Subversion Repositories svnkaklik

\documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article}
\usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[czech]{babel}
\usepackage{graphicx}
\textwidth 16cm \textheight 24.6cm
\topmargin -1.3cm 
\oddsidemargin 0cm
\pagestyle{empty}
\begin{document}
\title{Čerpání turbomolekulární vývěvou}
\author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz}
\date{19.11.2010}
\maketitle
\thispagestyle{empty}
\begin{abstract}
\end{abstract}

\section{Úvod}
\begin{enumerate}
\item Aparatura je napuštěna vzduchem na atmosférický tlak. Zavřít napouštěcí ventil.

\item Zapnout a nechat ustálit vakuometr.

\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).

\item Po dosažení tlaku $p < 10^{-3}$ Pa možno zapnout hmotnostní analyzátor - ovládání přes počítač.

\item Nastavení režimu ... sejmout hmotností spektrum. Možno několikrát opakovat a uložit do paměti pro ilustraci v protokolu. Určit hlavní - převládající -prvky či molekulární fragmenty.

\item Nastavit režim "TREND" a sledovat časový průběh tlaku vybraných plynů. Uložit do paměti.

\item Změřit vliv ohřátí recipientu na parciální tlaky v aparatuře. Při měření v režimu "TREND":
\begin{enumerate}
\item Zapnout ohřev recipientu.
\item Sledovat průběh parciálních tlaků až do fáze jejich všeobecného poklesu.
\item Zaznamenat rovněž celkový tlak $p_tot(t)$.
\item Uložit v paměti.
\item Vypnout ohřev a ještě chvíli zaznamenávat časový průběh tlaků.
\end{enumerate}

\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".

\item Zaznamenat vliv otáček vývěvy na čerpání rázných plynů:

\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.

\item Odstavit hmotností analyzátor (vypnout žhavení katody)

\item Odstavit vakuovou aparaturu.
\end{enumerate}

\section{Postup měření}

Na začátku měření byla celá aparatura napuštěna vzduchem na atmosférický tlak. Zavřeli jsme proto napouštěcí ventil a aktivovali automatiku pro čerpání. 
Průběh tlaku při čerpání membránovou a následně i turbo-molekulární vývěvou je vidět v grafu.  

\begin{center}
\begin{figure}[htbp]
\includegraphics[width=150mm]{cerpani.png} 
\caption{Průběhy tlaku v recipientu během čerpání.}
\end{figure}
\end{center}

Po dosažení odpovídajícího tlaku jsme zapnuli kvadrupólový hmotnostní spektrometr a změřili hmotnostní spektrum zbytkové atmosféry. Spektrum je opět uvedeno v grafu.

\begin{center}
\begin{figure}[htbp]
\includegraphics[width=150mm]{hmotnostni_spektrum.png} 
\caption{Hmotnostní spektrum zbytkové atmosféry v aparatuře}
\end{figure}
\end{center}


\begin{table}[htbp]
\caption{Hlavní plyny ve zbytkové atmosféře}
\begin{center}
\begin{tabular}{|r|r|r|}
\hline
\multicolumn{1}{|l|}{M$_r$ [g/mol]} & \multicolumn{1}{l|}{Ionty} & \multicolumn{1}{l|}{Molekuly}\\ \hline
1,1 & H$^+$ & H$_2$, H$_2$O, C$_x$H$_y$\\
2,0 & H$_2^+$, He$^{++}$ & H$_2$, He \\
12,0 & C$^+$ & CO, CO$_2$, C$_x$H$_y$ \\
15,0 & CH$_3^+$, NH$^+$ & C$_x$H$_y$, NH$_3$ \\
16,0 & O$^+$, CH$_4^+$,NH$_2^+$ & O$_2$, H$_2$O, CH$_4$, NH$_3$ \\
17,0 & OH$^+$, NH$_3^+$ & H$_2$O,NH$_3$ \\
18,0 & H$_2$O$^+$ & H$_2$O \\
20,0 & HF$^+$, 2ONe$^+$, Ar$^{++}$ & HF, 2ONe, Ar \\
28,0 & N$_2^+$, C$_2$H$_4^+$, CO$^+$ & N$_2$, C$_x$H$_y$, CO, CO$_2$ \\
29,0 & C$_2$H$_5^+$, 14N15N$^+$ & C$_x$H$_y$, N$_2$ \\
30,0 & C$_2$H$_6^+$, NO$^+$ & C$_2$H$_6$, NO \\
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 \\
\hline
\end{tabular}
\end{center}
\label{tabulka_hmotnosti}
\end{table}

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.
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. 

\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
\includegraphics[width=150mm]{cerpani_parcialni.png} 
\caption{Průběh parciálních tlaků jednotlivých plynů při čerpání turbo-molekulární vývěvou}
\end{center}
\end{figure}

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.  

\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
\includegraphics[width=150mm]{difuze_helium.png} 
\caption{Difuze helia zpět skrz lopatky turbo-molekulární vývěvy}
\end{center}
\end{figure}


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.

\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
\includegraphics[width=150mm]{cerpani_desorpce.png} 
\caption{Průběh parciálních tlaků po zapnutí ohřevu aparatury}
\end{center}
\end{figure}

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.

\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
\includegraphics[width=150mm]{cerpani_otacky.png} 
\caption{Růst parciálních tlaků po snížení otáček lopatkového kola vývěvy}
\end{center}
\end{figure}

\section{Závěr}
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.

\end{document}