Versuch V1 Vakuum. durchgeführt von Matthias Timmer Christian Haake. Betreuung Herr Katsch. am

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Gottlob Kranz
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1 Versuch V1 Vakuum durchgeführt von Matthias Timmer Christian Haake Betreuung Herr Katsch am

2 Übersicht Hintergrund Grundlagen Unterschiede der Vakua Pumpen Druckmessung Versuch Kalibrierung des Wärmeleitmanometers Saugvermögen der Öl-Diffusionspumpe Saugvermögen der Vorpumpe

3 Hintergrund Magdeburger Halbkugeln Evakuierte Kugel aus zwei Halbkugeln Luftdruck hält Halbkugeln zusammen Versuch von Otto von Guericke 1654

4 Hintergrund Anwendung Vakuum: geringer Druck, geringe Teilchendichte geringe Wechselwirkung der Gasteilchen untereinander geringe Wechselwirkung mit Umgebung bzw. Fremdteilchen Anwendung: Teilchenbeschleuniger, Röntgenröhren Oberflächenphysik Plasmaphysik Glühlampen etc.

5 Grundlagen Vakuumtechnik Begriffe Definition des Drucks p: Kraft pro Fläche, durch Stöße der Teilchen mit der Wand p= F A Einheit: 1 Pa=1 N m 2 =10 5 bar üblich benutzte Einheiten: mbar oder torr Mittlere freie Weglänge λ: mittlerer Abstand von Stoß zu Stoß eines Teilchens im Gas = 1 n 1 torr=133,3 Pa 1 mbar=100 Pa n: Teilchendichte σ: Wirkungsquerschnitt

6 Grundlagen Vakuumtechnik Einteilung der Vakua Grobvakuum mbar viskose Strömung Feinvakuum mbar Knudsen-Strömung Hochvakuum mbar molekulare Strömung Ultrahochvakuum < 10-7 mbar molekulare Strömung d d d d λ: mittlere freie Weglänge d: typische Dimension des Systems

7 Grundlagen Vakuumtechnik Pumpen zur Entleerung des Rezipienten / Erzeugung eines Vordrucks je nach zu erzeugendem Druck: Vorpumpe, z.b. Drehschieberpumpe UHV-Pumpe, z.b. Diffusionspumpe, Verdampferpumpe, Ionengetterpumpe, Turbomolekularpumpe Saugvermögen S= dv dt Saugleistung q pv = dpv dt p konstant q pv = p S ideales Gasgesetz pv =N k B T

8 Grundlagen Vakuumtechnik Vorpumpe: Drehschieberpumpe mechanische Verdrängung bis ca mbar Gasballast zur Kondensationsverhinderung

9 Grundlagen Vakuumtechnik Turbomolekularpumpe Impulsübertrag auf einzelne Teilchen je nach Größe etwa 1000 Umdrehungen pro Sekunde erreicht Druck bis ca mbar benötigt Vorvakuum von max mbar

10 Grundlagen Vakuumtechnik Diffusionspumpe erhitzte, schnelle Ölmoleküle treten aus Düsen aus Stöße mit Gasmolekülen, Impulsübertrag erreichbarer Druck ca mbar benötigt Vorvakuum von wenigen mbar

Titan-Molybdän- Drähten erhält Aufnahmefähigkeit Rezipient gekühlte

11 Grundlagen Vakuumtechnik Ti-Sublimationspumpe Gasmoleküle adsorbieren auf der gekühlten Wand Wiederholte Aufdampfung von Titanschichten von Titan-Molybdän- Drähten erhält Aufnahmefähigkeit Rezipient gekühlte Wand erreicht Druck bis ca mbar benötigt mindestens Hochvakuum

12 Grundlagen Vakuumtechnik Druckmessgeräte Grobvakuum: mechanische Messgeräte nach Definition des Drucks, z.b. Dosenmanometer Torricelli-Manometer Tiefere Drücke: Übergang zu Messgeräten, die andere physikalische Eigenschaften ausnutzen, z.b. Wärmeleitmanometer, Ionisationsmanometer

13 Grundlagen Vakuumtechnik Wärmeleitvakuummeter Wärmeleitvakuummeter misst Druck über Wärmeleitfähigkeit des Restgases über den temperaturabhängigen Widerstand eines Drahtes höherer Druck verbesserte Wärmeabfuhr geringerer Widerstand Wärmeleitfähigkeit abhängig von Teilchensorte Teilchenartabhängigkeit

14 Grundlagen Vakuumtechnik Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter Elektronenemission aus Glühkathode Beschleunigung zur Gitteranode Elektronenstoßionisation proportional zur Teilchendichte Ionenstrom am Kollektor Glühkathode Kollektor

15 Versuch V1 Der Versuch Saugvermögen Vorpumpe Saugvermögen Öl- Diffusionspumpe Kalibrierung eines Wärmeleitmanometers

16 Versuch V1

17 Versuch V1 Kalibrierung des Wärmeleitmanometers Messmethode: statische Expansion bekannt: p 1, V 1 und V 2 zu vernachlässigender Druck p 2 p 1 V 1 p 2 V 2 = p Gesamt V 1 V 2 p 1 V 1 = p Gesamt V 1 V 2 p Gesamt = p 1V 1 V 1 V 2 Vergleich mit Messwert des Wärmeleitmanometers

