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PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2021

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Vakuumtechnik

Vakuumtechnik Ultrahochvakuum Hochverdichtende Turbopumpen minimieren Kosten und Aufwand bei UHV-Anwendungen Interne experimentelle Studie bei Pfeiffer Vacuum führt zu innovativem Ansatz für die Erzeugung von Ultrahochvakuum (UHV) Dipl.-Ing. Andreas Schopphoff Nichts, so scheint es, kann manchmal alles bedeuten – zumindest in der wissenschaftlichen Spitzenforschung. Typisches Beispiel dafür ist Ultrahochvakuum – gewissermaßen definiert durch ein „Nichts“ im Druckbereich von 10 -7 mbar bis 10 -12 mbar. UHV ist für eine Reihe von Technologien notwendig, die in diversen Bereichen der Grundlagenforschung zum Einsatz kommen – von Teilchenbeschleunigern und Gravitationswellendetektoren bis hin zu Versuchen mit kalten Atomen und Rasterkraftmikroskopen. Gleichzeitig stellen die UHV-Bedingungen sicher, dass die Wissenschaftler mit Hilfe von Photonen, Elektronen oder Ionen chemisch reine Probenoberflächen untersuchen können, die frei von unerwünschten Adsorbaten sind – ebenfalls eine unabdingbare Voraussetzung für hochentwickelte Dünnfilmwachstumsund -präparationstechniken wie z. B. Molekularstrahlepitaxie oder Laserstrahlverdampfen (PLD). Alle diese Anwendungen haben eins gemeinsam: die Notwendigkeit eines ganzheitlichen Ansatzes bei der Konstruktion von Vakuumsystemen, um die erforderliche UHV-Bedingung zuverlässig zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Kurz gesagt: Das gesamte Vakuumsystem muss ganzheitlich geplant und konfiguriert werden, so dass Vakuumkammer, Pumpen, Vakuummessgeräte, Bauteile, Lecksucher und Steuerung kombiniert in einer zusammenhängenden UHV-Infrastruktur optimiert sind, anstatt als isolierte Bestandteile behandelt zu werden. Zu große Auswahl? Leider ist das leichter gesagt als getan. Bei näherer Betrachtung wird deutlich, dass Vakuumanwender sich einer Das Forschungs- und Entwicklungsteam von Pfeiffer Vacuum nutzte einen speziell angefertigten Prüfstand (oben), um die UHV-Leistung der Turbopumpe des Herstellers in Kombination mit vier separaten ölfreien Vorpumpen zu bewerten. (Photo © : Pfeiffer Vacuum) Vielzahl von technologischen Optionen gegenübersehen, die bei der Spezifikation der zentralen Bausteine eines UHV-Systems alle ihre Vor- und Nachteile haben. Die Auswahl der optimalen Pumpenkombination ist dabei alles andere als einfach, da Investitionsund Betriebskosten, Energieverbrauch, Größe und Platzbedarf, Wartungsintervalle und Umwelteinflüsse (Lärm/Vibrationen) gegeneinander abgewogen werden müssen. Dieser Sachverhalt wird noch komplexer durch die Vielzahl von Möglichkeiten bei der Kombination von idealer Hochvakuumpumpe (Ionengetterpumpe versus Titansublimationspumpe versus Turbomolekularpumpe versus Kryopumpe) und Vorpumpe (Membranpumpe oder Drehschieberpumpe oder mehrstufige Wälzkolbenpumpe), mit denen UHV-Bedingungen erzeugt werden – in manchen Fällen durch schnelle Evakuierung der Vakuumkammer, in anderen durch Sorption. Nun hat ein F&E-Team von Pfeiffer Vacuum, einem der weltweit führenden Anbieter von Vakuumtechnologie, die Ergebnisse einer internen Studie veröffentlicht, die den Weg zur einfacheren und wirtschaftlicheren Lösung für diverse UHV-Forschungsanwendungen weist – sei es in kleinen Laboratorien für die Oberflächenforschung oder in Beschleunigeranlagen großer Forschungseinrichtungen. Kurzum, die Ingenieure des Unternehmens haben gezeigt, dass UHV- Bedingungen (in der Größenordnung von 10 -11 mbar) routinemäßig erzeugt werden können, indem eine Turbopumpe mit hohem Verdichtungsverhältnis mit einer geeigneten ölfreien Vorpumpe kombiniert wird. Der Schlüssel zum Erfolg liegt darin, eine effektive Pumpauslegung der dominanten Restgasspezies – Wasserstoff – zum Evakuieren der Vakuumkammer bis in den UHV-Bereich zu finden. Die Rückströmung von Wasserstoff entgegen der Pumprichtung der Tur- 44 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2021

