Vakuumtechnik

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Einleitung

Vakuumtechnik, Verfahren und zugehörige technische Gerätschaften auf folgender Grundlage: Verbleibende Moleküle, Atome und alle von diesen stammende elektrisch geladene Teilchen, wie Ionen und Elektronen, können sich freier in einem geschlossenen Gefäß bewegen, wenn die gesamte Gasmenge in diesem Gefäß verringert wird. Diese Bewegungsfreiheit ist der Erniedrigung des Gasdruckes proportional.

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Entwicklung

Geringe bis mittlere Vakua werden seit dem späten 19. Jahrhundert in Haushaltsgeräten wie Vakuumflaschen und Staubsaugern benutzt. Die Vakuumtechnologie kommt ebenfalls zum Einsatz bei der Destillation von Schmierölen aus Petroleumresiduen und beim Abpumpen von Luft aus Glühbirnen. Vor dem 2. Weltkrieg wurden Hochvakuummethoden, mit denen sehr gute Vakua erzielt wurden, fast ausschließlich in Forschungslabors genutzt, eine Ausnahme war lediglich die Produktion von Vakuumröhren. Während des Krieges entstanden Techniken zur optischen Beschichtung von Linsen mit extrem dünnen Filmen von Magnesiumfluorid mit Hilfe der Vakuumtechnik. Dieses Verfahren verbessert die optische Qualität der Linsen, indem Lichtreflexe unterdrückt werden. Hochvakuumtechnik wird auch zur molekularen Destillation von Fischfetten bei der Herstellung von Vitamin-A-Konzentrat herangezogen sowie bei der elektromagnetischen Abscheidung von Uran 235 von dem häufigeren Isotop des Urans, mit dem es von Natur aus verbunden ist.

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Einsatz

Eines der wichtigsten Einsatzgebiete der Vakuumtechnik in jüngerer Zeit ist das großindustrielle Tiefgefrieren. Unter Vakuumbedingungen wird die Verdunstung von Wasser sehr stark beschleunigt, deshalb kommt dieses Verfahren für die Gefriertrocknung von Nahrungsmitteln zur Anwendung (siehe Lebensmittelverarbeitung und Konservierung). Das in den Lebensmitteln enthaltene Wasser wird verdampft und entzieht ihnen dabei so viel thermische Energie (Verdampfungskälte), dass sie schockartig durchgefroren werden. Im Hochvakuum verdampftes Metall wird benutzt, um Kunststoffe oder andere Gegenstände mit einer Metallschicht zu überziehen, die den Gegenständen ein hochwertiges metallisches Aussehen verleiht. Dieses Verfahren hat sich aus der Linsenbeschichtung entwickelt. Durch die Einführung von Hochgeschwindigkeits-Hochvakuumpumpen konnte die Produktion von Fernsehröhren gewaltig beschleunigt werden. Geschmolzene, gegossene oder gesinterte Metalle können in ihren physikalischen Eigenschaften durch Behandlung im Hochvakuum noch verbessert werden, da hierbei Gaseinschlüsse und Verunreinigungen entfernt werden. Metallische Einkristalle, die für Transistoren und ähnliche elektronische Bauteile verwendet werden, werden in Hochvakuumreaktoren „gewachsen”, d. h. gefertigt. Elektrische Transformatoren und Hochspannungskabel werden mit hoch durchschlagfesten Dielektrika vakuumimprägniert, um die Eigenschaften der elektrischen Isolierung zu verbessern. Um bestmögliche Wärmeisolierung für Flaschen und Rohre zu erreichen, in denen verflüssigte Gase gelagert oder transportiert werden sollen, werden deren Gefäßwände im Hochvakuum behandelt. Halbleitersubstrate zur Herstellung elektronischer Schaltungen werden durch „Aufsputtern” widerstandsfähiger Materialien, wie Tantal oder Wolfram, in einer Hochvakuumatmosphäre behandelt (siehe integrierte Schaltungen).

Vakuumtechnologie ist besonders für die technische und wissenschaftliche Forschung von Wichtigkeit. Teilchenbeschleuniger sind auf sehr gute Vakua angewiesen, um den Teilchen einen möglichst unbehinderten, gaspartikelfreien Umlauf zu ermöglichen. Um Bauteile der Luft- und Raumfahrttechnik unter simulierten Weltraumbedingungen testen zu können, benutzt man große Versuchskammern mit Fassungsvermögen von zum Teil mehreren tausend Kubikmetern, die für die Erzeugung guter Vakua sehr hohe Abpumpgeschwindigkeiten erfordern. Für bestimmte Formen chemischer Untersuchungen, bei denen die Analyseprobe in gasförmigem Zustand oder in der Gestalt elektrisch geladener Ionen sein muss, kann nur eine Vakuumumgebung das Geforderte leisten. Derartige Geräte sind u. a. Massenspektrometer, Elektronenmikroskope und Messgeräte für Vakuumverschmelzung und kernmagnetische Resonanz. Und ständig ergeben sich neue Einsatzgebiete für Vakuumanwendungen.

