周波数標準部

図１　セシウム原子標準器

図２　セシウム原子エネルギー準位図

　現用器では図2右側のエネルギー準位が用いられ，図 1のA磁石により，F＝3，F＝4の原子からF＝4を 選別し，静磁場のかかった共振器を通過させる。F＝3 は7本に分離，F＝4は9本に分離する。この時（F＝ 4，mF＝0）から（F＝3，mF＝0）ヘ遷移が起る。更に B磁石でF＝3の原子を除去し，　F＝4の原子をマイク ロ波励振で周波数をスイープし検出器で観測する。この 時F＝4からF＝3に遷移した原子数に比例した共鳴信 号が得られ，これに外部発振器をロックする。従って， 実際に共振器を通過して有効に利用される原子は全体の 1/16に過ぎない。図1(b)ではA，B磁石の代りにレーザ光 を用い，F＝3，4にほぼ等確率で存在する原子を更に 上準位のF'＝4へ汲み揚げる。汲み揚げられた原子は， 短い時間（30nsec）でF＝3に遷移する。レーザ光（85 21Å）でポンプしこれを繰り返すと，F＝4の原子は減 少し，ほとんどがF＝3に存在するようになる。この時 にマイクロ波9.192GHz付近で励起するとF＝3，F＝4に 一致した周波数の時だけマイクロ波吸収が起る。従 ってF＝3の7本に分離した原子の内の1/7が利用され総 体としても1/7が利用されたことになり信号強度は現用方 式の1/16に比べ1/7に増大しC／Nが改善される。可能性とし ては更に，F＝3の原子も励起する光源を併用すればす べての原子を（F＝3，mF＝0）の状態にすることも可 能となる。この時は現用器の16倍の信号強度が得られ， 飛躍的にC／Nの向上が図られる。その他，レーザ利用に より周波数確度評価時に問題となるセシウム原子のビー ムの速度分布も，一定速度の原子を選別し観測すること が可能となり，現用器での不確定要因と除く事が期待さ れる。その他不要原子を大幅に減少できるので，不要原 子に起因する効果（マヨラナ効果）の軽減やラムゼイ共 振器の位相シフトの軽減等が期待される。
　この方式が有効に実現されれば一桁以上の精度（確度， 安定度）の改善が見込まれる。
　　・イオンストレージ型周波数標準器
　図3にこの方式の概略を，図4に利用する原子の一例 であるHg+原子のエネルギーレベル図を示してある。この 方式は電磁場によりイオンを閉じ込め（トラップ），励起 し，主に二重共鳴現象（強い光により原子分子の特定の エネルギー準位を飽和させ，その影響をもう一つの光に より検出する方式）を利用しようとするところに特徴が ある。

