将量子帕斯卡标准发展为现实世界的设备

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，或在第九个底部的基地。从科学的角度讲，压力是一个物理量，对于许多事物来说是重要的，包括汽车轮胎、血液循环和呼吸、半导体制造高速计算机芯片和天气。

准确地测量压力为重要的应用，目前需要在实验室大型设备但美国国家标准与技术研究所（NIST）的目标是将一个有前途的新的基于激光的压力测量技术的发明，到更大的世界，有可能减少从飞机到芯片制造的一切费用。NIST和MKS的仪器公司，Andover，马萨诸塞州，已经签署了一项使技术更轻便，可移动，可开发成商业产品合作协议。SMT贴片加工

更好的测量的压力也有很多应用，NIST物理学家Jay Hendricks说，该项目的领导者。例如，联邦航空管理局与工业界合作，安全地减少附近飞机的垂直距离（链接是外部的）到1000英尺，并进一步减少可能。由于周围飞机的气压随着海拔高度的变化，更精确的压力传感器可以帮助做到这一点，亨德里克斯说。

他说：“在未来，这可能会导致燃料成本的节省。”。随着垂直分离的减少，飞行控制器可以更安全地安排飞机密集，从而节省燃料和更频繁地按时着陆。

在制造半导体芯片，如智能手机，亨德里克斯说，工程师必须调整其芯片制造的气体环境的压力。传统的压力传感器，称为电容式膜片压力计，是精确的，但其读数必须保持在严格的值，要求工程师定期调整传感器。更稳定和精确的压力测量可以使半导体产量更可靠，更不容易出现缺陷，降低制造商和消费者的成本。

在防御应用中，像阿帕奇直升机这样的飞机必须低空飞行才能探测地形。这种飞机依靠压力传感器来确保他们安全飞行。但是，“每天都有一个传感器可能会发脾气，”亨德里克斯说，和飞机可以停飞直到问题被发现。他说：“如果你能制造一种便携式的、可追踪的NIST标准，你可以在这个领域使用，你可以减少停机时间。”。

标准压力测量装置的局限性限制了这些应用程序的性能。因此，NIST制定了一个最先进的传感器，可以提高性能，同时提供基本的压力测量。

为了测量帕斯卡，SI的压强单位，科学界传统上依赖于一种叫做水银压力计的高笨重的装置。元素汞是一种危险的神经毒素，它根据压力的变化调节高度。“我们一直在使用水银压力计近375年来，他们对我们很好，”亨德里克斯说。“它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。”

结果被称为絮状物，定长光学腔。这是一个矩形板的半透明的物质，称为超低膨胀（ULE）玻璃，你可以紧握你的手。它包含两个细管或“空腔”，激光可以通过它来移动。除了20倍的大小和无汞，絮状物的更高分辨率也使它能够测量压力变化小于传统汞标准的36倍。原则上，这种装置可以测量低气压下的任何气体，例如半导体制造设备中的气体，如海床上的高压。目前，不同类型的压力传感器都需要覆盖相同的量程。

为了测量絮状物的压力，研究人员在其中一个空腔中填充了要测量的气体，而另一个空腔仍然是空的。激光穿过两个腔，但在腔内的气体传播较慢。气体的密度改变腔中的光的波长，这取决于气体的压力。针对这一变化，研究人员调整激光器的频率，使光再次在空腔中共振。通过测量离开空腔和充气腔的光之间的频率差，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量子测量。

絮凝物在实验室中已经成功，但它目前对于大多数商业用途来说过于笨重。整个设备安装在一个大桌子上，位置精确，激光和其他光学设备。在合作研究和开发协议（CRADA）由NIST和MKS签署，这两个组织将努力使较小的原型。例如，这将包括使用光纤代替传统的激光光学。的目标，亨德里克斯说，是降低系统的尺寸和成本，直到它可以装在一个手提箱和成本与现有技术非常适用于飞机、气象站的竞争，芯片工厂和使用没有想象。

“MKS兴奋加入NIST进一步发展这项技术，”Phil Sullivan说，首席技术官MKS压力和真空测量解决方案业务。“万机仪器带来了50年的压力测试经验，另外MKS是非常适合这个项目需要的光学的发展。”

在科学方面，亨德里克斯和他的同事们正在开发的实验室被称为可变长度的光学谐振腔的超大型矿砂船，将有助于使用空腔中的气体的精确测量是一种先进的版本，通常氦气和氮气，并将进一步增加该技术的准确性。

对于亨德里克斯来说，主要的重点是明确的。“你如何在NIST的墙外获得这种技术？”他说。“与工业界的伙伴关系是实现这一目标的好方法。”