Karl Jousten (Hrsg.)

Wutz Handbuch Vakuumtechnik Theorie und Praxis 9., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 569 Abbildungen und 109 Tabellen

Vieweg

XI

Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 9. Auflage

V

Vorwort zur 8. Auflage

VII

Kapitel, Beiträge und Mitarbeiter

IX

1 Die Geschichte der Vakuumphysik und Vakuumtechnik 1.1 Literatur

1 14

2 Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik 2.1 Literatur

15 22

3 Gasgesetze und kinetische Gastheorie 3.1 Beschreibung des Gaszustandes 3.1.1 Zustandsgrößen 3.1.2 Mengengrößen 3.1.3 Zustandsgieichung des idealen Gases 3.1.4 Gemisch verschiedener Gase 3.2 Kinetische Gastheorie 3.2.1 Modellvorstellung 3.2.2 Wanddruck als Folge von Teilchenstößen 3.2.3 Geschwindigkeitsverteilung von Maxwell und Boltzmann 3.2.4 Flächenstoßrate und Effusion 3.2.5 Größe der Gasteilchen, freie Weglänge 3.3 Transporteigenschaften von Gasen 3.3.1 Druckabhängigkeit 3.3.2 Innere Reibung in Gasen: Viskosität 3.3.3 Wärmetransport: Wärmeleitfähigkeit 3.3.4 Diffusion 3.4 Reale Gase 3.4.1 Zustandsgieichungen 3.5 Dämpfe 3.5.1 Sättigungsdampfdruck 3.5.2 Verdampfungsrate 3.6 Literatur

23 23 23 26 28 30 31 31 32 33 36 37 41 41 42 46 53 55 55 59 59 62 64

4 Strömung von Gasen 4.1 Strömungsarten, Begriffsdefinitionen 4.1.1 Charakterisierung von Strömungen, Knudsenzahl, Reynoldszahl 4.1.2 Gasstrom, Saugleistung, Saugvermögen 4.1.3 Strömungswiderstand, Strömungsleitwert 4.1.4 Effektives Saugvermögen einer Vakuumpumpe

65 65 65 68 72 73

XII

Inhaltsverzeichnis 4.2

4.3

4.4

4.5

4.6 4.7

4.8

Reibungsfreie viskose Strömung, Gasdynamik 4.2.1 Erhaltungssätze 4.2.2 Allmähliche Querschnittsänderung: isentrope Zustandsänderung 4.2.3 Kritische Strömung 4.2.4 Verblockung bei kleinem Auslassdruck 4.2.5 Kontraktion bei Einströmung in Blende und Rohr 4.2.6 Beispiele zur Düsenströmung 4.2.7 Gerader und schräger Verdichtungsstoß 4.2.8 Lavaldüse, Ausströmung bei Gegendruck 4.2.9 Strömung um eine Ecke (Prandtl-Meyer) Reibungsbehaftete viskose Leitungsströmung 4.3.1 Laminare und turbulente Strömung durch eine Leitung 4.3.2 Leitungsströmung von Luft 4.3.3 Lufteinströmung in einen Kessel, Beispiele 4.3.4 Rohr in der Ansaugleitung einer Pumpe, Beispiele 4.3.5 Strömung durch Leitungen mit nicht-kreisförmigem Querschnitt 4.3.6 Gasartabhängigkeit der Strömung Molekulare Strömung im Hoch- und Ultrahochvakuum 4.4.1 Strömungsform, Begriffe, Durchlaufwahrscheinlichkeit 4.4.2 Molekulare Strömung durch Blende 4.4.3 Molekulare Strömung durch Leitung gleichbleibenden Querschnitts .... 4.4.4 Molekulare Strömung durch Kreisrohr 4.4.5 Molekulare Strömung durch Leitungen einfachen Querschnitts 4.4.6 Rohrbogen und Rohrknie 4.4.7 Hintereinanderschaltung von Rohr und Blende 4.4.8 Hintereinanderschaltung von Bauelementen 4.4.9 Molekularströmung durch konisches Kreisrohr (Trichter) 4.4.10 Bauelement in der Ansaugleitung einer Pumpe Strömung im gesamten Druckbereich 4.5.1 Kennzeichnung der Strömung 4.5.2 Strömung durch dünne Kreisblende 4.5.3 Strömung durch langes Kreisrohr Strömung bei Temperaturdifferenz, thermische Effusion, Transpiration Messung von Strömungsleitwerten 4.7.1 Notwendigkeit der Messung 4.7.2 Messung des charakteristischen Leitwerts (Eigenleitwert) 4.7.3 Berechnung des reduzierten Leitwerts (Einbauleitwert) 4.7.4 Messung des reduzierten Leitwerts Literatur

5 Sorption und Diffusion 5.1 Sorptionsphänomene und deren Bedeutung - Begriffe und Terminologie 5.2 Adsorptions- und Desorptionskinetik 5.2.1 Adsorptionsrate 5.2.2 Desorptionsrate 5.2.3 Hobsons Modell einer Auspumpkurve 5.2.4 Mono-Schicht-Adsorptionsisothermen

