Aufbau eines Versuches zur

Restgasanalyse

Frank Eurich

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 4

2 Physikalische Grundlagen 7

21 Die des Vakuums 7

22

221

222 Turbomolekularpumpen

223 hltgtrrnHCi und Berechnungsgrundlagen

9

10

12

14

23 Vakuummessung

1 Piraru-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter

17

18

19

Partialdruckmessung und

Interpretation von

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchen physik

251 Physisorption

25 Chernisorption

3 und Experimente 35

31 Versuchsaufbau 35

3

3

3

im Grob- und ~~~HL

1 Aufuahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Pruumlfung der Dichtheit Rezipienten

38

38

33 im Hochvakuum

331 Aufuahme der

molekularpumpe

33 Bestimmung des

Turbomolekularpumpe

der Turbo-

Saugvermoumlgens

48

2

333 Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im

Hochvakuum 51

34 Messungen und Ergebnisse am Massenspektrometer 52

34 1 Untersuchung des Rezipienten auf Verunreinishy

gungen 53

342 Lecksuche 55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen 56

344 Analyse der Restgasspektren von ausgeheizten

Kupfer- und Messingrohren 61

34 5 Massenspektrum eines RFQ-Beschleunigers 66

4 Ausblick 68

5 Zusammenfassung 69

6 Anhang 71

Anhang 1 Tabellen 71

Anhang 2 Nomogramm 73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der vershy

wendeten Instrumente 74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch 75

Danksagung 82

7 Literaturverzeichnis 83

3

1 Einleitung

der Erde Gemisch aus pnpnn Gasen

etwa 15km Meeresshy

nennen Wir Luft man die

auf die Masse von trockener SIe zu

75 51 aus molekularem 01 aus molekushy

orCrrr (02) und zu 1 aus Argon (Ar) Die restlichen

CLllLJU- wie CO2 Ne Kr N20 H2 und 0 3 betragen

zusammen weniger als 1 Wetterlage ist in

zusaumltzlich enthalten

die Gasteilchen Gravitationsfeld der befinden ist

in Meereshoumlhe am groumlszligten und nimmt mit wachsender Houmlhe

Auszligerdem sich die Gase vorzugsweise

an so die der

mit wachsender aumlndert Waumlhrend

Meereshoumlhe bei etwa 1 liegt 400km nur

109cm3 In Houmlhe weicht das Mischungsverhaumlltnis

Atmosphaumlre so stark von in Meereshoumlhe ab daszlig man nicht

von Luft sprechen handelt sich um Restgas bei dem

Sauerstoff- und Stickstoffanteil leichteren

Wasserstoff zu vernachlaumlssigen ist

in dieser Houmlhe 109 und wird als ein U1trahochvakuum

Vakuumtechnik anstatt der Pa die Einheit

den Druck wird deshalb folgenden das Millibar

verwendet (1 N 1 Pa 1O-2mbar)

Allgemein spricht man von einem wenn der

deutlich ist als der normale Atmosphaumlrendruck von

1013 Wie dem zu entnehmen ist

diese Definition Vakuums noch

4

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 4

2 Physikalische Grundlagen 7

21 Die des Vakuums 7

22

221

222 Turbomolekularpumpen

223 hltgtrrnHCi und Berechnungsgrundlagen

9

10

12

14

23 Vakuummessung

1 Piraru-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter

17

18

19

Partialdruckmessung und

Interpretation von

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchen physik

251 Physisorption

25 Chernisorption

3 und Experimente 35

31 Versuchsaufbau 35

3

3

3

im Grob- und ~~~HL

1 Aufuahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Pruumlfung der Dichtheit Rezipienten

38

38

33 im Hochvakuum

331 Aufuahme der

molekularpumpe

33 Bestimmung des

Turbomolekularpumpe

der Turbo-

Saugvermoumlgens

48

2

333 Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im

Hochvakuum 51

34 Messungen und Ergebnisse am Massenspektrometer 52

34 1 Untersuchung des Rezipienten auf Verunreinishy

gungen 53

342 Lecksuche 55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen 56

344 Analyse der Restgasspektren von ausgeheizten

Kupfer- und Messingrohren 61

34 5 Massenspektrum eines RFQ-Beschleunigers 66

4 Ausblick 68

5 Zusammenfassung 69

6 Anhang 71

Anhang 1 Tabellen 71

Anhang 2 Nomogramm 73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der vershy

wendeten Instrumente 74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch 75

Danksagung 82

7 Literaturverzeichnis 83

3

1 Einleitung

der Erde Gemisch aus pnpnn Gasen

etwa 15km Meeresshy

nennen Wir Luft man die

auf die Masse von trockener SIe zu

75 51 aus molekularem 01 aus molekushy

orCrrr (02) und zu 1 aus Argon (Ar) Die restlichen

CLllLJU- wie CO2 Ne Kr N20 H2 und 0 3 betragen

zusammen weniger als 1 Wetterlage ist in

zusaumltzlich enthalten

die Gasteilchen Gravitationsfeld der befinden ist

in Meereshoumlhe am groumlszligten und nimmt mit wachsender Houmlhe

Auszligerdem sich die Gase vorzugsweise

an so die der

mit wachsender aumlndert Waumlhrend

Meereshoumlhe bei etwa 1 liegt 400km nur

109cm3 In Houmlhe weicht das Mischungsverhaumlltnis

Atmosphaumlre so stark von in Meereshoumlhe ab daszlig man nicht

von Luft sprechen handelt sich um Restgas bei dem

Sauerstoff- und Stickstoffanteil leichteren

Wasserstoff zu vernachlaumlssigen ist

in dieser Houmlhe 109 und wird als ein U1trahochvakuum

Vakuumtechnik anstatt der Pa die Einheit

den Druck wird deshalb folgenden das Millibar

verwendet (1 N 1 Pa 1O-2mbar)

Allgemein spricht man von einem wenn der

deutlich ist als der normale Atmosphaumlrendruck von

1013 Wie dem zu entnehmen ist

diese Definition Vakuums noch

4

333 Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im

Hochvakuum 51

34 Messungen und Ergebnisse am Massenspektrometer 52

34 1 Untersuchung des Rezipienten auf Verunreinishy

gungen 53

342 Lecksuche 55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen 56

344 Analyse der Restgasspektren von ausgeheizten

Kupfer- und Messingrohren 61

34 5 Massenspektrum eines RFQ-Beschleunigers 66

4 Ausblick 68

5 Zusammenfassung 69

6 Anhang 71

Anhang 1 Tabellen 71

Anhang 2 Nomogramm 73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der vershy

wendeten Instrumente 74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch 75

Danksagung 82

7 Literaturverzeichnis 83

3

1 Einleitung

der Erde Gemisch aus pnpnn Gasen

etwa 15km Meeresshy

nennen Wir Luft man die

auf die Masse von trockener SIe zu

75 51 aus molekularem 01 aus molekushy

orCrrr (02) und zu 1 aus Argon (Ar) Die restlichen

CLllLJU- wie CO2 Ne Kr N20 H2 und 0 3 betragen

zusammen weniger als 1 Wetterlage ist in

zusaumltzlich enthalten

die Gasteilchen Gravitationsfeld der befinden ist

in Meereshoumlhe am groumlszligten und nimmt mit wachsender Houmlhe

Auszligerdem sich die Gase vorzugsweise

an so die der

mit wachsender aumlndert Waumlhrend

Meereshoumlhe bei etwa 1 liegt 400km nur

109cm3 In Houmlhe weicht das Mischungsverhaumlltnis

Atmosphaumlre so stark von in Meereshoumlhe ab daszlig man nicht

von Luft sprechen handelt sich um Restgas bei dem

Sauerstoff- und Stickstoffanteil leichteren

Wasserstoff zu vernachlaumlssigen ist

in dieser Houmlhe 109 und wird als ein U1trahochvakuum

Vakuumtechnik anstatt der Pa die Einheit

den Druck wird deshalb folgenden das Millibar

verwendet (1 N 1 Pa 1O-2mbar)

Allgemein spricht man von einem wenn der

deutlich ist als der normale Atmosphaumlrendruck von

1013 Wie dem zu entnehmen ist

diese Definition Vakuums noch

4

1 Einleitung

der Erde Gemisch aus pnpnn Gasen

etwa 15km Meeresshy

nennen Wir Luft man die

auf die Masse von trockener SIe zu

75 51 aus molekularem 01 aus molekushy

orCrrr (02) und zu 1 aus Argon (Ar) Die restlichen

CLllLJU- wie CO2 Ne Kr N20 H2 und 0 3 betragen

zusammen weniger als 1 Wetterlage ist in

zusaumltzlich enthalten

die Gasteilchen Gravitationsfeld der befinden ist

in Meereshoumlhe am groumlszligten und nimmt mit wachsender Houmlhe

Auszligerdem sich die Gase vorzugsweise

an so die der

mit wachsender aumlndert Waumlhrend

Meereshoumlhe bei etwa 1 liegt 400km nur

109cm3 In Houmlhe weicht das Mischungsverhaumlltnis

Atmosphaumlre so stark von in Meereshoumlhe ab daszlig man nicht

von Luft sprechen handelt sich um Restgas bei dem

Sauerstoff- und Stickstoffanteil leichteren

Wasserstoff zu vernachlaumlssigen ist

in dieser Houmlhe 109 und wird als ein U1trahochvakuum

Vakuumtechnik anstatt der Pa die Einheit

den Druck wird deshalb folgenden das Millibar

verwendet (1 N 1 Pa 1O-2mbar)

Allgemein spricht man von einem wenn der

deutlich ist als der normale Atmosphaumlrendruck von

1013 Wie dem zu entnehmen ist

diese Definition Vakuums noch

4

dem griechischen Philosophen Aristoteles Altertum

und Mittelalter ja bis in die

glaubt Natur habe einen Abscheu vor dem absolut leeren Raum

dem Vakuum oder wie man es lateinisch nannte Horror

vacui Man sich entsprechend damaligen spekulativen

Naturbeschreibung nicht vorstellen daszlig es Vakuum geben koumlnne

- undfolgerte daraus daszlig es keines geben ([Wu] S 1)

Jahre 1609 J ohannes Kepler ersten beiden l1eSet2~e

uumlber dieser Glauben an

einen horror zusehends in gestellt Man konnte sich die

perpetuelle der Planeten Annahme

daszlig sie un Raum da sie

durch den Luftwiderstand allmaumlhlich abgebremst

Unabhaumlngig gelang es schlieszliglich und Otto von

in der Mitte 17 Jh die ersten experimentell erzeugten

Vakua herzustellen Mit des von Newton 1687 aurgestel1

lieszlig sich spaumlter auch

in das Vakuum des Weltalls

Mensch gelangte zu der Erkenntnis daszlig er auf Grund

emes ~ u Luftmeeres und daszlig semer irdischen

Dimensionen Vakuum eher die ist

auf der Erdoberflaumlche in niedrigere Druckbereiche

vorstoszligen zu koumlnnen und somit sauberere Vakua zu

wurden Vakuumpumpen Den Anstoszlig

zu dieser raschen n~b haben vielfaltigen Anwendungsshy

der Vakuumerzeugung gegeben werden Vakuumpumpen

bei Produktion von Elektronen- und

roumlhren bei Verpackung von und bei der

T rocknung von Kunststoffen Isolierpapieren und pharmazeutischen

Produkten sowie bei von Metallschmelzen und

Fluumlssigkeiten benoumltigt Viele der

erst mit von Vakua gewonnen so daszlig die

5

Vakuumerzeugung heute ein unentbehrliches Hilfsmittel der Physiker

darstellt

Ziel dieser Staatsexamensarbeit ist es ein Experiment fur die Analyse

von Restgas aufzubauen Die in der Praxis der Vakuumtechnik

uumlblichen Methoden zur Bestimmung des Saugvermoumlgen von

Vakuumpumpen sowie der Dichtheitspruumlfung von Vakuurnkammern

werden auf den experimentellen Aufbau angewendet Der Rezipient

wird mit Hilfe eins Quadrupol-Massenspektrometers auf Verunreinishy

gungen uumlberpruumlft In den Rezipienten werden verschiedene Gase und

Daumlmpfe eingelassen und deren Massenspektren interpretiert

Auszligerdem wird untersucht welche Stoffe beim Ausheizen von

Kupfer- und Messingrohren in das Vakuum ausgasen Abschlieszligend

wird die Vakuurnkammer eines RFQ-Beschleunigers auf Verunreinishy

gungen analysiert

Ein Teil der in dieser Arbeit durchgefuhrten Experimente soll als

Basis fur einen Versuch fur das Fortgeschrittenenpraktikum dienen

Dem Praktikanten soll hierdurch ein Einblick in das Gebiet der

Vakuumphysik sowie der Massenspektrometrie ermoumlglicht werden

Hierbei soll er uumlber die Arbeitsweisen der zur Vakuumerzeugung

noumltigen Vakuumpumpen ebenso informiert werden wie uumlber die

Meszligtechiken der dazugehoumlrigen Vakuummeter Mit Hilfe des

Massenspektrometers wird auf die schwierige Interpretation von

Massenspektren eingegangen So koumlnnen einer bestimmten Masse des

Massenspektrums durchaus mehrere Molekuumlle bzw Elemente zugeshy

ordnet werden und die richtige Zuordnung ist oft auch von der

Vorgeschichte der Vakuumanlage und von den vorherigen Experishy

menten abhaumlngig

Dies zeigt sich besonders deutlich bei den Ausheizexperimenten bei

denen die verwendeten Loumltverbindungen eine besondere RoUe

spielen

6

2 Physikalische Grundlagen

21 Die Druckbereiche des Vakuums

Der Druckbereich der Vakuumtechnik umfaszligt heute als 15

Zehnerpotenzen und reicht von mbar 10-12 mbar die

und auch die Arbeitstechniken innershy

halb dieses groszligen Druckbereiches unterschiedlich sind hat es

sich

vorzunehmen Bereiche sind folgt tPOpn

Grobvakuum (GV) 1000 - mbar

Feinvakuum (FV) - 1 mbar

10-3 _ 10-7Hochvakuum (HV)

U1trahochvakuum (UHV) mbar und weniger

Bei Einteilung die Knudsenzahl K

Rolle Sie ist als

1 (1) K

d

( 1 freie ~~U~ d = Durchmesser des

Druckshyzweckmaumlszligig po

Der Wert der Knudsenzahl bestimmt die der Gasstraumlmung und

charakterisiert einzelnen die

und die mittlere freie der

Temperatur von 300 K gilt ([wu])

h

Grobvakuum

Feinvakuum

Hochvakuum

Ultrahochvakuum

K

lt 10-2

10-2 - 05 Knudsenstraumlmung

gt 05 Molekularstraumlmung

gt 05 Molekularstroumlmung

10-2 - 10

10 - 1

gt 1

7

Der GV-Bereich wird durch K lt 102 Nach Gi (1) ist

die der Gasteilehen f

d des Stroumlmungskanals Die Gasteilchen

fuhren viele Stoumlszlige untereinander aus so daszlig als Kontinuum

betrachtet und die molekulare Struktur auszliger acht -101

kann Man spricht deshalb von einer viskosen - oder Kontinuitaumltsstroumlshy

mungo man innerhalb der

zwischen einer laminaren - und einer turbulenten Stroumlmung

Waumlhrend bei der laminaren Stroumlmung die Gasteilchen in Schichten

stroumlmen treten bei turbulenten Stroumlmung Wirbel auf

Charakteristisch den Zustand viskosen Stroumlmung ist die

Reynoldszahl definiert durch

(2)

(v mittlere Stroumlmungsgeschvvindigkeit 11 dynamische Zaumlhigkeit

p = d Durchmesser Stroumlmungskanals)

gt 4000 ist die Stroumlmung turbulent fur lt 2300 laminar

scharre kann nicht angegeben werden weil

Wandrauhigkeiten und Einlaufstoumlrungen fur den u zwischen

laminarer und turbulenter Stroumlmung eine groszlige Rolle

Innerhalb des die Knudsenzahl zwischen 1 und

OS Hier der von der zur molekularen

statt bei der die Weglaumlngen Gasteilchen bis an

den Durchmesser des Stroumlmungskanals Man spricht in

diesem Druckbereich von Knudsenstroumlmung Waumlhrend

Waumlnneleitfahigkeit und innere Reibung von Gasen innerhalb des

und nahezu sind

un sehr vom Druck

die Knudsenzahl K als 05 so spricht man von emer

molekularen Stroumlmung die fur den und U1trashy

ist Die Gasteilehen sich ohne

8

frei und ruhren nur

Stoumlszlige mit den Rezipientenbewandungen aus wo haumlufig adsorbiert

werden (s 25) die Gasteilchen die Waumlnde was vor allem

oder Tagen kann so

dies dem (siehe Abschnitt

Vakuumerzeugung

Aus der Zustandsgleichung idealen

NmiddotkmiddotT(3) p

V

(N = k = T = thermodynashy

mische Temperatur V Volumen)

laumlszligt erkennen daszlig ein Druck innerhalb

Vakuumkamrner prinzipiell drei Arten erreicht

werden naumlmlich durch

i) des Volumens V

ii) Erniedrigen der Temperatur T

iii) der N

das Volumen des Rezipienten i a konstant ist die erste

Moumlglichkeit rur die Vakuumerzeugung direkt Rolle Indirekt

In Vielzahl von Vakuumpumpen um

mit Schoumlpfvolumens Teilchenanzahl innerhalb

Rezipienten zu reduzieren (naumlheres siehe Abschnitt 1)

man in einem unter Normalbedingungen befindlichen

Temperatur auf Haumllfte (etwa 1 K) so

nach ) auch der Druck nur auf den halben (etwa

500mbar) Der zur benoumltigte rechtfertigt

den hiermit erreichten

kann jedoch JJu-H15 mit der Temperatur Teilchenshy

9

anzahl N durch Sorptions- und Kondensationsprozesse

werden was ebenfalls technisch ausgenutzt wird (siehe Abschnitt

der innerhalb des

folglich die Moumlglichkeit zur dar

wobei Gasteilehen entweder aus Vakuumkammer

(Gastransferpumpen) an Oberflaumlchen festgehalten werden

bindende Pumpen) Irmerhalb der verschiedenen Druckbereiche gilt

Teilchenanzahldichte

Druckbereich [mbar ] Teilchenanzahldichte [cmgt]

1019 _10 161013 - 1GV

10161 - 1 - 1

_ 107 10 13 _ 109

lt 10-7 lt 109

Wie aus Abschnitt 1 zu pr~pngtn ist die Stroumlmungsvorgaumlnge

innerhalb vier Vakuumbereiche verschieden Deshalb

die zur Teilchenverringerung notwendigen Pumpen in den

verschiedenen Druckbereichen sehr unterschiedlich Innerhalb der in

werdendieser durchgefuumlhrten

und Turbomolekularpumpe verwendet

1m naumlher beschrieben werden weitere Pumpentypen sei

auf die einschlaumlgige ([WuJ [Pir] GJ)

221 Drehschieberpumpen

Mit von zweistufigen Drehschieberpumpen sich End-

bis zu 10-4mbar Meist es auch im

Aufbau Fall als andere

Pumpentypen

schematische Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe

in Abb 1

10

Abb 1 Schematischer Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe ([Wul)

Die Rotoren drehen sich

In Pfeilrichtung Innerhalb der befinden die

Drehschieber die sowohl durch die Fliehkraft als auch durch

Federn werden Die dient

Schmierung und Abdichtung aber auch zum AusfuHen

schaumldlichen Raumlume und sowie zum Abfuhren der

pressionswaumlrme Die Drehschieber gleiten nun bei Rotation an der

Gehaumlusewand entlang und an Ansaugoumlffuung

Volumen den Unterdruck stroumlmt das aus

Schoumlpfvolumen hinein

den Drehschieber die Ansaugoumlffnung wieder geschlossen wird Das

Schoumlpfvolumen bis

entstehende Auspuffventil

Bei jeder halben Umdrehung Drehschiebers werden

aLIl Gasteilchen aus Rezipienten geschoumlpft und

ausgestoszligen Mit der zweiten Pumpstufe man zu noch

niedrigeren Enddruumlcken da nun die erste Pumpstufe nicht mehr bis

auf Atmosphaumlrendruck verdichten muszlig

Problematisch wird dieses Verfahren wenn Daumlmpfe (kondensierbare

laumlszligt der

Druck Daumlmpfen nur bis zu ihrem Saumlttigungsdampfdruck erhoumlhen

Werden die Daumlmpfe

der Druck weiter lh)Lvl Der lJberdruck der fur Oumlffnen des

11

Auspuffventils nun mehr erreicht und

Kondensat

Hierdurch

und die Pumpe

Um dies zu

Gasballasteinrichtung

und bevor die Kompression

in das Schoumlpfvolumen

Nun kann der Dampf bevor

zusammen mit dem ___~_~

ausgestoszligen werden

222 TurbomoJekularpumpen

Waumlhrend eine

Knudsen-Straumlmung meIr

eine Turbomolekularpumpe nur

Fall Fuumlr eine Turbomolekularpumpe

Vorpumpe benoumltigt die den

vorevakuiert

prinzipielle Aufbau emer

dargestellt

dem Pumpenoumll

des Pumpenoumlls

sogar festlaufen

Gaede 1935 die sogenannte

Ansaugoumlffnung geschlossen ist

Gases beginnt wird

Luftmenge eingelassen

Kondensationspunkt erreicht ist

und aus der Pumpe

nur innerhalb der viskosen- und

ist dies fur

Stroumlmungsbereich

deshalb grundsaumltzlich

auf etwa

m Abb 2

RotorshySltbeibe

StatorshySclleibe

RolorshyScheibe

Ab b 2 Schematischer Aufbau des Purnpsystems einer

([LT] )

12

T urbomolekularpumpe im wesentlichen aus einern

und einern Stator die mehrere Scheiben unterteilt sind Die

rotierenden und feststehenden Scheiben sind abwechselnd angebracht

enthalten gestellte Wie aus 2 zu

die der spiegelbildlich zu

Kanaumllen Statorscheibe angeordnet

dieser Darstellung sollen sich die Rotorscheiben nach links

wodurch Foumlrderrichtung von oben unten

Die Pumpwirkung der beruht nun

durch die schnelle Rotation Rotorstufe (f = 90000 minmiddot 1 ) die

Wahrscheinlichkeit durch das

zu In Richtung

Foumlrderrichtung kann em der in Kanal eintretenden

Gasteilchen ohne Wand stoszlig durchlaufen In ~un~IVU~V

treffen Gasteilchen uumlberwiegend auf die

der Rotorkanaumlle Nach kurzen von der

Wand mit cos e - vu~~ wieder desorbiert Abb 2)

die wahrscheinlichste Desorptionsrichtung senkrecht zur

torwand erfolgt

Gasteilchen folglich was

natuumlrlich auch fur Teilchen die sich von vornherein in

vu~u bewegen trotzdem Wandstoszlig erfahren Nach

kinetischen Gastheorie gilt fur die kinetische ~kin der

Gasteilchen

_ 1 2(4) und (5) ~kin-2mv

Hierbei die Wurzel aus dem Geschwindigkeitsquadrat

der Gasteilchen Teilchengeschwindigkeit bezeichnet

ergibt

(6) v

effektive v der Gastei1chen also

umgekehrt proportional zur aus der

Gasteilehen haben gleicher Temperatur houmlhere

13

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Vakuumerzeugung heute ein unentbehrliches Hilfsmittel der Physiker

darstellt

Ziel dieser Staatsexamensarbeit ist es ein Experiment fur die Analyse

von Restgas aufzubauen Die in der Praxis der Vakuumtechnik

uumlblichen Methoden zur Bestimmung des Saugvermoumlgen von

Vakuumpumpen sowie der Dichtheitspruumlfung von Vakuurnkammern

werden auf den experimentellen Aufbau angewendet Der Rezipient

wird mit Hilfe eins Quadrupol-Massenspektrometers auf Verunreinishy

gungen uumlberpruumlft In den Rezipienten werden verschiedene Gase und

Daumlmpfe eingelassen und deren Massenspektren interpretiert

Auszligerdem wird untersucht welche Stoffe beim Ausheizen von

Kupfer- und Messingrohren in das Vakuum ausgasen Abschlieszligend

wird die Vakuurnkammer eines RFQ-Beschleunigers auf Verunreinishy

gungen analysiert

Ein Teil der in dieser Arbeit durchgefuhrten Experimente soll als

Basis fur einen Versuch fur das Fortgeschrittenenpraktikum dienen

Dem Praktikanten soll hierdurch ein Einblick in das Gebiet der

Vakuumphysik sowie der Massenspektrometrie ermoumlglicht werden

Hierbei soll er uumlber die Arbeitsweisen der zur Vakuumerzeugung

noumltigen Vakuumpumpen ebenso informiert werden wie uumlber die

Meszligtechiken der dazugehoumlrigen Vakuummeter Mit Hilfe des

Massenspektrometers wird auf die schwierige Interpretation von

Massenspektren eingegangen So koumlnnen einer bestimmten Masse des

Massenspektrums durchaus mehrere Molekuumlle bzw Elemente zugeshy

ordnet werden und die richtige Zuordnung ist oft auch von der

Vorgeschichte der Vakuumanlage und von den vorherigen Experishy

menten abhaumlngig

Dies zeigt sich besonders deutlich bei den Ausheizexperimenten bei

denen die verwendeten Loumltverbindungen eine besondere RoUe

spielen

6

2 Physikalische Grundlagen

21 Die Druckbereiche des Vakuums

Der Druckbereich der Vakuumtechnik umfaszligt heute als 15

Zehnerpotenzen und reicht von mbar 10-12 mbar die

und auch die Arbeitstechniken innershy

halb dieses groszligen Druckbereiches unterschiedlich sind hat es

sich

vorzunehmen Bereiche sind folgt tPOpn

Grobvakuum (GV) 1000 - mbar

Feinvakuum (FV) - 1 mbar

10-3 _ 10-7Hochvakuum (HV)

U1trahochvakuum (UHV) mbar und weniger

Bei Einteilung die Knudsenzahl K

Rolle Sie ist als

1 (1) K

d

( 1 freie ~~U~ d = Durchmesser des

Druckshyzweckmaumlszligig po

Der Wert der Knudsenzahl bestimmt die der Gasstraumlmung und

charakterisiert einzelnen die

und die mittlere freie der

Temperatur von 300 K gilt ([wu])

h

Grobvakuum

Feinvakuum

Hochvakuum

Ultrahochvakuum

K

lt 10-2

10-2 - 05 Knudsenstraumlmung

gt 05 Molekularstraumlmung

gt 05 Molekularstroumlmung

10-2 - 10

10 - 1

gt 1

7

Der GV-Bereich wird durch K lt 102 Nach Gi (1) ist

die der Gasteilehen f

d des Stroumlmungskanals Die Gasteilchen

fuhren viele Stoumlszlige untereinander aus so daszlig als Kontinuum

betrachtet und die molekulare Struktur auszliger acht -101

kann Man spricht deshalb von einer viskosen - oder Kontinuitaumltsstroumlshy

mungo man innerhalb der

zwischen einer laminaren - und einer turbulenten Stroumlmung

Waumlhrend bei der laminaren Stroumlmung die Gasteilchen in Schichten

stroumlmen treten bei turbulenten Stroumlmung Wirbel auf

Charakteristisch den Zustand viskosen Stroumlmung ist die

Reynoldszahl definiert durch

(2)

