Untersuchungen über die Kondensation verschiedener Gase

47 Pages·1966·1.128 MB·German

by  Dipl.-Phys. Dietrich Bachner, Dipl.-Phys. Winfried Koelzer, Dr. Dietrich Müller (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1643
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 66.095.3: 53.083
Dipl.-Phys. Dietrich Bachner
Dipl.-Phys. Winfried Koelzer
Dr. Dietrich Müller
Institut für Angewandte Prysik der Universität Bonn
Untersuchungen über die Kondensation
verschiedener Gase
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1966
ISBN 978-3-663-06557-9 ISBN 978-3-663-07470-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07470-0
Verlags-Nr.2011643
© 1966 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag·
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen 1966.
Inhalt
1. Einleitung...................................................... 7
2. Grundlagen der Messungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 Atomare Vorgänge beim Schichtaufbau ....................... 8
2.2 Sauggeschwindigkeit und Kondensationswahrscheinlichkeit . . . . . . 10
3. Aufbau der Vakuumapparatur . . . ... . . . . . . . . .. . . . .... . . . ... . . . ... .. 13
4. Aufbau des Kühlsystems ......................................... 15
4.1 Konstruktion des Kondensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
4.2 Kühlmittel und Kühlmitteltransport .......................... 16
4.3 Temperaturmessung und -regelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5 . .i'vlessungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
5.1 Meßmethode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
5.1.1 Allgemeiner Meßablauf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
5.1.2 Messung der Einlaßrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
5.2 Dampfdruckmessungen ..................................... 23
5.3 Messungen der Kondensationswahrscheinlichkeit .... . . . . . . . . . .. 25
5.4 Meßfehler.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
6. Diskussion ..................................................... 30
6.1 Interpretation des Kondensationsverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
6.2 Vergleich mit Messungen anderer Autoren .................... 31
7. Betrieb der Apparatur als Kryopumpe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
8. Zusammenfassung............................................... 35
9. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
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1. Einleitung
In den letzten Jahren wurden - hauptsächlich im Hinblick auf Anwendungen in
der Vakuumtechnik - eine Reihe von Untersuchungen [1, 2, 3, 4, 5] über die Kon
densation von Gasen - meist Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxyd - bei
niedrigen Drücken gemacht. Bei einer Gegenüberstellung der dort veröffentlichten
Ergebnisse kann man, soweit sich diese überhaupt vergleichen lassen, z. T. erheb
liche Abweichungen voneinander sowohl in den Zahlenwerten als auch im prinzi
piellen Verhalten feststellen. Einige Untersuchungen wurden nur für spezielle
Fälle, etwa nur für sehr große Übersättigungen, durchgeführt (Übersättigung ist
hier definiert als das Verhältnis von Meßdruck P zu Sättigungsdampfdruck PD).
Zweck dieser Arbeit ist es, das Kondensationsverhalten bei nicht zu großen Über
sättigungen (P/PD zwischen 2 und 1000) zu untersuchen. Die Messungen werden
mit Kohlendioxyd, Stickstoff, Wasserstoff und Xenon durchgeführt. Diese Gase
unterscheiden sich in ihrem Aufbau - ein dreiatomiges Molekül (C02), zwei zwei
atomige Moleküle (N2 und H2) und ein einatomiges Edelgas (Xe). Abgesehen von
Xenon sind Angaben über sie für die Vakuumphysik interessant.
Die einfachste Verwirklichung einer Apparatur zur Messung der Kondensations
koeffizienten ist das Füllen einer Kühlfalle mit flüssigem Wasserstoff oder Helium
[6]. Dieses Verfahren arbeitet aber wegen der Schwierigkeit des Nachfüllens der
Kühlfallen diskontinuierlich und ist an die Siedetemperatur der Kältemittel ge
bunden. Für diese Arbeit wird eine Anordnung benutzt, die ein kontinuierliches
Kühlverfahren bei verschiedenen, einstellbaren Temperaturen unter definierten
Arbeitsbedingungen ermöglicht.
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2. Grundlagen der Messungen
Bei der Kondensation von Gasen an tiefgekühlten Oberflächen handelt es sich um
einen Grenzflächenprozeß, der nur teilweise durch die klassische Physik be
schrieben werden kann.