74 74 76 79 81 82 83 86 89 91 94 94 97 100 103 106 108 109 109 113 114 116 118 121 122 123 125 126 128 128 128 130 135 138 138 138 140 140 142 143 143 148 148 149 150 153

Inhaltsverzeichnis 5.2.5

5.3 5.4 5.5

Mehrschicht-Adsorption und Brunauer-Emmett-Teller(BET-)lsotherme 5.2.6 Mono-Zeit Absorption, Diffusion und Ausgasung Permeation Literatur

XIII

Verdrängerpumpen 6.1 Einleitung und Übersicht 6.2 Oszillationsverdrängerpumpen 6.2.1 Kolbenpumpen 6.2.2 Membranpumpen 6.2.2.1 Aufbau und Funktionsweise 6.2.2.2 Saugvermögen und Enddruck 6.2.2.3 Gasballast 6.2.2.4 Antriebskonzepte 6.2.2.5 Enddruck 6.2.2.6 Gasartabhängigkeit des Saugvermögens und des Enddrucks 6.2.2.7 Drehzahlabhängigkeit des Enddrucks 6.2.2.8 Konstruktionsprinzipien 6.2.2.9 Anwendung von Membranpumpen im Chemielabor 6.2.2.10 Membranpumpen als Vorpumpen für Turbomolekularpumpen 6.2.2.11 Membranpumpen in Kombination mit anderen Vakuumpumpen 6.3 Einwellige Rotationsverdrängerpumpen 6.3.1 Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen 6.3.1.1 Aufbau und Funktionsweise 6.3.1.2 Betriebseigenschaften und Auslegung 6.3.1.3 Bauarten 6.3.1.4 Pumpstände mit Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen 6.3.1.5 Hinweise für den wirtschaftlichen Betrieb 6.3.2 Drehschieberpumpen 6.3.2.1 Wirkungsweise und Aufbau 6.3.2.2 Trocken laufende Drehschieberpumpen 6.3.2.3 Ölgeschmierte Drehschieberpumpen 6.3.2.4 Frischöl geschmierte Drehschieberpumpe 6.3.2.5 Betriebsverhalten und Hinweise 6.3.2.6 Kennlinien, Kenndaten 6.3.3 Sperrschieberpumpen 6.3.3.1 Wirkungsweise und technischer Aufbau 6.3.3.2 Vergleich zwischen Dreh- und Sperrschieberpumpen 6.3.4 Trochoidenpumpen 6.3.5 Scroll-Pumpen 6.3.5.1 Das Verdichtungsprinzip 6.3.5.2 Aufbau 6.3.5.3 Anwendungen und Vorteile

156 157 158 163 166 167 167 169 169 171 171 172 174 174 175 176 176 177 179 179 182 183 183 184 185 188 191 193 195 195 196 197 199 200 202 203 203 207 207 209 209 210 211

XIV 6.4

6.5

6.6

6.7

6.8

6.9

Inhaltsverzeichnis Zweiwellige Rotationsverdrängerpumpen 6.4.1 Schraubenpumpen 6.4.1.1 Wirkungsweise und technischer Aufbau 6.4.1.2 Wärmeverhalten und technische Hinweise 6.4.2 Drehzahnpumpen 6.4.2.1 Verdichtungsprinzip 6.4.2.2 Vergleich mit Wälzkolbenpumpen 6.4.2.3 Mehrstufige Drehzahnpumpen und Pumpkombinationen 6.4.2.4 Drehzahlregelung 6.4.2.5 Anwendungsgebiete 6.4.3 Wälzkolbenpumpen (Roots-Pumpen) 6.4.3.1 Wirkungsweise 6.4.3.2 Technischer Aufbau 6.4.3.3 Theoretische Grundlagen 6.4.3.4 Der effektive Gasstrom 6.4.3.5 Kompressionsverhältnis KQ bei Nulldurchsatz 6.4.3.6 Effektives Kompressionsverhältnis und volumetrischer Wirkungsgrad [51] 6.4.3.7 Abstufung des Saugvermögens Vorpumpe/Wälzkolbenpumpe 6.4.3.8 Saugvermögen und Enddruck 6.4.3.9 Installation und Betriebshinweise Spezifische Eigenschaften ölgedichteter Verdrängerpumpen 6.5.1 Saugvermögen und erreichbarer Enddruck 6.5.1.1 Saugvermögen und Endpartialdruck 6.5.1.2 Enddruck und Ölauswahl 6.5.2 Ölrückströmung Grundlagen Verdrängerpumpen 6.6.1 Abpumpen von Dämpfen - Gasballast 6.6.2 Leistungsbedarf 6.6.2.1 Isotherme Kompression 6.6.2.2 Adiabatische Kompression 6.6.2.3 Polytrope Kompression 6.6.2.4 Kompressionsleistung Betriebs- und Sicherheitshinweise 6.7.1 Aufstellung 6.7.2 An-und Abstellen, Saugstutzenventile 6.7.3 Auswahl der Pumpen und Arbeitshinweise 6.7.4 Sicherheitstechnische Hinweise Spezifisches Zubehör für Verdrängerpumpen 6.8.1 Sorptionsfallen 6.8.2 Sicherheitsventile 6.8.3 Ölfilter und Ölreinigung 6.8.4 Auspuff-Filter (Ölnebelabscheider) 6.8.5 Staubfilter Literatur

