原子泉型セシウム標準器に関する研究動向


梅津 純

1.はじめに
 時間・周波数の基準となっているセシウム一次標 準器の周波数確度は、一連の確度評価実験を実施し て初めて決定できるものであり、それを実施してい る研究機関は世界中で日本(CRL)、ドイツ(PTB) 、アメリカ(NIST)、カナダ(NRC)、 ロシア(VNIIFTRI)である。科学技術の進 展によりその精度の向上が求められているところで、 そのために多くの努カが払われ今日にいたっている。 その結果、周波数確度として一般に13桁の精度 (l1×10^-13)が得られている。しかし10年以上 にわたって確度改善の大きな進展は見られていない。 ちなみに現在最高の確度を唱えているドイツのPTB では従来型の方式で1.5〜3×10^-14を発表 しており事実上この値が世界の原子時の基準になっ ていると言っても過言ではない。
 これに対し、確度改善の試みとして1980年頃 から、レーザによる原子の光ポンピング(この理論、 技術は1950年代はしめに、A.Kastler(仏: 1902〜1984:1966年ノーベル物理学賞を授賞) らによって開発された)を用いた光励起型の開発が 活発になった。この動きはレーザ技術の進展、特に 半導体レーザ(LD)の実用化によるところが大き い。当時開発された常温発振のLDの発振波長帯が、 ちょうどセシウム原子の共鳴波長(λ=852nm) をカバーしていたためである。
 現在、研究・開発はフランス、日本、アメリカ、 韓国、中国、カナダ、イギリス、ドイツ、ロシア等 世界各国で行われてきているが、主としてレーザの 波長選択性、周波数安定性等基本的な性能に関する 問題、あるいは光励起・検出器等の技術的な間題が ネックとなって本格的な標準器の実現は遅れていた。 しかしようやくレーザの安定化(波長選択性、スペ クトル線幅狭窄化等)技術がほぼ確立し、日本、ア メリカ、フランス、韓国、中国等で精カ的に実現に 向けて開発が進められている。特にアメリカのNIST では単に従来型の変形型ではなく、随所に新し いアイデアを数多く盛り込んだ光励起型の超大作NIST-7 を完成しており、その予備的な確度評価 を実施している。おそらくこれまでの方式とは違う 光励起型の標準器として重要な地位を占める事は間 違い無い。
 一方この間にもレーザ技術は進展し、原子標準に 応用できる新しい技術、すなわち中性原子ビームの レーザクーリングとトラッピングの原理について 1975年HanschとSchawlowにより提案され1985年 にChuらによりNa原子で実証された。人為 的に原子速度を制御することができれば、低速度原 子を利用して原子とマイクロ波の相互作用の時間を 長くし、周波数の決定精度の向上が期待できる。現 在のセシウム一次標準器では、主要な要素としてラ ムゼイ共振器が使われているが、これはまさに相互 作用時間を長くするために、相互作用距離を長くす る工夫をした共振器である。これに対し原子泉型は レーザ冷却で原子の速度を遅くして相互作用の時間 をかせごうという工夫である。
 原子泉とは原子を噴水の様に垂直に打ち上げて、 再び重力で落下してくる原子ビームを指し、同じ位 置で上りと下りの2回利用してマイクロ波共鳴を得 ようとする方式である。これによって周波数確度を 原理的に(相互作用時間の2桁の増加、マイクロ波 位相の一様性、等により)飛躍的に向上させる可能 性を持った原子泉型の研究開発が急速に進展してい る。(図1参照)


▲図1 原子泉型標準器の概念図

 このアイデアも新しいものではなく1950年代 MITのJ.R.Zachariasの実験にまでさかのぼる。 当時は原子ビームの運動操作などは考えられず、熱 運動原子を利用しようとしたため、低速度の原子数 が少なく成功には至らなかった。
 この方式は光励起型の利点に加え、原子のレーザ による運動操作技術、すなわちセシウム原子のレー ザクーリングとトラッピングにより、標準器性能の 飛躍的な改善が見込めるため、科学・技術者にとっ て非常に魅力的なものとなっている。日本では、1992年 にCRLと計量研究所でほぼ同時にCs原 子の、トラッピング実験に成功している。写真1に、 トラップされた原子の様子をCCDカメラで撮影し たものを示す。


