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一种测量近乎零压力的新方法

发布时间:2020-03-23 14:27人气:

许多半导体制造商和研究实验室都承受着种种越来越大的压力,其中一个压力来自真空。随着新技术和新工艺对低压的要求越来越严格,这些制造商和实验室都需要从他们的装备中去除大量的气体分子和颗粒。例如,微芯片制造商需要在他们的真空室中逐步放置一系列超薄化学物质层(该过程必须完全零污染),其工作压力约为海平面气压的千亿分之一。而某些应用场景所需要的压力甚至是这个压力值的千分之一还要低,几乎接近月球和外太空那种更加稀薄的环境。

在这类级别上测量和控制真空度是一项严格的工作,准确度至关重要。当前所采用的方法通常依赖于一种称为电离真空计的装置。但是,电离真空计需要定期进行再校准,并且不符合当前全球范围正在营造的新趋势,即国际单位制(SI)要基于基本的不变常数和量子现象。



视频中,研究人员首先将冷原子真空标准(cold-atom vacuum standard,CAVS)装置连接到他们要测量的真空室。当CAVS和真空室达到平衡压力时,锂原子被引入CAVS。在锂原子步入装置腔室的过程中,它们会被激光减速,并被激光和磁场的组合力捕获。这种俘获过程使原子发荧光,并向各个方向辐射光。一些辐射光会被检测器捕获。当背景气体分子与被捕获的原子碰撞时,它可以将原子击出陷阱。每当有原子从陷阱中丢失,总荧光就会减少。通过测量辐射光的变化,研究人员可以测量原子从陷阱中丢失的速率,这就是反应腔室内压力的灵敏指标。

现在,NIST的科学家设计了一种新式真空计,这种真空计尺寸很小,足以部署在常用的真空室中。它也符合SI量子标准,这意味着它不需要校准,依赖于自然界的基本常数,可以报告正确的量值甚至零值,并且给定的不确定度适合其应用场景。这种新的测量仪可跟踪记录被真空中激光和磁场捕获的冷锂原子数量的变化。被捕获的原子由于激光而发出荧光。

每当一个冷原子被在真空室内移动的少数分子之一撞击时,这种碰撞就会将锂原子击出陷阱,从而减少了发出的荧光量。用照相机记录这个变暗的过程。光线变暗的速度越快,就说明真空室内的分子越多,因此,荧光水平成为压力的灵敏量度。

这种新的便携式系统是NIST创建台式冷原子真空标准(CAVS)的项目成果,这种标准将用于测量基本原子特性。CAVS太大了,并且不适合在实验室外使用,不过,它的便携式版本,也就是p-CAVS,被设计为替代现有真空计的“即插即用”型装置。

“在此之前没有人考虑过如何使这种冷原子真空计小型化,以及它将带来什么样的不确定度,”项目科学家之一Stephen Eckel说,他们的研究设计已发表于Metrologia期刊上。“我们正在开发这样一种系统,它有可能取代目前市场上的同类传感器,而且,我们也正在想办法了解其操作方式和评估方式。”各个组件都在接受测试,并且有望在不久的将来实现工作原型。

NIST的设计利用了原子物理学磁光阱(magneto-optical trap,MOT)这项主要技术的最新开发版本。典型的MOT有六束激光束,在三个轴上各有两个相对的激光束。当陷阱中的原子吸收恰好适量能量的激光光子所产生的动量时,它们就会变慢,因为那抑制了原子的运动。为了将它们限制在所需的位置,MOT包含一个变化的磁场,该磁场的强度在中心为零,并逐渐向外增加。高场区域中的原子更容易受到激光光子的影响,因此被推向内部。

NIST的便携式测量仪仅使用单个激光束,该激光束对准被称为衍射光栅的光学组件,该组件将光分成来自不同角度的多个光束。NIST的另一位项目科学家Daniel Barker说:“从六个不同方向产生激光束会加大实验规模,并且需要大量的光学器件。而现在只需要一个激光束进来撞击衍射光栅。当激光发生衍射时,就可以得到用来关闭MOT并形成陷阱所需的其他光束。”

此时的原子仅比绝对零度高出几千分之一度。它们被周围的分子撞击,主要是氢分子,这是烘烤真空腔室并将其抽至超高真空(UHV)或极高真空(XHV)后留在其中的主要气体。这种超高真空范围包括国际空间站周围的真空度,而极高真空范围包括月球上更低的压力水平。

锂的使用是NIST设计中的另一项科学创新。锂是第三轻的元素,属于碱金属(包括钠、钾、铷和铯),它们相对容易冷却和捕获。Barker说:“据我们所知,在此之前没有人考虑过锂的单束MOT。很多人都想到铷和铯,但对于锂却考虑得并不多。然而事实证明,锂是一种更好的真空传感器。”

其优点包括:锂原子与氢分子之间的相互作用动力学可以根据第一原理精确计算。Eckel说:“所以,我们可以制作不需要校准的原级量具。此外,锂在室温下的蒸汽压非常低(这意味着它几乎不会变成气态)。因此,通常情况下,原子只会单次穿过MOT区域,也就是说,如果不被捕获,它将撞击腔室壁并永远留在那里。如果使用铷或铯,它们在室温下具有较高蒸汽压,最后,当真空腔室壁上覆盖的铷金属或铯金属达到足够量后就会开始辐射原子。

“此外,锂的蒸汽压在150摄氏度的条件下依然很低,而人们通常就是在这个温度条件下烘烤超高真空(UHV)和极高真空(XHV)腔室,以去除不锈钢部件上的水涂层。从这点来讲,即使在真空腔室内安装了这种真空计,也仍然可以通过标准的方法来准备真空室。”

负责该项目的James Fedchak说,超高真空(UHV)和极高真空(XHV)环境“是从重力波探测器到量子信息科学等各类先进制造和研究所依赖的关键基础设施。冷原子真空标准(CAVS)将是第一个在此压力条件下运行的绝对压力传感器。目前,工程师和科学家经常在实验或过程中来确定真空度,而这通常是一种破坏性的测试。”

Fedchak说:“便携式冷原子真空标准(p-CAVS)将使研究人员和制造商能够在实验或过程开始之前就得到真空度的准确值。而且,这还可以准确测量更低水平的真空度,这对于诸如量子信息科学等领域而言正变得越来越重要。”
本文由深圳计量公司推出。

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