Переосмысление стандартов: новый подход NIST к измерениям вблизи

Национальный институт стандартов и технологий (NIST), 20 августа 2023 г.

Чтобы проверить точность своего нового подхода к измерению сверхнизкого вакуумного давления, исследователи NIST создали высокопроизводительную версию традиционной установки для измерения давления, известную как система динамического расширения. В этой системе они впрыскивали газ со скоростью примерно от 10 до 100 миллиардов молекул в секунду в верхнюю камеру. Газ перемещался из верхней камеры в нижнюю, откуда откачивался большой насос с известной скоростью через отверстие точного размера. Набор манометров измерял соотношение давлений между верхней и нижней камерами, чтобы исправить недостатки. Используя скорость потока газа и скорость, с которой газ движется между двумя камерами, исследователи рассчитали давление в верхней камере, которое CAVS измеряет независимо. Исследователи обнаружили соответствие между этим известным значением давления и показаниями датчиков CAVS, тем самым подтвердив свой новый метод. Кредит: НИСТ

Производство чипов, детекторы гравитационных волн и квантовые компьютеры могли бы выиграть от более эффективных способов измерения вакуума.

Вакуумная камера никогда не бывает совершенно пустой. Небольшое количество атомов или молекул всегда остается, и измерение крошечного давления, которое они оказывают, имеет решающее значение. Например, производители полупроводников создают микрочипы в вакуумных камерах, которые должны быть почти полностью лишены атомных и молекулярных загрязнений, поэтому им необходимо контролировать давление газа в камере, чтобы гарантировать, что уровень загрязнений приемлемо низкий.

Теперь ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) утвердили новый подход к измерению чрезвычайно низких давлений газа, называемый CAVS, для стандарта вакуума холодного атома. Они установили, что их метод может служить «первичным стандартом» — другими словами, он может выполнять исключительно точные измерения без необходимости предварительной калибровки по эталонным показаниям давления.

Having developed CAVS over the last seven years, NIST researchers recently put their technique through its most rigorous tests to date. Their new study, published in the journal AVS Quantum Science, shows that CAVS results agreed with the traditional “gold standard” method for measuring low pressures, demonstrating that this new technique can make measurements with the same degree of accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">точность и надежность.

Исследователи NIST Дэн Баркер, Стив Экель, Джим Федчак, Джулия Шершлигт и их коллеги разработали и протестировали новый метод, известный как вакуумный стандарт холодного атома (CAVS), для измерения сверхнизких давлений. Кредит: НИСТ

CAVS не только может выполнять измерения так же хорошо, как и традиционные манометры, но также может надежно измерять гораздо более низкое вакуумное давление — триллионную долю атмосферного давления на уровне моря Земли и ниже — которое потребуется для будущего производства чипов и последующих - наука поколений. А его работа, основанная на хорошо понятных принципах квантовой физики, означает, что он может получать точные показания «прямо из коробки», не требуя каких-либо настроек или калибровки по отношению к другим источникам или методам эталонного давления.

“This is the culminating result,” said NIST physicist Julia Scherschligt. “We have had numerous positive developments before. But this validates the fact that our cold atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Атомный стандарт — это действительно стандарт».

Помимо производства полупроводников, новый метод может быть полезен и в других приложениях, требующих среды с высоким вакуумом, таких как квантовые компьютеры, детекторы гравитационных волн, ускорители частиц и многие другие.