Ultra yüksek vakum için güvenilir basınç göstergesi oluşturmak için kullanılan soğuk atomlar - Fizik Dünyası

Ultra yüksek vakum için güvenilir basınç göstergesi oluşturmak için kullanılan soğuk atomlar - Fizik Dünyası

Zaman Damgası: 5 Eylül 2023 12:25

NIST vakum pompası
Harika fikir: NIST'ten Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt ve meslektaşları, çok düşük basınçları ölçmek için soğuk atomları kullanan bir teknik geliştirdiler ve test ettiler. (Nezaket: NIST)

Normalde atomların manyetik olarak yakalanmasının önüne geçen bir etki, ultra yüksek vakum (UHV) sistemlerinde basıncı ölçmek için yeni bir yöntem oluşturmak üzere kullanıldı. Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak ve ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (NIST) meslektaşları, "soğuk atom vakum standardı" (CAVS) ile yapılan ölçümlerin, UHV basınç ölçümleri yapmaya yönelik mevcut standart teknikle yakından eşleştiğini gösterdi. Ekip, CAVS'lerin basıncı ölçmenin mevcut bazı tekniklerden daha güvenilir bir yol olabileceğini kanıtlayabileceğine inanıyor.

Bilim ve endüstrideki pek çok uygulama UHV koşullarında yapılmaktadır ve bu tür sistemlerde çok düşük basınçların doğru bir şekilde ölçülmesi büyük önem taşımaktadır. UHV basınçları tipik olarak 10'dan azdır-10  atmosferik basınçtır ve genellikle iyonizasyon göstergeleri kullanılarak ölçülür. Bu cihazlar, kalan (arka plan) gaz moleküllerinin bir kısmını vakumda iyonize eder ve iyonlar, negatif yüklü bir elektrot tarafından çekilir. Ortaya çıkan iyon akımı ölçülür ve bu bir basınca dönüştürülür.

Ancak iyonizasyon ölçüm cihazlarının sık kalibrasyon ihtiyacı da dahil olmak üzere çeşitli dezavantajları vardır; ve arka plan gazının bileşimine bağlı bir doğruluk. Sonuç olarak, bu göstergeler UHV'de kullanıldığında önemli ölçüm belirsizliklerine sahip olabilir.

Çarpışan atomlar

Atomların manyetik olarak yakalanması UHV kapsamında yapılan önemli bir uygulamadır. Nötr atomların mutlak sıfıra yakına kadar soğutulmasını içerir; bu da ultra soğuk atomların maddenin kuantum özelliklerini araştırmak için kullanılmasına olanak tanır. Ancak UHV'de tutulduğunda bile atomlar eninde sonunda artık gazla çarpışacak ve atomları tuzaktan dışarı atacaktır.

Son zamanlarda araştırmacılar bu sorunun vakum basıncını ölçmek için bir avantaja dönüştürülebileceğini fark ettiler. Barker şöyle açıklıyor: "Son on yılda, birçok araştırma grubu, UHV aralığında vakum basıncını ölçmek için çoğu kuantum bilimi uygulaması için zararlı olan, arka plandaki gazın neden olduğu atom kaybını kullanmak için çalıştı."

Kuantum saçılma teorisindeki son gelişmeler, atomların manyetik tuzaklardan kaybolma hızının, bileşimi ne olursa olsun, arka plandaki gazın uyguladığı basınçla tahmin edilebilir ve tutarlı bir şekilde değişmesi gerektiğini göstermektedir. Sonuç olarak, birçok çalışma, manyetik tuzakların, herhangi bir kalibrasyon gerektirmeden, sıkışan atomların kayıp oranını kullanarak basıncı belirleyen soğuk atom vakum standartları olarak kullanılabileceği fikrini araştırdı.

Dinamik genişleme

NIST ekibi, çalışmasında UHV koşulları altında basıncı ölçmek için bir CAVS'nin kullanılabileceğini gösterdi. Çalışma, NIST tarafından vakum ölçümünde altın standart olarak kabul edilen dinamik bir genişleme sistemine bir çift CAVS'nin eklenmesini içeriyordu. Bu sistemler, bilinen miktarda gazın bir vakum odasına enjekte edilmesi ve ardından bu gazın diğer uçtan dikkatli bir şekilde kontrol edilen bir hızda çıkarılmasıyla çalışır.

Barker, "Dinamik genleşme standardı, iki CAVS'nin ölçeceği bilinen bir gazın bilinen vakum basıncını belirler" diye açıklıyor. "Dinamik genleşme standardı tarafından belirlenen basınç ve CAVS'ler tarafından ölçülen basınç kendi belirsizlikleri dahilinde uyuşuyorsa, o zaman CAVS'ler doğrulanır: bunlar ultra yüksek vakum için gerçekten doğası gereği doğru basınç standartlarıdır."

Araştırmacılar deneylerinde, hapsedilmiş ultra soğuk lityum ve rubidyum atomları ile oda sıcaklığındaki çeşitli soy gazlar arasındaki çarpışma oranlarındaki değişiklikleri ölçtüler. Önceki kuantum saçılım hesaplamalarının önerdiği gibi, manyetik tuzak CAVS'lerinden ölçtükleri kayıp oranları, vakum basıncı için güvenilir bir standarttı.

CAVS'den alınan basınç okumaları, dağıtımdan yıllar sonra bile güvenilir olacaktır

Daniel Barker

"CAVS'lerin ve dinamik genişleme standardının çok iyi bir uyum içinde olduğunu gördük; aynı vakum basıncını bildiriyorlar” diyor Barker. "Artık CAVS'den alınan basınç okumalarının, konuşlandırıldıktan yıllar sonra bile güvenilir olacağını biliyoruz."

Eckel ve ekibi, başarılarının ardından artık dünyanın dört bir yanındaki metroloji enstitülerinin, CAVS'leri kendi dinamik genişleme standartlarını kullanarak yapılan vakum basıncı ölçümleriyle karşılaştırarak sonuçlarını kopyalamaya çalışacaklarını umuyor. Uluslararası bir anlaşmaya varılabilirse, vakum basınçlarının yakın zamanda rutin olarak iyonizasyon ölçüm cihazlarıyla olduğundan çok daha doğru bir şekilde ölçülebileceğini ve bu durumun ileri araştırma alanlarında çalışan araştırmacıların yararına olabileceğini umuyorlar.

Barker, "CAVS'nin uzun vadeli güvenilirliğinin hızlandırıcı tesislerde, yerçekimsel dalga dedektörlerinde ve yeni nesil yarı iletken fabrikalarda avantajlı olabileceğini öngörüyoruz" diyor. "NIST ayrıca ticari olarak üretilen ölçüm cihazları için kalibrasyon standardı olarak bir CAVS geliştirmeyi planlıyor."

Araştırma şu şekilde açıklanmaktadır: AVS Kuantum Bilimi.

Zaman Damgası:

Den fazla Fizik dünyası