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Aufbau der Geräte

Ein betriebsfähiges Vakuumsystem setzt sich aus drei Teilen zusammen: die Hauptkammer, in der die Arbeit ausgeführt wird, die Vakuumpumpen und die zusätzliche Ausstattung wie Rohrleitungen, elektrische Steuereinrichtungen und Messapparaturen. Die Abbildung Einfache Vakuumanlage zeigt ein einfaches Vakuumsystem. Um mit diesem Aufbau arbeiten zu können, muss die Arbeitskammer mit ihrem Vakuummessgerät vakuumdicht mit dem Pumpstand verbunden sein. Sobald Hochvakuum- und Grobventile geschlossen sind und das Vordruckventil geöffnet ist, laufen die Diffusionspumpen und die mechanischen Pumpen an. Wenn die Diffusionspumpe in Betrieb ist, kann sie durch Schließen des Vordruckventils vom restlichen System abgetrennt werden. Anschließend wird die Arbeitskammer abgepumpt, und zwar zunächst mit der mechanischen Pumpe. Hierzu ist das Lufteinlassventil geschlossen und das Grobventil geöffnet. Der Druck in der Arbeitskammer sinkt dann auf ein zehntausendstel Bar (ein Bar ist identisch mit 100 000 Pascal, das ist etwas weniger als der normale Atmosphärendruck; ein Pascal ist gleich ein Newton pro Quadratmeter). Die Kammer wird dann zur Diffusionspumpe hin geöffnet, wobei zuerst das Grobventil geschlossen und danach die Vordruck- und Hochvakuumventile geöffnet werden. Sodann ist die Kammer für Arbeiten bereit, die darin ausgeführt werden sollen. Die Arbeitskammer ist ein luftdicht abgeschlossener Behälter mit einer oder mehreren Möglichkeiten des Zugriffs auf den Innenraum. Für einfachere Aufgaben werden oft auch abgedichtete Glas- oder Stahlglocken benutzt. Zum Innenraum der Kammer stehen von außen her leckdichte Verbindungen zur Verfügung, z. B. Schaugläser, elektrische Anschlüsse oder Werkzeuge, die mechanische Bewegungen von außen in das Vakuum übertragen können.

Eine frühe Form einer Vakuumpumpe hatte eine gewisse Ähnlichkeit mit einer Dampfmaschine. An die Stelle dieser Pumpe sind in der heutigen Vakuumtechnik die Drehschieberpumpe (Abbildung Vakuumpumpe) und die Strahlpumpe (Abbildung Wasserstrahlpumpe) getreten. Bei der Drehschieberpumpe läuft ein Zylinder exzentrisch in einem zylindrischen Hohlgehäuse. Am Läufer ist ein hin- und herschiebbares Schaufelblatt so angebracht und mit Federn vorgespannt, dass es in ständigem Kontakt zur Laufbuchse steht und somit direkten Gasdurchtritt zwischen Einlass und Auspuff verhindert. Das gesamte Innere ist mit einem Dichtungsöl benetzt, das einen sehr geringen Dampfdruck hat. Die Strahlpumpe beruht auf dem Prinzip, dass ein Gas oder eine Flüssigkeit, die unter hohem Druck als gerichteter Strahl durch eine Düse gepresst wird, Gasmoleküle aufnimmt und abführt. Als Treibmittel kann z. B. Wasser oder Wasserdampf dienen. Die Diffusionspumpe arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip, benutzt aber den entgasten Dampf einer Flüssigkeit mit sehr geringem Dampfdruck, meist ein speziell für diesen Zweck hergestelltes organisches Öl oder Quecksilber als Treibmittel. Dieses Treibmittel wird in dem Gasraum, der evakuiert werden soll, frisch verdampft und durchströmt ihn mit extrem hoher Geschwindigkeit, so dass Gasmoleküle in den Treibmittelstrahl eindiffundieren und mitgenommen werden. Das gasbeladene Treibmittel wird dann entgast und in einem Kreislauf zurückgeführt. Einige der wichtigsten anderen Vakuumpumpen aus der großen Vielfalt von Pumpentypen sind u. a. Ionenpumpen, die Gasmoleküle elektrisch laden und danach aufgrund elektrostatischer Kräfte an die Pumpenfläche binden; sie werden eingesetzt, wenn eine trockene und gasfreie Umgebung zwingend erforderlich ist. Ferner Ionengitterpumpen, welche die Reaktionsbereitschaft von Gasmolekülen mit bestimmten Metalloberflächen, wie etwa Titan, ausnutzen und die Gasmoleküle dann fest an das so beschichtete Pumpengehäuse binden. Zuletzt seien noch Sorptionspumpen genannt, die Gaspartikel adsorbieren und in ihre Oberflächen einbauen, die sich ständig erneuern und bei vielen Sorptionspumpen aus dem Alkali-Aluminosilicat Zeolith bestehen. Die Anwendung der Tiefsttemperaturtechnik kann zum Pumpen ebenfalls verwendet werden, wobei die Pumpwirkung dadurch erzielt wird, dass man Gasmoleküle an Oberflächen ausfriert, die auf sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden.