冷原子用于制造可靠的超高真空压力表 – 物理世界

冷原子用于制造可靠的超高真空压力表 – 物理世界

时间戳记：5年2023月12日下午25:XNUMX

NIST真空泵
很酷的想法：NIST 的 Daniel Barker、Steve Eckel、Jim Fedchak、Julia Scherschligt 及其同事开发并测试了一种使用冷原子测量超低压的技术。 （由美国国家标准技术研究所提供）

人们利用通常阻碍原子磁捕获的效应创建了一种测量超高真空 (UHV) 系统压力的新方法。 史蒂芬·埃克尔, 丹尼尔·巴克, 朱莉娅·舍施利特, 吉姆·费查克 美国国家标准与技术研究所 (NIST) 和同事的研究表明，使用“冷原子真空标准”(CAVS) 进行的测量与当前进行 UHV 压力测量的标准技术非常匹配。 该团队相信 CAVS 可能被证明是比某些现有技术更可靠的压力测量方法。

科学和工业中的许多应用都是在特高压条件下完成的，准确测量此类系统中的极低压力至关重要。 特高压压力通常小于 10 - 10  大气压力，通常使用电离计进行测量。 这些设备在真空中电离一些剩余的（背景）气体分子，离子被吸引到带负电的电极。 测量产生的离子电流并将其转换为压力。

然而，电离计有几个缺点，包括需要频繁校准； 精度取决于背景气体的成分。 因此，这些仪表在特高压中使用时可能具有显着的测量不确定性。

原子碰撞

原子的磁捕获是在特高压下完成的一项重要应用。 它涉及将中性原子冷却到接近绝对零——允许使用超冷原子来探索物质的量子特性。 然而，即使在超高真空中，原子最终也会与残余气体碰撞，将原子从陷阱中撞出。

最近，研究人员意识到这个问题可以转化为测量真空压力的优势。 “在过去的十年中，几个研究小组一直致力于利用背景气体引起的原子损失来测量特高压范围内的真空压力，这对大多数量子科学应用都是有害的，”巴克解释道。

量子散射理论的最新发展表明，原子从磁阱中丢失的速率必须可预测地变化，并且与背景气体施加的压力一致，无论其成分如何。 因此，一些研究探索了这样的想法：磁阱可以用作冷原子真空标准，利用被捕获原子的损失率来确定压力，而无需校准。

动态扩展

NIST 团队在其研究中表明，CAVS 可用于测量特高压条件下的压力。 该研究涉及将一对 CAVS 连接到动态膨胀系统，该系统被 NIST 视为真空测量的黄金标准。 这些系统的工作原理是将已知量的气体注入真空室，然后以仔细控制的速率从另一端取出。

“动态膨胀标准设置了已知气体的已知真空压力，供两个 CAVS 进行测量，”Barker 解释道。 “如果动态膨胀标准设定的压力与 CAVS 测量的压力在其不确定度范围内一致，则 CAVS 得到验证：它们是真正本质上准确的超高真空压力标准。”

在实验中，研究人员测量了被捕获的超冷锂原子和铷原子与各种室温稀有气体之间碰撞率的变化。 正如之前的量子散射计算所表明的那样，他们从磁阱 CAVS 测量到的损耗率是真空压力的可靠标准。

即使在部署多年后，CAVS 的压力读数仍然值得信赖

丹尼尔·巴克

“我们发现 CAVS 和动态扩展标准非常吻合； 他们报告了相同的真空压力，”巴克说。 “我们现在知道，即使在部署多年后，CAVS 的压力读数也是值得信赖的。”

继成功之后，Eckel 和团队现在希望世界各地的计量机构能够通过将 CAVS 与使用自己的动态膨胀标准进行的真空压力测量进行比较来尝试复制他们的结果。 如果能够达成国际协议，他们预计真空压力很快就能比电离真空计更准确地进行常规测量，这将有利于从事尖端研究领域的研究人员。

Barker 表示：“我们预计 CAVS 的长期可靠性可能对加速器设施、引力波探测器和下一代半导体工厂有利。” “NIST 还计划开发 CAVS 作为商业生产的仪表的校准标准。”

该研究描述于 AVS 量子科学.

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