vakuumtechnologie einführung in die grundlagen der vakuumtechnik
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VakuumtechnoloVakuumtechnologiegie
Einführung in die Grundlagen Einführung in die Grundlagen der Vakuumtechnikder Vakuumtechnik
ÜberblickÜberblick Definition des VakuumsDefinition des Vakuums
• GeschichteGeschichte• AnwendungAnwendung• DruckDruck• Ideale GasgleichungIdeale Gasgleichung• Freie WeglängeFreie Weglänge
Erzeugung eines VakuumsErzeugung eines Vakuums• PumpenPumpen• MessgeräteMessgeräte• DichtungenDichtungen• WerkstoffeWerkstoffe
Verhalten von Materie im VakuumVerhalten von Materie im Vakuum• DampfdruckDampfdruck• Adsorption und DesorptionAdsorption und Desorption
Überblick über die Geschichte der Überblick über die Geschichte der VakuumtechnikVakuumtechnik
Seit Aristoteles Seit Aristoteles „horror vakui“ „horror vakui“
16. Jahrhundert: 16. Jahrhundert: Torricelli stellte Torricelli stellte erstes experimentell erstes experimentell gebildetes Vakuum gebildetes Vakuum herher
Mitte 17. Mitte 17. Jahrhundert: Otto Jahrhundert: Otto von Guericke pumpte von Guericke pumpte zum ersten mal eine zum ersten mal eine Kugel „luftleer,, Kugel „luftleer,,
Magdeburger Halbkugeln(1)
Definition des VakuumDefinition des Vakuum
GrobvakuumGrobvakuum 1000 – 10 mbar1000 – 10 mbar
FeinvakuumFeinvakuum 10 – 10 10 – 10 -3 -3 mbar mbar
HochvakuumHochvakuum 10 10 -3-3 – 10 – 10 -7-7 mbar mbar
UltrahochvakuumUltrahochvakuum 10 10 -7 -7 – 10 – 10 -12 -12 mbar mbar
ExtremultrahochvaExtremultrahochvakuumkuum < 10 < 10 -12-12 mbar mbar
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Anwendungsbeispiele verschiedener Anwendungsbeispiele verschiedener VakuaVakua
Industrie: Industrie: Feinvakuum:Feinvakuum: - Trocknung von Kunststoffen- Trocknung von Kunststoffen
- Gefriertrocknung- Gefriertrocknung- Herstellung von - Herstellung von
GlühbirnenGlühbirnen Hochvakuum:Hochvakuum: - Produktion von - Produktion von
ElektronenröhrenElektronenröhren- Kristallherstellung- Kristallherstellung
Ultrahochvakuum:Ultrahochvakuum: - Aufdampfen - Aufdampfen - Zerstäuben von Metallen- Zerstäuben von Metallen
Forschung:Forschung: Hochvakuum:Hochvakuum: - Massenspektroskopie- Massenspektroskopie - Elektronenmikroskopie- Elektronenmikroskopie Ultrahochvakuum:Ultrahochvakuum: - Tieftemperaturforschung- Tieftemperaturforschung
- Oberflächenphysik- Oberflächenphysik - Teilchenbeschleuniger- Teilchenbeschleuniger
- Weltraumsimulation- Weltraumsimulation
DruckDruck
Definiert als Kraft pro Fläche: p=F/ADefiniert als Kraft pro Fläche: p=F/A
[p]=N/m=Pascal 1 bar = 10[p]=N/m=Pascal 1 bar = 1055 Pascal Pascal
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Ideale GasgleichungIdeale Gasgleichung
gilt unter folgenden Annahmen:gilt unter folgenden Annahmen: Moleküle sind KugelförmigMoleküle sind Kugelförmig Moleküle haben kein EigenvolumenMoleküle haben kein Eigenvolumen Moleküle üben keine atomaren Kräfte aufeinander Moleküle üben keine atomaren Kräfte aufeinander
ausaus
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Teilchenanzahl in einen cm³ bei Teilchenanzahl in einen cm³ bei
Zimmertemperatur (20°C)Zimmertemperatur (20°C) Berechnung mit Hilfe der idealen GasgleichungBerechnung mit Hilfe der idealen Gasgleichung
Normaldruck : 2,5 Normaldruck : 2,5 .. 101019 19 TeilchenTeilchen
Hochvakuum : 2,5 Hochvakuum : 2,5 .. 101011 11 TeilchenTeilchen
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Freie WeglängeFreie Weglänge
Teilchendichte:Teilchendichte:n = N/V = p/(kn = N/V = p/(k .. T)T)
Daraus folgt nach längerer Umrechnung die freie Daraus folgt nach längerer Umrechnung die freie WeglängeWeglänge
l = (6,7 l = (6,7 .. 10 10-5 -5 m m . . mbar)/pmbar)/p(für T=20°C)(für T=20°C)
Bei Normaldruck: l = 6,7 Bei Normaldruck: l = 6,7 .. 10 10-8 -8 m (ca. 100facher m (ca. 100facher Moleküldurchmesser)Moleküldurchmesser)
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VakuumpumpenVakuumpumpen
TurbomolekularpumpeTurbomolekularpumpe
MembranpumpeMembranpumpe
DrehschieberpumpeDrehschieberpumpe
(7)
(8)
(10)
TurbomolekularpumpeTurbomolekularpumpe
(11)
MembranpumpeMembranpumpe
(12)
DrehschieberpumpeDrehschieberpumpe
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Saugvermögen und EnddruckSaugvermögen und Enddruck
Saugvermögen: Saugvermögen: S=dV/dt [S]=l/s S=dV/dt [S]=l/s
Effektives Saugvermögen: Effektives Saugvermögen: 1/S1/Seffeff = 1/S + 1/L = 1/S + 1/L
experimentelle Bestimmung : Sexperimentelle Bestimmung : Seff eff = V/t = V/t . .
