Vakuumtechnik

Fortgeschrittenen-Praktikum II Teil B
Vakuumtechnik
Nils Thielke und Robert Brauer
8. Mai 2013
Wir erklären, dass wir dieses Protokoll eigenhändig anhand des
angehängten Messprotokolls und der angegebenen Literatur
erstellt haben.
Nils Thielke
Robert Brauer
Inhaltsverzeichnis
III
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1
2 Theorie
2.1 Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Vakuumpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Vakuummessgeräte - Manometer . . . . . . . .
2.4 Begriffsdefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Mittlere Teilchengeschwindigkeit, freie Weglänge
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und Stoßzahl
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1
1
2
4
8
9
3 Aufbau
10
4 Durchführung
4.1 Messung der
4.2 Bestimmung
4.3 Bestimmung
4.4 Bestimmung
12
12
13
21
23
Leckrate . . . . . . .
der Kalibrierkurven
der 2. Gasart . . . .
des Saugvermögens .
5 Zusammenfassung
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26
1
1 Einleitung
In vielen physikalischen Experimenten kann es störend sein, dass die Teilchen in der Luft
die Messung beeinflussen. Durch die Erzeugung eines Vakuums wird die Teilchenzahl und
somit auch die Störung reduziert. Dies geschieht mit einer Vakuumpumpe. Die Funktionsweisen von Vakuumpumpen sind je nach Druckbereich unterschiedlich. Um den Druck
zu Messen, werden sogenannte Manometer verwendet. Auch die Manometer benötigen
je nach Druckbereich eine andere Funktionsweise. Daher kann auch nicht jedes Manometer in jedem Druckbereich eingesetzt werden. In diesem Protokoll soll für verschiedene
Druckmessgeräte eine Kalibrierkurve ermittelt werden. Diese wird benötigt um aus der
Anzeige des Messgerätes den Druck zu bestimmen. Außerdem wird die sogenannte Leckrate
bestimmt. Die physikalischen Hintergründe zur Druckerzeugung und Messung werden im
Theorieteil beschrieben. Im Teil Aufbau wird dann der verwendete Versuchsaufbau erklärt
und abschließend in der Durchführung auf die Ergebnisse eingegangen.
2 Theorie
2.1 Vakuum
Wenn in einem Behälter der Druck geringer ist als außerhalb spricht man von einem
Vakuum. Da die Eigenschaften und Erzeugungsmethoden mit dem Druckbereich variieren,
wird das Vakuum in mehrere Teilbereiche unterteilt.
Grobvakuum(GV):
Feinvakuum(FV):
Hochvakuum(HV):
Ultrahochvakuum(UHV):
1000 mbar − 1 mbar
1 mbar − 1 · 10−3 mbar
1 · 10−3 mbar − 1 · 10−7 mbar
1 · 10−7 mbar − 1 · 10−14 mbar
Während das Grobvakuum von einer Drehschieberpumpe erzeugt werden kann, benötigt
man für ein Hochvakuum schon eine Turbomolekularpumpe. Ein technisches Beispiel für
Grobvakuum ist in Glühlampen. Hochvakuum wird dagegen in Elektronenröhren benötigt.
Ultrahochvakuum ist in Teilchenbeschleunigern notwendig, da dort jeder Stoß mit einem
Teilchen zu Fehlern führen würde.
Ein Mechanismus, der sich bei verschiedenen Vakuumbereichen unterschiedlich verhält,
ist die Strömung. Es treten dabei hauptsächlich 3 verschiedene Strömungsarten auf. Die
viskose, knudsen oder molekulare Strömung. Die viskose Strömung kommt hauptsächlich
im Grobvakuum vor. Charakteristisch für diese Strömung ist die Wechselwirkung der
Teilchen untereinander. Daher kommt diese Strömung dann vor, wenn die mittlere freie
Weglänge der Teilchen klein gegenüber der Ausdehnung der Vakuumkammer ist. Die
viskose Strömung wird zusätzlich noch in turbulente und laminare Strömung unterteilt. Die
Molekularströmung kommt im Hoch- oder Ultrahochvakuum vor. Im Gegensatz zur viskosen
Strömung können sich die Teilchen hier, ohne gegenseitige Beeinträchtigung, bewegen. Dies
2
2 Theorie
liegt an der mittleren freien Weglänge, welche im Hoch- oder Ultrahochvakuum wesentlich
größer als die Abmessung der Vakuumkammer ist. Zwischen viskoser oder molekularer
Strömung kommt die Knudsenströmung vor. Sie bildet somit den Übergang wenn die
mittlere freie Weglänge ungefähr der Abmessung der Vakuumkammer entspricht.
2.2 Vakuumpumpen
Bei den Vakuumpumpen wird hauptsächlich zwischen Funktionsweise und zu erreichendem
Druckbereich unterschieden. Die Grundidee ist aber bei allen die Entnahme von Teilchen
aus einer Kammer. Während Pumpen für Grobvakuum die viskose Strömung ausnutzen
um die Teilchen mit einem Sog aus der Kammer zu befördern, müssen Pumpen für
Hochvakuum andere Effekte ausnutzen, da dort die molekular und nicht die viskose
Strömung vorherrscht.
Eine Pumpe für das Grobvakuum ist die Drehschieberpumpe. In Abbildung 1 ist der
Schnitt durch eine Drehschieberpumpe dargestellt. Die Funktionsweise besteht darin, an
der Saugöffnung Luft einzusaugen und beim Durchgang des exzentrisch gelagerten Rotors
verdichtet zu werden. Nach dem Komprimieren wird die Luft dann am ölüberlagerten
Auspuffventil aus der Pumpe ausgestoßen. Der Rotor enthält meist Schieber, die durch
Fliehkraft oder Federn auseinander gedrückt werden um den schmalen Zwischenraum
zwischen Rotor und Gehäuse zu schließen. Da die Drehschieberpumpe die viskose Strömung
ausnutzt, kann sie nur für Grob- oder Feinvakuum verwendet werden.
Abbildung 1 – Schnitt durch eine einstufige Drehschieberpumpe. (Quelle: Umrath [1997])
2.2 Vakuumpumpen
3
Die Gruppe der Treibmittelpumpen besitzen Pumpen für fast alle Vakuumbereiche.
Wasserstrahlpumpen für Grobvakuum, Dampfstrahlpumpen für Feinvakuum und Diffusionspumpen für Hoch- oder sogar Ultrahochvakuum. Die Funktionsweise aller Treibmittelpumpen ist nahezu gleich. Durch einen Treibmittelstrahl werden die abzusaugenden
Teilchen beschleunigt und in einen Bereich mit höherem Druck gebracht. Da sich, je
nach Treibmittelart, Temperatur und Düsenausführung, ein entsprechender Dampfdruck
einstellt, muss der Vorvakuumdruck in der Pumpe ausreichend niedrig sein damit der
Dampf ausströmen kann. Der Dampfstrahl gelangt dabei nicht in den Rezipienten (Vakuumkammer), da er an der kalten Wand der Vakuumpumpe kondensiert. Der Unterschied
der einzelnen Pumpen liegt am Treibmittel. Öl- oder Quecksilber-Diffusionspumpen
können dabei den geringsten Druck herstellen. Eine (Öl-)Diffusionspumpe ist in Abbildung
2 schematisch dargestellt.
