Das National Institute of Standards and Technology (NIST) hat ein Cold Atom Vacuum Standard (CAVS)-Gerät - entwickelt, das die Unzulänglichkeiten herkömmlicher Vakuumsensoren beseitigt. Die Ganzmetall-Vakuumventile von VAT - unter Verwendung der langlebigen VATRING-Technologie - bieten die erforderliche Präzision und Zuverlässigkeit, die das innovative CAVS-Gerät für UHV/XHV-Produktprozesse benötigt.
"Als eines der ältesten physikalisch-wissenschaftlichen Labore in den USA kommt das NIST nicht oft in die Nachrichten", sagt Joshua LeBeau, Regional Sales Manager bei VAT. "Das ist überraschend, denn die Bereitstellung einer hochmodernen Messinfrastruktur ist entscheidend für Innovationen, die für zukünftige intelligente Stromnetze, fortschrittliche Nanomaterialien, Halbleiterchips und vieles mehr benötigt werden."
Das National Institute of Standards and Technology (NIST), das 1901 gegründet wurde und heute zum US-Handelsministerium gehört, bietet wichtige Dienstleistungen für Messungen, Normen und gesetzliches Messwesen. Die Richtlinien und Dienstleistungen des Instituts gewährleisten die Rückverfolgbarkeit von Messungen, ermöglichen die Qualitätssicherung und harmonisieren Dokumentationsstandards und regulatorische Praktiken - für den Einsatz in Forschung und Industrie.
Die Wissenschaftler des NIST haben kürzlich ein Vakuum-Messgerät entwickelt, das klein genug ist, um in einer Vielzahl von Vakuumkammern eingesetzt zu werden. Dieses Messgerät erfüllt auch die Kriterien des Quanten-SI (Internationales Einheitensystem), was bedeutet, dass es keine Kalibrierung erfordert und von fundamentalen Naturkonstanten abhängt, um die korrekte Größe oder gar keine zu melden, mit spezifizierten Unsicherheiten, die für Messanwendungen geeignet sind. Dieses quantenbasierte Vakuum-Messgerät, genannt "Cold Atom Vacuum Standard" (CAVS), beseitigt viele der Unzulänglichkeiten herkömmlicher Vakuumsensoren und bietet gleichzeitig wesentlich geringere Messungenauigkeiten.
Das CAVS besteht im Kern aus einer «Atomfalle» mit etwa 1 Million ultrakalten Alkaliatomen, die fluoreszieren, wenn sie durch einen Laserstrahl angeregt werden. Die gefangenen Atome interagieren mit den Elementen in der Vakuumkammer, hauptsächlich Wasserstoffmoleküle, die übrigbleiben, nachdem die Kammer auf ein ultrahohes
(< 10-6 Pa) oder extrem hohes (< 10-10 Pa) Vakuumniveau abgepumpt wurde.
Mit jeder Interaktion verringert sich die Anzahl der Alkaliatome, wodurch die Menge des ausgestrahlten Fluoreszenzlichts abnimmt. Ein Sensor registriert die Abschwächung. Je schneller das Licht abnimmt, desto größer ist die Zahl der verbliebenen Elemente in der Vakuumkammer. Folglich ist die Stärke der Fluoreszenz ein präzises Maß für den Druck.
Die UHV- und XHV-Umgebungen, die in unterschiedlichsten Wissenschafts- und Industriebereichen benötigt werden, müssen immer präziseren und konstanten Rahmenbedingungen genügen, um bestimmte, komplexe Untersuchungs- und Produktionsprozesse kontrolliert durchführen zu können. Hierzu ist eine präzise Druckbestimmung unabdingbar.
"Herkömmliche Messtechnik für solche Hochvakuumumgebungen beruht in der Regel auf einem Ionisationsmessgerät, das regelmäßig neu kalibriert werden muss und eine Genauigkeit von +20% aufweist und nicht mit modernen SI-Normen kompatibel ist", erklärt Joshua LeBeau, U.S. National Sales Manager bei VAT. "Im Gegensatz dazu benötigt das CAVS keine Kalibrierung und liefert Messungen mit einer konstanten Geauigkeit von etwa +1% für XHV-Anwendungen."
Die Forscher des NIST, die das CAVS entwickelt haben, haben VAT Ganzmetall-Ventile in ihr Design integriert. Die Langlebigkeit und Präzision der Ventile sowie die eingesetzte VATRING-Technologie gewährleisten, dass das CAVS UHV- und XHV-Druckbedingungen, wiederholbar zuverlässig messen kann.
Während das CAVS ein Standardgerät in Laborgröße ist, möchte das NIST es zu einem Ersatz für Ionisationsmessgeräte machen, indem es die Photonik nutzt, um es in ein handliches Paket zu verkleinern. Diese tragbare Version des CAVS, das p-CAVS, befindet sich derzeit in der Entwicklung. Sein Herzstück ist ein photonischer Gitterchip, der einen einzigen Eingangsstrahl aufnimmt und drei weitere für den Einfang von Atomen benötigt (Abbildung 2). Außerdem verfügt der Chip über eine atomare Blende, hinter der die Alkaliquelle platziert ist. Durch die Blende kann der Eingangsstrahl passieren und länger mit den Atomen aus der Quelle wechselwirken, wodurch Atome vorgebremst werden, die sonst nie eingefangen würden. Diese wichtige Innovation ermöglicht es, Li-Atome einzufangen, ein ideales Sensoratom für die Vakuummessung.
Laut NIST verspricht die nächste Generation von Sensoren auf Basis kalter Atome eine Revolution in der Metrologie, die sich auf die Messung von Beschleunigung, Rotation, Magnetfeldern, elektrischen Feldern, Schwarzkörperstrahlung, Temperatur, Vakuum und sogar Zeit auswirken wird. Das NIST konzentriert sich darauf, diese Technologie in die praktische Anwendung zu bringen und eine neue Messzukunft mit kalten Atomen zu beginnen.
Eingebaute Flexibilität
Ganzmetall-Vakuumventile verwenden in der Regel Edelstahl auf beiden Dichtungsseiten, sowohl auf der Ventilteller- als auch auf der Ventilsitzseite. Diese "hart-auf-hart"-Dichtung führt unweigerlich zu Verformungen, die die Anzahl der Schließzyklen einschränken - und einen häufigen Austausch erforderlich machen. Die VATRING-Technologie, die in VAT-Ganzmetallventilen zum Einsatz kommt, basiert auf einem Edelstahlring, der zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz eingefügt wird und durch seine Formgebung eine dynamische Dichtungsleistung bietet, die normale "hart-auf-hart"-dichtende Systeme nicht bieten. Damit ermöglicht die Technologie eine hohe Anzahl von Schließzyklen.
"Hart-auf-hart"-dichtende Ventillösungen sind zunehmend nicht mehr nur im Bereich von Anwendungen der Hochenergie-Physik relevant, sondern finden mehr und mehr auch Einzug in klassische Industrieanwendungen, einhergehend mit wachsenden Anforderungen an die Qualität des Vacuums in Fertigungsprozessen.", fasst Martin Greuter, Sektorleiter Beschichtung, wissenschaftliche Instrumente und Forschung bei VAT, zusammen. "Dank unseres umfassenden Know-hows in dynamischen Dichtungstechnologien ist VAT für alle Anforderungen in diesem Bereich der richtige Ansprechpartner."