ln(pln(p00/(p(t)-p/(p(t)-pendend))
Real erreichbarer Enddruck:Real erreichbarer Enddruck: ppendend = (D+q = (D+qLeckLeck)/S)/Seffeff
VakuummessgeräteVakuummessgeräte
Pirani-VakuummeterPirani-Vakuummeter
Bayard-Alpert-VakuummeterBayard-Alpert-Vakuummeter
(15)
(16)
Pirani-VakuummeterPirani-Vakuummeter
Prinzip: Prinzip: Steigende Temperatur des Drahtes Steigende Temperatur des Drahtes durch durch sinkenden Druck sinkenden Druck beeinflusst Drahtwiederstandbeeinflusst Drahtwiederstand
Messbereich:Messbereich: 10 1033 – 10 – 10-3 -3 mbarmbar
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Bayard-Alpert-VakuummeterBayard-Alpert-Vakuummeter
Prinzip:Prinzip: -Ionisation des Restgases-Ionisation des Restgases
-Druckmessung durch Strommessung-Druckmessung durch Strommessung
am Ionenfängeram Ionenfänger
Messbereich: Messbereich: 1010-3-3 – 10 – 10-10 -10 mbarmbar
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WerkstoffeWerkstoffeVoraussetzungen:Voraussetzungen:
-geringer Eigendampfdruck-geringer Eigendampfdruck
-Gasdichtheit -Gasdichtheit
-geringer Fremdgasgehalt-geringer Fremdgasgehalt
-keine oder leicht zu entfernende-keine oder leicht zu entfernende
adsorbierte Schichtenadsorbierte Schichten
geeignete Materialien: geeignete Materialien: ungeeignete ungeeignete Materialien:Materialien:-Edelstahl-Edelstahl -die meisten Gummisorten -die meisten Gummisorten-Glas-Glas -Kunststoffe -Kunststoffe-Aluminium-Aluminium -Zink -Zink-Bronze-Bronze -Messing -Messing-Viton-Viton -Lötzinn -Lötzinn-Teflon-Teflon -Klebstoff -Klebstoff-Keramik-Keramik
DampfdruckDampfdruck
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Dampfdruckkurven Dampfdruckkurven verschiedener Materialienverschiedener Materialien
(20)
Adsorption und Adsorption und DesorptionDesorption
(21)
Informationen zum Informationen zum PraktikumPraktikum
Druck im mobilen Labor: 10Druck im mobilen Labor: 10-5-5 mbar mbar Freie Weglänge bei 10Freie Weglänge bei 10-4-4 mbar ca. 67 cm mbar ca. 67 cm Betrieb einer Heizwendel bei p < 10Betrieb einer Heizwendel bei p < 10-4-4 mbar mbar
Was ist beim Arbeiten mit einem Vakuum zu Was ist beim Arbeiten mit einem Vakuum zu beachten?beachten?
Nicht 2 gleiche Materialien miteinander verschrauben Nicht 2 gleiche Materialien miteinander verschrauben (Kaltverschweißung)(Kaltverschweißung)
Lufteinschlüsse müssen vermieden werdenLufteinschlüsse müssen vermieden werden Elektrische Verbindungen nicht löten, sondern Elektrische Verbindungen nicht löten, sondern
punktschweißenpunktschweißen Sauber und fettfrei arbeitenSauber und fettfrei arbeiten
QuellenangabenQuellenangaben
(1),(20),(21): Wutz, Walchert et al. „Handbuch (1),(20),(21): Wutz, Walchert et al. „Handbuch Vakuumtechnik“Vakuumtechnik“
(2): Skript „Vakuumtechnik & kinetische Gastheorie“ vom (2): Skript „Vakuumtechnik & kinetische Gastheorie“ vom physikalischen Praktikum der FH Münster (Fachrichtung: physikalischen Praktikum der FH Münster (Fachrichtung: Physikalische Technik)Physikalische Technik)
(5),(6): Halliday, Riesnick, Walker „Physik“(5),(6): Halliday, Riesnick, Walker „Physik“
(3),(4),(7)-(19): Verschiedene Internetquellen.(3),(4),(7)-(19): Verschiedene Internetquellen.
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