Abbildung 2 – Schematische Darstellung einer (Öl-)Diffusionspumpe. (Quelle: Umrath
[1997])
Die Idee einer Molekular oder Turbo-Molekularpumpe besteht darin, dass ein drehender Rotor einen Impuls auf die Gasteilchen gibt. Die Gasteilchen werden dadurch aus
dem Rezipienten gebracht. Der drehende Rotor befindet sich dabei umgeben von einem ruhenden Stator. Im Zwischenraum zwischen den Flächen des Rotors und Stators wird dann
das Gas in Richtung des Vorvakuumstutzens gefördert. Der Unterschied zwischen einer
Molekular- und einer Turbo-Molekularpumpe liegt in der technischen Umsetztung. Die
Turbo-Molekularpumpe konnte mit ihrer turbinenartigen Struktur erstmals das Prinzip der
Molekularpumpe sinnvoll umsetzen. Bei der ursprünglichen Gaede’schen Molekularpumpe
waren die Abstände zwischen Rotor- und Statorflächen sehr klein, was dazu führt, dass
mechanische Verunreinigungen die Pumpe schädigen könnten. Die Drehgeschwindigkeit, die
eine Turbo-Molekularpumpe besitzt, liegt zwischen 36000 Umdrehungen
und 72000 Umdrehungen
min.
min.
4
2 Theorie
(Umrath [1997]). In Abbildung 3 ist der Aufbau einer Turbo-Molekularpumpe dargestellt.
Abbildung 3 – Schematische Darstellung einer fettgeschmierten Turbo-Molekularpumpe.
(Quelle: Umrath [1997])
2.3 Vakuummessgeräte - Manometer
Für die Druckmessung in einem Vakuum existieren neben herkömmlichen Druckmessgeräten auch welche, die speziell für Vakuum konstruiert wurden. Der Hauptunterschied
zwischen den Messgeräten ist die Gasartabhängigkeit. Messgeräte, die den Druck als Kraft
auf einer Fläche messen, besitzen keine Abhängigkeit von der Gasart. Die Instrumente, die
den Druck indirekt über andere physikalische Größen messen, können diesen jedoch haben,
denn meist sind diese physikalischen Größen von der Teilchenmasse und damit von der
Teilchenart abhängig. Im folgenden werden erst die Gasartunabhängigen Messinstrumente
erklärt.
Das Membran-Vakuummeter misst den Druck mit Hilfe einer Membran, die zwei
Bereiche von einander trennt. Der eine Bereich hat einen festen Druck, während der
andere mit der Vakuumkammer verbunden ist. Der Unterschied der Drücke sorgt für
eine Krümmung der Membran, was zum Beispiel über eine Hebelsystem direkt angezeigt
werden kann. In Abbildung 4 ist ein Membran-Vakuummeter schematisch dargestellt. Der
Druckbereich, in dem das Membran-Vakuummeter eingesetzt werden kann hängt von der
genauen Bauart ab. Das Instrument, welches wir im Versuch verwendet haben, konnte für
Drücke zwischen 1 Pa und 20 Pa eingesetzt werden.
2.3 Vakuummessgeräte - Manometer
5
Abbildung 4 – Schematische Darstellung eines Membran-Vakuummeter. (Quelle: Umrath
[1997])
Das sogenannte Baratron funktioniert ähnlich wie ein Membran-Vakuummeter. Der
Unterschied liegt in der Messung der Membrankrümmung. Die Membran wird wie eine
Elektrode eines Kondensators verwendet. Bei einer Krümmung nähert sie sich einer
fixierten Elektrode und verändert so die Kapazität. Die Kapazität wird nicht über die
Entladekurve sondern mit Hilfe eines Schwingkreises ermittelt. Das Baratrons funktioniert
in dem Schwingkreis wie ein Kondensator. Durch die Änderung der Kapazität verändert
sich ebenfalls die Charakteristik des Schwingkreises. Dies ist leichter und schneller zu
messen als die Entladekurve eines Kondensators. Die schematische Funktionsweise eines
Baratrons ist in Abbildung 5 dargestellt. Da die Druckmessung wie in einem MembranVakuummeter funktioniert, ist auch dieses Vakuummeter gasartunabhängig. Auf Grund
der hohen Genauigkeit können Baratrons für einen relativ großen Druckbereich eingesetzt
werden. In diesem Versuch wird mit einem Baratron der Druck zwischen 5 · 10−4 mbar und
20 mbar gemessen.
Als nächstes werden die Gasartabhängigen Druckmessgeräte beschrieben. Das sogenannte
Pirani-Vakuummeter ist ein Messinstrument, was den Drück über die Wärmeleitfähigkeit
bestimmt. Dies ist auch gleichzeitig die Ursache, weshalb die Druckmessung von der Gasart
Abhängig ist. Das Pirani verwendet einen stromdurchflossenen Draht. Durch den Strom
erhöht sich die Temperatur des Drahtes. Verändert sich nun die Wärmeleitung des Gases,
dann verändert sich ebenfalls die Temperatur des Drahtes. Dieser ist ein Zweig in einer
abgeglichenen Wheatstoneschen Brücke. Durch die Änderung der Temperatur verändert
sich auch der Widerstand und damit verstimmt die Wheatstoneschen Brücke, was messbar
ist. Die Bedingung für die Funktion dieses Messinstrumentes ist die Abhängigkeit der
Wärmeleitfähigkeit des Gases vom Druck. Dies ist nur im Bereich von 10−4 mbar und
6
2 Theorie
Abbildung 5 – Schematische Darstellung eines Baratrons. Das Baratron funktioniert
wie ein Membran-Vakuummeter, nur dass die Krümmung der Membran über eine
Kapazitätsänderung gemessen wird. (Quelle: Umrath [1997])
1 mbar zutreffend (Siehe Abbildung 6). Somit kann das Pirani-Vakuummeter nur in diesem
Bereich eingesetzt werden. In Abbildung 6 ist über dem Graphen der schematische Aufbau
eines Pirani-Vakuummeter dargestellt.
Eine weitere Gruppe von gasartabhängigen Vakuummessgeräten bilden die IonisationsVakuummeter. Allen gemeinsam ist die Grundidee. Durch die Emittierung von Elektronen werden die Teilchen im Vakuum ionisiert. Durch ein elektrisches Feld wandern diese
dann auf die Kathode. Aus der Strommessung kann dann der Druck bestimmt werden. Da
die Ionisationsfähigkeit von der Art des Gases abhängt, sind alle Ionisations-Vakuummeter
Gasartabhängig. Die Proportionalität von Strom zum Druck kann nur bei geringen Drücken
gewährleistet werden. Daher kann ein Ionisations-Vakuummeter nur bei geringen Drücken
von unter 1 · 10−2 mbar verwendet werden. Es darf bei größeren Drücken nicht eingeschaltet
werden, um Schäden am Vakuummessgerät zu verhindern.
