽極接合に支障をきたす。一方、Ａｌ２Ｏ３の含有量が多過ぎても、溶融時にガラス融液中から失透物が析出し、陽極接合に支障をきたす。また溶融が困難になる虞がある。
【0032】
Ｎａ２Ｏは、ガラスの溶融温度や軟化点を下げ、ガラス中の可動成分として、陽極接合を可能にする成分である。しかし、Ｎａ２Ｏの含有量が多過ぎると、Ｎａ成分がガラス表面から析出したり（アルカリ吹き）、ガラスの耐候性や耐酸性が低下する。Ｎａ２Ｏの含有量は、好ましくは０～３％であり、より好ましくは０～２％、更に好ましくは０～１％、特に実質的に含有しないことが好ましい。ここで、「実質的に含有しない」とは、ガラス組成物中の含有量が１０００ｐｐｍ以下であることを意味する。
【0033】
なお、可動成分としての効果は、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏの順に高いため、陽極接合を行う場合、ガラスの他の特性（溶融性、安定性、耐候性、耐酸性等）に支障がない限り、Ｌｉ２Ｏを優先的に選択することが好ましい。
【0034】
アルカリ土類酸化物であるＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯは、ガラスのモル体積を下げる効果があるため、大気中のＨｅが、ガラス表面から内部を通って、原子セルの内部に侵入し難くする成分である。また、アルカリ土類酸化物は、ガラスの溶融温度や軟化点を下げる成分でありながら、ガラスを安定化させる成分である。特に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏを基本成分とするＬＡＳ系ガラスの場合、溶融中に失透物が析出することでガラス化が困難になる虞があり、また仮に成形できたとしても、成型後のガラスに熱を加える際、ガラスから結晶が析出することにより、陽極接合性に多大な悪影響を与える虞がある。従って、本願発明において、アルカリ土類酸化物の効果は重要である。ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量は、好ましくは９～３０％であり、より好ましくは１０～２５％、更に好ましくは１１～２２％、特に好ましくは１２～２０％である。ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量が少な過ぎると、ガラスの溶融温度が高くなり溶融が困難になると共に、ガラスが顕著に不安定になり、ガラス化が困難になる。一方、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量が多過ぎても、ガラスが不安定になると共に、ガラスの耐候性や耐酸性が低下する。ここで、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯとは、ガラス中のＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの含有量の合量を指す。
【0035】
ＭｇＯは、ガラスの溶融温度や軟化点を下げる成分でありながら、ガラスを安定化させる成分である。また、ガラスのモル体積を下げる効果があるため、大気中のＨｅが、ガラス表面から内部を通って、原子セルの内部に侵入し難くする成分である。ＭｇＯの含有量は、好ましくは５～２５％、より好ましくは７～２３％、更に好ましくは８～２０％、特に好ましくは９～１８％である。ＭｇＯの含有量が少な過ぎると、ガラスの溶融温度が高くなり溶融が困難になると共に、ガラスが顕著に不安定になり、ガラス化が困難になる。一方、ＭｇＯの含有量が多過ぎても、ガラスが不安定になると共に、ガラスの耐候性や耐酸性が低下する。
【0036】
ＣａＯは、ガラスの溶融温度や軟化点を下げる成分でありながら、ガラスを安定化させる成分である。また、ガラスのモル体積を下げる効果があるため、大気中のＨｅが、ガラス表面から内部を通って、原子セルの内部に侵入し難くする成分である。ＣａＯの含有量は、好ましくは０～１５％、より好ましくは０．５～１２％、更に好ましくは１～１０％、特に好ましくは３～８％である。ＣａＯの含有量が少な過ぎると、ガラスの溶融温度が高くなり溶融が困難になると共に、ガラスが顕著に不安定になり、ガラス化が困難になる。一方、ＣａＯが多過ぎても、ガラスが不安定になると共に、ガラスの耐候性や耐酸性が低下する。
【0037】
