Vakuum

Warum brauchen wir ein gutes Vakuum?

Experimente mit Molekülstrahlen müssen in gutem Vakuum durchgeführt werden, damit die Teilchen ungestört von der Quelle bis zum Detektor fliegen können. Bei Atmosphärendruck fliegen Luftmoleküle nur etwa \(60 \mathrm{nm}\) weit, bevor sie mit einem anderen Teilchen zusammenstoßen. In unseren Experimenten müssen deutlich größere Moleküle kollisionsfrei mehr als \(2 \mathrm{m}\) weit fliegen können. Eine genaue Betrachtung zeigt, dass das erst bei \(10^{-8} \, \mathrm{mbar}\) möglich ist – das ist hundert Milliarden Mal kleiner als Atmosphärendruck.

So ein Ultrahochvakuum erzeugen wir mit einem zweistufigen System. Vorvakuumpumpen (Scroll- und Kolbenpumpen) erzeugen Drücke besser als ein Hunderttausendstel des Atmosphärendruckes. Für den Zieldruck verwenden wir zusätzlich Turbomolekularpumpen.

Extra: Mathematischer Hintergrund

Die Mittlere freie Weglänge \(\ell\) in einem thermalisierten Gas lässt sich abschätzen durch:

\(\ell = \frac{k_{\rm B}T}{\sqrt 2 \pi (r_1 + r_2)^2 p}\)

Dabei ist \(k_{\rm B}\) die Boltzmann-Konstante, \(T\) die absolute Temperatur in Kelvin, \(r\) die Molekülradien in Meter und \(p\) der Druck in Pascal.

Die Vorfaktoren ändern sich bei ungleichen Geschwindigkeiten und bei Kleinwinkelstreuung. Der Van-der-Waals-Stoßquerschnitt kann durchaus 100 Mal größer werden als der geometrische Querschnitt.

Extra: Labortechnik

Two_moving_spirals_scroll_pump[1]

Scrollpumpen (Vorvakuumpumpen)

ab Luftdruck 103 mbar, zur Erzeugung von Grob- oder Feinvakuum bis 10−3 mbar

Scrollpumpen zählen zu den Gastransferpumpen. Das heißt sie transportieren Gase aus der Kammer heraus.  Sie bestehen aus einer beweglichen und einer festen Spirale. Die Zwischenräume zwischen den Spiralen werden bei der exzentrischen Bewegung wechselweise vergrößert und verkleinert. Dabei wird von außen Gas in die Pumpe eingesaugt, verdichtet und abschließend in der Spiralmitte ausgestoßen. Du kannst in der Animation oben einen freien Bereich von außen bis zur Mitte verfolgen aber nicht umgekehrt. So kann sich das Gas nur in eine Richtung bewegen. Diese Pumpen arbeiten im hydrodynamischen Bereich, in dem die mittlere freie Weglänge kleiner ist als die typische Ausdehnung des Vakuumgefäßes.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Cut_through_turbomolecular_pump.jpg

Turbo-Molekular-Pumpen

ab 10-2 mbar, zur Erzeugung von Ultrahochvakuum

Sie sehen aus wie eine Flugzeugturbine und bestehen aus statischen und rotierenden Schaufelrädern. Die Schaufeln des Rotors drehen sich mit etwa 1000 Umdrehungen pro Sekunde. Dabei erreicht die Bahngeschwindigkeit der Schaufelblätter die Geschwindigkeit der Gasteilchen (300 m/s bis 400 m/s). Die getroffen Moleküle werden abgebremst und in Richtung Pumpenauslass geschleudert. Dort werden sie dann von den Vorvakuumpumpen abgesaugt. Diese Pumpen arbeiten im Molekularfluss-Bereich, in dem die mittlere freie Weglänge größer ist als die typische Ausdehnung des Vakuumgefäßes, die Teilchen sich also ballistisch von einer Wand zur anderen bewegen können.

Gasbindende Pumpen

Um zu noch tieferen Drücken zu gelangen, können weitere Pumpenarten verwendet werden, die das Restgas nicht abtransportieren sondern an einer Oberfläche binden.

Ionen-Getter-Pumpen

ab 10−7 mbar, zur Erzeugung von Ultrahochvakuum bei vorhandenem Hochvakuum

In Ionengetterpumpen werden die Luftmoleküle durch Elektronenstöße ionisiert und dann in einem elektrischen Feld auf eine Oberfläche beschleunigt, in der sie gebunden werden.

Titan-Sublimationspumpen

ab 10−7  mbar, zur Erzeugung von Ultrahochvakuum bei vorhandenem Hochvakuum

Titan ist ein exzellenter Getter, also ein Material, das Moleküle wie zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid chemisch binden kann. Wenn genügend Teilchen an der Oberfläche haften, wird eine neue Titanschicht aufgedampft und die gefangenen Teilchen begraben.