Versuch V1 Wärmeleitmanometer: Messung für Stickstoff gerechnet (mbar) 1,60E-01 1,50E-01 1,40E-01 1,30E-01 1,20E-01 1,10E-01 1,00E-01 9,00E-02 8,00E-02 7,00E-02 6,00E-02 5,00E-02 4,00E-02 3,00E-02

18 Versuch V1 Wärmeleitmanometer: Messung für Stickstoff gerechnet (mbar) 1,60E-01 1,50E-01 1,40E-01 1,30E-01 1,20E-01 1,10E-01 1,00E-01 9,00E-02 8,00E-02 7,00E-02 6,00E-02 5,00E-02 4,00E-02 3,00E-02 2,00E-02 1,00E-02 0,00E+00 0,00E+0 00 Wärmeleitmanometer: Stickstoff 2,50E ,00E ,50E ,00E- 001 gemessen (mbar) 1,25E ,50E- 001 Enddruck (gerechnet) Kalibrierungsgerade Korrekturfaktor: 1,28 p real =1,28 p gemessen

19 Versuch V1 Wärmeleitmanometer: Messung für Argon Enddruck (gerechnet) (mbar) Wärmeleitmanometer: Argon 1,700E-001 1,600E-001 1,500E-001 1,400E-001 1,300E-001 1,200E-001 1,100E-001 1,000E-001 9,000E-002 8,000E-002 7,000E-002 6,000E-002 5,000E-002 4,000E-002 3,000E-002 2,000E-002 1,000E-002 0,000E+000 0,00E+000 2,50E-002 5,00E-002 7,50E-002 1,00E-001 Enddruck (gemessen) (mbar) Enddruck (gerechnet) Kalibrierungsgerade Korrekturfaktor: 1,95 p real =1,95 p gemessen

20 Versuch V1 Messung des Saugvermögens der Öl-Diffusionspumpe Messmethode: dynamische Expansion gezielter Gaseinlass als Leck, gegen das die Pumpe arbeiten muss dp Leckrate Q L =V R dt ergibt sich aus Druckanstieg nach Öffnen des Lecks mit Pumpe im Gleichgewicht: Q L =S eff p end V R =6,817l

21 Versuch V1 Bestimmung der Leckrate Q L =V R dp dt Zeit Druck

22 Versuch V1 Diffusionspumpe: Ergebnis 2,50E-07 2,25E-07 2,00E-07 1,75E-07 Leckrate / Enddruck Leckrate 1,50E-07 1,25E-07 Q L =S eff p end Leck-Leitwert Steigungsgerade 1,00E-07 7,50E-08 5,00E-08 2,50E-08 5,50E-06 6,00E-06 6,50E-06 7,00E-06 7,50E-06 8,00E-06 8,50E-06 9,00E-06 Enddruck (Torr) S eff =0,05 m3 s =50 l s

23 Versuch V1 Messung des Saugvermögens der Vorpumpe Messmethode: Druckerniedrigung Teil des Gases wird abgepumpt, Rest verbleibt im Volumen: Differentialgleichung: Lösung: S eff p V dp dt =0 dp p = S eff V dt p t = p 0 e S eff V t ln p 0 p t = S eff V t S eff =ln p 0 p t V t V =2,4 l

24 Zeit Versuch V1 Vorpumpe: aufgenommenes Diagramm Druck

25 Versuch V1 Vorpumpe: ausgewertetes Diagramm Zeit (s) ln(p0/p) 2 0,6 4,25 1,24 5,75 1,69 7,5 2,16 9 2,66 10,5 3, , , ,61 18,25 5,2 Steigung= S eff V Steigung: S eff = 0,286 s 0,286 1 s ln (p0/p) 5,5 3,5 2,5 1,5 V =6, m 3 5 4, Saugvermögen Vorpumpe 0,5 0 2,5 5 7, , ,5 20 s 0,69 l s Zeit (s) ln(p0/p) Steigungsgerade

26 Versuch V1 Vorpumpe: Berücksichtigung des Leitwerts Vakuumströmung wie elektrischer Strom, hier Reihenschaltung: Daten der Abpumpleitung: 1 S eff = 1 S 1 L Länge 88cm, Durchmesser 1,7cm Durchschnittlicher Druck der Messung etwa 20 mbar Aus Nomogramm ergibt sich: L=0,405 m3 s (vernachlässigbar) S=0,688 l s S eff =0,686 l s

27 Versuch V1 Fazit Einblick in Vakuumtechnik: Pumpen, Manometer, Leitungen... Täglich Brot des Experimentalphysikers (Oberflächenphysik, Plasmaphysik, auch Laserphysik) an dieser Uni Als Experimentator müssen Sie Pumpenöl wechseln können.

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