Ψυχρά άτομα που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αξιόπιστου μετρητή πίεσης για εξαιρετικά υψηλό κενό - Physics World

Ψυχρά άτομα που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αξιόπιστου μετρητή πίεσης για εξαιρετικά υψηλό κενό - Physics World

Χρονική σήμανση: 5 Σεπτεμβρίου 2023 12:25 μ.μ.

Αντλία κενού NIST
Καλή ιδέα: Οι Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt και οι συνεργάτες του NIST ανέπτυξαν και δοκίμασαν μια τεχνική που χρησιμοποιεί ψυχρά άτομα για τη μέτρηση πολύ χαμηλών πιέσεων. (Ευγενική προσφορά: NIST)

Ένα φαινόμενο που συνήθως παρεμποδίζει τη μαγνητική παγίδευση ατόμων έχει αξιοποιηθεί για να δημιουργηθεί μια νέα μέθοδος για τη μέτρηση της πίεσης σε συστήματα υπερυψηλού κενού (UHV). Στίβεν Έκελ, Ντάνιελ Μπάρκερ, Julia Scherschligt, Jim Fedchak και συνάδελφοι στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) έχουν δείξει ότι οι μετρήσεις που γίνονται με ένα «πρότυπο κενού ψυχρού ατόμου» (CAVS) ταιριάζουν στενά με μια τρέχουσα τυπική τεχνική για την πραγματοποίηση μετρήσεων πίεσης UHV. Η ομάδα πιστεύει ότι τα CAVS θα μπορούσαν να αποδειχθούν πιο αξιόπιστος τρόπος μέτρησης της πίεσης από ορισμένες υπάρχουσες τεχνικές.

Πολλές εφαρμογές στην επιστήμη και τη βιομηχανία γίνονται υπό συνθήκες UHV και είναι σημαντικό οι πολύ χαμηλές πιέσεις σε τέτοια συστήματα να μετρώνται με ακρίβεια. Οι πιέσεις UHV είναι συνήθως μικρότερες από 10-10  της ατμοσφαιρικής πίεσης και συνήθως μετρώνται με τη χρήση μετρητών ιονισμού. Αυτές οι συσκευές ιονίζουν μερικά από τα υπόλοιπα μόρια αερίου (υπόβαθρου) στο κενό και τα ιόντα έλκονται σε ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο. Το προκύπτον ρεύμα ιόντων μετράται και αυτό μεταφράζεται σε πίεση.

Ωστόσο, οι μετρητές ιονισμού έχουν αρκετά μειονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της ανάγκης για συχνή βαθμονόμηση. και μια ακρίβεια που εξαρτάται από τη σύνθεση του αερίου υποβάθρου. Ως αποτέλεσμα, αυτοί οι μετρητές μπορεί να έχουν σημαντικές αβεβαιότητες μέτρησης όταν χρησιμοποιούνται σε UHV.

Συγκρουόμενα άτομα

Η μαγνητική παγίδευση ατόμων είναι μια σημαντική εφαρμογή που γίνεται υπό UHV. Περιλαμβάνει ψύξη ουδέτερων ατόμων κοντά στο απόλυτο μηδέν – επιτρέποντας στα υπερψυχρά άτομα να χρησιμοποιηθούν για την εξερεύνηση των κβαντικών ιδιοτήτων της ύλης. Ωστόσο, ακόμη και όταν διατηρούνται σε UHV, τα άτομα τελικά θα συγκρουστούν με το υπόλοιπο αέριο, βγάζοντας τα άτομα από την παγίδα.

Πρόσφατα, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι αυτό το πρόβλημα θα μπορούσε να μετατραπεί σε πλεονέκτημα για τη μέτρηση της πίεσης κενού. «Κατά την τελευταία δεκαετία, αρκετές ερευνητικές ομάδες εργάστηκαν για να χρησιμοποιήσουν την απώλεια ατόμου που προκαλείται από το αέριο υποβάθρου, η οποία είναι επιζήμια για τις περισσότερες εφαρμογές της κβαντικής επιστήμης, για τη μέτρηση της πίεσης κενού στην περιοχή UHV», εξηγεί ο Barker.