211 211 212 218 220 220 223 225 225 226 226 226 227 229 229 230 231 232 236 238 239 239 239 240 243 244 244 248 249 249 250 250 252 252 252 253 254 256 256 257 258 259 260 261

Inhaltsverzeichnis

XV

7 Kondensatoren 7.1 Kondensationsvorgänge im Vakuum 7.1.1 Grundlagen 7.1.2 Kondensation reiner Dämpfe 7.1.3 Kondensation von Gas-Dampf Gemischen 7.1.4 Kühlmittel 7.2 Bauarten von Kondensatoren 7.2.1 Oberflächenkondensatoren für Flüssigkeitskondensation 7.2.2 Mischkondensatoren 7.2.3 Kondensataustrag 7.2.4 Oberflächenkondensatoren für Feststoffkondensation 7.3 Integration von Kondensatoren in Vakuumsysteme 7.3.1 Kondensatoren in Kombination mit Vakuumpumpen 7.3.2 Regelung 7.4 Berechnungsbeispiele 7.5 Literatur

265 265 265 267 269 272 273 273 276 277 278 279 279 282 282 284

8 Treibmittelpumpen 8.1 Einleitung, Übersicht 8.2 Flüssigkeitsstrahlpumpen 8.3 Dampfstrahl-Vakuumpumpen 8.3.1 Aufbau und Wirkungsweise 8.3.2 Leistungsdaten, Betriebsverhalten und Regelung 8.3.3 Mehrstufige Dampfstrahl-Vakuumpumpen 8.3.4 Organische Dämpfe als Treibmedium 8.4 Diffusionspumpen 8.4.1 Aufbau und Arbeitsweise 8.4.2 Treibmittel 8.4.3 Dampfsperren (Baffles) und Fallen 8.4.4 Fraktionieren, Entgasen 8.4.5 Betriebshinweise 8.4.6 Saugvermögen, Vorvakuumbeständigkeit, Hybridpumpen 8.4.7 Berechnung der Funktionsgrößen von Diffusions- und Dampfstrahlpumpen anhand eines einfachen Pumpenmodells 8.5 Vergleich Diffusionspumpen - Dampfstrahlpumpen 8.6 Literatur

285 285 286 288 289 290 294 296 297 297 301 302 303 305 305

9 Molekular- und Turbomolekularpumpen 9.1 Einleitung 9.2 Molekularpumpen 9.2.1 Gaedepumpstufe 9.2.2 Holweckstufe 9.2.3 Siegbahnstufe 9.3 Physikalische Grundlagen der Turbomolekularpumpstufen 9.3.1 Pumpmechanismus 9.3.2 Saugvermögen und Kompressionsverhältnis

319 319 321 321 325 325 326 326 327

308 315 318

XVI

Inhaltsverzeichnis

9.3.3 Statistische und Gaedesche Betrachtung des Pumpeffekts 9.3.4 Wärmehaushalt 9.4 Turbomolekularpumpen 9.4.1 Aufbau 9.4.2 Wirkungsweise 9.4.3 Rotormaterialien und mechanische Anforderungen 9.4.4 Heizung und Kühlung 9.4.5 Sonderausführungen 9.4.6 Sicherheitsanforderungen 9.4.7 Lagerung von Turbomolekularpumpenrotoren 9.4.7.1 Welle mit zwei Kugellagern 9.4.7.2 Welle mit Permanentmagnetlager und Kugellager 9.4.7.3 Magnetlagerung 9.4.8 Antriebe und Bedienung 9.4.9 Leistungsdaten 9.4.9.1 Saugvermögen 9.4.9.2 Kompressionsverhältnis, Enddruck und Basisdruck 9.4.9.3 Auspumpzeiten von Behältern 9.4.9.4 Pumpen hoher Gaslasten 9.4.10 Betrieb und Wartung 9.4.10.1 Wahl der Vorpumpe 9.4.10.2 Allgemeine Hinweise 9.4.10.3 Einschalten 9.4.10.4 Erreichen des Basisdruckes 9.4.10.5 Betrieb in Magnetfeldern 9.4.10.6 Belüften 9.4.10.7 Wartung 9.4.11 Anwendungen 9.5 Literatur

328 331 334 334 335 336 337 337 339 340 340 341 341 343 344 344 345 346 347 349 349 349 349 349 350 350 350 351 354

10 Sorptionspumpen 10.1 Einleitung 10.2 Adsorptionspumpen 10.2.1 Wirkungsweise 10.2.2 Aufbau 10.2.3 Endvakuum und Saugvermögen 10.2.3.1 Enddruck mit einer Adsorptionspumpe 10.2.3.2 Enddruck mit zwei oder mehr Adsorptionspumpen 10.2.4 Verbesserung des Endvakuums durch Vorevakuieren oder Füllen mit einem Fremdgas 10.2.5 Betriebs- und Arbeitshinweise 10.3 Getter 10.3.1 Wirkungsweise und Getterarten 10.3.2 NEG-Pumpen 10.3.2.1 Grundlagen der Volumengetter/NEG 10.3.2.2 Aufbau von NEG-Pumpen 10.3.2.3 Saugvermögen und Getterkapazität