Vakuumtechnik Ultrahochvakuum bopumpe ist der limitierende Faktor für das Erreichen sehr niedriger UHV-Drücke gewesen. Wird eine höhere Verdichtung erreicht – und damit die Reduzierung des Rückströmungseffekts reduziert, können viel niedrigere Drücke erzeugt werden als bisher. UHV auf dem Prüfstand Der Einsatz von Turbopumpen mit hohem Kompressionsverhältnis ist ein Gewinn für die Generierung von UHV. Vor allem die Anfangsinvestition und die Betriebskosten sind im Vergleich zu konventionellen Ansätzen für die UHV-Erzeugung günstig (z. B. Verwendung einer Ionengetterpumpe in Verbindung mit einer Turbopumpe, wobei letztere als Vorpumpe eingesetzt wird). Der neue Ansatz ist erheblich einfacher in Bezug auf die Implementierung, die Wartung vor Ort und die Serviceintervalle (typischerweise länger als vier Jahre). Dies ist in erster Linie ein Pumpensystem für wissenschaftliche Anwender, die ein UHV-System benötigen, das bei jedem Einsatz mit 100-prozentiger Zuverlässigkeit ein Vakuum generiert. Darüber hinaus ist es mit einem Steuergerät, das die Turbopumpe und die trockene Vorpumpe steuert, extrem einfach zu bedienen. Für die experimentelle Studie verwendete das Team eine kleine Vakuumkammer (500 mm Durchmesser, 120 mm Höhe), die sieben Pumpentyp Drehschieberpumpe Mehrstufige Wälzkolbenpumpe (ACP 15) Dreistufige Membranpumpe (MVP 20) Zweistufige Membranpumpe Momentan liegt die Priorität für Vorvakuum (mbar) UHV (mbar) das Team darin, den F&E-Kundenstamm über die Vorzüge der UHV- 3 x 10 -3 2,4 x 10 -11 Erzeugung durch Turbopumpen 3,2 x 10 -2 2,5 x 10 -11 mit hoher Verdichtung zu informieren – speziell über die Baureihe 300 H und ihr Schwesterprodukt, die 700 H (mit einem Wasserstoff-Kompressionsverhältnis von 1,0 2,7 x 10 -11 2x10 7 ). Die Webinare des Unternehmens zu diesem Thema wurden von der Forschungsgemein- 3,0 2,8 x 10 -11 (MVP 15) schaft gut angenommen, wobei das größte wirtschaftliche Interesse Tabelle 1. Gute Leistung von Vorpumpen bei der UHV-Erzeugung bisher von Kunden mit Vaku- Tage lang bei 120 °C ausgeheizt Team kam weiter zu dem Schluss, umanwendungen im Hochschulbereich gezeigt wurde. wurde. Anschließend bewerteten dass eine mehrstufige Wälzkolbenpumpe Die Turbopumpe der Baureihe die Wissenschaftler den erzeugten Enddruck, der mit Hilfe der kompakten und leistungsstarken Turbopumpe (Wasserstoff-Kompressionsverhältnis 1x10 7 ) in Kombination mit abwechselnden eingesetzten in Verbindung mit der Tur- bopumpe eine ideale Kombination aus Vor- und Turbopumpe darstellt, um in Kammern mit einem Fassungsvermögen von 100 l oder mehr Bedingungen im unteren 300 H ist eine wirklich gute Pumpen option für UHV, aber wir versuchen, sie noch besser zu machen. Letztendlich ist es unsere Aufgabe, Vakuum-Innovationen zu entwickeln, die unseren F&E-Kunden Vorpumpen (Drehschieberpumpe, UHV-Bereich zu erzeugen. das Leben einfacher machen, mehrstufige Wälzkolbenpumpe sowie zwei- und dreistufige Membranpumpe) erreicht wurde. Die Das ist besonders im Bereich der Großforschung relevant, wo Anwender in den Beschleunigerringen was diese Lösung bietet. Zeitspanne für jede Messung betrug eines Teilchenbeschleu- 24 Stunden, wobei Heißkathoden- und Kaltkathoden-Ionisationsmessgeräte verwendet wurden, um den Enddruck der Kammer für jede Kombination aus Vor- und Turbopumpe zu bewerten (siehe Tabelle). nigers UHV erzeugen müssen, das nicht durch Partikel aus dem Pump system kontaminiert werden darf. Für eine Beschleunigerumgebung sind in Kombination mit Turbopumpe die mehrstufigen Wälzkolbenvorpumpen, Bei relativ einfachen Vakuumkammern, optimal, die wie die im eigenen Labor, wurde festgestellt, dass in beide fluorfrei sind und mit einer verlängerten Kabelverbindung zwischen Autor: Dipl.-Ing. Andreas Schopphoff, Steuerelektronik und Pum- Head of Market Segment R&D, Kombination mit der Turbopumpe Pfeiffer Vacuum GmbH, Aßlar, selbst eine kleine Membranpumpe als Vorpumpe ausreicht. Das feld betrieben werden penstandort im radioaktiven Um- Deutschland können.

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