Eine Berechnung der atomaren Vorgänge beim Schichtaufbau muß mit Hilfe der
Quantenmechanik erfolgen. Solche Rechnungen erweisen sich jedoch als außer
ordentlich schwierig und haben bisher noch nicht zu aus wertb aren Resultaten
geführt. Im folgenden kann deshalb nur ein qualitatives Modell für die Vorgänge
an der Oberfläche gegeben werden, wie es etwa MAYER [7] beschreibt.
2.1 Atomare Vorgänge beim Schichtaufbau
Trifft ein Atom (oder Molekül) auf eine Oberfläche, so kann es im Potentialfeld
der Oberflächenatome (oder -moleküle) verschiedene Reaktionen durchführen
(Abb.1):
a) Das Atom gibt während seines kurzen (etwa eine Schwingungsperiode) Auf
enthaltes im Potentialfeld der Oberflächenatome keine oder nur sehr wenig
Energie ab. Es wird reflektiert. Nach LANGMUIR [8] kommt eine solche
Reflexion nur selten vor, neuere Arbeiten [23] scheinen dies jedoch nicht zu
bestätigen.
b) Das Atom gibt seine Energie an die Oberfläche ab und wird dort gebunden.
Reicht seine Energie aus, um den Potentialsattel bei A zu überschreiten, so
kann es in die tiefere Potentialmulde II gelangen. Man spricht dann von
Chemisorption. Bei einer Bindung des Atoms in der flacheren Potentialmulde I
spricht man von Adsorption oder Kondensation, je nachdem, ob es sich um
ein Bindung an der artfremden Trägeroberfläche (physikalische Adsorption)
oder an der arteigenen Schicht (Kondensation) handelt. Die folgenden Über
legungen und Messungen beziehen sich nur auf die Kondensation der Gase.
Chemisorption findet hier nicht statt.
Wird dem Atom - etwa durch die thermische Energie der Oberfläche - ein
Energiebetrag zugeführt, der größer als die Verdampfungs energie ist, so kann
es die Oberfläche wieder verlassen (verdampfen). Die Wahrscheinlichkeit dafür
läßt sich aus den Werten der entsprechenden Dampfdruckgleichung be
rechnen.
Außerdem kann ein Atom, bevor es endgültig verdampft oder kondensiert,
noch bei hinreichend großer Energiezufuhr - der Platzwechselenergie E PI,
die kleiner als die Verdampfungsenergie Bv ist - eine sogenannte Oberflächen-
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wanderung (Platzwechsel) durchführen. Die Wahrscheinlichkeit für emen
solchen Platzwechsel ist nach MAYER [7] gegeben durch:
W PI = L/-1, e -EPl/kT (1)
Dabei ist A eine schwache Funktion der Temperatur.
O~-4----------r---~~~--~---------
Abstand von
der Oberfläche
Abb. 1 Potentialverlauf senkrecht zur Oberfläche
b
c
Abb. 2 Durch ein Adatom gestörtes Potentialfeld längs der Oberfläche
Ob ein auf die Oberfläche auftrefFendes Atom dort reflektiert wird, direkt konden
siert oder eine Oberflächenw anderung durchführt und danach verdampft oder
kondensiert, hängt außer von seiner Energie sehr von den Gegebenheiten der
Oberfläche ab. Im Idealfall hätte das Oberflächenpotential (Potential längs der
Oberfläche) einen periodischen Charakter, wie es die Kurve a in Abb. 2 [7] zeigt.
Durch ein auf dieser ideal gedachten Oberfläche kondensiertes Atom (im folgenden
Adatom genannt) erhält man durch Überlagerung der Kurve a mit der Kurve b
(van-der-Waals-Potential des Adatoms ähnlich Abb.1) einen resultierenden
Potentialv erlauf, wie ihn Kurve c zeigt. Man sieht daraus, daß die Potentialmulden
zum Adatom hin tiefer werden. Ein neuankommendes Atom wird dort also be
sonders fest gebunden sein. Deshalb gibt es nun auf der Oberfläche Plätze ver
schieden großer Bindungsfestigkeit; die Kondensationswahrscheinlichkeit ist also
von der Struktur der Oberfläche abhängig. Bei höheren Drücken bildet sich ver
mutlich eine weniger homogene Oberfläche des Kondensats aus als bei niedrigen
Drücken. Somit sollte man für höhere Drücke eine größere Kondensationswahr
scheinlichkeit erwarten.
