Wie funktionieren Ultrahochvakuumsysteme?

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Funktionsprinzipien von Ultrahochvakuum

Die Grenze zwischen dem Hoch- und dem Ultrahochvakuumbereich lässt sich im Hinblick auf die Arbeitsmethoden nicht genau definieren. In der Praxis kommt es zu einer Grenze zwischen den beiden Bereichen, weil Drücke im Hochvakuumbereich mit den üblichen Pumpen, Ventilen, Dichtungen und anderen Komponenten erreicht werden können, während für Drücke im UHV-Bereich in der Regel eine andere Technologie und anders konstruierte Komponenten erforderlich sind. Die Grenze liegt bei einigen 10^-8 mbar. Daher sollten Drücke unter 10^-7 mbar im Allgemeinen mit dem UHV-Bereich in Verbindung gebracht werden.

Die Gasdichte ist im UHV-Bereich sehr gering und wird durch die Ausgasungsrate der Behälterwände und durch kleinste Leckagen an Verbindungsstellen erheblich beeinflusst. Darüber hinaus ist im Zusammenhang mit einer Reihe wichtiger technischer Anwendungen zur Charakterisierung des UHV-Bereichs im Allgemeinen die Monolayer-Zeit (siehe auch Gleichung 1.21) wichtig geworden. Darunter versteht man die Zeit τ, die vergeht, bis sich auf einer zunächst ideal gereinigten Oberfläche, die den Gasteilchen ausgesetzt ist, eine monomolekulare oder einatomige Schicht bildet. Unter der Annahme, dass jedes Gasteilchen, das an der Oberfläche ankommt, einen freien Platz findet und dort bleibt, lautet eine praktische Formel für τ

p in mbar

Daher liegt die Monolayer-Entstehungszeit im UHV (p < 10^-7 mbar) in der Größenordnung von Minuten bis Stunden oder länger und besitzt damit die gleiche Dauer, die für Experimente und Prozesse im Vakuum benötigt wird. Die daraus entstehenden praktischen Anforderungen haben insbesondere in der Festkörperphysik, wie zum Beispiel bei der Untersuchung von Dünnfilmen oder der Elektronenröhrentechnologie, an Bedeutung gewonnen.

Unterschiede zwischen Hochvakuum- und UHV-Systemen

Ein UHV-System unterscheidet sich aus folgenden Gründen von dem üblichen Hochvakuumsystem:

A) Die Leckrate ist extrem gering (Einsatz von Metalldichtungen),
b) die Gasentwicklung der Innenflächen des Vakuumbehälters und der angeschlossenen Komponenten (z. B. Verbindungsschlauch; Ventile, Dichtungen) kann extrem gering gehalten werden,
c) es sind geeignete Mittel (Kältefalle, Umlenksegmente) vorhanden, um zu verhindern, dass Gase oder Dämpfe oder deren Reaktionsprodukte, die von den verwendeten Pumpen stammen, den Vakuumbehälter erreichen ( Rückströmen).

Um diese Bedingungen zu erfüllen, müssen die einzelnen in UHV-Apparaten verwendeten Komponenten ausheizfähig und extrem dicht sein. Edelstahl ist das bevorzugte Material für UHV-Komponenten.

Für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Betrieb eines UHV-Systems ist außerdem besondere Sorgfalt, Sauberkeit und vor allem Zeit erforderlich. Die Montage muss zweckmäßig sein, d. h. die einzelnen Bauteile dürfen nicht im geringsten beschädigt werden (d. h. durch Kratzer auf präzisionsbearbeiteten Dichtflächen). Grundsätzlich muss jedes neu montierte UHV-Gerät vor dem Betrieb mit einem Helium-Lecksucher auf Dichtheit geprüft werden. Besonders wichtig ist hierbei die Prüfung von demontierbaren Verbindungen (Flanschanschlüssen), Glasdichtungen, und geschweißten oder gelöteten Verbindungen. Nach der Prüfung müssen die UHV-Geräte ausgeheizt werden. Dies ist sowohl für Glas- als auch für Metallgeräte erforderlich. Das Ausheizen beschränkt sich nicht nur auf den Vakuumbehälter, sondern häufig auch auf die angeschlossenen Teile, insbesondere die Vakuum-Messsensoren. Die einzelnen Stufen des Ausheizens, die bei einem größeren System mehrere Stunden dauern können, und die Ausheiztemperatur sind gemäß der Art der Anlage und dem erforderlichen Enddruck angeordnet. Wenn nach dem Abkühlen des Geräts und weiteren notwendigen Maßnahmen (z. B. Abkühlen von Kühlfallen oder Luftleitblechen) der Enddruck offenbar nicht erreicht wird, so wird eine erneute Dichtheitsprüfung mit einem Helium-Lecksucher empfohlen. Einzelheiten zu den Komponenten, Dichtungsmethoden und Vakuum-Messsensoren finden Sie in unserem Katalog.

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