Wie entsteht eigentlich Vakuum? – Teil 3

Nachgefragt bei Prof. Dr. Günter Bräuer / 29. September 2019

Der Hochvakuumbereich mit Drücken kleiner als 10-3 mbar ist die Domäne der Molekularströmung. Eine Wechselwirkung der verbleibenden Gasteilchen ist aufgrund der hohen mittleren freien Weglängen im Bereich von Zentimetern bis Dezimetern kaum vorhanden. Pumpen für den Hochvakuumbereich wirken als »Einbahnstraßen« für das stark verdünnte Gas, indem sie einzelnen Teilchen Impulse in Förderrichtung erteilen.

Das Prinzip der Treibmittelpumpe wurde bereits im letzten Beitrag vorgestellt. Bei der Öldiffusionspumpe tritt Öldampf mit hoher Geschwindigkeit aus Düsen (vgl. nebenstehende Abbildung) in den Saugraum, verdichtet das Restgas und befördert es zum Vorvakuumanschluss. Öldiffusionspumpen besitzen keine bewegten Komponenten, in der industriellen Vakuumtechnik gelten sie daher als robuste und nahezu unverwüstliche Arbeitstiere. Die größten unter ihnen schaffen ein Saugvermögen von bis zu 50.000 l/s, Enddrücke bis 10-8 mbar können erreicht werden. Bei einem Kompressionsverhältnis von maximal 106 ist allerdings keine Kompression auf Atmosphärendruck möglich, daher müssen Vorvakuumpumpen vorgeschaltet werden.

Pumpmechanismus der Turbomolekularpumpe am Beispiel zweier Gasteilchen (blau: Rotorblatt zwischen zwei Statorblättern).
© Fraunhofer IST
Pumpmechanismus der Turbomolekularpumpe am Beispiel zweier Gasteilchen (blau: Rotorblatt zwischen zwei Statorblättern).

Mit einem ölfreien Vakuum wirbt die Turbomolekularpumpe, als »Treibmittel« dienen hier bewegte Oberflächen. Der Rotor einer Turbomolekularpumpe besitzt die Form einer Turbine mit einem Paket schräggeschlitzter Scheiben. Er dreht sich mit hoher Geschwindigkeit in einem Paket aus Statorscheiben, die in entgegengesetzter Richtung geschlitzt sind. Die Pumpe besteht aus 10 bis 12 Rotor-Statorscheiben-Paaren. Der Pumpmechanismus wird in der nebenstehenden Abbildung verdeutlicht. Gasteilchen durchlaufen ein Labyrinth, aus dem es keinen Rückweg gibt.

Die Geschwindigkeit des Rotors muss an die thermische Geschwindigkeit der zu pumpenden Spezies angepasst werden. Am äußeren Umfang des Rotors liegt die Bahngeschwindigkeit in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit. Je nach Baugröße erreichen Turbomolekularpumpen Saugvermögenswerte zwischen 50 l/s und 3.000 l/s, die allerdings insbesondere für leichte Gase wie H2 oder He bereits zwischen 10-3 und 10-2 mbar steil abfallen.

Gettern von Gasen durch Titanschichten.
© Fraunhofer IST
Gettern von Gasen durch Titanschichten.

Getter- und Kryopumpen reduzieren den erreichbaren Enddruck bis weit in das Ultrahochvakuum, nämlich bis etwa 10-12 mbar. In industriellen Beschichtungsanlagen sind solche Drücke nicht mehr relevant, allerdings für die großen Teilchenbeschleuniger, bei denen es darum geht, Elektronen oder Ionen bis in den Bereich der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. (Bei 10-12 mbar beträgt die mittlere freie Weglänge rund 50.000 Kilometer!)

Bei der Getterpumpe wird Restgas entsprechend der nebenstehenden Abbildung in metallische Oberflächen eingelagert. Bevorzugtes Gettermaterial ist Titan. Getterflächen sind Teile der inneren Oberflächen der Vakuumkammer. Um die Pumpwirkung zu erhalten, muss die aktive Schicht ständig erneuert werden. Dies geschieht durch Verdampfen oder Zerstäuben von einer entsprechenden Materialquelle.

Vakuumpumpen.
© Fraunhofer IST
Vakuumpumpen.

Die Kondensation an extrem kalten Flächen stellt eine weitere Methode zur Entfernung von Restgas aus einem Behälter dar. Wir kennen solche Phänomene aus dem täglichen Leben: Der Badezimmerspiegel »pumpt« Wasserdampf, wenn er beschlägt, ebenso »pumpt« die Windschutzscheibe des in einer kalten feuchten Winternacht auf der Straße parkenden Autos Wasserdampf, als Folge vereist sie. Kryopumpen arbeiten mit geschlossenen Heliumkreisläufen, bei der Temperatur des flüssigen Heliums von 4,2 K kondensieren alle Gase an entsprechenden Kaltflächen. Die Eisschicht auf einer Windschutzscheibe besitzt Gott sei Dank eine endliche Dicke, da die Pumpwirkung mit der Vereisung nachlässt. Auch Kryopumpen müssen regelmäßig regeneriert, d. h. ausgeheizt werden. Das macht ihren Einsatz in kontinuierlich zu betreibenden Vakuumanlagen etwas umständlich.

Das Saugvermögen von Getterpumpen liegt zwischen 103 und 104 l/s, das von Kryopumpen zwischen 102 und 105 l/s, beide Pumpentypen sind allerdings erst ab Drücken kleiner als 10-4 mbar einsetzbar.

Zum Abschluss unseres Ausflugs in die Grundlagen der Vakuumtechnik sind in der nebenstehenden Abbildung die wichtigsten Pumpentypen mit ihrem Einsatzbereich zusammengefasst.

Welche Rolle der Quantensprung für die Entstehung von Plasma spielt, lesen Sie im kommenden Newsletter.