VakuumtechnoloVakuumtechnologiegie

Einführung in die Grundlagen Einführung in die Grundlagen der Vakuumtechnikder Vakuumtechnik

ÜberblickÜberblick Definition des VakuumsDefinition des Vakuums

• GeschichteGeschichte• AnwendungAnwendung• DruckDruck• Ideale GasgleichungIdeale Gasgleichung• Freie WeglängeFreie Weglänge

Erzeugung eines VakuumsErzeugung eines Vakuums• PumpenPumpen• MessgeräteMessgeräte• DichtungenDichtungen• WerkstoffeWerkstoffe

Verhalten von Materie im VakuumVerhalten von Materie im Vakuum• DampfdruckDampfdruck• Adsorption und DesorptionAdsorption und Desorption

Überblick über die Geschichte der Überblick über die Geschichte der VakuumtechnikVakuumtechnik

Seit Aristoteles Seit Aristoteles „horror vakui“ „horror vakui“

16. Jahrhundert: 16. Jahrhundert: Torricelli stellte Torricelli stellte erstes experimentell erstes experimentell gebildetes Vakuum gebildetes Vakuum herher

Mitte 17. Mitte 17. Jahrhundert: Otto Jahrhundert: Otto von Guericke pumpte von Guericke pumpte zum ersten mal eine zum ersten mal eine Kugel „luftleer,, Kugel „luftleer,,

Magdeburger Halbkugeln(1)

Definition des VakuumDefinition des Vakuum

GrobvakuumGrobvakuum 1000 – 10 mbar1000 – 10 mbar

FeinvakuumFeinvakuum 10 – 10 10 – 10 -3 -3 mbar mbar

HochvakuumHochvakuum 10 10 -3-3 – 10 – 10 -7-7 mbar mbar

UltrahochvakuumUltrahochvakuum 10 10 -7 -7 – 10 – 10 -12 -12 mbar mbar

ExtremultrahochvaExtremultrahochvakuumkuum < 10 < 10 -12-12 mbar mbar

(2)

Anwendungsbeispiele verschiedener Anwendungsbeispiele verschiedener VakuaVakua

Industrie: Industrie: Feinvakuum:Feinvakuum: - Trocknung von Kunststoffen- Trocknung von Kunststoffen

- Gefriertrocknung- Gefriertrocknung- Herstellung von - Herstellung von

GlühbirnenGlühbirnen Hochvakuum:Hochvakuum: - Produktion von - Produktion von

ElektronenröhrenElektronenröhren- Kristallherstellung- Kristallherstellung

Ultrahochvakuum:Ultrahochvakuum: - Aufdampfen - Aufdampfen - Zerstäuben von Metallen- Zerstäuben von Metallen

Forschung:Forschung: Hochvakuum:Hochvakuum: - Massenspektroskopie- Massenspektroskopie - Elektronenmikroskopie- Elektronenmikroskopie Ultrahochvakuum:Ultrahochvakuum: - Tieftemperaturforschung- Tieftemperaturforschung

- Oberflächenphysik- Oberflächenphysik - Teilchenbeschleuniger- Teilchenbeschleuniger

- Weltraumsimulation- Weltraumsimulation

DruckDruck

Definiert als Kraft pro Fläche: p=F/ADefiniert als Kraft pro Fläche: p=F/A

[p]=N/m=Pascal 1 bar = 10[p]=N/m=Pascal 1 bar = 1055 Pascal Pascal

(3)

Ideale GasgleichungIdeale Gasgleichung

gilt unter folgenden Annahmen:gilt unter folgenden Annahmen: Moleküle sind KugelförmigMoleküle sind Kugelförmig Moleküle haben kein EigenvolumenMoleküle haben kein Eigenvolumen Moleküle üben keine atomaren Kräfte aufeinander Moleküle üben keine atomaren Kräfte aufeinander

ausaus

(4)

Teilchenanzahl in einen cm³ bei Teilchenanzahl in einen cm³ bei

Zimmertemperatur (20°C)Zimmertemperatur (20°C) Berechnung mit Hilfe der idealen GasgleichungBerechnung mit Hilfe der idealen Gasgleichung

Normaldruck : 2,5 Normaldruck : 2,5 .. 101019 19 TeilchenTeilchen

Hochvakuum : 2,5 Hochvakuum : 2,5 .. 101011 11 TeilchenTeilchen

(5)

Freie WeglängeFreie Weglänge

Teilchendichte:Teilchendichte:n = N/V = p/(kn = N/V = p/(k .. T)T)

Daraus folgt nach längerer Umrechnung die freie Daraus folgt nach längerer Umrechnung die freie WeglängeWeglänge

l = (6,7 l = (6,7 .. 10 10-5 -5 m m . . mbar)/pmbar)/p(für T=20°C)(für T=20°C)

Bei Normaldruck: l = 6,7 Bei Normaldruck: l = 6,7 .. 10 10-8 -8 m (ca. 100facher m (ca. 100facher Moleküldurchmesser)Moleküldurchmesser)

