"Allgemeine Hinweise und eine Einführung in **Physik des Vakuums** finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuum](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum.md).\n",
"\n",
"---"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "66e76e8e-eab7-4f1c-80e2-70be8016f884",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true,
"tags": []
},
"source": [
"## Aufgabe 1: Versuchsaufbau"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "3ce12aa4-c187-4acb-a9d1-c1dda76f8861",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true,
"tags": []
},
"source": [
"### Aufgabe 1.1: Orientierung und Beschreibung des Versuchsaufbaus"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "d72c3762-da93-4ff7-86ed-e7b306ffd356",
"metadata": {
"tags": []
},
"source": [
" * Sie sollten den Versuchsaufbau **im folgenden Zustand** vorfinden: \n",
" * Alle Apparaturen sind bei Atmosphärendruck belüftet. \n",
" * Das VS ist mit Indium bestückt.\n",
" * Die Glasglocke wurde von alten Aufdampfbelägen gereinigt. \n",
" * Dokumentieren Sie den Zustand des Experiments in Ihrem Protokoll.\n",
" * **Folgen Sie den Leitungen** und identifizieren Sie die verwendeten Elemente mit den Schaltsymbolen aus **Abbildung 1** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/README.md).\n",
" * Fassen Sie die **Funktionsweisen und Messgenauigkeiten der verwendeten Vakuummeter** für Ihr Protokoll zusammen. \n",
" * Schätzen Sie die **Kraft ab, mit der die Glasglocke auf die Gummidichtung gedrückt wird**, wenn sie vollständig evakuiert ist.\n",
"\n",
"**Achtung: Die drei Versuchsaufbauten sind nicht gleich!** Apparatur 153 ist als einzige mit der Gasentladungsröhre für **Aufgabe 1.2** ausgestattet, dafür fehlt dort die Möglichkeit zur Messung der Überschlagsfestigkeit für **Aufgabe 3.2**.\n",
"\n",
"---\n",
"\n",
"Weitere Details zur **Funktionsweise der verwendeten Vakuummeter** finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuummeter](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuummeter.md).\n",
" * Bei diesem Versuchsteil handelt es sich um einen **Demonstrationsversuch, den alle Gruppen gemeinsam mit Ihrem:r Tutor:in durchführen**. \n",
" * Die TMP bleibt für diesen Versuchsteil **außer Betrieb**. \n",
" * Evakuieren Sie den RZ und die Gasentladungsröhre gemeinsam mit Hilfe der DSP. Dabei sollten die **Ventile V1 und V2 geöffnet** sein.\n",
" * Das Hochspannungsgerät zur Erzeugung der Gasentladungen sollte **zu jedem Zeitpunkt eingeschaltet** sein. \n",
" * **Schließen Sie nach dieser Aufgabe das Ventil zur Gasentladungsröhre** für alle folgenden Aufgaben."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "3bbde76c-82cf-4ac8-a419-babe7c87e190",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true,
"tags": []
},
"source": [
"## Aufgabe 2: Saugvermögen und Strömungsleitwert"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "72b5858a-1309-4b89-886f-80d4f5819b88",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true
},
"source": [
"### Aufgabe 2.1: Saugvermögen der DSP"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "7c9a4fa4-bf53-4dc2-816e-52cfb76b3841",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true,
"tags": []
},
"source": [
" * Nehmen Sie hierzu **$5\\ \\mathrm{min}$ lang alle $5\\ \\mathrm{s}$ einen Messpunkt bei T1** auf. Es handelt sich dabei um 60 Messpunkte.\n",
" * Stellen Sie $S_{\\mathrm{eff}}(p)$ als Funktion von $\\log(p/p_{0})$ geeignet graphisch dar.\n",
" * Schätzen Sie hierzu geeignete Unsicherheiten auf alle Messgrößen ab und tragen Sie alle Datenpunkte mit Fehlerbalken entlang der $x$- und $y$-Achsen auf.\n",