Ein Typ dieser Ionisations-Vakuummeter ist das Penning. Es Ionisiert die Teilchen über
eine sogenannt kalte Entladung. Es verwendet zwei nicht beheizte Elektroden (Kathode
und Anode). Die Elektronen, die durch die kalte Entladung erzeugt werden, besitzen hohe
Energien. Das würde dazu führen, das sie kaum Stoße vollführen bevor sie an der Anode
ankommen. Durch ein Magnetfeld wird dies verhindert. Es sorgt dafür, dass die Elektronen
auf Kreisbahnen um die Magnetfeldlinien gezwungen werden, sodass sie eine wesentliche
größere Strecke hinter sich legen, bevor sie auf die Anode treffen. Dann bleibt genug Zeit
um die Teilchen im Vakuum zu Ionisieren. In Abbildung 7 ist der schematische Aufbau
eines Penning-Vakuummeters dargestellt.
2.3 Vakuummessgeräte - Manometer
7
Abbildung 6 – Abgeführter Wärmefluß eines Pirani-Vakuummeter in Abhängigkeit des
Druckes. Es zeigt sich deutlich, dass ein Pirani-Vakuummeter nur im Bereich von
10−4 mbar bis 1 mbar sinnvoll einsetzbar ist. Über dem Graphen ist der schematische
Aufbau eines Pirani-Vakuummeter dargestellt. (Quelle: Umrath [1997])
Abbildung 7 – Schematische Darstellung eines Penning-Vakuummeter. (Quelle: Umrath
[1997])
8
2 Theorie
Im Gegensatz zur kalten Entladung im Penning-Vakuummeter werden im IonivacVakuummeter beheizte Elektroden verwendet. Durch die Heizung werden Elektronen
von den Elektroden emittiert und ionisieren die Teilchen im Vakuum. Da die Energie der
Elektronen nicht so hoch ist, wie im Penning, benötigt man auch kein Magnetfeld um
die Elektronen auf Kreisbahnen zu zwingen. Zusätzlich zur Anode und Kathode gibt es
noch einen sogenannten Ionenfänger. Er ist bezüglich der Kathode negativ geladen und
nimmt somit die erzeugten Ionen auf. Ohne diesen Ionenfänger würden die Elektronen
ebenfalls gemessen werden und die Messung verfälschen. Die Funktionsweise eines IonivacVakuummeter ist in Abbildung 8 dargestellt. Eine Besonderheit des Ionivac-Vakuummeters
ist, das in dem Messgerät die Temperatur relativ hoch ist. Das hat zur Folge, dass aus den
Wänden des Messgerätes Teilchen entweichen können, die die Messung verfälschen. Daher
hat das Ionivac die Möglichkeit die Messkammer auszuheizen. Das heißt, dass durch die
Heizspule ein großer Strom fließt, der die Messkammer aufheizt. Durch diese Hitze lösen
sich viele Teilchen aus der Wand und können von der Vakuumpumpe abgesaugt werden.
Verwendet man das Messgerät dann bei normaler Temperatur, dann werden wesentlich
weniger Teilchen aus den Wänden gelöst.
Kathode
Anode
Ionenfänger
Abbildung 8 – Funktionsweise eines Ionivac-Vakuummeter. (Quelle: Umrath [1997])
2.4 Begriffsdefinitionen
Für die spätere Auswertung der Messungen werden einige Begriffe verwendet werden, die
daher hier eingeführt werden. Als erstes wird der Enddruck erklärt. Der Enddruck ist
der geringste Druck, der in einer Vakuumkammer mit der angeschlossenen Vakuumpumpe
2.5 Mittlere Teilchengeschwindigkeit, freie Weglänge und Stoßzahl
9
erreicht werden kann. Er wird hauptsächlich durch das Gas oder den Dampf in der Kammer
und der Art der Vakuumpumpe bestimmt.
Das sogenannte Saugvermögen ist der Volumendurchfluss durch die Einsaugöffnung
einer Pumpe. Der Begriff ist etwas irreführend, da eine Vakuumpumpe ein Saugvermögen
besitzen kann, ohne über einen Sog das Gas aus einer Vakuumkammer zu befördern. Das
Saugvermögen wird mit dem Formelzeichen S beschrieben. Es berechnet sich wie folgt:
S=
dV
.
dt
(1)
Die Leckrate gibt an, wie viel Druck pro Zeiteinheit aus einer Vakuumkammer mit einem
Liter Volumen entweicht, wenn keine Vakuumpumpe angeschlossen ist.
[qL ] =
mbar · l
s
Es wird dabei angenommen, dass außerhalb der Vakuumkammer Atmosphärendruck
herrscht. Eine hohe Leckrate beschreibt schlechte Versuchsbedingungen, da der Enddruck
größer wird und auch andere Gase, als in der Kammer sind, einströmen können. Die
Leckrate hat zwei große Ursachen. Zum einen das Ausdampfen der Innenwände der
Kammer. Diese wird auch Gasrate genannt und besitzt die selben Einheiten wie die
Leckrate. Und zum anderen undichte Stellen an der Vakuumkammer, welche ermöglichen,
dass Gas von Außen eindringen kann. Aus der Literatur1 kann man die Leckrate in drei
Gruppen einteilen:
sehr dicht: qL < 10−6
hinreichend dicht: qL < 10−5
undicht: qL < 10−4
mbar · l
s
mbar · l
s
mbar · l
s
(2)
(3)
(4)
Später werden unsere gemessenen Werte der Leckrate nochmal mit dieser Einteilung
verglichen, um die Dichtheit der Anlage einzuschätzen.
2.5 Mittlere Teilchengeschwindigkeit, freie Weglänge und Stoßzahl
Um das Verhalten von Teilchen in einem Vakuum zu verstehen, betrachten wir die
mittlere Teilchengeschwindigkeit, freie Weglänge und Stoßzahl im Vakuum. Die mittlere
Teilchengeschwindigkeit v eines Teilchens berechnet sich über die Gleichsetzung der
thermischen und kinetischen Energie.
1
3
mT v 2 = kB T
2
2
1
Siehe Wikipedia [2013]
(5)
10
3 Aufbau
Dabei ist mT die Masse eines Teilchens und T die Temperatur. Stellt man diese Gleichung
nach v 2 um, dann ergibt sich:
r
kB T
.
(6)
v= 3
mT
Nimmt man Luft an, dann beträgt die mittlere Teilchenmasse mT ≈ 4.8 · 10−26 kg. Für die
Temperatur nehmen wir 273 K an. Dann ergibt sich für die mittlere Teilchengeschwindigkeit:
m
(7)
v ≈ 485 .
s
Die mittlere freie Weglänge λ wird nach Umrath [1997] mit folgender Gleichung
berechnet:
1
1
.
