Auslegung und Fertigung von UHV-Kammern

Beste Praktiken und Fallstricke auf dem Weg zum Ultrahochvakuum

Welchen Einfluss haben die Wahl der Werkstoffe, das Finish der Oberflächen und die Ausführung der Konstruktion im Ultrahochvakuum? Welche Pumpleistung wird für die Anwendung tatsächlich benötigt? Und warum kann es schwierig werden, einen guten Enddruck zu erreichen?

Das Ultrahochvakuum (UHV) beginnt per Definition bei einem Absolutdruck von 10-7 mbar, d. h. ab diesem Druckbereich wird das Ausgasen der Oberflächen entscheidend für den Enddruck. Die Strömung im UHV ist molekular, die mittlere freie Weglänge beträgt mehr als 1 km. Wenn der Druck weiter bis 10-12 mbar sinkt, wächst die freie Weglänge auf 10.000 km. Die restlichen in der Vakuumkammer verbliebenen Teilchen erfahren nun nur noch Wechselwirkungen mit den Behälterwänden, jedoch nicht oder fast nicht mehr untereinander. In diesem Bereich gewinnen die Werkstoffe und die Oberflächen der Kammer massiv an Bedeutung. Was gilt es also zu beachten, wenn man Kammern und Bauteile für diesen Druckbereich konstruiert, fertigt und betreibt?

Kriterien für die Materialwahl

Zunächst benötigt man eine hohe Gasdichtheit für die Kammerwand, außerdem einen niedrigen Eigendampfdruck und einen geringen Gehalt an Fremdgasen. Wenn dieser nicht vermieden werden kann, sollte das Material wenigstens rasch ausgasen, um störende Restgase schnell abpumpen zu können. Im UHV spielt das Kammervolumen keine Rolle, allenfalls als Puffer beim Druckanstieg nach dem Ausschalten oder Abschieben der Pumpe. In diesem Fall kommen die Restgase aus den Oberflächen und dem Volumen der Behälterwände oder der Einbauten.

Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit sind weitere Kriterien. Da sich die Dichtflächen bei einer Druckdifferenz von 1 bar nicht verformen dürfen, wird ein ausreichend stabiles Material benötigt.

Die Korrosionsbeständigkeit muss auch unter schwierigen Rahmenbedingungen wie dem Ausheizen in Atmosphäre oder bei chemisch aktiven Prozessgasen gegeben sein. Es ist also wichtig, die Materialien auf ihre Beständigkeit zu prüfen. Eine gute Stabilität bei Temperaturwechseln und ein angepasstes Ausdehnungsverhalten werden benötigt, um zu gewährleisten, dass die Kammer dicht ist und auch bleibt. Die Materialien für Flansche und Dichtungen müssen aufeinander abgestimmt sein.

Edelstahl und Kupfer weisen ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und sind daher eine gute Kombination. Edelstahl und Aluminium passen nur bedingt zueinander, da nach Temperaturen von über 150 °C die Flanschverbindungen beim Abkühlen häufig nicht mehr dicht sind.

Nach den Eigenschaften folgen Handhabung und Verfügbarkeit der Materialien, denn sie sollten mit vernünftigem bezahlbaren Aufwand verarbeitet werden können, und müssen natürlich erhältlich sein.

Aufgrund des geringen Bedarfs in der UHV-Technik, gibt es keine eigenen Materialentwicklungen und man muss mit dem arbeiten, was bereits vorhanden ist. Austenitischer Edelstahl ist für Anwendungen im UHV ganz besonders geeignet.

Effekte im Ultrahochvakuum

Die folgenden Begriffe, beschreiben die Effekte, die im UHV an den Oberflächen passieren:
1. Adsorption: Gasanlagerungen an der Oberfläche von Festkörpern oder Flüssigkeiten, wie das Haften von Teilchen an der Kammerwand.
2. Absorption: Gaseinlagerungen in Festkörpern oder Flüssigkeiten. Die Absorption folgt oft auf die Adsorption. Zuvor nur an der Oberfläche angelagerten Teilchen sind nun in der Kammerwand eingelagert.
3. Desorption: Abgabe von adsorbiertem Gas an die Umgebung. Die durch die ersten beiden Effekte festgehaltenen Teilchen lösen sich wieder von der Kammerwand.
4. Permeation: Gastransport durch eine Flüssigkeit oder einen Festkörper. Permeation = Adsorption + Diffusion + Desorption.

Bei der Druckerzeugung stellen Adsorption und Absorption kein Problem dar, denn die Teilchen werden festgehalten und stören das Vakuum nicht. Beide Effekte geschehen an allen Oberflächen, die Kontakt zu Atmosphäre haben, also auch bei jedem Belüften. Die Desorption ist der Hauptgegner auf dem Weg zu einem guten Enddruck. Denn die außen an der Kammer angelagerten Teilchen diffundieren bei der Permeation durch die Kammerwand hindurch und erhöhen so die Desorption in die Vakuumkammer.

Wechselwirkungen zwischen den Oberflächen einer Vakuumkammer und dem umgebenden Gas

Definition des Arbeitsdrucks

Einige Grundlagen zu den Anforderungen an die Materialien sind nun beschrieben. Als nächstes muss der gewünschte Arbeitsdruck pArbeit festgelegt werden, um mit dem Bau einer Vakuumkammer fortzufahren.

Bis maximal 10-3 mbar pumpt die Vorpumpe das Volumen ab, anschließend sorgt eine Hoch- oder Ultrahochvakuumpumpe mit einer passenden Pumpleistung für den Arbeitsdruck. Hierfür muss berechnet oder zumindest abgeschätzt werden, welche Gaslasten durch Desorption, Permeation, Leckagen und Prozessgase zusammenkommen.

Anwendungsbericht: Neue Welten entdecken - Vakuumkammer für Weltraummission „CHEOPS“

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