" * Nutzen Sie zur Bestimmung von $S_{\\mathrm{eff}}(p)$ Gleichung **(2)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum-Technik.md), wobei $t_{0}$ der Zeit zu Beginn der Evakuation und $V$ dem **Volumen der gesamten Apparatur** entsprechen.\n",
" * Vergleichen Sie $S_{\\mathrm{eff}}(p)$ mit der nominelen Saugleisung $S$ der DSP, wie Sie sie aus den [Datenblatt](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/Datenblatt.md) zum Versuch entnehmen können. Ein qualitativer Vergleich genügt! \n",
"\n",
"**Hinweise zur Auswertung:**\n",
"\n",
" * Diskutieren Sie den **Verlauf der Kurve** von $S_{\\mathrm{eff}}(p)$.\n",
" * Wie ist diese Darstellung als Funktion der Zeit zu lesen?\n",
" * Sie sollten abhängig von $p$ (im Plot von rechts nach links) grob drei Bereiche identifizieren können:\n",
" * **Bereich I**: Hier nimmt $S_{\\mathrm{eff}}(p)$ mit abnehmendem Druck zu;\n",
" * **Bereich II**: Hier gilt über einen größeren Druckbereich $S_{\\mathrm{eff}}(p)\\approx const.$;\n",
" * **Bereich III**: Hier nimmt $S_{\\mathrm{eff}}(p)$ mit abnehmendem Druck wieder ab.\n",
" * Diskutieren und erklären Sie das Zustandekommen der jeweiligen Kurvenabschnitte.\n",
" * In **Bereich II** ist Gleichung **(2)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum-Technik.md) über einen Druckbereich von 1--2 Größenordnungen anwendbar.\n",
" * Um welche Zeitspanne handelt es sich dabei?\n",
" * Wählen Sie fünf bis zehn Messpunkte aus diesem Bereich aus und stellen Sie $p(t)$ für diesen Bereich dar.\n",
" * Passen Sie das Modell eines exponentiellen Verlaufs, wie in Gleichung **(2)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum-Technik.md) an die Daten an.\n",
" * Gehen Sie bei der Diskussion auf den $\\chi^{2}$-Wert dieser Anpassung ein. Kann dieses Modell die Daten beschreiben? \n",
" * Schalten Sie nach der Messung die DSP ab.\n",
"\n",
"---\n",
"\n",
"Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuumtechnik](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuumtechnik.md).\n",
"\n",
"---"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "f7253ea4-5bea-4d4e-8627-d4313f6c7f38",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true
},
"source": [
"### Aufgabe 2.2: Leitwert eines dünnen zylindrischen Rohrs"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "75611976-8dd4-4ccb-8549-58bc4b7f4e2b",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true,
"tags": []
},
"source": [
" * Zeichnen Sie **$5\\ \\mathrm{min}$ lang etwa alle $5\\ \\mathrm{s}$ den zeitlichen Verlauf des Drucks jeweils bei T1 und T2** auf. Es handelt sich dabei um 120 Messpunkte. \n",
" * Stellen Sie $p_{1}$ (**bei T1**) vor und $p_{2}$ (**bei T2**) hinter dem Rohr, **über die komplette Zeitspanne der Messung**, als Funktion der Zeit dar. \n",
" * Bestimmen Sie $S_{\\mathrm{eff},1}$ und $S_{\\mathrm{eff},2}$ auf die gleiche Weise, wie in **Aufgabe 2.1**.\n",
" * Beachten Sie bei den Berechnungen, dass sich durch den Austausch des Metallwellschlauchs durch das Rohr das Gesamtvolumen $V$ der Apparatur verändert. Die Daten zur Berechnung der Volumina von Wellschlauch und Metallrohr finden Sie im [Datenblatt](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/Datenblatt.md) zum Versuch.\n",
" * Bestimmen Sie aus $S_{\\mathrm{eff},1}$ und $S_{\\mathrm{eff},2}$ den Strömungsleitwert $L$ des Rohrs.\n",
" * Schätzen Sie mit Hilfe der Größe $d\\bar{p}$ ab, in welchem Strömungsbereich sich die Apparatur befindet.\n",
" * Vergleichen Sie den gemessenen Wert von $L$ dann qualitativ mit der Erwartung aus Gleichung **(7)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum-Technik.md).\n",
" * Schalten Sie die DSP nach der Messung ab, belüften Sie RZ und tauschen Sie das Metallrohr wieder gegen den Metallwellschlauch aus.\n",
"\n",