(8)
λ=
= √
nσ
n 2πrT2
Verwendet man als Molekülradius ein Ångström (rT ≈ 1 · 10−10 m), und die Teilchendichte
von Luft2 bei p = 5 · 10−4 mbar (n ≈ 1.3 · 1019 m−3 ), dann ergibt sich für die mittlere freie
Weglänge:
λ = 1.73 m.
(9)
Vergleicht man diese mittlere freie Weglänge mit der bei Atmosphärendruck (λ ≈ 800 nm),
so vollführen die Moleküle bei geringem Druck wesentlich weniger Stöße. Ab einem
gewissen Druck ist die mittlere freie Weglänge so klein, dass nahezu keine Stöße zwischen
den Molekülen mehr vorkommen. Dann existiert auch keine viskose Strömung mehr.
Aus der mittleren freien Weglänge und der mittleren Teilchengeschwindigkeit kann die
sogenannte Stoßzahl z berechnet werden. Sie gibt die Anzahl der Stöße an, die eine
Teilchen pro Zeiteinheit vollführt.
z=
1
v
= 280.35
λ
s
(10)
3 Aufbau
Nun wird der Aufbau des Versuches dargestellt. Kernelement ist die Vakuumhauptkammer.
An ihr sind alle Messgeräte und Pumpen angeschlossen. Von den in Abschnitt 2 beschrieben
Messgeräten wird ein Ionivac, zwei Penning, ein Pirani, ein Membran und zwei Baratrons
verwendet. Die zwei Pennings zeigen den Druck einmal in µA und in Torr an. Die beiden
Baratrons dagegen besitzen jeweils einen anderen Messbereich. Der erste von 1000 Torr
bis 1 Torr und der zweite von 1 Torr bis ·10−4 Torr. Als Vakuumpumpen wird einmal
eine Turbomolekularpumpe und eine Drehschieberpumpe eingesetzt. Wichtig ist bei den
Ventilen zu den Pumpen, dass niemals beide gleichzeitig offen sind, wenn die Pumpen
laufen. Neben den Messgeräten und Pumpen gibt es noch zwei Einlassventile für Luft und
Helium. Diese haben eine Anzeige, an der die Durchflussrate abgelesen werden kann. Damit
wird später das Saugvermögen bestimmt. Für die weiteren Messungen wird das Volumen
der gesamten Anlage benötigt. Dazu haben wir die Abmessungen von jedem Element
2
Berechnet über pV = nkT , mit der Moleküldichte für 25 % O2 und 75 % N2 .
11
Gesamtes Gasvolumen: p=6.18⋅10−3 m3
Ionivac
Penning 1
Penning 2
Pirani
Membran
Drehschieberpumpe
Baratrons 1 Baratrons 2
Ventil
Turbomolekularpumpe
Hauptkammer
Ventil
Luftzufuhr
Heliumzufuhr
Abbildung 9 – Aufbau mit Vakuumkammer, Messgeräten und Vakuumpumpen. Das
Gasvolumen der Vakuumkammer und allen angeschlossen Geräten außer der Vakuumpumpen beträgt p = 6.18·10−3 m3 . Über die Ventile lassen sich die Vakuumpumpen
von der Vakuumkammer trennen. Es dürfen dabei niemals beide Ventile gleichzeitig
offen sein, wenn die Vakuumpumpen laufen.
12
4 Durchführung
gemessen und daraus das Gesamtvolumen berechnet. Das Volumen der einzelnen Elemente
und der gesamten Kammer ist in Tabelle 1 dargestellt. Unsere Messung berücksichtigt
nicht die Wanddicke oder den Inhalt der Messgeräte. Daher haben wir einen Abzug von
15% angesetzt. Außerdem haben wir aufgrund unserer Messgenauigkeit einen Fehler von
10% gewählt.
Name
Hauptkammer + Ventil (Turbomol.) + Frontventile
Ventil (Drehschieberpumpe)
Baratrons 1 und 2
Pirani
Penning 1 und 2
Ionivac
Membran
Gesamt (ohne Abzug)
Abzug (15% des Gesamtvolumens)
Gesamt (mit Abzug)
Volumen
5.30 · 10−3 m3
1.24 · 10−5 m3
8.76 · 10−4 m3
8.83 · 10−5 m3
3.56 · 10−4 m3
2.08 · 10−4 m3
4.25 · 10−4 m3
7.27 · 10−3 m3
1.09 · 10−3 m3
(6.18 ± 0.62) · 10−3 m3
Tabelle 1 – Tabelle mit den Messwerten und Abschätzung des Kammervolumens. Der
Abzug wurde mit 15% angesetzt, da die Elektronik innerhalb der Messgeräte und die
Dicke der Wände bei der Messung nicht berücksichtigt wurde.
Nach der Abschätzung des Kammervolumens werden die beiden Baratrons mit dem Ionivac
Messgerät kalibriert. Dazu wird das Ionivac als erstes für 3 min. ausgeheizt. Nachdem sich
der Druck in der Kammer wieder stabilisiert hat, lesen wir den Druck am Ionivac ab. Er
beträgt:
pion = 6 · 10−5 mbar = 4.51 · 10−5 Torr.
(11)
Dabei wurde ausgenutzt dass 1 Torr = 1.33 mbar gilt. Da dieser Druck nicht mehr von den
Baratrons angezeigt werden kann, stellen wir die Baratrons auf exakt Null. Nun werden
wir im folgenden Durchführungsteil die Baratrons als Referenzanzeige verwenden.
4 Durchführung
4.1 Messung der Leckrate
Das Ziel dieser Messung ist die Bestimmung der Leckrate. Dazu wird das Ventil zur Vakuumpumpe geschlossen. Zur gleichen Zeit beginnt die Messung des Druckes in Abhängigkeit
von der verstrichenen Zeit. Dies haben wir vor allen anderen Messungen und nach allen
anderen Messungen durchgeführt. Bei der Messung am Ende haben wir vorher die Vakuumkammer 4 mal mit Luft durchgespült. Die Ergebnisse der beiden Messungen sind in
Abbildung 10 und in der Tabelle 2 dargestellt. Dabei ist in der Tabelle direkt die Steigung
der Geraden aus Abbildung 10 eingetragen. Es fällt sofort die größere Steigung der zweiten
Messung auf. Wir vermuten, dass es an der Durchspülung mit Luft liegt. Denn dadurch
4.2 Bestimmung der Kalibrierkurven
13
können sich die Luftmoleküle an die Innenwände anheften und, nach dem Schließen der
Ventile, als Gas in die Kammer gelangen. Was sich sicherlich nicht geändert hat ist die
Durchlässigkeit der Vakuumkammer, da wir keine weiteren Eingriffe an der Kammer
vorgenommen haben. Nun können wir noch die Dichtigkeit des Aufbaus klassifizieren.
