Die Entwicklung leistungsfähigerer Technologien hat es ermöglicht, Ultrahochvakuumräume zu erzeugen und das Hochvakuum einen Schritt weiter zu bringen. In diesem Beitrag analysieren wir, was genau Ultrahochvakuum ist und was die Hauptanwendungen von Ultrahochvakuumkammern sind.
Was ist Ultrahochvakuum?
Das Ultrahochvakuum gilt als letzte Weiterentwicklung des Hochvakuums: Als Ultrahochvakuum wird das System bezeichnet, in dem ein Druck unter 10-7 mbar vorhanden ist.
Vakuumraum ist definiert als ein Raum, in dem sich weniger als atmosphärischer Druck entwickelt hat, so dass es möglich ist, Gase von den inneren Oberflächen zu entfernen. Je nach Höhe des Drucks dieser Gase ergeben sich so unterschiedliche Vakuumgrade, wobei die höchsten Vakuumgrade diejenigen mit dem niedrigsten atmosphärischen Druck sind. Nach dieser Definition tritt Ultrahochvakuum in Räumen mit dem niedrigsten atmosphärischen Druck auf.
Das erste in einer Laborumgebung erzeugte Vakuum wurde 1643 durch die von Evangelista Torricelli durchgeführten experimentellen Techniken rund um den atmosphärischen Druck erzeugt. Bis heute haben Fortschritte in diesem Studienbereich es ermöglicht, Ultrahochvakuumsysteme zu schaffen.
Ultrahochvakuum vs. Hochvakuum
Der Unterschied zwischen Hochvakuum– und Ultrahochvakuumanlagen liegt in den unterschiedlichen atmosphärischen Drücken:
- Im Hochvakuum liegt der Druckbereich zwischen 10 -3 und 10 -7 mbar. Die Abgase haben einen hohen Anteil an Wasserdampf (H2O).
- Im Ultrahochvakuum liegt der atmosphärische Druck zwischen 10 -7 und 10 -12 mbar. Die Abgase weisen als dominierende Komponente Wasserstoff auf. Außerdem ermöglichen diese niedrigen Drücke, dass die Innenflächen von Gas sauber gehalten werden.
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Technische Probleme: Ultrahochvakuum erzeugen
Die größte Herausforderung von Ultrahochvakuumräumen besteht darin, Drücke unter 10-7 mbar zu erzeugen. Hierfür können verschiedene Technologien eingesetzt werden:
- Turbomolekularpumpe: Dieser Vakuumpumpentyp ist sehr vielseitig und kann Mittel- bis Ultrahochvakuum erzeugen. Dazu wird ein Turbinenrotor verwendet, der bei hoher Drehzahl die Gasmoleküle zur Kollision bringt und ein Vakuum erzeugt.
- Ionenpumpe: Dies ist eine weniger effektive Pumpe für Edelgase, erreicht aber Drücke unter 10-11 mBar. Dazu ionisiert es die Gasmoleküle durch ein starkes Magnetfeld und verursacht eine Elektronenwolke. Die Gasmoleküle werden dann eingefangen, wodurch Hochvakuum- und Ultrahochvakuumräume erzeugt werden.
- Kryopumpe: Kryopumpen können Drücke von weniger als 10-10 mBar erreichen. Sie nutzen die Kryokondensation (Kondensation bei niedrigen Temperaturen), um gasförmige Stoffe zu entfernen und Ultrahochvakuumräume zu erzeugen. Auf diese Weise werden Gase mit niedrigerem Molekulargewicht und daher mit größeren Kondensationsschwierigkeiten bei niedrigeren Temperaturen behandelt.
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Zusätzlich zu diesen Technologien gibt es weitere technische Aspekte rund um das Ultrahochvakuum, die berücksichtigt werden müssen:
- Geeignete Wartungs- und Kontrollprogramme sind erforderlich, in denen Vakuumniveaus und andere Sicherheitsaspekte häufig überprüft werden, wie z. B. die Erkennung möglicher Lecks.
- Es ist wichtig, die entsprechenden Qualitätsstandards und Testprotokolle für jedes Projekt zu befolgen.
- In der Designphase des Ultrahochvakuumsystems muss besonderes Augenmerk auf die verwendeten Materialien und die Konstruktionstechniken gelegt werden. Zu den bewährten Verfahren gehören unter anderem die Minimierung der Innenfläche der Kammer, die Verwendung von Metalldichtungen und vakuumkompatiblen Materialien.
- Die Auswahl der geeigneten Pumpe muss Kriterien der Effizienz und Zuverlässigkeit entsprechen, unter Berücksichtigung der spezifischen Stoffe, mit denen das Projekt zu tun hat.
- Während das System in Betrieb ist, muss sorgfältig auf Ausgasungsniveaus geachtet werden, die die Schaffung eines Ultrahochvakuumraums beeinträchtigen könnten.
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Benutzung und Anwendungen des Ultrahochvakuums
Die Fähigkeit von Ultrahochvakuumkammern, Kontaminationen auf Oberflächen zu beseitigen und Ultrahochvakuumräume zu erzeugen, wird in verschiedenen Industrien und Forschungsbereichen benötigt, was Folgendes hervorhebt:
- Einige metallurgische und industrielle Prozesse erfordern Ultrahochvakuumumgebungen, um Schäden an hergestellten Produkten zu vermeiden.
- Die Oberflächenwissenschaft nutzt Ultrahochvakuum, um Forschungen rund um die Oberflächenanalyse, einschließlich Spektroskopie, durchzuführen.
- Auch in der Hochenergie- und Kernphysik werden Ultrahochvakuumkammern eingesetzt. Hier stechen zum Beispiel Teilchenbeschleuniger oder Isotopenabscheider hervor.
- Einige Entwicklungen in Optik und Elektronik erfordern Ultrahochvakuumsysteme.
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