355 355 356 356 358 359 359 361 362 362 363 363 365 365 369 370

Inhaltsverzeichnis 10.3.2.4 Anwendung von NEG-Pumpen 10.3.2.5 Sicherheits-und Betriebshinweise 10.3.3 Verdampferpumpen 10.3.3.1 Materialien der Verdampfer 10.3.3.2 Saugvermögen 10.3.3.3 Getterkapazität 10.3.3.4 Aufbau der Verdampfergetterpumpen 10.4 Ionenzerstäuberpumpen 10.4.1 Wirkungsweise 10.4.2 Technischer Aufbau (Diodentyp) 10.4.3 Saugvermögen 10.4.4 Die differentielle Diodenpumpe 10.4.5 Die Triodenpumpe 10.4.6 Lineare Zerstäuberpumpen (Distributed ion pump) 10.4.7 Restgasspektrum 10.4.8 Arbeitstechnik 10.5 Die Orbitronpumpe 10.6 Literatur 11 Kryotechnik und Kryopumpen 11.1 Einleitung 11.2 Kühlverfahren 11.2.1 Begriffe und Hauptsätze der Thermodynamik 11.2.2 Spezielle Kühlprozesse 11.2.2.1 Joule-Thomson-Entspannung; Linde-Verfahren 11.2.2.2 Expansionsmaschinen 11.2.2.3 Claude-Verfahren 11.2.2.4 Stirling-Verfahren 11.2.2.5 Gifford-McMahon-Verfahren 11.2.2.6 Allgemeine Kriterien für Kälteanlagen 11.3 Kryostatentechnik 11.3.1 Kryostate 11.3.2 Vakuumisolierte Leitungen [17] 11.3.3 Nachfüllvorrichtungen 11.3.4 Kältemittelverluste 11.4 Kryopumpen 11.4.1 Die Bindung von Gasen an Kaltflächen 11.4.1.1 Gaskondensation 11.4.1.2 Kryotrapping und Kryosorption 11.4.2 Kenngrößen einer Kryopumpe 11.4.2.1 Startdruck pst 11.4.2.2 Enddruck p e n d 11.4.2.3 Saugvermögen 11.4.2.4 Standzeit TB 11.4.2.5 Kapazität (maximale Gasaufnahme) 11.4.2.6 Wärmeübertragung auf die Kaltfläche 11.4.2.7 Wärmeleitfähigkeit der Kondensate

XVII 371 372 373 373 374 376 377 382 382 385 386 389 389 392 392 393 394 395 397 397 398 398 400 400 403 404 404 405 406 409 409 412 413 417 421 421 422 422 425 425 426 427 428 429 429 430

XVIII

Inhaltsverzeichnis

11.4.2.8 Wachstumsgeschwindigkeit der Kondensatschicht 11.4.2.9 „Cross-over"-Wert 11.4.2.10 Maximal zulässiger pV-Durchfluß 11.4.3 Konstruktionsprinzipien 11.4.3.1 Bad-Kryopumpen 11.4.3.2 Verdampfer-Kryopumpen 11.4.3.3 Kryopumpen mit Kältemaschine (Refrigerator-Kryopumpen) 11.4.3.4 Anwendungsbeispiele 11.4.3.5 Kryopumpen in der Kernfusionstechnik 11.4.3.6 Kryopumpen in der Raumfahrttechnik 11.4.3.7 Kryopumpen in Teilchenbeschleunigern 11.4.3.8 Kryopumpen in industriellen Anlagen 11.4.3.9 Kryopumpen für UHV-Anlagen 11.4.4 Entwicklungstendenzen für die Kryopumpe 11.5 Literatur 12 Vakuummessgeräte für Totaldruck 12.1 Einleitung 12.2 Mechanische Vakuummeter 12.2.1 Prinzip und Einteilung 12.2.2 Plattenfedervakuummeter 12.2.3 Kapselfedervakuummeter (Messbereich 1 kPa ... 100 kPa) 12.2.4 Röhrenfedervakuummeter (Messbereich 1 kPa ... 100 kPa) 12.2.4.1 Quarz-Bourdon-Vakuummeter 12.2.5 Membranvakuummeter 12.2.5.1 Membranvakuummeter mit mechanischer Anzeige (Messbereich 0,1 kPa ... 100 kPa) 12.2.5.2 Membranvakuummeter mit elektrischem Umformer 12.2.5.3 Membranvakuummeter nach dem piezo-resistiven Prinzip ... 12.2.5.4 Piezo-elektrische Vakuummeter 12.2.5.5 Resonanz-Membranvakuummeter 12.2.5.6 Kapazitätsvakuummeter 12.2.5.7 Thermische Transpiration 12.2.6 Druckschalter und Druckregler 12.3 Gasreibungsvakuummeter (Spinning Rotor Gauge) 12.3.1 Messanordnung und Messprinzip 12.3.2 Bremsung durch Gasreibung 12.3.3 Durchführung der Messung 12.3.4 Erweiterung des Messbereichs zu höheren Drücken 12.3.5 Messunsicherheit 12.4 Direkte elektrische Druckmessumformer 12.5 Wärmeleitungsvakuummeter 12.5.1 Prinzip 12.5.2 Wärmeleitungsvakuummeter mit konstanter Drahttemperatur 12.5.3 Wärmeleitungsvakuummeter mit konstanter Heizung 12.5.4 Thermoelementvakuummeter (Thermocouple)

