Praktikum z vakuové fyziky
Úloha 8: Čerpací efekt molekulového síta
Úvod
Tato úloha se zabývá čerpacím efektem molekulového síta a měřením jeho čerpací rychlosti.
Aparatura se skládá z rotační olejové vývěvy, komory a molekulového síta (zeolitu) ve skleněné ampuli. Kulový ventil odděluje vývěvu od zbytku aparatury. Druhý zavzdušňovací ventil slouží k zavzdušnění komory. Tlak měříme pomocí kombinovaného manometru MKS 910, který v sobě skrývá manometr MicroPirani a Piezo měrku. Mezi jednotlivými manometry systém přepíná automaticky, dle jejich měřících rozsahů.
Automatizace záznamu je založena na naprogramovaných elektronických součástkách, konkrétně modulu Arduino Ethernet a zesilovači pro termočlánek Čerpací rychlost metodou konstantního objemu můžeme určit pomocí vztahu
kde S^-tx je průměrná čerpací rychlost v časovém intervalu £2 — h, V je objem aparatury, Pt\ je tlak v čase t\, Pt2 je tlak v čase £2 a Po je mezní tlak aparatury.
Kontrolní otázky
• V jakém rozsah tlaků měří manometr MicroPirani a v jakém Piezo
měrka?
1
• Jakým způsobem zregenerujeme molekulové síto, proč je vůbec nutné ho regenerovat?
• K čemu můžeme využít molekulového síta ve vakuové technice? Úkoly a pracovní postup
• Prohlédněte si aparaturu a seznamte se s jejím ovládáním.
• Na úvod změřte nepřímo objem aparatury, která je zavzdušněná. Na malý černý ventil nasaďte stříkačku a pomocí ní několikrát odsajte plyn a sledujte pokles tlaku. Následně několikrát zvyšte tlak plynu pomocí stříkačky. Zaznamenávejte si ručně hodnoty tlaků. Objem spočítejte ze stavové rovnice ideálního plynu.
• Zregenerujte molekulové síto zahřátím na teplotu 300 °C. Teplotu měřte pomocí termočlánku umístěném v topném hnízdě, které obklopuje skleněnou ampuli se zeolitem. V této části úlohy si nezaznamenávate žádná data - regenerace molekulového síta je nutná pro obnovení jeho sorpční schopnosti.
• Nyní budeme měřit tlak v závislosti na teplotě při postupném chladnutí zeolitu. Vypneme vývěvu, abychom mohli pozorovat změnu tlaku v závislosti na měnící se teplotě. Termočlánek je připojen k elektronice starající se o záznam dat. Automatický záznam dat zapnete stisknutím a krátkým podržením červeného tlačítka (držte, dokud se na displeji neobjeví START). Data budou zaznamenána na SD kartu, ze které si je na závěr stáhnete.
• Při teplotě kolem 100 °C ampuli se zeolitem prudce zchlaďte jejím ponořením do tekutého dusíku.
• Měřte až do tlaku odpovídajícímu jednotkám Pascalů. Pro ukončení záznamu dat stiskněte a chvíli podržte černé tlačítko (držte, dokud se na displeji neobjeví STOP). Výstupem bude soubor s příponou .dat obsahující tři sloupce - první obsahuje data pro čas, druhý pro napětí a třetí pro teplotu. Hodnoty napětí převeďte na tlak. Pozn. V části experimentu po zchlazení tekutým dusíkem bude termočlánek ukazovat teplotu okolí
2
(není schopen změřit tak nízké teploty). Takže z druhé části experimentů nezískáte údaj o teplotě.
• Zaznamenaný průběh poklesu tlaku v čase vyneste do grafu.
• Z průběhu poklesu tlaku v čase spočítejte čerpací rychlost molekulového síta. Do grafu vyneste čerpací rychlost molekulového síta v jednotkách m3h_1 v závislosti na tlaku.
• Diskutujte průběh čerpací rychlosti v závislosti na poklesu tlaku a vyhodnoťte chybu měření tlaku.
3