(v mittlere Stroumlmungsgeschvvindigkeit 11 dynamische Zaumlhigkeit

p = d Durchmesser Stroumlmungskanals)

gt 4000 ist die Stroumlmung turbulent fur lt 2300 laminar

scharre kann nicht angegeben werden weil

Wandrauhigkeiten und Einlaufstoumlrungen fur den u zwischen

laminarer und turbulenter Stroumlmung eine groszlige Rolle

Innerhalb des die Knudsenzahl zwischen 1 und

OS Hier der von der zur molekularen

statt bei der die Weglaumlngen Gasteilchen bis an

den Durchmesser des Stroumlmungskanals Man spricht in

diesem Druckbereich von Knudsenstroumlmung Waumlhrend

Waumlnneleitfahigkeit und innere Reibung von Gasen innerhalb des

und nahezu sind

un sehr vom Druck

die Knudsenzahl K als 05 so spricht man von emer

molekularen Stroumlmung die fur den und U1trashy

ist Die Gasteilehen sich ohne

8

frei und ruhren nur

Stoumlszlige mit den Rezipientenbewandungen aus wo haumlufig adsorbiert

werden (s 25) die Gasteilchen die Waumlnde was vor allem

oder Tagen kann so

dies dem (siehe Abschnitt

Vakuumerzeugung

Aus der Zustandsgleichung idealen

NmiddotkmiddotT(3) p

V

(N = k = T = thermodynashy

mische Temperatur V Volumen)

laumlszligt erkennen daszlig ein Druck innerhalb

Vakuumkamrner prinzipiell drei Arten erreicht

werden naumlmlich durch

i) des Volumens V

ii) Erniedrigen der Temperatur T

iii) der N

das Volumen des Rezipienten i a konstant ist die erste

Moumlglichkeit rur die Vakuumerzeugung direkt Rolle Indirekt

In Vielzahl von Vakuumpumpen um

mit Schoumlpfvolumens Teilchenanzahl innerhalb

Rezipienten zu reduzieren (naumlheres siehe Abschnitt 1)

man in einem unter Normalbedingungen befindlichen

Temperatur auf Haumllfte (etwa 1 K) so

nach ) auch der Druck nur auf den halben (etwa

500mbar) Der zur benoumltigte rechtfertigt

den hiermit erreichten

kann jedoch JJu-H15 mit der Temperatur Teilchenshy

9

anzahl N durch Sorptions- und Kondensationsprozesse

werden was ebenfalls technisch ausgenutzt wird (siehe Abschnitt

der innerhalb des

folglich die Moumlglichkeit zur dar

wobei Gasteilehen entweder aus Vakuumkammer

(Gastransferpumpen) an Oberflaumlchen festgehalten werden

bindende Pumpen) Irmerhalb der verschiedenen Druckbereiche gilt

Teilchenanzahldichte

Druckbereich [mbar ] Teilchenanzahldichte [cmgt]

1019 _10 161013 - 1GV

10161 - 1 - 1

_ 107 10 13 _ 109

lt 10-7 lt 109

Wie aus Abschnitt 1 zu pr~pngtn ist die Stroumlmungsvorgaumlnge

innerhalb vier Vakuumbereiche verschieden Deshalb

die zur Teilchenverringerung notwendigen Pumpen in den

verschiedenen Druckbereichen sehr unterschiedlich Innerhalb der in

werdendieser durchgefuumlhrten

und Turbomolekularpumpe verwendet

1m naumlher beschrieben werden weitere Pumpentypen sei

auf die einschlaumlgige ([WuJ [Pir] GJ)

221 Drehschieberpumpen

Mit von zweistufigen Drehschieberpumpen sich End-

bis zu 10-4mbar Meist es auch im

Aufbau Fall als andere

Pumpentypen

schematische Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe

in Abb 1

10

Abb 1 Schematischer Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe ([Wul)

Die Rotoren drehen sich

In Pfeilrichtung Innerhalb der befinden die

Drehschieber die sowohl durch die Fliehkraft als auch durch

Federn werden Die dient

Schmierung und Abdichtung aber auch zum AusfuHen

schaumldlichen Raumlume und sowie zum Abfuhren der

pressionswaumlrme Die Drehschieber gleiten nun bei Rotation an der

Gehaumlusewand entlang und an Ansaugoumlffuung

Volumen den Unterdruck stroumlmt das aus

Schoumlpfvolumen hinein

den Drehschieber die Ansaugoumlffnung wieder geschlossen wird Das

Schoumlpfvolumen bis

entstehende Auspuffventil

Bei jeder halben Umdrehung Drehschiebers werden

aLIl Gasteilchen aus Rezipienten geschoumlpft und

ausgestoszligen Mit der zweiten Pumpstufe man zu noch

niedrigeren Enddruumlcken da nun die erste Pumpstufe nicht mehr bis

auf Atmosphaumlrendruck verdichten muszlig

Problematisch wird dieses Verfahren wenn Daumlmpfe (kondensierbare

laumlszligt der

Druck Daumlmpfen nur bis zu ihrem Saumlttigungsdampfdruck erhoumlhen

Werden die Daumlmpfe

der Druck weiter lh)Lvl Der lJberdruck der fur Oumlffnen des

11

Auspuffventils nun mehr erreicht und

Kondensat

Hierdurch

und die Pumpe

Um dies zu

Gasballasteinrichtung

und bevor die Kompression

in das Schoumlpfvolumen

Nun kann der Dampf bevor

zusammen mit dem ___~_~

ausgestoszligen werden

222 TurbomoJekularpumpen

Waumlhrend eine

Knudsen-Straumlmung meIr

eine Turbomolekularpumpe nur

Fall Fuumlr eine Turbomolekularpumpe

Vorpumpe benoumltigt die den

vorevakuiert

prinzipielle Aufbau emer

dargestellt

dem Pumpenoumll

des Pumpenoumlls

sogar festlaufen

Gaede 1935 die sogenannte

Ansaugoumlffnung geschlossen ist

Gases beginnt wird

Luftmenge eingelassen

Kondensationspunkt erreicht ist

und aus der Pumpe

nur innerhalb der viskosen- und

ist dies fur

Stroumlmungsbereich

deshalb grundsaumltzlich

auf etwa

m Abb 2

RotorshySltbeibe

StatorshySclleibe

RolorshyScheibe

Ab b 2 Schematischer Aufbau des Purnpsystems einer

([LT] )

12

T urbomolekularpumpe im wesentlichen aus einern

und einern Stator die mehrere Scheiben unterteilt sind Die

rotierenden und feststehenden Scheiben sind abwechselnd angebracht

enthalten gestellte Wie aus 2 zu

die der spiegelbildlich zu

Kanaumllen Statorscheibe angeordnet

dieser Darstellung sollen sich die Rotorscheiben nach links

wodurch Foumlrderrichtung von oben unten

Die Pumpwirkung der beruht nun

durch die schnelle Rotation Rotorstufe (f = 90000 minmiddot 1 ) die

Wahrscheinlichkeit durch das

zu In Richtung

Foumlrderrichtung kann em der in Kanal eintretenden

Gasteilchen ohne Wand stoszlig durchlaufen In ~un~IVU~V

treffen Gasteilchen uumlberwiegend auf die

der Rotorkanaumlle Nach kurzen von der

Wand mit cos e - vu~~ wieder desorbiert Abb 2)

die wahrscheinlichste Desorptionsrichtung senkrecht zur

torwand erfolgt

Gasteilchen folglich was

natuumlrlich auch fur Teilchen die sich von vornherein in

vu~u bewegen trotzdem Wandstoszlig erfahren Nach

kinetischen Gastheorie gilt fur die kinetische ~kin der

Gasteilchen

_ 1 2(4) und (5) ~kin-2mv

Hierbei die Wurzel aus dem Geschwindigkeitsquadrat

der Gasteilchen Teilchengeschwindigkeit bezeichnet

ergibt

(6) v

effektive v der Gastei1chen also

umgekehrt proportional zur aus der

Gasteilehen haben gleicher Temperatur houmlhere

13

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

2 Physikalische Grundlagen

21 Die Druckbereiche des Vakuums

Der Druckbereich der Vakuumtechnik umfaszligt heute als 15

Zehnerpotenzen und reicht von mbar 10-12 mbar die

und auch die Arbeitstechniken innershy

halb dieses groszligen Druckbereiches unterschiedlich sind hat es

sich

vorzunehmen Bereiche sind folgt tPOpn

Grobvakuum (GV) 1000 - mbar

Feinvakuum (FV) - 1 mbar

10-3 _ 10-7Hochvakuum (HV)

U1trahochvakuum (UHV) mbar und weniger

Bei Einteilung die Knudsenzahl K

Rolle Sie ist als

1 (1) K

d

( 1 freie ~~U~ d = Durchmesser des

Druckshyzweckmaumlszligig po

Der Wert der Knudsenzahl bestimmt die der Gasstraumlmung und

charakterisiert einzelnen die

und die mittlere freie der

Temperatur von 300 K gilt ([wu])

h

Grobvakuum

Feinvakuum

Hochvakuum

Ultrahochvakuum

K

lt 10-2

10-2 - 05 Knudsenstraumlmung

gt 05 Molekularstraumlmung

gt 05 Molekularstroumlmung

10-2 - 10

10 - 1

gt 1

7

Der GV-Bereich wird durch K lt 102 Nach Gi (1) ist

die der Gasteilehen f

d des Stroumlmungskanals Die Gasteilchen

fuhren viele Stoumlszlige untereinander aus so daszlig als Kontinuum

betrachtet und die molekulare Struktur auszliger acht -101

kann Man spricht deshalb von einer viskosen - oder Kontinuitaumltsstroumlshy

mungo man innerhalb der

zwischen einer laminaren - und einer turbulenten Stroumlmung

Waumlhrend bei der laminaren Stroumlmung die Gasteilchen in Schichten

stroumlmen treten bei turbulenten Stroumlmung Wirbel auf

Charakteristisch den Zustand viskosen Stroumlmung ist die

Reynoldszahl definiert durch

(2)

(v mittlere Stroumlmungsgeschvvindigkeit 11 dynamische Zaumlhigkeit

p = d Durchmesser Stroumlmungskanals)

gt 4000 ist die Stroumlmung turbulent fur lt 2300 laminar

scharre kann nicht angegeben werden weil

Wandrauhigkeiten und Einlaufstoumlrungen fur den u zwischen

laminarer und turbulenter Stroumlmung eine groszlige Rolle

Innerhalb des die Knudsenzahl zwischen 1 und

OS Hier der von der zur molekularen

statt bei der die Weglaumlngen Gasteilchen bis an

den Durchmesser des Stroumlmungskanals Man spricht in

diesem Druckbereich von Knudsenstroumlmung Waumlhrend

Waumlnneleitfahigkeit und innere Reibung von Gasen innerhalb des

und nahezu sind

un sehr vom Druck

die Knudsenzahl K als 05 so spricht man von emer

molekularen Stroumlmung die fur den und U1trashy

ist Die Gasteilehen sich ohne

8

frei und ruhren nur

Stoumlszlige mit den Rezipientenbewandungen aus wo haumlufig adsorbiert

werden (s 25) die Gasteilchen die Waumlnde was vor allem

oder Tagen kann so

dies dem (siehe Abschnitt

Vakuumerzeugung

Aus der Zustandsgleichung idealen

NmiddotkmiddotT(3) p

V

(N = k = T = thermodynashy

mische Temperatur V Volumen)

laumlszligt erkennen daszlig ein Druck innerhalb

Vakuumkamrner prinzipiell drei Arten erreicht

werden naumlmlich durch

i) des Volumens V

ii) Erniedrigen der Temperatur T

iii) der N

das Volumen des Rezipienten i a konstant ist die erste

Moumlglichkeit rur die Vakuumerzeugung direkt Rolle Indirekt

In Vielzahl von Vakuumpumpen um

mit Schoumlpfvolumens Teilchenanzahl innerhalb

Rezipienten zu reduzieren (naumlheres siehe Abschnitt 1)

man in einem unter Normalbedingungen befindlichen

Temperatur auf Haumllfte (etwa 1 K) so

nach ) auch der Druck nur auf den halben (etwa

500mbar) Der zur benoumltigte rechtfertigt

den hiermit erreichten

kann jedoch JJu-H15 mit der Temperatur Teilchenshy

9

anzahl N durch Sorptions- und Kondensationsprozesse

werden was ebenfalls technisch ausgenutzt wird (siehe Abschnitt

der innerhalb des

folglich die Moumlglichkeit zur dar

wobei Gasteilehen entweder aus Vakuumkammer

(Gastransferpumpen) an Oberflaumlchen festgehalten werden

bindende Pumpen) Irmerhalb der verschiedenen Druckbereiche gilt

Teilchenanzahldichte

Druckbereich [mbar ] Teilchenanzahldichte [cmgt]

1019 _10 161013 - 1GV

10161 - 1 - 1

_ 107 10 13 _ 109

lt 10-7 lt 109

Wie aus Abschnitt 1 zu pr~pngtn ist die Stroumlmungsvorgaumlnge

innerhalb vier Vakuumbereiche verschieden Deshalb

die zur Teilchenverringerung notwendigen Pumpen in den

verschiedenen Druckbereichen sehr unterschiedlich Innerhalb der in

werdendieser durchgefuumlhrten

und Turbomolekularpumpe verwendet

1m naumlher beschrieben werden weitere Pumpentypen sei

auf die einschlaumlgige ([WuJ [Pir] GJ)

221 Drehschieberpumpen

Mit von zweistufigen Drehschieberpumpen sich End-

bis zu 10-4mbar Meist es auch im

Aufbau Fall als andere

Pumpentypen

schematische Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe

in Abb 1

10

Abb 1 Schematischer Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe ([Wul)

Die Rotoren drehen sich

In Pfeilrichtung Innerhalb der befinden die

Drehschieber die sowohl durch die Fliehkraft als auch durch

Federn werden Die dient

Schmierung und Abdichtung aber auch zum AusfuHen

schaumldlichen Raumlume und sowie zum Abfuhren der

pressionswaumlrme Die Drehschieber gleiten nun bei Rotation an der

Gehaumlusewand entlang und an Ansaugoumlffuung

Volumen den Unterdruck stroumlmt das aus

Schoumlpfvolumen hinein

den Drehschieber die Ansaugoumlffnung wieder geschlossen wird Das

Schoumlpfvolumen bis

entstehende Auspuffventil

Bei jeder halben Umdrehung Drehschiebers werden

aLIl Gasteilchen aus Rezipienten geschoumlpft und

ausgestoszligen Mit der zweiten Pumpstufe man zu noch

niedrigeren Enddruumlcken da nun die erste Pumpstufe nicht mehr bis

auf Atmosphaumlrendruck verdichten muszlig

Problematisch wird dieses Verfahren wenn Daumlmpfe (kondensierbare

laumlszligt der

Druck Daumlmpfen nur bis zu ihrem Saumlttigungsdampfdruck erhoumlhen

Werden die Daumlmpfe

der Druck weiter lh)Lvl Der lJberdruck der fur Oumlffnen des

11

Auspuffventils nun mehr erreicht und

Kondensat

Hierdurch

und die Pumpe

Um dies zu

Gasballasteinrichtung

und bevor die Kompression

in das Schoumlpfvolumen

Nun kann der Dampf bevor

zusammen mit dem ___~_~

ausgestoszligen werden

222 TurbomoJekularpumpen

Waumlhrend eine

Knudsen-Straumlmung meIr

eine Turbomolekularpumpe nur

Fall Fuumlr eine Turbomolekularpumpe

Vorpumpe benoumltigt die den

vorevakuiert

prinzipielle Aufbau emer

dargestellt

dem Pumpenoumll

des Pumpenoumlls

sogar festlaufen

Gaede 1935 die sogenannte

Ansaugoumlffnung geschlossen ist

Gases beginnt wird

Luftmenge eingelassen

Kondensationspunkt erreicht ist

und aus der Pumpe

nur innerhalb der viskosen- und

ist dies fur

Stroumlmungsbereich

deshalb grundsaumltzlich

auf etwa

m Abb 2

RotorshySltbeibe

StatorshySclleibe

RolorshyScheibe

Ab b 2 Schematischer Aufbau des Purnpsystems einer

([LT] )

12

T urbomolekularpumpe im wesentlichen aus einern

und einern Stator die mehrere Scheiben unterteilt sind Die

rotierenden und feststehenden Scheiben sind abwechselnd angebracht

enthalten gestellte Wie aus 2 zu

die der spiegelbildlich zu

Kanaumllen Statorscheibe angeordnet

dieser Darstellung sollen sich die Rotorscheiben nach links

wodurch Foumlrderrichtung von oben unten

Die Pumpwirkung der beruht nun

durch die schnelle Rotation Rotorstufe (f = 90000 minmiddot 1 ) die

Wahrscheinlichkeit durch das

zu In Richtung

Foumlrderrichtung kann em der in Kanal eintretenden

Gasteilchen ohne Wand stoszlig durchlaufen In ~un~IVU~V

treffen Gasteilchen uumlberwiegend auf die

der Rotorkanaumlle Nach kurzen von der

Wand mit cos e - vu~~ wieder desorbiert Abb 2)

die wahrscheinlichste Desorptionsrichtung senkrecht zur

torwand erfolgt

Gasteilchen folglich was

natuumlrlich auch fur Teilchen die sich von vornherein in

vu~u bewegen trotzdem Wandstoszlig erfahren Nach

kinetischen Gastheorie gilt fur die kinetische ~kin der

Gasteilchen

_ 1 2(4) und (5) ~kin-2mv

Hierbei die Wurzel aus dem Geschwindigkeitsquadrat

der Gasteilchen Teilchengeschwindigkeit bezeichnet

ergibt

(6) v

effektive v der Gastei1chen also

umgekehrt proportional zur aus der

Gasteilehen haben gleicher Temperatur houmlhere

13

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Der GV-Bereich wird durch K lt 102 Nach Gi (1) ist

die der Gasteilehen f

d des Stroumlmungskanals Die Gasteilchen

fuhren viele Stoumlszlige untereinander aus so daszlig als Kontinuum

betrachtet und die molekulare Struktur auszliger acht -101

kann Man spricht deshalb von einer viskosen - oder Kontinuitaumltsstroumlshy

mungo man innerhalb der

zwischen einer laminaren - und einer turbulenten Stroumlmung

Waumlhrend bei der laminaren Stroumlmung die Gasteilchen in Schichten

stroumlmen treten bei turbulenten Stroumlmung Wirbel auf

Charakteristisch den Zustand viskosen Stroumlmung ist die

Reynoldszahl definiert durch

(2)

(v mittlere Stroumlmungsgeschvvindigkeit 11 dynamische Zaumlhigkeit

p = d Durchmesser Stroumlmungskanals)

gt 4000 ist die Stroumlmung turbulent fur lt 2300 laminar

scharre kann nicht angegeben werden weil

Wandrauhigkeiten und Einlaufstoumlrungen fur den u zwischen

laminarer und turbulenter Stroumlmung eine groszlige Rolle

Innerhalb des die Knudsenzahl zwischen 1 und

OS Hier der von der zur molekularen

statt bei der die Weglaumlngen Gasteilchen bis an

den Durchmesser des Stroumlmungskanals Man spricht in

diesem Druckbereich von Knudsenstroumlmung Waumlhrend

Waumlnneleitfahigkeit und innere Reibung von Gasen innerhalb des

und nahezu sind

un sehr vom Druck

die Knudsenzahl K als 05 so spricht man von emer

molekularen Stroumlmung die fur den und U1trashy

ist Die Gasteilehen sich ohne

8

frei und ruhren nur

Stoumlszlige mit den Rezipientenbewandungen aus wo haumlufig adsorbiert

werden (s 25) die Gasteilchen die Waumlnde was vor allem

oder Tagen kann so

dies dem (siehe Abschnitt

Vakuumerzeugung

Aus der Zustandsgleichung idealen

NmiddotkmiddotT(3) p

V

(N = k = T = thermodynashy

mische Temperatur V Volumen)

laumlszligt erkennen daszlig ein Druck innerhalb

Vakuumkamrner prinzipiell drei Arten erreicht

werden naumlmlich durch

i) des Volumens V

ii) Erniedrigen der Temperatur T

iii) der N

das Volumen des Rezipienten i a konstant ist die erste

Moumlglichkeit rur die Vakuumerzeugung direkt Rolle Indirekt

In Vielzahl von Vakuumpumpen um

mit Schoumlpfvolumens Teilchenanzahl innerhalb

Rezipienten zu reduzieren (naumlheres siehe Abschnitt 1)

man in einem unter Normalbedingungen befindlichen

Temperatur auf Haumllfte (etwa 1 K) so

nach ) auch der Druck nur auf den halben (etwa

500mbar) Der zur benoumltigte rechtfertigt

den hiermit erreichten

kann jedoch JJu-H15 mit der Temperatur Teilchenshy

9

anzahl N durch Sorptions- und Kondensationsprozesse

werden was ebenfalls technisch ausgenutzt wird (siehe Abschnitt

der innerhalb des

folglich die Moumlglichkeit zur dar

wobei Gasteilehen entweder aus Vakuumkammer

(Gastransferpumpen) an Oberflaumlchen festgehalten werden

bindende Pumpen) Irmerhalb der verschiedenen Druckbereiche gilt

Teilchenanzahldichte

Druckbereich [mbar ] Teilchenanzahldichte [cmgt]

1019 _10 161013 - 1GV

10161 - 1 - 1

_ 107 10 13 _ 109

lt 10-7 lt 109

Wie aus Abschnitt 1 zu pr~pngtn ist die Stroumlmungsvorgaumlnge

innerhalb vier Vakuumbereiche verschieden Deshalb

die zur Teilchenverringerung notwendigen Pumpen in den

verschiedenen Druckbereichen sehr unterschiedlich Innerhalb der in

werdendieser durchgefuumlhrten

und Turbomolekularpumpe verwendet

1m naumlher beschrieben werden weitere Pumpentypen sei

auf die einschlaumlgige ([WuJ [Pir] GJ)

221 Drehschieberpumpen

Mit von zweistufigen Drehschieberpumpen sich End-

bis zu 10-4mbar Meist es auch im

Aufbau Fall als andere

Pumpentypen

schematische Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe

in Abb 1

10

Abb 1 Schematischer Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe ([Wul)

Die Rotoren drehen sich

In Pfeilrichtung Innerhalb der befinden die

Drehschieber die sowohl durch die Fliehkraft als auch durch

Federn werden Die dient

Schmierung und Abdichtung aber auch zum AusfuHen

schaumldlichen Raumlume und sowie zum Abfuhren der

pressionswaumlrme Die Drehschieber gleiten nun bei Rotation an der

Gehaumlusewand entlang und an Ansaugoumlffuung

Volumen den Unterdruck stroumlmt das aus

Schoumlpfvolumen hinein

den Drehschieber die Ansaugoumlffnung wieder geschlossen wird Das

Schoumlpfvolumen bis

entstehende Auspuffventil

Bei jeder halben Umdrehung Drehschiebers werden

aLIl Gasteilchen aus Rezipienten geschoumlpft und

ausgestoszligen Mit der zweiten Pumpstufe man zu noch

niedrigeren Enddruumlcken da nun die erste Pumpstufe nicht mehr bis

auf Atmosphaumlrendruck verdichten muszlig

Problematisch wird dieses Verfahren wenn Daumlmpfe (kondensierbare

laumlszligt der

Druck Daumlmpfen nur bis zu ihrem Saumlttigungsdampfdruck erhoumlhen

Werden die Daumlmpfe

der Druck weiter lh)Lvl Der lJberdruck der fur Oumlffnen des

11

Auspuffventils nun mehr erreicht und

Kondensat

Hierdurch

und die Pumpe

Um dies zu

Gasballasteinrichtung

und bevor die Kompression

in das Schoumlpfvolumen

Nun kann der Dampf bevor

zusammen mit dem ___~_~

ausgestoszligen werden

222 TurbomoJekularpumpen

Waumlhrend eine

Knudsen-Straumlmung meIr

eine Turbomolekularpumpe nur

Fall Fuumlr eine Turbomolekularpumpe

Vorpumpe benoumltigt die den

vorevakuiert

prinzipielle Aufbau emer

dargestellt

dem Pumpenoumll

des Pumpenoumlls

sogar festlaufen

Gaede 1935 die sogenannte

Ansaugoumlffnung geschlossen ist

Gases beginnt wird

Luftmenge eingelassen

Kondensationspunkt erreicht ist

und aus der Pumpe

nur innerhalb der viskosen- und

ist dies fur

Stroumlmungsbereich

deshalb grundsaumltzlich

auf etwa

m Abb 2

RotorshySltbeibe

StatorshySclleibe

RolorshyScheibe

Ab b 2 Schematischer Aufbau des Purnpsystems einer

([LT] )

12

T urbomolekularpumpe im wesentlichen aus einern

und einern Stator die mehrere Scheiben unterteilt sind Die

rotierenden und feststehenden Scheiben sind abwechselnd angebracht

enthalten gestellte Wie aus 2 zu

die der spiegelbildlich zu

Kanaumllen Statorscheibe angeordnet

dieser Darstellung sollen sich die Rotorscheiben nach links

wodurch Foumlrderrichtung von oben unten

Die Pumpwirkung der beruht nun

durch die schnelle Rotation Rotorstufe (f = 90000 minmiddot 1 ) die

Wahrscheinlichkeit durch das

zu In Richtung

Foumlrderrichtung kann em der in Kanal eintretenden

Gasteilchen ohne Wand stoszlig durchlaufen In ~un~IVU~V

treffen Gasteilchen uumlberwiegend auf die

der Rotorkanaumlle Nach kurzen von der

Wand mit cos e - vu~~ wieder desorbiert Abb 2)

die wahrscheinlichste Desorptionsrichtung senkrecht zur

torwand erfolgt

Gasteilchen folglich was

natuumlrlich auch fur Teilchen die sich von vornherein in

vu~u bewegen trotzdem Wandstoszlig erfahren Nach

kinetischen Gastheorie gilt fur die kinetische ~kin der

Gasteilchen

_ 1 2(4) und (5) ~kin-2mv

Hierbei die Wurzel aus dem Geschwindigkeitsquadrat

der Gasteilchen Teilchengeschwindigkeit bezeichnet

ergibt

(6) v

effektive v der Gastei1chen also

umgekehrt proportional zur aus der

Gasteilehen haben gleicher Temperatur houmlhere

13

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

frei und ruhren nur

Stoumlszlige mit den Rezipientenbewandungen aus wo haumlufig adsorbiert

werden (s 25) die Gasteilchen die Waumlnde was vor allem

oder Tagen kann so

dies dem (siehe Abschnitt

Vakuumerzeugung

Aus der Zustandsgleichung idealen

NmiddotkmiddotT(3) p

V

(N = k = T = thermodynashy

mische Temperatur V Volumen)

laumlszligt erkennen daszlig ein Druck innerhalb

Vakuumkamrner prinzipiell drei Arten erreicht

werden naumlmlich durch

i) des Volumens V

ii) Erniedrigen der Temperatur T

iii) der N

das Volumen des Rezipienten i a konstant ist die erste

Moumlglichkeit rur die Vakuumerzeugung direkt Rolle Indirekt

In Vielzahl von Vakuumpumpen um

mit Schoumlpfvolumens Teilchenanzahl innerhalb

Rezipienten zu reduzieren (naumlheres siehe Abschnitt 1)

man in einem unter Normalbedingungen befindlichen

Temperatur auf Haumllfte (etwa 1 K) so

nach ) auch der Druck nur auf den halben (etwa

500mbar) Der zur benoumltigte rechtfertigt

den hiermit erreichten

kann jedoch JJu-H15 mit der Temperatur Teilchenshy

9

anzahl N durch Sorptions- und Kondensationsprozesse

werden was ebenfalls technisch ausgenutzt wird (siehe Abschnitt

der innerhalb des

folglich die Moumlglichkeit zur dar

wobei Gasteilehen entweder aus Vakuumkammer

(Gastransferpumpen) an Oberflaumlchen festgehalten werden

bindende Pumpen) Irmerhalb der verschiedenen Druckbereiche gilt

Teilchenanzahldichte

Druckbereich [mbar ] Teilchenanzahldichte [cmgt]