ＳｒＯは、ガラスの溶融温度や軟化点を下げる成分でありながら、ガラスを安定化させる成分である。また、ガラスのモル体積を下げる効果があるため、大気中のＨｅが、ガラス表面から内部を通って、原子セルの内部に侵入し難くする成分である。ＳｒＯの含有量は、好ましくは０～１０％、より好ましくは０．１～８％、更に好ましくは０．５～５％、特に好ましくは１～３％である。ＳｒＯの含有量が少な過ぎると、ガラスの溶融温度が高くなり溶融が困難になると共に、ガラスが顕著に不安定になり、ガラス化が困難になる。一方、ＳｒＯが多過ぎても、ガラスが不安定になると共に、ガラスの耐候性や耐酸性が低下する。また、ガラス中のＬｉイオンの可動を阻害するため、陽極接合性が顕著に悪化する。
【0038】
ＢａＯは、ガラスの溶融温度や軟化点を下げる成分でありながら、ガラスを安定化させる成分である。また、ガラスのモル体積を下げる効果があるため、大気中のＨｅが、ガラス表面から内部を通って、原子セルの内部に侵入し難くする成分である。ＢａＯの含有量は、好ましくは０～８％、より好ましくは０．１～５％、更に好ましくは０．５～３％、特に好ましくは１～２％である。ＢａＯの含有量が少な過ぎると、ガラスの溶融温度が高くなり溶融が困難になると共に、ガラスが顕著に不安定になり、ガラス化が困難になる。一方、ＢａＯの含有量が多過ぎても、ガラスが不安定になると共に、ガラスの耐候性や耐酸性が低下する。また、ガラス中のＬｉイオンの可動を阻害するため、陽極接合性が顕著に悪化する。
【0039】
モル体積を低く抑えつつ、陽極接合を効果的に行う観点から、ガラスの他の特性（溶融性、安定性、耐候性、耐酸性等）に支障がない限り、アルカリ土類酸化物は、ＭｇＯとＣａＯを選択することが好ましい。ガラス中のＭｇＯ＋ＣａＯの含有量は、好ましくは９～３０％、より好ましくは１０～２５％、更に好ましくは１１～２２％、特に好ましくは１２～２０％である。ＭｇＯ＋ＣａＯの含有量が少な過ぎると、ガラスの溶融温度が高くなり溶融が困難になると共に、ガラスが顕著に不安定になり、ガラス化が困難になる。一方、ＭｇＯ＋ＣａＯの含有量が多過ぎても、ガラスが不安定になると共に、ガラスの耐候性や耐酸性が低下する。ここで、ＭｇＯ＋ＣａＯとは、ガラス中のＭｇＯとＣａＯの含有量の合量を指す。
【0040】
更に、モル体積を低く抑えつつ、効果的に陽極接合を行う観点から、ガラス中のＣａＯの含有量をＭｇＯの含有量で除した質量比「ＣａＯ／ＭｇＯ」は、好ましくは１．０以下、より好ましくは０．８以下、更に好ましくは０．６以下、特に好ましくは０．４以下である。
【0041】
Ｂ２Ｏ３は、ガラスの網目形成成分であるため、ガラスを安定化させ、耐候性や耐酸性を高める成分である。しかし、ガラスのモル体積を顕著に上昇させる成分であるため、顕著にＨｅガスの遮蔽性を低下させる。Ｂ２Ｏ３の含有量は、好ましくは０～３％、より好ましくは０～２％、更に好ましくは０～１％、特に実質的に含有しないことが好ましい。ここで、「実質的に含有しない」とは、ガラス中の含有量が１０００ｐｐｍ以下であることを意味する。
【0042】
Ｐ２Ｏ５は、ガラスの網目形成成分であるため、ガラスを安定化させる成分である。しかし、ガラスのモル体積を上げる成分であるため、Ｈｅガスの遮蔽性を低下させる。Ｐ２Ｏ５の含有量は、好ましくは０～５％、より好ましくは０～２％、更に好ましくは０～１％、特に実質的に含有しないことが好ましい。ここで、「実質的に含有しない」とは、ガラス中の含有量が１０００ｐｐｍ以下であることを意味する。
【0043】
ＴｉＯ２は、ガラスの耐候性、耐酸性を向上させる成分である。ＴｉＯ２の含有量は、好ましくは０～５％、より好ましくは０．１～４％、更に好ましくは０．５～３％、特に好ましくは１～２％である。ＴｉＯ２の含有量が多過ぎると、ガラスの粘性（軟化点等）が高くなると共に、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時にガラスが失透し易くなる。
【0044】
ＺｎＯは、ガラスの骨格を形成する成分である。ＺｎＯの含有量は、好ましくは０～５％、より好ましくは０．１～３％、更に好ましくは０．５～２％、特に好ましくは１～２％である。ＺｎＯの含有量が多くなると、ＺｎＯに起因する失透ブツが析出し易くなり、これにより、液相温度が上昇することで溶融コストが上がる。
【0045】
