Halbleiter und Nanostrukturen - Charakteristik einer Vakuumanlage, Praktikum, Prof. Förster

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1 Halbleiter und Nanostrukturen - Charakteristik einer Vakuumanlage, Praktikum, Prof. Förster Christoph Hansen, Christian große Börding chris@university-material.de Dieser Text ist unter dieser Creative Commons Lizenz veröffentlicht. Ich erhebe keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Richtigkeit. Falls ihr Fehler findet oder etwas fehlt, dann meldet euch bitte über den kontakt. Inhaltsverzeichnis Versuchsaufbau 2 Versuchsdurchführung 2 Funktionsweise der Komponenten 2 Auswertung 4 1

2 C. Hansen 2 Versuchsaufbau In diesem Versuch geht es darum eine Vakuumanlage zu vermessen. Dabei sollen charakteristische Daten wie das effektive Saugvermögen der Pumpen und die Leckrate bestimmt werden. Zu diesem Zweck hatten wir einen Pumpenstand aus einer Drehschieberpume, die mit einer Turbomolekularpumpe gekoppelt war. Zur Druckmessung wurde ein 2 in 1 Druckmessgerät verwendet, damit alle erreichbaren Druckbereiche abgedeckt sind. Zu Anfang wurde die ganze Anordnung gesäubert und dann zusammengebaut. Schematisch sah der Aufbau so aus: Bild!!! Versuchsdurchführung Zuerst erzeugen wir mit der Drehschieberpumpe ein Vorvakuum im Bereich von ca mbar, anschließend schalten wir die Turbomolekularpumpe hinzu. Nach erreichen des Enddrucks sperren wir die Kammer mehrfach ab bestimmen darüber die Leckrate. Danach schalten wir die Turbomolekurlarpumpe ab warten bis der Enddruck der Drehschieberpumpe erreicht wird. Daraus können wir Saugvermögen bestimmen. Funktionsweise der Komponenten Drehschieberpumpe Im Prinzip ist eine Drehschieberpumpe nichts anderes als zwei ineinandergesetzte Zylinder von denen der innere exzentrisch rotiert. Im ersten Schritt wird Luft aus einer Öffnung eingelassen. Anschließend wird die Luft mit der Rotation aus der zweiten Öffnung rausgedrückt. Der ganze Prozess wird zum dichten und schmieren mit Öl versorgt. Turbomolekularpumpe Eine Turbomolkularpumpe besteht aus mehreren Stufen von fest angeorndeten Statoren. Zwischen diesen Statoren sind Rotoren, die im Bereich von Umd/min rotieren. Das sind Geschwindigkeiten, die im Bereich der Molekülgeschwindigkeiten liegen und dadurch fügen die Ro-

3 C. Hansen 3 toren den Molekülen einen zusätzlichen seitlichen Impuls hinzu. Wenn diese Komponenten groß genug ist, können die Teilchen den Rezipienten verlassen. Thermovac Diesen Messgerät arbeitet mit der Wärmeleitfähigkeit von Gasen. Es wird eine Heizspule mit einem konstanten Strom durchflossen und auch die Temperatur soll konstant gehalten werden. Je weniger Gas vorhanden ist desto höher muss man die Spannung regeln, damit eine konstante Temperatur erreicht wird. Man kann damit bis runter auf ca 10 3 mbar messen. Ionivac Ein Ionisatios Druckmessgerät macht sich die Restelektronen in der Vakuumkammer zu nutze. Es besitzt eine Anode und eine Kathode zwischen denen eine Spannung angelegt ist. Die Elektronen werden nun von der Anode angezogen und man erhält einen von den Restelektronen abhängigen Strom. Das Ionisations Druckmessgerät funktioniert nur bei Drücken die niedriger sind als 10 2 mbar, da sonst ein konstanter Strom zwischen Anode und Kathode fließen würde

4 C. Hansen 4 Auswertung Leckrate Turbomolekularpumpe Wir bestimmen zunächst die Leckrate und betrachten dazu den Druckverlauf, als wir das Ventil dreimal kurz geschlossen haben. Für die Ausgleichsgeraden haben wir die 6 relevanten Punkte markiert: Punkt p/mbar Punkt 4 Punkt Punkt 1 Punkt 3 Punkt 5 3,150 3,200 3,250 3,300 3,350 3,400 3,450 3,500 3,550 3,600 3,650 3,700 3,750 t/s Die Punte sind: Daraus können wir die Steigungen berechnen: Punkt t/s p/mbar 1 3, , , , , , , , , , , , m 1 = 1, , , , = 3, mbar/s m 2 = 1, , , , = 2, mbar/s m 3 = 1, , , , = 4, mbar/s