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Bei der Oberflächenwanderung wird es Vorzugsrichtungen zu Adatomen geben,
die als Wachstums kerne dienen. Die für einen Platzwechsel nötige Energie kann
außer durch die thermische Energie des Trägers durch die Kondensationswärme
der kondensierenden Atome geliefert werden. Die Wahrscheinlichkeit für einen
solchen Platzwechsel in Richtung auf eine Stelle höherer Bindungsfestigkeit ist
dann eine Funktion der Trägertemperatur und der Kondensationsgeschwindigkeit.
Die angedeuteten Effekte lassen sich im einzelnen nur schwer verfolgen. Man
begnügt sich deshalb damit, das Kondensationsverhalten eines Gases etwas
pauschal durch die sogenannte effektive Kondensationswahrscheinlichkeit IX zu
beschreiben, die im folgenden Abschnitt definiert wird.
2.2 Sauggeschwindigkeit und Kondensationswahrscheinlichkeit
Da unter geeigneten Bedingungen zumindest ein Teil der auf eine Kaltfläche
(Kondensor) auftreffenden Gasatome dort kondensiert, besitzt der Kondensor
eine Pumpwirkung. Seine bei gegebenem Druck und Temperatur theoretisch zu
erwartende Sauggeschwindigkeit im Knudsen-Bereich (d. h. mittlere freie Weg
länge groß gegenüber den Rezipientendimensionen) läßt sich aus der kinetischen
Gastheorie ableiten. Danach gilt für die pro sec auf einen cm2 des Kondensors auf
treffende Zahl der Atome N:
- -
c p' c
N=n- =-- (2)
4 4kT
(3)
P = Rezipientendruck
T = Gastemperatur
M = Molekulargewicht
n = Teilchendichte
Die Zahl der pro sec und cm2 vom Kondensat maximal abdampfenden Teilchen
ist durch den Dampfdruck PD bei der Kondensortemperatur Tk gegeben und
beträgt:
(4)
Falls alle auftreffenden Teilchen kondensieren, ist die Bilanz (N-N') ein Maß
für die spezifische, das heißt auf 1 cm2 der Kaltfläche normierte Sauggeschwindig
keit s. Es gilt:
lV-N'
s= (5)
n
10
Für N' ~ N erhält man die maximal erreichbare spezifische Sauggeschwindig
keit Sm = N = 3,64' 1V/ T (I. sec-I. cm-2).
n M
In Wirklichkeit wird wegen der in Teil 2.1 beschriebenen Prozesse die Saug
geschwindigkeit um den Faktor oe kleiner sein. Man nennt oe (effektive) Konden
sationswahrscheinlichkeit oder Kondensationskoeffizient des entsprechenden
Gases. Für die spezifische Sauggeschwindigkeit s des Kondensors erhält man
damit: V )
~ ~;
s = oe N --; N' = oc . Sm • (1 - (6)
PD = Sättigungsdampfdruck (bezogen auf T K)
T R = Gastemperatur (Rezipiententemperatur)
T K = Kondensortemperatur
Tab. 1 Maximal erreichbare spezifische Sauggeschwindigkeit Sm bei 20°C
Gasart spez. Sauggeschwindigkeit
.fm
1 . sec-I. cm-2
Wasserstoff 44
Helium 32,2
Methan 15,6
Stickstoff 11,8
Sauerstoff 11,0
Argon 9,85
Kohlendioxid 9,38
Xenon 5,45
Eine nach dem Kondensationsprinzip arbeitende Pumpe kann nach Gl. (6) den
Druck im Rezipienten nur bis auf den der Temperatur des Kondensors ent
sprechenden Sättigungsdampfdruck der am schwersten kondensierbaren Restgas
komponente erniedrigen, weil dann die Sauggeschwindigkeit Null wird. Die
Tab. 2 zeigt die Zusammensetzung trockener atmosphärischer Luft unter Nor
malbedingungen [9].
Tab. 2 Zusammensetzung trockener Luft
Gasart Partialdruck [Torr]
Stickstoff 593
Sauerstoff 159,2
Argon 7,1
Neon 1,4' 10-2
Helium 3,8' 10-3
Wasserstoff 3,8' 10-4
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