1019 _10 161013 - 1GV

10161 - 1 - 1

_ 107 10 13 _ 109

lt 10-7 lt 109

Wie aus Abschnitt 1 zu pr~pngtn ist die Stroumlmungsvorgaumlnge

innerhalb vier Vakuumbereiche verschieden Deshalb

die zur Teilchenverringerung notwendigen Pumpen in den

verschiedenen Druckbereichen sehr unterschiedlich Innerhalb der in

werdendieser durchgefuumlhrten

und Turbomolekularpumpe verwendet

1m naumlher beschrieben werden weitere Pumpentypen sei

auf die einschlaumlgige ([WuJ [Pir] GJ)

221 Drehschieberpumpen

Mit von zweistufigen Drehschieberpumpen sich End-

bis zu 10-4mbar Meist es auch im

Aufbau Fall als andere

Pumpentypen

schematische Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe

in Abb 1

10

Abb 1 Schematischer Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe ([Wul)

Die Rotoren drehen sich

In Pfeilrichtung Innerhalb der befinden die

Drehschieber die sowohl durch die Fliehkraft als auch durch

Federn werden Die dient

Schmierung und Abdichtung aber auch zum AusfuHen

schaumldlichen Raumlume und sowie zum Abfuhren der

pressionswaumlrme Die Drehschieber gleiten nun bei Rotation an der

Gehaumlusewand entlang und an Ansaugoumlffuung

Volumen den Unterdruck stroumlmt das aus

Schoumlpfvolumen hinein

den Drehschieber die Ansaugoumlffnung wieder geschlossen wird Das

Schoumlpfvolumen bis

entstehende Auspuffventil

Bei jeder halben Umdrehung Drehschiebers werden

aLIl Gasteilchen aus Rezipienten geschoumlpft und

ausgestoszligen Mit der zweiten Pumpstufe man zu noch

niedrigeren Enddruumlcken da nun die erste Pumpstufe nicht mehr bis

auf Atmosphaumlrendruck verdichten muszlig

Problematisch wird dieses Verfahren wenn Daumlmpfe (kondensierbare

laumlszligt der

Druck Daumlmpfen nur bis zu ihrem Saumlttigungsdampfdruck erhoumlhen

Werden die Daumlmpfe

der Druck weiter lh)Lvl Der lJberdruck der fur Oumlffnen des

11

Auspuffventils nun mehr erreicht und

Kondensat

Hierdurch

und die Pumpe

Um dies zu

Gasballasteinrichtung

und bevor die Kompression

in das Schoumlpfvolumen

Nun kann der Dampf bevor

zusammen mit dem ___~_~

ausgestoszligen werden

222 TurbomoJekularpumpen

Waumlhrend eine

Knudsen-Straumlmung meIr

eine Turbomolekularpumpe nur

Fall Fuumlr eine Turbomolekularpumpe

Vorpumpe benoumltigt die den

vorevakuiert

prinzipielle Aufbau emer

dargestellt

dem Pumpenoumll

des Pumpenoumlls

sogar festlaufen

Gaede 1935 die sogenannte

Ansaugoumlffnung geschlossen ist

Gases beginnt wird

Luftmenge eingelassen

Kondensationspunkt erreicht ist

und aus der Pumpe

nur innerhalb der viskosen- und

ist dies fur

Stroumlmungsbereich

deshalb grundsaumltzlich

auf etwa

m Abb 2

RotorshySltbeibe

StatorshySclleibe

RolorshyScheibe

Ab b 2 Schematischer Aufbau des Purnpsystems einer

([LT] )

12

T urbomolekularpumpe im wesentlichen aus einern

und einern Stator die mehrere Scheiben unterteilt sind Die

rotierenden und feststehenden Scheiben sind abwechselnd angebracht

enthalten gestellte Wie aus 2 zu

die der spiegelbildlich zu

Kanaumllen Statorscheibe angeordnet

dieser Darstellung sollen sich die Rotorscheiben nach links

wodurch Foumlrderrichtung von oben unten

Die Pumpwirkung der beruht nun

durch die schnelle Rotation Rotorstufe (f = 90000 minmiddot 1 ) die

Wahrscheinlichkeit durch das

zu In Richtung

Foumlrderrichtung kann em der in Kanal eintretenden

Gasteilchen ohne Wand stoszlig durchlaufen In ~un~IVU~V

treffen Gasteilchen uumlberwiegend auf die

der Rotorkanaumlle Nach kurzen von der

Wand mit cos e - vu~~ wieder desorbiert Abb 2)

die wahrscheinlichste Desorptionsrichtung senkrecht zur

torwand erfolgt

Gasteilchen folglich was

natuumlrlich auch fur Teilchen die sich von vornherein in

vu~u bewegen trotzdem Wandstoszlig erfahren Nach

kinetischen Gastheorie gilt fur die kinetische ~kin der

Gasteilchen

_ 1 2(4) und (5) ~kin-2mv

Hierbei die Wurzel aus dem Geschwindigkeitsquadrat

der Gasteilchen Teilchengeschwindigkeit bezeichnet

ergibt

(6) v

effektive v der Gastei1chen also

umgekehrt proportional zur aus der

Gasteilehen haben gleicher Temperatur houmlhere

13

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

anzahl N durch Sorptions- und Kondensationsprozesse

werden was ebenfalls technisch ausgenutzt wird (siehe Abschnitt

der innerhalb des

folglich die Moumlglichkeit zur dar

wobei Gasteilehen entweder aus Vakuumkammer

(Gastransferpumpen) an Oberflaumlchen festgehalten werden

bindende Pumpen) Irmerhalb der verschiedenen Druckbereiche gilt

Teilchenanzahldichte

Druckbereich [mbar ] Teilchenanzahldichte [cmgt]

1019 _10 161013 - 1GV

10161 - 1 - 1

_ 107 10 13 _ 109

lt 10-7 lt 109

Wie aus Abschnitt 1 zu pr~pngtn ist die Stroumlmungsvorgaumlnge

innerhalb vier Vakuumbereiche verschieden Deshalb

die zur Teilchenverringerung notwendigen Pumpen in den

verschiedenen Druckbereichen sehr unterschiedlich Innerhalb der in

werdendieser durchgefuumlhrten

und Turbomolekularpumpe verwendet

1m naumlher beschrieben werden weitere Pumpentypen sei

auf die einschlaumlgige ([WuJ [Pir] GJ)

221 Drehschieberpumpen

Mit von zweistufigen Drehschieberpumpen sich End-

bis zu 10-4mbar Meist es auch im

Aufbau Fall als andere

Pumpentypen

schematische Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe

in Abb 1

10

Abb 1 Schematischer Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe ([Wul)

Die Rotoren drehen sich

In Pfeilrichtung Innerhalb der befinden die

Drehschieber die sowohl durch die Fliehkraft als auch durch

Federn werden Die dient

Schmierung und Abdichtung aber auch zum AusfuHen

schaumldlichen Raumlume und sowie zum Abfuhren der

pressionswaumlrme Die Drehschieber gleiten nun bei Rotation an der

Gehaumlusewand entlang und an Ansaugoumlffuung

Volumen den Unterdruck stroumlmt das aus

Schoumlpfvolumen hinein

den Drehschieber die Ansaugoumlffnung wieder geschlossen wird Das

Schoumlpfvolumen bis

entstehende Auspuffventil

Bei jeder halben Umdrehung Drehschiebers werden

aLIl Gasteilchen aus Rezipienten geschoumlpft und

ausgestoszligen Mit der zweiten Pumpstufe man zu noch

niedrigeren Enddruumlcken da nun die erste Pumpstufe nicht mehr bis

auf Atmosphaumlrendruck verdichten muszlig

Problematisch wird dieses Verfahren wenn Daumlmpfe (kondensierbare

laumlszligt der

Druck Daumlmpfen nur bis zu ihrem Saumlttigungsdampfdruck erhoumlhen

Werden die Daumlmpfe

der Druck weiter lh)Lvl Der lJberdruck der fur Oumlffnen des

11

Auspuffventils nun mehr erreicht und

Kondensat

Hierdurch

und die Pumpe

Um dies zu

Gasballasteinrichtung

und bevor die Kompression

in das Schoumlpfvolumen

Nun kann der Dampf bevor

zusammen mit dem ___~_~

ausgestoszligen werden

222 TurbomoJekularpumpen

Waumlhrend eine

Knudsen-Straumlmung meIr

eine Turbomolekularpumpe nur

Fall Fuumlr eine Turbomolekularpumpe

Vorpumpe benoumltigt die den

vorevakuiert

prinzipielle Aufbau emer

dargestellt

dem Pumpenoumll

des Pumpenoumlls

sogar festlaufen

Gaede 1935 die sogenannte

Ansaugoumlffnung geschlossen ist

Gases beginnt wird

Luftmenge eingelassen

Kondensationspunkt erreicht ist

und aus der Pumpe

nur innerhalb der viskosen- und

ist dies fur

Stroumlmungsbereich

deshalb grundsaumltzlich

auf etwa

m Abb 2

RotorshySltbeibe

StatorshySclleibe

RolorshyScheibe

Ab b 2 Schematischer Aufbau des Purnpsystems einer

([LT] )

12

T urbomolekularpumpe im wesentlichen aus einern

und einern Stator die mehrere Scheiben unterteilt sind Die

rotierenden und feststehenden Scheiben sind abwechselnd angebracht

enthalten gestellte Wie aus 2 zu

die der spiegelbildlich zu

Kanaumllen Statorscheibe angeordnet

dieser Darstellung sollen sich die Rotorscheiben nach links

wodurch Foumlrderrichtung von oben unten

Die Pumpwirkung der beruht nun

durch die schnelle Rotation Rotorstufe (f = 90000 minmiddot 1 ) die

Wahrscheinlichkeit durch das

zu In Richtung

Foumlrderrichtung kann em der in Kanal eintretenden

Gasteilchen ohne Wand stoszlig durchlaufen In ~un~IVU~V

treffen Gasteilchen uumlberwiegend auf die

der Rotorkanaumlle Nach kurzen von der

Wand mit cos e - vu~~ wieder desorbiert Abb 2)

die wahrscheinlichste Desorptionsrichtung senkrecht zur

torwand erfolgt

Gasteilchen folglich was

natuumlrlich auch fur Teilchen die sich von vornherein in

vu~u bewegen trotzdem Wandstoszlig erfahren Nach

kinetischen Gastheorie gilt fur die kinetische ~kin der

Gasteilchen

_ 1 2(4) und (5) ~kin-2mv

Hierbei die Wurzel aus dem Geschwindigkeitsquadrat

der Gasteilchen Teilchengeschwindigkeit bezeichnet

ergibt

(6) v

effektive v der Gastei1chen also

umgekehrt proportional zur aus der

Gasteilehen haben gleicher Temperatur houmlhere

13

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Abb 1 Schematischer Aufbau einer zweistufigen Drehschieberpumpe ([Wul)

Die Rotoren drehen sich

In Pfeilrichtung Innerhalb der befinden die

Drehschieber die sowohl durch die Fliehkraft als auch durch

Federn werden Die dient

Schmierung und Abdichtung aber auch zum AusfuHen

schaumldlichen Raumlume und sowie zum Abfuhren der

pressionswaumlrme Die Drehschieber gleiten nun bei Rotation an der

Gehaumlusewand entlang und an Ansaugoumlffuung

Volumen den Unterdruck stroumlmt das aus

Schoumlpfvolumen hinein

den Drehschieber die Ansaugoumlffnung wieder geschlossen wird Das

Schoumlpfvolumen bis

entstehende Auspuffventil

Bei jeder halben Umdrehung Drehschiebers werden

aLIl Gasteilchen aus Rezipienten geschoumlpft und

ausgestoszligen Mit der zweiten Pumpstufe man zu noch

niedrigeren Enddruumlcken da nun die erste Pumpstufe nicht mehr bis

auf Atmosphaumlrendruck verdichten muszlig

Problematisch wird dieses Verfahren wenn Daumlmpfe (kondensierbare

laumlszligt der

Druck Daumlmpfen nur bis zu ihrem Saumlttigungsdampfdruck erhoumlhen

Werden die Daumlmpfe

der Druck weiter lh)Lvl Der lJberdruck der fur Oumlffnen des

11

Auspuffventils nun mehr erreicht und

Kondensat

Hierdurch

und die Pumpe

Um dies zu

Gasballasteinrichtung

und bevor die Kompression

in das Schoumlpfvolumen

Nun kann der Dampf bevor

zusammen mit dem ___~_~

ausgestoszligen werden

222 TurbomoJekularpumpen

Waumlhrend eine

Knudsen-Straumlmung meIr

eine Turbomolekularpumpe nur

Fall Fuumlr eine Turbomolekularpumpe

Vorpumpe benoumltigt die den

vorevakuiert

prinzipielle Aufbau emer

dargestellt

dem Pumpenoumll

des Pumpenoumlls

sogar festlaufen

Gaede 1935 die sogenannte

Ansaugoumlffnung geschlossen ist

Gases beginnt wird

Luftmenge eingelassen

Kondensationspunkt erreicht ist

und aus der Pumpe

nur innerhalb der viskosen- und

ist dies fur

Stroumlmungsbereich

deshalb grundsaumltzlich

auf etwa

m Abb 2

RotorshySltbeibe

StatorshySclleibe

RolorshyScheibe

Ab b 2 Schematischer Aufbau des Purnpsystems einer

([LT] )

12

T urbomolekularpumpe im wesentlichen aus einern

und einern Stator die mehrere Scheiben unterteilt sind Die

rotierenden und feststehenden Scheiben sind abwechselnd angebracht

enthalten gestellte Wie aus 2 zu

die der spiegelbildlich zu

Kanaumllen Statorscheibe angeordnet

dieser Darstellung sollen sich die Rotorscheiben nach links

wodurch Foumlrderrichtung von oben unten

Die Pumpwirkung der beruht nun

durch die schnelle Rotation Rotorstufe (f = 90000 minmiddot 1 ) die

Wahrscheinlichkeit durch das

zu In Richtung

Foumlrderrichtung kann em der in Kanal eintretenden

Gasteilchen ohne Wand stoszlig durchlaufen In ~un~IVU~V

treffen Gasteilchen uumlberwiegend auf die

der Rotorkanaumlle Nach kurzen von der

Wand mit cos e - vu~~ wieder desorbiert Abb 2)

die wahrscheinlichste Desorptionsrichtung senkrecht zur

torwand erfolgt

Gasteilchen folglich was

natuumlrlich auch fur Teilchen die sich von vornherein in

vu~u bewegen trotzdem Wandstoszlig erfahren Nach

kinetischen Gastheorie gilt fur die kinetische ~kin der

Gasteilchen

_ 1 2(4) und (5) ~kin-2mv

Hierbei die Wurzel aus dem Geschwindigkeitsquadrat

der Gasteilchen Teilchengeschwindigkeit bezeichnet

ergibt

(6) v

effektive v der Gastei1chen also

umgekehrt proportional zur aus der

Gasteilehen haben gleicher Temperatur houmlhere

13

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Auspuffventils nun mehr erreicht und

Kondensat

Hierdurch

und die Pumpe

Um dies zu

Gasballasteinrichtung

und bevor die Kompression

in das Schoumlpfvolumen

Nun kann der Dampf bevor

zusammen mit dem ___~_~

ausgestoszligen werden

222 TurbomoJekularpumpen

Waumlhrend eine

Knudsen-Straumlmung meIr

eine Turbomolekularpumpe nur

Fall Fuumlr eine Turbomolekularpumpe

Vorpumpe benoumltigt die den

vorevakuiert

prinzipielle Aufbau emer

dargestellt

dem Pumpenoumll

des Pumpenoumlls

sogar festlaufen

Gaede 1935 die sogenannte

Ansaugoumlffnung geschlossen ist

Gases beginnt wird

Luftmenge eingelassen

Kondensationspunkt erreicht ist

und aus der Pumpe

nur innerhalb der viskosen- und

ist dies fur

Stroumlmungsbereich

deshalb grundsaumltzlich

auf etwa

m Abb 2

RotorshySltbeibe

StatorshySclleibe

RolorshyScheibe

Ab b 2 Schematischer Aufbau des Purnpsystems einer

([LT] )

12

T urbomolekularpumpe im wesentlichen aus einern

und einern Stator die mehrere Scheiben unterteilt sind Die

rotierenden und feststehenden Scheiben sind abwechselnd angebracht

enthalten gestellte Wie aus 2 zu

die der spiegelbildlich zu

Kanaumllen Statorscheibe angeordnet

dieser Darstellung sollen sich die Rotorscheiben nach links

wodurch Foumlrderrichtung von oben unten

Die Pumpwirkung der beruht nun

durch die schnelle Rotation Rotorstufe (f = 90000 minmiddot 1 ) die

Wahrscheinlichkeit durch das

zu In Richtung

Foumlrderrichtung kann em der in Kanal eintretenden

Gasteilchen ohne Wand stoszlig durchlaufen In ~un~IVU~V

treffen Gasteilchen uumlberwiegend auf die

der Rotorkanaumlle Nach kurzen von der

Wand mit cos e - vu~~ wieder desorbiert Abb 2)

die wahrscheinlichste Desorptionsrichtung senkrecht zur

torwand erfolgt

Gasteilchen folglich was

natuumlrlich auch fur Teilchen die sich von vornherein in

vu~u bewegen trotzdem Wandstoszlig erfahren Nach

kinetischen Gastheorie gilt fur die kinetische ~kin der

Gasteilchen

_ 1 2(4) und (5) ~kin-2mv

Hierbei die Wurzel aus dem Geschwindigkeitsquadrat

der Gasteilchen Teilchengeschwindigkeit bezeichnet

ergibt

(6) v

effektive v der Gastei1chen also

umgekehrt proportional zur aus der

Gasteilehen haben gleicher Temperatur houmlhere

13

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

T urbomolekularpumpe im wesentlichen aus einern

und einern Stator die mehrere Scheiben unterteilt sind Die

rotierenden und feststehenden Scheiben sind abwechselnd angebracht

enthalten gestellte Wie aus 2 zu

die der spiegelbildlich zu

Kanaumllen Statorscheibe angeordnet

dieser Darstellung sollen sich die Rotorscheiben nach links

wodurch Foumlrderrichtung von oben unten

Die Pumpwirkung der beruht nun

durch die schnelle Rotation Rotorstufe (f = 90000 minmiddot 1 ) die

Wahrscheinlichkeit durch das

zu In Richtung

Foumlrderrichtung kann em der in Kanal eintretenden

Gasteilchen ohne Wand stoszlig durchlaufen In ~un~IVU~V

treffen Gasteilchen uumlberwiegend auf die

der Rotorkanaumlle Nach kurzen von der

Wand mit cos e - vu~~ wieder desorbiert Abb 2)

die wahrscheinlichste Desorptionsrichtung senkrecht zur

torwand erfolgt

Gasteilchen folglich was

natuumlrlich auch fur Teilchen die sich von vornherein in

vu~u bewegen trotzdem Wandstoszlig erfahren Nach

kinetischen Gastheorie gilt fur die kinetische ~kin der

Gasteilchen

_ 1 2(4) und (5) ~kin-2mv

Hierbei die Wurzel aus dem Geschwindigkeitsquadrat

der Gasteilchen Teilchengeschwindigkeit bezeichnet

ergibt

(6) v

effektive v der Gastei1chen also

umgekehrt proportional zur aus der

Gasteilehen haben gleicher Temperatur houmlhere

13

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

effektive Teilchengeschwindigkeit als schwerere Bei den oben

genannten Drehzahlen der Rotorstufen werden Umlaufgeschwindigshy

keiten bis zu 500mls erreicht Da eine Turbomolekularpumpe nur

dann wirksam Gasteilchen foumlrdern kann wenn die Umlaufgeshy

schwindigkeit des Rotors in der Groumlszligenordnung der thermischen

Geschwindigkeit v der Gasteilchen liegt werden mit ihr schwere

Gasteilchen wesentlich besser gepumpt als leichte

Experimentelle Messungen haben ergeben daszlig bei den erreichten

Drehzahlen Kanaumlle mit einem Neigungswinkel von etwa a = 45deg

maximales Saugvennoumlgen (Volumenstrom am Ansaugstutzen) aber

nur relativ kleine Kompression (Verhaumlltnis zwischen Auslaszlig- und

Einlaszligdruck) liefern Bei flacheren Neigungswinkeln ninunt das

Saugvennoumlgen ab und die Kompression nimmt zu Deshalb werden

meist drei im Neigungswinkel abgestufte Scheibengruppen vershy

wendet Um moumlglichst viele Gasteilchen in das Pumpsystem zu

foumlrdern sind an der Eintrittsoumlffuung auf der Hochvakuumseite die

Neigungswinkel groszlig so daszlig hier das Saugvennoumlgen maximiert wird

An der Austrittsoumlffuung sind dagegen die Neigungswinkel flach so

daszlig durch die groszlige Kompression die zu foumlrdernden Teilchen

verdichtet werden und somit die Wahrscheinlichkeit eines Ruumlckshy

stroumlmens in den Rezipienten verkleinert wird ([pir] [RT][LT])

223 Grundbegriffe und Berechnungsgrundlagen

Wie zu Beginn des Abschnitts 22 dargelegt wurde basiert in jeder

Vakuumpumpe der Pumpprozeszlig auf einer Foumlrderung der Gasteilchen

aus dem Rezipienten Ein Maszlig fuumlr die Guumlte einer Vakuumpumpe ist

deshalb die in einer bestinunten Zeit ~t gefoumlrderte Gasmenge q Diese

laumlszligt sich auf verschiedene Weisen beschreiben Folgende Definitionen

bieten sich an

(7) Der Teilchenstrom Einheit [~J

14

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

g(8) Massenstrom [k

s]

(9) mol

s

t1V (10) Der Volumenstrom Einheit [ ]

Meszligtechrllsch sich Volumenstrom arn bestimmen

interessant ist hierbei der Volumenstrom am

stutzen A Pumpe der die unmittelbare Gasfoumlrderung aus dem

(11) [ ~m]

man

S der Vakuumpumpe Es

(l

In wird im GV- und FV-Bereich m

[m3h] das im und UHV-Bereich [Vs] angegeben

Waumlhrend der Vakuumpumpe

dem Druck im Rezipienten entspricht muszlig Druck auf

der immer etwas houmlher als Atmosphaumlrendruck sein um

emen Gasstrom aus Pumpe zu

charakterisierendes Merkmal Vakuumpumpe ist deshalb

Verhaumlltnis zwischen Auslaszligdruck dem

Verhaumlltnis bezeichnet man als die Kompression k Vakushy

umpumpe

(13) Kompression k

15

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Da p die Dimension einer Energie besitzt

einer Leistung Deswegen nennt man

Vakuumpumpe die

der

I1V(14) q (A)=pmiddotshy

pV I1t s

dem Saugvermoumlgen S und der vu Altu qpv(A)

(12) und (14) der folgende Zusammenhang

(15)

Einlaszligseite eines Stroumlmungskanals Druck PI und

Proportionalitaumltsfaktor L wird als

meist in [1s] angegeben Der

Anordnungen berechenbar er im HV- und

konstant ist ist er und FV-Bereich

Ersetzt man in GI (16) qpv den eL Strom und

durch die el Spannung so ist Gesetz analog

deshalb 1fL = R Straumlmungswiderstand Wie

Elektrizitaumltslehre fur ~es in

Leitungskanaumllen bei

+ + +(17) Reihenschaltung

(18) und bei Parallelschaltung +

Druck P2 so

pV-Strom durch cuu wesentshy

lich von Geometrie des Stroumlmungskanals ltgt11ltgt1155

(1

in einfachen

16

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

die TrIrn ist am Ende Vakuumshy

effektive oft um ein vielfaches

dem Pumpensaugvennoumlgen S reduziert gilt

s (19) =--shy

1+Smiddot R

GV- und ist zeitliche Druckverlauf p(t)

Vakuumpumpe in guter Naumlherung gegeben durch

(20) pet) = pomiddote

Hierbei V das Volumen des po

(meist po = po = 101325mbar) und t die Abpumpzeit

effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich somit nach GI 1 )

berechnen

(21 ) t

23 Vakuummessung

zum Messen von Gasdrucken unterhalb Atmosphaumlrenshy

drucks werden als bezeichnet Aus physikalischen

ist es nicht moumlglich Vakuummeter zu konstruieren das

innerhalb gesamten Vakuumbereichs messen kann Deshalb gibt

groszlige Anzahl

dener Vakuummeter jeweils einen von bis zu

Vakuummeter lassen sich

Waumlhrend erste Klasse Druck

direkt der Definition als pro Flaumlche

zweiten Klasse der Druck uumlber druckabhaumlngige des

17

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Waumlnneleitfahigkeit Iorusationswahrscheinlichkeit und

Leitfahigkeit bestimmt

1 daszlig bei allen indirekt messenden Vakuumshy

metern die gemessenen Druckwerte gasartenabhaumlngig sind und meist

Luft geeicht sind Befinden sich vornehmlich

Rezipienten so muumlssen entsprechende Korrekturshy

beruumlcksichtigt werden

der hier durchgefuhrten Experimente werden ein

im GV- und FV-Bereich und ein Penning-Vakuumshy

meter im HV-Bereich verwendet Beide Vakuummeter basieren auf

Druckmessung und werden im folgenden

weitere Infonnationen zu anderen Vakuummeter

verwiesen ([Wu] [Lec J)