図３　イオントラップ型標準器例

図４　水銀イオンエネルギー準位図

　トラップの方式は古くから考えられ利用されているも ので，
　（1）静電場と静磁場を用いるもの（Penning Trap）← Penning電離真空計
　（2）静電場とRF電場を用いるもの（Paul Trap）←マス・フィルタ
があり標準器用として利用しようとする原子の種類，特 性により使い分けられる。図3は(2)の例で，閉じ込めら れた199Hg+イオン202Hg+ランプ（波長194.2nm）で ポンピングを行い（図4 2S1/2→2P1/2）2P1/2を飽和 させると，同位体199Hg+の2P1/2F'＝0.1も同時に飽和 させることが出来，F'＝0.1→F＝0.1の遷移が起る。　し かし，199Hg+のF＝1準位は常に上準位に光励起によっ 吸み上げられているため，　F＝0の準位の原子が残った 状態になる。この時にF＝1⇔ F＝0の40.5GHzで励振し たときだけ，　F＝0がF＝1に汲み揚げられF＝1は光 ポンプでF'に吸み揚げられ螢光となって下準位に遷移す る。これを観測することにより，F＝1とF＝0との準 位差相当の周波数40.5GHzが正確に求められる。
　一般にはトラップされたイオンは温度が高く，共鳴ス ペクトルの幅を広げその周波数ピークが不正確になるの で，何らかの方法で冷却する必要があり，レーザクーリ ング法の有効性が提案され基礎実験が行われている。さ らにトラップされる原子の数を多くすること，及びクー リング（レーザ光照射）が容易なことなどを考えると， Penning Trapで201Hg+を利用した方が良いとの提案もあ る。これは，201Hg+は強い外部磁場の所でエネルギー準 位が丁度磁場の影響を受けないゼーマン分離レベルがあ るためで，この場合はマイクロ波励振波として40.5GHz の代りに25.9GHzを用いる。
　このイオンストレージ方式の特徴をまとめると以下の ようになる。
（1）イオンをトラップ内に数日間も滞在させることが可 能で共鳴線幅を非常に鋭くできる（水素レーザでは 約1秒間のストレージ）
（2）トラップされた原子を用いるので，他の原子との相 互作用や壁との相互作用による周波数シフトがほと んどなくなる
（3）トラップ効果には周波数シフトを除くことが出来る などで，今までにない理想的な周波数標準器が実現 可能と言われている
　　・各国の研究動向
　一次標準器（セシウム）として世界に存在するものは 15台と言われ，高精度（1×10^-13）で実用中のものは7 台程度，PTB（西ドイツ：1台），NRC（カナダ：大型 1台，小型3台），NBS（アメリカ：大型1台・小型1台） で・ある。まだ高精度化，実用化されていないものは，日 本（2台，当所，計量研），ソ連，中国，英国などにある が，半数は高精度化に対する研究を続けている。当所で は，高精度化の目途が立ち56年度中には運用できる見通 しである。
　水素メーザを保有し研究を行っている国は，主に，日 本（当所），中国，アメリカ（NASA，スミソニアン天文 台），フランス（LHA），カナダ（NRC，Laval Univ.） 等がある。受動型水素メーザの研究は，アメリカ（NBS， NRL），スイスなどで行われている。航空機及び衛星搭 載用も考えた超小型水素メーザに関する研究は，米国（ス ミソニアン天文台，USAF，RCA）で盛んである。
　上記のものは，従来方式の改良実用化研究と言えるが， 新しい方式については下記のようである。
・光励起セシウム標準器は米国（NBS），フランス（基 礎電子研究所IEF）等で盛んに研究されている。
・イオンストレージ型標準器は，米国（NBS，NASA， ワシントン大学），フランス（原子時計研究所LHA）， 西独（マインツ大学），イタリア（ピサ大学）等で主に研 究されている。特に米国，フランスにおいては実験的に も，多くの成果が報告されているが，まだ基礎研究の段 階と言える。
　光励起セシウム標準器は，完成すれば，現用器の不確 定要因を解明できる可能性があり，現用器型でも高精度 化の可能性を示唆し得ると期待されている。一方，イオ ンストレージ型標準器では，10^-16の安定度と10^-15の確度 が期待されている。
　新方式においては，レーザ技術が欠かせないものであ るが，中でも安定化技術が重要な開発要因となっている。 この安定化技術は，原子標準用ばかりでなく，長さ単位 と周波数，時間単位との比較，光通信におけるヘテロダ イン通信技術等にも利用できるものであり，各国とも， 大きな努力をその研究に向けている。
　　当所での研究計画
　当所では，従来から研究室型セシウム標準器及び水素 メーザ型標準器の研究を推進し，運用しているが，これ 等標準器の高精度化に関する研究を継続すると同時に， 世界的趨勢及び利用者の要求に対処するため，新方式に 関する基礎的実験の準備を進めている。先ず光励起型セ シウム標準器のために，レーザ（半導体）の安定化技術 の開発に着手し，セシウム原子のエネルギー準位選択技 術を確立する予定である。またイオンストレージ型標準 器に関しては，イオントラップの技術とレーザクーリン グ技術の基礎実験のための準備を考えている。
　　むすび
　新しい周波数標準を研究開発する意味，必要性，及び 新しい方式の原理，各国の研究動向等を織り混ぜながら 概略を解説した。周波数の標準を維持する研究機関とし て，また技術先進国として，当所は将来に向け更に高精 度化する研究を進めていくべき使命があると考えてい る。周波数の標準は，あらゆる基本単位の原点と言える ものであり，この技術の研究開発による波及効果は，非 常に大きいものと考えられる。世界各国とも精力的に研 究に取り組んでいるが，新方式に関しては，レーザ技術 が重要な役割を演ずるので，日本の得意とする分野とも 考えられる。
　ここでは主に，ハード的な側面について記述したが， 正確な標準値を決定するに当っては，そのデータの処理 に関するソフト的研究も並行して行われるべきものであ ることを付記する。

