초고진공을 위한 신뢰할 수 있는 압력 게이지를 만드는 데 사용되는 저온 원자

플라톤에 의해 재발행

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NIST 진공 펌프 — 멋진 아이디어: NIST의 Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt 및 동료들은 저온 원자를 사용하여 초저압을 측정하는 기술을 개발하고 테스트했습니다. (제공: NIST)

일반적으로 원자의 자기 포획을 방해하는 효과를 활용하여 초고진공(UHV) 시스템에서 압력을 측정하는 새로운 방법을 개발했습니다. 스티븐 에켈, 다니엘 바커, 줄리아 셰르슐릭트, 짐 페드차크 미국 국립 표준 기술 연구소(NIST)의 동료들은 "저온 원자 진공 표준"(CAVS)을 사용한 측정이 UHV 압력 측정을 위한 현재 표준 기술과 밀접하게 일치한다는 것을 보여주었습니다. 팀은 CAVS가 기존 기술보다 더 신뢰할 수 있는 압력 측정 방법이 될 수 있다고 믿습니다.

과학 및 산업 분야의 많은 응용 분야는 UHV 조건에서 수행되며 이러한 시스템의 매우 낮은 압력을 정확하게 측정하는 것이 중요합니다. UHV 압력은 일반적으로 10 미만입니다.^{- 10} 대기압이며 일반적으로 이온화 게이지를 사용하여 측정됩니다. 이러한 장치는 진공 상태에서 나머지(배경) 가스 분자 중 일부를 이온화하고 이온은 음전하를 띤 전극으로 끌어당겨집니다. 결과적인 이온 전류가 측정되고 이는 압력으로 변환됩니다.

그러나 이온화 게이지에는 빈번한 교정이 필요하다는 점을 포함하여 몇 가지 단점이 있습니다. 배경 가스의 구성에 따라 정확도가 달라집니다. 결과적으로 이러한 게이지는 UHV에 사용될 때 상당한 측정 불확실성을 가질 수 있습니다.

충돌하는 원자

원자의 자기 트래핑은 UHV에서 수행되는 중요한 응용 분야입니다. 여기에는 중성 원자를 절대 영도에 가깝게 냉각시키는 작업이 포함됩니다. 이를 통해 초저온 원자를 사용하여 물질의 양자 특성을 탐색할 수 있습니다. 그러나 UHV에 보관되더라도 원자는 결국 잔류 가스와 충돌하여 원자를 트랩 밖으로 밀어냅니다.

최근 연구자들은 이 문제가 진공 압력 측정에 이점이 될 수 있다는 것을 깨달았습니다. Barker는 "지난 XNUMX년 동안 여러 연구 그룹에서 대부분의 양자 과학 응용 분야에 해로운 배경 가스로 인한 원자 손실을 사용하여 UHV 범위의 진공 압력을 측정하기 위해 노력해 왔습니다."라고 설명합니다.

양자 산란 이론의 최근 발전은 자기 트랩에서 원자가 손실되는 속도가 그 구성에 관계없이 배경 가스에 의해 가해지는 압력에 따라 예측 가능하고 일관되게 달라야 함을 시사합니다. 결과적으로 여러 연구에서는 교정이 필요하지 않고 갇힌 원자의 손실률을 사용하여 압력을 결정하는 저온 원자 진공 표준으로 자기 트랩을 사용할 수 있다는 아이디어를 탐구했습니다.

동적 확장

연구에서 NIST 팀은 CAVS가 UHV 조건에서 압력을 측정하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 이 연구에서는 NIST에서 진공 측정의 표준으로 간주하는 동적 팽창 시스템에 한 쌍의 CAVS를 연결하는 작업이 포함되었습니다. 이러한 시스템은 알려진 양의 가스를 진공 챔버에 주입한 다음 신중하게 제어된 속도로 반대쪽 끝에서 가스를 제거하는 방식으로 작동합니다.

Barker는 “동적 팽창 표준은 두 개의 CAVS가 측정할 알려진 가스의 알려진 진공 압력을 설정합니다.”라고 설명합니다. "동적 팽창 표준에 의해 설정된 압력과 CAVS에 의해 측정된 압력이 불확실성 내에서 일치하면 CAVS는 검증됩니다. CAVS는 초고진공에 대한 본질적으로 정확한 압력 표준입니다."

실험에서 연구원들은 갇혀 있는 초저온 리튬 및 루비듐 원자와 다양한 실온 비활성 기체 사이의 충돌 속도 변화를 측정했습니다. 이전의 양자 산란 계산이 제안한 것처럼 자기 트랩 CAVS에서 측정한 손실률은 진공 압력에 대한 신뢰할 수 있는 표준이었습니다.

CAVS의 압력 판독값은 배포 후 몇 년이 지나도 신뢰할 수 있습니다.

다니엘 바커

“우리는 CAVS와 동적 확장 표준이 매우 잘 일치한다는 것을 발견했습니다. 그들은 동일한 진공 압력을 보고합니다.”라고 Barker는 말합니다. "이제 우리는 CAVS의 압력 판독값이 배포 후 몇 년이 지나도 신뢰할 수 있다는 것을 알고 있습니다."

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성공에 이어 Eckel과 팀은 이제 전 세계 계측 기관이 자체 동적 팽창 표준을 사용하여 수행된 진공 압력 측정과 CAVS를 비교하여 결과를 재현하기를 희망합니다. 국제적 합의가 이루어지면 머지않아 이온화 게이지를 사용하는 것보다 훨씬 더 정확하게 진공 압력을 일상적으로 측정할 수 있을 것으로 예상됩니다. 이는 최첨단 연구 분야에서 일하는 연구원들에게 도움이 될 것입니다.

Barker는 “우리는 CAVS의 장기적인 신뢰성이 가속기 시설, 중력파 탐지기 및 차세대 반도체 제조에 유리할 것으로 기대합니다.”라고 말했습니다. "NIST는 또한 상업적으로 생산되는 게이지의 교정 표준으로 CAVS를 개발할 계획입니다."

연구는 다음에 설명되어 있습니다. AVS 양자 과학.