低温原子を使用して超高真空用の信頼性の高い圧力計を作成 – Physics World

通常は原子の磁気トラップの妨げとなる効果を利用して、超高真空 (UHV) システム内の圧力を測定する新しい方法が開発されました。 スティーブン・エッケル, ダニエル・バーカー, ジュリア・シェルシ​​ュリグト, ジム・フェチャック 米国標準技術研究所 (NIST) の研究者らは、「冷原子真空標準」(CAVS) で行われた測定が、UHV 圧力測定を行うための現在の標準技術と密接に一致していることを示しました。研究チームは、CAVS が既存の技術よりも信頼性の高い圧力測定方法となる可能性があると考えています。

科学や産業における多くのアプリケーションは UHV 条件下で行われており、そのようなシステム内の非常に低い圧力を正確に測定することが重要です。 UHV 圧力は通常 10 未満です^-10  通常は電離真空計を使用して測定されます。これらのデバイスは、真空中に残っている (バックグラウンド) ガス分子の一部をイオン化し、イオンは負に帯電した電極に引き寄せられます。結果として生じるイオン電流が測定され、これが圧力に変換されます。

ただし、電離真空計には、頻繁に校正が必要であるなど、いくつかの欠点があります。 精度はバックグラウンドガスの組成に依存します。 その結果、これらのゲージを UHV で使用すると、測定に大きな不確実性が生じる可能性があります。

原子の衝突

原子の磁気トラップは、超高真空下で行われる重要な用途です。 これには、中性原子を絶対零度近くまで冷却することが含まれており、極低温の原子を物質の量子特性の探索に使用できるようになります。 しかし、UHV 内に保持されている場合でも、原子は最終的に残留ガスと衝突し、原子がトラップから弾き出されます。

最近、研究者らは、この問題が真空圧測定の利点に変わる可能性があることに気づきました。 「過去 XNUMX 年間、いくつかの研究グループが、ほとんどの量子科学アプリケーションにとって有害で​​あるバックグラウンドガスによる原子損失を利用して、UHV 範囲の真空圧力を測定することに取り組んできました」と Barker 氏は説明します。

量子散乱理論の最近の発展は、原子が磁気トラップから失われる速度が、バックグラウンドガスの組成に関係なく、バックグラウンドガスによって加えられる圧力に応じて予測可能かつ一貫して変化するはずであることを示唆しています。 その結果、いくつかの研究では、磁気トラップを、校正を必要とせずに、トラップされた原子の損失率を使用して圧力を決定する冷原子真空標準として使用できるというアイデアを検討しました。

動的拡張

NIST チームは研究の中で、CAVS を使用して UHV 条件下での圧力を測定できることを示しました。この研究には、NIST によって真空測定のゴールドスタンダードとみなされている動的膨張システムに 1 対の CAVS を取り付けることが含まれていました。これらのシステムは、既知の量のガスを真空チャンバーに注入し、慎重に制御された速度でもう一方の端からガスを除去することによって機能します。

「動的膨張標準は、2 つの CAVS が測定する既知のガスの既知の真空圧を設定します」と Barker 氏は説明します。 「動的膨張標準によって設定された圧力と CAVS によって測定された圧力が不確実性の範囲内で一致する場合、CAVS は検証されます。CAVS は真に本質的に正確な超高真空用の圧力標準です。」

研究者らは実験で、閉じ込められた極低温のリチウムとルビジウムの原子と、室温のさまざまな希ガスとの間の衝突率の変化を測定した。以前の量子散乱計算が示唆していたように、磁気トラップ CAVS から測定された損失率は真空圧力の信頼できる基準でした。

CAVS からの圧力測定値は、導入後何年も経っても信頼できます。

ダニエル・バーカー

「CAVS と動的拡張標準が非常によく一致していることがわかりました。 彼らは同じ真空圧を報告しています」とバーカー氏は言います。 「CAVS からの圧力測定値は、配備後何年経っても信頼できることがわかりました。」

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この成功を受けて、エッケル氏とチームは現在、世界中の計測機関が CAVS と独自の動的膨張基準を使用して作成された真空圧力測定値を比較することで、その結果を再現することを試みることを望んでいます。国際的な合意に達することができれば、間もなく真空圧力を電離真空計よりもはるかに正確に日常的に測定できるようになり、最先端の研究分野に取り組む研究者の利益になると彼らは期待している。

「CAVS の長期信頼性は、加速器施設、重力波検出器、次世代半導体ファブにおいて有利になる可能性があると我々は予想しています」と Barker 氏は言います。 「NIST は、市販のゲージの校正標準として CAVS を開発することも計画しています。」

研究はで説明されています AVS量子科学.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/cold-atoms-used-to-create-reliable-pressure-gauge-for-ultra-high-vacuum/