Nach Gleichung 4 ist der Aufbau undicht. Wobei unser Wert der Leckrate nur knapp über
1 · 10−5 liegt, was hinreichend dicht bedeuten würde.
0.25
Leckrate nach mehrfachem Durchfluten der Vakuumkammer
Leckrate der Vakuumkammer
Druck [Torr]
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Zeit [s]
Abbildung 10 – Messung der Leckrate. Die erste Messung wurde vor allen anderen Messungen durchgeführt. Die 2. Messung wurde am Ende des Versuches durchgeführt,
wobei davon die Vakuumkammer 4 mal mit Luft durchgespült wurde.
Messung
1. Messung
1. Messung
Leckrate (für 6.18 liter)
Leckrate
−4 Torr
1.196 · 10
2.57 · 10−5 mbar·l
s
s
−4 Torr
1.612 · 10
3.47 · 10−5 mbar·l
s
s
Tabelle 2 – Tabelle mit den Messwerten der Leckraten. Die erste Messung wurde vor
allen anderen Messungen durchgeführt. Die 2. Messung wurde am Ende des Versuches
durchgeführt, wobei davon die Vakuumkammer 4 mal mit Luft durchgespült wurde. Für
die Berechnung der Leckrate wurden die Messwerte auf einen Liter normiert und von
Torr in mbar umgerechnet.
4.2 Bestimmung der Kalibrierkurven
Nach der ersten Messung der Leckrate haben wir, für verschiedene Drücke, die Anzeigen
der Vakuummessgeräte abgelesen. Als Gas haben wir Luft und Helium verwendet. Zuerst
haben wir die Vakuumkammer mit dem Gas gefüllt, bis der Druck auf 15 Torr gestiegen
14
4 Durchführung
ist. Danach wurde über dem Ventil zur Drehschieberpumpe das Gas in 1 Torr Schritten
abgelassen. Unter 1 Torr kann der Druck über diese Methode nicht mehr genau genug
geregelt werden. Daher wird das Ventil zur Drehschieberpumpe geöffnet und über den
Gaseinlass der Zufluss vom Gas geregelt. Wenn der Druck nicht mehr schwankt, sind beide
im Gleichgewicht und die Vakuumpumpe pumpt soviel ab, wie der Gaszulauf liefert. Über
ein Absenken des Gasflußes kann der Druck bis 5 · 10−2 Torr geregelt werden. Danach muss
auf die Turbomolekularpumpe gewechselt werden. Diese kann dann noch bis 5 · 10−4 Torr
verwendet werden.
Neben dem Druck, der an den Baratrons-Vakuumpumpen abgelesen wird, lesen wir auch die
Anzeigen der anderen Vakuumpumpen ab. Außerdem wird jedes mal der Wert notiert, den
die Gaszufluß-Ventile anzeigen. In Tabelle 3 sind die Messwerte für Luft und in Tabelle 4 die
Messwerte für Helium angegeben. Aus diesen Messwerten werden nun die Kalibrierkurven
erstellt. Als erstes wird die Kalibrierkurve für das Membran-Vakuummeter erstellt. Dazu
werden die Messwerte für Luft und Helium linear über die linearen Messwerten des
Baratrons aufgetragen. Dies ist in Abbildung 11 dargestellt. Das Membran-Vakuummeter
ist nur geeignet für Drücke über 1 Torr. Weitere Einschränkungen zeigen sich in unseren
Messwerten jedoch nicht. Außerdem kann aus der Abbildung 11 gut entnommen werden,
dass das Membran-Vakuummeter gasartunabhängig ist.
4.2 Bestimmung der Kalibrierkurven
15
Baratrons
Torr
Membran
Torr
Pirani
mV
Penning1
µA
Penning2
Torr
Ionivac
mbar
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.02
0.01
0.009
0.008
0.0070
0.0060
0.0050
0.0040
0.0030
0.0020
0.0010
0.0009
0.0008
0.0007
0.0006
0.0005
14.2
13.3
12.3
11.3
10.3
9.3
8.4
7.4
6.4
5.5
4.4
3.4
2.5
1.5
0.5
-
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.40
0.45
0.60
0.60
0.60
0.65
0.70
0.80
1.10
1.60
2.80
3.00
3.30
3.60
3.90
4.20
6.20
7.00
7.10
7.20
7.30
7.40
7.50
7.55
7.60
7.70
7.80
7.80
7.80
7.80
7.80
7.85
90
90
89
88
85
83
80
78
71
68
68
72
68
66
0.0050
0.0060
0.0060
0.0060
0.0060
0.0058
0.0040
0.0027
0.0016
0.0010
0.0010
0.0009
0.0008
0.0006
0.0070
0.0065
0.0060
0.0054
0.0043
0.0039
0.0030
0.0023
0.0010
0.0008
0.0007
0.0006
0.0005
0.0004
Gasfluß (Luft)
360
348
337
322
309
295
280
264
216
204
192
172
141
96
315
281
278
274
270
265
260
253
241
222
182
174
165
157
148
134
Tabelle 3 – Tabelle mit den Messwerten der Vakuummessgeräte. Als Gas wurde Luft
verwendet. unter 1 Torr wurde das Ventil zur jeweiligen Vakuumpumpe geöffnet und
über den Gaszulauf der Druck eingestellt. Daher ist bei diesen Drücken noch zusätzlich
der Gasfluß angegeben.
16
4 Durchführung
Baratrons
Torr
Membran
Torr
Pirani
mV
Penning1
µA
Penning2
Torr
Ionivac
mbar
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.02
0.01
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0.0009
0.0008
0.0007
0.0006
0.0005
14.2
13.3
12.3
11.3
10.3
9.4
8.4
7.4
6.4
5.4
4.5
3.5
2.5
1.5
0.5
-
0.15
0.15
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.20
0.25
0.30
0.30
0.30
0.35
0.40
0.60
1.00
2.10
2.30
2.60
2.90
3.20
3.70
5.80
6.80
7.00
7.05
7.10
7.30
7.40
7.60
7.60
7.70
7.80
7.80
7.80
7.80
7.85
7.90
88
82
81
80
80
80
78
75
74
70
66
68
64
66
66
62
0.0070
0.0040
0.0021
0.0020
0.0019
0.0016
0.0013
0.0010
0.0008
0.0006
0.0004
0.0004
0.0004
0.0004
0.0004
0.0004
0.00610
0.00230
0.00210
0.00200
0.00170
0.00150
0.00130
0.00095
0.00062
0.00041
0.00022
0.00021
0.00019
0.00017
0.00015
0.00013
Gasfluß (Helium)
393
385
373
359
344
327
311
292
256
250
244
240
217
209
346
312
308
304
300
296
290
280
269
265
262
262
261
260
259
257
Tabelle 4 – Tabelle mit den Messwerten der Vakuummessgeräte. Als Gas wurde Helium
verwendet. unter 1 Torr wurde das Ventil zur jeweiligen Vakuumpumpe geöffnet und
über den Gaszulauf der Druck eingestellt. Daher ist bei diesen Drücken noch zusätzlich
der Gasfluß angegeben.