Das

Die ist Feinvakuumshy

Grobvakuumshy

physikalische

nach Pirani ausgeshy

nutzt

Widerstandsdraht mit hohem

Wheatstoneschen

geregelten

Drahtes so geregelt

Widerstand unabhaumlngig von der

Waumlrmeabgabe konstant Bruumlckenschaltung befindet sich also

waumlhrend des Zustand Da

die umgebende Gas mit

steigendem Druck zunimmt Bruumlcke anliegende

Spannung die fuf den 1gtU=-- verantwortlich

ist somit ein Maszlig zu Dealch1en

daszlig die Waumlnneleitung nicht nur von sondern auch

Gasart abhaumlngig ist Die

18

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

und kann mit aumlhnlicher Molekuumllmasse

W1e und CO werden mit stark

abweichender Molekuumllmasse sind

brierungskurven zu beruumlcksichtigen

Das Penning-Vakuummeter

Penning-Vakuummeter mit

Kathode zwei in den Rezipienten eingebrachten Elektroden

wird durch einer hinreichend hohen Gleichspannung (etwa

eine Gasentladung sogenannte Pennig-Entladung gezuumlndet

Der Elektronen Ionisation Gasteilchen

verantwortlich wird mit Hilfe Magnetfeldes

aufgewickelt So er auch bei sehr Druumlcken hinreichend

um durch Elektronenstoszlig genuumlgend zu erzeugen und

somit Entladungsstrom zu erhalten Entladungsshy

strom ist Gasionen proportional so daszlig er von der

Gasdichte und damit ist Die

Meszligbereiches etwa 102 da hier die

uumlbergeht die nur noch im

Maszlige vom abhaumlngt Auch

gasartenabhaumlngig und auf bzw Luft Auszligerdem

wird durch eme der

verfalscht Die -L-U Gaskationen naumlmlich zur n hin

beschleunigt wo teilweise j-trrltgthltl werden zum aber

Zerstaumlubung Katodenmaterials hervorrufen

zerstaumlubte Katodenmaterial bildet wiederum Obershy

flaumlche auf den der koumlnnen hohe

zu 50 entstehen

19

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

24 Partialdruckmessung und Massenspektrometrie

Oft ist einer Vakuumkammer nur der von

sondern auch wie Totaldruck zustande kommt Nach

Dalton entsteht der Totaldruck aus Summe Partialdruumlcke

nach das Verhaumlltnis zwischen dem Partialdruck eines

Gases und WUcUJll bei Temperatur und festem

stets sich die Partialdruumlcke die

Teilchenanzahlen der verschiedenen bestimmen

Bestimmung der meist masshy

Methoden angewandt es sich

um Ionisationsvakuummeter mit zusaumltzlichen

richtung die beim Ionisierungsprozeszlig entstandenen Ionenarten

zuerst nach Masse-Ladungsverhaumlltnis (mJe) trennen bevor

Innerhalb experimentellen

Quadrupol-Massenspektrometer zum

Dieses folgenden beschrieben

241 Das Quadrupol-Massenspektrometer

bei jedem Massenspektrometer besteht Quadrupol-Massenshy

spektrometer im wesentlichen aus einer Ionenquelle die eme

hauptsaumlchlich einfache Ionisierung Gasteilchen sorgt

die nach Masse-

Ladungsverhaumlltnis trennt und Ionenauffanger m emer

Faradaytasse die Ionen uumlber em

Schreiber nachweist dem Quadrupol-Massenspektrometer

das aus V1er Idealfall hyperbolischen

Stabelektroden jedoch durch zylindrische Stabelektroden

mit dem Radius ro und Scheitelabstand 2ro angenaumlhert werden

schematische Aufbau des Quadrupol-Analysators ist in 3 dargeshy

20

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

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I

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p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

u + v cos VJt

AuffaumlngerIonenquelle

Abb 3 Aufbau eines Quadrupol-Analysators ( [BP] )

An dieser sollen nur die theoretischen

Trennsystems Quadrupolfilters naumlher werden Die

folgenden finden sich in einem von

W Paul und P Reinhard [Pau] Hierin wird unter anderem

Brauchbarkeit Quadrupolfilters fuumlr Isotopentrennung kleinerer

Substanzmengen untersucht

Wie aus Abb 3 zu ist setzt die zwischen

den aus einer hochfrequenten Wechselspannung V cos rot

und einer uumlberlagerten Gleichspannung zusammen Viershy

polfeld das durch hyperbolische Elektroden gebildet

wird (siehe Abb 4) wird durch das Potential

(22) cp(Xys) = CU + V cos rot ) (x2 I 2

beschrieben (Der (x2-l) I r0 2 ergibt sich aus der Hyperbelshy

gestalt)

21

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

--y

ltPo U 2

+ ltPo ltPo

+ 2 ~ - 2

bull 4 +- 1

0 -1gt X

-shyPo -

P osrot2

Die

Abb 4 Potential eines Vierpolfeldes mit hyperbolischen Elektroden ( [Pau] )

fur einfach positiv fgtUYL Teilchen

In solchen sind gegeben durch

m x + e (U + V cos cot) x I r0

2 = 0

(24) m y - e (U + V cos cot) y I r0

2 0

(25) ms =0

(Dies erhaumllt man durch Ableiten nach x y

Kraumlfteansatz)

Die Gleichungen (23) und (24) sind vom der Mathieuschen

Differentialgleichungen folgenden Substitutionen

(26) in die Normalformen (27) und (28)

= co t(26) a= q

(27) x + - 2q cos (2z + rc)) x 0

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

(28) Y+ ( a - cos ) y = 0

geladenes Teilchen 10 Vierpolfeld eintritt sich

mit Geschwindigkeit in s-Richtung In x-y-

Richtung fuhrt es periodische oder fast periodische Schwingungen

denn die Gleichungen ) (24) sind

gleichungen mit veraumlnderlicher Die

der Bewegungsgleichungen in Abhaumlngigkeit von den

und Anfangsbedingungen lassen

der Mathieuschen

Loumlsung um das des

zu

allgemeine Loumlsung Gleichung

(29) + (a - 2q cos 2cp) ltIgt 0 lautet

(30) Aellt

l und C2f nur von a und q ab

L in A und

reelles cp ergeben zwei von Loumlsungen

a) rem iszlig und szlig nicht ist eme

oder periodische Funktion von cp

bile Loumlsung)

b) reellem komplexen Jl mit nicht verschwindendem Realteil

waumlchst ltp exponentiell an (instabile Loumlsung)

c) ganzzahligem Jl setzt die

aus periodischen Anteil und einem proportional zu ltp

anwachsenden Anteil zusammen (instabile Loumlsung)

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

-------

J

shy

shy

-- shy

Durch von a und q (d h gegebenem In und uuml)

durch Festlegung von U und V) ist Charakter der

eindeutig bestimmt Wichtig daszlig der nicht von den

Anfangsbedingungen

welche von a und q man reelles oder imaginaumlres jl

laumlszligt sich nun aus der Stabilitaumltskarte ersehen

In Abb 5 dargestellt ist die Linien fuumlr

konstantes szlig (Iso-szlig-Linien) und reelles

IIt I Iinstahqa

shy shy

05 0

shy

0-+

szlig- shy

-05

--

Abb 5 Stabilitaumltskarte eines QuadrupoI-Massenfilters ( [Fau] )

Teilchen kann nur dann Vierpolfeld paSSIeren Ein

y stabile wenn sich beide

Maximalarnplitude -lU Da sich Gleichungen

(27) und (28) nur von a unterscheiden (die Phasen-

um TC unerheblich Phasenmodulierung

stattfindet) ist Punkte (aq) und

( -aq) stabilen Bereich F- Punkt (Ialq) muszlig

innerhalb Stabilitaumltsbereiches aus Abbilshy

an derdung 5 durch Spieglung negativen

hervorgeht

24

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

t a

02

01

10 q ---100shy

Abb 6 Stabilitaumltskarte Wld oertsg(~ra(Je eines

filters ( [Pau] )

dabei fuumlr die x-Koordinate die

fuumlr y-Koordinate

man an das Vierpolsystem eine Wechselspannung cos rot und

eme Gleichspannung so die Arbeitspunkte Stashy

bilitaumltsdiagramm (siehe fuumlr Teilchen Masse aUe

einer Geraden a 2(UV)q da zwar a und q selbst nicht aber ihr

Verhaumlltnis von m Nur Teilchen mit q lt bewegen

sich stabilen Bahnen und koumlnnen das Feld passieren Alle anderen

fuumlhren anwachsende Schwingungen aus und auf die

Durch Wahl von UV sich stabile

einstellen und beliebig schmaler Massenshy

bereich herausfiltern Trennwirkung von den

insbesondere von der Anfangsenergie nicht und

daher die von Ionenstrahlen inhomogener

[Pau]

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

242 Interpretation von Massenspektren

Die Interpretation von Massenspektren ist haumlufig schwierig und nur

dann moumlglich wenn Informationen uumlber die Vorgeschichte der

Vakuumapparatur vorliegen Es sind hierbei die folgenden theoreshy

tischen Uumlberlegungen zu beachten

a) Wie bei jedem Ionisationsvakuummeter die angezeigten Druckshy

werte gasartenabhaumlngig sind ist dies auch bei den Partialdruckshy

intensitaumlten von Massenspektrometern der Fall Dies liegt an den

unterschiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten der verschiedenen

Gase oder allgemein der verschiedenen chemischen Elemente Die

Anzahl der durch Elektronenstoszlig pro mbar und cm gebildeten Ionen

die sogenannte differentielle Ionisierung s ist in Abhaumlngigkeit von der

Elektronenenergie fur einige Gase in Abb 7 dargestellt

_ 10

~ m I

j I i

0 Itl ~l I g ~I021CO shyNe

i Luft

IL I shy -l ) shy1I 1 ---shy -Lishy shy l

~-hV J~~ r 1shy I

~- 11 I~ IrN ~ I10- 1

I

shy i

p i i iFi I

H 1 H 2

-iUJ~- I

Luft

rNF~ I

I I 101 102 10gt 10 10 10middot

E11II(lr0n4MMfQie [V

Abb 7 Differentielle Ionisierung einiger Gase in Abhaumlngigkeit von den

Elektronenenergien ( [BP] )

Es laumlszligt sich erkennen daszlig auch die Ionisierungsenergien das sind die

Elektronenenergien die mindestens fur eine einfache Ionisation noumltig

sind ebenfalls fur die verschiedenen Gase unterschiedlich sind Fuumlr

die chemischen Elemente gilt die Faustregel daszlig innerhalb einer

Gruppe des Periodensystems die Ionisierungsenergien von oben nach

unten abnehmen und innerhalb einer Periode von links nach rechts

26

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

steigen sind also wesentlich zu

betraumlgt die Ionishy

von von Helium 246 eY

b) Neben einfach und Molekuumllen treten bei

houmlheren Elektronenenergien zusaumltzlich mehrfach auf Da

Massenspektrometer nur die Verhaumlltnisse mlq trennen

n-fach ionisierte Teilchen der mln-ten Masse kann

em der lVHJv 20 sowohl von 2ltNe+ als auch

von stammen

Werden Molekuumlle ionisiert ist zu beachten daszlig auszliger und

mehrfach ionisierten Molekuumllen zusaumltzlich Bruchstuumlckionen

die die fur Molekuumlle

werden naumlmlich nicht nur ionisiert sondern auch

dissoziiert was in Abb 8 dargestellt ist

+e - -+ ABC- +

+ 3eshy

+ C + 2eshy

+A +

+ +

C + 8 + 2eshy

+ + C + 2e

Abb 8 Schmatische der Bruchsruckionen nach Elektroshy

nenbeschuszlig eines Molekuumlls mit den Komponenten Bund C ( )

Hieraus wird ersichtlich daszlig Komplexitaumlt der

Molekuumlle wie den schweren Pumpenoumllen eme

groszlige Anzahl verschiedener kann Die

relativen Bruchstuumlckionen aus

entsprechenden Tabellen ablesen Die Bruchstuumlckverteilung

das sogenannte Cracking Pattern ist fur jede Molekuumllart charakshy

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

teristisch Als Beispiel ist Bruchstuumlckverteilung von CO2 1m

Anhang I Tabl gtVFVVVH

d) Auch die

Substanz kann massenspektrometrisch leicht verfaumllscht dargestellt

werden Man unterscheidet hierbei unter Massenfraktionierung und

Massendiskrirninierung Gegensatz zur wird

bei Massendiskrirninierung em Isotop dem

anderen bevorzugt ein systematischer vor der

kann

Typische Ursachen der Massendiskriminierung sind

i) Die ist

Isotope etwas verschieden

ii) Die ionenoptische Abbildungsqualitaumlt der Ionenquelle

ist fur verschiedene Isotope

iii) Die Nachweisempfindlichkeit

me ist verschiedene Isotope unterschiedlich Diese

sind jedoch und treten SOtZ1eH

dem im Praktikum verwendeten Faradayauffanger

nicht auf

Massenfraktionierung tritt beim Einstroumlmen eines Gases von einer

Vorratsflasche in Massenspektrometer auf oder wenn innerhalb

der Vakuumapparatur abgedampft

wird beiden

bevorzugt in den Rezipienten

bzw

laufe der zusehends

leichtere Komponente wird wird zu einem spaumlteren

Zeitpunkt eher schwerere Komponente nachgewiesen

tischer Fehler) Die Verbrauch leichteren Isotops noumltige

von der

Volumen laumlszligt sich indirekt der FuumlUstand einer -u

aus dem angezeigten Isotopenverhaumlltnis abschaumltzen

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

50

25 Sorptionstheorie und Oberflaumlchenphysik

Werden oder Daumlmpfe an oder Fluiden

so man von Sorption Den Vorgang

von Daumlmpfen von oder Fluiden nennt man

Desorption Sorptions- und spielen in

kuumtechnik eine sehr Waumlhrend Sorption von

Teilchen in vielen Vakuumpumpen Pumpmechanismus

wird Desorption meist unerwuumlnscht da sie die des

Pumpzeit erhoumlht

Ort der Teilchenbindung

Erfolgt die ausschlieszliglich an

so spricht man von Adsorption die

m das Innere des Festkoumlrpers und erst hier

so nennt man Eine

Staumlrke der Teilchenbindungen

Sind als

also kleiner 05 eVTeilchen man von Physishy

sorption andernfalls von Diese bei den ULUUHfS

im folgenden bei der GasfF estkoumlrper-Wechselwirkung naumlher

1 Physisorption

Physisorption findet ausschlieszliglich an der Festkoumlrpers

statt und ist eine Van der typischen

Dipolkraumlfte liegen bei etwa 30 klmo Die

relativ schwach und koumlnnen

durch Zufuhr von PPnPrOIP leicht Fuumlr die

qualitative Beschreibung Physisorption e wichtig der definiert ist

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

n (31 ) S

naOOO

fi die Oberflaumlchenanzahldichte der adsorbierten Teilchen

und die maximale Oberflaumlchenanzahldichte monoatomarer

Bedeckung

Ist S von S = monoshy

atomare vollstaumlndige Bedeckung so koumlnnen nur

noch an den gleichen schon adsorbierten Teilchen der Monolage

gebunden werden Diesen Vorgang bezeichnet man als Kondensation

Die Verdampfungswaumlrme

als die Desorptionsshy

energie aus der Monolage laumlszligt sich experimentell zwischen

der Physisorption und Kondensation unterscheiden

komplette Monolagen Physisorptionssehicht

Gasdruumlcken erreicht die in der Groumlszligenordnung von einern Zehntel

der Teilehen Nimmt man

Oberflaumlche an so fur Stickstoffinolekuumlle

(N2) = I Haumlufig ist allerdings auch eine makroskopisch

glatte Oberflaumlche mikroskopisch sehr rauh so daszlig sich

wesentlich mehr Teilchen in der Monolage befinden koumlnnen Um

thermodynamische Untersuchungen des S durchshy

fuhren zu koumlnnnen muszlig das GasIF estkoumlrpersystem reversiebel auf

Aumlnderungen Drucks p und der Temperatur T Nimmt

man zu dieser Idealisierung zusaumltzlich an daszlig houmlchstens

Monolage aufgebaut wird so laumlszligt sich kinetisch wie folgt die

herleiten

Im Thermodynamischen Gleichgewicht muszlig die Adsorptionsgeshy

schwindigkeit dSdt identisch mit der Desorptionsgeschwindigkeit

-dSdt sein Nimmt man mit der Konstanten k[ und der Haftshy

wahrscheinlichkeit H = 1- e bei der Sorptionsgeschwindigkeit - und

bei der

einen proportionalen Verlauf an so gilt

30

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

und 3)(32) =kszlig

Die Haftwahrscheinlichkeit = 1- 9 ergibt sich aus der Annahme von

Langumir daszlig ein Teilchen nur dann adsorbiert wenn es auf ein

noch H das Verhaumlltnis der

unbesetzten (guumlnstige Faumllle) zu der der

Monolage Faumllle)

n == =1-9

nreooo

Setzt man mit der Gleichgewichtskonstanten k11k2 k (32) und (33)

gleich so folgt

kmiddot (34) 9 == ------ (Langumir-Isotherme)

1+ kmiddot p

Langumir -Isothermen WieIn Abb 9 sind fur Tllt

erwartet werden Temperatur mehr Teilchen physishy

sorbiert bei houmlherer und Bedeckungsgrad 9 mit

wachsendem Druck

Abb 9 Gnmdsaumltzlicher Verlauf der Adsorptionsisothermen fur

zwei verschiedene ( Wu] )

31

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Bedeckungsgrades e vom Druck p wird

durch die Langumir -Isotherme

wiedergegeben Naumlhrt jedoch

Festkoumlrper dem Saumlttigungsgasdruck so in Wirklichkeit der

e 1 hinaus an Das Gas KOlloenSlmiddoter

dem da die

Verdampfungswaumlrme sinkt Sachverhalt

Brunauer-Emmett-Tellershy beruumlcksichtigt deren

Verlauf in Abb 10 wiedergegeben ([Wu] [Hen])

6

5

3

8 2

01 05 10

Abb 10 Grundsaumltzlicher Verlauf der BET-Adsorptionsisothennen fuumlr zwei vershy

schiedene Temperaturen ( [Wu) )

Innerhalb der

allerdings nur Rolle da fast der

gesamten Versuchsdurchfuhrung der sehr klein

den Saumlttigungsdampfdruck Lediglich zu Beginn Vesuches

sich Kondensate (meist Wasserdampf) an Waumlnden des

Rezipienten abscheiden die jedoch mit der Gasballastshy

einrichtung (siehe 221) werden

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

252 Chemisorption

Bei der Chemisorption werden die Teilchen durch kovalente - oder

ionische chemiche Bindung sorbiert Die typischen Desorptionsshy

energIen Edes dieser Teilchen liegen bei etwa 500kJmol Die

Bindungsenergien sind also bei der Chemisorption wesentlich staumlrker

als bei der Physisorption

Ein weiterer Gegensatz zur Physisorption ist daszlig es sich bei der

Chemisorption auch um einen Absorptionsprozeszlig handeln kann Die

Teilchen koumlnnen folglich auch in das Innere des Adsorbens hineinshy

diffundieren und befinden sich nun als Loumlsung im Zwischengitter des

Festkoumlrpers Da die Anzahl der Plaumltze im Inneren des Festkoumlrpers

verglichen mit der Anzahl auf der Oberflaumlche fl mono sehr groszlig ist

koumlnnen erheblich mehr Teilchen absorbiert werden als adsorbiert

Voraussetzung fur die Diffusion ist ein Konzentrationsgefalle der

sorbierten Teilchen im Inneren des Kristalls (praktisch jeder

technische Werkstoff ist ein Polykristall) Die Teilchen wandern nun

entlang der Zwischengitterplaumltze der Fehlstellen oder der Kornshy

grenzen des Kristallgitters Hierbei ist fur jeden Platzwechsel eine

Energie aufzubringen so daszlig dieser Diffusionsprozeszlig nur bei hohen

Temperaturen nicht zu langsam ablaumluft

Unter Beruumlcksichtigung der verschiedenen Desorptionsenergien laumlszligt

sich also als weiterer Unterschied feststellen daszlig Physisorption eher

bei niedrigen - und Chernisorption eher bei hohen Temperaturen aufshy

tritt Dieser Sachverhalt ist in dem thermischen Desorptionsspektrum

von Sauerstoffinolekuumllen O2 an einem ZnO-Kristall in Abb 1I

dargestellt

33

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

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Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Po (wIIIk [Inh

f

( Physisorption J

Chemisorption

0 b

100 300 900

T[K]

Abb 11 Thennisches von Sauerstoff molekuumllen an

einem ZnO-Kristall ( [Hen] )

sind die ablaufenden sehr systemspezifisch und es

laumlszligt sich haumlufig trotz der genannten Unterschiede nur schwer

eindeutige physisorbierten und chemisorbierten

Teilchen durchfiihren Deshalb man meist allgemein nur von

ohne auf eine naumlhere untershy

suchte Systeme EdelgasIF estkoumlrper -Wechselwirkungen aufshy

chemischen Traumlgheit hier nur Physisorption in

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

3 Beschreibung und Auswertung der

Experimente

Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente Fein- und

Hochvakuum Inbesondere wurden 1m Hochvakuum

Massenspektren aufgenommen

wird folgtauf

der Versuchsapparatur Bei dem Vershyzunaumlchst eine

suchsaufbau bereits beschriebenen Vakuumpumpen

Vakuummeter und das Quadrupol-Massenspektrometer verwendet

sind im 4

der Instrumente

1 Der Versuchsaufbau

wesentlichen Bestandteile der Versuchsapparatur sind in Abb 12

schematisch

Sicherheitsventil

pumpe

F eindosierventil

Druckshy

pumpe

Abb 12 Schematischer Aufbau des Pe Pennigmeszligzelle Pi Pirashy

nimeszligzelle und QM

35

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

I i I I I i

I i 1 I i I1

10 Mi=mmmmm i I L i I I I~

u ~ i 1 1 I i 1 i Il Q

I I I I

I1001 +--+-+--+-1_+-+ -+-+-i +-if-+- -+--if-+--+-+-+-+-+-+-+-+--l---1

o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Pumpsystem Rezipienten besteht aus emer zweistufigen

(Vorpumpe) einer Turbomolekularpumpe

Vorpumpe laumlszligt sich em Sicherheitsventil (Nadelventil)

vakuumdicht von der Turbomolekularpumpe trennen schlieszligt im

F alle verhindert somit das

Betriebsmitteloumll der Vorpumpe in den Rezipienten Die

Druckmessung uumlber Piranimeszligzelle (Pi) den und

und eine Penningmeszligzelle (Pe) fur den HV-Bereich Das

Druckanzeigegeraumlt schaltet hierbei einem Druck von 610-3 mbar

automatisch zwischen der Pirani- und der Penningmeszligzelle um Bei

der das Quadrupolmassenspektrometer

(QM) zum Die Massentrennung uumlber das Quadrupolshy

(QFS) bestehend aus Gitter-Ionenquelle den

Quadrupolstaumlben und Faraday-Auffanger (s Abb3) die

mit einem XY-Schreiber Die Beluumlftung Aufnahme

Rezipienten SOWIe von wird durch das

Feindosierventil ermoumlglicht In Abb 13 ist die

Anordnung der direkt an dem

dargestellt

Feindosier-

Kupferrohr

Piranimeszligzelle

l etwa lOem

angeflanschten

Pennigmeszligzelle

Quadrupolfiltershysystem

Abb 13 Geometrische Vgt- der direkt an dem Rezipuuml~ntn a11gellarlsctlten

exakt

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

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o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Geometrie des Rezipienten bei der Berechnung von

mungsleitwerten beruumlcksichtigt (s 33

Um die und und Messhy

singoberflaumlchen Temperaturaumlnderung zu koumlnnen

sind an dem em und Messingrohr

flanscht bessere Waumlnneleitfaumlhigkeit besitzt

Messing elektrische Leitfaumlhigkeit -+ Wiedemann-Franzschesshy

nur vershy

tragen dauerhaft

kann das Messingrohr Bereich

wicklung werden das Kupferrohr mit emes

nur der Mitte sollte Um

3 Turbomoleshy

kularpumpe 4

7

Foto der Versuchsapparatur ReZlplent 2 Urel1SCllleberPtlffi

senspektTlJm(~ter 8 Giner-Ionenquelle und Quadrupolstaumlshy

be Inneren des lltljJHC- 9 11 Nashy

12 namp 13 Kupferrohr 14 Helzwlcklung 15

16 Sicherheitsventil

37

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

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Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

32 Experimente im Grob- und Feinvakuum

Voraussetzung fur das Erreichen des vom Hersteller angegebenen

Enddrucks der Vorpumpe (siehe 311) ist daszlig der Rezipient hinshy

reichend dicht und die Vorpumpe voll funktionsfahig ist Leider war

letzteres zunaumlchst nicht erfullt da die Drehschieber der Pumpe leicht

beschaumldigt waren Dieser Schaden lieszlig sich nur durch den Einbau

neuer Drehschieber beheben (Reparaturkosten 1300- DM)

Hieran zeigt sich wie wichtig eine staumlndige Kontrolle des Betriebsshy

mittelstandes der Pumpe ist um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vershy

hindern

321 Aufnahme der Auspumpkurve der Vorpumpe

Das effektive Saugvennoumlgen der Vorpumpe laumlszligt sich uumlber ihre Ausshy

pumpkurve pet) nach GI (21) berechnen Bei konstanter Temperatur

gilt fur das ideale Gas

d(pV) = 0 (BoyJe-Mariottesches Gesetz) dt

=gt p dV + V dp = 0 und dV = S siehe GI (12)dt effdt dt

dp dppmiddotS =-V- =gt Seffdt = - Vshy

eff dt P

Es wurden die folgenden Auspumpkurven der Vorpumpe gemessen

Hierfur wurde das Sicherheitsventil zwischen der Vorpumpe und dem

Rezipienten geschlossen und die Vorpumpe in Betrieb genommen

Nach dem Erreichen ihrer Betriebstemperatur (nach ca 5 min) wurde

das Ventil geoumlffnet und der Rezipient ausgepumpt Die sinkenden

38

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

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o 0 o 0 0 0 000 o o N C) ~ L) lt0 co 0gt 0 N

Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Druckwerte wurden im Abstand von funf Sekunden uumlber einem Zeitshy

raum von zwei Minuten notiert Anschlieszligend wurde der Rezipient

beluumlftet und der Vorgang weitere neun mal wiederholt Es konnte

hierbei beobachtet werden daszlig sich der Rezipient nach dem ersten

Auspumpen geringfugig schneller auspumpen lieszlig Dies ist auf

staumlrkere Desorptionen beim erstmaligen Pumpprozeszlig zuruumlckzushy

fuhren Die weiteren Auspumpvorgaumlnge zeigten eine sehr gute

Reproduzierbarkeit Der in Abb 14 halblogarithmisch dargestellte

Verlauf der Auspumpkurve wurde vor der Reparatur der Vorpumpe

gemessen Die Meszligpunkte sind Mittelwerte 15 (t) aus den zehn

Messungen Die Streuung um diese Mittelwerte also der relative

Fehler 0 pet) 15(t) war fur alle Meszligzeiten kleiner als 5 Die groumlszligte

Streuung tritt hierbei im Anfangsbereich der Auspumpkurve auf die

jedoch weniger auf tatsaumlchlich schwankende Druckwerte als auf

Fehler in den Meszligzeiten zuruumlckzufuhren sind (steiler Kurvenverlauf)

100 I I I I i I I i I

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Zeit [5]

Abb 14 AusplUUpkurve der Drehschieberpumpe vor der Reparatur reL Fehler

crp(t) jJ(t) kleiner als die Meszligwertkaros

Durch die halblogarithmische Darstellung ergibt sich fur den Anfangsshy

bereich der Kurve naumlhrungsweise eine Gerade aus deren Steigung

oder mittels GI (21) sich das effektive Saugvennoumlgen berechnen laumlszligt

39

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

Fuumlr die Zeit t ll lO in der der Druck auf ein Zehntel des Anfangsshy

druckes abgesunken ist ergab sich als Mittelwert aus zehn Messunshy

gen t ll lO = (9 plusmn 05) s

Mit einem Rezipientenvolumen von Y = (15 plusmn 02) I ergibt sich somit

nach GI (21) ein effektives Saugvermoumlgen von

Soff == In(lO)middotY == In(10) middot (15plusmn02)1 ==(038plusmn005) Is (9 plusmn 05)st lilO

Der Hersteller gibt ein Saugvermoumlgen von 042 ls an Um hieraus

das effektive Saugvermoumlgen nach GI (19) bestimmen zu koumlnnen

muszlig zunaumlchst der gesamte Stroumlmungswiderstand ermittelt werden

Fuumlr den Stroumlmungswiderstand des Verbindungsschlauchs zwischen

der Vorpumpe und der Turbomolekularpumpe gilt fur eine Laminarshy

stroumlmung (Schlauchlaumlnge 50cm Durchmesser 17cm)

