Einführung in die Grundlagen der Vakuumtechnik

Präsentation zum Thema: "Einführung in die Grundlagen der Vakuumtechnik"—  Präsentation transkript:

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

2 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

3 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

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

5 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

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

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

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

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

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

11 Turbomolekularpumpe (11)

12 Membranpumpe (12)

13 Drehschieberpumpe (13)

14 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

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

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

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

18 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

19 Dampfdruck (19)

20 Dampfdruckkurven verschiedener Materialien
(20)

21 Adsorption und Desorption
(21)

22 Informationen zum Praktikum
Druck im mobilen Labor: 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

23 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.