真空室并非完全无物，始终会有少量原子或分子存在。测量这些微小压力至关重要。例如，半导体制造商在几乎没有污染物的真空环境中生产微芯片，因此需要监控气体压力，以确保污染物水平保持在可接受的低范围内。
美国国家标准与技术研究所（NIST）的科学家们最近验证了一种新方法，称为冷原子真空标准（CAVS），用于测量极低的气体压力。他们的研究表明，这项技术可以作为“主要标准”，即在不需要先校准参考压力的情况下，进行本质上准确的测量。
在过去七年中，NIST的研究团队开发了CAVS，并且最近通过了迄今为止最严格的测试。他们在《AVS量子科学》杂志上发表的研究显示，CAVS的测量结果与传统的“金标准”方法一致，表明这种新技术在精度和可靠性上可与之媲美。
CAVS不仅能够像传统压力计那样进行测量，还能可靠地测量更低的真空压力，甚至达到地球海平面大气压的万亿分之一或更低，这对于未来的芯片制造和下一代科学研究至关重要。其操作基于已知的量子物理原理，意味着可以“开箱即用”地获得准确读数，而无需对其他参考压力源或技术进行调整或校准。
“这是最终的成果，”NIST物理学家Julia Scherschlight表示。“我们之前取得了许多积极进展，但这证实了我们的冷原子标准确实是一个标准。”
除了半导体制造，这种新方法还适用于其他需要高真空环境的领域，如量子计算机、引力波探测器和粒子加速器等。
CAVS技术利用被困在磁场中的约10万个锂或铷原子的冷气体来测量真空压力。当激光以适当的频率照射这些原子时，它们会发出荧光。研究人员通过测量这种荧光的强度，精确计算被困原子的数量。
当CAVS传感器与真空室连接时，室内的原子或分子会与被捕获的原子发生碰撞。每次碰撞都会使一个原子脱离陷阱，从而减少原子的数量和发出的光强度。这种光强度可以被光传感器轻松测量，成为一种敏感的压力测量方法。量子力学精确预测了光强度衰减速率与分子数量之间的关系。
在这项新研究中，NIST的研究人员将CAVS传感器与经典的气体压力金标准——动态膨胀系统相连接。
动态膨胀系统的工作原理是向真空室注入已知数量的气体，并以分子/秒为单位，然后以已知速率从真空室的另一端缓慢排出气体。研究人员随后计算腔内产生的压力。
在这个实验中，研究人员建立了一个高性能的动态膨胀系统，允许非常小的气体流动，范围在每秒100亿到1000亿个原子或分子之间，并配备了定制的流量计来测量这种低流量。他们制造的孔用于缓慢移除腔室内的原子，精度达到亚微米级。
舍尔施莱特表示：“支撑这些经典标准装置所需的工作量是巨大的。通过这样的努力，我们真正理解了整个实验的核心，即CAVS以更简单的形式提供了高精度。”
NIST的研究人员在他们的工作中测试了两种CAVS传感器。一种是实验室版本，另一种是便携式版本，便于在先进的芯片制造环境中使用。
“实际上，便携式版本非常简单，我们最终决定将其自动化，这样我们就很少需要干预它的操作。事实上，这项研究中便携式设备的大部分数据都是在我们舒适地在家睡觉时获取的，”NIST物理学家丹·巴克说。
“我们测量的气体包括氮气、氦气、氩气甚至氖气，这些都是惰性的半导体过程气体，”NIST物理学家史蒂夫·埃克尔表示。“但在未来，我们希望能够测量更多的活性气体，如氢、二氧化碳、一氧化碳和氧气，这些都是真空室中常见的残余气体，也是半导体制造中有用的气体。”
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希望本篇文章《研究小组展示了一种新的“主要标准”用于测量超低压力》能对你有所帮助！
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