新真空測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)首次測(cè)試！
新真空測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)首次測(cè)試！
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 的研究人員發(fā)明的一種基于量子的新型真空計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)了第 一次測(cè)試。此標(biāo)準(zhǔn)本質(zhì)上是準(zhǔn)確的，無(wú)需校準(zhǔn)，它的出現(xiàn)將成為真正意義上的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。
NIST 科學(xué)家 Stephen Eckel 將 pCAVS 單元（中心左側(cè)的銀色立方體）連接到真空室（右側(cè)的圓柱體）。圖片來(lái)源：C. Suplee/NIST
精密壓力測(cè)量對(duì)于半導(dǎo)體制造商來(lái)說(shuō)是必須的，在真空室中逐層制造芯片，其工作壓力等于相當(dāng)于大氣壓力的千億分之一，必須嚴(yán)格控制該環(huán)境以確保產(chǎn)品質(zhì)量。
NIST 高級(jí)項(xiàng)目科學(xué)家 Stephen Eckel 說(shuō)：“下一代半導(dǎo)體制造、量子技術(shù)和粒子加速型實(shí)驗(yàn)都需要精密的真空測(cè)量系統(tǒng)。”
目前，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)和研究設(shè)備都使用傳統(tǒng)的高真空傳感器，該傳感器基于當(dāng)腔室中的稀有氣體分子被電子源電離（帶電）時(shí)檢測(cè)到的電流。隨著時(shí)間的推移，這些電離計(jì)可能變得不準(zhǔn)確，需要定期重新校準(zhǔn)。
相比之下，NIST 的系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量它們對(duì)被捕獲的鋰原子微觀簇的影響來(lái)測(cè)量真空室中剩余的氣體分子（通常是氫）的數(shù)量，該原子簇被冷卻到絕對(duì)零度以上的千分之幾度并被激光照亮。它不需要校準(zhǔn)，因?yàn)殇囋雍蜌浞肿又g的相互作用動(dòng)力學(xué)可以根據(jù)第 一原理精確計(jì)算。
這種便攜式冷原子真空標(biāo)準(zhǔn) (pCAVS）體積為 1.3 升，不包括激光系統(tǒng)，可以很容易地連接到真空室；一個(gè)狹窄的通道將腔室內(nèi)部連接到 pCAVS 核心。在近一系列實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)科學(xué)家將兩個(gè) pCAVS 單元連接到同一個(gè)腔室時(shí)，它們都在非常微小的差別內(nèi)產(chǎn)生了完全相同的測(cè)量結(jié)果。
該設(shè)備能夠測(cè)量的低真空度為4×10-9(Pa)，誤差在2.6% 以內(nèi)。這與國(guó)際空間站周圍的壓力大致相同。
“便攜式冷原子真空標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過(guò)了它的第 一次大測(cè)試，”?？藸栒f(shuō)。?？藸柤捌渫掠?月15日在AVS量子科學(xué)雜志上發(fā)表了他們的研究成果。
在 pCAVS 傳感器核心中，汽化的超冷鋰原子從源頭分配，然后固定在 NIST 設(shè)計(jì)和制造的芯片級(jí)磁光阱 (MOT) 中。進(jìn)入陷阱的原子在四束激光束的交匯處被減慢：一束輸入激光束和另外三束由專門(mén)設(shè)計(jì)的光柵芯片反射。激光光子被調(diào)整到恰好合適的能級(jí)以抑制原子的運(yùn)動(dòng)。
為了將它們限制在所需的位置，MOT使用由六個(gè)永久釹磁鐵組成的周圍陣列產(chǎn)生球形磁場(chǎng)。中心的場(chǎng)強(qiáng)為零，并隨著距離向外增加。高場(chǎng)區(qū)域的原子更容易受到激光光子的影響，因此被向內(nèi)推。
鋰原子裝入 MOT 后，激光器關(guān)閉，一小部分原子（約 10,000 個(gè)）被磁場(chǎng)捕獲。等待一段時(shí)間后，激光重新打開(kāi)。激光使原子發(fā)出熒光，通過(guò)相機(jī)測(cè)量它們產(chǎn)生的光量并進(jìn)行計(jì)數(shù)，光越多，陷阱中的原子越多，反之亦然。
每當(dāng)一個(gè)被捕獲的鋰原子被真空中移動(dòng)的少數(shù)分子撞擊時(shí)，碰撞就會(huì)將原子踢出磁阱。原子從陷阱中射出的速度越快，真空室中的分子就越多。
冷原子真空計(jì)的花費(fèi)成本主要是冷卻和檢測(cè)原子所需的激光器數(shù)量。為了緩解這個(gè)問(wèn)題，兩個(gè) pCAVS 單元通過(guò)光纖開(kāi)關(guān)接收來(lái)自同一激光器的光，并交替進(jìn)行測(cè)量。該方案允許多達(dá)四個(gè)單元連接到同一個(gè)激光源。對(duì)于需要多個(gè)傳感器的應(yīng)用，例如加速器設(shè)施或半導(dǎo)體生產(chǎn)線上的應(yīng)用，這種 pCAVS 傳感器的多路復(fù)用可以降低成本。
對(duì)該理論的終測(cè)試是建立一個(gè)特殊的真空室，可以在其中產(chǎn)生一定壓力并連接到 pCAVS 來(lái)測(cè)量該壓力。如果 pCAVS 和動(dòng)態(tài)膨脹標(biāo)準(zhǔn)在壓力上一致，則證明該理論是正確的。
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