| 711 |
kaklik |
1 |
\documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article}
|
|
|
2 |
\usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
|
|
|
3 |
\usepackage[utf8]{inputenc}
|
|
|
4 |
\usepackage[czech]{babel}
|
|
|
5 |
\usepackage{graphicx}
|
|
|
6 |
\textwidth 16cm \textheight 24.6cm
|
|
|
7 |
\topmargin -1.3cm
|
|
|
8 |
\oddsidemargin 0cm
|
|
|
9 |
\pagestyle{empty}
|
|
|
10 |
\begin{document}
|
|
|
11 |
\title{Čerpání turbomolekulární vývěvou}
|
|
|
12 |
\author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz}
|
|
|
13 |
\date{19.11.2010}
|
|
|
14 |
\maketitle
|
|
|
15 |
\thispagestyle{empty}
|
|
|
16 |
\begin{abstract}
|
|
|
17 |
\end{abstract}
|
|
|
18 |
|
|
|
19 |
\section{Úvod}
|
|
|
20 |
\begin{enumerate}
|
| 720 |
kaklik |
21 |
\item Aparatura je napuštěna vzduchem na atmosférický tlak. Zavřít napouštěcí ventil.
|
| 711 |
kaklik |
22 |
|
| 720 |
kaklik |
23 |
\item Zapnout a nechat ustálit vakuometr.
|
| 711 |
kaklik |
24 |
|
| 720 |
kaklik |
25 |
\item Zapnout hlavní vypínač vakuového stojanu. Sledovat vývoj na display. Nastavit display na skutečné otáčky. Sledovat časový průběh tlaku v recipientu a zaznamenávat p=p(t).
|
| 711 |
kaklik |
26 |
|
| 720 |
kaklik |
27 |
\item Po dosažení tlaku $p < 10^{-3}$ Pa možno zapnout hmotnostní analyzátor - ovládání přes počítač.
|
| 711 |
kaklik |
28 |
|
| 720 |
kaklik |
29 |
\item Nastavení režimu ... sejmout hmotností spektrum. Možno několikrát opakovat a uložit do paměti pro ilustraci v protokolu. Určit hlavní - převládající -prvky či molekulární fragmenty.
|
| 711 |
kaklik |
30 |
|
| 720 |
kaklik |
31 |
\item Nastavit režim "TREND" a sledovat časový průběh tlaku vybraných plynů. Uložit do paměti.
|
|
|
32 |
|
|
|
33 |
\item Změřit vliv ohřátí recipientu na parciální tlaky v aparatuře. Při měření v režimu "TREND":
|
|
|
34 |
\begin{enumerate}
|
|
|
35 |
\item Zapnout ohřev recipientu.
|
|
|
36 |
\item Sledovat průběh parciálních tlaků až do fáze jejich všeobecného poklesu.
|
|
|
37 |
\item Zaznamenat rovněž celkový tlak $p_tot(t)$.
|
|
|
38 |
\item Uložit v paměti.
|
|
|
39 |
\item Vypnout ohřev a ještě chvíli zaznamenávat časový průběh tlaků.
|
| 711 |
kaklik |
40 |
\end{enumerate}
|
|
|
41 |
|
| 720 |
kaklik |
42 |
\item Zaznamenat průnik lehkého plynu - helia - zpětnou difusí čerpací soustavu do vakua: Okolí výfuku z turbo-molekulární vývěvy zahltit heliem a sledovat parciální tlak He v aparatuře v režim "TREND".
|
|
|
43 |
|
|
|
44 |
\item Zaznamenat vliv otáček vývěvy na čerpání rázných plynů:
|
|
|
45 |
|
|
|
46 |
\item V režimu "TREND". Vypnout napájení čerpací sestavy na dobu než tlak vystoupí na cca $10^{-3}$ Pa. Při cca $10^{-3}$ Pa opět napájení zapnout (! Aby se nespálila katoda iontového zdroje). Zaznamenat vzrůst parciálních tlaků s klesajícími otáčkami.
|
|
|
47 |
|
|
|
48 |
\item Odstavit hmotností analyzátor (vypnout žhavení katody)
|
|
|
49 |
|
|
|
50 |
\item Odstavit vakuovou aparaturu.