▲写真1 トラップされた原子が放つ蛍光(中心部)

2.原子泉型標準器
 周波数確度改善のため、低速度、垂直原子ビーム による原子泉型標準器により、これまで不確定性の 主たる要因であった共鳴線幅の低減とラムゼイ共振 器の位相差による誤差を改善すれば、10^-16の確 度達成も可能との見方が有カになった。しかし確度 評価限界の主要な原因を改善した場合、これまでさ ほど気にしなくて良かった小さな要因をも考慮しな ければならなくなる。まず、これまでの方式での確 度評価限界の主な要因と、原子泉型で見込まれる改 良点、新たに生じる問題点を表1に掲げる。


▲表1 セシウム標準器における周波数確度に関係する主な要因

3.国内外の研究動向
 現在世界中で原子のレーザ冷却、トラップに関す る研究を行っているグループは20以上に上ってい るが、標準器と関連が深い研究グループと主要な成 果、動向を以下に示す。
フランス:
ENS(高等師範学校)
・Cs原子泉実験でラムゼイ共鳴線の観測。
マイクロ波共鳴線幅2Hzを得ている。
LPTF(一次時間・周波数研究所)
・ENSと共同で実用型原子泉型標 準器を開発中。
アメリカ:
スタンフォード大学
・Naで世界最初の原子泉によるラ ムゼイ共鳴観測に成功
・極低温(数μK)原子間衝突の影 響考察(原子の運動量pが小さいた めドブロイ波λdeB=h/Pが大きく 衝突断面積λdeB2/1が大きくなる ため、周波数シフトヘ影響する)
・Cs原子泉で周波数シフトの測定 実験
コロラド大学(JlLA)
ニューヨーク大学
MIT
NIST(Gaithersburg)
イギリス:
オックスフォード大学
・Csトラップと冷却実験 NPL(国立物理学研究所)
ドイツ:
ミュンヘン大学
まだこれらの他にも(ロシア等)幅広い研究層でし のぎを削っている。
日本でも主として以下のグループにより活発に研究 か行われている。
東京大学
・Ca、Sr他中性原子のレーザクーリング、 トラップ。ドブロイ波λdeB干渉実験。
東京工業大学
・Rb、Csトラップ。
NRLM
・Csレーザ冷却、トラップ、原子泉型開発中 CRL
・Csレーザ冷却、トラップ、原子泉型開発中 などである。
この様に中性原子の運動を操作し制御する、あるい は制御された原子を用いて量子物理の研究を行うと いったテーマに限ってみても非常に活発な研究が展 開している。さらにこれらの内容と結果を最も良く 反映した応用の一つとして原子周波数標準が位置づ けられる。

4.まとめ
 以上のように原子泉を周波数標準器に応用した場 合、大幅な確度向上が見込まれる反面、これまで無 視できた誤差要因、新たに生しる誤差要因等を考慮 しなければならないことが明らかになってきている。 セシウム原子泉による実験で、既にラムゼイ共鳴線 を得たり、Cs原子同士の衝突に関する研究あるい はその周波数シフトに及ぼす影響等の測定がなされ てきており、世界では原子泉型の研究は急速に展開 している。しかしまだ研究すべき要素は多く、理論 と実験の両方からのアプローチが必要とされている。
 周波数・時間の標準を維持している当所にとって も、高確度な原子泉型標準器の実現は急務であると 思われる。実現のための問題は数多くあるが、大学、 外国研究機関等と連携あるいは協力を得ながら効率 的に、できるだけ遅れをとらぬように開発を進めて いく必要がある。

(標準計測部 原子標準研究室長)




