Холодные атомы используются для создания надежного манометра для сверхвысокого вакуума

Холодные атомы используются для создания надежного манометра для сверхвысокого вакуума

Отметка времени: 5 сентября 2023 г., 12:25

Вакуумный насос НИСТ
Классная идея: Дэниел Баркер, Стив Экель, Джим Федчак, Джулия Шершлигт и коллеги из NIST разработали и протестировали метод, использующий холодные атомы для измерения сверхнизких давлений. (Фото любезно предоставлено НИСТ)

Эффект, который обычно мешает магнитному захвату атомов, был использован для создания нового метода измерения давления в системах сверхвысокого вакуума (СВВ). Стивен Экель, Дэниел Баркер, Юлия Шершлигт, Джим Федчак и его коллеги из Национального института стандартов и технологий США (NIST) показали, что измерения, выполненные с помощью «вакуумного стандарта холодного атома» (CAVS), близко соответствуют современной стандартной методике измерения сверхвысокого давления. Команда считает, что CAVS может оказаться более надежным способом измерения давления, чем некоторые существующие методы.

Многие приложения в науке и промышленности выполняются в условиях сверхвысокого давления, и крайне важно, чтобы очень низкие давления в таких системах измерялись точно. Давление сверхвысокого давления обычно составляет менее 10-10  атмосферного давления и обычно измеряются с помощью ионизационных датчиков. Эти устройства ионизируют некоторые оставшиеся (фоновые) молекулы газа в вакууме, и ионы притягиваются к отрицательно заряженному электроду. Результирующий ионный ток измеряется и преобразуется в давление.

Однако ионизационные датчики имеют ряд недостатков, включая необходимость частой калибровки; и точность, которая зависит от состава фонового газа. В результате эти манометры могут иметь значительную погрешность измерений при использовании в сверхвысоком давлении.

Сталкивающиеся атомы

Магнитный захват атомов — важное применение, реализуемое в условиях сверхвысокого напряжения. Он предполагает охлаждение нейтральных атомов почти до абсолютного нуля, что позволяет использовать ультрахолодные атомы для исследования квантовых свойств материи. Тем не менее, даже находясь в сверхвысоком вакууме, атомы в конечном итоге сталкиваются с остаточным газом, выбивая атомы из ловушки.

Недавно исследователи поняли, что эту проблему можно превратить в преимущество при измерении вакуумного давления. «За последнее десятилетие несколько исследовательских групп работали над использованием потери атомов, вызванной фоновым газом, что вредно для большинства приложений квантовой науки, для измерения вакуумного давления в сверхвысоком диапазоне», — объясняет Баркер.

Недавние разработки в области квантовой теории рассеяния предполагают, что скорость, с которой атомы теряются из магнитных ловушек, должна предсказуемо и последовательно изменяться в зависимости от давления, оказываемого фоновым газом, независимо от его состава. В результате в нескольких исследованиях была изучена идея о том, что магнитные ловушки могут использоваться в качестве вакуумных стандартов холодных атомов, которые определяют давление, используя скорость потери захваченных атомов, без необходимости калибровки.

Динамическое расширение

В своем исследовании команда NIST продемонстрировала, что CAVS можно использовать для измерения давления в условиях сверхвысокого давления. Исследование включало подключение пары CAVS к системе динамического расширения, которую NIST считает золотым стандартом измерения вакуума. Эти системы работают, впрыскивая известное количество газа в вакуумную камеру, а затем удаляя его с другого конца с тщательно контролируемой скоростью.

«Стандарт динамического расширения устанавливает известное вакуумное давление известного газа для измерения двумя CAVS», — объясняет Баркер. «Если давление, установленное стандартом динамического расширения, и давление, измеренное с помощью CAVS, совпадают в своих погрешностях, тогда CAVS валидированы: они действительно являются действительно точными стандартами давления для сверхвысокого вакуума».

В своем эксперименте исследователи измерили изменения в частоте столкновений между пойманными в ловушку ультрахолодными атомами лития и рубидия, а также различными благородными газами при комнатной температуре. Как и предполагали предыдущие расчеты квантового рассеяния, скорости потерь, измеренные ими с помощью CAVS магнитной ловушки, были надежным стандартом вакуумного давления.

Показания давления CAVS будут достоверными даже спустя годы после развертывания.

Дэниел Баркер

«Мы обнаружили, что CAVS и стандарт динамического расширения очень хорошо согласуются; они сообщают об одном и том же вакуумном давлении», — говорит Баркер. «Теперь мы знаем, что показания давления CAVS будут достоверными даже спустя годы после развертывания».

После своего успеха Экель и его команда теперь надеются, что метрологические институты по всему миру попытаются повторить их результаты, сравнивая CAVS с измерениями вакуумного давления, выполненными с использованием их собственных стандартов динамического расширения. Если будет достигнуто международное соглашение, они ожидают, что вакуумное давление вскоре можно будет регулярно измерять гораздо точнее, чем с помощью ионизационных датчиков, что принесет пользу исследователям, работающим в передовых областях исследований.

«Мы ожидаем, что долгосрочная надежность CAVS может быть полезна в ускорительных установках, детекторах гравитационных волн и полупроводниковых фабриках следующего поколения», — говорит Баркер. «NIST также планирует разработать CAVS в качестве калибровочного стандарта для манометров коммерческого производства».

Исследование описано в Квантовая наука AVS.

Отметка времени:

Больше от Мир физики