4.2 Bestimmung der Kalibrierkurven
17
Als nächstes behandeln wir die Kalibrierkurve für das Pirani-Vakuummeter. Die Messwerte des Baratrons werden in diesem Fall logarithmisch aufgetragen. Die Kalibrierkurve
ist in Abbildung 12 dargestellt. Hier zeigen sich ebenfalls keine Anzeichen für weitere
Einschränkungen des Messbereiches. Jedoch zeigt sich hier eine Gasartabhängigkeit. Das
Pirani zeigt für Helium einen größeren Druck an als er eigentlich ist. Dies behandeln wir
später um zu bestätigen, dass die 2. Gasart Helium ist. Bei der nächsten Kalibrierkurve
handelt es sich um die der beiden Penning-Vakuummeter. Eines zeigt den Druck in µA
an. Das andere besitzt eine Anzeige in Torr. Auch bei diesen Kalibrierkurven werden die
Messwerte des Baratrons logarithmisch aufgetragen. Sie sind in den Abbildungen 13 und
14 dargestellt. Bei diesen Kalibrierkurven ist die Gasartabhängigkeit wieder gut zu sehen,
da die Kurven signifikante Unterschiede aufweisen. Einschränkungen für die Einsetzbarkeit
lassen sich hier auch nur schwer einschätzen. Aber beim Penning23 scheint es für Luft
ab 5 · 10−3 Torr keine Änderung mehr zu geben. Im Gegenteil, der Messwert sinkt bei
9 · 10−3 Torr sogar wieder. Daher müssen wir davon ausgehen, dass das Penning2 für
Luft ab 5 · 10−3 Torr nicht mehr einsetzbar ist. Zusätzlich zu dieser Erscheinung zeigen
die beiden Kalibrierkurven viele Schwankungen, die wahrscheinlich auf die Ableseungenauigkeit zurückzuführen ist. Als nächstes Messgerät behandeln wir das Ionivac. Bei
dieser Kalibrierkurve werden beide Messwerte logarithmisch aufgetragen. Auf der X-Achse
befinden sich wieder die Messwerte des Baratrons. Die Kalibrierkurve ist in Abbildung 15
dargestellt. Auch in dieser Kalibrierkurve zeigt sich deutlich die Gasartabhängigkeit des
Ionivac. Auch zeigt sich hier ein Problem in unserer Kalibration der Baratrons. Da wir die
Baratrons mit dem Ionivac kalibriert haben, sollte sich aus der Kalibrierkurve der richtige
Umrechnungsfaktor von Torr in mbar ergeben. Doch das ist nicht der Fall. Eine Ursache
könnte bei der Kalibration liegen. Da der Messwert des Ionivac zu klein für die Anzeige des
Baratrons ist, mussten wir es auf Null stellen. Nun könnte ein Fehler bei dieser Einstellung
für diese Abweichung gesorgt haben. Eine weitere Ursache könnte im Ausheizen liegen. Bei
der Kalibration haben wir das Ionivac lange genug ausgeheizt und gewartet bis sich der
Druck danach stabilisiert hat. Bei dieser Messung haben wir zwar das Ionivac ebenfalls
ausgeheizt, jedoch vielleicht nicht lange genug auf die Stabilisierung des Druckes gewartet.
Für den Einsatzbereich des Ionivac ergibt sich keine weitere Einschränkung. In den beiden letzten Kalibrierkurven werden die Penning-Vakuummeter über den logarithmischen
Messwerten des Ionivacs aufgetragen. Die Kalibrierkurven sind in den Abbildungen 16
und 17 dargestellt. Die Gasartabhängigkeit kann in diesen Kalibrierkurven nicht mehr
eindeutig bestätigt werden. Die Kurve ist zwar für beide Gasarten unterschiedlich, doch auf
Grund der starken Schwankungen können wir da keine weiteren Aussagen machen. Für die
Einschränkung im Messbereich der Pennings gilt hier das selbe wie bei der Kalibrierkurve
mit den Baratrons.
3
Anzeige in Torr
18
4 Durchführung
16
Für Luft
Für Helium
14
Membran−Vakuummeter [Torr]
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Baratrons−Vakuummeter [Torr]
12
14
16
Abbildung 11 – Kalibrierkurve für das Membran-Vakuummeter für Luft und Helium.
Es sind die Messwerte des Membran-Vakuummeter über denen des Baratrons
aufgetragen. Beide Achsen sind linear. Die Schwarze Linie gibt die untere Grenze
des Messbereiches an.
8
Für Luft
Für Helium
7
Pirani−Vakuummeter [mV]
6
5
4
3
2
1
0
0.0001
0.001
0.01
Baratrons−Vakuummeter [Torr]
0.1
1
Abbildung 12 – Kalibrierkurve für das Pirani-Vakuummeter für Luft und Helium. Es
sind die Messwerte des Pirani-Vakuummeter über denen des Baratrons aufgetragen.
Die X-Achse ist logarithmisch und die Y-Achse ist linear. Die Schwarze Linie gibt
die obere Grenze des theoretischen Messbereiches an.
4.2 Bestimmung der Kalibrierkurven
19
90
Für Luft
Für Helium
Penning−Vakuummeter [µA]
85
80
75
70
65
60
0.0001
0.001
0.01
0.1
Baratrons−Vakuummeter [Torr]
Abbildung 13 – Kalibrierkurve für das Penning-Vakuummeter für Luft und Helium
(Anzeige in µA). Es sind die Messwerte des Penning1-Vakuummeter über denen des
Baratrons aufgetragen. Die X-Achse ist logarithmisch und die Y-Achse ist linear.
Die Schwarze Linie gibt die obere Grenze des theoretischen Messbereiches an.
0.007
Für Luft
Für Helium
Penning−Vakuummeter [Torr]
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0.0001
0.001
0.01
Baratrons−Vakuummeter [Torr]
0.1
Abbildung 14 – Kalibrierkurve für das Penning-Vakuummeter für Luft und Helium
(Anzeige in Torr). Es sind die Messwerte des Penning2-Vakuummeter über denen
des Baratrons aufgetragen. Die X-Achse ist logarithmisch und die Y-Achse ist
linear. Die Schwarze Linie gibt die obere Grenze des Messbereiches an. Auf Grund
unserer Messwerte haben wir ihn auf 0.005 Torr gesetzt.
20
4 Durchführung
0.01
Ionivac−Vakuummeter [mbar]
Für Luft
Für Helium
0.001
0.0001
0.0001
0.001
0.01
Baratrons−Vakuummeter [Torr]
0.1
Abbildung 15 – Kalibrierkurve für das Ionivac-Vakuummeter für Luft und Helium. Es
sind die Messwerte des Ionivac-Vakuummeter über denen des Baratrons aufgetragen.
