Главная » Наука, технологии » Давление пустоты: создан уникальный портативный вакуумный манометр

Давление пустоты: создан уникальный портативный вакуумный манометр

Давление пустоты: создан уникальный портативный вакуумный манометр

Лазерный луч, охлаждающий атомы практически до абсолютного нуля, стал сердцем портативного прибора для измерения сверхнизких давлений. Мобильный вакуумный манометр станет подспорьем для научных исследований и технологий завтрашнего дня.

Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале Metrologia группой во главе со Стивеном Экелем (Stephen Eckel) из Национального института стандартов и технологий (НИСТ) США.

Для обывателя вакуум – это пространство, в котором абсолютно ничего нет. Однако на самом деле такого не бывает. Удалить откуда-либо всё вещество до последней молекулы – задача, во-первых, нерешаемая, а во-вторых, бессмысленная.

Таким образом, учёные понимают под вакуумом среду, где концентрация вещества очень невелика. Настолько, что молекула газа имеет все шансы пролететь от одной стенки сосуда до другой, ни разу не встретившись с "коллегой".

И, разумеется, вакуум вакууму рознь. При производстве микрочипов используются камеры, давление в которых в сто миллиардов раз меньше обычного атмосферного. А для некоторых технологических процессов нужно снизить давление ещё в тысячу раз.

Разумеется, то, что нужно контролировать, нужно и измерять. Вакуумные манометры – востребованная продукция на рынке высоких технологий.

 

Некоторое время назад специалисты НИСТ разработали такой прибор новой конструкции. Он получил название вакуумного стандарта на холодных атомах (CAVS). В нём облако атомов удерживается с помощью магнитного поля и шести лазерных лучей. Такое устройство называется магнито-оптической ловушкой (МОТ).

Лучи лазера "освещают" скопление атомов с шести сторон (на каждой из трёх пространственных осей находится по два излучателя, направленных друг на друга). Атомы в облаке, поглощая лазерное излучение, замедляются. Температура при этом опускается до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля.

Дополнительную устойчивость системе придаёт меняющееся магнитное поле, которое равно нулю в центре ловушки и возрастает к её краям. Атомы в магнитном поле более чувствительны к воздействию лазерного излучения, поэтому любой "беглец", отправившийся к границам отведённой территории, где поле сильнее, тут же получает хороший пинок от фотонов и возвращается на место.

Как же МОТ, стандартное в своей области технологическое решение, помогает измерять давление? Очень просто. Дело в том, что под воздействием лазерного излучения атомы в ловушке испускают свет, то есть флуоресцируют.

Когда атом из облака сталкивается с одной из немногочисленных оставшихся в сосуде молекул, та выбивает его из ловушки. Таким образом, чем больше давление в камере, тем немногочисленнее становится облако. А чем меньше облако пойманных в ловушку атомов, тем слабее флуоресцентное свечение. Измеряя ослабление выделяемого света, можно с высокой точностью установить, насколько быстро атомы выбираются из ловушки, а значит, и каково давление в сосуде.

Такая система имеет множество достоинств, однако она громоздка. Шесть излучателей занимают много места. Следовательно, такой манометр может быть только стационарным. Между тем для многих целей требуются портативные приборы.

Давление пустоты: создан уникальный портативный вакуумный манометр

"Никто не задумывался о том, как уменьшить такой вакуумный датчик на холодных атомах, и какие неопределённости это повлечёт за собой, – заявляет Эккель. – Мы разрабатываем систему, которая потенциально может заменить [вакуумные] датчики на рынке, а также выясняем, как её эксплуатировать и калибровать".

В новом детище физиков используется только один лазер. Его излучение попадает на дифракционную решётку и расщепляется на несколько лучей под разными углами. Часть из них располагаются ровно так, чтобы удерживать атомы в ловушке.

Ещё одно новшество заключается в использовании атомов лития.

"Никто, насколько нам известно, не думал об однолучевой MOT для лития, – поясняет соавтор работы Дэниэл Баркер (Daniel Barker), также из НИСТ. – Многие люди думают о рубидии и цезии, но лишь единицы о литии. И всё же выясняется, что литий – гораздо лучший измеритель для вакуума".

Дело в том, что атом лития очень прост: в нём всего три протона и три электрона. Проще устроены только водород и гелий. Поэтому поведение атомов лития можно рассчитать непосредственно из фундаментальных законов квантовой механики.

Другими словами, такой манометр не требует калибровки по эталону. Его показания можно напрямую связать с хорошо известными мировыми константами, такими как заряд электрона и постоянная Планка. (Это как нельзя лучше подходит к намерению физического сообщества привязать к таким константам все единицы измерения.)

Кроме того, литий не склонен переходить в газообразное состояние при комнатной температуре. Это значит, что атом, не пойманный в магнито-оптическую ловушку, не будет бродить по камере и мешать всем и каждому, а мирно осядет на её стенках. Другими словами, к остаткам газа в камере не будут примешиваться ещё и пары лития. А вот цезий и рубидий легко и просто организуют подобную проблему.

Пренебрежимо мало количество паров лития и при 150 градусах Цельсия. Обычно вакуумные камеры прогревают до этой температуры, чтобы испарить прилипшие к стенкам капли воды перед откачкой воздуха. То означает, что новый измерительный прибор не нужно будет удалять из вакуумной камеры перед её подготовкой для измерений.

Добавим, что в настоящее время тестируются отдельные компоненты устройства. Ожидается, что в ближайшем будущем будет собран первый рабочий прототип нового прибора.

Источник

Прокрутить до верха
Adblock detector