Ｋ２Ｏは、ガラスの溶融温度や軟化点を下げる成分である。Ｋ２Ｏの含有量は０～３％であり、好ましくは０．１～２％、より好ましくは０．２～１％である。Ｋ２Ｏの含有量が少な過ぎると、ガラスの溶融温度が不当に高くなる。一方、Ｋ２Ｏが多過ぎると、アルカリ成分がガラス表面から析出したり（アルカリ吹き）、ガラスの耐候性や耐酸性が低下する。
【0046】
【0047】
【0048】
セル本体２は、対向している第１の主面２ａ及び第２の主面２ｂを有する。セル本体２では、第１の主面２ａから第２の主面２ｂに貫通する貫通孔５が設けられている。
【0049】
本実施形態において、セル本体２の形状は、直方体状である。なおセル本体２の形状は、例えば円柱状であってもよく、特に限定されない。また、本実施形態において、貫通孔５の形状は、円柱状である。貫通孔５の形状も、例えば直方体状であってもよく、特に限定されない。
【0050】
本実施形態において、セル本体２は、ガラスにより構成されている。これにより、光源から出射された光の透過性が高まり、効果的にアルカリ金属を照射できる。もっとも、セル本体２は、金属、水晶、シリコン等により構成されていてもよい。
【0051】
セル本体２の第１の主面２ａ上には、第１の窓部３が設けられている。第１の窓部３は、セル本体２の貫通孔５の一方側を塞ぐように設けられている。また、セル本体２の第２の主面２ｂ上には、第２の窓部４が設けられている。第２の窓部４は、セル本体２の貫通孔５の他方側を塞ぐように設けられている。
【0052】
本実施形態において、第１の窓部３及び第２の窓部４の形状は、それぞれ、矩形板状である。第１の窓部３及び第２の窓部４の形状は、貫通孔５を塞ぐことができれば、それぞれ、円盤状であってもよく、特に限定されない。
【0053】
第１の窓部３及び第２の窓部４は、本発明の原子セル用ガラスにより構成されている。本発明の原子セル用ガラスは、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下である。
【0054】
ところで、原子セル１は、アルカリ金属やバッファガスが封入される容器であり、原子セル１の貫通孔５内に蒸気状のアルカリ金属やバッファガスが封入されて用いられる。アルカリ金属やバッファガスが貫通孔５内に封入された原子セル１では、図示しない光源から出射された光が第１の窓部３の入光面１ａから入射される。入光面１ａから入射された光は、貫通孔５内のアルカリ金属に照射され、第２の窓部４の出光面１ｂから出射される。出光面１ｂから出射された光は、図示しない光検出器に入射され信号が取得される。なお、アルカリ金属としては、セシウム（Ｃｓ）やルビジウム（Ｒｂ）を用いることができる。また、バッファガスとしては、ネオンやアルゴンを用いることができる。
【0055】
本実施形態の特徴は、第１の窓部３及び第２の窓部４を構成する原子セル用ガラスのモル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下であることにある。このように、第１の窓部３及び第２の窓部４を構成するモル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下であるため、大気中のＨｅがガラスを通って原子セルの内部に侵入し難い。また、原子セル１の内部に封入されているネオンやアルゴンなどのバッファガスのセル抜けが生じ難い。そのため、原子セル１では、原子発振器における発振周波数の経時変化を生じ難くすることができる。
【0056】
本発明において、原子セル用ガラスのモル体積は、好ましくは２５．５ｃｍ３／モル以下、より好ましくは２５．０ｃｍ３／モル以下、更に好ましくは２４．５ｃｍ３／モル以下、特に好ましくは２４．０ｃｍ３／モル以下である。原子セル用ガラスのモル体積が上記数値範囲内である場合、大気中のＨｅが、ガラス表面から内部を通って、原子セルの内部に侵入し難い。これにより、原子発振器における発振周波数の経時変化をより一層生じ難くすることができる。なお、原子セル用ガラスのモル体積の下限値は、好ましくは１９．０ｃｍ３／モル以上、より好ましくは２０．０ｃｍ３／モル以上とすることができる。
【0057】
また、第１の窓部３及び第２の窓部４を構成する原子セル用ガラスのＬｉ２Ｏの含有量が０．５％以上であるため、３２０℃以下の比較的低温で容易に陽極接合が可能になる。そのため、原子セル１では、接着性及び気密性に優れる原子セルを得ることができる。
【0058】