"---\n",
"\n",
"Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuumtechnik](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuumtechnik.md).\n",
"\n",
"---"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "efaa7c06-9983-4b56-8bcb-5240d185f92a",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true
},
"source": [
"### Aufgabe 2.3: Betrieb der TMP"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "47a592c3-4af3-4024-9ad7-799f6beef4d5",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true,
"tags": []
},
"source": [
" * Zeichnen Sie **$5\\ \\mathrm{min}$ lang etwa alle $5\\ \\mathrm{s}$ den zeitlichen Verlauf des Drucks jeweils bei T3 und/oder IM** auf. Es handelt sich dabei um bis zu 60 Messpunkte. \n",
" * Bestimmen Sie $S_{\\mathrm{eff}}$ auf die gleiche Weise, wie in **Aufgabe 2.1**.\n",
" * Da die TMP bis zur vollen Saugleistung eine Anlaufzeit von ca. $2\\ \\mathrm{min}$ benötigt, sollte sie nicht erst bei sehr niedrigem Druck eingeschaltet werden.\n",
" * Die Apparatur sollte vor Beginn dieses Versuchsteils mindestens bis zu einem Druck von ${\\approx}0.2\\ \\mathrm{mbar}$ teilbelüftet sein.\n",
" * Evakuieren Sie die Apparatur dann mit der DSP und schalten Sie bei einem Druck von ${\\approx}0.08\\ \\mathrm{mbar}$ die TMP zu. \n",
" * Halten Sie während des gesamten Vorgangs der Evakuierung das Ventil V3 geöffnet.\n",
" * Auf diese Weise können Sie höhere Drucke bei T3 ablesen. \n",
" * Lesen Sie dann bei geeignet niedrigen Drucken den Druck bei IM ab. \n",
" * Lassen Sie die TMP für den nächsten Versuchsteil eingeschaltet.\n",
"\n",
"**Hinweise zur Auswertung:**\n",
"\n",
" * Stellen Sie $S_{\\mathrm{eff}}$ als Funktion von $log(p/p_{0})$ dar. \n",
" * Diskutieren Sie den Verlauf von $S_{\\mathrm{eff}}$ für die TMP.\n",
"\n",
"---\n",
"\n",
"Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuumtechnik](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuumtechnik.md).\n",
"\n",
"---"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "1716e022-ca6d-4e4e-a271-6e2623bae187",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true,
"tags": []
},
"source": [
"## Aufgabe 3: Einfache Experimente im Vakuum"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "fbc914cd-af90-4747-9bd6-65802d51ab25",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true
},
"source": [
"### Aufgabe 3.1: Statische Kalibration von T3"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "650d5bf1-eaf8-4d59-bfe1-4148916e5752",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true,
"tags": []
},
"source": [
"**Algorithmus zur Kalibration:**\n",
"\n",
" * In der Ausgangssituation sollte V3 geschlossen, B2 geöffnet und der RZ mit Hilfe der DSP und der TMP evakuiert sein. \n",
" * Schließen Sie V2 bei einem Druck von $p\\lesssim10^{-4}\\,\\mathrm{mbar}$ und trennen Sie damit den RZ vom Rest der Apparatur ab. Sie können die beiden Pumpen daraufhin abschalten. \n",
" * **Schritt 1:** Schließen Sie B2. Öffnen Sie daraufhin V3 und lesen Sie den sich einstellenden Druck **bei T3** ab. \n",
" * **Schritt 2:** Schließen Sie V3 und öffnen Sie daraufhin B2, damit sich im kleineren Referenzvolumen (RV [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/figures/VakuumSkizze.png)) erneut Atmosphärendruck ($p_{0}$) einstellen kann.\n",
" * Wiederholen Sie diesen Vorgang beginnend mit **Schritt 1**, solange bis sich in RZ ein Druck von $p\\approx80\\,\\mathrm{mbar}$ einstellt.\n",
" * Sie sollten auf diese Weise 15--20 Messpunkte $(\\Delta p_{i}, p_{\\mathrm{RZ},i})$ erhalten. \n",
" * **Warten Sie jeweils den Druckausgleich im Gleichgewichtszustand ab**. \n",
"\n",
"**Hinweise zur Auswertung:**\n",
"\n",