高速道路3500kmで衛星電波伝搬測定


若菜 弘充

はじめに
 通信総合研究所では、1987年夏に打ち上げられた ETS−!J5;=Q;n831R@15型)を使って、船舶、 航空機、自動車などの移動体を対象とした衛星通信 実験を進めてきた。このうち、陸上移動衛星通信の 実験では、フェーズドアレーアンテナと呼ばれる平 面型のアンテナをはじめ様々なタイプのアンテナを 開発し、これらを実験車にのせて通信実験や電波伝 搬の測定を行ってきた。
 この電波伝搬特性の測定中に実験車と連絡をとる 場合には、実験車に備えてある地上系の自動車電話 を使うことになる。実験では無変調波を衛星の最大 送信電カで使っているために、衛星通信装置が使え ないためである。ところが自動車電話はサービスエ リアか限られているため、実験場所によっては連絡 がまったくとれなくなってしまう。こんな時、衛星 通信回線が使えれば、全国どこにいても連絡がとれ るものをと切実に感ずる。実験車には衛星通信装置 が搭載されているのでなおさらである。
 陸上移動衛星通信システムを設計するためには、 都市部や郊外の道路などでどの程度通信ができるの かを把握することは非常にたいせつである。当所で はこれまで都市内、郊外、田園地域の道路をはじめ として主要高速道路などで、衛星からの電波の受信 状態の測定、すなわち電波伝搬特性の測定を行って きた。本稿では、わが国における交通輸送手段とし て重要な役割を果たしている高速自動車道で行った 電波伝搬実験について述べる。

走行実験システム
 一般の自動車においても簡易に衛星通信が行える 車載通信装置を開発するため、これまでに、高利得 の平面アンテナ及びアンテナ追尾方式の開発、最適 な通信方式、走行時の電波伝搬特性の研究を行って きた。衛星通信システムでは信号電カにあまり余裕 がないため、道路沿いの建物、樹木、陸橋などによ り、衛星からの電波が遮られてしまうと通信ができ なくなる。都市内ではビル群による電波の遮蔽が頻 繁に起こるため、場合によっては地上系の移動通信 を相補的に使用するなどの対策が必要になる。これ に対して、高速道路では、一般道に比べてそのよう な障害物が少ないため、衛星通信には適していると いえる。
 写真1は高速道路で走行実験中の実験車である。 今回の実験では、電子的にアンテナビームの走査が 可能なフェーズドアレーアンテナを搭載し、光ファ イバージャイロと磁気コンパスを組み合わせたアン テナ追尾システムによりETS−1R@1$rDIHx$7$J がら、衛星からの信号の受信電カを測定した。走行 実験を行った高速自動車道は、東北、関越、中央、 北陸、東関東、東名、名神、中国、九州、長崎、富 崎自動車道で全走行距離で3500kmを越える。


▲写真1 高速道路を走る実験車

伝搬特性の測定結果
 伝搬特性を表現するために、受信電カの累積分布 を使うことが多い。図1は各高速道路で測定された 受信電カの累積分布を示している。横軸は、衛星が 見通せる状態での受信電カを基準とした時の、相対 受信電力をデシベルで表示している。縦軸は、受信 電カが横軸の値を下回る確率を示している。例え ば、-5dBの受信電カに対する縦軸の確率が10%であ る場合には、走行距離の10%は5dB以上の信号電カ の減衰を受けるということである。逆にいえば、‐5 dB程度の信号強度の劣化まで許容できる衛星通信 システムでは、走行距離の90%以上は通信が可能 であることを示している。図1によれば、高速道路 では走行距離の90%から97%程度で通信が可能 である。


▲図1 受信電力の累積分布

 高速道路では、陸橋、標識(電光掲示板を含む)、 トンネルによる遮蔽が、受信電カの減衰の主な要因 である。図2は、各遮蔽物の存在頻度を示したもの である。遮蔽物として最も多いものは、十数メート ルの遮蔽を起こす陸橋で約50%、次に多いものは ガイドポストの約25%である。トンネルは道路に よるが数%から20%で、遮蔽距離では最も長い。 北陸自動車道のようにトンネルがかなり多い道路も ある。トンネル内は漏洩ケーブルなどの対策を施せ ば、遮蔽により通信できない距離を数%程度にまで 軽減することができる。この他にも、遮蔽距離の統 計分布や見通し継続距離の統計分布など様々な統計 的性質か調べられた。