|
|
|
51 |
\end{enumerate}
|
|
|
52 |
|
| 711 |
kaklik |
53 |
\section{Postup měření}
|
|
|
54 |
|
| 720 |
kaklik |
55 |
Na začátku měření byla celá aparatura napuštěna vzduchem na atmosférický tlak. Zavřeli jsme proto napouštěcí ventil a aktivovali automatiku pro čerpání.
|
|
|
56 |
Průběh tlaku při čerpání membránovou a následně i turbo-molekulární vývěvou je vidět v grafu.
|
| 711 |
kaklik |
57 |
|
| 720 |
kaklik |
58 |
\begin{center}
|
|
|
59 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
60 |
\includegraphics[width=150mm]{cerpani.png}
|
|
|
61 |
\caption{Průběhy tlaku v recipientu během čerpání.}
|
|
|
62 |
\end{figure}
|
|
|
63 |
\end{center}
|
| 711 |
kaklik |
64 |
|
| 720 |
kaklik |
65 |
Po dosažení odpovídajícího tlaku jsme zapnuli kvadrupólový hmotnostní spektrometr a změřili hmotnostní spektrum zbytkové atmosféry. Spektrum je opět uvedeno v grafu.
|
| 711 |
kaklik |
66 |
|
| 720 |
kaklik |
67 |
\begin{center}
|
|
|
68 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
69 |
\includegraphics[width=150mm]{hmotnostni_spektrum.png}
|
|
|
70 |
\caption{Hmotnostní spektrum zbytkové atmosféry v aparatuře}
|
|
|
71 |
\end{figure}
|
|
|
72 |
\end{center}
|
| 711 |
kaklik |
73 |
|
| 720 |
kaklik |
74 |
|
| 711 |
kaklik |
75 |
\begin{table}[htbp]
|
| 720 |
kaklik |
76 |
\caption{Hlavní plyny ve zbytkové atmosféře}
|
| 711 |
kaklik |
77 |
\begin{center}
|
|
|
78 |
\begin{tabular}{|r|r|r|}
|
|
|
79 |
\hline
|
| 720 |
kaklik |
80 |
\multicolumn{1}{|l|}{M$_r$ [g/mol]} & \multicolumn{1}{l|}{Ionty} & \multicolumn{1}{l|}{Molekuly}\\ \hline
|
|
|
81 |
1,1 & H$^+$ & H$_2$, H$_2$O, C$_x$H$_y$\\
|
|
|
82 |
2,0 & H$_2^+$, He$^{++}$ & H$_2$, He \\
|
|
|
83 |
12,0 & C$^+$ & CO, CO$_2$, C$_x$H$_y$ \\
|
|
|
84 |
15,0 & CH$_3^+$, NH$^+$ & C$_x$H$_y$, NH$_3$ \\
|
|
|
85 |
16,0 & O$^+$, CH$_4^+$,NH$_2^+$ & O$_2$, H$_2$O, CH$_4$, NH$_3$ \\
|
|
|
86 |
17,0 & OH$^+$, NH$_3^+$ & H$_2$O,NH$_3$ \\
|
|
|
87 |
18,0 & H$_2$O$^+$ & H$_2$O \\
|
|
|
88 |
20,0 & HF$^+$, 2ONe$^+$, Ar$^{++}$ & HF, 2ONe, Ar \\
|
|
|
89 |
28,0 & N$_2^+$, C$_2$H$_4^+$, CO$^+$ & N$_2$, C$_x$H$_y$, CO, CO$_2$ \\
|
|
|
90 |
29,0 & C$_2$H$_5^+$, 14N15N$^+$ & C$_x$H$_y$, N$_2$ \\
|
|
|
91 |
30,0 & C$_2$H$_6^+$, NO$^+$ & C$_2$H$_6$, NO \\
|
|
|
92 |
44,0 & C$_3$H$_8^+$, CO$_2^+$, C$_2$H$_4$OH$^+$, N$_2$O$^+$ & C$_3$H$_8$, CO$_2$, C$_2$H$_5$OH, N$_2$O \\
|
|
|
93 |
\hline
|
| 711 |
kaklik |
94 |
\end{tabular}
|
|
|
95 |
\end{center}
|
| 720 |
kaklik |
96 |
\label{tabulka_hmotnosti}
|
| 711 |
kaklik |
97 |
\end{table}
|
|
|
98 |
|
| 720 |
kaklik |
99 |
Po změření hmotnostního spektra jsme se zaměřili na rychlost čerpání jednotlivých plynů a ovládací software při čtení dat z hmotnostního spektrometru přenastavili tak, aby zaznamenával vývoj parciálních tlaků několika hlavních typů plynů v aparatuře. Časový vývoj tohoto záznamu je uveden v grafu.