" * Stellen Sie die Datenpunkte $(\\Delta p_{i}, p_{\\mathrm{RZ},i})$ geeignet dar. Schätzen Sie dafür für die Messwerte geeignete Unsicherheiten ab.\n",
" * Passen Sie an die Datenpunkte ein Modell der folgenden Form an:\n",
" * Die Variablen $\\alpha$ und $\\beta$ sind dabei freie Parameter der Anpassung.\n",
" * Überprüfen Sie anhnad des $\\chi^{2}$-Werts der Anpassung, wie gut das zugrunde liegende Modell die Daten beschreiben kann.\n",
" * Was bedeutet es, falls das Modell die Daten nicht beschreiben kann?\n",
" * Überprüfen Sie die Kompatibilität von $\\alpha$ und $\\beta$ mit Ihrer Erwartung aus dem zugrunde liegenden Modell aus Gleichung **(1)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuummeter.md).\n",
" * Als Grundlage hierfür kann Ihnen der *pull* unter Verwendung der jeweiligen Unsicherheiten aus der Anpassung dienen. \n",
" * Tragen Sie die Werte $p_{\\mathrm{RZ},i}$ der Anzeige von T3 gegen $p_{\\mathrm{RZ},0}+\\sum\\limits_{j=0}^{i} \\Delta p_{j}$ auf, um eine Kalibrationskurve für T3 zu erhalten. Dabei können Sie den ersten Messwert $p_{\\mathrm{RZ},0}$ als Aufpunkt verwenden. \n",
"\n",
"---\n",
"\n",
"Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuummeter](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuummeter.md).\n",
"Die elektrische Durchschlagfestigkeit quantifizieren wir durch die **Spannung $U_{\\mathrm{KE}}$, ab der es zwischen den KE zu elektrischen Entladungen kommt**. Gehen Sie hierzu wie folgt vor: \n",
"\n",
" * Schalten Sie die TMP zunächst aus und evakuieren Sie den RZ nur mit Hilfe der DSP. \n",
" * Schließen Sie nach erreichen des gewünschten Drucks V1, so dass der Druck im RZ während der sich anschließenden Messung konstant bleibt.\n",
" * Beginnen Sie mit der belüfteten Apparatur bei Atmosphärendruck.\n",
" * Erhöhen Sie die Spannung zwischen den KE bis es zur Gasentladung kommt.\n",
" * Evakuieren Sie daraufhin den RZ bis auf halben Atmosphärendruck und erhöhen Sie die Spannung wieder bis zur Entladung. \n",
" * Wiederholen Sie diese Vorgehensweise bis Sie einen Druck von $p\\approx0.08\\ \\mathrm{mbar}$ erreicht haben. In diesem Druckbereich wird es zunehmend schwieriger den Druck im RZ konstant zu halten.\n",
" * Um leichter und schneller an weitere Messwerte zu gelangen, evakuieren Sie nun zusätzlich und ohne Unterbrechung mit der TMP bis zu einem Druck von $p\\lesssim10^{-4}\\ \\mathrm{mbar}$.\n",
" * Schalten Sie die TMP aus und schließen Sie V2. Der Druck im RZ wird nun von selbst steigen. \n",
" * Nehmen Sie sobald wie möglich (für $U \\leq9\\ \\mathrm{kV}$) weitere Messwerte auf. Die Messreihe endet, wenn ein Druck von $p\\approx0.08\\ \\mathrm{mbar}$ erreicht ist.\n",
" * Auf diese Weise sollten Sie 15--20 Datenpunkte $(U_{\\mathrm{KE}},p_{\\mathrm{RZ}}$ aufnehmen können.\n",
"\n",
"**Hinweise zur Auswertung:**\n",
"\n",
" * Tragen Sie die aufgenommenen Datenpunkte $(U_{\\mathrm{KE},i},p_{\\mathrm{RZ},i})$ geeignet auf. Es empfiehlt sich z.B. eine logarithmische Skala auf der $x$-Achse und eine lineare Skala auf der $y$-Achse zu verwenden. \n",
" * Diskutieren Sie in Ihrer Auswertung die folgenden Punkte: \n",
" * Warum lässt sich der Druck ab einem bestimmten Druckbereich nicht mehr genau einstellen und warum steigt er bei sehr kleinen Werten kontinuierlich an? \n",
" * Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen bei der Gasentladung in den entsprechenden Druckbereichen. \n",
" * Erklären Sie den Verlauf der elektrischen Durchschlagfestigkeit mit Hilfe der mittleren freien Weglänge $\\lambda$.\n",
" * Bestimmen Sie aus dem Verlauf von $(U_{\\mathrm{KE},i},p_{\\mathrm{RZ},i}$ und der Abschätzung für $\\lambda$ aus Gleichung **(1)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum.md) den Abstand der KE ab.\n",
