Handbuch Vakuumtechnik

Die Geschichte der Vakuumtechnik beginnt mit Evangelista Torricelli und Otto von Guericke im 17. Jahrhundert. Sie entkräfteten die philosophischen Überlegungen, dass es ein Vakuum nicht geben könne, indem sie es einfach herstellten. Im späten 19. Jahrhundert begann die industrielle Anwendung der Vakuumtechnik, die sich daraufhin selbst zu einem Industriezweig entwickelte. Mit der Entwicklung der Halbleiterindustrie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts stieg die Vakuumtechnik zu einer der Schlüsseltechnologien unserer heutigen Hochtechnologie auf.

Die Vakuumtechnik wuchs im Verlauf des 20. Jahrhunderts zu einer Schlüsseltechnologie heran, sowohl für die Industrie wie für die Forschung. Die Mikroelektronikindustrie ist mit rund 40 % das größte Marktsegment der Vakuumtechnik. Kaum ein physikalisches Experiment kann auf die Vakuumtechnik verzichten. Die Anwendungsgebiete der Vakuumtechnik benötigen einen Druckbereich von 15 Dekaden unterhalb des Atmosphärendrucks, was enorme Anforderungen an die Vakuumpumpen, die verwendeten Materialien und die Vakuummesstechnik stellt.

In diesem Kapitel werden auf empirische Weise die wichtigen Grundlagen der Vakuumphysik, die makroskopischen Zustandsgleichungen eines Gases, insbesondere das ideale Gasgesetz, und die kinetische Gastheorie, dargelegt. Die für die Vakuumphysik wichtigen physikalischen Größen werden eingeführt. Aus der Geschwindigkeitsverteilung nach Maxwell-Boltzmann lassen sich weitere wichtige Größen wie die Flächenstoßrate berechnen.

Die Transporteigenschaften von Gasen hängen vom Verhältnis der mittleren freien Weglänge zu dem kleinsten Abstand der Wandbegrenzungen ab. In empirischer Weise werden in diesem Kapitel die grundlegenden Konzepte für den Transport von Reibungskräften und von Wärme in Gasen entwickelt. Während diese Transportarten durch äußere Einflüße verursacht werden und eine kollektive Bewegung beschreiben, beruht die Diffusion auf einer Vielzahl von ungerichteten Bewegungen von Einzelteilchen.

Im Gegensatz zu idealen Gasen spielen bei realen Gasen das Eigenvolumen der Atome oder Moleküle und die Anziehungskräfte zwischen ihnen eine Rolle. Die Zustandsgleichungen des idealen Gases werden für reale Gase durch die Einführung von Virialkoeffizienten modifiziert. Das „Harte-Kugel-Modell“ des idealen Gases wird durch ein Potenzialmodell der Molekülannäherung ersetzt. Die Verdampfungsrate aus Flüssigkeiten und Festkörper wird mit Hilfe des Sättigungsdampfdrucks berechnet.

Die Transporteigenschaften von Gasen hängen stark von der Strömungsart ab. Diese wird durch das Verhältnis von der mittleren freien Weglänge zu dem kleinsten Abstand der Wandbegrenzungen bestimmt. In empirischer Weise werden in diesem Kapitel die grundlegenden Konzepte für die Strömungsarten entwickelt. Ebenso werden für die Vakuumtechnik wichtige Begriffe wie Saugleistung, Saugvermögen, Stromstärke, Strömungsleitwert und weitere eingeführt. Die Messaufbauten zur Messung des charakteristischen und des reduzierten Leitwerts werden beschrieben.

Mit Hilfe der Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie werden die Grundgleichungen der viskosen Gasströmung abgeleitet. Bei kurzen Strömungselementen kann die Reibung und der Wärmeaustausch vernachlässigt werden, bei langen Elementen dominiert sie. Über einer bestimmten Druckdifferenz an einem Strömungselement wird der Durchfluß unabhängig von der Druckdifferenz: verblockte Strömung. Die Gleichungen für diesen Fall geben den maximalen Durchfluss an.

