อะตอมเย็นที่ใช้สร้างเกจวัดความดันที่เชื่อถือได้สำหรับสุญญากาศสูงพิเศษ – โลกฟิสิกส์

อะตอมเย็นที่ใช้สร้างเกจวัดความดันที่เชื่อถือได้สำหรับสุญญากาศสูงพิเศษ – โลกฟิสิกส์

Time Stamp: 5 กันยายน 2023 12:25 น.

ปั๊มสุญญากาศ NIST
แนวคิดเจ๋งๆ: Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt จาก NIST และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาและทดสอบเทคนิคที่ใช้อะตอมเย็นในการวัดความดันต่ำมาก (เอื้อเฟื้อโดย: NIST)

An effect that normally gets in the way of the magnetic trapping of atoms has been harnessed to create a new method for measuring pressure in ultrahigh vacuum (UHV) systems. สตีเฟน เอคเคิล, แดเนียล บาร์เกอร์, จูเลีย เชอร์ชลิกต์, จิม เฟดชัค and colleagues at the US National Institute of Standards and Technology (NIST) have shown that measurements made with a “cold-atom vacuum standard” (CAVS) match closely with a current standard technique for making UHV pressure measurements. The team believes that CAVSs could prove to be a more reliable way of measuring pressure than some existing techniques.

การใช้งานทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมจำนวนมากดำเนินการภายใต้เงื่อนไข UHV และจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องวัดแรงดันที่ต่ำมากในระบบดังกล่าวอย่างแม่นยำ โดยทั่วไปความดัน UHV จะน้อยกว่า 10-10  of atmospheric pressure and are usually measured using ionization gauges. These devices ionize some of the remaining (background) gas molecules in a vacuum and the ions are attracted to a negatively charged electrode. The resulting ion current is measured and this is translated into a pressure.

อย่างไรก็ตาม เกจไอออนไนซ์มีข้อเสียหลายประการ รวมถึงความจำเป็นในการสอบเทียบบ่อยครั้ง และความแม่นยำที่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของก๊าซพื้นหลัง ด้วยเหตุนี้ เกจเหล่านี้จึงมีความไม่แน่นอนในการวัดที่มีนัยสำคัญเมื่อใช้ใน UHV

อะตอมชนกัน

การดักจับอะตอมด้วยแม่เหล็กเป็นการใช้งานที่สำคัญภายใต้ UHV โดยเกี่ยวข้องกับการทำให้อะตอมที่เป็นกลางเย็นลงจนใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งช่วยให้อะตอมที่เย็นจัดเป็นพิเศษสามารถใช้เพื่อสำรวจคุณสมบัติควอนตัมของสสารได้ แม้ว่าเมื่อถูกกักไว้ใน UHV อะตอมก็จะชนกับก๊าซที่ตกค้างในที่สุด และทำให้อะตอมหลุดออกจากกับดัก

เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยได้ตระหนักว่าปัญหานี้อาจกลายเป็นข้อดีในการวัดแรงดันสุญญากาศได้ “ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา กลุ่มวิจัยหลายกลุ่มได้ทำงานเพื่อใช้การสูญเสียอะตอมที่เกิดจากก๊าซพื้นหลัง ซึ่งเป็นอันตรายต่อการประยุกต์ใช้วิทยาศาสตร์ควอนตัมส่วนใหญ่ เพื่อวัดความดันสุญญากาศในช่วง UHV” บาร์เกอร์อธิบาย

การพัฒนาล่าสุดในทฤษฎีการกระเจิงควอนตัมแนะนำว่าอัตราที่อะตอมสูญเสียจากกับดักแม่เหล็กจะต้องแปรผันอย่างคาดเดาได้และสอดคล้องกับความดันที่เกิดจากก๊าซพื้นหลัง โดยไม่คำนึงถึงองค์ประกอบของก๊าซ ด้วยเหตุนี้ มีงานวิจัยหลายชิ้นได้สำรวจแนวคิดที่ว่ากับดักแม่เหล็กสามารถใช้เป็นมาตรฐานสุญญากาศอะตอมเย็นที่กำหนดความดันโดยใช้อัตราการสูญเสียของอะตอมที่ติดอยู่ โดยไม่จำเป็นต้องสอบเทียบ

การขยายตัวแบบไดนามิก

In its study, the NIST team set out show that that a CAVS could be used to measure pressure under UHV conditions. The study involved attaching a pair of CAVSs to a dynamic expansion system, which is regarded by NIST as the gold standard for vacuum measurement. These systems work by injecting a known amount of gas into a vacuum chamber, then removing it from the other end at a carefully controlled rate.

“The dynamic expansion standard sets a known vacuum pressure of a known gas for the two CAVSs to measure,” Barker explains. “If the pressure set by the dynamic expansion standard and the pressure measured by the CAVSs agree within their uncertainties, then the CAVSs are validated: they are truly intrinsically accurate pressure standards for ultrahigh vacuum.”

In their experiment, the researchers measured variations in collision rates between trapped, ultracold atoms of lithium and rubidium, and a variety of room-temperature noble gases. Just as previous quantum scattering calculations had suggested, the loss rates they measured from the magnetic trap CAVSs were a reliable standard for vacuum pressure.

การอ่านค่าแรงดันจาก CAVS จะเชื่อถือได้แม้หลายปีหลังจากการปรับใช้

แดเนียล บาร์เกอร์

“เราพบว่า CAVS และมาตรฐานการขยายแบบไดนามิกมีข้อตกลงที่ดีมาก พวกเขารายงานแรงดันสุญญากาศเท่ากัน” บาร์เกอร์กล่าว “ตอนนี้เรารู้แล้วว่าการอ่านค่าแรงกดดันจาก CAVS จะเชื่อถือได้แม้ว่าจะใช้งานหลายปีก็ตาม”

Following their success, Eckel and team now hope metrology institutes around the world will try to replicate their results by comparing CAVSs with vacuum pressure measurements made using their own dynamic expansion standards. If an international agreement can be reached, they expect that vacuum pressures could soon be routinely measured far more accurately than with ionization gauges – to the benefit of researchers working in cutting-edge areas of research.

"เราคาดว่าความน่าเชื่อถือในระยะยาวของ CAVS อาจเป็นประโยชน์ในโรงงานเร่งความเร็ว เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง และโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์รุ่นต่อไป" บาร์เกอร์กล่าว “NIST ยังวางแผนที่จะพัฒนา CAVS ให้เป็นมาตรฐานการสอบเทียบสำหรับเกจที่ผลิตในเชิงพาณิชย์”

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน AVS วิทยาศาสตร์ควอนตัม.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์