THIEMIG-TASÜH Ait H 13 Vakuumtechnik Grundlagen und Anwendungen Vacuum Techniques Principles and Applications 2. Auflage, neu bearbeitet und ergänzt VON DR.-ING WOLFGANG PUPP GIESSEN Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Firma Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik GmbH, Wetzlar und Lehrbeauftragter für Vakuumtechnik an der Universität Giessen t VERLAG KARL THIEMIG MÜNCHEN
INHALT I. Physik des Vakuums 1 1. Gasförmiger Zustand der Materie 1 2. Gasgemische, Totaldruck und Partialdruck 5 3. Verdampfung, Kondensation 7 4. Oberflächenbeläge auf Festkörpern, Sorption 12 5. Die Vorstellungen der kinetischen Gastheorie 15 6. Geschwindigkeitsverteilung und mittlere freie Weglänge der Molekeln im»ruhenden«gas 17 7. Diffusion 20 8. Wärmeübertragung im Gasraum 22 9. Innere Reibung oder Viskosität von Gasen 24 10. Elektrizitätsleitung in verdünnten Gasen 24 II. Vakuummessung 26 11. Druckeinheiten und Vakuumbereiche 26 12. Bauarten und Wirkungsweise der Vakuummeter 28 13. Druckmessung im Ultrahochvakuum 45 14. Kalibrierung von Vakuummetern 52 III. Massenspektrometer als Partialdruckmesser 53 15. Eigenschaften der Partialdruckmesser 53 15.1. 180 -Massenspektrometer nach Dempster 56 15.2. Omegatron nach Sommer, Thomas und Hippie 57 15.3. Hochfrequenz-Massenspektrometer nach Varadi... 58 15.4. Oszillographischer Hochfrequenz-Massenindikator (Farvitron) 59 15.5. Elektrisches Massenfllter nach W. Paul und K. G. Günther 60 16. Beispiel einer Restgasanalyse 61 IV. Förderung der Gase 63 17. Die verschiedene Wirkungsweise von Vakuumpumpen und Evakuierungshilfen 63 18. Bauarten und Betriebsverhalten der Vakuumpumpen und Evakuierungshiifen 68 18.1. Verdrängerpumpen 68 18.2. Treibmittelpumpen 72 18.2.1. Strahl- und Diffusionspumpen 72 V
18.2.2. Molekularpumpen 78 18.3. Aktive Oberflächen 83 18.3.1. Sorptionsmittel, Sorptionspumpen, Getter 84 18.3.2. lonen-getterpumpen 88 18.3.3. Kondensatoren, Kühlfallen, Dampfsperren, Kriechsperren 89 18.3.4. Kryopumpen 94 19. Saugvermögen, Enddruck und Betriebsdruck als Kenngrößen der Vakuumpumpen 96 20. Saugleistung, Durchflußleistung und Massendurchsatz... 99 21. Strömungsarten und Leitungswiderstände 101 22. Dosierung und Messung kleiner Gasmengen und -ströme 109 V. Werkstoffe und Bauelemente 112 23. Metallische Werkstoffe 113 24. Nichtmetallische Werkstoffe 116 25. Vakuumdichte, nicht lösbare Verbindungen von Metall, Glas, Keramik 120 25.1. Metalle schweißen 120 25.2. Metalle löten, hart und weich 121 25.3. Gläser verschmelzen 123 25.4. Glas mit Metall verschmelzen 123 25.5. Metall mit Keramik verlöten 125 25.6 Gebrauch von Gießharzen und Kleblacken 126 26. Bauteile der Vakuumleitungen und -kammern 127 VI. Verfahren der Evakuierung 138 27. Vorreinigung 138 28. Inbetriebsetzung 139 29. Auspumpzeiten 145 30. Lecksuche 152 31. Entgasung 160 32. Stillsetzung 162 33. Instandhaltung 163 VII. Aufbau und Betrieb von Vakuumanlagen 167 34. Unterlagen für Entwurf und Konstruktion von Vakuumanlagen 167 VI
35. Glas oder Metall als Werkstoff für die den Vakuumraum umschließenden Wände 169 36. Räumliche Anordnung der Teile einer Vakuumanlage... 175 37. Vakuumkammern 177 38. Zusammenarbeit von Vakuumpumpen 180 38.1. Beispiele für Reihenschaltung von Vakuumpumpen 183 38.2. Beispiele für Parallelschaltung von Vakuumpumpen 191 39. Gebrauch der Vakuummeter 195 40. Steuer-, Sicherheits- und Regeleinrichtungen in Vakuumanlagen 202 40.1. Kühlwasserwächter 203 40.2. Druckhaltung an einem Vakuumkessel 203 40.3. Steuerung eines Pumsatzes mit Diffusionspumpe... 204 40.4. Steuerung eines Pumpsatzes mit Turbo-Molekularpumpe 207 40.5. Steuerung eines Entgasungs- oder Trocknungsvorganges 209 40.6. Glimmstrom-Regelung in einer Aufdampfanlage... 210 41. Aufstellung von Zeitplänen vakuumtechnischer Verfahren 212 41.1. Entgasung von Elektronenröhren in Glaskolben... 214 41.2. Entgasung eines Stahlgefäßes für einen Quecksilberdampf-Gleichrichter 216 41.3. Vergleich der Pumpzeiten mit und ohne Ausheizmöglichkeit 217 41.4. Fahrplan einer automatischen Aufdampfanlage 219 42. Kostenfragen 220 VIII. Erzeugung von Ultrahochvakuum 222 43. Pumpverfahren für Ultrahochvakuum 222 43.1. Ultrahochvakuum mit Quecksilber-Diffusionspumpe 222 43.2. Ultrahochvakuum mit Öl-Diffusionspumpe 224 43.3. Ultrahochvakuum mit Turbo-Molekularpumpe 227 43.4. Ultrahochvakuum mit lonen-getterpumpe 227 43.5. Ultrahochvakuum mit Kryopumpen 230 44. Mehrwandige Ultrahochvakuum-Kammern 231 IX. Beispiele aus der Technik der Elektronenröhren 240 45. Pumpanlagen für die Röhrenherstellung 240 45.1. Laboraforiumsmäßige Pumpanlage aus Glas 244 45.2. Pumpautomaten für die Serienfertigung von Elektronenröhren 246 VII
45.2.1. Pumpkarussell für Verstärkerröhren 247 45.2.2. Pumpstraße für Fernsehbildröhren 249 46. Evakuieren einer Verstärkerröhre mit Oxydkafhode in Glastechnik 251 47. Verstärkerröhren in Keramiktechnik 253 48. Herstellung einer Photovervielfacherröhre 255 49. Herstellung einer Röntgenröhre mit Drehanode 259 50. Gemischte Bauweise einer Fernsehbildröhre aus Glas und Metall 260 51. Herstellung von Leuchtstoffröhren 263 52. Pumpenloser Quecksilberdampfgleichrichter aus Stahl... 264 53. Elektronenmikroskop 266 54. Rauscharme Wanderfeldröhre mit lonen-getterpumpe... 270 X. Vakuumtechnik bei kernphysikalischen Großanlagen 275 55. Hochfrequenz-Linearbeschleuniger für Elektronen 277 56. Tandem-van-de-Graaff-lonenbeschleuniger (HVEC) 282 57. Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) 284 58. Speicherringanlage für Elektronen und Positronen (DESY) 287 59. Ringbeschleuniger für Protonen (CERN) 290 60. Protonen-Speicherringanlage (CERN) 294 61. Ringbeschleuniger für Protonen (SIN) 298 62. Linearbeschleuniger für Schwerionen (UNILAC) 301 63. Vakuumprobleme der thermischen Kernfusion.' 304 XI. Vakuumtechnik der Weltraumsimulation 308 64. Aufstiegssimulation 309 65. Ultrahochvakuum in Weltraumkammern 310 XII. Vakuumtechnik des Stoff transposes 314 66. Entgasen und Trocknen 314 66.1. Trocknung von Kunststoffschnitzeln 315 66.2. Gefriertrocknung 317 66.3. Imprägnierung elektrischer Hochspannungsgeräte.. 322 67. Kurzwegdestillation organischer Stoffe 332 68. Metall-Destillation 336 69. Vakuumbehandlung metallischer Werkstoffe 339 69.1. Ausglühen in Vakuumöfen 342 VIII
69.2. Entgasung aus der Schmelze 347 70. Schweißen und Fräsen mit Elektronenstrahlen 354 71. Vakuumbeschichtung 358 71.1. Kathodenzerstäubung 360 71.1.1. Kathodenzerstäubung durch elektrische Glimmentladung 360 71.1.2. Kathodenzerstäubung durch lonenbündel 363 71.1.3. Kathodenzerstäubung in hochfrequenten Wechselfeldern 364 71.1.4. Kathodenzersfäubung mit elektrischer Vorspannung des Substrates 365 71.2. Thermische Verdampfung 366 71.2.1. Thermische Verdampfung durch Widerstandsheizung 367 71.2.2. Thermische Verdampfung durch Elektronenstrahlen 369 71.3. Messung durch Einstellung der Schichtdicke 371 71.4. Gleichmäßige Verteilung der Beschichtung 374 71.5. Beschichtung mit Legierungen 375 71.6. Dünne Schichten in der Optik 378 71.7. Mikroelektronik 379 71.8. Nachformung durch Beschichten 382 Sinnbilder für Pläne von Vakuumanlagen 384 Normung 385 Allgemeine Literatur zu weiterer Unterrichtung 385 Spezielle Literaturhinweise 386 Bezugsquellen-Verzeichnis (Auswahl) 394 Sachverzeichnis 396 IX