Nguyên tử lạnh được sử dụng để tạo ra máy đo áp suất đáng tin cậy cho chân không siêu cao – Vật lý Thế giới

Nguyên tử lạnh được sử dụng để tạo ra máy đo áp suất đáng tin cậy cho chân không siêu cao – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: 5:2023 PM ngày 12 tháng 25 năm XNUMX

bơm chân không NIST
Ý tưởng hay: Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt và các đồng nghiệp của NIST đã phát triển và thử nghiệm một kỹ thuật sử dụng các nguyên tử lạnh để đo áp suất cực thấp. (Được phép: NIST)

Một hiệu ứng thường cản trở bẫy từ tính của các nguyên tử vừa được khai thác để tạo ra một phương pháp mới đo áp suất trong các hệ chân không siêu cao (UHV). Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak và các đồng nghiệp tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã chỉ ra rằng các phép đo được thực hiện bằng “tiêu chuẩn chân không nguyên tử lạnh” (CAVS) rất khớp với một kỹ thuật tiêu chuẩn hiện hành để thực hiện các phép đo áp suất UHV. Đội nghiên cứu tin rằng CAVS có thể tỏ ra là phương pháp đo áp suất đáng tin cậy hơn một số kỹ thuật hiện có.

Nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghiệp được thực hiện trong điều kiện UHV và điều quan trọng là áp suất rất thấp trong các hệ thống như vậy phải được đo chính xác. Áp suất UHV thường nhỏ hơn 10-10  áp suất khí quyển và thường được đo bằng máy đo ion hóa. Các thiết bị này ion hóa một số phân tử khí (nền) còn lại trong chân không và các ion bị hút vào một điện cực tích điện âm. Dòng ion thu được sẽ được đo và chuyển thành áp suất.

Tuy nhiên, máy đo độ ion hóa có một số nhược điểm bao gồm cần phải hiệu chuẩn thường xuyên; và độ chính xác phụ thuộc vào thành phần của khí nền. Do đó, các đồng hồ đo này có thể có độ không đảm bảo đo đáng kể khi sử dụng trong UHV.

Nguyên tử va chạm

Bẫy từ tính của các nguyên tử là một ứng dụng quan trọng được thực hiện trong UHV. Nó liên quan đến việc làm lạnh các nguyên tử trung tính đến gần độ không tuyệt đối – cho phép sử dụng các nguyên tử cực lạnh để khám phá các tính chất lượng tử của vật chất. Tuy nhiên, ngay cả khi được giữ trong UHV, các nguyên tử cuối cùng sẽ va chạm với khí dư, đẩy các nguyên tử ra khỏi bẫy.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng vấn đề này có thể trở thành một lợi thế cho việc đo áp suất chân không. Barker giải thích: “Trong thập kỷ qua, một số nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu sử dụng sự mất mát nguyên tử do khí nền gây ra, điều gây bất lợi cho hầu hết các ứng dụng khoa học lượng tử, để đo áp suất chân không trong phạm vi UHV”.

Những phát triển gần đây trong lý thuyết tán xạ lượng tử cho thấy rằng tốc độ nguyên tử bị mất khỏi bẫy từ phải thay đổi có thể dự đoán được và nhất quán với áp suất do khí nền gây ra, bất kể thành phần của nó như thế nào. Kết quả là, một số nghiên cứu đã khám phá ý tưởng rằng bẫy từ có thể được sử dụng làm tiêu chuẩn chân không nguyên tử lạnh để xác định áp suất bằng cách sử dụng tốc độ tổn thất của các nguyên tử bị bẫy mà không cần hiệu chuẩn.

Mở rộng động

Trong nghiên cứu của mình, nhóm NIST đã chứng minh rằng CAVS có thể được sử dụng để đo áp suất trong điều kiện UHV. Nghiên cứu liên quan đến việc gắn một cặp CAVS vào một hệ thống giãn nở động, được NIST coi là tiêu chuẩn vàng để đo chân không. Các hệ thống này hoạt động bằng cách bơm một lượng khí đã biết vào buồng chân không, sau đó loại bỏ nó khỏi đầu kia với tốc độ được kiểm soát cẩn thận.

Barker giải thích: “Tiêu chuẩn giãn nở động đặt ra áp suất chân không đã biết của một loại khí đã biết để hai CAVS đo lường”. “Nếu áp suất do tiêu chuẩn giãn nở động đặt ra và áp suất được đo bởi CAVS phù hợp với độ không đảm bảo của chúng, thì CAVS được xác nhận: chúng thực sự là tiêu chuẩn áp suất chính xác về bản chất cho chân không siêu cao.”

Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã đo lường sự thay đổi về tốc độ va chạm giữa các nguyên tử cực lạnh bị mắc kẹt của lithium và rubidium và nhiều loại khí hiếm ở nhiệt độ phòng. Đúng như những tính toán tán xạ lượng tử trước đây đã đề xuất, tốc độ tổn hao mà họ đo được từ CAVS bẫy từ là một tiêu chuẩn đáng tin cậy cho áp suất chân không.

Kết quả đo áp suất từ ​​CAVS sẽ đáng tin cậy thậm chí nhiều năm sau khi triển khai

Daniel Barker

“Chúng tôi nhận thấy rằng CAVS và tiêu chuẩn mở rộng động có sự thống nhất rất tốt; họ báo cáo áp suất chân không giống nhau,” Barker nói. “Bây giờ chúng tôi biết rằng kết quả đo áp suất từ ​​CAVS sẽ đáng tin cậy thậm chí nhiều năm sau khi triển khai.”

Sau thành công của họ, Eckel và nhóm nghiên cứu hiện hy vọng các viện đo lường trên khắp thế giới sẽ cố gắng tái tạo kết quả của họ bằng cách so sánh CAVS với các phép đo áp suất chân không được thực hiện bằng các tiêu chuẩn giãn nở động của riêng họ. Nếu có thể đạt được một thỏa thuận quốc tế, họ hy vọng rằng áp suất chân không có thể sớm được đo thường xuyên chính xác hơn nhiều so với các máy đo ion hóa – mang lại lợi ích cho các nhà nghiên cứu làm việc trong các lĩnh vực nghiên cứu tiên tiến.

Barker cho biết: “Chúng tôi dự đoán rằng độ tin cậy lâu dài của CAVS có thể mang lại lợi ích trong các cơ sở máy gia tốc, máy dò sóng hấp dẫn và các nhà máy bán dẫn thế hệ tiếp theo”. “NIST cũng có kế hoạch phát triển CAVS làm tiêu chuẩn hiệu chuẩn cho các máy đo được sản xuất thương mại.”

Nghiên cứu được mô tả trong Khoa học lượng tử AVS.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý