Bei der Arbeit mit Hochvakuum (HV)- und Ultrahochvakuum-Systemen (UHV) müssen bestimmte Aspekte berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass diese Systeme effizient und sicher bleiben.
Was sind HV- und UHV-Bedingungen?
HV-Druckbereiche liegen zwischen 10 x 10-3 und 10 x 10-7 mbar.
UHV-Druckbereiche liegen zwischen 10 x 10-7 und 10 x 10-12 mbar.
Wie bei allen Vakuumsystemen müssen auch die etablierten Standards, Regeln und Protokolle, die Vakuumfaktoren und -angelegenheiten regeln, regelmäßig neu überprüft und neu entwickelt werden.
Benutzer sollten routinemäßig:
- Vakuumwerte überprüfen
- Pumpeneinstellungen überprüfen
- Sicherheitsprüfungen durchführen
- Messmethoden auswerten
- Lecksuchverfahren durchführen
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Anwendungen
Zu HV-Anwendungen gehören:
- Metallurgische Prozesse
- Nuklearphysik
- Weltraumsimulationen
- Analytische Instrumente
Zu UHV-Anwendungen gehören:
- Oberflächenanalyse
- Hochenergiephysik
- Molekularstrahl-Epitaxie (MBE)
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Effizienzerwägungen
Benutzer sollten eine sorgfältige Beurteilung des Designs, der Materialien und des Zustands des Vakuumsystems durchführen, um Problembereiche zu ermitteln. Die Effizienz des HV- und UHV-Vakuumsystems lässt sich durch die folgenden bewährten Verfahren verbessern:
- Minimieren Sie die innere Oberfläche der Kammer.
- Schweißen Sie nur von der Innenseite her.
- Nutzen Sie niedrige Desorptions-/Ausgasungsraten.
- Unterziehen Sie Materialien einer Vorbehandlung, z. B. Elektropolieren.
- Prüfen Sie, ob interne Hohlräume oder eingeschlossene Volumen vorhanden sind, z. B. blinde Gewindebohrungen.
- Verwenden Sie metallische Dichtungen.
- Verringern Sie die Anzahl der Dichtungen und Durchführungen.
Überlegungen zu Betriebsbedingungen
Ausgasung
Ausgasung ist die Freisetzung von Gas, das gelöst, eingeschlossen oder in einem Material absorbiert war. Um eine saubere HV- und UHV-Vakuumumgebung zu schaffen und beizubehalten, müssen Benutzer die Ausgasung sorgfältig überwachen.
Zu Ausgasung kommt es gemeinhin, wenn Materialien, die normalerweise nicht als absorbierend gelten, Moleküle in solchen Mengen freisetzen, dass sie industrielle oder wissenschaftliche Vakuumprozesse beeinträchtigen. Zu den Ausgasungsursachen gehören:
- Feuchtigkeit
- Dichtungsmittel
- Schmiermittel
- Klebstoffe
- Metallische Verunreinigungen
- Glasrisse
Das Reinigen von Oberflächen, das Erwärmen einzelner Komponenten oder das Ausheizen können flüchtige Stoffe austreiben.
Gasbelastung
Unter HV- und UHV-Bedingungen müssen Ausgasungs- und Entgasungsniveau so niedrig wie möglich gehalten werden.
Die Minimierung wirksamer Oberflächen verringert die Auswirkungen von Ausgasung. Je größer die Oberfläche, desto größer die Ausgasung und desto höher der Systemdruck.
Wie ermittle ich meine Betriebsbedingungen?
Ein Restgas-Analysator (RGA) ist ein kleines Quadrupol-Massenspektrometer, das der Umgebungsanalyse, Prozesssteuerung und Kontaminationsüberwachung in Vakuumsystemen dient. RGAs können die Qualität des Vakuums überwachen, da sie auch kleinste Spuren von Verunreinigungen in einer gasförmigen Niederdruckumgebung erkennen (und messen).
RGAs werden in der Regel direkt auf und in die Vakuumkammer montiert. RGAs erfüllen verschiedene Funktionen, die mit anderen Methoden nur schwer zu erreichen wären. Dazu gehören: die Analyse verschiedener Reaktionen in der Gasphase, Überwachung der in jeder Gasumgebung auftretenden Veränderungen, Erkennung von Vakuumlecks und Prüfung von Massendurchflussreglern.
Überlegungen zur Pumpenauswahl
Es gibt viele Pumpentypen, die HV- und UHV-Vakuumdruck erzeugen können, und bei den meisten Anwendungen müssen mehrere Pumpen zusammenarbeiten. Die Kopplung verschiedener Vakuumpumpen zur Leistungsoptimierung ist jedoch nicht immer einfach.
Verschiedene Faktoren beeinflussen die Wahl der Pumpen, wie z. B.:
- Geräuschpegel und Schwingungen
- Anfängliche und laufende Kosten
- Verunreinigungstoleranz
- Stellfläche
- Wartungsanforderungen
- Stoßfestigkeit
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Pumpenoptionen
Vorvakuumpumpen
Zu den möglichen Vorvakuumpumpen gehören:
Sekundärpumpen
Zu den wichtigsten Sekundärpumpen, die für HV- und UHV-Werte geeignet sind, gehören:
- Turbomolekularpumpen
- Diffusionspumpen
- Kryopumpen
- Ionen-Getterpumpen
- Titan-Sublimationspumpen
- NEG-Pumpen (Non-Evaporable Getter)
Diese Pumpen erzeugen Vakuumbedingungen durch schnelle Evakuierung, Erfassung oder Bindung von Gasmolekülen.
Kenntnisse von den einzelnen Pumpentypen
Jeder Pumpentyp hat seine ganz speziellen Vor- und Nachteile, was den Auswahlprozess komplizierter macht.
Zu den Vorteilen von Turbomolekularpumpen gehören beispielsweise:
- Einfacher kinetischer Betrieb
- Geringe Wartungskosten
- Kohlenwasserstofffreier Betrieb
Zu den Nachteilen gehören:
- Vibrationserzeugende bewegliche Teile
- Geringere Pumpgeschwindigkeit bei leichten Gasen
- Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Stößen
- Partikelkontamination
Käufer sollten für jeden Pumpentyp einen ähnlichen Vergleich durchführen, um eine fundierte Entscheidung treffen zu können.
Zusammenfassung
Bei der Schaffung von HV- und UHV-Bedingungen ist es wichtig, diese drei Faktoren zu berücksichtigen: Effizienz, Betriebsbedingungen und Pumpenauswahl. Ein Ansatz, der sich auf diese Schlüsselelemente konzentriert, führt Sie zu optimaler Leistung und zuverlässigen HV- und UHV-Bedingungen.
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