Vakuumtechnik. Der Versuch wurde durchgeführt am: 07. Mai Versuchsbetreuer war T. Jürgens

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1 Vakuumtechnik Protokoll zum Experiment im Rahmen des Fortgeschrittenen-Praktikums II vorgelegt von: Stephan von Malottki Marcel Behrendt CAU Kiel Fachbereich Physik 20. Mai 2014 Der Versuch wurde durchgeführt am: 07. Mai 2014 Versuchsbetreuer war T. Jürgens 1

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Grundlagen Charakterisierung eines Vakuums Einheiten des Drucks Vakuumbereiche Herstellung eines Vakuums Vakuumpumpen Drehschieberpumpe Disusionspumpe Turbo-Molekularpumpe Messung des Drucks Membranvakuummeter Baratron Pirani-Röhre Ionisations-Vakuummeter Penning-Vakuummeter Aufbau 11 4 Durchführung 12 5 Auswertung der Messinstrumente Membran-Barometer Pirani-Barometer Ionicav-Barometer Penning-Barometer Messbereiche der Instrumente Umrechnungsfaktor zwischen Luft und Helium 15 7 Auswertung von Leckrate und Saugvermögen 17 8 Ventilkurve 19 9 Zusammenfassung Anhang 22

3 2 GRUNDLAGEN 1 Einleitung Die Vakuum-Technik ist in der modernen Experimentalphysik und vielen Industien, in denen es auf saubere Verarbeitung ankommt, nicht mehr wegzudenken. Viele Messungen und Enddeckungen währen ohne ein stabiles, ausreichend hohes Vakuum garnicht möglich, da Luft empndliche Experimente oft stören oder unmöglich machen würde. In diesem Versuch sollen verschiedene Gröÿenordnungen eines Vakuums kennengelern, hergestellt und durchgemessen werden. Besonders auf die unterschiedlichen Messprinzipien wird eingegangen. Es werden Messbereiche, Genauigkeiten und Gasartabhängigkeiten der Barometer untersucht und erklärt. Auch die Leckrate des Behälters und die Saugleistungen der Pumpen werden gemessen und ausgewertet. In dem Zusammenhang wird auch ein Nanoventil, über das sehr genau dosiert Gas in den Behälter gegeben werden kann, kalibriert. Abschlieÿend wird noch die Dichte des Behälters diskutiert und eine Zusammenfassung der Ergebnisse gegeben. 2 Grundlagen 2.1 Charakterisierung eines Vakuums Im Allgemeinen beschreibt der Begri Vakuum ein Volumen, in dem der Gasdruck unterhalb des Athmosphärendrucks p Athm liegt. Aus der Denition des Drucks [1] p = N V k BT = F A (1) geht hervor, dass im absoluten Vakuum keine Teilchen (N = 0) im Volumen V benden. Die Kraft F, die die Teilchen auf eine Fläche A ausüben, hängt dabei nicht von der Art der Teilchen, sondern lediglich von ihrer thermischen Energie 3 2 k BT ab. Die thermische Energie ist gleich der mittleren kinetischen Energie: 3 2 k BT = 1 2 m v 2 (2) Sind mehrere Spezies im Volumen vertreten, ergibt sich der Gesamtdruck als Summe der Partialdrücke: p ges = p 1 + p 2 = 1 3 m 1n 1 v m 2n 2 v2 2 (3) mit n i = N i V (4) Beim idealen Gas ist die Geschwindigkeitsverteilung gegeben durch die Maxwell-Boltzmann-Verteilung (s. [2] S. 208). Die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen lässt sich damit berechnen als 8kB T v = (5) πm und liegt bei typischen Laborbedingungen im Bereich einiger hundert Meter pro Sekunde. Dadurch lässt sich abschätzen, wie schnell lokale Druckunterschiede in einem Zylinder der Länge L 1 m ausgleichen: τ = L v s (6) Im Rahmen unserer mauellen Messungen können wir also davon ausgehen, dass der Druck im System zu jedem Zeitpunkt homogen ist. Die mittlere freie Weglänge λ ist deniert als die Strecke, die sich ein Gasatom im Volumen im 3

4 2.2 Herstellung eines Vakuums 2 GRUNDLAGEN Mittel bewegen kann, ohne mit einem zweiten Atom zu stoÿen. Um λ grob abzuschätzen, kann man von einem kugelförmigen Atom ausgehen, das sich mit v linear im Raum bewegt [1]. Die mittlere freie Weglänge ergibt sich dann als die Strecke, die die Kugel mit der Querschnittsäche A = πr 2 senkrecht zur Bewegung zurücklegen muss, um das Volumen zu durchstreifen, welches ein Atom im Mittel einnimmt V Atom = 1 n. Dies ergibt: λ = V Atom A = 1 na = k BT pa = k BT pπr 2 (7) Mit typischen Werten r = m, T = 300 K ergibt sich bei p Athm = 10 5 P a z. B. eine freie Weglänge von λ typ (p Athm ) = 150 nm. Mit einfachen Überlegungen lassen sich weitere Gröÿen, wie die mittlere Stoÿfrequenz oder die Wahrscheinlichkeit eines Stoÿes denieren Einheiten des Drucks Für den Druck gibt es eine Reihe von verwendeten Einheiten. Die SI-Einheit ist das Pascal (1 P a = 1 N m 2 ), im CGS-System wurden Barye benutzt (1 Ba = 0, 1 P a). Im deutschsprachigen Raum wird häug das Bar verwendet, das sich am athmosphärischen Druck orientiert (p Athm = 1013, 25 mbar 1 bar = 10 5 P a). Unterdrücke werden dann üblicherweise in 10 x mbar angegeben. Im englischsprachigen Raum sind auÿerdem die Einheiten Torr, sowie Pfund-Kraft pro Quadratinch psi (Pfund pro Quadratfuÿ) in Verwendung. Die Wissenschaft beschränkt sich hier glücklicherweise auf das Torr (1 t = 1 mmhg 133 P a). Wir werden versuchen, uns soweit möglich an die SI-Konvention zu halten und Pa verwenden. Die meisten Vakuummessgeräte zeigen den Druck in Torr oder mbar an. Alle Angaben sind aus [3] Vakuumbereiche Ausgehend vom makroskopischen Verhalten des Gases und den physikalischen Anwendungen, wird das Vakuum in verschiedene Bereiche eingeteilt. 1. Das Grobvakuum erstreckt sich von Athmosphärendruck (10 5 P a) bis 10 2 P a. Die Teilchendichte ist hier so groÿ, dass kollektives Verhalten des Gases auftritt. Dies äuÿert sich in der viskosen Strömung, die laminar oder turbulent sein kann. 2. Zwischen 10 2 P a und 10 1 P a spricht man vom Feinvakuum. Es stellt in gewisser Weise einen Übergangsbereich dar. Die hier auftretende Wechselwirkung zwischen Teilchen wird als Knudsen-Strömung beschrieben, deren genaue Mechnismen und Verhalten nur schwierig beschrieben werden können. Die freie Weglänge kann hier schon mehrere cm betragen. λ typ (p = 0, 1 P a) = 15 cm. 3. Im Hochvakuum gibt es kaum noch Wechselwirkung zwischen den Atomen eines Gases. Teilchenbewegungen nden nicht mehr kollektiv, sondern statistisch statt. Man spricht hier von molekularer Strömung. Der Druck im Hochvakuum liegt zwischen 10 1 und 10 5 P a. 4. Drücke unterhalb des Hochvakuums, werden als Ultrahochvakuum bezeichnet. In modernen Anlagen lassen sich Enddrücke bis ca P a realisieren. Dies entspricht bei Raumtemparatur etwa Teilchen pro m 3. Im interplanetaren Raum ndet man zum Vergleich weniger als 10 4 Teilchen pro m 3 [4]. Die technischen Anforderungen an die Vakuumlage steigen mit sinkendem Druck. 2.2 Herstellung eines Vakuums Im Labor werden Vakua in einer Vakuumkammer hergestellt. Diese muss das Eintreten von Teilchen aufgrund des Druckunterschieds verhindern. Hier kommen meist massive Kammern aus Edelstahl (8) 4

5 2.3 Vakuumpumpen 2 GRUNDLAGEN zum Einsatz. Da für die meisten Anwendungen allerdings eine Interaktion mit dem Kammerinneren notwendig ist, werden in die Kammerwand Glasfenster, Kabeldurchführungen, mechanisch bewegte Elemente, Ventile u. a. integriert. Dadurch entstehen Lecks, durch die Luft aus dem Labor in die Kammer eindringt. Man unterscheidet hier zwischen realen und virtuellen Lecks. Ein reales Leck stellt einen tatsächlichen Weg dar, auf dem Atome von auÿerhalb in die Kammer gelangen können, beispielsweise einen schmalen Spalt an einer Dichtung. Ein virtuelles Leck ist messtechnisch nicht von einem realen zu unterscheiden. Zusätzliche Atome scheinen in die Kammer einzudringen, wenn sie sich z. B. von der Kammerwand lösen, oder auf Grund eines Stroms von einem Heizdraht abgeschieden werden. Um das Gas aus der Kammer zu pumpen, werden Vakuumpumpen verwendet. Der Enddruck stellt sich ein, wenn die druckabhängige Saugleistung der Pumpe genau die Leckrate kompensiert. Die Saugleistung ist deniert als [5] q Saug = pv t. (9) Analog lässt sich die Leckrate denieren als q Leck = dp dt V. (10) Unter der Annahme einer konstanten Leckrate lässt sich diese für die verwendete Kammer aus einer Messung des Drucks in Abhängigkeit der Zeit bei abgeschalteter Pumpe ausgehend vom Enddruck als Steigung der Geraden p(t) bestimmen. Von Interesse ist auÿerdem das Saugvermögen der verwendeten Pumpe. Wie bereits erwähnt, lassen sich Leckrate und Saugleistung bei erreichtem Enddruck gleichsetzen. Das Saugvermögen ist deniert als S = dv V dt = konst. = t [5]. Daraus folgt: 2.3 Vakuumpumpen q Saug (p end ) = p end S = q Leck (p end ) (11) S = q Leck p end (12) Es gibt eine ganze Reihe von verschiedenen Pumpentypen, die ein Vakuum erzeugen. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind der Enddruck, den sie erzeugen, also für welchen Vakuumbereich sie geeignet sind, sowie das Wirkungsprinzip. Genrell unterscheidet man zwischen Transfer- und bindenden Pumpen. Die bindende Pumpe transportiert Gasteilchen nicht aus der Kammer heraus, sondern bindet sie in sich, sodass das Atom nicht mehr als Teilchen des Gases betrachtet wird. Nach einer gewissen Zeit sind diese Pumpen sozusagen gefüllt und müssen wiederaufgewertet oder ausgetauscht werden. Darunter fallen zum Beispiel Ionengetterpumpen, bei denen statistisch in die Pumpe fallende Teilchen ionisiert und gegen eine Wand beschleunigt werden. Sind sie schnell genug, bleiben sie in der Wand gebunden. Gastransferpumpen befördern Teilchen aus der Kammer hinaus. Man unterscheidet hier noch zwischen kinetischen und Verdrängervakuumpumpen. Im folgenden werden die drei üblichsten Vakuumpumpen kurz vorgestellt. Eine weitere wichtige Eigenschaft einer Vakuumpumpe ist die Art der Schmierung. Vor allem in groÿen Forschungsanlagen ist die Verwendung von ölgeschmierten Pumpen meist nicht gestattet, da bei einem Defekt oder falscher Handhabung Öl in die Kammer gelangen kann und so unter Umständen die gesamte Anlage für längere Zeit nicht mehr nutzbar wäre Drehschieberpumpe In Abb. 1 ist das Prinzip einer zweistufen Drehschieberpumpe schematisch dargestellt, sie zählt zu den Verdrängervakuumpumpen. Der Drehschieber (schwarz) wird exzentrisch in einem Hohlzylinder gedreht. Dabei entsteht vor dem einströmenden Gas ein Unterdruck (rechts oben). Der Drehschirber wird weiter gedreht und verdichtet das Gas dabei aufgrund des kleiner werdenden Volumens. 5

6 2.4 Messung des Drucks 2 GRUNDLAGEN Abbildung 1: Schnitt durch eine zweistuge Drehschieberpumpe, schematisch [5]. Das selbe Prinzip wird auch einstug verwendet, allerdings ist der Enddruck dann höher. Oben links wird das Gas durch ein Ventil nach auÿen befördert, welches ein Zurückströmen verhindert. Dieses Pumpprinzip erfordert ein hohes Maÿ an Wechselwirkung zwischen den Gasatomen. Die Drehschieberpumpe ist deshalb nur im Grobvakuum bis in den Feinvakuumbereich einsetzbar, da hier viskose Strömung stattndet. In Laboren werden diese Pumpen häug als Vorpumpe eingesetzt, damit die Hochvakuumpumpen keiner hohen Gaslast ausgesetzt werden müssen. Die Dichtung zwischen Drehschieber und Zylinderwand wird durch ein Ölbad sichergestellt Disusionspumpe Die Diusionspumpe (Abb. 2) wird im Feinvakuumbereich eingesetzt. Das Prinzip der Pumpe besteht darin, dass ein Treibmittel (z. B. Öl) nach auÿen beschleunigt wird und Gasteilchen mit sich reiÿt. Damit wird sie zu den kinetischen Treibmittelpumpen gezählt. Dass diese Pumpe bei ölfreiem Betrieb nicht verwendet werden kann, ist oensichtlich. Der Vorteil dieses Pumpprinzips ist das hohe Saugvermögen und der tiefere Enddruck als bei Drehschieberpumpen Turbo-Molekularpumpe Die Turbo-Molekularpumpe ist ebenfalls eine kinetische Pumpe, allerdings eine mechanische. Zu Zeit ist sie das Standard-Werkzeug zur Erzeugung eines Hoch- oder Ultrahoch-Vakuums. In der Turbomolekularpumpe werden Rotoren verwendet, um alle Teilchen, die statistisch auf die Pumpe treen nach auÿen hin zu beschleunigen. Dies geschieht in mehreren Stufen. Der Impuls, den die Atome dabei bekommen, muss gröÿer sein als die entsprechende thermische Geschwindigkeit. Damit dieses Prinzip funktioniert, muss die Rotorgeschwindigkeit also im Bereich der mittleren thermischen Geschwindigkeit, bei einigen hundert Meter pro Sekunde, liegen. Bei moderatem Durchmesser in der Gröÿenordnung von 0, 1 m ergeben sich Drehzahlen im Bereich von khz. Dies stellt eine besondere Anforderung an die mechanische Belastbarkeit der beweglichen Teile einer Turbomolekularpumpe, inbesondere des Lagers, welches die Achse meist nur auf der Auÿenseite der Pumpe aufnimmt, damit kein Schmiersto auf der Vakuumseite nötig ist, dar. Als Antrieb wird ein elektrischer Motor verwendet. Die Turbomolekularpumpe ist bei hoher Gaslast gefährdet, da die entstehende Wärme beim Impulsübertrag schnell den Schmelzpunkt des Rotormaterials erreichen lässt. Deshalb dürfen diese Pumpen nicht bei Athmosphärendruck, sondern erst unterhalb von etwa 1 P a verwendet werden. Hier ist also in jedem Fall die Verwendung einer Vorvakuumpumpe nötig. 2.4 Messung des Drucks Genau wie bei den Pumpen, kommen auch hier abhängig vom Vakuumbereich verschiedene Prinzipien zur Anwendung. Der Grund liegt darin, dass bestimmte Messmethoden nur in bestimmten 6

7 2.4 Messung des Drucks 2 GRUNDLAGEN Abbildung 2: Das Prinzip der Di usionspumpe besteht darin, dass ein Treibmittel (z. B. Öl) nach auÿen beschleunigt wird und Gasteilchen mit sich reiÿt [5]. Abbildung 3: Schematischer Aufbau einer Turbomolekularpumpe. Gasatome, die oben in die Pumpe eintreten, werden durch die Rotorblätter nach unten beschleunigt und abgeführt [5]. 7

8 2.5 Membranvakuummeter 2 GRUNDLAGEN Druckintervallen verlässliche Ergebnisse liefern oder die gleichen Messgeräte zumindest unterschiedlich dimensioniert sein müssen, um den gesamten Druckbereich des Laborvakuums von etwa 15 Gröÿenordnungen ( P a) abzudecken. Man unterscheidet die Vakuummessgeräte nach dem Messprinzip, nach dem sie funktionieren. Dabei wird zunächst getrennt nach direkt und indirekt messenden Methoden. Die direkten bestimmen den Druck gemäÿ seiner Denition als Kraft auf eine Fläche. Eine indirekte Messung geschieht über eine vom Druck abhängige Gröÿe. Diese wird bestimmt und so auf den Druck zurück geschlossen. Direkte Messmethoden sind damit nicht von der Gasart in der Vakuumkammer abhängig, sie bestimmen stets den Gesamtdruck (s. Abschnitt 2.1). Indirekte Messungen können allerdings gasartabhängig sein. Alle im Folgenden beschriebenen Vakuummeter sind in Abbildung 4 schematisch dargestellt. 2.5 Membranvakuummeter Das Membranvakuummeter ist ein direktes Vakuummessgerät. Es besteht aus einer geschlossenen Kapsel mit deniertem Volumen und Druck. Eine Wand der Kapsel wird durch eine verformbare Membran gebildet. Herrscht nun auf der Auÿenseite der Membran ein anderer Druck, als in dem bekannten Volumen, wölbt sich die Membran in die eine oder andere Richtung. Im einfachsten Fall ist die Membran mechanisch mit einem Zeiger gekoppelt, der die Position der Membran und damit den Druck auf einer Skala anzeigt. Es ist leicht vorstellbar, dass eine rein mechnische Messung nicht über viele Gröÿenordnungen mit hoher Präzision ermöglicht werden kann. Membranvakuummeter werden vor allem im Grobvakuum verwendet. Es gibt auch Varianten, bei denen die mechanische Verformung der Membran elektrisch ausgelesen wird. Beispiele sind der Piezoelektrische Sensor und das Baratron. 2.6 Baratron Beim Baratron oder kapazitativen Vakuummeter bildet die Membran die eine Seite eines Plattenkondensators. Eine Verformung der Membran ändert den Plattenabstand und damit die Kapazität des Kondensators. Diese wird über eine Wechselstrommessung der Impedanz bestimmt, sodass eine sehr schnelle Messung möglich ist. Je nach Auslegung der Membran und der Kapselabmessungen, sowie des bekannten Drucks in der Kapsel, können Baratrons vom Athmosphärendruck bis an die Grenze zum Hochvakuum (10 1 P a) mit guter Genauigkeit eingesetzt werden. 2.7 Pirani-Röhre Die Wärmeleitfähigkeit von Gasen ist im Unterdruck nicht konstant, sondern fällt linear mit fallendem Druck. Dies wird im indirekten Vakuummeter nach Pirani ausgenutzt. Es besteht aus einem Heizdraht, der sich in der Vakuumkammer bendet. Fällt der Druck, kann dem Gas weniger Wärme übertragen werden, sodass die Temparatur und damit der Widerstand des Drahtes zunehmen. Bei fester anliegender Spannung würde das dazu führen, dass der gemessenen Strom durch den Draht abnähme. Dadurch würde wiederum die entstehende Wärme verringert, was den Widerstand wieder abnehmen lieÿe und es käme zu einer Schwingung, die zunächst abklingen müsste, bevor eine Bestimmung des Drucks aus dem Endwert des Stroms möglich wäre. Eine schnellere Messung ist mit eienr zusätzlichen Regelung möglich, die dafür sorgt, dass der Strom durch den Draht konstant gehalten wird, wobei natürlich die Spannung variiert werden muss. Dies hat den Vorteil, dass die Wärmeabgabe an das Gas konstant bleibt, sodass sich ein Gleichgewicht aus eingeführter und abgeführter Wärme einstellen kann. Die Spannung ist dann im Messbereich antiproportional zum herrschenden Druck. Nach oben hin wird der Messberich durch die konstante Wärmeleitfähigkeit des Gases beschränkt, nach unten durch die konstante Wärmestahlung, die bei sehr kleinen Drücken anfängt zu überwiegen. Da die Wärmeleitfähigkeit vom Gas abhängt, ist die Pirani-Röhre ein gasartabhängiges Vakuummeter. 8

9 2.7 Pirani-Röhre 2 Me mb r a n v a k u u mme t e r GRUNDLAGEN B a r a t r o n P e n n i n g Va k u u mme t e r ( I o s n i s a t i o n s Vmä h n l i c h ) P i r a n i R ö h r e Abbildung 4: Schematische Darstellung der verwendeten Vakuummeter [5]. 9

10 2.8 Ionisations-Vakuummeter 2 GRUNDLAGEN Abbildung 5: Korrekturfaktoren, die bei der Verwendung ionisierender Vakuummeter abhängig von der jeweiligen Gasart beachtet werden müssen [5]. 2.8 Ionisations-Vakuummeter Eine weitere indirekte Messung wird durch Ionisation realisiert. Dabei wird die Teilchendichte n p (Abschnitt 2.1) bestimmt. Das Ionisations-Vakuummeter besteht aus einer Heizkathode, beschleunigendem E-Feld (durch ein Gitter oder ähnliches) und einer Anode. Elektronen werden aus der Kathode gelöst, im Feld beschleunigt und treen dann auf Gasteilchen. Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit werden Atome ionisiert und von einer weiteren Kathode angezogen. Der Kathodenstrom ist damit ein Maÿ für die Teilchendichte. Problematisch ist dabei natürlich die gasartabhängige Ionisationsenergie. Gase aus Atomen mit hoher Ionisationsenergie werden bei gleicher Dichte einen kleineren Kathodenstrom hervorrufen, da die Wahrscheinlichkeit einer Ionisation entsprechend geringer ist. Aus diesem Grund werden Korrekturfaktoren verwendet. Die Messung ist auf Sticksto normiert, Drücke anderer Gasarten müssen mit den entsprechenden Faktoren berechnet werden. Tabelle 5 listet einige Korrekturfaktoren auf. Mit handelsüblichen Messgeräten lassen sich sehr kleine Ströme nachweisen, sodass mit dem Ionisations-Vakuummeter Drücke im Hoch- und Ultrahochvakuum gemessen werden können. Die Elektronik ist jedoch entsprechend nicht für groÿe Ströme ausgelegt, sodass das Ionisations- und auch das Penning-Vakuummeter erst unterhalb von ca P a zur Anwendung kommt. Andernfalls ist der Kathodenstrom sehr groÿ. Dazu kommt bei sauerstohaltigen Gasgemischen die Gefahr einer sehr schnellen Abnutzung der Kathode. Wird die Sonde einmal einem hohen Druck (z.b. Grobvakuum) ausgesetzt, lagern sich Gasatome an Anode und Kathode an. Ein Erhitzen führt dann im Hochvakuum dazu, dass die Atome wieder gelöst werden und damit den lokalen Druck deutlich erhöhen können, bzw. eine eventuelle Probe kontaminiert würde. Aus diesem Grund werden Anode und Kathode vor der ersten Messung mehrfach ausgeheizt, bis keine Druckänderung durch das Erhitzen mehr nachweisbar ist. Nach einer gewissen Zeit ist dann davon auszugehen, dass das zusätzliche Gas von der Pumpe abgepumpt wurde. 2.9 Penning-Vakuummeter Das Prinzip des Penning-Vakuummeters ist das gleiche, wie beim Ionisations-Vakuummeter. Wieder wird die Teilchendichte als Kathodenstrom gemessen, allerdings werden die Ionen nicht durch direkten Elektronenbeschuss erzeugt, sondern das Gas wird in einem Magnetfeld innerhalb des Sensors im Plasmazustand gehalten. Dies geschieht in einer kalten DC-Entladung. 10

11 3 AUFBAU Abbildung 6: Schematischer Versuchsaufbau [6]. 3 Aufbau Das Vakuum wurde in einem Zylinder aus Edelstahl von ca. cm 56 Länge und 13,4 cm Durchmesser erzeugt (Abb. 6). An der Stirnseite war eine Turbopumpe installiert, die über einen Aufsatz des Zylinders mit 44 mm Länge und 44 mm Durchmesser mit diesem verbunden war. An dem Zylinder befanden sich auch zahlreiche Zusatzrohre, die zu diversen Messgeräten, Ventilen und Pumpen führten. Diese Zusatzrohre haben alle die gleiche Abmessung von 32 mm Länge und 15 mm Durchmesser. Angebracht an ihnen waren: 1. Ein Ionivac, bestehend aus einem Glaskörper, der näherungsweise aus zwei Zylindern mit den Abmessungen 65 mm Länge und 30 mm Durchmesser sowie 75 mm Länge und 55 mm Durchmesser besteht. 2. Zwei Penning-Messgeräte, die über eine Rohrverlängerung von 230 mm Länge und 22 mm Durchmesser mit dem Zusatzrohr verbunden sind. Der erste Penning-Zylinder hat 70 mm Länge und 50 mm Durchmesser, der zweite hat eine Länge von 50 mm und einen Durchmesser von 30 mm. 3. Ein Membran-Barometer, über ein 320 mm langes Rohr mit einem Durchmesser von 20 mm verbunden, an dem ein Schlauch mit 500 mm Länge und 15 mm Durchmesser hängt. 4. Ein Pirani-Messgerät, dass über ein Rohr mit 65 mm Länge und 22 mm Durchmesser angebracht wurde. Der Messkörper kann mit einem Zylinder mit 75 mm Länge und 30 mm Durchmesser genähert werden. 5. Zwei Baratrons, deren Zuleitungen zusammen aus Rohren mit 255 mm Länge und 22 mm Durchmesser bestehen, sowie einem Rohr mit 45 mm Länge und 12,5 mm Durchmesser. Die Baratrons selbst haben jeweils eine Länge von 90 mm und einen Durchmesser von 76 mm. Wir nehmen jedoch an, dass nur ca. 50 des Volumens des Baratrons Vakuumvolumen ausmacht, während der Rest Elektronik und ähnliches enthält. 6. Hier ist eine Vorpumpe angebracht, die über ein Ventil abgetrennt werden kann. Bis zum Ventil läuft ein Rohr mit 35 mm Länge und 15 mm Durchmesser. Zusätzlich ist noch ein Nanoventil angebracht, mit dem Gas zugeführt werden kann. Dazu kann über das Ventil ein kleines Volumen mit dem Vakuum verbunden werden. Dieses Volumen hat Anschlüsse zur Raumluft, einer Helium-Gasasche und der Vorpumpe, die dass Volumen evakuieren kann. Somit können sowohl Helium als auch Raumluft über das Ventil kontrolliert in das Vakuum 11

12 5 AUSWERTUNG DER MESSINSTRUMENTE gegeben werden. Mit den oben gemachten Angaben wurde das Volumen der Vakuumkammer errechnet: V = m 3 ± m 3 (13) Um noch die endliche Dicke der Wände zu berücksichtigen, wurde sie mit 4mm abgeschätzt und folglich bei jeder Längenangabe und jeder Durchmesserangabe doppelt abgezogen. Damit ergibt sich: 4 Durchführung V = m 3 ± m 3 (14) Das Vakuum im Zylinder wurde vor Versuchsbeginn schon ungefähr eine Woche gehalten, so dass die Wände im Inneren möglichst sauber waren und nur noch minimal Teilchen ins Vakuum abgeben. Dazu lief nur die Turbopumpe, da der gehaltene Druck deutlich unter dem Enddruck der Vorpumpe lag. Der Versuchsaufbau wurde zu Beginn mit einem Maÿband und einer Schieblehre vermessen, um das Volumen bestimmen zu können. Anschlieÿend wurde eine Leckagemessung durchgeführt, indem die Turbopumpe durch das Ventil V2 abgetrennt und Messwerte mit dem Ionivac und dem Baratron 2 genommen wurden. Um die Messeigenschaften aller Messgeräte zu bestimmen, wurde der Zylinder mit Luft und später mit Helium geutet und anschlieÿend Stück für Stück abgepumpt. In den hohen Druckbereichen wurde dazu die Vorpumpe vorsichtig über das Ventil V5 zugeschaltet und wieder abgetrennt, so dass ein Messwert genommen werden konnte. Für weiter abnehmende Drücke wurde das Nanoventil V4 geönet und ein Gleichgewicht zwischen Vorpumpe und zuströmendem Gas eingestellt. So wurden weiter Messwerte genommen, bis der Enddruck der Vorpumpe bei geschlossenem V4 erreicht war. Um weiter messen zu können, wurde nun die Turbopumpe ganz vorsichtig über V2 zugeschaltet und abgetrennt, ähnlich wie zuvor die Vorpumpe. Hier war es jedoch sehr wichtig, die Turbopumpe nicht mit einer zu groÿen Gaslast zu überlasten, um Schäden an der Pumpe zu vermeiden. Auch hier wurde für noch weiter abnehmende Drücke V4 geönet und die Gleichgewichte bei verschiedenen Drücken eingestellt, bis auch die Turbopumpe bei ihrem Enddruck anlangte. Neben der Turbopumpe musste auch auf die Penning-Messgeräte und das Ionivac geachtet werden, da sie eingeschaltet nur einem Druck bis ca P standhalten und bei höheren Drücken ausgeschaltet sein sollten. Das Ionivac wurde nach dem Fluten der Kammer jeweils einige Minuten ausgeheiÿt, so dass sich die Gasmoleküle von der Wand lösen und abgepumpt werden konnten. Nachdem für die Helium-Kennlinie der Messgeräte auch mit Helium der gesamte verfügbare Druckbereich durchgemessen war, wurde abschlieÿend noch eine weitere Leckagemessung durchgeführt. 5 Auswertung der Messinstrumente Ziel war es, für jedes Messinstrument die Kennlinien für Luft und Helium zu bestimmen. Dazu wurde für jedes Instrument der gesamte verträgliche Bereich durchgemessen. Um die Instrumente dabei zu kalibrieren, wurden ihre Messwerte über die der Baratrons aufgetragen. In höheren Druckbereichen von 10 5 Pa bis 10 2 Pa wurde das Baratron 1 und für tiefere Bereiche das Baratron 2 genutzt. Im Folgenden werden die Ergebnisse alle Instrumente vorgestellt und diskutiert. 5.1 Membran-Barometer Das Membran-Barometer misst direkt die Druckdierenz der beiden Vergleichsbereiche. Damit ist es unabhängig von der Gasart. Beide Messkurven verlaufen identisch (Abb. 7), abgesehen von Schwankungen im Messfehler, und bestätigen somit die Theorie. Auch verläuft die Kennlinie gerade, wonach Membran und Baratron proportional zueinander messen. Allerdings ist die Kalibration eine andere, weshalb die Linie nicht genau mittig zwischen beiden Achsen liegt. Auÿerdem endet die Linearität im unteren Druckbereich, woraus sich schlieÿen lässt, dass das Membran-Barometer hier 12

13 5.2 Pirani-Barometer 5 AUSWERTUNG DER MESSINSTRUMENTE Messung 1 Messung Abbildung 7: Kennlinien des Membran-Barometers mit logarithmischen Achsen. Die Unabhängigkeit von der Gasart ist an den gleich verlaufenden Kurven gut zu erkennen. nicht mehr ausreichend sensitiv für die Druckunterschiede ist und z.b. die Festigkeit der Membran selbst nicht mehr vernachlässigbar ist, oder die Membran keinen Raum mehr zum ungestörten Ausbreiten vorndet. 5.2 Pirani-Barometer Mit dem Pirani-Barometer wird der Druck indirekt über die Wärmeleitfähigkeit des Gases gemessen. Die daraus resultierenden Kennlinien verlaufen jedoch nicht linear, so dass eine logarithmische Skala gewählt wurde (Abb. 8). Im unteren und oberen Druckbereich nähert sich die Spannung jeweils einem konstanten Wert an, wie in der Theorie bereits erläutert. Damit ergibt sich ein sinnvoller Messbereich des Pirani-Barometers zwischen Pa und Pa, womit er deutlich eingeschränkt ist. Auÿerdem ist die Wärmeleitfähigkeit wie ebenfalls in der Theorie erwähnt, abhängig von dem verwendeten Gas. Dies spiegelt sich in den in Richtung höherer Drücke auseinanderlaufenden Kennlinien für Luft und Helium wieder. Erklären lässt sich dieses Ergebnis mit der geringeren Masse des Heliums, so dass es bei gleicher Temperatur schneller ist und somit mehr Transportvermögen besitzt. Dies ist auch im gesättigten Bereich ab ca Pa gültig. Im unteren Bereich überwiegt jedoch die Wärmestrahlung, da kaum noch Gas vorhanden ist. Somit müssen sich beide Kennlinien dem selben Grenzwert annähern. 5.3 Ionicav-Barometer Mit dem Ionivac kann erst ab einem Druck von ca. 1 Pa und darunter gemessen werden, da es sonst beschädigt wird. Wie für ein indirektes Messgerät üblich, unterscheiden sich die Luft- und Heliumkennlinien deutlich (Abb. 9). Die gemessenen Drücke des Heliums liegen ungefähr eine Gröÿenordnung unter denen der Luft. Diese deutliche Dierenz ist einfach zu verstehen, wenn man an die unterschiedlichen Ionisationsenergien der beiden Gasgemische bedenkt. Helium als Edelgas benötigt eine viel höhere Energie durch die Elektronen und wird deshalb deutlich seltener ionisiert, wodurch ein kleinerer Kathodenstrom ieÿt. Direkt zu sehen ist, dass beide Kennlinien im oberen 13

14 5.3 Ionicav-Barometer 5 AUSWERTUNG DER MESSINSTRUMENTE U / mv Messung 1 Messung Abbildung 8: Kennlinien des Pirani-Barometers mit logarithmischer horizontaler Achse. Links und Rechts ist die Annäherung an Sättigungsbereiche zu sehen. Die schwarz gestrichelten Linien markieren den zuverlässigen Messbereich. 1 Messung 1 Messung 2 lineare fits Abbildung 9: Luft- und Heliumkennlinien für das Ionivac-Barometer. Sie verlaufen beinahe parallel, liegen jedoch ca. eine Gröÿenordnung auÿeinander. 14

15 5.4 Penning-Barometer 6 UMRECHNUNGSFAKTOR ZWISCHEN LUFT UND HELIUM Druckbereich näherungsweise linear verlaufen, jedoch ca. ab der Mitte leicht gebogen sind. Die Messgenauigkeit wird bei tiefen Drücken genau wie beim Penning klar vom Baratron beschränkt. Ob auch das Baratron die Linearität der Messung bricht, oder ob dies vom Ionivac verursacht wird, ist unklar. Da die Unlinearität jedoch im untersten Messbereich des Baratrons auftritt, ist vermutlich einfach die Zuverlässigkeit des Baratrons hier nicht mehr gegeben. 5.4 Penning-Barometer Genau wie beim Ionivac, konnten mit den Penning-Barometern erst ab 1 Pa und darunter gemessen werden. Ebenfalls messen Penning-Barometer abhängig von der Gasart, so dass sich die Luft- und Heliumkennlinien deutlich unterscheiden (Abb. 10). Die physikalische Erklärung ist aufgrund des ähnlichen Wirkprinzips zum Ionivac auch die unterschiedliche Ionisationsenergie der Gasgemische, so dass die Heliumkurve unter der der Luft liegt. Im mittleren dargestellten Bereich kann ein ungefähr linearer Zusammenhang zwischen beiden Pennings und dem Baratron unterstellt werden. In beiden Kennlinien des Penning 1 sieht man jedoch deutliche Ausreiÿer im oberen Druckbereich. Dies könnte andeuten, dass das Penning 1 sich in diesem Bereich langsam der Sättingung nähert. Es gibt zwar auch Abweichungen am unteren Ende, diese liegen jedoch im Messfehler des Baratrons und werden deshalb nicht weiter interpretiert. Das Penning 2 sieht im gesamten Darstellungsbereich deutlich linearer aus als das Penning 1. Es scheint sich auch noch nicht an einen Grenzwert anzunähern und auch auÿerhalb des Darstellungsbereichs noch zuverlässig arbeiten zu können. 5.5 Messbereiche der Instrumente Aus den oben ausgewerten Kennlinien lässt sich nun der Messbereich jedes Instrumentes abschätzen. Kriterien sind dabei die Monotonie der Messwerte und eine ausreichende Sensitivität des Messwertes bei Druckänderung, damit die Messwerte auch auswertbar sind. Linearität ist zwar erleichternd in der Auswertung und damit wünschenswert, aber nicht nötig, da mit einer entsprechenden Kalibrierkurve auch andere monotone Verhalten der Messwerte gut ausgewertet werden können. In Abb. 11 sind die Messbereiche der durchgemessenen Instrumente über dem logarithmisch dargestellten Druck aufgetragen. Wie es ihrer Natur entspricht, sind die Pennings und das Ionivac bei den kleinsten gemessenen Drücken nocht voll funktionsfähig, während das Baratron 2 dort immer mehr nachlässt. Dafür decken die beiden Baratrons zusammen den gesamten Druckbereich des Experiments ab, weshalb sie sich hier sehr gut als Referenzmessgeräte eigenen. Im Gegenteil dazu hat das Pirani-Barometer einen sehr eingeschränkten Messbreich über zwei Gröÿenordnungen. Das Membran-Barometer schlieÿlich ist dem Baratron 1 sehr ähnlich, hat jedoch einen eingeschränkteren Messbereich. Dies ist jedoch ausschlieÿlich auf die Bauweise des Gerätes zurückzuführen, das Messprinzip der Membranauslenkung kann, wie das Baratron 2 zeigt, für deutlich geringere Drücke genutzt werden. 6 Umrechnungsfaktor zwischen Luft und Helium In den Abbildungen 9 und 10 sind neben den Messdaten lineare ts eingezeichnet. Diese stellen jeweils Ursprungsgeraden dar und verlaufen somit in logarithmischer Darstellung parallel. Aus den bestimmten Steigungen lässt sich für jedes Vakuummeter ein Umrechnungsfaktor als Verhältnis der Steigungen zwischen beiden Gasen bestimmen: Messgerät Faktor Penning 1 6, 5 ± 0, 2 Penning 2 6, 7 ± 0, 2 Ionivac 5, 6 ± 0, 2 Tabelle 5 ist zu entnehmen, dass der Literatur-Wert für den Umrechnungsfaktor zwischen Sticksto und Helium bei 6, 9 [5] liegt. Die bestimmten Werte der Penning-Vakuummeter sind dem 15

16 6 UMRECHNUNGSFAKTOR ZWISCHEN LUFT UND HELIUM I / \Symbol ua Messung 1 Messung 2 lineare fits Messung 1 Messung 2 lineare fits Abbildung 10: Kennlinien für Penning 1 und 2 in doppeltlogarithmischer Darstellung. Das Penning 1 hat eine lineare Skala und somit einen konstanten Ablesefehler, während das Penning 2 mit einer logarithmischen Skala einen über den Messbereich veränderlichen Ablesefehler hat. Dies spiegelt sich in den vertikalen Fehlerbalken wider. 16

17 7 AUSWERTUNG VON LECKRATE UND SAUGVERMÖGEN Penning 2 Penning 1 Ionivac Pirani Membran Baratron 1 Baratron Abbildung 11: Überblick der Messbereiche aller verwendeter Barometer. Die Instrumente messen in dem markierten Bereichen zuverlässig. Die zwei Penning-Barometer und das Ionivac-Barometer waren beim Enddruck der Turbopumpe noch nicht an ihren Grenzen. Ebenfalls nicht ausgeschöpft wurde der Messbereich des Baratron 1, jedoch in Richtung höherer Drücke. Literaturwert damit ähnlich, der des Ionivac liegt in der gleichen Gröÿenordnung, sodass eine Verwechslung des Gases zumindest ausgeschlossen ist. Auällig ist, dass alle Faktoren systematisch unter dem Literaturwert liegen. Dies kann durch ein Gasgemisch aus Helium und Luft erklärt werden. Betrachtet man die Graphen, so liegen vor allem Messwerte der Messung 2 (Helium) im unteren Druckbereich oberhalb der Ausgleichsgeraden. Hier macht sich die durch Lecks eindringende Luft besonders bemerkbar, da die konstant eindringende Luft auf einen immer kleineren Helium-Partialdruck trit. Auÿerdem handelt es sich bei der Laborluft nicht um reinen Sticksto. 7 Auswertung von Leckrate und Saugvermögen Im Laufe des Versuchs wurden zwei Leckraten bestimmt. Die erste Messung fand gleich zu Beginn der Messzeit statt, nachdem die Vakuumkammer etwa eine Woche bei laufender Turbomolekularpumpe nicht belüftet wurde. Hier ist davon auszugehen, dass der Druck im Innern der Kammer den kleinstmöglichen Wert erreicht hat und alle virtuellen Lecks beseitigt wurden. Der Druck wurde von einem Baratron abgelesen. Die nötige Messelektronik wurde erst kurz vor der Messung gestartet und kalibriert. Zur Kalibrierung wurde das Ionisationsvakuummeter herangezogen. Dort wurde ein Druck kleiner 10 2 P a angezeigt. Mit dem Baratron sind Drücke nur im Bereich gröÿer 10 2 P a messbar. Deshalb wurde die Anzeige so kalibriert, dass beim bekannten Druck 0 torr angezeigt wurde. Allerdings zeigte sich in der kurzen Zeit zwischen Kalibrierung und Messbeginn eine stete Veränderung des Messwerts. Beim Messbeginn wurden torr angezeigt. Die Messdauer betrug 23 Minuten. Danach wurde die Kammer recht schnell mithilfe der Turbopumpe wieder auf den Enddruck evakuiert. Zu diesem Zeitpunkt wurden dann torr am Baratron angezeigt, was sich in den nächsten Minuten nicht änderte. Es ist zu vermuten, dass die Messelektronik zunächst warmlaufen muss, bevor eine zuverlässige Messung möglich ist. Während der Aufwärmphase driftet der Messwert entsprechend ein wenig. Leider wurde diese Erkenntnis erst 17

18 7 AUSWERTUNG VON LECKRATE UND SAUGVERMÖGEN Messung 1 Messung 2 lineare fits t / s Abbildung 12: Bei abgeschalteter Vakuumpumpe steigt der Druck in der Kammer aufgrund von Lecks linear an. Aus der Steigung lässt sich bei bekanntem Volumen die Leckrate bestimmen. Die beiden Messungen wurden unter verschiedenen Startbedingungen aufgenommen, entsprechend ergeben sich unterschiedliche Leckraten. zu einem späteren Zeitpunkt gewonnen, sodass eine erneute Messung nicht möglich war. Unter der Annahme einer konstanten Drift, kann man diesem Eekt jedoch Rechnung tragen, indem auf die Messwerte die Funktionswerte einer Geraden in Abhängigkeit der Zeit addiert werden. Dadurch ergibt sich zwar eine gewisse Unsicherheit über den tatsächlichen Messwert, allerdings zeigt sich, dass der erwartete Verlauf der Messkurve nachgewiesen werden konnte, sodass der Einuss dieses Fehlers als klein betrachtet werden kann. Die Geradengleichung berechnet sich dabei wie folgt: f(t) = m t + n (15) [t] = s, [f] = P a (16) m = (55 35) 10 4 torr 0, 1866 P a = 1380 s 1380 s (17) n = torr = 0, P a (18) Kurz vor der zweiten Messung wurde die Kammer bis auf 15 torr = 2000 P a mit Helium geutet und mithilfe der Vor- und Turbopumpe wieder ein Druck unter 10 2 pa herrgestellt. Die Messelektronik lief zu diesem Zeitpunkt bereits seit mehreren Stunden und eine Drift war nicht feststellbar. Die gemessenen Daten sind in Abb. 12 dargestellt. Die Daten der Messung 1 sind wie beschrieben modiziert. Es ist ein linearer Verlauf des Drucks in Abhängigkeit von der Zeit zu erkennen. Aus einem linearen Fit der Daten ergeben sich die Leckraten als folgende Steigungen (nach Formel 10): q Leck1 = (4, 815 ± 0, 003) 10 3 P a/s V (19) q Leck2 = (5, 13 ± 0, 02) 10 3 P a/s V (20) mit V = (7, 6 ± 1, 0) 10 3 m 3 ergibt sich : (21) q Leck1 = (3, 7 ± 0, 6) 10 5 m3 P a s q Leck2 = (3, 9 ± 0, 6) 10 5 m3 P a s Die Leckrate der Messung 1 ist ca. 6% kleiner als die der Messung 2. Der Unterschied lässt sich durch reale und virtuelle Lecks erklären. In Messung 1 rührt die Leckrate nur von realen Lecks (22) (23) 18

19 9 ZUSAMMENFASSUNG an Dichtungen und Verbindungen der Vakuumkammer her. Kurz vor Messung 2 war eine groÿe Menge Helium in der Kammer, welches sich auch an der Kammerwand abgelagert hat. Nachdem der Druck wieder vermindert worden war, lösten sich die Heliumatome wieder von der Wand und trugen so zur gemessenen Leckrate als virtuelle Lecks bei. Die angegebenen Fehler ergeben sich aus dem Fit-Algorithmus (Gnuplot). Nach [5] sind Vakuumanlagen mit Leckraten kleiner 10 8 m3 P a s als gasdicht zu bewerten. Die verwendete Anlage ist nach dieser Einteilung lediglich dampfdicht (q Leck < 10 4 m3 P a s ). Aus diesen Daten lässt sich zudem das Saugvermögen der Turbomolekularpumpe bestimmen (siehe Abschnitt 2.2). Dazu ist der Enddruck nötig. Da bei der Messung 1 keine virtuellen Lecks auftraten, wird diese Messung verwendet. Der Enddruck betrug hier p end = (2, 1 ± 0, 2) 10 3 P a. Daraus ergibt sich ein Pumpvermögen von (Formel 12) S = q Leck1 p end = (3, 7 ± 0, 6) 10 5 m 3 P a s (2, 1 ± 0, 2) 10 3 P a = (18 ± 4) l s Der Hersteller der Pumpe, Pfeier Vacuum, gibt bei einer Drehfrequenz von 1500 Hz ein Saugvermögen von S = 33 l s Sticksto an. Im Experiment lief die Pumpe nur mit 1000 Hz, was die Abweichung vom Nominalwert erklärt. Die Fehler ergeben sich jeweils nach der Gauÿ±chen Fehlerfortpanzung. Auf die selbe Weise lässt sich das Saugvermögen der Vorpumpe bestimmen. Der hier erreichbare Enddruck liegt bei p end = (43, 8 ± 0, 2) P a. Daraus ergibt sich ein Saugvermögen von: (24) S = q Leck1 p end = (3, 7 ± 0, 6) 10 5 m 3 P a s (34, 8 ± 0, 2) P a = (1, 3 ± 0.3) l s Ein Vergleich mit Herstellerangaben ist hier nicht möglich. Aufgrund des Prinzips und der deutlich geringeren Drehzahl der Pumpe ist jedoch zu erwarten, dass das Saugvermögen niedriger liegt, als bei der Turbomolekularpumpe. 8 Ventilkurve Um herauszunden, wie viel Gas durch das Nanoventil in die Vakuumkammer eindringt, wird in Abb. 13 die Ventilönung gegen den Gasuss aufgetragen. Die entsprechende Pumpe ist dabei eingeschaltet, sodass sich ein Gleichgewicht zwischen Zuuss und Pumpleistung einstellt. Dieser Zuuss setzt sich aus dem Gasuss des Nanoventils und der Leckrate zusammen. Die Leckrate ist für beide Pumpen unterschiedlich, weil die Vorpumpe deutlich weniger abdichtet als die Turbopumpe. Die Saugleistung ihrerseits ist das Produkt aus momentanem Druck und Saugvermögen und ebenfalls nicht gleich für die beidem Pumpen. Damit ergeben sich verschiedenen Enddrücke und die zwei Kurven pro Gasart. Auf der rechten Seite des Graphen war die Vorpumpe in Betrieb, auf der linken Seite die Turbomolekularpumpe. Auf der linken Seite zeigt sich der erwartete Verlauf recht gut. Für die Vorvakuumpumpe zeigt sich ein ähnlicher Verlauf, nur deutlich gestauchter. Um die Messreihen beider Pumpen überlagern und verbinden zu können, müssten Leckrate und Saugvermögen der Vorpumpe bestimmt werden. Damit lieÿe sich der Gasuss korrekt berechnen und vergleichen. 9 Zusammenfassung Im Rahmen dieses Versuches konnten wir die Herstellung eines Vakuums untersuchen, sowie die Möglichenkeiten der Messung eines Unterdrucks über sieben Gröÿenordnungen unterhalb des Atmosphärendrucks kennen lernen. Die Vakuummeter konnten sowohl für Luft als auch Helium relativ zum Baratron kalibriert und verwendet werden. Aus den Kalibrationen ging ein Umrechnungsfaktor für ionisierende Barometer für Helium hervor, der in etwa mit dem Literaturwert 6, 9 übereinstimmt. Die Leckraten der verwendeten Kammer konnten für beide Gase ermittelt werden. Es ergab sich (25) 19

20 9 ZUSAMMENFASSUNG Ventil / a.u Messung 1 Messung Gasfluss / (Pa * l / s) Abbildung 13: Die Ventilönung als Funktion des Gasusses. oben: Messdaten der beiden Gase bei verwendung der verschiedenen Vakuumpumpen. unten: Erwarteter Verlauf der Kurve nach [6]. 20

21 9 ZUSAMMENFASSUNG ein geringfügiger Unterschied, welcher durch virtuelle Lecks erklärt werden kann. Daraus wurden auÿerdem die Saugvermögen beider vernwendeter Pumpen bestimmt, sowie die Kalibrierkurve für den Gasuss durch das Nanoventil ermittelt werden. Die Vakuumkammer ist nach den Angaben von [5] nur als dampfdicht zu bewerten. 21

22 10 Anhang Literatur [1] Brian N. Chapman. Glow Discharge Processes. Wiley and Sons, [2] Wolfgang Demtröder. Experimentalphysik 1. Springer, 2006, 4. Auage. [3] [4] [5] Dr. Walter Umrath. Grundlagen der Vakuumtechnik. Leybold, [6] Infomaterial zum versuch, Hilfsmittel Für diese Arbeit wurden die folgenden Hilfsmittel auÿerhalb des Praktikumsversuchs benutzt: Gnuplot Version 4.6 c , 1998, 2004, Thomas Williams, Colin Kelley and many others TeXworks Version 0.5 r.952 c Jonathan Kew, Stefan Löer python

23 Erklärung Hiermit erklären wir, dass wir den Inhalt dieses Protokolls eigenständig erarbeitet haben und keine auÿer den angegebenen Hilfsmitteln und zitierten Quellen verwendet haben. Kiel, den 20. Mai 2014 Stephan von Malottki Marcel Behrendt 23

24 Korrektur Vakuumtechnik vorgelegt von: Stephan von Malottki Marcel Behrendt CAU Kiel Fachbereich Physik 25. Juni 2014 Der Versuch wurde durchgeführt am: 7. Mai 2014 Versuchsbetreuer war T. Jürgens Inhaltsverzeichnis 1 verwendete Gasgemische 2 2 Pumpvermögen von Vor- und Turbopumpe 2 1

25 2 PUMPVERMÖGEN VON VOR- UND TURBOPUMPE 1 verwendete Gasgemische Die im Protokoll erwähnte Messung 1 wurde mit Luft durchgeführt, während für Messung 2 Helium verwendet wurde. 2 Pumpvermögen von Vor- und Turbopumpe Aus den Daten, die in Abb. 13 oben dargestellt wurden und der dazugehörigen Kalibrierkurve des Nanoventils (Abb. 13 unten) lässt sich ein Zusammenhang zwischen Druck und Gasuss aufstellen. Dazu wird der Gasuss abhängig von der Anzeige des Nanoventils aus der Kalibrierkurve abgelesen und gegen den gemessenen Druck aufgetragen. Dies ist für die vier Messungen, je Luft und Helium an Vor- und Turbomolekularpumpe, in Abb. 1 gezeigt. q / Pa l s Messpunkte fit q / Pa l s Messpunkte fit q / Pa l s Messpunkte fit q / Pa l s Messpunkte fit Abbildung 1: Zusammenhang zwischen Druck und Gasuss bei laufender Pumpe. links oben: Luft bei Betrieb der Vorvakuumpumpe. rechts oben: Helium mit der Vorpumpe. unten: entsprechend unter Verwendung der Turbomolekularpumpe. Bei der Vorpumpe zeigt sich, dass sich der so erhaltene Datensatz sehr gut linear nähern lässt. Die Näherung einer Geraden bei Messungen mit der Turbopumpe genügt nicht, um die Daten exakt zu beschreiben. Betrachtet man die Abb. 13 unten, so ist das genaue Ablesen des Gasusses schwierig. Hier wurden zwei Punkte (V entil = 300 und V entil = 600) abgelesen und mit einer Exponentialfunktion gettet. Dabei ergibt sich jedoch ein groÿer Ablesefehler, sodass die lineare Näherung möglich erscheint. Der Graph lieÿe sich auf den ersten Blick mit zwei Geraden nähern. Eventuell verfügt die Turbomolekularpumpe über eine Regelung, die Leistung bei zu groÿer Gaslast 2

26 2 PUMPVERMÖGEN VON VOR- UND TURBOPUMPE mindert. Die Steigung der Geraden beschreibt das Saugvermögen der jeweiligen Pumpe beim jeweiligen Gasgemisch. Auch um dieses nicht druckabhängig anzugeben, wurde hier nur mit je einer Geraden gearbeitet. Das Saugvermögen ergibt sich daraus wie folgt aus den linearen Fits: S V or,luft = 1, 2 ± 0, 2 l s S V or,helium = 0, 16 ± 0, 04 l s S T urbo,luft = 22 ± 5 l s S T urbo,helium = 31 ± 8 l s (1) (2) (3) (4) (5) Dieses Ergebnis lässt sich mit den bereits bestimmten Wertes des Saugvermögens bei Luft aus den jeweiligen Enddrücken Vergleichen. Für die Turbopumpe wurde hier S T urbo,luft = 18 ± 4 l s und für die Vorpumpe S V or,luft = 1, 3 pm0, 3 l s bestimmt. Diese Werte stimmen mit den in dieser Korrektur bestimmten Werten im Rahmen ihrer Fehler überein. Es fällt auf, dass das Saugvermögen der Vorpumpe bei Helium deutlich geringer ist, während die Turbopumpe ein höheres Saugvermögen als bei Luft zeigt. 3