5 C. Hansen 5 Der Mittelwert ist dann: m = 3, mbar/s Den Rezipienten haben haben wir vermessen und kommen auf ein Volumen von 12,1 l bei einer Unsicherheit von 0,4 l. Die Leckrate berechnen wir dann so: q pv = m V Rez = 3, ,1 = 3, mbar l/s q pv = q pv V Rez = m V Rez = 3, ,4 = 1, mbar l/s Damit ist unsere Leckrate (3,93 ± 0,13) 10 4 mbar l/s. Drehschieberpumpe Nach genau dem selben Schema betrachten wie die Leckrate der Drehschieberpumpe: p/mbar Punkt Punkt 1 4,100 4,150 4,200 4,250 4,300 4,350 4,400 4,450 4,500 4,550 4,600 4,650 4,700 4,750 4,800 4,850 t/s Die Punte sind: Daraus können wir die Steigungen berechnen: Punkt t/s p/mbar 1 4, , , , m 1 = 5, , , , = 4, mbar/s Wie oben ergibt sich dann die Leckrate zu:

6 C. Hansen 6 q pv = m V Rez = 4, ,1 = 5, mbar l/s q pv = q pv V Rez = m V Rez = 4, ,4 = 2, mbar l/s Damit ist unsere Leckrate (5,2 ± 2,08) 10 4 mbar l/s. Saugvermögen Die Steigungen sollen eigentlich mit ln berechnet werden und nicht mit log Drehschieberpumpe Um das Saugvermögen zu berechnen legen wir wieder eine Gerade durch zwei markante Punkte; 10 3 Punkt p/mbar Punkt t/s Die Punkte sind: Daraus können wir die Steigungen berechnen: Punkt t/s p/mbar 1 8, , , , log ( 3, ) m 1 = 1, , = 0,075 mbar/s Die Saugrate ergibt sich dann so:

7 C. Hansen 7 S e f f = m V Rez = 0,075 12,1 = 0,90 l/s S e f f = S e f f V Rez = m V Rez = 0,075 0,4 = 0,03 l/s Die Saugrate der Drehschieberpumpe ist also (0,9 ± 0,03) l/s Turbomolekularpumpe Um das Saugvermögen zu berechnen legen wir wieder eine Gerade durch zwei markante Punkte; Punkt p/mbar Punkt ,910 1,915 1,920 1,925 1,930 1,935 1,940 1,945 1,950 1,955 1,960 1,965 1,970 t/s Die Punte sind: Daraus können wir die Steigungen berechnen: Punkt t/s p/mbar 1 1, , , , log ( 1, , ) m 1 = 1, , = 0,127 mbar/s Die Saugrate ergibt sich dann so: S e f f = m V Rez = 0,127 12,1 = 1,5 l/s S e f f = S e f f V Rez = m V Rez = 0,127 0,4 = 0,05 l/s

8 C. Hansen 8 Die Saugrate der Turbomolekularpumpe ist also (1,5 ± 0,05) l/s Theoretisches Saugvermögen der Turbopumpe Um das theoretische Saugvermögen zu bestimmen, müssen wir die Rohrdurchmesser und Längen der einzelnen Abschnitte berücksichtigen. Zudem wissen wir aus dem Datenblatt, das die maximale Pumpleistung der Turbopump bei 55 l/s liegt. Daraus erhalten wir nun: Länge / cm Durchmesser / cm Klausius Leitwert / l/s 1/Leitwert / s/l Schiebeventil 1 1,8 3,2 0, , , Schiebeventil 2 1,8 3,2 0, , , Schiebeventil 3 2,4 2,4 0, , , Winkelstück 15,394 3,6 0, , , Flansch 8,7 2,3 0, , , Pumpe 55 0, Die Leitwerte werden nach folgender Formel berechnet: c = K 3,81 T M D3 L Der Klausiusfaktor K lässt sich dann so bestimmen: K = 15 L D + 12 ( ) L 2 D L D + 12 ( L D ) 2 Zudem wir die Länge des gekrümmten Rohrs wie folgt umgerechnet: l = l ax + 1,33 Für das theoretische Saugvermögen ergibt sich dann: S theo = D 1 (1/Leitwert) = 4,755 l/s Das theoretische Saugvermögen liegt also um knapp den Faktor 4 über dem gemessenen.

9 C. Hansen 9 Leckraten bei laufenden Pumpen Die Leckraten können wir nach folgender Formel bestimmen: C = P e S e f f P a Turbopumpe Für die Turbopumpe ergibt sich dann: C = 1,5 1, = 2, l/s Drehschieberpumpe Für die Drehschieberpumpe ergibt sich dann: C = 0, = 7, l/s