3.4 Vakuumkammern

Das Herzstück einer Vakuumanlage bildet eine auf die Anwendung zugeschnittene Vakuumkammer. Sie umhüllt die Anwendung und trennt sie zuverlässig vom Außenbereich oder schützt die Umgebung vor den Prozessen im Inneren. Egal ob ein Grobvakuum für Trocknungsprozesse benötigt wird, ein Fein- oder Hochvakuum für Plasmaprozesse oder Ultrahochvakuum für Oberflächenuntersuchungen: - die Vakuumkammer muss stets die Druckdifferenz von einer Atmosphäre mechanisch tragen.

Vakuumbehälter unterliegen innerhalb der Europäischen Union keiner speziellen Richtlinie, auf deren Grundlage eine Auslegung und Berechnung zu erfolgen hat. Sie sind keine Druckgeräte (die Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU gilt für Bauteile mit einem inneren Überdruck von mehr als 500 hPa) und sie sind keine Maschinen im Sinne der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Dennoch müssen sie sicher und zuverlässig ausgelegt, berechnet, gefertigt und geprüft werden, bevor eine Inbetriebnahme erfolgen kann.

Die Berechnung von Wandstärken für zylindrische Rohre, Kugelkörper, plane Böden oder Formteile wie Klöpperböden kann mithilfe der AD-2000-Merkblätter erfolgen. Das Regelwerk AD 2000 wurde von der „Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter“ zwar für die Berechnung von Druckbehältern entworfen, dort wird aber auch der Belas-tungszustand „äußerer Überdruck“ beschrieben. Hier finden sich z. B. Gleichungen zur Berechnung von erforderlichen Wanddicken, die das „elastische Einbeulen“ oder die „plastische Verformung“ von zylindrischen Rohren berücksichtigen.

Bei Rechteckkammern oder ähnlichen Bauformen müssen die Durchbiegung der Flächen und die auftretenden Spannungen geprüft werden. Sind sie zu groß, müssen Wandstärken erhöht oder die Flächen versteift werden, z. B. mit zusätzlich aufgeschweißten Rippen. Hierbei sind Programme hilfreich, die mechanische Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchführen und zur Optimierung des Kammerdesigns genutzt werden können. Neben der zulässigen mechanischen Beanspruchung ist auch zu prüfen, ob im Lastzustand „außen Atmosphäre, innen Vakuum“ die Dichtflächen zueinander plan bleiben. Verwerfen sich Dichtflächen, können Undichtigkeiten auftreten, die einen Einsatz der Kammer verhindern.

Die Grundform der Kammer folgt häufig aus der Anwendung. Wenn möglich wird ein zylindrisches Rohr als Kammergrundkörper gewählt, das ein Optimum an Materialeinsatz und Stabilität darstellt. Bei kleineren Nennweiten kann ein planer Boden eine Rohrseite verschließen, größere Nennweiten sollten durch gewölbte Böden verschlossen werden, um den Materialeinsatz und die Masse der Kammer in Grenzen zu halten. Beispiel: Bei einem Kammerdurchmesser von 600 mm benötigt ein planer Boden etwa die dreifache Wandstärke wie ein gewölbter Boden. Ein Hauptflansch mit passendem Deckel gewährt den Zugang zur Kammer, ein Türscharnier erhöht den Bedienkomfort. Kammerfüße außen sorgen für einen sicheren Stand, Ringschrauben oder Hebeösen ermöglichen einen sicheren Transport.

Soll die Kammer temperiert werden oder führen innere Wärmequellen zu einer starken Erwärmung der Kammerhülle, wird eine Kammerkühlung aufgebracht. Dies kann durch aufgeschweißte Kühlprofile geschehen oder großflächig als sogenannte Kissenkühlung (Figure 3.18) oder gar als doppelwandiger Behälter.

Häufig wird eine Kammer im Dialog zwischen Anwender und Konstrukteur um ein Experiment oder einen Prozess herum entworfen. Eine Alternative zu individuell abgestimmten Kammern sind Standardvakuumkammern. Dies sind vorkonfigurierte Grundkörper, die um frei wählbare Abgänge ergänzt werden. Sie bieten eine schneller lieferbare und kostengünstigere Alternative zu einer komplett individuell gestalteten Vakuumkammer.