Οι πρόσφατες εξελίξεις στη θεωρία της κβαντικής σκέδασης υποδηλώνουν ότι ο ρυθμός με τον οποίο χάνονται τα άτομα από τις μαγνητικές παγίδες πρέπει να ποικίλλει προβλέψιμα και με συνέπεια με την πίεση που ασκείται από το αέριο υποβάθρου, ανεξάρτητα από τη σύνθεσή του. Ως αποτέλεσμα, αρκετές μελέτες έχουν διερευνήσει την ιδέα ότι οι μαγνητικές παγίδες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πρότυπα κενού ψυχρού ατόμου που καθορίζουν την πίεση χρησιμοποιώντας τον ρυθμό απώλειας παγιδευμένων ατόμων, χωρίς να απαιτείται βαθμονόμηση.

Δυναμική επέκταση

Στη μελέτη της, η ομάδα NIST παρουσίασε ότι ένα CAVS θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της πίεσης υπό συνθήκες UHV. Η μελέτη περιελάμβανε τη σύνδεση ενός ζεύγους CAVS σε ένα σύστημα δυναμικής επέκτασης, το οποίο θεωρείται από το NIST ως το χρυσό πρότυπο για τη μέτρηση κενού. Αυτά τα συστήματα λειτουργούν με έγχυση μιας γνωστής ποσότητας αερίου σε έναν θάλαμο κενού και στη συνέχεια αφαιρώντας το από το άλλο άκρο με προσεκτικά ελεγχόμενο ρυθμό.

«Το πρότυπο δυναμικής διαστολής ορίζει μια γνωστή πίεση κενού ενός γνωστού αερίου για τη μέτρηση των δύο CAVS», εξηγεί ο Barker. "Εάν η πίεση που ορίζεται από το πρότυπο δυναμικής διαστολής και η πίεση που μετράται από τα CAVS συμφωνούν εντός των αβεβαιοτήτων τους, τότε τα CAVS επικυρώνονται: είναι πραγματικά εγγενώς ακριβή πρότυπα πίεσης για εξαιρετικά υψηλό κενό."

Στο πείραμά τους, οι ερευνητές μέτρησαν διακυμάνσεις στους ρυθμούς σύγκρουσης μεταξύ παγιδευμένων, υπερψυχρά ατόμων λιθίου και ρουβιδίου, και μιας ποικιλίας ευγενών αερίων σε θερμοκρασία δωματίου. Ακριβώς όπως είχαν υποδείξει οι προηγούμενοι υπολογισμοί κβαντικής σκέδασης, οι ρυθμοί απώλειας που μέτρησαν από τα CAVS της μαγνητικής παγίδας ήταν ένα αξιόπιστο πρότυπο για την πίεση κενού.

Οι ενδείξεις πίεσης από ένα CAVS θα είναι αξιόπιστες ακόμη και χρόνια μετά την ανάπτυξη

Ντάνιελ Μπάρκερ

«Διαπιστώσαμε ότι τα CAVS και το πρότυπο δυναμικής επέκτασης βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία. αναφέρουν την ίδια πίεση κενού», λέει ο Barker. «Γνωρίζουμε τώρα ότι οι ενδείξεις πίεσης από ένα CAVS θα είναι αξιόπιστες ακόμη και χρόνια μετά την ανάπτυξη».

Μετά την επιτυχία τους, ο Eckel και η ομάδα ελπίζουν τώρα ότι τα ινστιτούτα μετρολογίας σε όλο τον κόσμο θα προσπαθήσουν να αναπαράγουν τα αποτελέσματά τους συγκρίνοντας τα CAVS με μετρήσεις πίεσης κενού που γίνονται χρησιμοποιώντας τα δικά τους πρότυπα δυναμικής επέκτασης. Εάν επιτευχθεί μια διεθνής συμφωνία, αναμένουν ότι οι πιέσεις κενού θα μπορούσαν σύντομα να μετρηθούν με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι με τους μετρητές ιονισμού - προς όφελος των ερευνητών που εργάζονται σε τομείς έρευνας αιχμής.

"Αναμένουμε ότι η μακροπρόθεσμη αξιοπιστία ενός CAVS μπορεί να είναι επωφελής σε εγκαταστάσεις επιταχυντών, ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων και εργοστάσια ημιαγωγών επόμενης γενιάς", λέει ο Barker. «Η NIST σχεδιάζει επίσης να αναπτύξει ένα CAVS ως πρότυπο βαθμονόμησης για μετρητές που παράγονται στο εμπόριο».

Η έρευνα περιγράφεται στο AVS Quantum Science.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής