美国国家标准与技术研究院(NIST)开发了一种基于量子的真空计(一种冷原子真空标准(CAVS)装置),以排除传统真空传感器的缺陷。VAT全金属真空阀(采用耐久的VATRING技术),为超高真空阀/极高真空阀产品工艺提供创新CAVS设备所需的必要精度与可靠性。

VAT区域销售经理Joshua LeBeau表示:“作为美国最古老的物理科学实验室之一,关于NIST并没有太多新闻报道,这很令人惊讶,因为未来智能电网、先进纳米材料、半导体芯片等要创新,最先进的测量基础设施的提供至关重要。”

美国国家标准与技术研究院(NIST)成立于1901年,现隶属于美国商务部,为测量、标准和法定计量提供关键性服务。NIST的指导方针和服务可确保测量的可追溯性,实现质量保障,并协调文件标准及监管实践,供研究和业界使用。

NIST的科学家最近设计出了一种小型真空计,可以在各种真空室中使用。该真空计符合量子SI(国际单位制)标准,这意味着它不需要校准,且依赖自然基本常数来报告正确的量值或完全不报告,具有指定不确定性,适合测量应用。这种基于量子的真空计(一种冷原子真空标准(CAVS)装置),排除了传统真空传感器的许多缺陷,同时呈现更低的测量不确定性。

NIST真空传感器设计示意图
NIST真空传感器设计示意图。(图片来源:Daniel Barker/NIST)

CAVS直接安装在要进行精密测量的真空室上。其核心由一个“原子陷阱”组成,其中包含约100万个超冷碱原子,当激光束激发时,这些原子会发出荧光。被捕获的原子与真空室中的元素相互作用,主要是氢分子,在真空室被抽至超高(<10-6 Pa)或极高(< 10-10 Pa)的真空水平后,氢分子仍然存在。

每进行一次相互作用,碱原子的数量就会减少,从而荧光灯的发射量减少。传感器记录衰减,光衰减得越快,留在真空室中的元素数量就越多。因此,荧光强度是对压力的精确测量。

各种科学和工业领域所需的超高真空阀/极高真空阀环境必须满足越来越精确和恒定的框架条件,以便能够以可控的方式进行特定、复杂的调查和生产过程。为此,精确的压力测定是必不可少的。

据美国VAT全国销售经理Joshua LeBeau说:“这种高真空环境的传统测量技术通常依赖于电离计,需要定期重新校准并提供+20%的精度,与现代SI标准不兼容。相比之下,CAVS不需要校准,并且产生的测量结果始终准确,对于极高真空阀应用,精度约为+1%。”

开发CAVS的NIST研究人员将VAT全金属阀纳入其设计中。阀门的耐久性和精度,以及所使用的VATRING技术,确保了CAVS可以测量超高真空阀和极高真空阀的压力条件,具有可复制的可靠性。

虽然CAVS是实验室规模的标准,但NIST试图利用光子学将其缩小到易于管理的封装中,使其成为电离计的替代品。CAVS 的便携式版本 p-CAVS 目前正在开发中,其核心是一个光子光栅芯片,它接收一个单一输入光束,就增加三个光束来捕获原子(图2)。此外,该芯片还有一个原子孔径,碱源位于其后。孔径允许输入光束通过并与来自源的原子相互作用,以获得更长的、预减速的原子,否则这些原子将永远不会被捕获。 这一关键创新允许捕获锂原子,锂原子是用于真空测量的理想传感器原子。

用于第一代p-CAVS的光栅MOT芯片
用于第一代p-CAVS的光栅MOT芯片。(图片来源: Curt Suplee/NIST)

根据NIST的说法,下一代基于冷原子的传感器有望掀起一场计量学革命,影响加速度、旋转、磁场、电场、黑体辐射、温度、真空甚至时间的测量。NIST致力于将这项技术应用到实际中,并建立一个使用冷原子的新的测量未来。

内置灵活性

全金属真空阀通常在密封两侧、阀头和阀座上都使用不锈钢。这种紧扣型密封不可避免会导致变形,从而限制关闭循环的次数,并且需要经常更换。VAT全金属阀中使用的VATRING技术基于一个插入在阀板和阀座之间的不锈钢环,其形状提供了普通紧扣型密封系统所不能提供的动态密封性能。因此,该技术可实现高次数的关闭循环。

VAT的涂层和科学仪器及研究部门经理Martin Greuter总结:“紧扣型密封阀解决方案不仅在高能物理应用领域越来越重要,也越来越多地进入经典工业应用,同时对制造过程中真空质量的要求也越来越高。基于我们在动态密封技术方面的全方位专业性,可以说VAT是满足这一领域所有要求的最佳合作伙伴。”