Die molekulare Strömungsform ist im Hoch- und Ultrahochvakuum anzuwenden. Die Gasteilchen stoßen nicht miteinander, ihre Flugbahn wird durch die Geometrie und die Oberflächeneigenschaften der Vakuumwände bestimmt. Das Konzept der Duchlaufwahrscheinlichkeit ist sehr geeignet, um die Leitwerte von Vakuumbauteilen bei molekularer Strömung zu berechnen.

In diesem Kapitel werden die in Kap. 3, „Gasgesetze und kinetische Gastheorie“ bis Kap. 8, „Molekulare Strömung von Gasen“ beschriebenen Konzepte ausgeweitet. Mit Hilfe der kinetischen Boltzmanngleichung werden stationäre Gasflüsse für Vakuumbedingungen berechnet. Es wird versucht, den schwierigen mathematischen Formalismus so zu vereinfachen, dass Physiker und Ingenieure die Gasflussberechung über den ganzen Bereich der Knudsenzahlen verstehen und Simulationsrechnungen anwenden können. Aufgrund der theoretischen Tiefe können Anfänger dieses Kapitel ohne weiteres überspringen.

Ausgehend von der Boltzmanngleichung werden die Gasströmungen durch Blenden und lange Rohre kreisförmigen und rechteckigen Querschnitts über den gesamten Druckbereich der Vakuumtechnik berechnet. Auch das Übergangsgebiet zwischen molekularer und viskoser Strömung, darunter auch die sogenannte Schlupfströmung, wird für diese Anwendungsfälle behandelt. Die Ergebnisse können dimensionslos durch den sogenannten Poiseuille-Koeffizienten oder die reduzierte Flussrate wiedergegeben werden, wenn der Druck die antreibende Kraft des Gasstroms ist.

Die Oberflächen der Innenwände eines Vakuumbehälters bestimmen ganz wesentlich die Eigenschaften des Vakuums im Behälter. Die Adsorptionsenergie bestimmt, welche und wie viele Moleküle an der Oberfläche haften und sich von ihr lösen (desorbieren) und dadurch in das Vakuum des Behälters eintreten. Im Festkörper der Vakuumwände gelöste Moleküle wandern zur inneren Oberfläche und desorbieren ebenfalls von ihr. Diese Ausgasung begrenzt den Druck, der in einer Vakuumkammer erreicht werden kann.

Der technisch realisierte Druckbereich im Vakuum von 15 Dekaden erfordert sehr verschiedene Pumpentypen, die in diesem Kapitel eingeteilt werden. Verdrängerpumpen fördern das abzupumpende Gas, indem sie es in einem Volumen einschließen, verdichten und ausstoßen. Die Arten von Verdrängerpumpen teilen sich in Oszillations- und ein- oder zweiwellige Rotationsverdrängerpumpen auf. Verdrängerpumpen werden im Grob- und Feinvakuumbereich oder als Vorpumpen von Hochvakuumpumpen verwendet. In diesem Bereich spielt die Wasserdampfverträglichkeit der Pumpen eine große Rolle.

Oszillationsverdrängerpumpen enthalten ein oszillierendes Element, durch das ein Schöpfraum periodisch vergrößert und verkleinert wird, um eine Pumpwirkung zu erzielen. Die zu dieser Gattung gehörenden Kolben- und Membranpumpen werden verbreitet zur Erzeugung von ölfreiem Fein- und Grobvakuum mit kleinen bis mittleren Saugvermögen eingesetzt. Sie werden oft für physikalische und chemische Laboranwendungen bis hin zu kleineren Produktionsanlagen sowie als Vorvakuumpumpe für Hochvakuumpumpen, beispielsweise in Turbopumpständen und Lecksuchern, verwendet.

Einwellige Rotationsverdängerpumpen waren die ersten der modernen industriellen Pumpentypen. Sie wurden um 1900 entwickelt. Allen Typen gemeinsam, auch den später entwickelten, ist das Funktionsprinzip der Volumenverdichtung während eines Umlaufs, beginnend mit einem großen Volumen am Ansaugteil, endend mit einem kleinen Volumen am Ausstoßteil. Einwellige Rotationsverdängerpumpen werden vor allem im Grob- und Feinvakuum oder als Vorpumpen von Hochvakuumpumpen eingesetzt.

