Aufbau eines Hochvakuumstandes
Als Physiker muss man eine gewisse Begeisterung für die weniger offensichtlichen Phänomene der Natur aufbringen. Vieles hiervon spielt sich im Vakuum ab, und so war Vakuum für mich immer ein Grund zur Faszination. So habe ich während meines Studiums auch in einem (Ultra-)Hochvakuumlabor gearbeitet.
Was man auf den ersten Blick sieht: eine solche Anlage ist teuer und kompliziert zu unterhalten. Deswegen machen es auch meistens nur Industriebetriebe oder Forschungseinrichtungen.
Warum Vakuum?
Vakuum ist in erster Linie die (teilweise) Abwesenheit von Materie in einem Raumabschnitt. Kaum ein Vakuum ist komplett leer, selbst im interstellaren Raum findet sich im Kubikkilometer noch das ein oder andere Teilchen. Das von Menschen erzeugte Vakuum ist meistens "schlechter", d.h. es enthält noch mehr Teilchen. Welche Auswirkungen hat diese verringerte Teilchenzahl nun, dass man sie anstreben sollte? Zunächst einmal bedeutet ein gutes Vakuum eine gewisse Freiheit von Staub und Feuchtigkeit, was für manche Versuche schon relevant ist. Der Kernpunkt ist aber die mittlere freie Weglänge. Sie besagt, wie weit ein Teilchen durch das Vakuum durchschnittlich fliegen kann, bevor sie mit einem anderen kollidiert und abgebremst/abgelenkt wird. Will man (sub-)atomare Teilchen beschleunigen oder zumindest mal eine gerade Flugbahn hervorrufen, benötigt man eine freie Weglänge, die länger als die Versuchsstrecke ist.
Was kann man also nur fast nur im Vakuum machen? Ganz am Anfang stehen da die vielen schönen Plasmaentladungen, die sich schon mit grobem Vakuum leicht erzeugen lassen (man kennt sie etwa von der Plasmakugel). Bei besserem Vakuum sind dann viele der Grundlagenexperimente der moderneren Physik möglich (Fadenstrahlröhre, Franck-Hertz-Experiment, Stern-Gerlach-Versuch etc.). Im Vakuum wird auch die Röntgenstrahlung erzeugt. Viele analytische Verfahren finden heutzutage nur im Vakuum statt (Massenspektrometrie, Raster-Elektronenmikroskopie (SEM), etc.). Am Ende dieser stark unvollständigen Liste möchte ich noch die vielen Beschichtungsverfahren nennen, die nur so möglich sind, etwa Bedampfen (PVD) oder Besputtern.
Abstufuungen von Vakuum
In der Technik hat sich, nicht zuletzt wegen der verschiedenen Anwendungsgebiete, eine Kategorisierung von Vakuum eingebürgert.
| Bereich | untere Druckgrenze (mbar) | Freie Weglänge |
|---|---|---|
| Normaldruck | 1013,25 | 68 nm |
| Grobvakuum | 1 | 100 µm |
| Feinvakuum | 10-3 | 100 mm |
| Hochvakuum | 10-7 | 1 km |
| Ultrahochvakuum | 10-12 | 105 km |
Wie man an der freien Weglänge sieht, wird es erst jenseits des Feinvakuums richtig interessant. Das Hochvakuum ist also mein gestecktes Ziel. Unterhalb des Hochvakuums beginnen übliche Dichtmaterialen (FKM,EPDM) auszugasen und ein besseres Vakuum zu verhindern, daher müssen alle Dichtungen metallisch sein, was es noch einmal viel aufwändiger (und teurer) macht, in diese Bereiche vorzustoßen. Für den Hobbyentwickler ist das Hochvakuum eh völlig ausreichend.
Drehschieberpumpen
Die meisten Vakuumstände beginnen mit einer Drehschieberpumpe. Vereinfacht gesprochen saugt die Drehschieberpumpe einen Teil des zu evakuuierenden Volumens auf und presst es zu einer zweiten Öffnung heraus. Der Rotor, der diese beiden Schritte durchführt, steht dabei in einem See aus speziellem Pumpenöl. Dieses gibt die Pumpe dann gerne aus der Auslassöffnung aus, daher wird ihr häufig ein Ölnebelfilter nachgeschaltet. Auch mit guten Drehschieberpumpen lassen sich allerdings nur Drücke im unteren Feinvakuumbereich erreichen, zu wenig für viele Experimente.
Hochvakuumpumpen
Anschließend folgt üblicherweise eine Hochvakuumpumpe. Hiervon gibt es verschiedenste Typen. Sie haben fast alle gemein, dass sie bei Normaldruck Schaden nehmen und daher zwingend eine Vorpumpe, meistens die eben erwähnte Drehschieberpumpe, benötigen.
Öldiffusionspumpen
Öldiffusionspumpen erhitzen und verdampfen ein spezielles Öl. Die Ölteilchen nehmen dann Gasmoleküle auf und kondensieren an der wassergekühlten Außenwand, an der sie dann herablaufen und erneut erhitzt werden. Dabei treten die Gasmoleküle wieder aus und werden von der Vorpumpe abgesaugt. Im Prinzip besteht eine Öldiffusionspumpe also aus einer Heizplatte, ein den Öldampf verteilendes Düsensystem und der gekühlten Außenwand. Bei zu hohem Vordruck verbrennt das Öl und die Pumpe muss ausgiebig geputzt werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Pumpe eine geringe Menge Ölteilchen auch in den Rezipienten leitet. Hier wird häufig eine Kühlfalle eingefügt, der die restlichen Ölteilchen kondensiert (Baffle). Zusätzlich muss die Verbindung zum Rezipienten verschließbar sein, da man sonst beim Be- und Entlüften immer die Aufheiz- und Abkühlzeiten abwarten muss. Mit diesen Pumpen lassen sich Drücke bis 10-9 mbar erzeugen. Sie sind relativ günstig in der Anschaffung und es gibt sie schon so lange, dass man sie günstig gebraucht erwerben kann. Allerdings sind Ventile für die großen Öffnungsdurchmesser sowie Kühlfallen teuer und schwieriger zu bekommen.
Turbomolekularpumpen
Eine Turbomolekularpumpe ähnelt im Aufbau einer Turbine, die von zwischen den einzelnen Scheiben feststehenden Blättern unterbrochen ist. Der Rotor muss dabei sehr schnell drehen (>10000 U/min), um Impuls auf die Gasteilchen übertragen zu können. Diese treten zufällig in den Rotor ein und werden dann zur Vorvakuumseite beschleunigt, wo sie abgesaugt werden. Auch Turbomolekularpumpen benötigen ein Vorvakuum (übl. 10-1 mbar). Mit diesen Pumpen lassen sich, je nach Modell, Drücke bis 10-10 mbar erreichen. Sie sind relativ wartungsarm und ölfrei. Bei größeren Leistungen benötigen sie jedoch Kühlung. Die Anschaffungskosten für Turbomolekularpumpen sind üblicherweise wesentlich höher als die von vergleichbaren Öldiffusionspumpen.