Hochvakuum, Ultrahochvakuum und extremes Hochvakuum – die Grundlagen
Nur durch eine Untersuchung der Unterschiede (auf molekularer Ebene) zwischen den verschiedenen Vakuumstufen lassen sich die Herausforderungen verstehen, die jeweils mit dem Erreichen von und der Arbeit mit Hochvakuum (HV), Ultrahochvakuum (UHV) und extremem Hochvakuum (XHV) einhergehen.
Bei Grob- und Feinvakuumanwendungen stammt das Gas hauptsächlich aus dem ursprünglichen „Bulk“-Gas. Demgegenüber stammt die Gaslast bei Hochvakuum- und Ultrahochvakuumsystemen vornehmlich aus der Ausgasung durch Oberflächendesorption. Bei XHV-Systemen stammt die Gaslast vorwiegend aus der Permeation von Gas durch Kammerwände und andere Materialien.
Wie lauten die Definitionen von Hochvakuum, Ultrahochvakuum und extremem Hochvakuum?
Der Druckbereich bei XHV-Anwendungen wird in der Regel als 10-12 mbar und niedriger definiert, während er bei UHV-Systemen zwischen 10-7 und 10-12 mbar und bei HV-Systemen zwischen 10-7 und 10-3 mbar liegt. Die Werte von XHV-Anwendungen entsprechen denen, die beiSatelliten in der geostationären Umlaufbahn vorliegen, die Werte von UHV-Anwendungen denen in der Hochenergiephysik und in der nuklearen Forschung und die Werte der HV-Systeme denen, die in Industrie- und Forschungsanwendungen vorliegen.
Erwartungsgemäß müssen die etablierten Normen, Regeln und Protokolle, die die Faktoren und Aspekte im Zusammenhang mit Vakuum definieren und regeln, (z. B. das Erreichen bestimmter Vakuumstufen, die Einrichtung der Pumpe, Schutzmechanismen, Messmethoden sowie die Lecksuche) alle gründlich überprüft und häufig überarbeitet werden.
Wichtige Überlegungen für die Arbeit unter HV-, UHV- und XHV-Bedingungen
Bei der Arbeit unter HV-, UHV- und XHV-Bedingungen sind mehrere wichtige Überlegungen im Zusammenhang mit dem Systemdesign, einschließlich der verwendeten Materialien, relevant.
Darüber hinaus ist der Zustand der System-/Kammeroberfläche ebenfalls wichtig und kann optimiert werden durch:
- Minimierung der inneren Kammeroberfläche
- Schweißarbeiten nur an der Innenseite
- Verwendung von Materialien mit geringer Desorption/Ausgasung
- Geeignete Vorbehandlung der Materialien (z. B. Elektropolieren)
- Überprüfung auf innere Hohlräume oder eingeschlossene Volumina (z. B. blinde Gewindebohrungen)
- Verringern der Anzahl von Dichtungen, Durchführungen etc.
- Verwendung von Metalldichtungen
Die Vorbehandlung des Systems ist wichtig und umfasst das Erhitzen auf hohe Temperaturen (das sogenannte „Einbrennen“), das Tragen von puderfreien Latexhandschuhen, um Fingerabdrücke zu vermeiden, sowie eine gründliche Reinigung, um Kohlenwasserstoffe, Füllungen und andere Verunreinigungen (sowohl chemisch als auch physikalisch) zu entfernen.
Mit welchen Pumpentypen können HV, UHV und XHV erzeugt werden?
Die HV-, UHV- und XHV-Werte können nur dann effektiv und effizient erreicht werden, wenn eine Vorvakuumpumpe verwendet wird, die die Hauptpumpe befüllt. Vorvakuumpumpen (oder auch „Vorpumpen“) reduzieren den Druck auf einen Bereich, in dem HV- UHV- und XHV-Pumpen sicher, effizient und effektiv arbeiten können. Die Kopplung verschiedener Vakuumpumpen zur Leistungsoptimierung ist jedoch nicht trivial. Eine handelsübliche Vakuumpumpe ist nicht für jegliche Anwendungen, Eventualitäten und Anforderungen geeignet, da jeweils eine Vielzahl von wichtigen Faktoren und Einflüssen zu berücksichtigen sind.
Die Auswahl der geeigneten Pumpe (sowohl Vor- als auch Hauptpumpe) hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter Lärm/Vibrationen, Kosten (Anschaffungskosten und Kosten im laufenden Betrieb), Toleranz gegenüber Verunreinigungen, Stellfläche, Wartungspläne, Stoßfestigkeit usw. Es gibt jedoch keine ideale HV-, UHV- oder XHV-Pumpe: Jede dieser Pumpentypen hat ihre eigenen Vorzüge und Nachteile.
Wie werden ein Hochvakuum, ein Ultrahochvakuum und ein extremes Hochvakuum gemessen?
Für die Druckmessung im HV, UHV und XHV sind herkömmliche Druck-/Vakuum-Messsensoren aufgrund der zuvor diskutierten Ausgasungswirkung ungeeignet. Daher werden stattdessen Ionisations-Messsensoren verwendet: Diese verwenden die Wahrscheinlichkeit der Gasionisation, um die Partikelzahldichte zu bestimmen. Es gibt zwei Typen: Ionisations-Messsensoren mit Kalt- und Heißkathoden.
Dichtheitsprüfung im Hochvakuum, Ultrahochvakuum und im extremen Hochvakuum
Kein Vakuumgerät oder -system kann absolut vakuumdicht sein. Im Prinzip ist das auch nicht erforderlich. Die Leckrate sollte einfach nur so niedrig sein, dass der erforderliche Betriebsdruck, der Gasausgleich und der Enddruck im Vakuumbehälter nicht unzulässig beeinträchtigt werden. Bei HVS-, XHV- und UHV-Systemen sind schon kleine Lecks Grund zur Sorge. Und Lecks unter 10-7 mbar l/s lassen sich nur mit einem Helium-Lecksucher (HLD) erkennen.
Ein Leck von 10-12 mbar l/s (1 Å) entspricht dem Durchmesser eines Heliummoleküls und stellt die kleinste feststellbare Leckrate dar. Aus diesem Grund wird bei einer der genauesten und schnellsten Methoden der Dichtheitsprüfung Helium als Tracergas und ein Massenspektrometer für die Analyse/Messung verwendet.
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