また、原子セル用ガラスの３０℃～３００℃における平均熱膨張係数は、例えば、３０×１０－７／℃以上、１２０×１０－７／℃以下である。
【0059】
なお、本実施形態では、第１の窓部３及び第２の窓部４の双方が、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下の原子セル用ガラスにより構成される。もっとも、第１の窓部３及び第２の窓部４のうち少なくとも一方が、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下の原子セル用ガラスにより構成されていてもよい。入光面１ａ及び出光面１ｂのうち少なくとも一方が、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下の原子セル用ガラスにより構成されていてもよい。特に、第１の窓部３及び第２の窓部４のうち少なくとも一方におけるアルカリ金属の封入部である貫通孔５に面する部分が、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下の原子セル用ガラスにより構成されていればよい。
【0060】
また、セル本体２は、第１の窓部３及び第２の窓部４と同系統のガラス組成を有することが好ましい。さらに好ましくは、セル本体２は、第１の窓部３及び第２の窓部４と実質的に同じガラス組成を有する。すなわち、セル本体２も、本発明の原子セル用ガラスにより構成されていることが好ましい。この場合、大気中のＨｅが原子セルの内部により一層侵入し難い。また、原子セル１の内部に封入されているバッファガスのセル抜けがより一層生じ難い。そのため、原子発振器における発振周波数の経時変化をより一層生じ難くすることができる。なお、本発明において「同系統のガラス組成」のガラスとは、ガラス組成として含有される成分のうち、含有量の多い上位３成分が互いに一致することを指す。また、本発明において、「実質的に同じガラス組成」のガラスとは、互いにガラス組成として含有される各成分が一致し、一方のガラスの組成に対して他方のガラスの各成分の含有量の差が＋５％～－５％の範囲内であるものを含む。
【0061】
以下、原子セル１の製造方法の一例について説明する。
【0062】
（原子セルの製造方法）
原子セル１の製造方法では、まず、セル本体２、第１の窓部３、及び第２の窓部４を用意する。セル本体２の貫通孔５は、例えば、ドリルや超音波加工により形成することができる。貫通孔５の孔径は、特に限定されない。
原子セル１の製造方法では、まず、セル本体２、第１の窓部３、及び第２の窓部４を用意する。セル本体２の貫通孔５は、例えば、ドリルや超音波加工により形成することができる。貫通孔５の孔径は、特に限定されない。
【0063】
次に、セル本体２の第１の主面２ａと第１の窓部３とを陽極接合する。次に、セル本体２の貫通孔５にアルカリ金属を入れ、セル本体２の第２の主面２ｂと第２の窓部４とを陽極接合する。なお、セル本体２の第２の主面２ｂと第２の窓部４との陽極接合に際しては、貫通孔５内にバッファガスを導入し、このバッファガス雰囲気において陽極接合を行う。バッファガスとしては、ネオンやアルゴンなどの不活性ガスを用いることができる。また、陽極接合後、加熱によりアルカリ金属をガス化して用いることができる。換言すれば、本発明において原子セル１内におけるアルカリ金属はガス化前の固体等の状態であっても良いし、ガス化された状態であっても良い。なお、アルカリ金属はガス状のまま原子セル１内部に直接封入されても良い。
【0064】
なお、セル本体２と、第１の窓部３及び第２の窓部４とをそれぞれ陽極接合するに際しては、予め接着面を研磨加工しておくことが好ましい。この場合、接着面の表面粗さＲａは、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．２ｎｍ以下、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下である。
【0065】
また、セル本体２と、第１の窓部３及び第２の窓部４とをそれぞれ陽極接合するに際しては、さらに加圧を行うことにより、さらに一層接合を強固にすることができる。加圧の際の圧力は、好ましくは１ＭＰａ以下、より好ましくは０．８ＭＰａ以下、さらに好ましくは０．５ＭＰａ以下である。なお、加圧の際の圧力の下限は、０．０１ＭＰａであることが好ましい。
【0066】