（原子標準研究室長　林　理三雄）

川口　則幸

（鹿島支所　第三宇宙通信研究室　研究官）

佐川　永一

UTD宇宙科学センターのある建物

　　UTD宇宙科学センターのプロジェクト
　最終試験段階の衛星搭載用測定器開発のプロジェクト のなかでDE（Dynamic Explorer）及びSan Marco D／M 用測定器のUTD内での校正試験には私も立会うことが できた。DE衛星は電離圏−磁気圏結合の研究を目的と しておりDE-Aと-Bの二つの衛星を同一軌道面内の 高度の異なる軌道に投入し立体的な観測を行う。特に二 つの衛星が極域を通る同一の磁力線上に来る時点での観 測は磁力線沿いの加速機構の解明に役立つと期待されて いる。宇宙科学センターがDE衛星に搭載する測定器は 次の三種類である。
　1.　エネルギー分布・イオン組成測定器
　低エネルギ一のイオン（E＜100eV）の組成とエネ ルギー分布を測定する。このエネルギー範囲の粒子は磁 気圏では重要であるが，従来は殆ど観測データがなかっ た。測定器はエネルギー分析器と磁場偏向型の質量分析 器を直列に結合したものである。Hoffman博士がNASA の研究者と共同で開発した。
　2.　RPA（Retarding Potential Analyzer）
　熱的なイオンの組成，密度及び温度を測定する。電離 圏内のプラズマ観測では最も基本的な測定器の一つであ り，これを担当するHanson博士はRPA測定の第一人 者である。
　3.　Drift Meter
　RPAと良く似た構造の測定器でプラズマの運動を高 精度で決めることができる。AE-C衛星に最初の測定 器が搭載され，極域電離層内のプラズマが磁気圏の電場 によって運動する様子を見事に観測し高い評価を受けて いる。この測定器はHanson博士の考案になる。担当は HeeLis博士。
　これらの測定器は特殊な部分を除いて電子回路，セン サ共に大学内で製作されている。これは測定器の設計と 製作に携れるエンジニアの数が充分多く（40名位），しか も彼らが長年の経験を持っているためにできるものと思 われる。さらに搭載用測定器の開発過程の責任者はプロ グラム・マネージャーという職の人が当るので科学者は あまり実務をやらなくても良いシステムになっている。 このような測定器開発の環境は各人が専門的な仕事に専 念でき効率的のように思える。搭載用測定器の校正試験 は，UTD内の真空チェンバー内で行われた。チェンバ ー内に，測定器のセンサ部と校正用のイオン源を置いて 衛星が軌道にある時の環境を作り試験を行っていたが， 使われている装置には特に目新しいものはなくここでも 自家製の装置が目立っていた。校正試験は一週間位で終 了し，測定器は最終的な衛星の試験のためにNASAに送 られた。DE衛星は7月末から8月に打上げられる。
　San Marco D／Mは赤道域の電離圏観測を目的として アフリカ沖から打上げられる。この衛星にはDE衛星と 同型のRPAとDrift Meterの他にスプレッドFディテ クターがUTDから搭載される。スプレッドFディテク ターは高い時間分解能で電子密度を測定するもので，赤 道電離層内の不規則構造をRPAやDrift Meterと同時 に観測することを目的としている。
　この他にも将来の衛星計画があり私の聞いた範囲でも スペースシャトル，VOIR，OPEN計画，ESAのハーレ ーミッション等非常に盛り沢山という印象を受けた。こ の宇宙科学センターの現在の規模を維持するためには大 学（州）から来る金だけでは足りず契約を取って外部から 資金を集める必要があり，プロポーザルの作成は重要な 仕事になっている。このことはデータ解析を主な仕事に している科学者についても言える。
　科学者達の中では極域の諸現象に関心を持っている人 が多く，彼らは主にAE-C，-DそれにISIS-2の観 測データを使って仕事をしている。当所を訪問したこと もあるMcClure博士を中心としたグループは赤道電離圏 の不規則構造に関心があり，現在運用中のAE-E衛星 （RPAとDrift Meterが搭載されている）と非散乱性 干渉レーダの同時観測を精力的に進めている。この他に も豊富な観測データを基に多方面にわたる研究が行われ ており，外部との研究者の交流も活発で時々開かれるセ ミナーには外部からの講師が多かった。
　　生活環境
　宇宙科学センターの研究者は皆個室を持っており，私 も窓の無い部屋を個室としてもらった。日常の行動範囲 はこの部屋，実験室，計算機，図書室それにコーヒー沸 しの前であった。個室が多いために廊下は大事な社交の 場であり大声で議論する人もいる。大体の人の勤務時間 は8時半頃から夕方5時頃までで，夜遅く迄仕事をする 人も少しいる。昼食はすぐ隣の建物に高くてまずい（皆 の意見）カフェテリアがあるが弁当を持って来る人も多 い。その弁当もいたって簡単でサンドイッチに飲物と果 物位のものを仕事をしながら食べる人が結構多い。大学 内での飲酒は禁止されていて，大学の警官に見つかると 罰金をとられる。従って大学ではパーティでも酒類は出 ない。酒類に対する規制はUTDのあるリチャードソン 市の住民投票で決まったようで酒屋は市内には無く，レ ストランなどで酒を飲むことも難しいという信じ難い市 であった。もっともすぐ隣の市は酒を買うことも可能だ し，酒を飲ませる場所が軒を接して並んでいる通りもあ るので全体としてはバランスがとれている。
　UTDはダラス市の効外にあるが，周辺は主に住宅地 とそれに附随する商店街で，新しい建物の建設や道路工 事を各所でやっている。この附近では二階建以上の建物 は極めて少なく，高層建築は市の中心街にしか見られな い。地形はゆるやかな起伏があるだけでどんなに天気が 良くても視界に山が入ることはなく，とにかく広くて平 坦な印象を受ける。この平坦な風景と違った風景に出会 うには海にしろ山にしろ車で一日走らなくてはならない。
　ダラスは人口100万人弱の都市（米国内で七番目の人 口）だが，ケネディ大統領暗殺の地という点以外では観 光客を引きつける要素はない。しかし市の経済活動の成 長率は高く，東部や中西部から移住してくる人が多い。 私の知り会った米国人でもダラスに10年以上住んでいる 人の方が少なかった。このような新興都市なので犯罪発 生率も米国のワーストテンに入る。私のアパートの周囲 は比較的安全だと言われていたが，それでも街灯が暗く て夜はとても一人で歩く気にはなれなかった。
　最後に在外研究の機会を与えて下さった事を科学技術 庁と当所の関係各位に感謝致します。

（衛星計測部　第二衛星計測研究室　主任研究官）

SCPC車載局