حوزه های صنعتـــی
حوزه های صنعتـــی
مشاهده خبر

اندازه‌گیری فشار با استفاده از فناوری تله اتم‌های فوق سرد

تاریخ خبر : ۱۳۹۷/۱۰/۱۱ تعداد بازدید : ۳۶
تعداد رای : ۰
یکی از چالش‌های اصلی تولید کننده‌های نیمه‌هادی و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی اندازه‌گیری فشار و کنترل میزان خلا در حین فرآیند است. با توجه به اینکه فناوری‌ها و فرآیندهای جدید تولید در این حوزه‌ها باید در فشارهای بسیار پایینی انجام شوند، تا حد امکان باید مولکول‌های گازی و ذرات از تجهیزات مورد استفاده حذف شوند. اخیرا محققان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری فشارسنجی را طراحی کرده‌اند که قابل حمل بوده و توانایی اندازه‌گیری خلاهای بسیار پایین را دارد.

یکی از چالش‌های اصلی تولید کننده‌های نیمه‌هادی و همچنین آزمایشگاه‌های تحقیقاتی اندازه‌گیری فشار و کنترل میزان خلا در حین فرآیند است. با توجه به اینکه فناوری‌ها و فرآیندهای جدید تولید در این حوزه‌ها باید در فشارهای بسیار پایینی انجام شوند، تا حد امکان باید مولکول‌های گازی و ذرات از تجهیزات مورد استفاده حذف شوند. برای مثال محفظه‌های خلا که برای تولید میکروچیپ‌ها استفاده می‌شوند باید در فشارهای فوق العاده پایین کار کنند. اندازه‌گیری و کنترل خلا در این سطح کاری بسیار دشوار است که نیازمند دقت بالایی هم می‌باشد.

فناوری‌های موجود معمولا متکی بر یک فشارسنج یونی (ion gauge) است. اما این نوع فشارسنج‌ها به کالیبراسیون‌های دوره‌ای نیاز دارند و از طرفی با تلاش جهانی صورت گرفته برای پایه گذاری سیستم بین‌المللی واحدها (SI) بر اصول، ثابت‌های تغییر ناپذیر و پدیده‌های کوانتمی سازگار نیستند.

در حال حاضر دانشمندان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (National Institute of Standards and Technology, NIST) خلاسنجی را طراحی کرده‌اند که به اندازه کافی کوچک بوده که بتواند در کنار محفظه‌های خلا متداول مورد استفاده قرار گیرد. این فشارسنج با معیارهای کوانتمی SI مطابقت دارد، به این معنی که به کالیبراسیون نیازی ندارد، وابسته به ثوابت جهانی بوده، و دارای عدم قطعیت‌های مشخصی است که برای کاربرد آن مناسب است. این خلاسنج جدید تغییرات ایجاد شده در تعداد اتم‌های سرد لیتیوم به دام افتاده توسط نور لیزر و میدان مغناطیسی تحت محیط خلا را رهگیری می‌کند.

در نتیجه تابش نور لیزر اتم‌های به دام افتاده از خود نور ساطع می‌کنند. هر بار که بین مولکول‌های گازی موجود در محیط خلا و یکی از اتم‌های سرد لیتیوم برخوردی صورت گیرد، در اثر برخورد اتم لیتیوم از تله خارج شده و از شدت نور ساطع شده کاسته می‌شود. یک دوربین میزان کاهش نور را اندازه‌گیری می‌کند. هر چه سرعت کاهش نور بیشتر باشد به این معنی است که مولکول‌های گازی بیشتری در محفظه خلا وجود دارد. بنابراین سطح نور تابش شده معیار دقیقی برای اندازه‌گیری سطح خلا است.

سیستم قابل حمل جدید نتیجه یکی از تحقیقات NIST برای ایجاد استاندارد خلا اتم سرد (cold-atom vacuum standard) است که برای اندازه‌گیری خواص بنیادی اتمی مورد استفاده قرار می گیرد. در حالی که دستگاه استاندارد خلا اتم سرد بسیار بزرگ و نامناسب برای استفاده خارج از آزمایشگاه است، ورژن قابل حمل آن به گونه‌ای طراحی شده که جایگزینی برای فشارسنج‌های موجود باشد.

در یک تله مغناطو اپتیکی (magneto-optical trap, MOT) متداول از شش باریکه لیزر، در هر یک از سه راستای عمود بر هم دو باریکه در جهت مخالف هم، استفاده می‌شود. اتم‌هایی که در تله قرار می‌گیرند با جذب مقدار انرژی مشخصی از فوتون‌های لیزر کند و بی حرکت می‌شوند. برای محدود کردن اتم‌های در مکان مورد نظر، در تله MOT از یک میدان مغناطیسی متغیر استفاده می‌شود که قدرت آن در مرکز صفر است و با افزایش فاصله به سمت خارج زیاد می‌شود.

بر خلاف تله MOT، در سیستم طراحی شده توسط NIST از یک باریکه لیزر استفاده می‌شود. این باریکه بر روی یک قطعه اپتیکی تحت عنوان شبکه تفرق (diffraction grating) تابیده شده و توسط این شبکه به چندین پرتو تابنده از زوایای مختلف منشعب می‌شود. Barker یکی دیگر از دانشمندان این تیم تحقیقاتی گفت: ”تابش نور لیزر از شش جهت مختلف باعث پیچده شده آزمایش می‌شود و به ادوات اپتیکی زیادی نیاز دارد. اما در این سیستم تنها یک باریکه لیزر وجود دارد که پس از ورود، به شبکه تفرق برخورد می‌کند. با تفرق نور باریکه‌های مختلفی از نور ایجاد می‌شود که شرایط را به تله MOT نزدیک کرده و امکان ایجاد دام سرد فراهم می‌شود“.

 

(الف) شماتیک خلاسنج طراحی شده توسط مؤسسه ملی استاندارد و فناوری، (ب) شماتیک شبکه تفرق

 

نوآوری دیگر در طراحی NIST استفاده از اتم لیتیوم است. لیتیوم سومین عنصر سبک و متعلق به گروه فلزات قلیایی شامل سدیم، پتاسیم، روبیدیوم و سزیم است که نسبتا به آسانی سرد شده و به دام می‌افتند. Barker توضیح داد: ”تا جایی‎که اطلاع داریم کمتر کسی به تله MOT تک باریکه برای لیتیوم فکر کرده و بیشتر روی اتم روبیدیوم و سزیم فکر می‌کنند. با این حال به نظر می‌رسد لیتیوم حسگر بسیار بهتری برای سنجش میزان خلا است“.

بنابر گفته‌ی Fedchak سیستم قابل حمل جدید محققان و تولید کننده‌ها را قادر می‌سازند تا قبل از شروع آزمایش یا فرآیند سطح خلا را به درستی اندازه‌گیری کنند. این سیستم همچنین اندازه‌گیری خلاهای بسیار پایین (خلاهایی که در حوزه‌هایی از قبیل علوم اطلاعات کوانتومی از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند) را امکان‎پذیر می‌کند.

منبع : PHYS.ORG

نظرات

پاسخ به نظــر بازگشت به حالت عادی ثبت نظر

نـــام
ایمیل
نظر شما
کارکترهایی که در تصویر می بینید را وارد نمایید. (حساس به حروف کوچک و بزرگ)