陽極接合における加熱温度は、Ｃｓ供給源であるアジ化セシウムがＣｓガスを放出し始める温度である３２０℃以下、３００℃以下、特に２５０℃以下であることが好ましい。
【0067】
このように、本実施形態では、セル本体２と、第１の窓部３及び第２の窓部４が、全てガラスにより構成されているので、簡便かつ効率的に原子セル１を製造することができ、また低温で強固に接合することができる。さらに、セル本体２と、第１の窓部３及び第２の窓部４が同じ熱膨張係数とされているので、気密性をより一層高めることもできる。
【0068】
本発明の原子セル用ガラス及び原子セルは、例えば、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してアルカリ金属を共鳴遷移させる原子発振器に用いることができる。もっとも、光及びマイクロ波による二重共鳴現象を利用してアルカリ金属を共鳴遷移させる原子発振器に用いてもよく、特に限定されない。いずれの場合においても、原子発振器における発振周波数の経時変化を生じ難くすることができる。
【0069】
以下、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0070】
（実施例１～７及び比較例１～２）
下記の表１に示す実施例１～７及び比較例１～２の原子セル用ガラスを調製した。
下記の表１に示す実施例１～７及び比較例１～２の原子セル用ガラスを調製した。
【0071】
具体的には、まず、下記の表１に示したガラス組成となるように、各種酸化物、炭酸塩等を調合したガラスバッチを用意し、これを白金坩堝に入れ、１４００～１５００℃で６時間溶融した後、溶融ガラスをステンレス製の金型に流し出し成形した。その後、得られたガラスを、６５０℃で1時間保持してアニール処理を行った。
【0072】
その後、アルキメデス法により、得られたガラスの密度を測定した。
【0073】
更に、押し棒式熱膨張係数測定装置を用いて、３０～３００℃の温度範囲の平均熱膨張係数を測定した。
【0074】
その後、ガラス組成の式量とガラスの密度から、モル体積を算出した。
【0075】
その後、得られたガラスで作製したセル本体の主面上に、得られたガラスで作製した窓部を配置し、セル本体と窓部を陽極接合した。その後、貫通孔内にアルカリ金属を配置した。更に、前述と反対側のセル本体の主面上に、得られたガラスで作製した別の窓部を配置し、セル本体と窓部を陽極接合することで、貫通孔内を封止し、原子セルを作製した。なお、陽極接合は、印加電圧１０００Ｖにより、３２０℃、３００℃、２５０℃で行った。
【0076】
その後、次のようにして原子セルの気密性を評価した。作製した原子セルの陽極接合の界面に沿って、粘度の低い赤インクを垂らし、接合界面が地表に対し垂直になるように設定した。その後、７２時間経過後に、光学顕微鏡（２００倍）により、接合界面を観察した。接合界面を垂直方向から観察し、赤インクが接合界面の１０％未満の面積に浸透したものを「〇」、１０～９０％未満の面積に浸透したものを「△」、９０～１００％の面積に浸透したものを「×」とした。
【0077】
その後、作製した原子セルを用い、Ｈｅガスの遮蔽性を評価した。１０５ａｔｏｍｓ／ｃｍ・ｓ・ａｔｏｍｓがＨｅガスの透過率の検出限界であり、検出限界以下であれば、Ｈｅガスの遮蔽性が高いことが担保される。なお、Ｈｅガスの透過性の評価は、ガスクロマトグラフィーを用いて３０℃で測定した。
【0078】
【表1】
【0079】
表１より、実施例１～７のガラスは、モル体積が２６．０ｃｍ３／モル以下であり、ヘリウム透過率が１０５ａｔｏｍ／ｃｍ・ｓ・ａｔｏｍｓ以下であったため、Ｈｅガスの遮蔽性が優れていた。一方、比較例１～２のガラスは、モル体積が２６．０ｃｍ３／モルを超過し、ヘリウム透過率が１０５ａｔｏｍ／ｃｍ・ｓ・ａｔｏｍｓを超過したため、Ｈｅガスの遮蔽性が不良だった。
【0080】
従って、実施例１～７のガラスを用いた場合、高いＨｅガス遮蔽性により、原子発振器における発振周波数の経時変化を生じ難い原子セルを得ることが確認できた。
【符号の説明】
【0081】
１…原子セル
１ａ…入光面
１ｂ…出光面
２…セル本体
２ａ…第１の主面
２ｂ…第２の主面
３…第１の窓部
４…第２の窓部
５…貫通孔
１ａ…入光面
１ｂ…出光面
２…セル本体
２ａ…第１の主面
２ｂ…第２の主面
３…第１の窓部
４…第２の窓部
５…貫通孔
【図1】
【図2】
