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将量子帕斯卡标准发展为真实世界的设备

科技 2019-06-24 15:34:04

在我们的日常生活中,压力可能意味着迫在眉睫的工作截止日期,期末考试,或者在第九个底部加载的基础。从科学的角度来说,压力是一种物理量,对许多事物都很重要,包括汽车轮胎,血液循环和呼吸,高速计算机芯片的半导体制造以及天气。

准确测量重要应用的压力目前需要在实验室中安装大型设备。但美国国家标准与技术研究院(NIST)的目标是将 其发明的新型 激光压力测量技术推向更大的世界,从而降低从飞机飞行到芯片制造的各种成本。NIST和马萨诸塞州安多弗的MKS仪器公司签署了一项合作协议,使该技术更具便携性和便携性,从而可以开发成商业产品。

NIST物理学家Jay Hendricks表示,更好的压力测量将有很多应用。例如,联邦航空管理局与工业界合作,安全地 将附近飞机(链路外部)之间的垂直距离减少 到1,000英尺,并且可以进一步减少。亨德里克斯说,由于飞机周围的气压随高度变化,更精确的压力传感器可以帮助实现这一目标。

“未来,这可能会节省燃料成本,”他说。通过减少垂直间隔,飞行控制器可以更安全地安排飞机,从而节省燃油和更频繁的准时着陆。

Hendricks表示,在制造智能手机等半导体芯片时,工程师必须调整制造芯片的气体环境的压力。传统的压力传感器,即电容式隔膜真空计,是精确的,但它们的读数必须保持在紧密的值,要求工程师定期调整传感器。更稳定和准确的压力测量可以使半导体产量更可靠并且更不容易出现缺陷,从而降低了制造商和消费者的成本。

在国防应用中,像阿帕奇直升机这样的飞机必须飞得很低才能到地形测量。这种飞机依靠压力传感器确保它们安全飞行。但是“在任何一天,传感器都可能正在投掷,”亨德里克斯说,飞机可以停飞,直到找到问题。“如果你能制造出可以在现场使用的便携式,手持式,NIST可追踪标准,你可以减少停机时间,”他说。

标准压力测量装置具有限制这些应用中的性能的限制。因此,NIST开始制造最先进的传感器,可以在提供基本压力测量的同时提高性能。

为了测量帕斯卡,SI的压力单位,科学界传统上依赖于一种称为水银压力计的高大体积的装置。元素汞是一种有害的神经毒素,可根据压力的变化调整其高度。“我们已经使用水银压力计将近375年,他们为我们提供了很好的服务,”亨德里克斯说。“他们在当时是最先进的。但大约五年前,我们意识到必须有一个更好的方法来做到这一点。“

结果称为FLOC-固定长度的光学腔。它是一块半透明材料的矩形板,被称为超低膨胀(ULE)玻璃,可以放在手中。它包含两个细管或“腔”,激光可以通过它们传播。除了尺寸小20倍且无汞外,FLOC更高的分辨率还使其能够测量比传统汞标准小36倍的压力变化 。原则上,该装置可以测量低压下的任何气体,例如半导体制造设施中的气体,高压,例如海床上的气体。目前,需要不同种类的压力传感器来覆盖相同的范围。

为了用FLOC测量压力,研究人员用一个待测气体填充其中一个腔,而另一个腔保持空洞。激光穿过两个腔体,但在腔体中用气体传播得更慢。气体的密度以取决于气体压力的方式改变腔中光的波长。为了应对这种变化,研究人员调整了激光的频率,使光再次在腔内产生共振。通过测量离开空腔和充气腔的光中的频率之间的差异,确定压力。由于激光与气体的相互作用可以从量子力学的第一原理计算出来,研究人员正在对帕斯卡进行基于量子的测量。

FLOC在实验室中取得了成功,但对于大多数商业用途来说,它目前太庞大了。整个设备安装在一张大桌子上,配有精确定位的激光器和其他光学设备。根据 NIST和MKS签署的 合作研究与开发协议(CRADA),这两个组织将努力制作更小的原型。例如,这将包括使用光纤而不是更传统的激光光学器件。Hendricks说,目标是减小系统的尺寸和成本,直到它能装入行李箱并且成本与现有技术相比具有竞争力 - 使其适用于飞机,气象站,芯片工厂和尚未想象的用途。

“MKS很高兴加入NIST进一步开发这项技术,”MKS压力和真空测量解决方案业务首席技术官Phil Sullivan说。“MKS Instruments带来了50年的压力测量经验,此外MKS非常适合该项目所需的光学开发。”

在科学方面,Hendricks和他的同事正在开发一种用于实验室的高级版本,称为可变长度光学腔--VLOC-将有助于精确测量腔体中使用的气体,通常是氦气和氮气,并将进一步提高技术的准确性。

对于亨德里克斯来说,主要焦点仍然很明确。“你如何在NIST的墙外获得这项技术?”他说。“与工业界的这种伙伴关系是实现这一目标的好方法。”

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