En primær standard for måling af vakuum

Et nyt, kvantebaseret vakuummålersystem opfundet af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har bestået sin første test for at være en ægte primær standard - det vil sige iboende nøjagtig uden behov for kalibrering.

Præcisionstrykmåling er af presserende interesse for halvlederfabrikanter, som laver deres chips lag for lag i vakuumkamre, der opererer ved eller under en hundrede-milliard af lufttrykket ved havoverfladen og skal nøje kontrollere dette miljø for at sikre produktkvalitet.

"De næste generationer af halvlederfremstilling, kvanteteknologier og eksperimenter af partikelaccelerationstypen vil alle kræve udsøgt vakuum og evnen til at måle det nøjagtigt," sagde NIST seniorprojektforsker Stephen Eckel.

I dag bruger de fleste kommercielle og forskningsfaciliteter konventionelle højvakuumsensorer baseret på elektrisk strøm, der detekteres, når fordærvede gasmolekyler i et kammer ioniseres (elektrisk ladet) af en elektronkilde. Disse ioniseringsmålere kan blive upålidelige over tid og kræver periodisk re-kalibrering. Og de er ikke kompatible med den nye verdensomspændende indsats for at basere det internationale system af enheder (SI) på fundamentale, invariante konstanter og kvantefænomener.

NISTs system måler derimod mængden af ​​gasmolekyler (typisk brint), der er tilbage i vakuumkammeret, ved at måle deres effekt på en mikroskopisk klynge af fangede lithiumatomer afkølet til et par tusindedele af en grad over det absolutte nulpunkt og belyst af laserlys. Det behøver ikke kalibreres, fordi interaktionsdynamikken mellem lithiumatomer og brintmolekyler kan beregnes nøjagtigt ud fra de første principper.

Denne bærbare koldatom-vakuumstandard (pCAVS) - 1,3 liter i volumen eksklusive lasersystemet - kan nemt sættes på kommercielle vakuumkamre; en smal kanal forbinder kammerets indre med pCAVS-kernen. I en nylig række eksperimenter, da forskerne koblede to pCAVS-enheder til det samme kammer, producerede begge nøjagtig de samme målinger inden for deres meget små usikkerheder.

Enhederne var i stand til nøjagtigt at måle tryk så lavt som 40 milliardtedele af en pascal (Pa), SI-trykenheden, inden for 2,6 procent. Det er omtrent det samme som presset omkring den internationale rumstation. Atmosfærisk tryk ved havoverfladen er omkring 100.000 Pa.

"Den bærbare kolde atom vakuum standard har bestået sin første store test," sagde Eckel. "Hvis du bygger to formentlig primære standarder af enhver art, er det allerførste skridt at sikre, at de er enige med hinanden, når de måler det samme. Hvis de er uenige, er de tydeligvis ikke standarder." Eckel og kolleger rapporterede deres resultater online den 15. juli i tidsskriftet AVS Quantum Science .

I pCAVS-sensorkernen dispenseres fordampede ultrakolde lithiumatomer fra en kilde og immobiliseres derefter i en chip-skala magneto-optisk fælde (MOT) designet og fremstillet hos NIST. Atomer, der kommer ind i fælden, bremses ved skæringspunktet mellem fire laserstråler:en indgangslaserstråle og tre andre reflekteres fra en specielt designet gitterchip. Laserfotonerne er indstillet til præcis det rigtige energiniveau for at dæmpe atomernes bevægelse.

For at begrænse dem på det ønskede sted, bruger MOT et sfærisk magnetfelt produceret af en omgivende række af seks permanente neodymmagneter. Feltstyrken er nul i midten og øges med afstanden udad. Atomer i områder med højere felter er mere modtagelige for laserfotoner og skubbes derfor indad.

Efter at lithium-atomerne er indlæst i MOT'en, slukkes laserne, og en lille del af atomerne - omkring 10.000 - fanges udelukkende af magnetfeltet. Efter at have ventet i nogen tid, tændes laseren igen. Laserlyset får atomerne til at fluorescere, og de tælles ved hjælp af et kamera, der måler mængden af ​​lys, de producerer:Jo mere lys, jo flere atomer i fælden og omvendt.