Zu den zweiwelligen Rotationsverdrängerpumpen gehören die Schrauben-, Klauen- und Wälzkobenpumpen. Schraubenpumpen sind Verdrängerpumpen, bei denen das Gas in einem von zwei Schrauben gebildeten Zahnprofil eingeschlossen und verdichtet wird. Es wird in Längsrichtung gefördert, während es bei Klauen- und Wälzkobenpumpen radial gefördert wird. Die Spaltweiten sind bei allen diesen Pumpen recht klein. Die Erwärmung bei der Gasförderung ist bei diesen Pumpen daher besonders kritisch.

Das dichtende Öl spielt eine wesentliche Role beim Betrieb ölgedichteter Verdrängerpumpen. Es bestimmt den erreichbaren Enddruck und die Lebensdauer der Pumpe. Regelmäßige Wartung der Pumpe und Ölwechsel sind erforderlich. Die Rückströmung von Öl in die Richtung der Vakuumkammer kann durch verschiedene konstruktive Maßnahmen und mit entsprechendem Zubehör verhindert werden. In explosionsgefährdeten Bereichen sind besondere Sicherheitshinweise zu beachten.

Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen der Kondensation im Grobvakuum, insbesondere bei Trocknungs- und Verdampfungsprozessen. Es wird auf die Kondensation reiner Dämpfe bzw. Dampfgemische und auf den Einfluss von nichtkondensierbaren Gasen eingegangen. Die grundlegenden Bauarten von Oberflächen- und Mischkondensatoren werden vorgestellt und die Integration dieser Kondensatoren in Systeme zur Vakuumerzeugung auch mit Berechnungsbeispielen erläutert.

In diesem Kapitel werden Funktionsweise und Betriebscharakteristiken von Flüssigkeitsstrahl-, Dampfstrahl- und Diffusionspumpen beschrieben. Allen Pumpen gemeinsam ist das Prinzip, dass das zu pumpende Gas von einem Treibmittelstrahl erfasst und in eine bestimmte Richtung getrieben wird. Sie unterscheiden sich durch die Art der Durchmischung: Während bei den Strahlpumpen die Durchmischung in einer Grenzschicht des Treibstrahls bei viskoser Strömung erfolgt, erfolgt die Durchmischung in einer Diffusionspumpe in molekularer Strömung durch Diffusion.

In diesem Kapitel werden die in der Hochvakuumtechnik sehr bedeutsamen Molekularpumpen vorgestellt. Den Schwerpunkt bildet aufgrund der Marktdurchdringung und Anwendungsbreite die turbomolekulare Bauart. Einer Darstellung der physikalischen Grundlagen folgt die Beschreibung des technischen Aufbaues. Hinweise zu Kenngrößen, Betrieb und Anwendungen der Pumpen schließen das Kapitel ab.

In diesem Kapitel werden die Pumpweise und Kenndaten von Adsorptionspumpen, Titansublimationspumpen, Getterpumpen und NEG-Pumpen beschrieben. Diese Pumpen gehören zu den sogenannten passiven Sorptionspumpen, bei denen die auf sie auftreffenden Gasteilchen durch Physi- oder Chemisorption gebunden werden. Bei Volumengetter wird zusätzlich der Effekt der Diffusion in das Absorbermaterial genutzt.

Bei aktiven Sorptionspumpen wird die Bindungswirkung der Oberfläche aktiv durch die Kathodenzerstäubung einer Gasentladung unterstützt. Daher wird diesen Sorptionspumpen im Gegensatz zu den passiven Sorptionspumpen während der Pumpzeit Energie zugeführt. Der Pumpeffekt beruht auf der Bindungswirkung der ständig neu erzeugten Oberfläche, sowie der Ionen- und Neutralteilchenimplantation.

In diesem Kapitel lernen Sie die physikalischen und technischen Grundlagen der Kälteerzeugung kennen und wie diese für die Vakuumtechnik mittels Kryopumpen genutzt werden kann. Die Funktionsweise und die physikalischen Arbeitsprinzipien von Kryopumpen (Kondensation und Sorption) werden vorgestellt. Hinweise und Richtlinien zur eigenen Auslegung von Kryopumpen werden abgeleitet. Die wichtigsten Aspekte für den Betrieb von Kryopumpen sind in einem eigenen Kap. 23, „Kenngrößen und Anwendungen von Kryopumpen“ zusammengefasst.

