Ученый NIST Стивен Экель за устройством pCAVS (серебристый куб слева от центра), которое соединено с вакуумной камерой (цилиндр справа). Авторы и права: К. Супли/NIST.

Точное измерение давления представляет большой интерес для производителей полупроводников, которые производят свои микросхемы слой за слоем в вакуумных камерах, работающих на стомиллиардной или ниже давления воздуха на уровне моря, и должны строго контролировать эту среду для обеспечения качества продукции.

«Следующие поколения производства полупроводников, квантовых технологий и экспериментов по ускорению частиц потребуют идеального вакуума и возможности точного его измерения», — сказал старший научный сотрудник NIST Стивен Экель.

Сегодня в большинстве коммерческих и исследовательских учреждений используются обычные высоковакуумные датчики, основанные на обнаружении электрического тока , когда молекулы разреженного газа в камере ионизируются (электрически заряжаются) источником электронов. Эти датчики ионизации могут стать ненадежными с течением времени и требуют периодической повторной калибровки. И они несовместимы с новой всемирной попыткой основать Международную систему единиц (СИ) на фундаментальных инвариантных константах и ​​квантовых явлениях.

Система NIST, напротив, измеряет количество молекул газа (обычно водорода), оставшихся в вакуумной камере, путем измерения их воздействия на микроскопический кластер захваченных атомов лития, охлажденный до нескольких тысячных долей градуса выше абсолютного нуля и освещенный лазерным светом. Он не нуждается в калибровке, поскольку динамику взаимодействия между атомами лития и молекулами водорода можно точно рассчитать из первых принципов.

Этот портативный вакуумный эталон холодного атома (pCAVS) объемом 1,3 литра без учета лазерной системы можно легко прикрепить к промышленным вакуумным камерам; узкий канал соединяет внутреннюю часть камеры с ядром pCAVS. В недавней серии экспериментов, когда ученые подключили два устройства pCAVS к одной и той же камере, оба произвели точно такие же измерения с очень небольшой погрешностью.

Устройства могли точно измерять давление до 40 миллиардных долей паскаля (Па), единицы измерения давления в системе СИ, с погрешностью 2,6 процента. Это примерно то же самое, что давление вокруг Международной космической станции. Атмосферное давление на уровне моря составляет около 100 000 Па.

«Портативный вакуумный стандарт холодного атома прошел свое первое серьезное испытание», — сказал Эккель. «Если вы создаете два предположительно первичных стандарта любого рода, самый первый шаг — убедиться, что они согласуются друг с другом, когда измеряют одно и то же. Если они расходятся, это явно не стандарты». Экель и его коллеги сообщили о своих результатах онлайн 15 июля в журнале AVS Quantum Science.

В ядре сенсора pCAVS испаренные ультрахолодные атомы лития выбрасываются из источника, а затем иммобилизуются в магнитооптической ловушке (МОТ) размером с чип, разработанной и изготовленной в NIST. Атомы, попадающие в ловушку, замедляются на пересечении четырех лазерных лучей : одного входного лазерного луча и трех других, отраженных от специально разработанного кристалла решетки. Лазерные фотоны настроены точно на нужный уровень энергии, чтобы демпфировать движение атомов.

Чтобы удерживать их в нужном месте, МОЛ использует сферическое магнитное поле, создаваемое окружающим массивом из шести постоянных неодимовых магнитов. Напряженность поля равна нулю в центре и увеличивается с расстоянием наружу. Атомы в областях с более сильным полем более восприимчивы к лазерным фотонам и, таким образом, выталкиваются внутрь.

После загрузки атомов лития в МОЛ лазеры выключаются, и небольшая часть атомов — около 10 000 — захватывается исключительно магнитным полем. После ожидания в течение некоторого периода времени лазер снова включается. Лазерный свет заставляет атомы флуоресцировать, и их подсчитывают с помощью камеры, которая измеряет количество света, которое они производят: чем больше света, тем больше атомов в ловушке, и наоборот.

Каждый раз, когда захваченный атом лития сталкивается с одной из немногих молекул, движущихся в вакууме, столкновение выталкивает атом из магнитной ловушки. Чем быстрее атомы выбрасываются из ловушки, тем больше молекул находится в вакуумной камере.

Одним из самых больших факторов, определяющих стоимость вакуумметра для холодных атомов, является количество лазеров, необходимых для охлаждения и обнаружения атомов. Чтобы решить эту проблему, оба устройства pCAVS получают свет от одного и того же лазера через оптоволоконный переключатель и проводят измерения поочередно. Схема позволяет подключать до четырех блоков к одному лазерному источнику. Для приложений, где требуется несколько датчиков, например, на ускорительных установках или на производственных линиях полупроводников, такое мультиплексирование датчиков pCAVS может снизить стоимость единицы продукции.

Для текущего эксперимента облака захваченных атомов в двух pCAVS были разделены на 20 см (около 8 дюймов) в прямой видимости друг от друга. В результате давления в двух атомных облаках считались одинаковыми. Но когда команда впервые использовала их для измерения вакуумного давления, два датчика показали совершенно разные скорости потери атомов.

«Мое сердце упало, — сказал Эккель. «Это должны быть вакуумные эталоны, и когда мы их включили, они не смогли согласовать давление в вакуумной камере». Чтобы попытаться определить источник несоответствия, команда поменяла местами компоненты между двумя устройствами в ходе нескольких экспериментов. По мере того, как они меняли компоненты, два pCAVS продолжали расходиться — что любопытно, в одинаковой степени. «Наконец-то нам пришло в голову: может быть, они на самом деле находятся под разным давлением», — сказал Дэниел Баркер, один из ученых проекта.

Единственное, что могло привести к тому, что они находились под разным давлением, — это утечка, маленькое отверстие, через которое атмосферный газ мог попасть в вакуум. Он должен был быть очень маленьким: перед включением pCAVS команда тщательно проверила наличие таких утечек. Команда взяла самый чувствительный течеискатель, который они смогли найти, чтобы провести последний поиск, и обнаружила, что в одном из стеклянных окон pCAVS действительно была крошечная точечная утечка. После того, как утечка была устранена, два pCAVS согласовали свои измерения.

Поиск несоответствий в показаниях нескольких вакуумметров — это метод обнаружения утечек, часто используемый в крупных научных экспериментах, включая ускорители частиц и детекторы гравитационных волн, такие как LIGO.

Однако основным ограничением этого метода является то, что калибровка большинства вакуумметров может меняться со временем. По этой причине часто бывает трудно отличить настоящую утечку от простого дрейфа в калибровке. Но поскольку pCAVS является первичным датчиком, калибровка не выполняется и, следовательно, отсутствует дрейф калибровки. Использование трех или более pCAVS может помочь следующему поколению ускорителей и детекторов гравитационных волн триангулировать утечки в их больших вакуумных системах с большей точностью.

Следующим шагом в разработке pCAVS является проверка ее теоретического обоснования. Чтобы перевести скорость потери холодных атомов из магнитной ловушки в давление, необходимы расчеты квантового рассеяния. «Эти расчеты довольно сложны, — говорит Эйте Тисинга, руководитель теоретических работ, — но мы считаем, что их расчеты точны с точностью до нескольких процентов».

Окончательной проверкой теории является создание специальной вакуумной камеры, в которой может быть создано известное давление, называемое эталоном динамического расширения, и подключение pCAVS для измерения этого давления. Если pCAVS и стандарт динамического расширения совпадают по давлению, это свидетельствует о том, что теория верна. «Этот следующий шаг в процессе уже идет, и мы ожидаем, что очень скоро узнаем, хороша ли теория», — сказал Экель.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org