▲図2 高速道における各遮蔽物の存在頻度

 この実験により確かめられた事がもう一つある。 それは当所で開発したアンテナ追尾方式の信頼性で ある。これまでにも同様の伝搬特性測定は行われて はいるか、直線道路での測定や無指向性アンテナを 用いたものが多い。今回のように、指向性アンテナ を用いて長距離、長時間の伝搬測定を実施できたの は、性能のよいアンテナ追尾方式が開発できたため である。
 この定行実験がいつでも順調にいったわけではな い。故障する可能性のあるものは、かならず故障し た。修理をしながらの行軍であった。もっとも泣か されることになったのは、電源の問題である。この 実験車は、車載用のバッテリーを多数積んでいる。 走行実験中は、一日の実験が終了して宿につくや、 次の日の実験に備えてバッテリーの充電をしなけれ ばならない。フル充電できなければ、次の日に実験 できる時間が少なくなる。宿の人の何事が起こるの かという困惑に、粘り強く説得をしなければならな かった。

おわりに
 アンテナビームの電子走査が可能な車載用平面ア ンテナと高性能アンテナ追尾方式を開発し、全国の 主要高速道路において、電波伝搬特性の測定を行っ た。一般道路での伝搬特性とは異なる、高速道路特 有の統計データを取得することができた。ここで得 たデータは、無線通信分野の国際標準を決めている ITU-Rのデータバンクにも登録された。
 1997年に打ち上げ予定のCOMETS衛星では、 現在実用化が進められているLバンド(1.6GHz) やSバンド(2.6GHz)より高い周波数のKaバン ド(30GHz)による移動体衛星通信実験を計画して いる。現在、現測定システムにおける問題点が改良 され、新たな実験システムの開発が行われている。 さらに高精度なアンテナ追尾方式も開発中である。 ここで得た実験結果や測定技術は、将来の研究にお いても、いかされていくものと期待している。

(鹿島宇宙通信センター 宇宙通信技術研究室長)




≪CRL滞在記≫

朴 徳圭


皆さんこんにちは!
 私は、89年に留学するために日本に来ました。 その後92年6月学位を取得し、同年10月から科 学技術庁の特別研究員に採用され、CRLで約1年 間研究を行っています。韓国で1年間学校に勤めた 経験はありますが、研究所で本格的に研究を行うこ とは初めてでした。最初は緊張して研究が手につき ませんでしたが、今では周囲の皆さんのおかげで研 究に専念することができるようになりました。
 私は日本語が上手ではないのですが、少しは話せ ますので、研究室の皆さんと様々な意見を交換する ことかでき、他の外国研究員よりは良い環境だと思 います。このおかげか、明るい私の性格(冗談も好 きです)か、韓国との文化の差か、私ははっきり分 かりませんが、研究室では私は“変なおじさん”と 呼ばれています。日本に来て日本語を早く学ぶため にTV放送をよく見ました。しかし、私の考えでは、 あるTV放送局の”変なおじさん”とは全然違いま すけど...??!!とにかく、私がこのように呼 ばれることも私に対して皆さんの関心かある証拠な ので,私は満足しています。
 今私は、インテリジェント電波波有効利用技術の研 究の一部であるダイナミックチャネル割当技術に関 する研究を行っています。学校で研究した内容とは 異なる分野であり、かなりの苦労もありました。ま た、立ち上がり段階であり、皆さんの良い御意見が ありましたら教えてください、日本で滞在する間に 移動通信の発展に少しでも寄与するため、熱心に研 究しようと思っています。
 研究も重要だと思いますが、私が日本に滞在する 間に、更に知りたいことは日本の文化と習慣です。 日本に来て4年半になりますが、出張と学会発表以 外に旅行した記憶がありません。日本と韓国は同じ 文化圏となっていますが、様々な分野で異なる部分 をもっと比較しながら、日本を深く理解したいと思 っています。もしこのような経験か出来る機会があ ったら、皆さん声をかけてください。
 日本に来て私は様々なことを得ることができまし た。博士2年の時結婚したこと、子供二人が誕生し たこと、学位を取得したこと、素晴らしい先生や研 究所の皆さんと知り合ったことです。他にもたくさ んありますが,全部書いたら紙面が足りない程得る ことができました。従って、私は日本が第2の故郷 のように感じています。いつごろ韓国に帰るかは分 かりませんが、韓国に帰っても日韓の関係の発展の ために重要な一翼を担うと思っています。皆さんの 御支援宜しくお願い致します、最後に、いつも暖か く迎えてくれる横山総合通信部長、水野通信系室長 さんと研究室の皆さんに感謝すると共に、また、お もしろい話を開かせてください。(今後ともよろし くお願いします。)