3.4.1 Verarbeitung – Oberflächen

Die Themen „Werkstoffauswahl“ und „Schweißen“ wurden bereits in den Kapiteln zuvor behandelt. Die inneren Oberflächen von Vakuumkammern und -bauteilen stellen einen entscheidenden Faktor für das Erreichen des Arbeitsdrucks im Hochvakuum und im UHV dar. Die Bearbeitung muss unter der Maßgabe erfolgen, die effektive Oberfläche zu minimieren und Oberflächen mit möglichst geringen Desorptionsraten zu erzeugen.

Am häufigsten werden Oberflächen von Vakuumkammern und Komponenten nach dem Schweißen und der mechanischen Bearbeitung glasperlenfeingestrahlt. Dabei werden mit Hochdruck Glasperlen mit definiertem Durchmesser auf die Oberfläche geblasen. Dichtflächen dürfen nicht gestrahlt werden, sie werden beim Strahlen abgedeckt. Das Verfahren verdichtet die Oberfläche, ebnet sie mikroskopisch ein, trägt oberflächennahe Schichten wie Anlauffarben ab und erzeugt eine dekorative Ansicht. Die zu strahlenden Oberflächen müssen sauber und fettfrei sein, das Strahlgut muss regelmäßig getauscht werden, insbesondere beim Wechsel von Werkstoffgruppen, z. B. bei ferritischen und austenitischen Edelstählen.

Schleifen dient zur Beseitigung von Makrorauigkeiten wie einer Walzhaut, Zunder oder Riefen. Es sollte trocken an sauberen, öl- und fettfreien Oberflächen erfolgen, Schleifmittel dürfen nicht in die Oberfläche eingearbeitet werden. Abhängig von der Ausgangsrauigkeit und der abzutragenden Schichtstärke, sollte in mehreren Schritten mit zunehmend feinerem Korn im Kreuzschliff, d. h. wechselnder Schleifrichtung geschliffen werden. Häufig ist Schleifen ein vorbereitender Schritt für nachfolgende Oberflächenbehandlungen wie z. B. Elektropolieren. Schleifen erzeugt einen optisch gleichförmigen Eindruck. Bei zuvor schon relativ glatten, gebeizten Oberflächen kann Schleifen einen dekorativeren Eindruck erzeugen, jedoch auch die Oberfläche vergrößern.

Bürsten dient zur Nachbehandlung von Schweißnähten. Die verwendeten Bürsten müssen aus Edelstahl sein und dürfen nicht mit anderen Materialien kontaminiert sein, damit kein Fremdmaterial in die Oberfläche eingebracht wird. Gleiches gilt beim Polieren. Poliermittel oder Abrieb dürfen nicht in die Oberfläche eingetragen werden, bzw. müssen anschließend vollständig entfernt werden. Die effektive Oberfläche darf nicht vergrößert werden durch eine mikroskopische Aufrauung.

Beizen stellt eine effektive Reinigung der Oberfläche dar. Verunreinigungen und eine etwa 1 bis 2 µm starke Schicht werden gelöst. Relevante Beizparameter wie die Konzentration der Beize, die Temperatur oder die Beizdauer müssen exakt eingehalten werden, um ein Überbeizen zu vermeiden. Nach dem Beizen muss intensiv gespült werden, um sämtliche Reste der Beizflüssigkeit zu entfernen. Die Oberflächenrauigkeit ändert sich durch Beizen nur unwesentlich.

