| Line 16... |
Line 16... |
| 16 |
\begin{abstract}
|
16 |
\begin{abstract}
|
| 17 |
\end{abstract}
|
17 |
\end{abstract}
|
| 18 |
|
18 |
|
| 19 |
\section{Úvod}
|
19 |
\section{Úvod}
|
| 20 |
\begin{enumerate}
|
20 |
\begin{enumerate}
|
| 21 |
\item Sledujte čerpání uzavřeného objemu rotační olejovou vývěvou (ROV) s uzavřeným a otevřeným proplachováním, a to od atmosférického tlaku až po přibližný mezní tlak. Ze závislosti $ln (p)=f(t)$ určete čerpací rychlost.
|
21 |
\item Aparatura je napuštěna vzduchem na atmosférický tlak. Zavřít napouštěcí ventil.
|
| 22 |
|
22 |
|
| 23 |
\item Určete čerpací rychlost z měření proudu plynu (mikrobyretou) při konstantním tlaku. Proveďte pro 3 hodnot tlaku od 5 do $20Pa$.
|
23 |
\item Zapnout a nechat ustálit vakuometr.
|
| 24 |
|
24 |
|
| 25 |
\item Určete, jak ovlivňuje efektivní čerpací rychlost hadice mezi ROV a recipientem.
|
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).
|
| 26 |
|
26 |
|
| 27 |
\item Ocejchujte termočlánkový vakuometr v rozsahu 6 až 30 dílků sklápěcím kompresním vakuometrem McLeod. (cca 10 bodů)
|
27 |
\item Po dosažení tlaku $p < 10^{-3}$ Pa možno zapnout hmotnostní analyzátor - ovládání přes počítač.
|
| 28 |
|
28 |
|
| 29 |
\item Měřením tlakového spádu (termočlánkovým vakuometrem a McLeodem) a proudu výduchu (Mikrobyretou) určete vodivost kovové trubice ($\phi=8,5 mm$, $l= 100cm$) pro vstupní tlaky od $5Pa$ do $50Pa$. Určete vodivost trubice výpočtem a výsledky srovnejte.
|
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.
|
| 30 |
|
30 |
|
| - |
|
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.
|
| - |
|
40 |
\end{enumerate}
|
| - |
|
41 |
|
| - |
|
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 |
|
| 31 |
\item Měření popište v protokolu, výsledky vyneste v tabulkách a grafech.
|
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.
|
| 32 |
\end{enumerate}
|
51 |
\end{enumerate}
|
| 33 |
|
52 |
|
| 34 |
\section{Postup měření}
|
53 |
\section{Postup měření}
|
| 35 |
|
54 |
|
| - |
|
55 |
Na začátku měření byla celá aparatura napuštěna vzduchem na atmosférický tlak. Zavřeli jsme proto napouštěcí ventil a aktivovali automatiku pro čerpání.
|
| 36 |
$ S = - \frac{V}{t} \ln \frac{p}{p0} $
|
56 |
Průběh tlaku při čerpání membránovou a následně i turbo-molekulární vývěvou je vidět v grafu.
|
| 37 |
|
57 |
|
| - |
|
58 |
\begin{center}
|
| 38 |
$ q = C (p1 - p2) $
|
59 |
\begin{figure}[htbp]
|
| - |
|
60 |
\includegraphics[width=150mm]{cerpani.png}
|
| - |
|
61 |
\caption{Průběhy tlaku v recipientu během čerpání.}
|
| - |
|
62 |
\end{figure}
|
| - |
|
63 |
\end{center}
|
| 39 |
|
64 |
|
| 40 |
$ C_{VM} = \frac{ \pi D^2}{4} \frac{D}{L} \left[ \frac{\pi}{128} \frac{D}{l_s} + \frac{1}{3} Z(D/l_s) \right]$
|
65 |
Po dosažení odpovídajícího tlaku jsme zapnuli kvadrupólový hmotnostní spektrometr a změřili hmotnostní spektrum zbytkové atmosféry. Spektrum je opět uvedeno v grafu.