(総合通信部 通信系研究室)



▲朴さん(写真右側)とご家族

 朴 徳圭氏の紹介
 朴徳圭さんは,科学技術庁の特別研究員として1992 年10月から3年間の予定で総合通信部通信系研究室に滞 在しています.赴任して以来,インテリジェント電波有 効利用技術の中のダイナミックチャネル割当技術につい ての研究を行っていますが,積極的な性格で室員や関係 者と徹底的にディスカッションを行い新たな方式の開発 に努めております.また,日本語が堪能で研究以外の分 野でも様々な話題を提供して部屋のメンバーなどとの交 流を行っています.

(通信系研究室 岩間 司)





短 信




ソフトボール大会企画部チーム優勝


 当所のレクリエーション行事として恒例となって いるソフトボール大会が、11月2日から26日までの ほぼ1か月間にわたって、昼休みの時間に構内グラ ウンドで開催されました。チームの編成には、35才 以上の者〈または女性)3名以上を常時含むことと いう必要条件があります。各部・課等から計12チー ムか参加してトーナメント方式で優勝を競い合い、 最終的に企画部チームと総合通信部チームの対決と なった決勝戦では、1回表に守備についた相手チー ムの過度の緊張によるエラーにも助けられ、大量得 点した企画部チームか逃げきって優勝を果たしまし た。今回は7月の組織改正後、初めての大会という ことで、会計課のチームかV3を達成していた去年 までとは、少し違った展開になったようです。来年 度の大会が、早くも楽しみになってきました。


▲表彰式の様子



第85回研究発表会開催される



▲会場風景

 平成5年春季研究発表会(第85回)が去る11 月10日に当所の大会議室で開催されました。発表 プログラムは、
1.移動体衛星通信実験(ETS−V/EMSS)総合報告
 (1)航空、海事、陸上移動体衛星通信実験
 (2)アジア太平洋情報通信ネットワーク実験
2.超高感度CCDカメラによる静止衛星及びス ペースデブリの光学追跡
3.電波と音波を用いた気温高度分布の計測
4.量子雑音の限界を破る新しい光を求めて−パ ラメトリック過程による連続波スクイーズド 光の発生−
5.超高感度・極低雑音電磁波検出をめざして− サブミリ波帯超電導SISミキサ素子の開発−
6.なぜ生物は動けるか−筋収縮におけるエネルギ ー変換過程の計測−
7.自動音声認識の高速化をめざして−確率モデル を用いた並列処埋−
8.眼が動いてもなぜ外界は動いて見えないのか− 眼球運動時の視覚抑制と空間定位−
の8件で、本所に於ける各種研究の他、関西支所で急 速に立ち上がってきた先端技術の研究等、多彩な内容 でした。
 当日は所外から173名の方が御来聴され、活発に 意見を交換して戴きました。ホワイエでは発表関連の展 示が有り、また、今回初めてスライドの代わりにコンピュー タによるプレゼンテーション用のツールを駆使した発表 が有り、好評の内に幕を閉じました。