|
|
|
100 |
Je vidět, že různé plyny mají odlišné parciální tlaky, což je způsobené jednat jejich nestejným zastoupením v atmosféře na začátku čerpání a potom i rozdílnou čerpací rychlostí pro různé relativní hmotnosti plynů.
|
| 711 |
kaklik |
101 |
|
| 720 |
kaklik |
102 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 711 |
kaklik |
103 |
\begin{center}
|
| 720 |
kaklik |
104 |
\includegraphics[width=150mm]{cerpani_parcialni.png}
|
|
|
105 |
\caption{Průběh parciálních tlaků jednotlivých plynů při čerpání turbo-molekulární vývěvou}
|
|
|
106 |
\end{center}
|
| 711 |
kaklik |
107 |
\end{figure}
|
| 720 |
kaklik |
108 |
|
|
|
109 |
Při dosažení již prakticky konstantní hodnoty tlaků jsme zkusili demonstrovat snadný průnik lehkého plynu zpět skrz lopatky turbo-molekulární vývěvy. Za tímto účelem jsme mírně pootevřeli napouštěcí ventil, který do TMV ústí zhruba ve dvou třetinách lopatkového kola a vstup ventilu ofoukli Heliem z balonku. Následně byl zřejmý silný nárůst parciálního tlaku helia, jak je vidět v grafu.
|
|
|
110 |
|
|
|
111 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
112 |
\begin{center}
|
|
|
113 |
\includegraphics[width=150mm]{difuze_helium.png}
|
|
|
114 |
\caption{Difuze helia zpět skrz lopatky turbo-molekulární vývěvy}
|
| 711 |
kaklik |
115 |
\end{center}
|
| 720 |
kaklik |
116 |
\end{figure}
|
| 711 |
kaklik |
117 |
|
|
|
118 |
|
| 720 |
kaklik |
119 |
Dalším krokem bylo zahřátí aparatury a opět záznam desorpce a změny parciálních tlaků v recipientu. V grafu je dobře vidět nárůst prakticky všech parciálních tlaků plynů, avšak u vodíku nejmenší, díky jeho obecně nízké vazbě na povrch aparatury.
|
| 711 |
kaklik |
120 |
|
| 720 |
kaklik |
121 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
122 |
\begin{center}
|
|
|
123 |
\includegraphics[width=150mm]{cerpani_desorpce.png}
|
|
|
124 |
\caption{Průběh parciálních tlaků po zapnutí ohřevu aparatury}
|
|
|
125 |
\end{center}
|
|
|
126 |
\end{figure}
|
| 711 |
kaklik |
127 |
|
| 720 |
kaklik |
128 |
Prakticky posledním měřením bylo zjištění vlivu otáček TMV na tlak v aparatuře. K tomu jsme v řídícím softwaru snížili otáčky z původních 1500Hz na 600Hz, díky setrvačnosti rotoru se tato změna na vývěvě aplikovala velmi pozvolna bylo tak možné sledovat, jak se mění průběh tlaku v aparatuře. Opět jsou naměřené hodnoty vyneseny do grafu pro jednotlivé hlavní plyny.
|
| 711 |
kaklik |
129 |
|
| 720 |
kaklik |
130 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 711 |
kaklik |
131 |
\begin{center}
|
| 720 |
kaklik |
132 |
\includegraphics[width=150mm]{cerpani_otacky.png}
|
|
|
133 |
\caption{Růst parciálních tlaků po snížení otáček lopatkového kola vývěvy}
|
|
|
134 |
\end{center}
|
| 711 |
kaklik |
135 |
\end{figure}
|
|
|
136 |
|
| 720 |
kaklik |
137 |
\section{Závěr}
|
|
|
138 |
Úloha ukázala výhody turbo-molekulární vývěvy vůči ostatním typům vývěv, což je zvláště její rychlost náběhu a i čerpací rychlost vzhledem k příkonu. Ale zároveň i její nepříjemnou vlastnost a to její omezenou schopnost čerpání lehkých plynů, jako je například helium.
|
| 711 |
kaklik |
139 |
|
|
|
140 |
\end{document}
|