Hver gang et fanget lithiumatom bliver ramt af et af de få molekyler, der bevæger sig rundt i vakuumet, sparker kollisionen atomet ud af magnetfælden. Jo hurtigere atomer udstødes fælden, jo flere molekyler er der i vakuumkammeret.

En af de største omkostningsdrivere ved en kold atom vakuummåler er antallet af lasere, der er nødvendige for at afkøle og detektere atomerne. For at afhjælpe det problem modtager begge pCAVS-enheder lys fra den samme laser gennem en fiberoptisk kontakt, og de foretager målinger på skift. Ordningen giver mulighed for, at så mange som fire enheder kan tilsluttes den samme laserkilde. Til applikationer, hvor der kræves flere sensorer, såsom dem ved acceleratorfaciliteter eller halvlederproduktionslinjer, kan en sådan multipleksing af pCAVS-sensorer sænke omkostningerne pr. enhed.

Til det aktuelle eksperiment blev de fangede atomskyer i de to pCAVS'er adskilt med 20 cm (ca. 8 tommer) i direkte synslinje til hinanden. Som et resultat blev trykket ved de to atomskyer antaget at være identiske. Men da holdet først brugte dem til at måle vakuumtrykket, viste de to målere meget forskellige atomtabshastigheder.

"Mit hjerte sank," sagde Eckel. "Dette formodes at være vakuumstandarder, og da vi tændte dem, kunne de ikke blive enige om trykket i vakuumkammeret." For at prøve at bestemme kilden til uoverensstemmelsen udvekslede holdet komponenter mellem de to enheder over flere eksperimenter. Da de byttede komponenter, fortsatte de to pCAVS'er med at være uenige - mærkeligt nok i nøjagtig samme mængde. "Endelig gik det lige op for os:Måske er de i virkeligheden under forskellige pres," sagde Daniel Barker, en af ​​projektets videnskabsmænd.

Det eneste, der kunne have fået dem til at være ved forskellige tryk, er en lækage, et lille hul, der kunne tillade atmosfærisk gas ind i vakuumet. Det skulle være meget lille:Holdet havde grundigt tjekket for sådanne lækager, før de tændte for pCAVS'erne. Holdet fik den mest følsomme lækagedetektor, de kunne finde, til at lave en sidste søgning og fandt ud af, at der faktisk var en lille bitte lækage i et af glasvinduerne på pCAVS. Efter at lækagen var repareret, blev de to pCAVS enige om deres mål.

At lede efter uoverensstemmelser i aflæsningerne mellem flere vakuummålere er en metode til lækagedetektion, der ofte bruges i store videnskabelige eksperimenter, herunder partikelacceleratorer og tyngdebølgedetektorer såsom LIGO.

Den primære begrænsning ved denne teknik er imidlertid, at kalibreringen af ​​de fleste vakuummålere kan ændre sig med tiden. Af den grund er det ofte svært at skelne en ægte lækage fra blot en drift i kalibreringen. Men fordi pCAVS er primær måler, er der ingen kalibrering og dermed ingen kalibreringsdrift. Brug af tre eller flere pCAVS'er kan hjælpe den næste generation af acceleratorer og gravitationsbølgedetektorer med at triangulere lækager i deres store vakuumsystemer med større nøjagtighed.

De næste trin i udviklingen af ​​pCAVS er at validere dets teoretiske fundament. For at omsætte tabshastigheden af ​​kolde atomer fra den magnetiske fælde til et tryk, kræves kvantespredningsberegninger. "Disse beregninger er ret komplicerede," siger Eite Tiesinga, der leder den teoretiske indsats, "men vi mener, at deres beregninger er gode til et par procent."

Den ultimative test for teorien er at bygge et specielt vakuumkammer, hvor et kendt tryk kan genereres - kaldet en dynamisk ekspansionsstandard - og vedhæfte en pCAVS for at måle dette tryk. Hvis pCAVS og den dynamiske ekspansionsstandard er enige om trykket, er det bevis på, at teorien er korrekt. "Dette næste trin i processen er allerede i gang, og vi forventer at vide, om teorien er god meget snart," sagde Eckel. + Udforsk yderligere

En ny måde at måle næsten ingenting på:Ultrakolde fangede atomer til at måle tryk