Vakuumtechnik

Symbol der Vakuumtechnik: die Magdeburger Halbkugeln
„Pionier der Vakuumtechnik: 1657 zeigte Otto von Guericke die Wirkung von Vakuum mit den Magdeburger Halbkugeln
Tatsächlich presst der äußere Luftdruck die Magdeburger Halbkugeln zusammen: a) Halbkugeln mit Luft gefüllt, b) luftleere Halbkugeln, 1. Griff, 2. luftdichte Abdichtung, 3. Magdeburger Halbkugel, 4. Luftdruck, 5. Vakuum
Glasglocke mit Kolben-Vakuumpumpe für Schulversuche

Die Vakuumtechnik befasst sich mit Geräten und Verfahren zur Erzeugung, Aufrechterhaltung und Messung eines Vakuums sowie dessen technischen Anwendungen.

Die Erforschung und die technische Erzeugung des Vakuums begann im 17. Jahrhundert. Heute wird die Vakuumtechnik in zahlreichen Bereichen der Industrie und Forschung eingesetzt, wie z. B. in der Produktions- und Fertigungstechnik zur Behandlung von Werkstoffen oder zur Handhabung, in der Lebensmittelindustrie, in der Medizintechnik, in Physik und Chemie.[3][4] Je nach Anwendung wird ein bestimmter Vakuumbereich zwischen dem Luftdruck der Atmosphäre von etwa 1000 hPa und einem extremen Ultrahochvakuum von 10−14 hPa eingesetzt.

Einige signifikante Beiträge zur Vakuumtechnik leisteten u. a. die Physiker Wolfgang Gaede, Marcello Pirani und Rudolf Jaeckel.

Anwendungsbereiche

Die Vakuumtechnik ist eine Grenzwissenschaft zu den Materialwissenschaften, der Oberflächenphysik (bspw. die Verfahren CVD, PVD), Dünnschichttechnik, Nanotechnologie und der Prozesstechnik. Ebenfalls spielt sie eine Rolle in der Raumfahrt[5], Lebensmittelindustrie usw.

Vakuumerzeugung

Um ein Vakuum in einem zuvor gasgefüllten Volumen zu erzeugen, müssen Gasteilchen (siehe auch: kinetische Gastheorie) aus dem Volumen entfernt werden. Dies geschieht mithilfe von Vakuumpumpen, die nach ihrem Funktionsprinzip in zwei Gruppen eingeteilt werden können. Kompressionspumpen entfernen Gasteilchen aus dem Volumen durch Verdrängen oder Impulsübertragung. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Gasteilchen an der Wand des auszupumpenden Volumens zu kondensieren oder chemisch zu binden.

In der Vakuumtechnik werden die folgenden Druckbereiche unterschieden:[6]

  • Grobvakuum: 1013 hPa bis 1 hPa,
  • Feinvakuum: 1 hPa bis 10−3 hPa,
  • Hochvakuum: 10−3 hPa bis 10−7 hPa,
  • Ultrahochvakuum: unter 10−7 hPa.

Die Wahl der Vakuumpumpe hängt vom zu erreichenden Druck und dem Einsatzbereich ab. Bei einem hohen Vakuum werden mehrstufige Verfahren mit Vorvakuum- und Hochvakuumpumpe angewendet.[7]

Vakuummessung und -steuerung

Zur Messung des Drucks dienen Vakuummeter, die jeweils einen charakteristischen Messbereich besitzen, der wegen des großen Druckbereichs in der Vakuumtechnik nur einen Teil des Gesamtbereichs überdeckt. Die Druckmessung kann gasabhängig sein.

Direkte oder absolute Vakuummeter messen den Druck als Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Die direkte Druckmessung ist nur im Grobvakuumbereich relativ genau. Bei der indirekten Druckmessung wird der Druck als Funktion einer dichte- und damit druckabhängigen Eigenschaft ermittelt. Soll der Druck mit einer geringen Messunsicherheit ermittelt werden, ist bereits im Feinvakuumbreich ein hoher Aufwand erforderlich.

Bei Vakuumprozessen muss der Druck laufend kontrolliert und bei Bedarf geregelt werden. Die Messwerte werden an Kontroll- und Schaltwarten übermittelt und registriert. Durch diese Steuerung und Regelung wird der Druck in der Vakuumanlage in einem bestimmten Bereich gehalten.

Literatur

Bücher und andere Werke

  • Oleg B. Malyshev: Vacuum in Particle Accelerators: Modelling, Design and Operation of Beam Vacuum Systems. 1. Auflage. Wiley, 2019, ISBN 978-3-527-34302-7, doi:10.1002/9783527809134 (englisch).
  • Karl Jousten (Hrsg.): Handbuch Vakuumtechnik (= Springer Reference Technik). 12., neu bearbeitete Auflage. Springer Vieweg, Wiesbaden [Heidelberg] 2018, ISBN 978-3-658-13386-3.
  • Wolfgang Jorisch (Hrsg.): Vacuum technology in the chemical industry. 1. Auflage. WILEY-VCH, Weinheim, Bergstr 2015, ISBN 978-3-527-31834-6 (englisch).
  • Donald M. Mattox: The foundations of vacuum coating technology: a concise look at the discoveries, inventions, and people behind vacuum coating, past and present. Springer, Berlin 2003, ISBN 978-3-540-20410-7 (englisch).
  • James M. Lafferty (Hrsg.): Foundations of vacuum science and technology. Wiley, New York 1998, ISBN 978-0-471-17593-3 (englisch).
  • Nagamitsu Yoshimura: Vacuum technology: practice for scientific instruments. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-74432-0 (englisch).
  • John F. O’Hanlon: A user’s guide to vacuum technology. 3. Auflage. Wiley-Interscience, Hoboken, NJ 2003, ISBN 978-0-471-27052-2 (englisch).

Andere Fachlektüren

Journale und Magazine

Weblinks

  • Deutschen Vakuum-Gesellschaft (DVG) e.V.[9]
  • International Union for Vacuum Science, Technique and Applications (IUVSTA)[10]
  • Society of Vacuum Coaters Website

Einzelnachweise

  1. Karl Jousten, Wolfgang Jitschin, Felix Sharipov, Rudolf Lachenmann, Alfons Jünemann: Wutz Handbuch Vakuumtechnik mit 124 Tabellen und 102 Beispielen. 11., überarb. und erw. Auflage. Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8348-1745-7.
  2. John F. O'Hanlon: A user's guide to vacuum technology. 3rd ed Auflage. Wiley-Interscience, Hoboken, NJ 2003, ISBN 0-471-27052-0.
  3. Nichts geht ohne Vakuum - DVG-Home. Abgerufen am 27. November 2021.
  4. Lisa Klein: Bewegend, vermessend, produzierend, inspirierend – Vakuum kann was! In: pro-physik.de. Wiley-VCH GmbH, 30. Dezember 2020, abgerufen am 27. November 2021.
  5. Andreas Kollbrunner: Wie es funktioniert: Vakuumtechnologie für Weltraum-Simulationskammern. Abgerufen am 1. Juli 2022 (Schweizer Hochdeutsch).
  6. Pumpen von Prozessgasen. Leybold GmbH, abgerufen am 27. November 2021.
  7. Wendelstein 7-X: Eine Kernfusion der neuen Art. Abgerufen am 27. November 2021.
  8. Scitation - AVS: Science & Technology of Materials, Interfaces, and Processing. Abgerufen am 27. November 2021 (englisch).
  9. Willkommen bei der DVG-e.V. - DVG-Home. Abgerufen am 27. November 2021.
  10. IUVSTA - DVG-Home. Abgerufen am 27. November 2021.