L = 20 ls bzw R = 005 sll (Tabellenwert)

Da die uumlbrigen Rohrverbindungen wesentlich kuumlrzer sind und groumlszligere

Durchmesser besitzen koumlnnen Ihre Beitraumlge zum Gesamtwiderstand

innerhalb laminarer Stroumlmung vernachlaumlssigt werden Es gilt folglich

S == S == 042 middot1 s == 041 1 s eff 1+ Smiddot R 1+ 042middot 005

Im laminaren Stroumlmungsbereich stimmt also das Saugvermoumlgen S mit

dem effektiven Saugvermoumlgen Seff nahezu uumlberein Vergleicht man

diesen Wert mit dem zuvor berechneten so zeigt sich daszlig im GYshy

Bereich die schadhaften Drehschieber nur geringfugig das Saugshy

vermoumlgen der Pumpe herabsetzten Stark verschlechtert wurde hinshy

gegen der Enddruck der Pumpe der mit pend = (12 plusmn 02) 10-2 mb ar

um fast zwei Zehnerpotenzen uumlber den Herstellerangaben lag Dieser

Unterschied ist auch verstaumlndlich wenn man bedenkt daszlig jede

Einkerbung der Drehschieber die Abdichtung des Schoumlpfvolumens

verschlechtert Es entsteht ein Leck durch das um so mehr Gas

hindurchstroumlmt je groumlszliger das Druckgefalle ist Da im Anfangsbereich

der Auspumpkurve das Druckgefalle zwischen dem Ansaugstutzen

40

und dem Schoumlpfvolumen noch relativ genng ist wird das Saugshy

vermoumlgen hier nur wenig beeinfluszligt

In Abb 15 ist die Auspumpkurve der reparierten Drehschiebershy

pumpe dargestellt (untere Kurve) Zum Vergleich ist die Auspumpshy

kurve der defekten Pumpe nochmals wiedergegeben ( obere Kurve)

1000

100

10

~

col J

E u s Cl

01

001 o o 0 o 0 o o o

CI () v L() lt0 co CI ~

i I 1

I

I

I

1

I

I

I

I

I

lo

~~ I

I

~gt- ~

I I

I

I

I

I

I

I

I

I

I I

I I I

I ==

I

1I

I I I F

M ~

I

I

I I

I I

000 agt 0

~ ~

I

I

Zeit [s]

Abb 15 Auspumpkurve der Vorpwnpe vor der Reparatur (obere Kurve) und

nach der Reparatur (untere Kune)

Als Mittelwert aus zehn Messungen ergab sich fur die Zeit tlilO nach

der Reparatur tlilO = (85 plusmn 05) s

Hieraus ergibt sich ein effektives Saugvermoumlgen von

Seff = In(10) (~ 5plusmn02)1 =(041plusmn006) Is (850 5)s

das sehr gut mit den Angaben des Herstellers uumlbereinstimmt

Aus den schon genannten Gruumlnden nimmt das Saugvermoumlgen der

defek1en Drehschieberpumpe mit sinkendem Druck schneller ab als

das der funktionstuumlchtigen Dies laumlszligt sich qualitativ durch einen Vershy

gleich der Kurvenverlaumlufe in Abb 15 bestaumltigen da die Tangentenshy

41

steigung (=gt Saugvermoumlgen) der Auspumpkurve der defekten Pumpe

bei houmlheren Druumlcken abnimmt als die der reparierten Eine Rechnung

zeigt

a) Effektives Saugvermoumlgen der defekten Drehschieberpumpe 1m

Druckbereich 10mbar bis 1 mbar

p(t l) = 10mbar =gt t l = (145 plusmn 05) s

P(t2) = 1 mbar =gt t2 = (29 plusmn 05) s

Seff= (15plusmn02)1middotln(10) =(024plusmn007)1s (29 plusmn 05)s- (145 plusmn 05)s

=gt Gegenuumlber dem Druckbereich von 1000 mbar bis 100 mbar

verschlechtert sich das Saugvermoumlgen im Druckbereich von 10mbar

bis 1 mbar um 368

b) Effektives Saugvermoumlgen der reparierten Drehschieberpumpe im

Druckbereich 10 mb ar bis 1 mb ar

P(tl) = 10 mb ar =gt tl = (14 plusmn 05) s

P(t2) = 1 mbar =gt t2= (225 plusmn 05) s

S ff = (15plusmn02)1middotln(lO) =(041 plusmn007)1s e (22 5 plusmn 05) s - (14 plusmn 05) s

=gt Innerhalb des gewaumlhlten Druckbereiches ist noch keine Vershy

schlechterung des Saugvermoumlgens gegenuumlber dem Druckbereich von

1000 mbar bis 100 mb ar feststellbar

Da das Saugvermoumlgen nach der Reparatur laumlnger aufrechterhalten

bleibt kann auch ein wesentlich besserer Enddruck erreicht werden

Dieser liegt bei Pond = (6 plusmn 3) 10-3 mbar

Waumlhrend der Reparatur bestand die Moumlglichkeit an einer leistungsshy

fahigeren Drehschieberpumpe mit einem Saugvermoumlgen von 054 1s

und einem Enddruck von 5middot10-4 mbar zu experimentieren (Typ D2A

Pfeiffer) In Abb 16 ist die gemessene Auspumpkurve dargestellt

42

(J I I I i i I

1 1 1 I

I

l I

1 I 001 ~--+--+-+-+--+--+--+-+-+-+-+-+--+-+--+--+-+-l-+-+-+-i o o 0 o o o o o o () lf) lt0 co Cl o CJ

Zeit [s]

Abb 16 Auspumpkurve der Drehschieberpumpe vom Typ D2A

Als Mittelwert aus zehn Messungen ergab sich

t1 110 = (65 plusmn 05) s S~1f = (053 plusmn 08) Vs

Der erreichte Enddruck lag bei pend = (66 plusmn 07) middot10-1 mbar

Auch diese Werte stirrunen mit den Herstellerangaben gut uumlberein

322 Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten

Eine Moumlglichkeit um die Dichtheit des Rezipienten zu pruumlfen ergibt

sich aus der in Abschnitt 341 dargestellten Restgasanalyse An

dieser Stelle soll jedoch zunaumlchst die Dichtheit mit Hilfe der Druckshy

anstiegsmethode untersucht werden Hierfur wird nach dem Erreichen

des Enddruckes der Vorpumpe das Sicherheitsventil geschlossen und

der Rezipient somit von der Vorpumpe getrennt Durch Ausgasungen

oder moumlgliche Lecks beginnt nun der Druck innerhalb der Vakuumshy

43

kammer anzusteigen Wird Druckanstieg die

so ergeben folglich verschiedene Kurvenverlaumlufe die

Abb 17 schematisch dargestellt sind

Abb17

Schematische der nach Abschalten der

bei undichten - von Gas-

des LIJ~_U und 3 beide Effekte b--ULU [LG]

1 Der Druckanstieg beruht auf ein Leck so daszlig

naumlhrungsweise zeitlich konstante Luftmenge in den Rezipienten

aufgrund vonDer u~oaUlloH und naumlhert

sich einem (die Apparatur dicht)

3 finden beide statt

theoretischen Kurvenverlaumlufe im Experiment sehr

da durchschoumln Nadelventils ein

kuumlnstliches laumlszligt Wird das Ventil weit

Druckanstieg durch Luft

und man erhaumllt einen linearen Druckanstieg - es geschlossen so

beruht der vorhanden sind

ausschlieszliglich auf w und der naumlhert sich

einem Endwert Oumlffnet man das Nadelventil nur wenig so lassen sich

44

I 013 T

nachweisen und beide ergibt sich aus

einer Uumlberlagerung von den bei den ersten Kurven

Die folgenden zwei Abbildungen die Druckanstiegskurven bei

Nadelventil um 200

Abb ] 8 obere Kurve) bei Ventil (kleines

Leck Oumlffnung um 50 Skalenteile Abb 18 untere Kurve) und bei

geschlossenem Ventil (kein kuumlnstliches Leck Abb 19) sind

unterschiedlichen Einteilungen Druckskalen zu beachten

sonders auffallig ist wie stark sich die erreichten mit sinshy

kender Leckgroumlszlige Abschnitt 3 1)

014 T

012 t

011

01

009

008

~ u 007 1

cl 006

005

004

003

002

001

deg 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit [min]

Abb 18 Druckanstiegskurve bei weit geoumlffnetem (200 Skalenteile obere Kurve)

und geoumlffnetem (50 Skalenteile untere Kurve) Nadelventil

0015

0013

00111 ()

I l

CI 0009

0007

o 005 +-f-++--+-+-+-+-i-+--+-I-+-+--+~~-+--+-+-+-+--+-+-+--I

o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit [min]

Abb19 bei geschlossenem Nadelyentil

TTTIOTPrY1Wie erwartet der Druck bei weit Ventil

an Bei wenig geoumlffnetem Ventil ist der Druckanshy

ebenfalls annaumlhrend linear In diesem Fall aber mit einer deutlich

geringeren Steigung zudem ein wenig abninunt

Ist Ventil schlieszliglich geschlossen so naumlhrt Druck

tatsaumlchlich von p = 1 7 middot1 mbar an Rezipient

also Absolut dicht Vakuumshy

apparatur jedoch nie Um groumlszlige der Undichtheit Rezipienten

auch quantitativ UVll zu wurde deshalb der ViU-

der In die Vakuumtechnik

wenn

Volumen von der In

Sekunde um 1 mbar ansteigt Allgemein

)) V Einheit [mbarmiddot 1 S-l J

46

Fuumlr Hochvakuumapparaturen ist als Faustregel folgende m

der Vakuumtechnik uumlblich

lt 10-6 I sehr dicht

qL 1 mbar I =gt Apparatur hinreichend dicht

qL gt 104 mbar I =gt Apparatur undicht

man in den drei Faumlllen so erhaumllt

man

a) Nadelventil um 200

-------~----- == (1 plusmn 03) 10-3

=gt qLraquo 1 mbarmiddot]middotsmiddot1 =gt Apparatur undicht

b) Nadelventil um 50 Skalenteile

I

=gt Apparatur undicht

c) Nadelventil

middotlO-l mbarmiddot 1 _~--------------- == ( 1plusmn07) 10 mbar 1

=gt 1 mbarmiddot 1 Sl =gt Apparatur hinreichend dicht

hinreichende Abdichtung Vakuumapparatur wird durch die

Messungen innerhalb HV-Bereiches bestaumltigt kann auszliger-

Hilfe warum keine

Abdichtung erzielt wird (s 342)

In der Praxis Lecksucher jedoch aus

oftmals nicht zur Verfugung Druckanstiegsmethode wird deshalb

fur die Dichtheitsprufung von Vakuumapparaturen zu

47

Druck von 104 mbar angewandt noch Druckshy

bereichen die Druckanstiegsmethode nur bedingt einsetzbar da

sich staumlrend bemerkbar machen [Wu]

33 Experimente im Hochvakuum

Bei folgenden kommt T urbomolekularpumpe

zum U JUtL

Es wird somit ein Enddruck von pend = (5 plusmn 03)middot I 0-7 mbar erreicht

331 Aufnahme der Auspumpkurve Turbomolekularpumpe

Die Vorpumpe die Turbomolekularpumpe wurden nun gIeichshy

in Betrieb genommen die Auspumpkurve sich der in

Abb untere dargestellte Kurvenverlauf Um emen Vershy

gleich zu Auspumpkurve Turbomolekularpumpe zu

lichen die Auspumpkurve der reparierten Vorpumpe aus Abb 15

nochmals ( obere Kurve)

48

100

10

01

001

0001

00001

o o o o 0) N ltt

N N

Zeit [s]

Abb 20 U~I-U~HU der Kurve) im

der Vorpumpe (obere

laumlszligt sich erkennen daszlig Turbomolekularpumpe die

Auspumpkurve oberhalb von 10-1 mbar keinen Einfluszlig hat (siehe

222) Naumlhert Druck dem molekularen

bereich so macht sich Pumpwirkung stark bemerkbar volle

Drehfrequenz von 90000 min- I nach 1 s erreicht Bei einem

Druck von 610-3 mbar schaltet das Druckanzeigegeraumlt automatisch

von dem Pirani-Vakuummeter auf das Penning-Vakuummeter um An

Stelle in der Auspumpkurve deutlich

DruckabfalJ zu erkennen Dies laumlszligt sich dadurch erklaumlren daszlig das

Pirani-Vakuummeter bei diesem Druck einen groumlszligeren Meszligfehler

das und zu hohe Druckwerte

Da innerhalb Hochvakuums die nU~lU und Leckrate des

zu das effektive

49

Saugvennoumlgen der Turbomolekularpumpe nicht mehr uumlber die

Auspumpkurve wie in 321 nach GI (21) berechnet werden ([LT])

332 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Turbomolekularpum pe

Der Hersteller gibt fur die Turbomolekularpumpe ein Saugvennoumlgen

von 55 Vs an Hieraus soll nun das effektive Saugvennoumlgen der

Turbomolekularpumpe am Ort des Penning-Vakuummeters bestimmt

werden Dazu ist es erforderlich den Leitwert des Verbindungsrohres

zwischen dem Vakuummeter und der Pumpe zu ermitteln

Innerhalb der Molekularstroumlmung ist der Stroumlmungsleitwert L druckshy

unabhaumlngig und es gilt fur gerade Rohrleitungen nicht zu kurzer

Laumlnge(d Ilt 01) die Naumlherungsfonnel

d 3

(38) L=121middotshy Einheit [I S-I] J

(siehe [LG] d = Rohrdurchmesser in cm I = Rohrlaumlnge in cm)

Wie sich aus Abb13 ersehen laumlszligt befindet sich in der Rohrleitung

zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Penning-Vakuummeter

eine Rohrverzweigung Diese stellt aber lediglich eine kurze Aufshy

weitung des Verbindungsrohres dar die innerhalb der molekularen

Stroumlmung fur die Berechnung des Leitwertes vernachlaumlssigt werden

kann (siehe GI (17) Verwirbelungen kommen im molekularen

Sroumlmungsbereich nicht vor) Es ergibt sich fur das Verbindungsrohr

mit 1= 165 cm und d = 48 cm nach GI (38) ein Leitwert von

81 1 s

Da hierbei die Bedingung d I lt 01 verletzt ist muszlig ein Korrekturshy

faktor von 072 (siehe Nomogramm im Anhang 4) beruumlcksichtigt

werden Man erhaumllt somit ein Leitwert von 583 I s bzw ein Stroumlshy

mungswiderstand von 17 10-2 s I Das effektive Saugvennoumlgen am

Ort des Penning-Vakuummeters berechnet sich nach GI (19) mit

diesem Stroumlmungswiderstand zu

50

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

(J I I I i i I

1 1 1 I

I

l I

1 I 001 ~--+--+-+-+--+--+--+-+-+-+-+-+--+-+--+--+-+-l-+-+-+-i o o 0 o o o o o o () lf) lt0 co Cl o CJ

Zeit [s]

Abb 16 Auspumpkurve der Drehschieberpumpe vom Typ D2A

Als Mittelwert aus zehn Messungen ergab sich

t1 110 = (65 plusmn 05) s S~1f = (053 plusmn 08) Vs

Der erreichte Enddruck lag bei pend = (66 plusmn 07) middot10-1 mbar

Auch diese Werte stirrunen mit den Herstellerangaben gut uumlberein

322 Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten

Eine Moumlglichkeit um die Dichtheit des Rezipienten zu pruumlfen ergibt

sich aus der in Abschnitt 341 dargestellten Restgasanalyse An

dieser Stelle soll jedoch zunaumlchst die Dichtheit mit Hilfe der Druckshy

anstiegsmethode untersucht werden Hierfur wird nach dem Erreichen

des Enddruckes der Vorpumpe das Sicherheitsventil geschlossen und

der Rezipient somit von der Vorpumpe getrennt Durch Ausgasungen

oder moumlgliche Lecks beginnt nun der Druck innerhalb der Vakuumshy

43

kammer anzusteigen Wird Druckanstieg die

so ergeben folglich verschiedene Kurvenverlaumlufe die

Abb 17 schematisch dargestellt sind

Abb17

Schematische der nach Abschalten der

bei undichten - von Gas-

des LIJ~_U und 3 beide Effekte b--ULU [LG]

1 Der Druckanstieg beruht auf ein Leck so daszlig

naumlhrungsweise zeitlich konstante Luftmenge in den Rezipienten

aufgrund vonDer u~oaUlloH und naumlhert

sich einem (die Apparatur dicht)

3 finden beide statt

theoretischen Kurvenverlaumlufe im Experiment sehr

da durchschoumln Nadelventils ein

kuumlnstliches laumlszligt Wird das Ventil weit

Druckanstieg durch Luft

und man erhaumllt einen linearen Druckanstieg - es geschlossen so

beruht der vorhanden sind

ausschlieszliglich auf w und der naumlhert sich

einem Endwert Oumlffnet man das Nadelventil nur wenig so lassen sich

44

I 013 T

nachweisen und beide ergibt sich aus

einer Uumlberlagerung von den bei den ersten Kurven

Die folgenden zwei Abbildungen die Druckanstiegskurven bei

Nadelventil um 200

Abb ] 8 obere Kurve) bei Ventil (kleines

Leck Oumlffnung um 50 Skalenteile Abb 18 untere Kurve) und bei

geschlossenem Ventil (kein kuumlnstliches Leck Abb 19) sind

unterschiedlichen Einteilungen Druckskalen zu beachten

sonders auffallig ist wie stark sich die erreichten mit sinshy

kender Leckgroumlszlige Abschnitt 3 1)

014 T

012 t

011

01

009

008

~ u 007 1

cl 006

005

004

003

002

001

deg 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit [min]

Abb 18 Druckanstiegskurve bei weit geoumlffnetem (200 Skalenteile obere Kurve)

und geoumlffnetem (50 Skalenteile untere Kurve) Nadelventil

0015

0013

00111 ()

I l

CI 0009

0007

o 005 +-f-++--+-+-+-+-i-+--+-I-+-+--+~~-+--+-+-+-+--+-+-+--I

o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit [min]

Abb19 bei geschlossenem Nadelyentil

TTTIOTPrY1Wie erwartet der Druck bei weit Ventil

an Bei wenig geoumlffnetem Ventil ist der Druckanshy

ebenfalls annaumlhrend linear In diesem Fall aber mit einer deutlich

geringeren Steigung zudem ein wenig abninunt

Ist Ventil schlieszliglich geschlossen so naumlhrt Druck

tatsaumlchlich von p = 1 7 middot1 mbar an Rezipient

also Absolut dicht Vakuumshy

apparatur jedoch nie Um groumlszlige der Undichtheit Rezipienten

auch quantitativ UVll zu wurde deshalb der ViU-

der In die Vakuumtechnik

wenn

Volumen von der In

Sekunde um 1 mbar ansteigt Allgemein

)) V Einheit [mbarmiddot 1 S-l J

46

Fuumlr Hochvakuumapparaturen ist als Faustregel folgende m

der Vakuumtechnik uumlblich

lt 10-6 I sehr dicht

qL 1 mbar I =gt Apparatur hinreichend dicht

qL gt 104 mbar I =gt Apparatur undicht

man in den drei Faumlllen so erhaumllt

man

a) Nadelventil um 200

-------~----- == (1 plusmn 03) 10-3

=gt qLraquo 1 mbarmiddot]middotsmiddot1 =gt Apparatur undicht

b) Nadelventil um 50 Skalenteile

I

=gt Apparatur undicht

c) Nadelventil

middotlO-l mbarmiddot 1 _~--------------- == ( 1plusmn07) 10 mbar 1

=gt 1 mbarmiddot 1 Sl =gt Apparatur hinreichend dicht

hinreichende Abdichtung Vakuumapparatur wird durch die

Messungen innerhalb HV-Bereiches bestaumltigt kann auszliger-

Hilfe warum keine

Abdichtung erzielt wird (s 342)

In der Praxis Lecksucher jedoch aus

oftmals nicht zur Verfugung Druckanstiegsmethode wird deshalb

fur die Dichtheitsprufung von Vakuumapparaturen zu

47

Druck von 104 mbar angewandt noch Druckshy

bereichen die Druckanstiegsmethode nur bedingt einsetzbar da

sich staumlrend bemerkbar machen [Wu]

33 Experimente im Hochvakuum

Bei folgenden kommt T urbomolekularpumpe

zum U JUtL

Es wird somit ein Enddruck von pend = (5 plusmn 03)middot I 0-7 mbar erreicht

331 Aufnahme der Auspumpkurve Turbomolekularpumpe

Die Vorpumpe die Turbomolekularpumpe wurden nun gIeichshy

in Betrieb genommen die Auspumpkurve sich der in

Abb untere dargestellte Kurvenverlauf Um emen Vershy

gleich zu Auspumpkurve Turbomolekularpumpe zu

lichen die Auspumpkurve der reparierten Vorpumpe aus Abb 15

nochmals ( obere Kurve)

48

100

10

01

001

0001

00001

o o o o 0) N ltt

N N

Zeit [s]

Abb 20 U~I-U~HU der Kurve) im

der Vorpumpe (obere

laumlszligt sich erkennen daszlig Turbomolekularpumpe die

Auspumpkurve oberhalb von 10-1 mbar keinen Einfluszlig hat (siehe

222) Naumlhert Druck dem molekularen

bereich so macht sich Pumpwirkung stark bemerkbar volle

Drehfrequenz von 90000 min- I nach 1 s erreicht Bei einem

Druck von 610-3 mbar schaltet das Druckanzeigegeraumlt automatisch

von dem Pirani-Vakuummeter auf das Penning-Vakuummeter um An

Stelle in der Auspumpkurve deutlich

DruckabfalJ zu erkennen Dies laumlszligt sich dadurch erklaumlren daszlig das

Pirani-Vakuummeter bei diesem Druck einen groumlszligeren Meszligfehler

das und zu hohe Druckwerte

Da innerhalb Hochvakuums die nU~lU und Leckrate des

zu das effektive

49

Saugvennoumlgen der Turbomolekularpumpe nicht mehr uumlber die

Auspumpkurve wie in 321 nach GI (21) berechnet werden ([LT])

332 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Turbomolekularpum pe

Der Hersteller gibt fur die Turbomolekularpumpe ein Saugvennoumlgen

von 55 Vs an Hieraus soll nun das effektive Saugvennoumlgen der

Turbomolekularpumpe am Ort des Penning-Vakuummeters bestimmt

werden Dazu ist es erforderlich den Leitwert des Verbindungsrohres

zwischen dem Vakuummeter und der Pumpe zu ermitteln

Innerhalb der Molekularstroumlmung ist der Stroumlmungsleitwert L druckshy

unabhaumlngig und es gilt fur gerade Rohrleitungen nicht zu kurzer

Laumlnge(d Ilt 01) die Naumlherungsfonnel

d 3

(38) L=121middotshy Einheit [I S-I] J

(siehe [LG] d = Rohrdurchmesser in cm I = Rohrlaumlnge in cm)

Wie sich aus Abb13 ersehen laumlszligt befindet sich in der Rohrleitung

zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Penning-Vakuummeter

eine Rohrverzweigung Diese stellt aber lediglich eine kurze Aufshy

weitung des Verbindungsrohres dar die innerhalb der molekularen

Stroumlmung fur die Berechnung des Leitwertes vernachlaumlssigt werden

kann (siehe GI (17) Verwirbelungen kommen im molekularen

Sroumlmungsbereich nicht vor) Es ergibt sich fur das Verbindungsrohr

mit 1= 165 cm und d = 48 cm nach GI (38) ein Leitwert von

81 1 s

Da hierbei die Bedingung d I lt 01 verletzt ist muszlig ein Korrekturshy

faktor von 072 (siehe Nomogramm im Anhang 4) beruumlcksichtigt

werden Man erhaumllt somit ein Leitwert von 583 I s bzw ein Stroumlshy

mungswiderstand von 17 10-2 s I Das effektive Saugvennoumlgen am

Ort des Penning-Vakuummeters berechnet sich nach GI (19) mit

diesem Stroumlmungswiderstand zu

50

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

kammer anzusteigen Wird Druckanstieg die

so ergeben folglich verschiedene Kurvenverlaumlufe die

Abb 17 schematisch dargestellt sind

Abb17

Schematische der nach Abschalten der

bei undichten - von Gas-

des LIJ~_U und 3 beide Effekte b--ULU [LG]

1 Der Druckanstieg beruht auf ein Leck so daszlig

naumlhrungsweise zeitlich konstante Luftmenge in den Rezipienten

aufgrund vonDer u~oaUlloH und naumlhert

sich einem (die Apparatur dicht)

3 finden beide statt

theoretischen Kurvenverlaumlufe im Experiment sehr

da durchschoumln Nadelventils ein

kuumlnstliches laumlszligt Wird das Ventil weit

Druckanstieg durch Luft

und man erhaumllt einen linearen Druckanstieg - es geschlossen so

beruht der vorhanden sind

ausschlieszliglich auf w und der naumlhert sich

einem Endwert Oumlffnet man das Nadelventil nur wenig so lassen sich

44

I 013 T

nachweisen und beide ergibt sich aus

einer Uumlberlagerung von den bei den ersten Kurven

Die folgenden zwei Abbildungen die Druckanstiegskurven bei

Nadelventil um 200

Abb ] 8 obere Kurve) bei Ventil (kleines

Leck Oumlffnung um 50 Skalenteile Abb 18 untere Kurve) und bei

geschlossenem Ventil (kein kuumlnstliches Leck Abb 19) sind

unterschiedlichen Einteilungen Druckskalen zu beachten

sonders auffallig ist wie stark sich die erreichten mit sinshy

kender Leckgroumlszlige Abschnitt 3 1)

014 T

012 t

011

01

009

008

~ u 007 1

cl 006

005

004

003

002

001

deg 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit [min]

Abb 18 Druckanstiegskurve bei weit geoumlffnetem (200 Skalenteile obere Kurve)

und geoumlffnetem (50 Skalenteile untere Kurve) Nadelventil

0015

0013

00111 ()

I l

CI 0009

0007

o 005 +-f-++--+-+-+-+-i-+--+-I-+-+--+~~-+--+-+-+-+--+-+-+--I

o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit [min]

Abb19 bei geschlossenem Nadelyentil

TTTIOTPrY1Wie erwartet der Druck bei weit Ventil

an Bei wenig geoumlffnetem Ventil ist der Druckanshy

ebenfalls annaumlhrend linear In diesem Fall aber mit einer deutlich

geringeren Steigung zudem ein wenig abninunt

Ist Ventil schlieszliglich geschlossen so naumlhrt Druck

tatsaumlchlich von p = 1 7 middot1 mbar an Rezipient

also Absolut dicht Vakuumshy

apparatur jedoch nie Um groumlszlige der Undichtheit Rezipienten

auch quantitativ UVll zu wurde deshalb der ViU-

der In die Vakuumtechnik

wenn

Volumen von der In

Sekunde um 1 mbar ansteigt Allgemein

)) V Einheit [mbarmiddot 1 S-l J

46

Fuumlr Hochvakuumapparaturen ist als Faustregel folgende m

der Vakuumtechnik uumlblich

lt 10-6 I sehr dicht

qL 1 mbar I =gt Apparatur hinreichend dicht

qL gt 104 mbar I =gt Apparatur undicht

man in den drei Faumlllen so erhaumllt

man

a) Nadelventil um 200

-------~----- == (1 plusmn 03) 10-3

=gt qLraquo 1 mbarmiddot]middotsmiddot1 =gt Apparatur undicht

b) Nadelventil um 50 Skalenteile

I

=gt Apparatur undicht

c) Nadelventil

middotlO-l mbarmiddot 1 _~--------------- == ( 1plusmn07) 10 mbar 1

=gt 1 mbarmiddot 1 Sl =gt Apparatur hinreichend dicht

hinreichende Abdichtung Vakuumapparatur wird durch die

Messungen innerhalb HV-Bereiches bestaumltigt kann auszliger-

Hilfe warum keine

Abdichtung erzielt wird (s 342)