Beide Achsen sind logarithmisch. Die Schwarze Linie gibt die obere Grenze des
theoretischen Messbereiches an.
90
Für Luft
Für Helium
Penning−Vakuummeter [µA]
85
80
75
70
65
60
0.0001
0.001
Ionivac−Vakuummeter [mbar]
0.01
Abbildung 16 – Kalibrierkurve für das Penning-Vakuummeter für Luft und Helium
(Anzeige in µA). Es sind die Messwerte des Penning1-Vakuummeter über denen des
Baratrons aufgetragen. Die X-Achse ist logarithmisch und die Y-Achse ist linear.
Die Schwarze Linie gibt die obere Grenze des theoretischen Messbereiches an.
4.3 Bestimmung der 2. Gasart
21
0.007
Für Luft
Für Helium
Penning−Vakuummeter [Torr]
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0.0001
0.001
Ionivac−Vakuummeter [mbar]
0.01
Abbildung 17 – Kalibrierkurve für das Penning-Vakuummeter für Luft und Helium
(Anzeige in Torr). Es sind die Messwerte des Penning2-Vakuummeter über denen
des Baratrons aufgetragen. Die X-Achse ist logarithmisch und die Y-Achse ist
linear. Die Schwarze Linie gibt die obere Grenze des Messbereiches an. Auf Grund
unserer Messwerte haben wir ihn auf 0.0043 mbar gesetzt.
4.3 Bestimmung der 2. Gasart
Nun betrachten wir nochmal Abbildung 12. Das Pirani-Vakuummeter zeigt deutlich die
Gasartabhängigkeit der Druckmessung. Nun stellt sich die Frage, ob aus dieser Kalibrierkurve die Gasart bestimmt werden kann. Dazu muss Abbildung 12 mit einer Kalibrierkurve
aus der Literatur verglichen werden. Diese ist in Abbildung 18 dargestellt. Zum Vergleich
ist in Abbildung 19 nochmal die gemessene Kalibrierkurve des Pirani-Vakuummeters
dargestellt. Zwei Anzeichen sprechen dafür dass das zweite Gas Helium ist. Zum einen
gleicht sich die Kalibrierkurve für Luft und Helium bei einem Druck von unter 0.004 Torr.
Und zum anderen zeigt das Pirani ab 0.004 Torr immer einen zu großen Druck für das
zweite Gas an. Beides kann nur von Helium bestätigt werden. Da wir Helium verwendet
haben bestätigt unser Messergebnis die Literatur.
22
4 Durchführung
Abbildung 18 – Kalibrierkurve für ein Pirani-Vakuummeter. Auf der X-Achse ist der
tatsächliche Druck aufgetragen. Auf der Y-Achse wird der angezeigte Druck dargestellt. (Quelle: pfe [2013])
8
Für Luft
Für Helium
7
Pirani−Vakuummeter [mV]
6
5
4
3
2
1
0
0.0001
0.001
0.01
Baratrons−Vakuummeter [Torr]
0.1
1
Abbildung 19 – Kalibrierkurve für das Pirani-Vakuummeter für Luft und Helium. Es
sind die Messwerte des Pirani-Vakuummeter über denen des Baratrons aufgetragen.
Die X-Achse ist logarithmisch und die Y-Achse ist linear.
4.4 Bestimmung des Saugvermögens
23
4.4 Bestimmung des Saugvermögens
Abbildung 20 – Kalibrierkurve für den Gasfluß. Auf der Y-Achse muss der Wert der
digitalen Positionsanzeige betrachtet werden. Aus dem X-Achsen-Wert der Kurve
l
kann dann der Gasfluß in mbar
bestimmt werden.
s
Als letztes wird noch das Saugvermögen der beiden Vakuumpumpen bestimmt. Dazu muss
l
aus dem gemessenen Gasfluß in willkürlichen Einheiten der Gasfluß in mbar
bestimmt
s
werden. Dazu wird die Kalibrationskurve aus der Zusatzliteratur verwendet. Sie ist in
Abbildung 20 dargestellt. Der ermittelte Gasfluß der Drehschieberpumpe ist in Tabelle 5 für
Luft und Helium zusammengefasst. Der Gasfluß der Turbomolekularpumpe ist in Tabelle
6 für Luft und Helium zusammengefasst. Um aus diesen Messwerten das Saugvermögen
der jeweiligen Pumpe zu bestimmen, muss der Gasfluß durch den Druck geteilt über
dem Druck aufgetragen werden. Dies ist in Abbildung 21 für die Drehschieber- und in
Abbildung 22 für die Turbomolekularpumpe dargestellt. Abbildung 21 zeigt für beide
Gasarten ein sinnvolles Verhalten. Bei kleinen Drücken wird es immer schwerer Teilchen
aus der Vakuumkammer zu befördern, weshalb das Saugvermögen sinkt. In Abbildung
22 ist dies ebenfalls für Luft der Fall. Für Helium zeigt sich jedoch ein merkwürdiges
Verhalten. Das Saugvermögen steigt sogar noch an zu kleinen Drücken. Der Grund dafür
ist in unseren Messwerten zu suchen. Für Helium bleibt der Gasfluß unter 0.001 Torr
nahezu konstant, was eine Erhöhung des Saugvermögens zur Folge hat. Eine Ursache
hierfür könnte beim Ablesen passiert sein. Doch können wir im Nachhinein nicht mehr
viel darüber aussagen.
24
4 Durchführung
Druck / Torr Gasfluß (Luft) Gasfluß (Luft) Gasfluß (Helium)
0.9
360
1.01
393
0.8
348
0.86
385
0.7
337
0.73
373
0.6
322
0.54
359
0.5
309
0.33
344
0.4
295
0.19
327
0.3
280
0.15
311
0.2
264
0.12
292
0.1
216
0.0259
256
0.09
204
0.0137
250
0.08
192
0.0088
244
0.07
172
0.006
240
0.06
141
0.0027
217
0.05
96
0.00024
209
Gasfluß (Helium)
1.45
1.33
1.20
1.00
0.80
0.63
0.36
0.18
0.11
0.09
0.08
0.07
0.03
0.02
Tabelle 5 – Tabelle mit den Messwerten des Gasflußes der Drehschieber-Vakuumpumpe.
Druck / Torr Gasfluß (Luft) Gasfluß (Luft) Gasfluß (Helium)
0.02
315
0.430
346
0.01
281
0.156
312
0.009
278
0.148
308
0.008
274
0.140
304
0.007
270
0.133
300
0.006
265
0.124
296
0.005
260
0.115
290
0.004
253
0.103
280
0.003
241
0.075
269
0.002
222
0.040
265
0.001
182
0.007
262
0.0009
174
0.006
262
0.0008
165
0.005
261
0.0007
157
0.004
260
0.0006
148
0.003
259
0.0005
134
0.002
257
Gasfluß (Helium)
0.800
0.380
0.310
0.250
0.200
0.190
0.175
0.150
0.130
0.123
0.118
0.118
0.116
0.115
0.113
0.108
Tabelle 6 – Tabelle mit den Messwerten des Gasflußes der Turbomolekularpumpe.