(6)

VakuumpumpenVakuumpumpen

TurbomolekularpumpeTurbomolekularpumpe

MembranpumpeMembranpumpe

DrehschieberpumpeDrehschieberpumpe

(7)

(8)

(10)

TurbomolekularpumpeTurbomolekularpumpe

(11)

MembranpumpeMembranpumpe

(12)

DrehschieberpumpeDrehschieberpumpe

(13)

Saugvermögen und EnddruckSaugvermögen und Enddruck

Saugvermögen: Saugvermögen: S=dV/dt [S]=l/s S=dV/dt [S]=l/s

Effektives Saugvermögen: Effektives Saugvermögen: 1/S1/Seffeff = 1/S + 1/L = 1/S + 1/L

experimentelle Bestimmung : Sexperimentelle Bestimmung : Seff eff = V/t = V/t . .

ln(pln(p00/(p(t)-p/(p(t)-pendend))

Real erreichbarer Enddruck:Real erreichbarer Enddruck: ppendend = (D+q = (D+qLeckLeck)/S)/Seffeff

VakuummessgeräteVakuummessgeräte

Pirani-VakuummeterPirani-Vakuummeter

Bayard-Alpert-VakuummeterBayard-Alpert-Vakuummeter

(15)

(16)

Pirani-VakuummeterPirani-Vakuummeter

Prinzip: Prinzip: Steigende Temperatur des Drahtes Steigende Temperatur des Drahtes durch durch sinkenden Druck sinkenden Druck beeinflusst Drahtwiederstandbeeinflusst Drahtwiederstand

Messbereich:Messbereich: 10 1033 – 10 – 10-3 -3 mbarmbar

(17)

Bayard-Alpert-VakuummeterBayard-Alpert-Vakuummeter

Prinzip:Prinzip: -Ionisation des Restgases-Ionisation des Restgases

-Druckmessung durch Strommessung-Druckmessung durch Strommessung

am Ionenfängeram Ionenfänger

Messbereich: Messbereich: 1010-3-3 – 10 – 10-10 -10 mbarmbar

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WerkstoffeWerkstoffeVoraussetzungen:Voraussetzungen:

-geringer Eigendampfdruck-geringer Eigendampfdruck

-Gasdichtheit -Gasdichtheit

-geringer Fremdgasgehalt-geringer Fremdgasgehalt

-keine oder leicht zu entfernende-keine oder leicht zu entfernende

adsorbierte Schichtenadsorbierte Schichten

geeignete Materialien: geeignete Materialien: ungeeignete ungeeignete Materialien:Materialien:-Edelstahl-Edelstahl -die meisten Gummisorten -die meisten Gummisorten-Glas-Glas -Kunststoffe -Kunststoffe-Aluminium-Aluminium -Zink -Zink-Bronze-Bronze -Messing -Messing-Viton-Viton -Lötzinn -Lötzinn-Teflon-Teflon -Klebstoff -Klebstoff-Keramik-Keramik

DampfdruckDampfdruck

(19)

Dampfdruckkurven Dampfdruckkurven verschiedener Materialienverschiedener Materialien

(20)

Adsorption und Adsorption und DesorptionDesorption

(21)

Informationen zum Informationen zum PraktikumPraktikum

Druck im mobilen Labor: 10Druck im mobilen Labor: 10-5-5 mbar mbar Freie Weglänge bei 10Freie Weglänge bei 10-4-4 mbar ca. 67 cm mbar ca. 67 cm Betrieb einer Heizwendel bei p < 10Betrieb einer Heizwendel bei p < 10-4-4 mbar mbar

Was ist beim Arbeiten mit einem Vakuum zu Was ist beim Arbeiten mit einem Vakuum zu beachten?beachten?

Nicht 2 gleiche Materialien miteinander verschrauben Nicht 2 gleiche Materialien miteinander verschrauben (Kaltverschweißung)(Kaltverschweißung)

Lufteinschlüsse müssen vermieden werdenLufteinschlüsse müssen vermieden werden Elektrische Verbindungen nicht löten, sondern Elektrische Verbindungen nicht löten, sondern

punktschweißenpunktschweißen Sauber und fettfrei arbeitenSauber und fettfrei arbeiten

QuellenangabenQuellenangaben

(1),(20),(21): Wutz, Walchert et al. „Handbuch (1),(20),(21): Wutz, Walchert et al. „Handbuch Vakuumtechnik“Vakuumtechnik“

(2): Skript „Vakuumtechnik & kinetische Gastheorie“ vom (2): Skript „Vakuumtechnik & kinetische Gastheorie“ vom physikalischen Praktikum der FH Münster (Fachrichtung: physikalischen Praktikum der FH Münster (Fachrichtung: Physikalische Technik)Physikalische Technik)

(5),(6): Halliday, Riesnick, Walker „Physik“(5),(6): Halliday, Riesnick, Walker „Physik“

(3),(4),(7)-(19): Verschiedene Internetquellen.(3),(4),(7)-(19): Verschiedene Internetquellen.