In der Praxis Lecksucher jedoch aus

oftmals nicht zur Verfugung Druckanstiegsmethode wird deshalb

fur die Dichtheitsprufung von Vakuumapparaturen zu

47

Druck von 104 mbar angewandt noch Druckshy

bereichen die Druckanstiegsmethode nur bedingt einsetzbar da

sich staumlrend bemerkbar machen [Wu]

33 Experimente im Hochvakuum

Bei folgenden kommt T urbomolekularpumpe

zum U JUtL

Es wird somit ein Enddruck von pend = (5 plusmn 03)middot I 0-7 mbar erreicht

331 Aufnahme der Auspumpkurve Turbomolekularpumpe

Die Vorpumpe die Turbomolekularpumpe wurden nun gIeichshy

in Betrieb genommen die Auspumpkurve sich der in

Abb untere dargestellte Kurvenverlauf Um emen Vershy

gleich zu Auspumpkurve Turbomolekularpumpe zu

lichen die Auspumpkurve der reparierten Vorpumpe aus Abb 15

nochmals ( obere Kurve)

48

100

10

01

001

0001

00001

o o o o 0) N ltt

N N

Zeit [s]

Abb 20 U~I-U~HU der Kurve) im

der Vorpumpe (obere

laumlszligt sich erkennen daszlig Turbomolekularpumpe die

Auspumpkurve oberhalb von 10-1 mbar keinen Einfluszlig hat (siehe

222) Naumlhert Druck dem molekularen

bereich so macht sich Pumpwirkung stark bemerkbar volle

Drehfrequenz von 90000 min- I nach 1 s erreicht Bei einem

Druck von 610-3 mbar schaltet das Druckanzeigegeraumlt automatisch

von dem Pirani-Vakuummeter auf das Penning-Vakuummeter um An

Stelle in der Auspumpkurve deutlich

DruckabfalJ zu erkennen Dies laumlszligt sich dadurch erklaumlren daszlig das

Pirani-Vakuummeter bei diesem Druck einen groumlszligeren Meszligfehler

das und zu hohe Druckwerte

Da innerhalb Hochvakuums die nU~lU und Leckrate des

zu das effektive

49

Saugvennoumlgen der Turbomolekularpumpe nicht mehr uumlber die

Auspumpkurve wie in 321 nach GI (21) berechnet werden ([LT])

332 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Turbomolekularpum pe

Der Hersteller gibt fur die Turbomolekularpumpe ein Saugvennoumlgen

von 55 Vs an Hieraus soll nun das effektive Saugvennoumlgen der

Turbomolekularpumpe am Ort des Penning-Vakuummeters bestimmt

werden Dazu ist es erforderlich den Leitwert des Verbindungsrohres

zwischen dem Vakuummeter und der Pumpe zu ermitteln

Innerhalb der Molekularstroumlmung ist der Stroumlmungsleitwert L druckshy

unabhaumlngig und es gilt fur gerade Rohrleitungen nicht zu kurzer

Laumlnge(d Ilt 01) die Naumlherungsfonnel

d 3

(38) L=121middotshy Einheit [I S-I] J

(siehe [LG] d = Rohrdurchmesser in cm I = Rohrlaumlnge in cm)

Wie sich aus Abb13 ersehen laumlszligt befindet sich in der Rohrleitung

zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Penning-Vakuummeter

eine Rohrverzweigung Diese stellt aber lediglich eine kurze Aufshy

weitung des Verbindungsrohres dar die innerhalb der molekularen

Stroumlmung fur die Berechnung des Leitwertes vernachlaumlssigt werden

kann (siehe GI (17) Verwirbelungen kommen im molekularen

Sroumlmungsbereich nicht vor) Es ergibt sich fur das Verbindungsrohr

mit 1= 165 cm und d = 48 cm nach GI (38) ein Leitwert von

81 1 s

Da hierbei die Bedingung d I lt 01 verletzt ist muszlig ein Korrekturshy

faktor von 072 (siehe Nomogramm im Anhang 4) beruumlcksichtigt

werden Man erhaumllt somit ein Leitwert von 583 I s bzw ein Stroumlshy

mungswiderstand von 17 10-2 s I Das effektive Saugvennoumlgen am

Ort des Penning-Vakuummeters berechnet sich nach GI (19) mit

diesem Stroumlmungswiderstand zu

50

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

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Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

I 013 T

nachweisen und beide ergibt sich aus

einer Uumlberlagerung von den bei den ersten Kurven

Die folgenden zwei Abbildungen die Druckanstiegskurven bei

Nadelventil um 200

Abb ] 8 obere Kurve) bei Ventil (kleines

Leck Oumlffnung um 50 Skalenteile Abb 18 untere Kurve) und bei

geschlossenem Ventil (kein kuumlnstliches Leck Abb 19) sind

unterschiedlichen Einteilungen Druckskalen zu beachten

sonders auffallig ist wie stark sich die erreichten mit sinshy

kender Leckgroumlszlige Abschnitt 3 1)

014 T

012 t

011

01

009

008

~ u 007 1

cl 006

005

004

003

002

001

deg 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit [min]

Abb 18 Druckanstiegskurve bei weit geoumlffnetem (200 Skalenteile obere Kurve)

und geoumlffnetem (50 Skalenteile untere Kurve) Nadelventil

0015

0013

00111 ()

I l

CI 0009

0007

o 005 +-f-++--+-+-+-+-i-+--+-I-+-+--+~~-+--+-+-+-+--+-+-+--I

o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit [min]

Abb19 bei geschlossenem Nadelyentil

TTTIOTPrY1Wie erwartet der Druck bei weit Ventil

an Bei wenig geoumlffnetem Ventil ist der Druckanshy

ebenfalls annaumlhrend linear In diesem Fall aber mit einer deutlich

geringeren Steigung zudem ein wenig abninunt

Ist Ventil schlieszliglich geschlossen so naumlhrt Druck

tatsaumlchlich von p = 1 7 middot1 mbar an Rezipient

also Absolut dicht Vakuumshy

apparatur jedoch nie Um groumlszlige der Undichtheit Rezipienten

auch quantitativ UVll zu wurde deshalb der ViU-

der In die Vakuumtechnik

wenn

Volumen von der In

Sekunde um 1 mbar ansteigt Allgemein

)) V Einheit [mbarmiddot 1 S-l J

46

Fuumlr Hochvakuumapparaturen ist als Faustregel folgende m

der Vakuumtechnik uumlblich

lt 10-6 I sehr dicht

qL 1 mbar I =gt Apparatur hinreichend dicht

qL gt 104 mbar I =gt Apparatur undicht

man in den drei Faumlllen so erhaumllt

man

a) Nadelventil um 200

-------~----- == (1 plusmn 03) 10-3

=gt qLraquo 1 mbarmiddot]middotsmiddot1 =gt Apparatur undicht

b) Nadelventil um 50 Skalenteile

I

=gt Apparatur undicht

c) Nadelventil

middotlO-l mbarmiddot 1 _~--------------- == ( 1plusmn07) 10 mbar 1

=gt 1 mbarmiddot 1 Sl =gt Apparatur hinreichend dicht

hinreichende Abdichtung Vakuumapparatur wird durch die

Messungen innerhalb HV-Bereiches bestaumltigt kann auszliger-

Hilfe warum keine

Abdichtung erzielt wird (s 342)

In der Praxis Lecksucher jedoch aus

oftmals nicht zur Verfugung Druckanstiegsmethode wird deshalb

fur die Dichtheitsprufung von Vakuumapparaturen zu

47

Druck von 104 mbar angewandt noch Druckshy

bereichen die Druckanstiegsmethode nur bedingt einsetzbar da

sich staumlrend bemerkbar machen [Wu]

33 Experimente im Hochvakuum

Bei folgenden kommt T urbomolekularpumpe

zum U JUtL

Es wird somit ein Enddruck von pend = (5 plusmn 03)middot I 0-7 mbar erreicht

331 Aufnahme der Auspumpkurve Turbomolekularpumpe

Die Vorpumpe die Turbomolekularpumpe wurden nun gIeichshy

in Betrieb genommen die Auspumpkurve sich der in

Abb untere dargestellte Kurvenverlauf Um emen Vershy

gleich zu Auspumpkurve Turbomolekularpumpe zu

lichen die Auspumpkurve der reparierten Vorpumpe aus Abb 15

nochmals ( obere Kurve)

48

100

10

01

001

0001

00001

o o o o 0) N ltt

N N

Zeit [s]

Abb 20 U~I-U~HU der Kurve) im

der Vorpumpe (obere

laumlszligt sich erkennen daszlig Turbomolekularpumpe die

Auspumpkurve oberhalb von 10-1 mbar keinen Einfluszlig hat (siehe

222) Naumlhert Druck dem molekularen

bereich so macht sich Pumpwirkung stark bemerkbar volle

Drehfrequenz von 90000 min- I nach 1 s erreicht Bei einem

Druck von 610-3 mbar schaltet das Druckanzeigegeraumlt automatisch

von dem Pirani-Vakuummeter auf das Penning-Vakuummeter um An

Stelle in der Auspumpkurve deutlich

DruckabfalJ zu erkennen Dies laumlszligt sich dadurch erklaumlren daszlig das

Pirani-Vakuummeter bei diesem Druck einen groumlszligeren Meszligfehler

das und zu hohe Druckwerte

Da innerhalb Hochvakuums die nU~lU und Leckrate des

zu das effektive

49

Saugvennoumlgen der Turbomolekularpumpe nicht mehr uumlber die

Auspumpkurve wie in 321 nach GI (21) berechnet werden ([LT])

332 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Turbomolekularpum pe

Der Hersteller gibt fur die Turbomolekularpumpe ein Saugvennoumlgen

von 55 Vs an Hieraus soll nun das effektive Saugvennoumlgen der

Turbomolekularpumpe am Ort des Penning-Vakuummeters bestimmt

werden Dazu ist es erforderlich den Leitwert des Verbindungsrohres

zwischen dem Vakuummeter und der Pumpe zu ermitteln

Innerhalb der Molekularstroumlmung ist der Stroumlmungsleitwert L druckshy

unabhaumlngig und es gilt fur gerade Rohrleitungen nicht zu kurzer

Laumlnge(d Ilt 01) die Naumlherungsfonnel

d 3

(38) L=121middotshy Einheit [I S-I] J

(siehe [LG] d = Rohrdurchmesser in cm I = Rohrlaumlnge in cm)

Wie sich aus Abb13 ersehen laumlszligt befindet sich in der Rohrleitung

zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Penning-Vakuummeter

eine Rohrverzweigung Diese stellt aber lediglich eine kurze Aufshy

weitung des Verbindungsrohres dar die innerhalb der molekularen

Stroumlmung fur die Berechnung des Leitwertes vernachlaumlssigt werden

kann (siehe GI (17) Verwirbelungen kommen im molekularen

Sroumlmungsbereich nicht vor) Es ergibt sich fur das Verbindungsrohr

mit 1= 165 cm und d = 48 cm nach GI (38) ein Leitwert von

81 1 s

Da hierbei die Bedingung d I lt 01 verletzt ist muszlig ein Korrekturshy

faktor von 072 (siehe Nomogramm im Anhang 4) beruumlcksichtigt

werden Man erhaumllt somit ein Leitwert von 583 I s bzw ein Stroumlshy

mungswiderstand von 17 10-2 s I Das effektive Saugvennoumlgen am

Ort des Penning-Vakuummeters berechnet sich nach GI (19) mit

diesem Stroumlmungswiderstand zu

50

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

0015

0013

00111 ()

I l

CI 0009

0007

o 005 +-f-++--+-+-+-+-i-+--+-I-+-+--+~~-+--+-+-+-+--+-+-+--I

o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit [min]

Abb19 bei geschlossenem Nadelyentil

TTTIOTPrY1Wie erwartet der Druck bei weit Ventil

an Bei wenig geoumlffnetem Ventil ist der Druckanshy

ebenfalls annaumlhrend linear In diesem Fall aber mit einer deutlich

geringeren Steigung zudem ein wenig abninunt

Ist Ventil schlieszliglich geschlossen so naumlhrt Druck

tatsaumlchlich von p = 1 7 middot1 mbar an Rezipient

also Absolut dicht Vakuumshy

apparatur jedoch nie Um groumlszlige der Undichtheit Rezipienten

auch quantitativ UVll zu wurde deshalb der ViU-

der In die Vakuumtechnik

wenn

Volumen von der In

Sekunde um 1 mbar ansteigt Allgemein

)) V Einheit [mbarmiddot 1 S-l J

46

Fuumlr Hochvakuumapparaturen ist als Faustregel folgende m

der Vakuumtechnik uumlblich

lt 10-6 I sehr dicht

qL 1 mbar I =gt Apparatur hinreichend dicht

qL gt 104 mbar I =gt Apparatur undicht

man in den drei Faumlllen so erhaumllt

man

a) Nadelventil um 200

-------~----- == (1 plusmn 03) 10-3

=gt qLraquo 1 mbarmiddot]middotsmiddot1 =gt Apparatur undicht

b) Nadelventil um 50 Skalenteile

I

=gt Apparatur undicht

c) Nadelventil

middotlO-l mbarmiddot 1 _~--------------- == ( 1plusmn07) 10 mbar 1

=gt 1 mbarmiddot 1 Sl =gt Apparatur hinreichend dicht

hinreichende Abdichtung Vakuumapparatur wird durch die

Messungen innerhalb HV-Bereiches bestaumltigt kann auszliger-

Hilfe warum keine

Abdichtung erzielt wird (s 342)

In der Praxis Lecksucher jedoch aus

oftmals nicht zur Verfugung Druckanstiegsmethode wird deshalb

fur die Dichtheitsprufung von Vakuumapparaturen zu

47

Druck von 104 mbar angewandt noch Druckshy

bereichen die Druckanstiegsmethode nur bedingt einsetzbar da

sich staumlrend bemerkbar machen [Wu]

33 Experimente im Hochvakuum

Bei folgenden kommt T urbomolekularpumpe

zum U JUtL

Es wird somit ein Enddruck von pend = (5 plusmn 03)middot I 0-7 mbar erreicht

331 Aufnahme der Auspumpkurve Turbomolekularpumpe

Die Vorpumpe die Turbomolekularpumpe wurden nun gIeichshy

in Betrieb genommen die Auspumpkurve sich der in

Abb untere dargestellte Kurvenverlauf Um emen Vershy

gleich zu Auspumpkurve Turbomolekularpumpe zu

lichen die Auspumpkurve der reparierten Vorpumpe aus Abb 15

nochmals ( obere Kurve)

48

100

10

01

001

0001

00001

o o o o 0) N ltt

N N

Zeit [s]

Abb 20 U~I-U~HU der Kurve) im

der Vorpumpe (obere

laumlszligt sich erkennen daszlig Turbomolekularpumpe die

Auspumpkurve oberhalb von 10-1 mbar keinen Einfluszlig hat (siehe

222) Naumlhert Druck dem molekularen

bereich so macht sich Pumpwirkung stark bemerkbar volle

Drehfrequenz von 90000 min- I nach 1 s erreicht Bei einem

Druck von 610-3 mbar schaltet das Druckanzeigegeraumlt automatisch

von dem Pirani-Vakuummeter auf das Penning-Vakuummeter um An

Stelle in der Auspumpkurve deutlich

DruckabfalJ zu erkennen Dies laumlszligt sich dadurch erklaumlren daszlig das

Pirani-Vakuummeter bei diesem Druck einen groumlszligeren Meszligfehler

das und zu hohe Druckwerte

Da innerhalb Hochvakuums die nU~lU und Leckrate des

zu das effektive

49

Saugvennoumlgen der Turbomolekularpumpe nicht mehr uumlber die

Auspumpkurve wie in 321 nach GI (21) berechnet werden ([LT])

332 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Turbomolekularpum pe

Der Hersteller gibt fur die Turbomolekularpumpe ein Saugvennoumlgen

von 55 Vs an Hieraus soll nun das effektive Saugvennoumlgen der

Turbomolekularpumpe am Ort des Penning-Vakuummeters bestimmt

werden Dazu ist es erforderlich den Leitwert des Verbindungsrohres

zwischen dem Vakuummeter und der Pumpe zu ermitteln

Innerhalb der Molekularstroumlmung ist der Stroumlmungsleitwert L druckshy

unabhaumlngig und es gilt fur gerade Rohrleitungen nicht zu kurzer

Laumlnge(d Ilt 01) die Naumlherungsfonnel

d 3

(38) L=121middotshy Einheit [I S-I] J

(siehe [LG] d = Rohrdurchmesser in cm I = Rohrlaumlnge in cm)

Wie sich aus Abb13 ersehen laumlszligt befindet sich in der Rohrleitung

zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Penning-Vakuummeter

eine Rohrverzweigung Diese stellt aber lediglich eine kurze Aufshy

weitung des Verbindungsrohres dar die innerhalb der molekularen

Stroumlmung fur die Berechnung des Leitwertes vernachlaumlssigt werden

kann (siehe GI (17) Verwirbelungen kommen im molekularen

Sroumlmungsbereich nicht vor) Es ergibt sich fur das Verbindungsrohr

mit 1= 165 cm und d = 48 cm nach GI (38) ein Leitwert von

81 1 s

Da hierbei die Bedingung d I lt 01 verletzt ist muszlig ein Korrekturshy

faktor von 072 (siehe Nomogramm im Anhang 4) beruumlcksichtigt

werden Man erhaumllt somit ein Leitwert von 583 I s bzw ein Stroumlshy

mungswiderstand von 17 10-2 s I Das effektive Saugvennoumlgen am

Ort des Penning-Vakuummeters berechnet sich nach GI (19) mit

diesem Stroumlmungswiderstand zu

50

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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WeinheimlBergstraszlige 1968

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Fuumlr Hochvakuumapparaturen ist als Faustregel folgende m

der Vakuumtechnik uumlblich

lt 10-6 I sehr dicht

qL 1 mbar I =gt Apparatur hinreichend dicht

qL gt 104 mbar I =gt Apparatur undicht

man in den drei Faumlllen so erhaumllt

man

a) Nadelventil um 200

-------~----- == (1 plusmn 03) 10-3

=gt qLraquo 1 mbarmiddot]middotsmiddot1 =gt Apparatur undicht

b) Nadelventil um 50 Skalenteile

I

=gt Apparatur undicht

c) Nadelventil

middotlO-l mbarmiddot 1 _~--------------- == ( 1plusmn07) 10 mbar 1

=gt 1 mbarmiddot 1 Sl =gt Apparatur hinreichend dicht

hinreichende Abdichtung Vakuumapparatur wird durch die

Messungen innerhalb HV-Bereiches bestaumltigt kann auszliger-

Hilfe warum keine

Abdichtung erzielt wird (s 342)

In der Praxis Lecksucher jedoch aus

oftmals nicht zur Verfugung Druckanstiegsmethode wird deshalb

fur die Dichtheitsprufung von Vakuumapparaturen zu

47

Druck von 104 mbar angewandt noch Druckshy

bereichen die Druckanstiegsmethode nur bedingt einsetzbar da

sich staumlrend bemerkbar machen [Wu]

33 Experimente im Hochvakuum

Bei folgenden kommt T urbomolekularpumpe

zum U JUtL

Es wird somit ein Enddruck von pend = (5 plusmn 03)middot I 0-7 mbar erreicht

331 Aufnahme der Auspumpkurve Turbomolekularpumpe

Die Vorpumpe die Turbomolekularpumpe wurden nun gIeichshy

in Betrieb genommen die Auspumpkurve sich der in

Abb untere dargestellte Kurvenverlauf Um emen Vershy

gleich zu Auspumpkurve Turbomolekularpumpe zu

lichen die Auspumpkurve der reparierten Vorpumpe aus Abb 15

nochmals ( obere Kurve)

48

100

10

01

001

0001

00001

o o o o 0) N ltt

N N

Zeit [s]

Abb 20 U~I-U~HU der Kurve) im

der Vorpumpe (obere

laumlszligt sich erkennen daszlig Turbomolekularpumpe die

Auspumpkurve oberhalb von 10-1 mbar keinen Einfluszlig hat (siehe

222) Naumlhert Druck dem molekularen

bereich so macht sich Pumpwirkung stark bemerkbar volle

Drehfrequenz von 90000 min- I nach 1 s erreicht Bei einem

Druck von 610-3 mbar schaltet das Druckanzeigegeraumlt automatisch

von dem Pirani-Vakuummeter auf das Penning-Vakuummeter um An

Stelle in der Auspumpkurve deutlich

DruckabfalJ zu erkennen Dies laumlszligt sich dadurch erklaumlren daszlig das

Pirani-Vakuummeter bei diesem Druck einen groumlszligeren Meszligfehler

das und zu hohe Druckwerte

Da innerhalb Hochvakuums die nU~lU und Leckrate des

zu das effektive

49

Saugvennoumlgen der Turbomolekularpumpe nicht mehr uumlber die

Auspumpkurve wie in 321 nach GI (21) berechnet werden ([LT])

332 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Turbomolekularpum pe

Der Hersteller gibt fur die Turbomolekularpumpe ein Saugvennoumlgen

von 55 Vs an Hieraus soll nun das effektive Saugvennoumlgen der

Turbomolekularpumpe am Ort des Penning-Vakuummeters bestimmt

werden Dazu ist es erforderlich den Leitwert des Verbindungsrohres

zwischen dem Vakuummeter und der Pumpe zu ermitteln

Innerhalb der Molekularstroumlmung ist der Stroumlmungsleitwert L druckshy

unabhaumlngig und es gilt fur gerade Rohrleitungen nicht zu kurzer

Laumlnge(d Ilt 01) die Naumlherungsfonnel

d 3

(38) L=121middotshy Einheit [I S-I] J

(siehe [LG] d = Rohrdurchmesser in cm I = Rohrlaumlnge in cm)

Wie sich aus Abb13 ersehen laumlszligt befindet sich in der Rohrleitung

zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Penning-Vakuummeter

eine Rohrverzweigung Diese stellt aber lediglich eine kurze Aufshy

weitung des Verbindungsrohres dar die innerhalb der molekularen

Stroumlmung fur die Berechnung des Leitwertes vernachlaumlssigt werden

kann (siehe GI (17) Verwirbelungen kommen im molekularen

Sroumlmungsbereich nicht vor) Es ergibt sich fur das Verbindungsrohr

mit 1= 165 cm und d = 48 cm nach GI (38) ein Leitwert von

81 1 s

Da hierbei die Bedingung d I lt 01 verletzt ist muszlig ein Korrekturshy

faktor von 072 (siehe Nomogramm im Anhang 4) beruumlcksichtigt

werden Man erhaumllt somit ein Leitwert von 583 I s bzw ein Stroumlshy

mungswiderstand von 17 10-2 s I Das effektive Saugvennoumlgen am

Ort des Penning-Vakuummeters berechnet sich nach GI (19) mit

diesem Stroumlmungswiderstand zu

50

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Druck von 104 mbar angewandt noch Druckshy

bereichen die Druckanstiegsmethode nur bedingt einsetzbar da

sich staumlrend bemerkbar machen [Wu]

33 Experimente im Hochvakuum

Bei folgenden kommt T urbomolekularpumpe

zum U JUtL

Es wird somit ein Enddruck von pend = (5 plusmn 03)middot I 0-7 mbar erreicht

331 Aufnahme der Auspumpkurve Turbomolekularpumpe

Die Vorpumpe die Turbomolekularpumpe wurden nun gIeichshy

in Betrieb genommen die Auspumpkurve sich der in

Abb untere dargestellte Kurvenverlauf Um emen Vershy

gleich zu Auspumpkurve Turbomolekularpumpe zu

lichen die Auspumpkurve der reparierten Vorpumpe aus Abb 15

nochmals ( obere Kurve)

48

100

10

01

001

0001

00001

o o o o 0) N ltt

N N

Zeit [s]

Abb 20 U~I-U~HU der Kurve) im

der Vorpumpe (obere

laumlszligt sich erkennen daszlig Turbomolekularpumpe die

Auspumpkurve oberhalb von 10-1 mbar keinen Einfluszlig hat (siehe

222) Naumlhert Druck dem molekularen

bereich so macht sich Pumpwirkung stark bemerkbar volle

Drehfrequenz von 90000 min- I nach 1 s erreicht Bei einem

Druck von 610-3 mbar schaltet das Druckanzeigegeraumlt automatisch

von dem Pirani-Vakuummeter auf das Penning-Vakuummeter um An

Stelle in der Auspumpkurve deutlich

DruckabfalJ zu erkennen Dies laumlszligt sich dadurch erklaumlren daszlig das

Pirani-Vakuummeter bei diesem Druck einen groumlszligeren Meszligfehler

das und zu hohe Druckwerte

Da innerhalb Hochvakuums die nU~lU und Leckrate des

zu das effektive

49

Saugvennoumlgen der Turbomolekularpumpe nicht mehr uumlber die

Auspumpkurve wie in 321 nach GI (21) berechnet werden ([LT])

332 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Turbomolekularpum pe

Der Hersteller gibt fur die Turbomolekularpumpe ein Saugvennoumlgen

von 55 Vs an Hieraus soll nun das effektive Saugvennoumlgen der

Turbomolekularpumpe am Ort des Penning-Vakuummeters bestimmt

werden Dazu ist es erforderlich den Leitwert des Verbindungsrohres

zwischen dem Vakuummeter und der Pumpe zu ermitteln

Innerhalb der Molekularstroumlmung ist der Stroumlmungsleitwert L druckshy

unabhaumlngig und es gilt fur gerade Rohrleitungen nicht zu kurzer

Laumlnge(d Ilt 01) die Naumlherungsfonnel

d 3

(38) L=121middotshy Einheit [I S-I] J

(siehe [LG] d = Rohrdurchmesser in cm I = Rohrlaumlnge in cm)

Wie sich aus Abb13 ersehen laumlszligt befindet sich in der Rohrleitung

zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Penning-Vakuummeter

eine Rohrverzweigung Diese stellt aber lediglich eine kurze Aufshy

weitung des Verbindungsrohres dar die innerhalb der molekularen

Stroumlmung fur die Berechnung des Leitwertes vernachlaumlssigt werden

kann (siehe GI (17) Verwirbelungen kommen im molekularen

Sroumlmungsbereich nicht vor) Es ergibt sich fur das Verbindungsrohr

mit 1= 165 cm und d = 48 cm nach GI (38) ein Leitwert von

81 1 s

Da hierbei die Bedingung d I lt 01 verletzt ist muszlig ein Korrekturshy

faktor von 072 (siehe Nomogramm im Anhang 4) beruumlcksichtigt

werden Man erhaumllt somit ein Leitwert von 583 I s bzw ein Stroumlshy

mungswiderstand von 17 10-2 s I Das effektive Saugvennoumlgen am

Ort des Penning-Vakuummeters berechnet sich nach GI (19) mit

diesem Stroumlmungswiderstand zu

50

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

100

10

01

001

0001

00001

o o o o 0) N ltt

N N

Zeit [s]