"\n",
"---\n",
"\n",
"Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuum](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum.md).\n",
"\n",
"---"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "5b76d1f4-f58d-4e87-9ffa-f019558205e3",
"metadata": {
"jp-MarkdownHeadingCollapsed": true
},
"source": [
"### Aufgabe 3.3: Aufdampfen von Indium"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"id": "fd798ed3-0e30-484c-8880-995f3c14a025",
"metadata": {
"tags": []
},
"source": [
"Bei dieser Aufgabe dampfen Sie bei verschiedenen Drucken jeweils eine Indium-Schicht durch eine Kreisblende auf eine schwenkbare Plexiglasplatte auf. Es soll jeweils ein Fleck bei einem Druck von \n",
"\n",
" * $p\\lesssim10^{-4}\\,\\mathrm{mbar}$ und \n",
" * $p\\lesssim10^{-3}\\,\\mathrm{mbar}$ \n",
"\n",
"aufgedampft werden. Gehen Sie dabei wie folgt vor: \n",
"\n",
" * Evakuieren Sie den RZ mit der TMP; \n",
" * Schließen Sie V2; \n",
" * Dampfen Sie den ersten Fleck bei minimal erreichbarem Druck ($p\\lesssim10^{-4}\\,\\mathrm{mbar}$) auf; \n",
" * Dampfen Sie den zweiten Fleck bei $p\\approx10^{-3}\\,\\mathrm{mbar}$ auf. \n",
"\n",
"**Achtung: Die verfügbare Heizleistung reicht aus, um das VS vollständig zu zerstören!** Der Heizstrom darf daher erst sehr langsam nach oben geregelt werden, nachdem das gewünschte Vakuum für den ersten Fleck erreicht ist. Beobachten Sie das VS beim Hochregeln des Heizstroms. Es soll zwar glühen, aber nicht schmelzen. \n",
"\n",
"#### Wiederherstellung des Anfangszustands der Apparatur\n",
"\n",
"Stellen Sie im Anschluss, für Ihre Nachfolger:innen, den Anfgangszustand der Apparatur wieder, wie folgt her: \n",
"\n",
" * Belüften Sie die Apparatur; \n",
" * reinigen Sie die Plexiglasplatte und die Glasglocke von eventuellen Aufdampfbelägen; \n",
" * bestücken Sie das VS mit etwas Indium (lassen Sie die Menge vom Betreuer überprüfen); und \n",
" * setzen Sie die Glocke wieder auf den Dichtungsring."
Allgemeine Hinweise und eine Einführung in **Physik des Vakuums** finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuum](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum.md).
* Sie sollten den Versuchsaufbau **im folgenden Zustand** vorfinden:
* Alle Apparaturen sind bei Atmosphärendruck belüftet.
* Das VS ist mit Indium bestückt.
* Die Glasglocke wurde von alten Aufdampfbelägen gereinigt.
* Dokumentieren Sie den Zustand des Experiments in Ihrem Protokoll.
***Folgen Sie den Leitungen** und identifizieren Sie die verwendeten Elemente mit den Schaltsymbolen aus **Abbildung 1**[hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/README.md).
* Fassen Sie die **Funktionsweisen und Messgenauigkeiten der verwendeten Vakuummeter** für Ihr Protokoll zusammen.
* Schätzen Sie die **Kraft ab, mit der die Glasglocke auf die Gummidichtung gedrückt wird**, wenn sie vollständig evakuiert ist.
**Achtung: Die drei Versuchsaufbauten sind nicht gleich!** Apparatur 153 ist als einzige mit der Gasentladungsröhre für **Aufgabe 1.2** ausgestattet, dafür fehlt dort die Möglichkeit zur Messung der Überschlagsfestigkeit für **Aufgabe 3.2**.
---
Weitere Details zur **Funktionsweise der verwendeten Vakuummeter** finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuummeter](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuummeter.md).
* Nehmen Sie hierzu **$5\ \mathrm{min}$ lang alle $5\ \mathrm{s}$ einen Messpunkt bei T1** auf. Es handelt sich dabei um 60 Messpunkte.
* Stellen Sie $S_{\mathrm{eff}}(p)$ als Funktion von $\log(p/p_{0})$ geeignet graphisch dar.
* Schätzen Sie hierzu geeignete Unsicherheiten auf alle Messgrößen ab und tragen Sie alle Datenpunkte mit Fehlerbalken entlang der $x$- und $y$-Achsen auf.
* Nutzen Sie zur Bestimmung von $S_{\mathrm{eff}}(p)$ Gleichung **(2)**[hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum-Technik.md), wobei $t_{0}$ der Zeit zu Beginn der Evakuation und $V$ dem **Volumen der gesamten Apparatur** entsprechen.
* Vergleichen Sie $S_{\mathrm{eff}}(p)$ mit der nominelen Saugleisung $S$ der DSP, wie Sie sie aus den [Datenblatt](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/Datenblatt.md) zum Versuch entnehmen können. Ein qualitativer Vergleich genügt!
**Hinweise zur Auswertung:**
* Diskutieren Sie den **Verlauf der Kurve** von $S_{\mathrm{eff}}(p)$.
* Wie ist diese Darstellung als Funktion der Zeit zu lesen?
* Sie sollten abhängig von $p$ (im Plot von rechts nach links) grob drei Bereiche identifizieren können:
***Bereich I**: Hier nimmt $S_{\mathrm{eff}}(p)$ mit abnehmendem Druck zu;
***Bereich II**: Hier gilt über einen größeren Druckbereich $S_{\mathrm{eff}}(p)\approx const.$;
***Bereich III**: Hier nimmt $S_{\mathrm{eff}}(p)$ mit abnehmendem Druck wieder ab.
* Diskutieren und erklären Sie das Zustandekommen der jeweiligen Kurvenabschnitte.
* In **Bereich II** ist Gleichung **(2)**[hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum-Technik.md) über einen Druckbereich von 1--2 Größenordnungen anwendbar.
* Um welche Zeitspanne handelt es sich dabei?
* Wählen Sie fünf bis zehn Messpunkte aus diesem Bereich aus und stellen Sie $p(t)$ für diesen Bereich dar.
* Passen Sie das Modell eines exponentiellen Verlaufs, wie in Gleichung **(2)**[hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum-Technik.md) an die Daten an.
* Gehen Sie bei der Diskussion auf den $\chi^{2}$-Wert dieser Anpassung ein. Kann dieses Modell die Daten beschreiben?
* Schalten Sie nach der Messung die DSP ab.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuumtechnik](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuumtechnik.md).
* Zeichnen Sie **$5\ \mathrm{min}$ lang etwa alle $5\ \mathrm{s}$ den zeitlichen Verlauf des Drucks jeweils bei T1 und T2** auf. Es handelt sich dabei um 120 Messpunkte.
* Stellen Sie $p_{1}$ (**bei T1**) vor und $p_{2}$ (**bei T2**) hinter dem Rohr, **über die komplette Zeitspanne der Messung**, als Funktion der Zeit dar.
* Bestimmen Sie $S_{\mathrm{eff},1}$ und $S_{\mathrm{eff},2}$ auf die gleiche Weise, wie in **Aufgabe 2.1**.
* Beachten Sie bei den Berechnungen, dass sich durch den Austausch des Metallwellschlauchs durch das Rohr das Gesamtvolumen $V$ der Apparatur verändert. Die Daten zur Berechnung der Volumina von Wellschlauch und Metallrohr finden Sie im [Datenblatt](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/Datenblatt.md) zum Versuch.
* Bestimmen Sie aus $S_{\mathrm{eff},1}$ und $S_{\mathrm{eff},2}$ den Strömungsleitwert $L$ des Rohrs.
* Schätzen Sie mit Hilfe der Größe $d\bar{p}$ ab, in welchem Strömungsbereich sich die Apparatur befindet.
* Vergleichen Sie den gemessenen Wert von $L$ dann qualitativ mit der Erwartung aus Gleichung **(7)**[hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum-Technik.md).
* Schalten Sie die DSP nach der Messung ab, belüften Sie RZ und tauschen Sie das Metallrohr wieder gegen den Metallwellschlauch aus.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuumtechnik](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuumtechnik.md).
* Zeichnen Sie **$5\ \mathrm{min}$ lang etwa alle $5\ \mathrm{s}$ den zeitlichen Verlauf des Drucks jeweils bei T3 und/oder IM** auf. Es handelt sich dabei um bis zu 60 Messpunkte.
* Bestimmen Sie $S_{\mathrm{eff}}$ auf die gleiche Weise, wie in **Aufgabe 2.1**.
* Da die TMP bis zur vollen Saugleistung eine Anlaufzeit von ca. $2\ \mathrm{min}$ benötigt, sollte sie nicht erst bei sehr niedrigem Druck eingeschaltet werden.
* Die Apparatur sollte vor Beginn dieses Versuchsteils mindestens bis zu einem Druck von ${\approx}0.2\ \mathrm{mbar}$ teilbelüftet sein.
* Evakuieren Sie die Apparatur dann mit der DSP und schalten Sie bei einem Druck von ${\approx}0.08\ \mathrm{mbar}$ die TMP zu.
* Halten Sie während des gesamten Vorgangs der Evakuierung das Ventil V3 geöffnet.
* Auf diese Weise können Sie höhere Drucke bei T3 ablesen.
* Lesen Sie dann bei geeignet niedrigen Drucken den Druck bei IM ab.
* Lassen Sie die TMP für den nächsten Versuchsteil eingeschaltet.
**Hinweise zur Auswertung:**
* Stellen Sie $S_{\mathrm{eff}}$ als Funktion von $log(p/p_{0})$ dar.
* Diskutieren Sie den Verlauf von $S_{\mathrm{eff}}$ für die TMP.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuumtechnik](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuumtechnik.md).
* In der Ausgangssituation sollte V3 geschlossen, B2 geöffnet und der RZ mit Hilfe der DSP und der TMP evakuiert sein.
* Schließen Sie V2 bei einem Druck von $p\lesssim10^{-4}\,\mathrm{mbar}$ und trennen Sie damit den RZ vom Rest der Apparatur ab. Sie können die beiden Pumpen daraufhin abschalten.
***Schritt 1:** Schließen Sie B2. Öffnen Sie daraufhin V3 und lesen Sie den sich einstellenden Druck **bei T3** ab.
***Schritt 2:** Schließen Sie V3 und öffnen Sie daraufhin B2, damit sich im kleineren Referenzvolumen (RV [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/figures/VakuumSkizze.png)) erneut Atmosphärendruck ($p_{0}$) einstellen kann.
* Wiederholen Sie diesen Vorgang beginnend mit **Schritt 1**, solange bis sich in RZ ein Druck von $p\approx80\,\mathrm{mbar}$ einstellt.
* Sie sollten auf diese Weise 15--20 Messpunkte $(\Delta p_{i}, p_{\mathrm{RZ},i})$ erhalten.
***Warten Sie jeweils den Druckausgleich im Gleichgewichtszustand ab**.
**Hinweise zur Auswertung:**
* Stellen Sie die Datenpunkte $(\Delta p_{i}, p_{\mathrm{RZ},i})$ geeignet dar. Schätzen Sie dafür für die Messwerte geeignete Unsicherheiten ab.
* Passen Sie an die Datenpunkte ein Modell der folgenden Form an:
* Die Variablen $\alpha$ und $\beta$ sind dabei freie Parameter der Anpassung.
* Überprüfen Sie anhnad des $\chi^{2}$-Werts der Anpassung, wie gut das zugrunde liegende Modell die Daten beschreiben kann.
* Was bedeutet es, falls das Modell die Daten nicht beschreiben kann?
* Überprüfen Sie die Kompatibilität von $\alpha$ und $\beta$ mit Ihrer Erwartung aus dem zugrunde liegenden Modell aus Gleichung **(1)**[hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuummeter.md).
* Als Grundlage hierfür kann Ihnen der *pull* unter Verwendung der jeweiligen Unsicherheiten aus der Anpassung dienen.
* Tragen Sie die Werte $p_{\mathrm{RZ},i}$ der Anzeige von T3 gegen $p_{\mathrm{RZ},0}+\sum\limits_{j=0}^{i} \Delta p_{j}$ auf, um eine Kalibrationskurve für T3 zu erhalten. Dabei können Sie den ersten Messwert $p_{\mathrm{RZ},0}$ als Aufpunkt verwenden.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuummeter](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuummeter.md).
Die elektrische Durchschlagfestigkeit quantifizieren wir durch die **Spannung $U_{\mathrm{KE}}$, ab der es zwischen den KE zu elektrischen Entladungen kommt**. Gehen Sie hierzu wie folgt vor:
* Schalten Sie die TMP zunächst aus und evakuieren Sie den RZ nur mit Hilfe der DSP.
* Schließen Sie nach erreichen des gewünschten Drucks V1, so dass der Druck im RZ während der sich anschließenden Messung konstant bleibt.