4.4 Bestimmung des Saugvermögens
25
10
Gasfluß der Drehschieber−Vakuumpumpe für Luft
Gasfluß der Drehschieber−Vakuumpumpe für Helium
Saugleistung [l/s]
1
0.1
0.01
0.001
0.01
0.1
Druck [Torr]
1
Abbildung 21 – Das Saugvermögen der Drehschieber-Vakuumpumpe in Abhängigkeit
des Drucks.
1000
Gasfluß der Turbomolekular−Vakuumpumpe für Luft
Gasfluß der Turbomolekular−Vakuumpumpe für Helium
Saugleistung [l/s]
100
10
1
0.0001
0.001
0.01
0.1
Druck [Torr]
Abbildung 22 – Das Saugvermögen der Turbomolekular-Vakuumpumpe in Abhängigkeit
des Drucks.
26
5 Zusammenfassung
5 Zusammenfassung
Abschließend lässt sich sagen, dass unsere Messungen erfreulich verlaufen sind. Die Kalibrierkurven zeigen überwiegend sinnvolles Verhalten und Helium konnte als zweite Gassorte
bestätigt werden. Wie erwartet ist die Leckrate des Aufbaus ziemlich groß, aber die Messungen dazu verliefen ohne Probleme. Probleme bereiteten einzelne Messungen, bei denen
die Werte nahezu konstant geblieben sind. Daher haben wir für die Turbomolekularpumpe
falsche Werte des Saugvermögens von Helium. Im Nachhinein können wir leider nicht
genau bestimmen ob es Mess- oder Ablesefehler waren. Außerdem war es schwierig aus
der Kalibrierkurve des Gasflußes die Werte zu bestimmen, da die Qualität der Abbildung
ziemlich gering ist. Die Kalibration wäre sicherlich genauer, wenn die Werte der Kalibrierkurve vorhanden gewesen wären. Wir hoffen, dass dieses Protokoll einen ausreichenden
Überblick über die Vakuumtechnik und deren Kalibrierung gibt.
Literatur
27
Literatur
[pfe 2013] Indirekte, gasartabhängige Druckmessung. http://www.pfeiffer-vacuum.
de/know-how/vakuummessgeraete/grundlagen-der-totaldruckmessung/
indirekte-gasartabhaengige-druckmessung/technology.action?chapter=tec3.
1.2. Version: 2013
[Thomas Williams ] Thomas Williams, Colin Kelley et a.: gnuplot
[Umrath 1997] Umrath, W.: Grundlagen der Vakuumtechnik. Leybold Vakuum, 1997
http://books.google.de/books?id=9WvoSgAACAAJ
[Wikipedia 2013] Wikipedia: Leckrate — Wikipedia, The Free Encyclopedia. http:
//de.wikipedia.org/wiki/Leckrate. Version: 2013
Fortgeschrittenen-Praktikum II Teil B
Korrektur zu Vakuumtechnik
Nils Thielke und Robert Brauer
8. Mai 2013
1
Zu 4.1 Messung der Leckrate
Der Fehler der Leckrate wurde bestimmt und ist in Tabelle 1 eingetragen. Dabei ist
angenommen worden, dass der Fehler hauptsächlich durch den des Volumens hervorgerufen
wird, statt vom Funktionsfit, welcher nur einen geringen Fehler aufweist.
Messung
1. Messung
1. Messung
Druckanstieg (für 6.18 liter)
Leckrate
−4 Torr
1.196 · 10
(2.57 ± 0.26) · 10−5
s
1.612 · 10−4 Torr
(3.47 ± 0.35) · 10−5
s
mbar·l
s
mbar·l
s
Tabelle 1 – Tabelle mit den Messwerten der Leckraten. Die erste Messung wurde vor
allen anderen Messungen durchgeführt. Die 2. Messung wurde am Ende des Versuches
durchgeführt, wobei davon die Vakuumkammer 4 mal mit Luft durchgespült wurde. Für
die Berechnung der Leckrate wurden die Messwerte auf einen Liter normiert und von
Torr in mbar umgerechnet.
Zu 4.3 Bestimmung der 2. Gasart
Der Korrekturfaktor zwischen Luft und der 2. Gasart für das Ionivac-Vakuummeter beträgt
3.83 ± 0.72 . Damit sollte die 2. Gasart nach Umrath [1997] Neon sein. Helium, wie wir
es mit einer anderen Methode bestimmt haben, besitzt einen fast doppelt so großen
Korrekturfaktor. Ein Grund könnte sein, dass in Umrath [1997] der Korrekturfaktor im
Bezug auf Stickstoff genannt ist. Da Luft nicht nur aus Stickstoff besteht, könnte sich für
Helium zu Luft ein anderer Korrekturfaktor ergeben.
Zu 4.4 Bestimmung des Saugvermögens
Das Saugvermögen der Drehschieberpumpe beträgt für Luft im Mittel (0.5 ± 0.41) l/s.
Für Helium ist es (1.21 ± 0.44) l/s. Dieser Bereich entspricht auch dem, was Umrath
[1997] für Drehschieberpumpen vorgibt. Das Saugvermögen der Turbomolekularpumpe
beträgt für Luft im Mittel (14.94 ± 7.83) l/s. Für Helium ist das Saugvermögen mit
(84 ± 65.15) l/s wieder größer. Umrath [1997] gibt für eine Turbomolekularpumpe der
Version 50/55 einen vergleichbaren Wert vor. Auch wird bei einer Turbomolekularpumpe
auf eine Gasartabhängigkeit hingewiesen. Bei beiden Pumpen gibt es eine starke Erhöhung
der Saugleistung für Helium. Vermutlich wird dies durch die Annahme, dass für beide
Gasarten die selbe Kalibrierkurve verwendet werden kann, hervorgerufen. Zusätzlich ist
Helium ein sehr flüchtiges Gas, was dazu führt, dass mehr Helium aus der Vakuumkammer
entweicht, als es allein durch die Pumpe geschehen würde.
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Literatur
Literatur
[pfe 2013] Indirekte, gasartabhängige Druckmessung. http://www.pfeiffer-vacuum.
de/know-how/vakuummessgeraete/grundlagen-der-totaldruckmessung/
indirekte-gasartabhaengige-druckmessung/technology.action?chapter=tec3.
1.2. Version: 2013
[Thomas Williams ] Thomas Williams, Colin Kelley et a.: gnuplot
[Umrath 1997] Umrath, W.: Grundlagen der Vakuumtechnik. Leybold Vakuum, 1997
http://books.google.de/books?id=9WvoSgAACAAJ
[Wikipedia 2013] Wikipedia: Leckrate — Wikipedia, The Free Encyclopedia. http:
//de.wikipedia.org/wiki/Leckrate. Version: 2013