Abb 20 U~I-U~HU der Kurve) im

der Vorpumpe (obere

laumlszligt sich erkennen daszlig Turbomolekularpumpe die

Auspumpkurve oberhalb von 10-1 mbar keinen Einfluszlig hat (siehe

222) Naumlhert Druck dem molekularen

bereich so macht sich Pumpwirkung stark bemerkbar volle

Drehfrequenz von 90000 min- I nach 1 s erreicht Bei einem

Druck von 610-3 mbar schaltet das Druckanzeigegeraumlt automatisch

von dem Pirani-Vakuummeter auf das Penning-Vakuummeter um An

Stelle in der Auspumpkurve deutlich

DruckabfalJ zu erkennen Dies laumlszligt sich dadurch erklaumlren daszlig das

Pirani-Vakuummeter bei diesem Druck einen groumlszligeren Meszligfehler

das und zu hohe Druckwerte

Da innerhalb Hochvakuums die nU~lU und Leckrate des

zu das effektive

49

Saugvennoumlgen der Turbomolekularpumpe nicht mehr uumlber die

Auspumpkurve wie in 321 nach GI (21) berechnet werden ([LT])

332 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Turbomolekularpum pe

Der Hersteller gibt fur die Turbomolekularpumpe ein Saugvennoumlgen

von 55 Vs an Hieraus soll nun das effektive Saugvennoumlgen der

Turbomolekularpumpe am Ort des Penning-Vakuummeters bestimmt

werden Dazu ist es erforderlich den Leitwert des Verbindungsrohres

zwischen dem Vakuummeter und der Pumpe zu ermitteln

Innerhalb der Molekularstroumlmung ist der Stroumlmungsleitwert L druckshy

unabhaumlngig und es gilt fur gerade Rohrleitungen nicht zu kurzer

Laumlnge(d Ilt 01) die Naumlherungsfonnel

d 3

(38) L=121middotshy Einheit [I S-I] J

(siehe [LG] d = Rohrdurchmesser in cm I = Rohrlaumlnge in cm)

Wie sich aus Abb13 ersehen laumlszligt befindet sich in der Rohrleitung

zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Penning-Vakuummeter

eine Rohrverzweigung Diese stellt aber lediglich eine kurze Aufshy

weitung des Verbindungsrohres dar die innerhalb der molekularen

Stroumlmung fur die Berechnung des Leitwertes vernachlaumlssigt werden

kann (siehe GI (17) Verwirbelungen kommen im molekularen

Sroumlmungsbereich nicht vor) Es ergibt sich fur das Verbindungsrohr

mit 1= 165 cm und d = 48 cm nach GI (38) ein Leitwert von

81 1 s

Da hierbei die Bedingung d I lt 01 verletzt ist muszlig ein Korrekturshy

faktor von 072 (siehe Nomogramm im Anhang 4) beruumlcksichtigt

werden Man erhaumllt somit ein Leitwert von 583 I s bzw ein Stroumlshy

mungswiderstand von 17 10-2 s I Das effektive Saugvennoumlgen am

Ort des Penning-Vakuummeters berechnet sich nach GI (19) mit

diesem Stroumlmungswiderstand zu

50

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Saugvennoumlgen der Turbomolekularpumpe nicht mehr uumlber die

Auspumpkurve wie in 321 nach GI (21) berechnet werden ([LT])

332 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Turbomolekularpum pe

Der Hersteller gibt fur die Turbomolekularpumpe ein Saugvennoumlgen

von 55 Vs an Hieraus soll nun das effektive Saugvennoumlgen der

Turbomolekularpumpe am Ort des Penning-Vakuummeters bestimmt

werden Dazu ist es erforderlich den Leitwert des Verbindungsrohres

zwischen dem Vakuummeter und der Pumpe zu ermitteln

Innerhalb der Molekularstroumlmung ist der Stroumlmungsleitwert L druckshy

unabhaumlngig und es gilt fur gerade Rohrleitungen nicht zu kurzer

Laumlnge(d Ilt 01) die Naumlherungsfonnel

d 3

(38) L=121middotshy Einheit [I S-I] J

(siehe [LG] d = Rohrdurchmesser in cm I = Rohrlaumlnge in cm)

Wie sich aus Abb13 ersehen laumlszligt befindet sich in der Rohrleitung

zwischen der Turbomolekularpumpe und dem Penning-Vakuummeter

eine Rohrverzweigung Diese stellt aber lediglich eine kurze Aufshy

weitung des Verbindungsrohres dar die innerhalb der molekularen

Stroumlmung fur die Berechnung des Leitwertes vernachlaumlssigt werden

kann (siehe GI (17) Verwirbelungen kommen im molekularen

Sroumlmungsbereich nicht vor) Es ergibt sich fur das Verbindungsrohr

mit 1= 165 cm und d = 48 cm nach GI (38) ein Leitwert von

81 1 s

Da hierbei die Bedingung d I lt 01 verletzt ist muszlig ein Korrekturshy

faktor von 072 (siehe Nomogramm im Anhang 4) beruumlcksichtigt

werden Man erhaumllt somit ein Leitwert von 583 I s bzw ein Stroumlshy

mungswiderstand von 17 10-2 s I Das effektive Saugvennoumlgen am

Ort des Penning-Vakuummeters berechnet sich nach GI (19) mit

diesem Stroumlmungswiderstand zu

50

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

1 sS =---_-= 3 ls

eff 1+ 1 7 5 5 1

Die Unsicherheit dieser Rechnung ist aufgrund der verwendeten

Naumlhrungsfonnel des Korrekturfaktors und Annahme unvershy

zweigten Rohres natuumlrlich relativ (etwa 40) Dennoch kann

hieran erkannt werderr daszlig im Gegensatz zu den Messungen im

der Turbomolekularpumpe

neswegs mit Saugverrnoumlgen

im molekularen Stroumlmungsbereich bei

Rohrleitung wesentlich sind als im laminaren

reich werden Turbomolekularpumpen direkt

mit dem Rezipienten verbunden (s Abb 13)

Pruumlfung der Dichtheit des Rezipienten im Hochvakuum

Dichtheit des Rezipienten kann innerhalb HV-Bereichs nicht

mit Druckanstiegskurve bestimmt werden daran

daszlig bei dem gegebenen Versuchsaufbau sich der Rezipient nicht von

der Turbomolekularpumpe trennen laumlszligt (wie es etwa Ventil

zwischen Pumpe und ennoumlglicht wuumlrde) Da Turbomo-

Jekularpumpe nach dem Auslaufzeit von 20 Minuten

benoumltigt in der die Pumpwirkung nur allmaumlhlich abklingt waumlre eine

Aufnahme der Druckanstiegskurve nicht sinnvoll Im zu

Vorpumpe bleibt aber

Saugverrnoumlgen der Turbomolekularpumpe bis zum

en des Enddruckes aufrechterhalten (Seff ist p lt 10middot3mbar

konstant) der Gasabgabe 1m des

GI (39)

(39) ([LG])

man In GI (39) effektive Saugvennoumlgen am Ort des

332) den dort

51

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Enddruck ( 5 plusmn 03) 10-7 mbar ein so sich

rate von

(15 plusmn 06) 10-5

Innerhalb Fehlergrenzen stimmt Leckrate mit der in 3

bestimmten Auch hier laumlszligt sich also eine hinreichende

Abdichtung

34 Messungen und Ergebnisse am Massenshy

spektrometer

folgenden Messungen kommt nun das

zum Bei den Massenspektren werden die

Partialdrucklntensitaumlten in Ordinatenrichtung relativen Druckeinshy

heiten Aus Totaldrucken lieszligen sich

zwar die einzelnen Partialdrucke unter der untershy

schiedlichen Ionisationswahrscheinlichkeiten berechnen (Total druck

Partialdrucke) da die Interpretation der Spektren

nur interessant sind wird

der Partialdrucke verzichtet

sind unter den

Ladungs-Verhaumlltnisse (m1q) jedoch zu beachshy

ten daszlig diese Skalen nur zur groben Orientierung dienen koumlnnen da

nicht linear sind Aus naumlmlich

der Fehler der gemessenen Masse-Ladungs-Verhaumlltnisse bei kleineren

Massen groumlszliger als bei groumlszligeren wurde deshalb versucht

rllJl-lauf der In zu Dies

unproblematisch da Partialdruckintensitaumlten die

den kleinen mq-Verhaumlltnissen gemessen ohnehin em-

Zuordnung des

kommen fur die ersten beiden nur atomarer und

Wasserstoff auf den Massenzahlen 1 2 in

52

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Zur uumlber jeden groumlszligeren Massenpeak das so zu

korrigierende Masse-Ladungs-Verhaumlltnis ist uumlblich

diese Verhaumlltnisse als Massenzahlen zu auch wenn

im Falle von Mehrfachionisationen keine Uumlbereinstimmungen mit den

Massen Teilchen

341 Untersuchung des Rezipienten auf

die Interpretationen der Massenspektren den folgenden

Abschnitten ist es notwendig zu wissen welche Massen ohne den

Einlaszlig von oder Ausgasungen durch Erhitzen im

dominieren

Abb 21 zeigt ein solches Restgasspektrum Massenspektrum

taucht als Untergrundspektrum bei allen weiteren Massenspektren

auf

koumlnnen durch Differenzbildung mit diesem Untergrund spektrum

neu hinzukonunenden MLSS(~npeaJlts

1amp

rel Partialdruck- T

2 17

L 2amp 41 43

I ~2 3t 11I 11

55 57

intensitaumlten p(mJq) I

1111111111 111111111111111111111111111 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIlilill

rnq

Abb21 Restgasspektnun des Rezipienten Plot 8middot mbar Pumpzeit 5 Tage

Ionisation der Teilchen erfolgt uumlber Gitterionenquelle mit

Gluumlhkathode Deshalb infolge der Temperaturerhoumlhung des

53

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

und moumlglicher Ausgasungen Gluumlhdrahtes der Druck

von 5107 8 1 07 mbar an

In der folgenden sind die zu Massenpeaks zurnClrOl1en

Ionen elrugen Ionen

Wert gibt die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezogen auf

Stickstoff etwa 100eV an Dies ermoumlglicht

emen Im Anhang 1 Tab 2 von weiteren ~~

Gasen Ionisierungswahrsc1inlichkeiten angegeben

Auszligerdem finden sich dort in Tab 3 moumlgliche Bruchstuumlckionen zu

den einzelnen HUbull

Ionenmq

~ (044)

12

14

2

O~16

17 OHshy

(10)18

27

mq Ionen

28 N 2- (10)

29

32

39

41

C3H8~ (3 CO2- (14)

CJ-h+

CJ19+

44

Der Hauptmassenpeak auf der Massezahl 18 typisch alle nicht

sehr Vakuumapparaturen Nach dem Beluumlften des

Rezipienten bilden sich duumlnne Wasserfilme an

Metalloberflaumlchen die ohne starke

abgepumpt koumlnnen Ebenfalls typisch der groszlige Anteil an

atomaren und molekularen Wasserstoff (man beachte

Ionisierungswahrscheinlichkeit) da diese leichten

bomolekularpumpe schlechter abgepumpt

222) roTAT und Stickstoff sind hingegen die sehr

von werden Daszlig

dennoch im nachweisen lassen deutet in Uumlbereinstimmung

nur VvUU shy

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

mit den Ergebnissen aus AbschrUtt 322 und eindeutig auf

einen nur hinreichend dichten Rezipienten hin

Das natuumlrliche Verhaumlltnis von Sauerstoff zu Stickstoff betraumlgt in der

Luft etwa eins zu drei Da diese Gase die gleiche Ionisierungswahrshy

scheinlichkeit besitzen der Peak auf der Massenzahl 28 aber etwa die

siebenfache Houmlhe erreicht kann er nicht von dem Stickstoff allein

herruumlhren Hierfur ist eine Uumlberlagerung mit C2lL- und CO-Ionen

verantwortlich Die Kohlenwasserstoffverbindungen auf den Massenshy

zahlen 394143 55 und 57 sind typisch fur Bruchstuumlckionen von

Pumpenoumllen und Schmiermitteln Diese treten zumeist in Peakshy

gruppen mit Massenzahlabstand 14 (CHrAbstand) auf So lassen sich

in Abb 21 auf den Massenzahlen 27 41 55 69 83 und 97 sowie auf

den Massenzahlen 29 43 57 7] und 85 Partialdruckintensitaumlten mit

Massenzahlabstand 14 erkennen Hierbei ist jedoch zu beachten daszlig

die Ionisierungswahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwassershy

stroffverbindungen bis zu sieben mal houmlher liegen als die von

Stickstoff(s Anhang Tab2) Deshalb dalfdie Verunreinigung des

Rezipienten durch Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewershy

tet werden

342 Lecksuche

Mit Hilfe eines Massenspektrometers laumlszligt sich em Leck emes

Rezipienten in einfacher Weise lokalisieren Das Massenspektrometer

wird auf die Massenzahl vier (He1iurnmasse) eingestellt und der

Rezipient von auszligen abschnittsweise mit Helium bespruumlht Trifft das

Helium auf eine undichte Stelle des Rezipienten so gelangt es in das

Restgas und kann nachgewiesen werden Auf diese Weise stellte sich

heraus daszlig das Nadelventil auch im geschlossenen Zustand nicht

vollstaumlndig abdichtet Offenbar wurde die Dichtung des Ventils durch

Verschrnutzung oder zu starken Verschluszlig beschaumldigt Da die hierfur

notwendigen Reparaturkosten relativ hoch liegen und der erreichte

Enddruck von 510-7 mbar fur die vorliegende Versuchapparatur

voumlllig ausreichend ist wurde auf eine Reparatur verzichtet

55

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

343 Aufnahme von Restgasspektren mit verschiedenen

Testgasen

Uumlber das Nadelventil In den

werden In den Zuleitungen befindet sich anfangs

Luft die auch waumlhrend weiteren Gaseinlasses wegen man-

Abdichtung staumlndig mit in den

Deshalb ist Abb zunaumlchst das Massenspektrum von Luft

Wegen starken Stickstoffpar shy

tialducks die Y -Verstaumlrkung am erniedrigt

Massenzahlen groumlszliger als 60 koumlnnen somit nicht mehr nachgewiesen

werden so daszlig Massenspektrum nur noch einen Massenshy

bereich von 1 bis 60 aufgenommen wurde

28

I

reL Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

18

~

32 40 44 55 57

I

2

I I i i~ i I I I I I j I j I ~ 0 l) 0 fl 0 l() 0 l() 0 l) 0~ C) l()(j N C) v v fl ltD

m1q

Abb 22 Massenspektrum bei dem Einlaszlig von Luft Plot = 4_10-6 mbar

56

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Vergleich mit dem Untergrund spektrum aus 341

der auf den Massenzahlen 14 Stickshy

stoff) 16 (atomarer Sauerstoff) 28 (molekularer Stickstoff) und 32

(molekularer Sauerstoff) Neu ~~~~~~ der Argonpeak auf

der Massenzahl 40 stehen in Einklang mit

der der e angegebenen prozentualen Zusammensetzung

Luft

Die Abbildungen 23 und 24 die Massenspektren bei dem

Einlaszlig von HeJium-Luftshy

28

I

rel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

1 2 4 14 18

I 32

I I I I I

H+++-++ I i I I I I I I I I I i I i i I i I I I I i I I i I I I I I I I i I i I i -H

o o o ()N

mq

Abb 23 Masselrlsnektlnl eines pot == 43middot10-6 mbar

Vergleich von Abb

Massenzahl 4 ) ein neuer

Massenpeak hinzukommt Das Heliumisotop iHe besitzt eine relative

Lufteinlaszlig zeigt daszlig lediglich

57

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

von 10-4 und laumlszligt sich folglich nicht nachweisen

beachten ist die lonisierungswahrscheilichkeit des Heliums

Stickstoff bei 100 eV Elektronenenergie nur

015

28 I

2

14 18 20

I f

I 0

I I i L()

i I

0 ~

i L() ~

t-r-c 0

I

I()

I

0 ()

I i i

L() ()

i i I I

0 -r

I i i

I() -r

I I I

0 L()

i

L() I()

~

0 ltD

mq

Abb24 eines Neon-Luft-Gemisches 1lt01 = 3middot10-6 mbar

Neon Isotope

reL Partialdruck shy r intensitaumlten p( mlq)

32

I

crvtn 9092 026 und 8 betragen Im zu

dem Massenspektrum von Luft laumlszligt sich in Abb 24 deutlich ein neu

hinmkommender Peak auf der Massenzahl erkennen Ein Peak auf

der Massenzahl 22 ebenfalls schwach nachgewiesen werden

Auch die geringe SCrlelJl1l(~tlllteIt von Neon zu

VJlHll Auf Stickstoff L_Vlt- sie 03 bei 100

58

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

2

Massenspektrum den Einlaszlig von

Methan (CI-L)

15 16

28 reL Partialdruck- r intensitaumlten q(mlq)

I

i I I I I i i i I i i i I I i I i I i H l() 0 l() 0 Ln 0 Cl 0 Cl 0 Cl 0

~ ~ N N C) C) Cl Ln CD0

Abb 25 Massenspektrum von Methan PlOt = 22-106 mbar

Da die relative Ionisierungswahrscheinlichkeit von Methan ~~AJV~vu

16 der Methanpeak auf der

besonders ausgepraumlgt Auszligerdem sind auf den Massenzahlen 15 14

] 3 und 12 die Methans + CH2+ CH- und

C+) zu erkennen

Abschlieszligend zu diesem Kapitel zeigt Abb 26 das Massenspektrum

emes fCeWin-j

59

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

28

rel Partialdruck- T intensitaumlten p(mJq) I

43

15 18

I 32

LJ 58

I

-----~ i i 1 1 1 I i I i i i bull i ~f-I-f- -- i-i-++I+-1f--f-I+-+-1-++-1H1-+1middot+--- l-r-rl

o o ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 N N M M ~ ~ ~ ~ ~

mlq

Abb 26 Massenspektrum eines nv~LVl--ut Ptot 58middot 10-5 mbar

Deutlich laumlszligt sich Aceton ( (CH3)2CO ) auf Massenzahl

nachweisen kommen aber auch mit weit

den Massenzahlen 15 und 43 neu

darauf zuruckzufuhren daszlig sich die Acetomnolekuumlle sehr leicht

aufspalten Neben dem Acetonion CH3-CO-CH3 treten

-r auf dendeshalb die Bruchstuumlckionen

Massenzahlen und 15 weit haumlufiger auf Bruchstuumlckionen

vrunnn wiederum Bruchstuumlckionen bilden wie

13 (CH) und 12 (C+) oder neueden 14

Verbindungen eingehen wie beispielsweise auf der Masse 16

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

- -

344 Aufnahme Restgasspektren von ausgeheizten Kupfer-

und Messingrohren

Aufnahme des Massenspektrums wurde

Kupferrohr (s Abb13) mit Hilfe Bunsenbrenners in der Mitte

erhitzt bis zu soooe erreicht Abshy

l)J des Kupferrohres sowie Verbindungs stelle zum J--JV

ten sind hartgeloumltet Das verwendete Hartlot besteht zu aus

Silber zu 21 aus Kupfer zu aus und zu 1 17

aus Zink Zusaumltzlich sind die Fluszligmittel ummantelt

das auszligerdem (rPf1nltp Mengen von

(HF)) enthaumllt Das Loumltwasser dient zum und

Aufrauhen der zu loumltenden Metalloberuaumlchen

Abb Massenspektrum Kupferrohres

der Hartloumltverbindungen Partialdruckintensitaumlten auf

Massenzahlen groumlszliger als 80 konnten nicht nachgewiesen werden

18

2 20 28

I I I I I I I I i I I I I i I i I I I I I I I I I

rel Partialdruckshyintensitaumlten pmlq)

55 57

i 1IIIIIIIi+++-MI I 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 lfl 0 tn 0 tn 0

N N lt) () ~ ~ lfl tf) ltigt lt0 I- I- ro

mq

Abb 27 Massenspektrum eines tpAIypc ohne Kuumlhlung der

Ptot 12middot mbar

61

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

daszligDer Vergleich mit dem Untergrundspektrum Abb

Partialdruckintensitaumlten auf Massenzahlen 20 und 44 durch

Erhitzen hinzukommen Intensitaumlten bei der Kuumlhlung der

Loumltverbindungen deutlich (siehe Abb 28) sind

des Hartlotes zuruckzufuhren

auf der Massenzahl stammt vermutlich von den

tig UltOUUlgtU

Ionen des auf der Massenzahl kommen + aber im von

Ionen auch eine Zunahme Bruchstuumlckionen auf den Massen 43

-) und (C3I) zu erwarten ist die jedoch festgestellt

werden laumlszligt sich Propan ausschlieszligen Vermutlich es

sich um Kohlendioxidausgasung da die Bildung

ist Zweifach ionisierte

Molekuumlle auf der Massenzahl 44 sind ebenfalls auszuschlieszligen da

sich auf der Massenzahl 88 keine Partialdruckintensitaumlt nachweisen

laumlszligt

von 1011gt (N20)

Bei der folgenden wurde

ebenfalls in der Mitte mit Hilfe Bunsenbrenners erhitzt Diesmal

wurden die Loumltverbindungen jedoch durch feuchte Tuumlcher gekuumlhlt

18

Tel Partialdruck- r intensitaumlten p(mq)

28 32 41 44 55 57

1 2 J I I 11

h--I i I i i i I I I I I i I i I I i i I I i i I I I I I i 0 0 lt() 0 0 0 lt() 0 lt() 0 0 N N C) C) lt() () () r- r- ctJltr ltr

rnlq

Abb28 eines ausgetlelZten Kll~frr mit 1-W11UJI5 der

62

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Waumlhrend der Peak auf Massenzahl 44 deutlich abnimmt der

Peak auf Massenzahl 20 voumlllig Ein Vergleich

Untergrundspektrum Abb21 nun

mehr werden BemerkenswertfiVlllL

nahezu gleiche Partialdruckintensitaumlt atomaren - und molekularen

Wasserstoffes Vor dem war der Partialdruck des IHUshy

laren Wasserstoffes houmlher der atomaren Wassershy

stoffes Durch die Zufuhr von thennischer werden V-

die kovalenten Bindungen des Wasserstoffes teilweise zerstoumlrt

wird nun das von

nommen Als 1) mit

deren Temperaturen bis zu 300degC werden koumlnnen Da

die Loumltverbindungen aus wurden bei

Abb 29 aufgenommenen Spektrum gekuumlhlt

18 I

2 28 32 44

I i i I I i

i i I I I I i I I

i I I I I I I I i I

rel Partialdruck- T intensitaumlten qmlq) I

64 66 68

I I I I i I I i I I

() 0 () 0 () 0 () 0 t) 0 t) 0 t) 0 t) 0 ~ N N M C) t) t) lt0 lt0 r-- r-- ltXl

mlq

Abb 29 Iv1assenspektrum eines Messingrohres mit Kuumlhlung der

PrO 17middot10-6 mbar

0

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Das verwendete Messing ist eine Legierung die zu 60 aus Kupfer

und 40 aus Zink besteht Waumlhrend Kupfer einen Saumlttigungsshy

dampfdruck von 10-5 mbar erst bei einer Temperatur von 955degC

erreicht wird dieser von Zink bereits bei 210degC erreicht Dies hat zur

Folge daszlig Zink bei der gleichen Temperatur auch einen wesentlich

houmlheren Dampfdruck besitzt als Kupfer Um ein unerwuumlnschtes

Abdampfen des Zinks zu vermeiden sollte deshalb Messing innerhalb

von Vakuumanlagen nur unterhalb von 50degC verwendet werden

([Wu])

In Abb 29 sind die abdampfenden Zinkisotope auf den Massenzahlen

64 66 67 und 68 deutlich zu erkennen Die relativen Haumlufigkeiten

der Zinkisotope lassen sich aus der folgenden Tabelle ablesen ([Pa])

Isotop relative Haumlufigkeit

64Zn 48 89 66Zn 2781 67Zn 411 68Zn 1857 70Zn 062

Qualitativ stimmen diese Haumlufigkeiten mit den gemessenen Partialshy

druckintensitaumlten der Zinkisotope sehr gut uumlberein Der Vergleich mit

dem Untergrundspektrum zeigt auszligerdem daszlig auch auf den Massenshy

zahlen 32 33 und 34 eine Verstaumlrkung der Partialdruckintensitaumlten

auftritt Ursache hierfur sind die zweifach ionisierten Zinkisotope 64Z 66Z ++ d 68Z ~+n n un n

Der Peak auf der Massenzahl 44 ist auf eine nur unzureichende

Kuumlhlung der Loumltstellen zuruumlckzufuhren (siehe Abb 27) Auch hier

handelt es sich um eine COrAusgasung

Bei allen bisher dargestellten Ausheizprozessen war zu Beginn des

Heizens ein starker Druckanstieg zu beobachten der jedoch mit

fortschreitender Heizzeit allmaumlhlich wieder abnahm Dies laumlszligt sich

dadurch erklaumlren daszlig durch die Temperaturerhoumlhung eine Desorpshy

64

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

tion von physisorbierten Teilchen stattfindet Da der Anteil an physishy

sorbierten Teilchen mit der Zeit abnimmt und zudem mit steigenshy

der Temperatur Chemisorptionen auftreten koumlnnen (siehe Abb 11)

nimmt der Druck langsam wieder ab und naumlhert sich einem konstanshy

ten Wert

Waumlhrend die zuvor gezeigten Spektren bei diesen konstanten Druckshy

werten aufgenommen wurden zeigt Abb 30 die Aufnahme eines

Spektrums zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr Deutlich

laumlszligt sich die Desorption von molekularem Wasserstoff erkennen

2 reI Partialdruck- T intensitaumlten p(mlq) I

i

18 64 66 68

I f ilii 11 11111111 i 111 1 [ II III I I 1 [ 11 i 11 i i 1111 i 11 i IIII IIIIII I IIIII II i f 11 o o ltl) 0 ltl) o ltl) o ltl)

CJ CJ C) C) ltl) ltl) ltD ltD

mlq

Abb 30 Spektrum zu Beginn des Heizvorganges beim Messingrohr

In der Anfangsphase des Heizvorganges ist der Druck rucht mehr

konstant sondern steigt waumlhrend der Messung von 810-7 mbar auf

6middot100) mbar an Fuumlr die Aufnahme des Spektums wird eine Meszligzeit

von 4 Minuten benoumltigt (Massendurchlaufgeschwindigkeit des Masshy

senspektrometers 3 su)

Nach 8 Minuten Heizzeit laumlszligt bereits die Desorption des Wassershy

stoffes deutlich nach und es kann das in Abb 29 dargestellte

Spektrum gemessen werden Hierbei ist jedoch zu bemerken daszlig

Spektren die waumlhrend der Anfangsphase des Heizens aufgenommen

65

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

werden eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit zeigen Da sich die