|
| - |
|
66 |
|
| - |
|
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}
|
| 41 |
|
73 |
|
| 42 |
\subsection{Sledujte čerpání uzavřeného objemu ROV}
|
- |
|
| 43 |
Objem skleněné baňky (asi 11,8 l) jsme čerpali rotační olejovou vývěvou přes hadici. Zároveň jsme měřili tlak a hodnoty zapisovali do tabulky.
|
- |
|
| 44 |
|
74 |
|
| 45 |
\begin{table}[htbp]
|
75 |
\begin{table}[htbp]
|
| 46 |
\caption{Průběhy tlaku v recipientu při čerpání rotační olejovou vývěvou}
|
76 |
\caption{Hlavní plyny ve zbytkové atmosféře}
|
| 47 |
\begin{center}
|
77 |
\begin{center}
|
| 48 |
\begin{tabular}{|r|r|r|}
|
78 |
\begin{tabular}{|r|r|r|}
|
| 49 |
\hline
|
79 |
\hline
|
| 50 |
\multicolumn{1}{|l|}{} & \multicolumn{1}{l|}{Bez proplachování} & \multicolumn{1}{l|}{S proplachováním} \\ \hline
|
- |
|
| 51 |
\multicolumn{1}{|l|}{[Pa]} & \multicolumn{1}{l|}{[s]} & \multicolumn{1}{l|}{[s]} \\ \hline
|
80 |
\multicolumn{1}{|l|}{M$_r$ [g/mol]} & \multicolumn{1}{l|}{Ionty} & \multicolumn{1}{l|}{Molekuly}\\ \hline
|
| 52 |
1,00E+005 & 0 & 38 \\ \hline
|
81 |
1,1 & H$^+$ & H$_2$, H$_2$O, C$_x$H$_y$\\
|
| 53 |
5,00E+004 & 6 & 53 \\ \hline
|
- |
|
| 54 |
2,00E+004 & 26 & 60 \\ \hline
|
82 |
2,0 & H$_2^+$, He$^{++}$ & H$_2$, He \\
|
| 55 |
1,00E+004 & 53 & 71 \\ \hline
|
83 |
12,0 & C$^+$ & CO, CO$_2$, C$_x$H$_y$ \\
|
| 56 |
5,00E+003 & 73 & 81 \\ \hline
|
84 |
15,0 & CH$_3^+$, NH$^+$ & C$_x$H$_y$, NH$_3$ \\
|
| 57 |
2,00E+003 & 96 & 105 \\ \hline
|
- |
|
| 58 |
1,00E+003 & 121 & 128 \\ \hline
|
85 |
16,0 & O$^+$, CH$_4^+$,NH$_2^+$ & O$_2$, H$_2$O, CH$_4$, NH$_3$ \\
|
| 59 |
5,00E+002 & 145 & 152 \\ \hline
|
86 |
17,0 & OH$^+$, NH$_3^+$ & H$_2$O,NH$_3$ \\
|
| 60 |
2,00E+002 & 166 & 189 \\ \hline
|
87 |
18,0 & H$_2$O$^+$ & H$_2$O \\
|
| 61 |
1,00E+002 & 182 & 300 \\ \hline
|
88 |
20,0 & HF$^+$, 2ONe$^+$, Ar$^{++}$ & HF, 2ONe, Ar \\
|
| 62 |
5,00E+001 & 204 & \multicolumn{1}{l|}{} \\ \hline
|
89 |
28,0 & N$_2^+$, C$_2$H$_4^+$, CO$^+$ & N$_2$, C$_x$H$_y$, CO, CO$_2$ \\
|
| 63 |
2,00E+001 & 232 & \multicolumn{1}{l|}{} \\ \hline
|
90 |
29,0 & C$_2$H$_5^+$, 14N15N$^+$ & C$_x$H$_y$, N$_2$ \\
|
| 64 |
10 & 282 & \multicolumn{1}{l|}{} \\ \hline
|
91 |
30,0 & C$_2$H$_6^+$, NO$^+$ & C$_2$H$_6$, NO \\
|
| 65 |
5 & 380 & \multicolumn{1}{l|}{} \\ \hline
|
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 \\
|
| 66 |
3 & 720 & \multicolumn{1}{l|}{} \\ \hline
|
93 |
\hline
|
| 67 |
\end{tabular}
|
94 |
\end{tabular}
|
| 68 |
\end{center}
|
95 |
\end{center}
|
| 69 |
\label{}
|
96 |
\label{tabulka_hmotnosti}
|
| 70 |
\end{table}
|
97 |
\end{table}
|
| 71 |
|
98 |
|
| 72 |
Výsledná závislost po vynesení do grafu vykazuje typické znaky použití proplachování u rotační vývěvy. Tedy nižší mezní tlak a nižší efektivní čerpací rychlost.