431 432 432 433 433 433 436 439 439 440 441 441 441 443 444 446 446 447 447 448 449 450 450 451 452 453 454 455 456 457 459 461 463 464 465 469 470 471 472 472 472 476 479 481

Inhaltsverzeichnis 12.5.5 Thermistoren 12.5.6 Hinweise zur Verwendung von Wärmeleitungsvakuummetern 12.6 Gasflussmessgeräte 12.7 Ionisationsvakuummeter 12.7.1 Prinzip und Einteilung 12.7.2 Geschichtliche Entwicklung der Ionisationsvakuummeter 12.7.3 Ionisationsvakuummeter mit Emissionskathode 12.7.3.1 Messprinzip 12.7.3.2 Aufbau der Emissionskathoden-Ionisationsvakuummeter .... 12.7.3.3 Konzentrische Triode 12.7.3.4 Feinvakuum-Ionisationsvakuummeter 12.7.3.5 Ionisationsvakuummeter nach Bayard und Alpert 12.7.3.6 Extraktor-Ionisationsvakuummeter 12.7.3.7 Andere Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter 12.7.3.8 Betriebshinweise für EmissionskathodenIonisationsvakuummeter 12.7.4 Ionisationsvakuummeter mit gekreuzten elektromagnetischen Feldern 12.7.4.1 Penning-Vakuummeter 12.7.4.2 Magnetron und invertiertes Magnetron 12.7.5 Vergleichende Betrachtung zwischen den beiden Arten von Ionisationsvakuummetern 12.7.6 Allgemeine Hinweise 12.8 Literatur 13 Partialdruckmessgeräte und Leckdetektoren 13.1 Einleitung 13.2 Partialdruckmessgeräte (Massenspektrometer) 13.2.1 Ionenquellen 13.2.1.1 Offene Ionenquelle OIS 13.2.1.2 Geschlossene Ionenquellen 13.2.1.3 Crossbeam-Ionenquelle 13.2.2 Heizfaden-Materialien 13.2.3 Ionenquellenbedingte Artefakte im Massenspektrum 13.2.4 Massen-Analysatoren 13.2.4.1 Quadrupol-Massenanalysator 13.2.4.2 Miniaturisierte Quadrupol-Massenspektrometer 13.2.4.3 Magnetische Sektorfeld Massenspektrometer 13.2.5 Ionendetektoren 13.2.5.1 Faraday-Detektor 13.2.5.2 Sekundärelektronen-Vervielfacher 13.2.5.3 SEV mit diskreten Dynoden 13.2.5.4 SEV mit kontinuierlicher Dynode 13.2.5.5 Microchannel Plate Detektor 13.2.6 Steuersoftware für Massenspektrometer 13.2.6.1 Analoger Scan, Ionenstrom in Abhängigkeit von der Masse

XIX 481 482 482 485 485 485 488 488 492 492 493 494 498 502 502 504 504 508 510 512 516 519 519 519 524 525 526 527 528 529 531 531 535 537 540 540 541 542 544 544 546 546

Inhaltsverzeichnis

XX

13.2.6.2 Messung ausgewählter Massenzahlen 13.2.6.3 Lecksuch-Modus 13.2.7 Weitere Einsatzmöglichkeiten von Massenspektrometern 13.3 Partialdruckmessung mit optischen Methoden 13.4 Leckdetektoren 13.4.1 Grundprinzipien und geschichtliche Entwicklung 13.4.2 Heliumleckdetektoren 13.4.2.1 Anforderungen und Grundfunktion bei der Vakuumlecksuche 13.4.2.2 Heliumsektorfeldmassenspektrometer 13.4.2.3 Einlassdruck von Heliumleckdetektoren 13.4.2.4 Zeitverhalten von Heliumleckdetektoren 13.4.2.5 Arbeitsprinzipien von Heliumleckdetektoren 13.4.2.6 Schnüffeleinrichtungen für Heliumleckdetektoren 13.4.2.7 Anwendungsfelder der massenspektrometrischen Heliumleckdetektoren 13.4.3 Kältemittelleckdetektoren 13.4.3.1 Aufbau und Funktion 13.4.3.2 Anwendungsfelder 13.4.4 Prüflecks 13.4.4.1 Permeationslecks 13.4.4.2 Leitwertlecks 13.4.4.3 Praktische Ausführungen von Prüflecks 13.4.4.4 Kalibrierung von Prüflecks 13.4.5 Messeigenschaften und Kalibrierung von Leckdetektoren 13.4.5.1 Leckdetektoren als Prüfmittel im Sinne der DIN/ISO 9001 .. 13.4.5.2 Unsicherheit der Kalibrierung 13.4.6 Leckdetektoren mit anderen Sensorprinzipien 13.4.6.1 Heliumschnüffler mit Quarzglasmembrane 13.4.6.2 Halogenleckdetektoren mit Alkali-Ionen-Sensor 13.4.6.3 Halogenleckdetektoren mit Infrarot-Sensor 13.5 Literatur 14 Kalibrierungen und Normen 14.1 Einleitung 14.2 Kalibrierung von Vakuummessgeräten 14.2.1 Primärnormale 14.2.1.1 Flüssigkeitsmanometer 14.2.1.2 Kompressionsmanometer nach McLeod 14.2.1.3 Drehkolbenmanometer und Druckwaagen 14.2.1.4 Statisches Expansionsverfahren 14.2.1.5 Kontinuierliches Expansionsverfahren 14.2.1.6 Sonstige Primärnormale 14.2.2 Das Vergleichsmessverfahren 14.2.3 Kapazitätsvakuummeter 14.2.4 Gasreibungsvakuummeter 14.2.5 Ionisationsvakuummeter

546 547 547 548 550 550 551 551 552 553 554 555 559 560 561 561 562 562 562 563 563 564 564 564 564 565 565 566 566 567 569 569 571 571 573 575 578 580 586 593 593 595 598 601

Inhaltsverzeichnis 14.3 14.4 14.5 14.6

Kalibrierungen von Partialdruckmessgeräten Kalibrierungen von Testlecks Normen für die Bestimmung von Kenngrößen von Vakuumpumpen Literatur

15 Werkstoffe 15.1 Anforderungen und Überblick über die Werkstoffe 15.2 Werkstoffe der Vakuumtechnik 15.2.1 Metalle 15.2.1.1 Die wichtigsten Metalle und Metalllegierungen 15.2.2 Technische Gläser 15.2.2.1 Allgemeines 15.2.2.2 Eigenschaften der wichtigsten Gläser 15.2.3 Keramische Werkstoffe 15.2.3.1 Allgemeines 15.2.3.2 Eigenschaften der wichtigsten keramischen Werkstoffe 15.2.3.3 Keramik in der Vakuumtechnik 15.2.3.4 Verbindungstechnologien für Keramiken mit Metallen 15.2.3.5 Zeolithe 15.2.4 Kunststoffe 15.2.4.1 Allgemeines 15.2.4.2 Eigenschaften der wichtigsten Kunststoffe 15.2.5 Vakuumfette 15.2.6 Öle 15.2.7 Kühlmittel 15.3 Gasdurchlässigkeit und Gasabgabe von Werkstoffen 15.3.1 Allgemeines 15.3.2 Gasdurchlässigkeit 15.3.2.1 Gasdurchlässigkeit von Metallen 15.3.2.2 Gasdurchlässigkeit von Gläsern und Keramiken 15.3.2.3 Gasdurchlässigkeit von Kunststoffen [4] 15.3.3 Gasabgabe 15.3.3.1 Allgemeines 15.3.3.2 Sättigungsdampfdruck (siehe auch Abschnitt 3.5.1) 15.3.3.3 Desorption von der Oberfläche, Gasdiffusion aus dem Materialinnern und Richtwerte für die Gasabgabe [6], [5], [13] 15.3.3.4 Diffusion aus dem Inneren 15.3.3.5 Richtwerte für die Gesamtgasabgaberate [6, 13] 15.4 Literatur 16 Bauelemente der Vakuumtechnik und ihre Verbindungen 16.1 Einleitung 16.2 Nichtlösbare Verbindungen 16.2.1 Schweißverbindungen [2], [3], [4]

XXI 603 605 608 611 614 614 615 615 616 620 620 622 624 624 625 626 626 626 626 626 626 628 629 629 629 629 630 630 631 632 634 634 634

