Einführung in die Grundlagen der Vakuumtechnik Vakuumtechnologie Einführung in die Grundlagen der Vakuumtechnik

Überblick Definition des Vakuums Erzeugung eines Vakuums Geschichte Anwendung Druck Ideale Gasgleichung Freie Weglänge Erzeugung eines Vakuums Pumpen Messgeräte Dichtungen Werkstoffe Verhalten von Materie im Vakuum Dampfdruck Adsorption und Desorption

Überblick über die Geschichte der Vakuumtechnik Seit Aristoteles „horror vakui“ 16. Jahrhundert: Torricelli stellte erstes experimentell gebildetes Vakuum her Mitte 17. Jahrhundert: Otto von Guericke pumpte zum ersten mal eine Kugel „luftleer,, (1) Magdeburger Halbkugeln

Definition des Vakuum Grobvakuum Feinvakuum Hochvakuum Ultrahochvakuum 1000 – 10 mbar Feinvakuum 10 – 10 -3 mbar Hochvakuum 10 -3 – 10 -7 mbar Ultrahochvakuum 10 -7 – 10 -12 mbar Extremultrahochvakuum < 10 -12 mbar (2)

Anwendungsbeispiele verschiedener Vakua Industrie: Feinvakuum: - Trocknung von Kunststoffen - Gefriertrocknung - Herstellung von Glühbirnen Hochvakuum: - Produktion von Elektronenröhren - Kristallherstellung Ultrahochvakuum: - Aufdampfen - Zerstäuben von Metallen Forschung: Hochvakuum: - Massenspektroskopie - Elektronenmikroskopie Ultrahochvakuum: - Tieftemperaturforschung - Oberflächenphysik - Teilchenbeschleuniger - Weltraumsimulation

Druck Definiert als Kraft pro Fläche: p=F/A [p]=N/m=Pascal 1 bar = 105 Pascal (3)

Ideale Gasgleichung gilt unter folgenden Annahmen: Moleküle sind Kugelförmig Moleküle haben kein Eigenvolumen Moleküle üben keine atomaren Kräfte aufeinander aus (4)

Teilchenanzahl in einen cm³ bei Zimmertemperatur (20°C) Berechnung mit Hilfe der idealen Gasgleichung Normaldruck : 2,5 . 1019 Teilchen Hochvakuum : 2,5 . 1011 Teilchen (5)

Freie Weglänge Teilchendichte: n = N/V = p/(k . T) Daraus folgt nach längerer Umrechnung die freie Weglänge l = (6,7 . 10-5 m . mbar)/p (für T=20°C) Bei Normaldruck: l = 6,7 . 10-8 m (ca. 100facher Moleküldurchmesser) (6)

Vakuumpumpen Turbomolekularpumpe Membranpumpe Drehschieberpumpe (7) (8) (10)

Turbomolekularpumpe (11)

Membranpumpe (12)

Drehschieberpumpe (13)

Saugvermögen und Enddruck Saugvermögen: S=dV/dt [S]=l/s Effektives Saugvermögen: 1/Seff = 1/S + 1/L experimentelle Bestimmung : Seff = V/t . ln(p0/(p(t)-pend) Real erreichbarer Enddruck: pend = (D+qLeck)/Seff

Vakuummessgeräte Pirani-Vakuummeter Bayard-Alpert-Vakuummeter (15) (16)

Pirani-Vakuummeter (17) Prinzip: Steigende Temperatur des Drahtes durch sinkenden Druck beeinflusst Drahtwiederstand Messbereich: 103 – 10-3 mbar

Bayard-Alpert-Vakuummeter (18) Prinzip: -Ionisation des Restgases -Druckmessung durch Strommessung am Ionenfänger Messbereich: 10-3 – 10-10 mbar

Werkstoffe -geringer Eigendampfdruck Voraussetzungen: -Gasdichtheit -geringer Fremdgasgehalt -keine oder leicht zu entfernende adsorbierte Schichten geeignete Materialien: ungeeignete Materialien: -Edelstahl -die meisten Gummisorten -Glas -Kunststoffe -Aluminium -Zink -Bronze -Messing -Viton -Lötzinn -Teflon -Klebstoff -Keramik

Dampfdruck (19)

Dampfdruckkurven verschiedener Materialien (20)

Adsorption und Desorption (21)

Informationen zum Praktikum Druck im mobilen Labor: 10-5 mbar Freie Weglänge bei 10-4 mbar ca. 67 cm Betrieb einer Heizwendel bei p < 10-4 mbar Was ist beim Arbeiten mit einem Vakuum zu beachten? Nicht 2 gleiche Materialien miteinander verschrauben (Kaltverschweißung) Lufteinschlüsse müssen vermieden werden Elektrische Verbindungen nicht löten, sondern punktschweißen Sauber und fettfrei arbeiten

Quellenangaben (1),(20),(21): Wutz, Walchert et al. „Handbuch Vakuumtechnik“ (2): Skript „Vakuumtechnik & kinetische Gastheorie“ vom physikalischen Praktikum der FH Münster (Fachrichtung: Physikalische Technik) (5),(6): Halliday, Riesnick, Walker „Physik“ (3),(4),(7)-(19): Verschiedene Internetquellen.