Desorptionen nur bei dem erstmaligen Ausheizen nach dem Beluumlften

des Rezipienten nachweisen lassen sind die Spektren sowohl von der

Dauer der Beluumlftung als auch von der Luftfeuchtigkeit waumlhrend des

Beluumlftens abhaumlngig

Die Desorption von Wasserstoff in der Anfangsphase des Heizvorshy

ganges laumlszligt sich auch bei dem Kupferrohr nachweisen Bei allen

Ausheizprozessen ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wasserdampfshy

partialdruckes auf der Massenzahl 18 feststellbar Waumlhrend das

Verhaumlltnis der Partiaumlldruckintensitaumlt auf der Massenzahlen 18 zu der

auf der Massenzahl 28 im Restgas in Abb 18 etwa 34 zu 1 betraumlgt

betraumlgt es bei den Massenspektren der Ausheizprozesse etwa 5 zu 1

Hierin liegt der eigentliche Grund dafur warum UHV-Vakuumappashy

raturen immer ausgeheizt werden Dies ist die einfachste Moumlglichkeit

die Wasserfilme auf der Oberflaumlche der Rezipientenbewandungen zu

verdampfen und allmaumlhlich abzupumpen UHV-Apparaturen sind

deshalb mit Spezialdichtungen versehen die Ausheiztemperaturen

von mehreren hundert Grad Celsius vertragen Die Partialdruckshy

intensitaumlt des Wasserdampfes laumlszligt sich somit so stark reduzieren daszlig

das Restgas uumlber einer Turbomolekularpumpe im wesentlichen nur

noch aus Wasserstoff besteht

345 Massenspektrum eines RFQ-Bescbleunigers

Das Massenspektrometer laumlszligt sich leicht von der fur diese Arbeit

aufgebauten Versuchsapparatur trennen und kann somit auch an

anderen Vakuumapparaturen eingesetzt werden Fuumlr DESY 3 (Abshy

schnitt des Deutschen Forschungszentrums DESY in Hamburg)

wurde in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof Dr A Schempp ein

RFQ-Beschleuniger gebaut Dieser soll dort als Injektor dienen Um

den RFQ-Beschleuniger auf Verunreinigungen untersuchen zu koumlnshy

nen wurde das Massenspektrometer an die Beschleunigerkammer

angeschlossen und das in Abb 31 dargestellte Restgasspektrum aufshy

genommen

66

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

2 18

1I Tel Partialdruck- r mtensttaten pmlq) 28

I

I r 1 rr 41 43

m1q

Abb31 eines RFQ-Beschleunigers Bei dem oberen

vvurde die Y-Verstaumlrkung des Schreibers stark erhoumlht Der Wasserdampfpeak auf

der Massenzahl 18 wurde somit uumlbersteuert und bei der Aufnahme des Spektrums

( PtO( = 11105 mbar)

Das Massenspektrum wurde zweimal mit jeweils unterschiedlichen

Das untere Spektrum

uumlber den Massenbereich von 1

bis 100 laumlszligt sich erkennen daszlig der Totaldruck von

LImiddot) von dem Wasserdamptpartialdruck vershy

wird

Bei der Aufnahme des oberen Spektrums wurde die Y -Verstaumlrkung

des ritr stark erhoumlht und der Wasserdamptpeak

Wie bei den Restgasspektrum aus Abb 21 lassen sich die typischen

Peakgruppen

stand 14 (CH2-Abstand) erkennen (Zuordnungen siehe 3 1) Auch

hier darf jedoch Verunreinigung Beschleunigerkammer durch

Kohlenwasserstoffverbindungen nicht uumlberbewertet werden

mit JYiltgt~lUaUl

zum einen an dem relativ schlechten von

Plot 11-) Osmbar (Pumpzeit ca 30min) waumlhrend Aufnahme des

Spektrums zum auch an den

wahrscheinlichkeiten von schweren Kohlenwasserstoffen

67

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

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Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

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London 1

Vaeuum Teehnique

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[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

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[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

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bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

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WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

4 Ausblick

Das Quadrupolmassenspektrometer kann auch weiterhin immer dann

eingesetzt werden wenn eine Vakuumapparatur zB eine Beschleushy

niger- oder Plasmavakuumkammer auf Verunreinigungen untersucht

werden soll

Der unter 3 1 beschriebene Versuchsaufbau steht dem F ortgeshy

schrittenenpraktikum zur Verfugung Ein Teil der in dieser Arbeit

durchgefuhrten Experimente soll als Basis fur die AufgabensteIlung

dienen

Ein Vorschlag fur die AufgabensteIlung zum Praktikumsversuch ist

im Anhang 4 angegeben Das Hauptanliegen war es hierbei dem

Praktikanten einen Einblick in das Gebiet der Vakuumphysik sowie

der Massenspektrometrie zu ermoumlglichen ohne dabei jedoch zu sehr

auf Details einzugehen So werden Informationen uumlber die verschieshy

denen Druckbereiche des Vakuums der Vakuumpumpen und Vakushy

ummeter angeboten Die auch in der Praxis gaumlngjgen Methoden zur

Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens von Drehschieberpumpen

und Dichtheitspruumlfungen von Rezipienten sollen im Praktikum durchshy

gefuhrt werden (Messung der Auspump- und Druckanstiegskurve)

Mit Hilfe des Massenspektrometers sollen auszligerdem das Restgas des

Rezipienten das Massenspektrum von Luft und das von einem dem

Praktikanten unbekannten Gas analysiert werden Hierbei wird

praxisorientiert auf die schwierige Interpretation von Massenspektren

eingegangen

Stehen zwei Praktikum stage zur Verfugung sollen die Massenshy

spektren von ausgeheizten Kupfer- und Messingrohren aufgenommen

werden Die in der Vakuumtechnik vermiedene Verwendung von

Legierungen mit Zinkanteilen fur Vakuumapparaturen die ausgeheizt

werden sollen wird dabei begruumlndet

68

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Zusammenfassung

wurde Experiment zur

soll als fur einen fur Fortgeschrittenenpraktikum

dienen

physikalischen zu einem Verstaumlndnis

Experimente beitragen werden zweiten Abschnitt dieser

behandelt Sie keineswegs den Anspruch auf

Vollstaumlndigkeit und sollen lediglich das wesentliche

wissen bereitstellen

Im Teil dieser Arbeit wurde das effektive

vermoumlgen zweier Drehschieberpumpen bestimmt Es wurde f)-~-f)

sich defekte Drehschieber auf das Saugvermoumlgen von Drehshy

schieberpumpen

Mit Hilfe Druckanstiegsmethode die

Rezipienten sowohl qualitativ auch quantitativ

Auszligerdem wurden theoretischen

bei unterschiedlichen Leckgroumlszligen

Bestimmung des Turbomoleshy

kularpumpe wurde _~_~ effektiven Saug-

vermoumlgen und unterschieden werden muszlig Die

1m und FV-Bereich erhaltene hinreichende Abdichtung des

pienten wurde im HV-Bereich bestaumltigt

am gezeigt Im

Rezipienten die Partialdruckintensitaumlten von Wassershy

dampf Wasserstoff und Pumpenoumlldaumlmpfen dominieren Der -H~-

Anteil an und Stickstoff lieszlig

schlieszligen Mit Hilfe der Heliumlecksuche konnte dieses

am Nadelventillokalisiert rlU

Massenspektren von verschiedenen

von Kupfer- und Messingrohren aufgenommen und

Hierbei wurde auf die Probleime der Interpretation von

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Melufachionisierungen Bruckstuumlckionenbilshy

verschiedene Molekuumllionen der gleichen Massenzahl und

unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten 1 al1

Insbesondere wurde bei Ausheizexperimenten die Tatsache

daszlig fur Vakuumapparaturen die

werden sollen eine geeignete Legierung ist Die natuumlrlich

des abdampfenden wurde

durch die bestaumltigt

Abschieszligend wurde Desorption von physisorbierten

in der Anfangsphase Ausheizens von Messing- und Kupferobershy

nachgewiesen und RFQ-Beschleuniger der

von Dr A Schempp auf Verunreinigungen untersucht

70

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

6 Anhang

Anhang 1 Tabellen

1 Intensitaumltsverteilung Bruchstuumlckionen von COz-

Molekuumllen VLV~ lZC 160 z+_Ionen bei 70eV Elektronenenergie

Intensitaumlt []mJq Ion

12 12 C+

16

246

16 0+

12C 16 ~ ++

624

178

28

22

12C 16 0

13 C HO+

655

006

12C

29

44 100

13C 16116

46 OAI

45

12C 16 0 18 0+ I

Tab 2 Ionisierungswahrscheinlichkeiten w

Stickstoff bei ca lOOeV

Gasart

n-Cs

C6 H14

Cl

C6~(CH3h

OH

Cl

CHCl)

CCl4

Gasart

He

Ne

Hz

Luft

Nz

H2 0

CO

Ar

NO

w

015

030

035

044

10

10

10

10

105

12

12

13

Gasart

HF

HCI

N2 0

Kr

S~

Xe

CH4

C2~

Hg

w

lA

14

16

17

19

21

23

24

16

26

37

-1-9

60

66

59

70

68

78

18

31

37

48

60

27

71

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

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[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

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83

[Hen] M

koumlrpers

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1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

BruchstuumlchionenTab 3 Die

ekionen Massen- Bruchstuumlckionen zahlenzahl

CO

Hz 32 S + 34S+180160+

2

H+ 34

35 Cl +

4

35

cr+ 36 Arshy36

31 Cl + H+

H 37 CI+ 33 Ar +

376

387

C3 H3 +398

Ar+ C3 lL +4012

4113

4214

4315

0shy44CIL + N1-h +16

OH+ NB3 + 4517

4618 HzO+ OH+

48F H3 0+19

HF+ zONe + 5020

22 Neshy 5522 CO

C 5724 2 +

58 (Aceton)26

6427

6928 N

+ ~

COshy

C2 Hs - 15 N14 N+ 77 (phenyl)29

78NOmiddot (Benzol)30 C2

OH+ 8531

Oe - 32 S + 8732

72

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Anhang 2 Nomogramm

wurde Hilfe

bestimmt

l m

0117

tt (sec 10middot

L mlIJ

d cm

100

010 80

azo 50 50

00 ltO 040

01

02

1

2

5

8

10

JO ~ 050 ltgt

060 10~ 20

~ a ~ -gt Gl

EO~ 080 -S1(J shy~ OfJS - 500 shy 10t 090 ltgt ~ 4JZ

- 50 8 ~ f1J ~ 100

~ 095 -l 50 6

~ 095 10 5097 5

ag8 10

5 Jasg

2

1

Abb 32 Nomograrrun zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mit kreisrunden

Querschnitt fur Luft bei 20degC im Gebiet der Molekularstroumlmung [LG]

Der

165cm und d = 8cm werden durch

verbunden Der

Schnittpunkt Geraden mit d

punkt der

von etwa 80 Fuumlr

er

nochmals

lt 01 muszlig

ergibt sich

bereits berechneten

aus dem

beruumlcksichtigt werden (CI 1)

73

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Anhang 3 Typenbezeichnungen und Kenngroumlszligen der

verwendeten Instrumente

Duo 1 (Pfeiffer Balzers)

15m3h oder 1s

Enddruck lt 66middot1 mbar

Typ 055 (pfeiffer

Saugvermoumlgen 55 oder 198m3h

pend lt] 10-7 mbar

Drehfrequenz 90000 rnin- 1

TPR 010

Meszligbereich 1 mbar bis 56middot10-4 mbar

Relativer Meszligfehler bis zu 50 an den Meszligbereichsgrenzen

bis zu ] 5 m Intervallmitte

Typ 020 (Balzers)

Meszligbereich bis 10-1I mbar

Relativer HI bis zu an den

zu 5 der Intervallmitte

Typ 300 (Balzers)

Die automatische Umschaltung Piraru- und

erfolgt 6 -1 mbar

6 Quadrupol-Massenspektrometer

QMG ll2A

lu bis 100u

74

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Anhang 4 Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch

Sicherheitshinweise

Der Rotor der Turbomolekularpumpe dreht sich mit einer

von 90000 Umm oder

pienten waumlhrend Betriebs der Turbomotekularpumpe koumlnnen zu

von und Stator ruhren Dies hat eine

Zerstoumlrung der Pumpe zur Folge Es sind nicht nur die hohen Kosten

zu beachten 12000-DM) sondern auch die erhebliche

letzungsgefahr durch den sich (Drehshy

impulserhaltung) sowie Splitterwirkung

Aus diesem Grund sind Erschuumltterungen des Tisches sowie des

Rezipienten in Betrieb der Turbomolekularpumpe unter allen Umshy

staumlnden zu vermeiden

Das Feindosierventil

Turbinenschaufeln der Turbomolekularpumpe sind rur den

Druumlcken Aus Grund erhoumlht die

Steuerung der Turbomolekularpumpe die langsam auf

Arbeitsdrehzahl Dabei sink1 Druck im

Rezipienten Sinkt Druck nicht (z Lecks) so

schaltet die werden Beschaumldigungen

vermieden

Laufe Versuchs Massenspektrometer m

den Rezipienten eingelassen werden Wird dabei das Feindosierventil

zu weit zu schnelle eine Zerstoumlrung

der Turbomolekularpumpe bewirken Die Folgen sind (so)

Aus diesem Grund das Feindosierventil

Vorsicht zu oumlffnen und dabei der Druck zu Nach

Gebrauch es sofort zu schlieszligen ( nur zum Anschlag drehen

und auf keinen anknallen I

75

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Versuchsende

Bei Versuchsende Turbomolekularpumpe an der Steuerung ausshy

schalten und mind 15 min auslaufen lassen bevor beluumlftet wird Die

Vorpumpe weiter laufen lassen Nach dem Auslaufen der Turboshy

molekularpumpe ist Rezipient uumlber das Feindosierventil zu

beluumlften ( Ventil oumlffnen) das Ventil (Druck steigt

an) das Sicherheitsventil Vorpumpe und Rezipient

geschlossen (Stecker aus der Steckdose) Anschlieszligend kann die

Vorpumpe abestellt werden

AufgabensteUung

Diese sind ImBitte lesen Sie

Interesse zu beachten

1 Bestimmung des effektiven Saugvermoumlgens der

Drehschieberpumpe

11 Messung der Auspumpkurve

Das Volumen des Rezipienten wurde zu (15 plusmn 02) Liter bestimmt

Der wird beginnend Atmosphaumlrendruck Po ausgepumpt

und der Druck pet) im Rezipienten Funktion der Zeit alle 5 s

Die Messung abgebrochen werden wenn sich die

Meszliggeraumltes innerhalb der naumlchsten 5 s nicht mehr aumlndert

(dies nach von etwa 2 min Fall) Die Meszligdaten

sind entweder auf halblogarithrnischen Papier oder mit dem

praktikumseigenen (dh pet) gegen t)

Fuumlr die Auspumpkurve wird ein exponentieller Verlauf erwartet

Atmosphaumlrendruck [mbar] = effektives

der Pumpe [Us] V Volumen des Rezipienten [lJ und t = Zeit [s)

76

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Fuumlr den Anfangsbereich der Druckkurve ergibt sich eine Gerade Mit

Hilfe dieser Geraden laumlszligt sich leicht die Zeit t1l1O bestimmen nach der

der Druck gerade auf ein Zehntel seines Anfangswertes abgefallen ist

Hieraus laumlszligt sich das effektive Saugvennoumlgen der Drehschiebershy

pumpe bestinunen

Seff = In(lO)middot V(2) t 1110

Vergleichen Sie den errechneten Wert mit den Herstellerangaben

12 Leiten Sie im Protokoll die GI (2) aus der GI (1) her

13 Bestimmung des Enddrucks pend der Drehschieberpumpe

Es ist der mit der Pumpe erreichbare Enddruck pend zu bestimmen

Hierzu laumlszligt man die Pumpe (bei geschlossenem Gaseinlaszlig) so lange

laufen bis der Druck nicht mehr weiter sinkt Realistische

Pumpzeiten sind 15-20 min Der Hersteller gibt einen Enddruck von

6610-3 mbar an

14 Dichtheitspruumlfung und Bestimmung der Leckrate mit der

Druckanstiegsmessung

Lassen Sie den Rezipienten mit der Vorpumpe bis zum Enddruck

auspumpen (s 13) Schlieszligen Sie nun das Sicherheitsventil zwischen

Rezipient und Vorpumpe (Stecker aus der Steckdose entfernen

Vorpumpe laufen lassen) Auf keinen Fall duumlrfen Sie die Vorpumpe

abschalten solange im Rezipienten noch ein Unterdruck existiert

Durch das Vakuum kann das Vorpumpenoumll in den Rezipienten

hineingezogen werden Dies ist eine Katastrophe

Messen Sie den Druckanstieg bis dieser seinen Endwert erreicht hat

Berechnen Sie mit dem bekannten Volumen die Leckrate qL

77

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Beschreiben Sie ob die Apparatur sehr dicht hinreichend dicht oder

undicht ist Nach Beendigung der Druckanstiegsmessung stecken Sie

den Stecker des Sicherheitsventils wieder in die Steckdose

2 Massenspektrometrie

Machen Sie sich mit der Funktionsweise des F eindosierventils bei

noch ausgeschalteter Turbomolekularpumpe vertraut Oumlffnen Sie es

nicht weiter als 200 Skalenteile

Vor Inbetriebnahme des Massenspektrometers muszlig der Druck im

Rezipienten kleiner als 10-4 mbar sein Dazu schalten Sie bei Endshy

druck der Drehschieberpumpe die Turbomolekularpumpe zu

(Einschaltknopf an der Steuerung der Pumpe) Ab diesem Moment

darf der Tisch sowie der Rezipient keinen starken Erschuumltterungen

oder Bewegungen mehr ausgesetzt werden (s Gefahrenrunweise)

Die Turbomolekularpumpe laumluft langsam ihrer Enddrehzahl entgegen

(1-2 min) Ist die Drehzahl erreicht erscheint auf der Turboshy

steuerung eine gruumlne LED-Anzeige Lassen Sie die Turbomoshy

lekularpumpe mindestens 1 Stunde laufen bevor Sie das Massenshy

spektrometer in Betrieb nehmen (Die Mittagspause bietet dafur die

passende Gelegenheit)

Uumlberpruumlfen Sie folgende Einstellungen am Massenspektrometer

DVM = MASS

FIRST MASS = 0

WIDTH = 100

SPEED = 3 slu

SCAN=RESET

EMISSION = OFF

SEM- VOLTAGE = OFF

RANGE = 107

GAIN=x 10

78

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Schalten Sie nun von EMISSON OFF auf TOTAL Leuchtet

dabei EM OK in der Anzeige nicht auf so ist der Vorgang zu

wiederholen Wenn auch dies keinen Erfolg hat sind die

Verstaumlrkungen von RANGE und GAIN zu verkleinern Wenn das

Massenspektrometer angeschaltet wurde muszlig immer einmal auf

EMISSON OFF geschaltet werden bevor das Massenspektroshy

meter besser gesagt die Ionenquelle in Betrieb genommen werden

kann

21 Messung des Totaldrucks

Schalten Sie MODE auf TOTAL und bestimmen Sie den

Totaldruck Der Meszligbereich wird mit RANGE und GAIN eingestellt

Vergleiche Sie die Druckanzeige mit dem Penning Vakuummeter

(Beachten Sie die Meszliggenauigkeit von Vakuummessungen)

22 Aufnahme des Restgasspektrums

Das Betriebsgeraumlt ist fur einen Massenbereich von 1 bis 100 geeignet

Die momentan durch den Analysator durchgelassene Masse kann mit

dem Regler FIRST MASS eingestellt und dann am Anzeigegeraumlt

auf Stellung MASS digital abgelesen werden Um sich einen

Uumlberblick uumlber das Massenspektrum zu verschaffen ist das Spektrum

durch Veraumlndern von FIRST MASS per Hand abzufahren Dabei

sollte der Schreiber mitlaufen Suchen Sie die Masse mit der

maximalen Intensitaumlt und stellen Sie darauf die Schreiberempfindshy

lichkeit ein Zum Messen FIRST MASS auf 0 WIDTH auf

100 und SCANSPEED auf 3 su stellen Wird der Schaltershy

hebel auf SCAN gestellt startet der Meszligvorgang selbstaumlndig

Durch Umstellen auf RESET kann die Messung abgebrochen

werden

Bestimmen Sie die Massenzahlen der einzelnen Peaks Ordnen Sie

den Massen Elemente bzw Molekuumlle zu Beachten Sie moumlgliche

Fragmente und Mehrfachionisationen Bestimmen Sie die prozentuale

Zusammensetzung unter Beruumlcksichtigung der unterschiedlichen

79

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Ionisierungswahrscheinlichkeiten Welche Massen dominieren 1m

Restgas und warum

23 Analyse von Luft

Oumlffnen Sie das Feindosierventil und lassen Sie uumlber das Kapilarsystem

Luft in den Rezipienten ein bis der Druck ungefahr 1middot1 O~ mbar

betraumlgt (Ventil langsam oumlffnen Am Anfang hat das Ventil ein wenig

Totgang Beim Schlieszligen Ventil nur bis Anschlag drehen auf keinen

Fall anknallen)

Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum Bestimmen Sie die

prozentuale Zusammensetzung und vergleichen Sie diese mit der von

Luft Verdoppeln Sie den Druck und uumlberpruumlfen Sie wie sich die

Houmlhen der Massenpeaks veraumlndern

24 Analyse eines unbekannten Gases

Stuumllpen Sie vorsichtig den Gummiball mit einem unbekannten Gas

uumlber das Kapilarsystem und oumlffnen Sie die Klammer Oumlffnen Sie das

Feindosierventil bis zu einem Druck von ungefahr 5middot1 O~ mbar

Warten Sie 5 min bis das Gas durch das Kapilarsystem sich

gleichmaumlszligig im Rezipienten verteilt hat Nehmen Sie das Spektrum

auf Ziehen Sie das zuvor aufgenommene Untergrund spektrum vom

aufgenommenen Spektrum ab Bestimmen Sie die Massen der

einzelnen Peaks Ordnen Sie den Massen Elemente zu beachten Sie

moumlgliche Fragmente Welche Massen dominieren jetzt im Spektrum

Um welches Gas koumlnnte es sich handeln

(25) Messung der Massenspektren von ausgeheizten Kupfershy

und Messingrohren

Die folgenden Messungen sollten nur dann durchgefuhrt werden

wenn zwei Praktikumstage fur den Versuch zur Verfugung stehen

Lassen Sie nach Abschluszlig aller bisherigen Experimente die Vakuumshy

pumpen bis zur naumlchsten Sitzung laufen (Nadenventil schlieszligen

Massenspektrometer abstellen)

80

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

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84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Notieren Sie den nach einer Woche erreichten Enddruck und nehmen

Sie erneut das Restgasspektrum auf Welche Veraumlnderungen sind im

Vergleich zu dem vor einer Woche aufgenommenen Restgasspektrum

feststellbar

Erhitzten Sie das Kupferrohr in der Mitte mit Hilfe des Bunsenshy

brenners Kuumlhlen Sie hierbei die Loumltstellen mit feuchten Tuumlchern

Beobachten Sie die Druckanzeige bis diese einen nahezu konstanten

Wert anzeigt Nehmen Sie nun das Massenspektrum auf Welche

Massen dominieren jetzt im Spektrum

Loumlschen sie die Flamme des Brenners (Methanzufuhr schlieszligen) und

lassen Sie das Kupferrohr abkuumlhlen Entfernen Sie die Kuumlhlung der

Loumltstellen Erhitzen Sie erneut das Kupferrohr Welche Aumlnderungen

sind im Vergleich zu dem Spektrum mit Kuumlhlung der Loumltstellen zu

beobachten

Schlieszligen Sie die Methanzufuhr des Brenners und erhitzen Sie nach

einer Abkuumlhlzeit von etwa 15 min das Messingrohr mit Hilfe der

Heizwicklung (Loumltstellen kuumlhlen) Welche Massen lassen sich im

Spektrum nachweisen und warum Ist die Verwendung von Messing

bei Vakuumapparaturen sinnvoll

Auswertung

Beschreiben Sie mit kurzen Worten die vier verschiedenen Druckshy

bereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierungen Auszligershy

dem sollen die Funktionsweisen der Drehschieber- der Turbomoshy

lekularpumpe und der beiden Druckmeszliggeraumlte erklaumlrt werden (es

werden ein Pirani-Vakuummeter im Grob- und Feinvakuum und ein

Penning-Ionisations-Vakuummeter im Hochvakuum verwendet) In

welchen Druckbereichen arbeiten die Geraumlte und warum

Beschreiben Sie die drei Hauptbestandteile des Quadrupolmassenshy

filters (lonenquelle Quadrupolstaumlbe und Faraday Cup)

81

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Danksagung

Ich moumlchte mich bei all denjenigen bedanken die zum -wLU~U dieser

Arbeit

Mein Dank gilt Herrn Prof Dr Klein fur Aufnahme in das

Institut Physik

A Schempp danke ich die Anregung zu dieser Arbeit

und die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe

den Mitarbeiteren Arbeitsgruppe moumlchte ich mich die

freundliche Aufnahme bedanken danke ich Herrn

Zimmermann fur die staumlndige Hilfsbereitschaft und wertvollen

Gespraumlche

Den Mitarbeitern der feinmechanischen unter der Leitung

von Herrn G Hausen danke ich fur die Anfertigung der Kupfer- und

Messingrohre fur die Ausheizexperimente benoumltigt

Fuumlr die Bunsenbrenners und so

I Rat moumlchte ich H

bedanken

Herrn U Bessler danke ich die Unterstuumltzung bei der Messung am

RFQ-Beschleuniger

Nicht mein Dank meiner Freundin Isabel Dietrich und

Mutter J Eurich rur das dieser

Arbeit

82

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

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~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

Literaturverzeichnis

[Wu) M Wutz H Adam W Walcher

Vakuumtechniklt

Theorie und der

1982

Dushman

London 1

Vaeuum Teehnique

John amp

Chapman and Hall

York 1949

[Yar] 1 Yarwood High Vacuum Technique

London 1

Leybold-Heraeus GmbH Grundlagen der Vakuumshy

~ u und Tabellen Lichtenstein 1982

[Pir] M Pirani J Yarwood Pinciples of Vacuum -U~1U-

Chapman and Hall London 1961

[Ste] A Steinherz Handbook

Reinhold Publishlng

Chapman and London 1

High Vacuum Engineering

New York 1963

[BT] Balzers-Pfeiffer GmbH Beschreibung

lagen Einsatzbeispiele Leistungsdaten von Pfeiffer-Turboshy

molekularpumpen Kat-Nr PM 800 049 PD

[LT] Leybold-Heraeus GmbH Aufbau Wirkungsweise und Beshy

triebsverhalten von Turbomolekularpumpen Typs

bovac und von Titan-Verdampferpumpen Kat-Nr 2 L

[BP] Balzers-Pfeiffer GmbH Partialdruckmessung in der Vakushy

umtechnik BG 800 1 PD (8711)

[Lee) J H Pressure Measurement in Vacuum Chapman

Hall London 1964

83

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

[Che] dtv-Atlanten zur Chemie Band 1 und Muumlnchen 1

84

Versicherung

Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

Frankfurt am Main den 61 1998

85

[Hen] M

koumlrpers

W Goumlbe Oberflaumlchenphysik des

1991

[Pau] W Paul H Forschungsbericht uumlber die

Wirkungsweise des Quatrupolmassenfilters

z 1 1

[Bru] C Brunnee H Voshage Massenspektrometrie

Verlag Thieming Muumlnchen 1964

(Kie] H Kienitz Massenspektrometrie Verlag Chemie

WeinheimlBergstraszlige 1968

[Stouml] Taschenbuch der Physik

Deutsch Frankfurt a M 1993

Verlag

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Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

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Ich versichere hiermit daszlig ich die vorliegende

Arbeit selbstaumlndig verfaszligt keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel verwendet und saumlmtliche

Stellen die benutzten Werken im Wortlaut oder dem

Sinne nach entnommen sind mit Quellenangaben

kenntlich gemacht habe

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