636 636 640 640 641 641 641 642

XXII

Inhaltsverzeichnis 16.2.1.1 16.2.1.2

16.3

16.4

16.5 16.6

16.7

Das WIG-(Wolfram-Inert-Gas-)Schweißen Das Mikroplasma-, das Elektronenstrahl-Schweißen und das Reib-Schweißen 16.2.2 Lötverbindungen 16.2.3 Verschmelzungen [9] 16.2.4 Verbindungen mit Metallisierung [9] 16.2.5 Verbindungen durch Kleben [10] Lösbare Verbindungen 16.3.1 Dichtungen und Dichtflächen 16.3.2 Kraftbedarf 16.3.3 Schliffe 16.3.4 Flanschverbindungen 16.3.4.1 Swagelok-und Swagelok-VCR-Verbindungen 16.3.4.2 Kleinflanschbauteile und Dichtungen nach DIN 28403 [11], [12] 16.3.4.3 ISO-K Bauteile und Dichtungen nach DIN 28404 16.3.4.4 CF-Bauteile und Dichtungen 16.3.4.5 COF-Bauteile 16.3.4.6 Sonderflansche und Sonderdichtungen 16.3.4.7 Vakuumbauteile und -kammern 16.3.4.8 Steckverbindungen Vakuumbehälter 16.4.1 Auslegung 16.4.1.1 Dimensionierung von Vakuumbehältern und Berechnungsbeispiele 16.4.2 Doppelwandige Behälter Flexible Verbindungselemente Durchführungen 16.6.1 Durchführungen für Bewegung und für mechanische Energie 16.6.1.1 Durchführungen für Linearbewegungen 16.6.1.2 Durchführungen für Drehbewegungen 16.6.1.3 Manipulatoren 16.6.2 Stromdurchführungen 16.6.2.1 Durchführungen aus Kunststoff 16.6.2.2 Durchführungen aus Keramik 16.6.3 Durchführungen für Flüssigkeiten und Gase 16.6.3.1 Sichtfenster 16.6.4 Schmieren im Vakuum Absperrorgane (Ventile) 16.7.1 Allgemeines 16.7.1.1 Aufbau, Auslegung und Anforderungen 16.7.1.2 Einteilung (Benennung) 16.7.1.3 Betätigungsarten 16.7.1.4 Abdichtung der Ventile und Werkstoffe 16.7.2 Eckventile 16.7.3 Durchgangsventile

642 643 643 645 647 647 648 648 649 649 650 650 652 652 653 654 654 655 656 657 657 657 660 660 662 662 663 663 664 665 665 666 667 668 670 670 670 670 671 671 672 673 675

Inhaltsverzeichnis 16.7.4 Schieberventile 16.7.5 Gaseinlassventile 16.8 Vakuumgerechte Fertigung und Oberflächenbehandlung 16.8.1 Bearbeitungsverfahren 16.8.2 Oberflächenbehandlung 16.8.3 Reinigung (Vorreinigung und In-situ) 16.8.3.1 Reinigung von Edelstahlen 16.8.3.2 Reinigen von technischen Gläsern 16.8.3.3 Reinigen von Keramik 16.8.3.4 Vakuumglühen 16.8.3.5 Ausheizen 16.8.3.6 In-situ-Reinigung duch Glimmentladung und chemisch aktivem Gas 16.9 Literatur 17 Arbeitsmethoden mit Vakuumsystemen 17.1 Elektronische Anbindung von Vakuumsystem 17.1.1 Überwachung durch Prozesssensoren und automatisierte Datenauswertung 17.1.1.1 Anforderungen und Anwendungen 17.1.2 Integrationslösungen 17.1.2.1 Integration mit Windows Winsock 17.1.2.2 ASCII-Protokolle 17.1.2.3 Standardisierte Bussysteme 17.1.2.4 Sensor-Integration nach SECS-und HSMS-Standard 17.1.3 Prozessdatenanalyse 17.2 Allgemeine Hinweise zum End-und Arbeitsdruck 17.2.1 Enddruckpend bzw. BetriebsenddruckpB,end einer Vakuumpumpe ... 17.2.2 Enddruck einer Vakuumapparatur oder-anläge pend,A 17.2.3 Arbeitsdruck .' 17.2.4 Arbeitsdruck, bedingt durch den Prozessgasstrom 17.2.5 Arbeitsdruck, bedingt durch verdampfende Substanzen 17.2.6 Arbeitsdruck, bedingt durch Ausgasung (vgl. Kapitel 5 und Abschnitt 15.3) 17.2.7 Arbeitsdruck, bedingt durch den Permeationsgasstrom (Abschnitt 15.3.2) 17.2.8 Arbeitsdruck, bedingt durch den Leckgasstrom 17.3 Arbeitstechnik im Grobvakuum (101 kPa ... 100 Pa) 17.3.1 Überblick 17.3.2 Aufbau einer Grobvakuumanlage oder-apparatur 17.3.3 Pumpen, Art und Saugvermögen 17.3.4 Pumpstände für Grobvakuum 17.3.5 Druckmessung im Grobvakuum 17.3.6 Auspumpzeit im Grobvakuum 17.3.7 Belüften 17.4 Arbeitstechnik im Feinvakuum 17.4.1 Überblick

XXIII 676 677 678 678 678 680 680 681 681 681 682 683 683 684 684 684 684 686 687 687 688 688 690 692 693 693 694 694 695 697 698 699 699 699 700 701 702 704 704 708 710 710