Wie jede andere Vakuumpumpe charakterisiert man auch die Kryopumpe durch eine Reihe von Kenngrößen. Diese werden in diesem Kapitel vorgestellt und erklärt. In Beispielen und Anwendungen wird verdeutlicht, dass die Kryopumpe eine äußerst vielfältig einsetzbare Vakuumpumpe ist.

In diesem Kapitel wird ein Überblick über die gebräuchlichen Vakuummessgeräte gegeben und die für das Grob- bis Hochvakuum geeigneten im Detail beschrieben. Die für das Hoch- und Ultrahochvakuum geeigneten Ionisationsvakuummeter haben ein eigenes Kapitel. Bei den Vakuummessgeräten für das Grob- und Feinvakuum kann noch die von einem Druck ausgeübte Kraft genutzt werden, bei kleineren Drücken werden andere Eigenschaften eines Gases im Vakuum genutzt, z. B. die Wärmeleitung durch das Gas. Auch Gasflussmessgeräte nutzen diesen Effekt.

In Ionisationsvakuummetern werden die neutralen Gasteilchen ionisiert und der entstehende Ionenstrom gemessen. Die Ionisierung erfolgt entweder in einem Plasma oder durch einen Elektronenstrahl. Ionisationsvakuummeter messen sehr empfindlich die Gasdichte und sind daher als Messgerät für das Ultrahochvakuum geeignet.

Bei der Partialdruckmessung interessiert man sich für bestimmte Gasarten im Vakuum, entweder, weil diese Gasarten einen Prozess stören oder ermöglichen und gesteuert werden müssen. Im Gegensatz zu Totaldruckmessgeräten muss also bei Partialdruckmessgeräten die Gasart identifiziert werden. Dies geschieht in der Regel mit Massenspektrometern, hier vor allem mit Quadrupolmassenspektrometern, jedoch werden vermehrt auch optische Methoden eingesetzt. Beide Methoden werden erläutert, besonders ausführlich die sehr verbreiteten Quadrupolmassenspektrometer.

In diesem Kapitel wird gezeigt, welche Arten von Leckdetektoren es gibt und wo sie eingesetzt werden. Lecksuchtechniken werden im Kap. 38, „Lecksuchtechniken“ beschrieben.

Vakuummessgeräte, wie alle Messgeräte physikalischer Größen, müssen letztlich auf ein Primärnormal, welches die Verbindung zum internationalen Einheitensystem darstellt, zurückgeführt sein. Rückführung bedeutet, dass eine ununterbrochene Kette von Kalibrierungen bis zu einem Primärnormal besteht. Verschiedene Primärnormale decken den großen Druckbereich des Vakuum ab: Flüssigkeits- und Kolbenmanometer im Grobvakuum, Normale des statischen Expansionsverfahrens das Fein- und Hochvakuum, Normale des kontinuierlichen Expansionsverfahrens das Hoch- und Ultrahochvakuum.

Kalibrierungen ermitteln den Unterschied der Anzeige eines Messgeräts zum wahren Wert der physikalischen Messgröße. Vakuummessgeräte werden üblicherweise im Vergleichsverfahren mit Bezugsnormalen kalibriert. Diese müssen auf Primärnormale zurückgeführt sein, das heisst, es muss eine ununterbrochene Kalibrierungen zu Primärnormalen bestehen. Die Besonderheiten der Kalibrierungen von Vakuummessgeräten werden beschrieben.

Die Normen der Vakuumtechnik regeln hauptsächlich, wie die geometrischen Maße zu verbindender Bauteile sein sollen, wie die Kenndaten von Vakuumpumpen gemessen werden und wie Messgeräte kalibriert werden sollen. Da bei der Bestimmung der Kenndaten von Vakuumpumpen die Messkammer eine entscheidende Rolle für die ermittelten Werte spielt, ist die Normung unerläßlich, um Werte vergleichen zu können. Bei der Kalibrierung von Vakuummessgeräten steht dagegen das physikalisch richtige Vorgehen im Vordergrund.