Elektropolieren ist die selektive anodische Auflösung des Metalls in einem Elektrolyten unter Nutzung einer Gleichstromquelle. Dabei werden typischerweise 12 bis 15 µm von der Oberfläche abgetragen, um eine kristallin reine Oberfläche zu erzeugen. Damit die Oberfläche gleichmäßig abgetragen wird, muss häufig eine für das Bauteil angepasste Elektrode gefertigt werden. Dies macht das Verfahren aufwendig. Zudem müssen CF-Dichtflächen abgedeckt werden, da an Kanten die elektrische Feldstärke lokal erhöht ist, was zu einer verstärkten Abtragung von Material führt. Unter UHV-Anwendern ist das Verfahren strittig. Es wird hierbei über Einlagerungen von Wasserstoff in die Oberflächen oder über Reste des Elektrolyten auf den Oberflächen diskutiert. Wie nach dem Beizen müssen Bauteile nach dem Elektropolieren intensiv gespült werden. Zudem sollte anschließend eine Leckprüfung erfolgen, da Material auch im Bereich der Schweißnähte abgetragen wird. Abhängig vom Vorzustand kann Elektropolieren die Oberflächenrauigkeit halbieren.

3.4.2 Verarbeitung – Reinigung

Saubere Oberflächen sind eine Grundvoraussetzung in der Vakuumtechnik. Sämtliche Verunreinigungen sind von den Oberflächen zu entfernen, sodass sie nicht unter Vakuumbedingungen desorbieren und Gaslasten erzeugen oder sich auf Einbauten niederschlagen.

Dazu erfolgt zunächst eine Vorreinigung, z. B. mit einem Hochdruckreiniger, zur Beseitigung grober Verschmutzungen. Anschließend werden die Bauteile in einem Mehrkammer-Ultraschallbad gereinigt. Im ersten Bad erfolgt unter Ultraschallbedingungen mit Zusatz von speziellen Reinigern die Reinigung und Entfettung der Oberflächen. Verschmutzungen werden durch die Tenside umhüllt, von der Oberfläche abgehoben und im Reinigungsbad gebunden. Der PH-Wert des Reinigungsbades muss auf den Kammerwerkstoff abgestimmt sein. In weiteren Bädern werden die Reinigungsmittel vollständig entfernt, und zwar durch Vorspülen mit anschließendem gründlichem Nachspülen mit heißem, deionisiertem Wasser. Abschließend erfolgt zügig eine Trocknung in einem heißen, staubarmen und kohlen-wasserstofffreien Luftstrom. Große Kammern werden mit Dampfstrahlern oder Hochdruckreinigern mit Zusatz von speziellen Reinigungsmitteln gereinigt. Anschließend muss auch hier mehrfach mit heißem deionisiertem Wasser gespült werden und eine rasche Trocknung mit heißer Luft erfolgen.

Nach der Reinigung dürfen vakuumseitige Flächen nur noch mit sauberen, fusselfreien Handschuhen angefasst werden. Die Verpackung erfolgt in PE-Kunststofffolien, Dichtflächen und Dichtschneiden werden mit PE-Abdeckkappen geschützt.

Die Oberfläche gereinigter Bauteile stellt immer noch eine Ausgasquelle dar. Insbesondere adsorbierte Wassermoleküle und Spuren von Kohlenwasserstoffen aus der Lagerung an Luft sind die größten Restgasquellen im UHV. Um diese effektiv von den Oberflächen zu lösen, werden UHV-Kammern ausgeheizt. Unter ständigem Evakuieren, bei einem Druck besser als 1 · 10^-6 hPa, werden die Bauteile in der Regel auf Temperaturen von 150 bis 300 °C für etwa 48 Stunden erwärmt.

Fremdatome, die durch Physisorption oder Chemisorption an den Oberflächen gebunden sind, erhalten dadurch thermische Energie, mit der sie die Bindung lösen und von der Oberfläche entweichen können. Die von der Oberfläche gelösten Moleküle müssen von der Vakuumpumpe aus dem System entfernt werden. Nach dem Abkühlen erhält man einen um Größenordnungen reduzierten Enddruck. Wird die Kammer belüftet, belegen sich die Oberflächen erneut mit Molekülen. Die Verwendung von trockenem Stickstoff als Flutgas und kurze Öffnungszeiten an einer trockenen Atmosphäre können die Belegung der Oberflächen mit Wasser nicht vollständig verhindern, sondern lediglich reduzieren. Soll ein Enddruck kleiner 1 · 10^-8 hPa innerhalb einer erträglichen Abpumpzeit erreicht werden, ist ein erneutes Ausheizen unumgänglich.