* Beginnen Sie mit der belüfteten Apparatur bei Atmosphärendruck.
* Erhöhen Sie die Spannung zwischen den KE bis es zur Gasentladung kommt.
* Evakuieren Sie daraufhin den RZ bis auf halben Atmosphärendruck und erhöhen Sie die Spannung wieder bis zur Entladung.
* Wiederholen Sie diese Vorgehensweise bis Sie einen Druck von $p\approx0.08\ \mathrm{mbar}$ erreicht haben. In diesem Druckbereich wird es zunehmend schwieriger den Druck im RZ konstant zu halten.
* Um leichter und schneller an weitere Messwerte zu gelangen, evakuieren Sie nun zusätzlich und ohne Unterbrechung mit der TMP bis zu einem Druck von $p\lesssim10^{-4}\ \mathrm{mbar}$.
* Schalten Sie die TMP aus und schließen Sie V2. Der Druck im RZ wird nun von selbst steigen.
* Nehmen Sie sobald wie möglich (für $U \leq9\ \mathrm{kV}$) weitere Messwerte auf. Die Messreihe endet, wenn ein Druck von $p\approx0.08\ \mathrm{mbar}$ erreicht ist.
* Auf diese Weise sollten Sie 15--20 Datenpunkte $(U_{\mathrm{KE}},p_{\mathrm{RZ}}$ aufnehmen können.
**Hinweise zur Auswertung:**
* Tragen Sie die aufgenommenen Datenpunkte $(U_{\mathrm{KE},i},p_{\mathrm{RZ},i})$ geeignet auf. Es empfiehlt sich z.B. eine logarithmische Skala auf der $x$-Achse und eine lineare Skala auf der $y$-Achse zu verwenden.
* Diskutieren Sie in Ihrer Auswertung die folgenden Punkte:
* Warum lässt sich der Druck ab einem bestimmten Druckbereich nicht mehr genau einstellen und warum steigt er bei sehr kleinen Werten kontinuierlich an?
* Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen bei der Gasentladung in den entsprechenden Druckbereichen.
* Erklären Sie den Verlauf der elektrischen Durchschlagfestigkeit mit Hilfe der mittleren freien Weglänge $\lambda$.
* Bestimmen Sie aus dem Verlauf von $(U_{\mathrm{KE},i},p_{\mathrm{RZ},i}$ und der Abschätzung für $\lambda$ aus Gleichung **(1)**[hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum.md) den Abstand der KE ab.
---
Weitere Details zur Vorbereitung auf diese Aufgabe finden Sie in der Datei [Hinweise-Vakuum](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Vakuum/doc/Hinweise-Vakuum.md).
Bei dieser Aufgabe dampfen Sie bei verschiedenen Drucken jeweils eine Indium-Schicht durch eine Kreisblende auf eine schwenkbare Plexiglasplatte auf. Es soll jeweils ein Fleck bei einem Druck von
* $p\lesssim10^{-4}\,\mathrm{mbar}$ und
* $p\lesssim10^{-3}\,\mathrm{mbar}$
aufgedampft werden. Gehen Sie dabei wie folgt vor:
* Evakuieren Sie den RZ mit der TMP;
* Schließen Sie V2;
* Dampfen Sie den ersten Fleck bei minimal erreichbarem Druck ($p\lesssim10^{-4}\,\mathrm{mbar}$) auf;
* Dampfen Sie den zweiten Fleck bei $p\approx10^{-3}\,\mathrm{mbar}$ auf.
**Achtung: Die verfügbare Heizleistung reicht aus, um das VS vollständig zu zerstören!** Der Heizstrom darf daher erst sehr langsam nach oben geregelt werden, nachdem das gewünschte Vakuum für den ersten Fleck erreicht ist. Beobachten Sie das VS beim Hochregeln des Heizstroms. Es soll zwar glühen, aber nicht schmelzen.
#### Wiederherstellung des Anfangszustands der Apparatur
Stellen Sie im Anschluss, für Ihre Nachfolger:innen, den Anfgangszustand der Apparatur wieder, wie folgt her:
* Belüften Sie die Apparatur;
* reinigen Sie die Plexiglasplatte und die Glasglocke von eventuellen Aufdampfbelägen;
* bestücken Sie das VS mit etwas Indium (lassen Sie die Menge vom Betreuer überprüfen); und
* setzen Sie die Glocke wieder auf den Dichtungsring.