XXIV

Inhaltsverzeichnis

17.4.2 Aufbau einer Feinvakuum-Apparatur 17.4.3 Pumpen: Art und Saugvermögen 17.4.4 Druckmessung 17.4.5 Auspumpzeit und Enddruck 17.4.6 Belüften 17.4.7 Feinvakuumpumpstände 17.5 Arbeitstechnik im Hochvakuum 17.5.1 Pumpen: Art und Saugvermögen 17.5.2 Behandlung der Vakuummeter (Reinigung) 17.5.3 Hochvakuumpumpstände 17.5.3.1 Hochvakuumpumpstand mit Diffusionspumpe (siehe auch Abschnitt 8.4.6) 17.5.3.2 Hochvakuumpumpstand mit Turbomolekularpumpe 17.5.3.3 Der vollautomatische Hochvakuumpumpstand 17.5.4 Auspumpzeit und Belüften 17.6 Arbeitstechnik im Ultrahochvakuum 17.6.1 Überblick 17.6.2 Aufbau einer UHV-Apparatur 17.6.3 UHV-Pumpen: Betriebshinweise 17.6.3.1 Adsorptionspumpen 17.6.3.2 Ionenzerstäuberpumpen 17.6.3.3 Titanverdampferpumpen 17.6.3.4 Turbomolekularpumpen 17.6.3.5 Kryopumpen 17.6.3.6 Volumengetter-(NEG-)Pumpen 17.6.4 Druckmessung 17.6.5 Auspumpzeit, Enddruck und Evakuierungstechnik 17.6.6 Belüften 17.6.7 Ultrahochvakuum-Systeme 17.6.8 Ultrahochvakuum-(UHV-)Bauelemente 17.6.9 Ultrahochvakuum-(UHV-)Pumpstände 17.6.9.1 Ultrahochvakuum-(UHV-)Großanlagen 17.7 Literatur 18 Lecksuchtechniken 18.1 Überblick 18.1.1 Vakuumlecksuche 18.1.2 Überdrucklecksuche 18.1.3 Prüfgasverteilung vor einem Leck in der Atmosphäre 18.1.4 Messergebnisse mit der Schnüffelmethode 18.1.5 Prüfgase 18.1.5.1 Helium 18.1.5.2 Andere Edelgase als Helium 18.1.5.3 Wasserstoff H2 18.1.5.4 Methan CH4 18.1.5.5 Kohlendioxid CO2 18.1.5.6 Schwefelhexafluorid SF6

711 711 712 712 716 716 720 720 721 721 722 728 731 732 733 733 734 735 735 736 737 737 738 738 738 738 739 739 740 740 743 745 746 746 746 747 747 748 749 750 750 750 750 750 750

Inhaltsverzeichnis 18.2 Eigenschaften von Lecks 18.2.1 Leckrate, Einheiten 18.2.2 Leckarten 18.2.2.1 Eigenschaften von Porenlecks 18.2.2.2 Permeationslecks 18.2.2.3 Virtuelle Lecks in Vakuumkammern 18.2.2.4 Flüssigkeitslecks 18.3 Überblick über die Lecksuchverfahren (siehe auch DIN EN 1779) 18.3.1 Allgemeine Hinweise zur Dichtheitsprüfung 18.3.2 Verfahren ohne Prüfgas (Druckprüfungen) 18.3.2.1 Allgemeines 18.3.2.2 Druckabfallmessung 18.3.2.3 Druckanstiegsmessung 18.3.2.4 Sonstige Verfahren 18.3.3 Prüfgasverfahren ohne Helium 18.3.3.1 Allgemeines 18.3.3.2 Vakuumlecksuche mit Prüfgasen außer Helium 18.3.3.3 Überdrucklecksuche mit Prüfgasen außer Helium 18.4 Lecksuchverfahren mit Heliumleckdetektoren 18.4.1 Eigenschaften des Heliumleckdetektors 18.4.2 Prüfung von Komponenten 18.4.2.1 Prüfablauf, integrale Prüfung 18.4.2.2 Vorgehen zur Lecklokalisierung 18.4.3 Prüfung von Vakuumanlagen 18.4.3.1 Allgemeines zum Teilstromverfahren 18.4.3.2 Anschlusspunkte des Lecksuchers an der Anlage 18.4.3.3 Nachweisempfindlichkeit und Ansprechzeit 18.4.4 Überdruck-(Schnüffel-)Lecksuche mit dem Heliumleckdetektor 18.4.4.1 Integrales Verfahren (total oder partiell) 18.4.4.2 Lecklokalisierung mit dem Schnüffler 18.5 Lecksuchverfahren mit anderen Prüfgasen 18.5.1 Allgemeines 18.5.2 Schnüffellecksuche an Kälte-/Klimaanlagen 18.6 Industrielle Dichtheitsprüfung von Bauteilen in der Serienfertigung 18.6.1 Allgemeines 18.6.2 Industrielle Prüfung von Serienbauteilen 18.6.2.1 Hüllenverfahren für Vakuumkomponenten (Methode AI in DIN EN 1779) 18.6.2.2 Vakuumkammerverfahren für Überdruckbauteile (Methode B6 in DIN EN 1779) 18.6.3 Prüfung von hermetisch verschlossenen Komponenten durch Drucklagerung („Bombing", Methode B5 in DIN EN 1779) 18.6.4 Prüfung von Lebensmittelverpackungen in der Folienprüfkammer 18.7 Literatur

XXV 751 751 752 752 754 755 755 756 756 758 758 758 758 760 760 760 761 762 763 763 763 764 765 767 767 768 771 773 773 774 774 774 774 775 775 775 776 776 778 779 780

XXVI

Inhaltsverzeichnis

19 Anhang 19.A Tabellen 19.B Diagramme 19.C Erläuterung einiger häufiger verwendeter Abkürzungen 19.D Größen und Einheiten 19.E Glossar

781 781 810 826 827 829

Sachwortregister

835

Bezugsquellenverzeichnis

850