|
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.
|
| 73 |
|
101 |
|
| - |
|
102 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 74 |
\begin{center}
|
103 |
\begin{center}
|
| 75 |
\begin{figure}
|
- |
|
| 76 |
\includegraphics[width=150mm]{cerpani.png}
|
104 |
\includegraphics[width=150mm]{cerpani_parcialni.png}
|
| 77 |
\caption{Průběhy tlaku v recipientu při čerpání rotační olejovou vývěvou}
|
105 |
\caption{Průběh parciálních tlaků jednotlivých plynů při čerpání turbo-molekulární vývěvou}
|
| 78 |
\end{figure}
|
- |
|
| 79 |
\end{center}
|
106 |
\end{center}
|
| - |
|
107 |
\end{figure}
|
| 80 |
|
108 |
|
| 81 |
\subsection{Efektivní čerpací rychlost}
|
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.
|
| 82 |
|
- |
|
| 83 |
\subsection{Vodivost hadice k ROV}
|
- |
|
| 84 |
|
110 |
|
| - |
|
111 |
\begin{figure}[htbp]
|
| - |
|
112 |
\begin{center}
|
| - |
|
113 |
\includegraphics[width=150mm]{difuze_helium.png}
|
| 85 |
Výpočtem jsme zjistili vodivost gumové hadice (průměru 19,51mm a délky 730mm)
|
114 |
\caption{Difuze helia zpět skrz lopatky turbo-molekulární vývěvy}
|
| - |
|
115 |
\end{center}
|
| - |
|
116 |
\end{figure}
|
| 86 |
|
117 |
|
| 87 |
\subsection{Termočlánkový vakuometr}
|
- |
|
| 88 |
Kalibraci termočlánkového vakuometru jsme prováděli po jeho přeroubovaní na přírubu rozbočovače u skleněné baňky následně postupně měnili tlak. A hodnoty z obou vakuometrů McLeod i termočlánkový vakuometr zapisovali do tabulky.
|
- |
|
| 89 |
|
118 |
|
| 90 |
Výsledkem je graf, který by se dal považovat za kalibrační křivku termočlánkového vakuometru. Pro ilustraci je zde uvedena i ideální lineární odezva vakuometru.
|
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.
|
| 91 |
|
120 |
|
| - |
|
121 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 92 |
\begin{center}
|
122 |
\begin{center}
|
| 93 |
\begin{figure}
|
- |
|
| 94 |
\includegraphics[width=150mm]{kalibrace.png}
|
123 |
\includegraphics[width=150mm]{cerpani_desorpce.png}
|
| 95 |
\caption{Průběhy tlaku v recipientu při čerpání rotační olejovou vývěvou}
|
124 |
\caption{Průběh parciálních tlaků po zapnutí ohřevu aparatury}
|
| - |
|
125 |
\end{center}
|
| 96 |
\end{figure}
|
126 |
\end{figure}
|
| - |
|
127 |
|
| - |
|
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.
|
| - |
|
129 |
|
| - |
|
130 |
\begin{figure}[htbp]
|
| - |
|
131 |
\begin{center}
|
| - |
|
132 |
\includegraphics[width=150mm]{cerpani_otacky.png}
|
| - |
|
133 |
\caption{Růst parciálních tlaků po snížení otáček lopatkového kola vývěvy}
|
| 97 |
\end{center}
|
134 |
\end{center}
|
| - |
|
135 |
\end{figure}
|
| 98 |
|
136 |
|
| - |
|
137 |
\section{Závěr}
|
| 99 |
\subsection{Vodivost trubice}
|
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.
|
| 100 |
|
139 |
|
| 101 |
\end{document}
|
140 |
\end{document}
|