In diesem Kapitel geht es darum, welche Anforderungen an die Materialien der Vakuumtechnik gestellt werden, welche Materialien im Einzelnen geeignet sind und wie sie gefertigt und verarbeitet werden müssen. In den Anfängen der Vakuumtechnik dominierte Glas als Rohstoff für Behälter, während heute Edelstahl und Aluminium eingesetzt werden. Glas, Keramik und Kupfer spielen eine wichtige Rolle für Durchführungen oder Einbauten.

Die Ansprüche an Vakuumverbindungen sind besonders hoch, müssen sie doch sicherstellen, dass Vakuumkomponenten leckdicht miteinander verbunden werden. Sowohl die zerstörungsfrei unlösbaren Verbindungstechniken, wie Löten, Schweißen und Kleben, als auch die lösbaren Verbindungen, insbesondere die genormten Flanschsysteme, werden im Detail erläutert. Zugleich wird auf die Bedeutung der Werkstoffauswahl eingegangen, die verschiedensten Anforderungen wie dem Druckbereich, dem Ausgasverhalten oder der Temperaturbeständigkeit entsprechen muss.

Dichtheit und Ausgasverhalten sind die wichtigsten Kriterien für die passiven Komponenten der Vakuumtechnik. Diese bestehen neben den Vakuumkammern mit ihren speziellen Konstruktions- und Fügeanforderungen vor allem aus mechanischen, elektrischen und optischen Durchführungen (Schaugläser und Faserdurchführungen) und Ventilen zur Druckregelung. Des Weiteren müssen Möglichkeiten zum Temperaturmanagement bestehen. Im Abschn. 2, Vakuumhygiene, werden wissenschaftlich fundierte Hinweise gegeben, wie Vakuumprozesse zuverlässig, schnell und effizient gestaltet werden können.

Im ersten Teil dieses Kapitels wird ein Überblick über die elektronischen Steuerungssysteme für Vakuumprozesse gegeben. Im zweiten Teil wird zusammengefasst, wie Vakuumsysteme berechnet werden können, wobei die Grundlagen in den Kapiteln Kap. „Strömung von Gasen“ bis Kap. „Strömung von Gasen durch Rohre und Blenden“ gelegt wurden. Es werden Berechnungsmethoden mit starken Vereinfachungen angegeben, die aber in der Regel für praktische Zwecke genügen.

Im Grob- und Feinvakuum sind die Ansprüche an die Materialien hinsichtlich Ausgasung, Desorption, Permeation und Leckrate gering. Es genügt die Verwendung von Elastomeren als Dichtmaterialien. Im Vordergrund steht die mechanische Stabilität der Behälter.

Bei der Arbeitstechnik im Hochvakuum spielt die Ausgasung der inneren Wände der Apparatur oder Anlage die Hauptrolle, während die im Volumen befindlichen freien Gas- und Dampfmengen von untergeordneter Bedeutung sind. Die nötige Auspumpzeit und der nötige Basisdruck können nur erreicht werden, wenn die entsprechenden Kriterien zur Materialauswahl sowie die entsprechenden Fertigungen und Reinigungen beachtet werden.

Es wird zusammengefasst, welche Voraussetzungen zur Erzeugung von Ultrahochvakuum nötig sind. Ein Ausheizen der Apparatur ist unumgänglich. Die Ausgasung von Wasserstoff aus den Kammerwänden bestimmt in der Regel den Restdruck. Der Inhalt dieses Kapitels wurde vor allem [1] entnommen.

Lecks in Vakuumsystemen werden vor allem durch zwei Methoden festgestellt und lokalisiert: Entweder wird das aus einem System austretende Gas „erschnüffelt“ (Schnüffellecksuche), oder ein in ein Vakuumsystem eintretendes Prüfgas, vor allem Helium, detektiert (Prüfgasverfahren). Seltener kommen Druckanstiegsverfahren zum Einsatz. Zur Quantifizierung der Gasströme durch Lecks müssen die entsprechenden Strömungsbereiche berücksichtigt werden. Der Einsatz der Lecksucher muss hinsichtlich Ansprechzeiten und Empfindlichkeit auf die jeweilige Anwendung optimiert werden. Bei Lecktests von Lebensmittelverpackungen kommen neue elastische Folienvakuumkammern zum Einsatz. Lecksuchgeräte wurden in Kap. 27, „Leckdetektoren“ beschrieben.