1.3 Einflüsse in realen Vakuumsystemen

1.3.1 Verunreinigungen

Vakuumbehälter müssen sauber sein, um beim Abpumpen schnellstmöglich den gewünschten Druck zu erreichen. Typische Verunreinigungen von Vakuumsystemen sind

Rückstände von der Produktion der Vakuumsysteme Öle und Fette an Oberflächen, Schrauben und Dichtungen
Anwendungsbedingte Verunreinigungen Reaktionsprodukte von Prozessen, Stäube und Partikel
Umgebungsbedingte Verunreinigungen kondensierte Dämpfe, insbesondere Wasser, die sich an den Behälterwänden niederschlagen

Zur Vermeidung von Verunreinigungen ist bei der Montage von Vakuumanlagen auf bestmögliche Sauberkeit zu achten. Alle im Vakuumraum angebrachten Bauteile müssen sauber und fettfrei sein. Der Einbau von Dichtungen sollte trocken erfolgen. Ist der Einsatz von Vakuumfett nicht zu vermeiden, ist dieses allenfalls äußerst sparsam als Montagehilfe, nicht aber als Dichtmittel zu verwenden. Bei Arbeiten an Hoch- oder Ultrahochvakuumanlagen sind bei Montage- oder Wartungsarbeiten saubere fussel- und puderfreie Handschuhe zu tragen.

1.3.2 Kondensieren und Verdampfen

Alle Stoffe können flüssig, fest oder gasförmig vorkommen. Ihr Aggregatzustand hängt von Druck und Temperatur ab. Flüssige Stoffe gehen durch Verdampfen und feste durch Sublimation in den gasförmigen Zustand über. Die Abscheidung flüssiger oder fester Stoffe aus der Gasphase wird als Kondensation bezeichnet. Da normale Raumluft etwa 10 g Wasserdampf pro m³ enthält, ist immer kondensierter Wasserdampf an allen Oberflächen vorhanden.

Abbildung 1.9: Dampfdruckkurven verschiedener Stoffe

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1.3.3 Desorption, Diffusion, Permeation und Lecks

Außer Wasser können auch noch andere Stoffe wie Betriebsmittel der Vakuumpumpen an Oberflächen adsorbiert werden. Es diffundieren ebenfalls Stoffe aus den Metallwänden heraus, die man im Restgas nachweisen kann. Bei besonderen Anforderungen kann man Edelstahlbehälter unter Vakuum ausglühen und so den größten Teil der flüchtigen Bestandteile aus den Metallwänden austreiben.

Desorption

An den Innenflächen des Rezipienten werden durch Adsorption und Absorption Gasmoleküle (vorwiegend Wasser) gebunden, die unter Vakuum nach und nach wieder abgegeben werden. Die Desorptionsrate der Metall- und Glasoberflächen in einer Vakuumanlage führt zu einem Gasanfall, der mit der Zeit mit niedriger werdender Bedeckungsrate abnimmt. In guter Näherung kann davon ausgegangen werden, dass die Abnahme ab einem Zeitpunkt t>t0 linear mit der Zeit erfolgt. t0 wird typisch mit einer Stunde angenommen.

Der Desorptionsstrom lässt sich damit beschreiben als

Q_{\mathrm{des}}=q_{\mathrm{des}}\cdot A\cdot\frac{t_0}{t}

Formel 1-32: Desorptionsstrom

Q_des Desorptionsstrom [Pa m³ s^-1]
q_des Desorptionsstromdichte (flächenspezifisch) [Pa m³ s^-1 m^-2]
A Fläche[m²]
t Zeit[s]

Diffusion mit Desorption

Bei Betrieb unterhalb 10^-6 hPa erhält die Desorption von Kunststoffoberflächen, insbesondere bei Dichtungen, größere Bedeutung. Kunststoffe geben hauptsachlich die in ihnen gelösten Gase ab, die zunächst an die Oberfläche diffundieren müssen. Nach längeren Abpumpzeiten kann daher die Desorption aus Kunststoffen über die der Metalloberflächen dominieren. Die Oberfläche der Dichtungen ist verhältnismäßig klein, die zeitliche Abnahme der Desorptionsrate ist jedoch langsamer als bei Metalloberflächen. Näherungsweise kann davon ausgegangen werden, dass die zeitliche Abnahme mit der Wurzel aus der Zeit erfolgt.

Der Gasanfall durch Kunststoffoberflächen lässt sich beschreiben als:

Q_{\mathrm{diff}}=q_{\mathrm{diff}}\cdot A_{d}\cdot\sqrt{\frac{t_0}{t}}

Formel 1-33: Desorptionsstrom aus Kunststoffen

Q_diff Diffusionsstrom [Pa m³ s^-1]
q_diff Diffusionsstromdichte (flächenspezifisch) [Pa m³ s^-1 m^-2]
A_dOberfläche der Kunststoffe im Behälter [m²]
t Zeit[s]

Ähnliche Effekte treten bei noch tieferen Drücken auch bei Metallen auf, aus denen Wasserstoff und Kohlenstoff in Form von CO und CO₂ austreten und im Restgasspektrum zu sehen sind. Hierfür gilt ebenfalls Formel 1-33.

Permeation und Lecks

Dichtungen und sogar Metallwände können von kleinen Gasatomen und -molekülen wie z. B. Helium durch Diffusion durchdrungen werden. Dieser Prozess ist zeitunabhängig, führt also zu einer dauernden Erhöhung des angestrebten Enddruckes. Der Permeationsgasstrom ist proportional zum Druckgradienten über die Wandstärke und einer materialabhängigen Permeationskonstanten.

Q_{\mathrm{perm}}=k_{\mathrm{perm}}\cdot A\cdot\frac{p_{a}}{d}

Formel 1-34: Permeation

Q_perm Diffusionsstrom [Pa m³ s^-1]
p_aDruck außerhalb des Behälters [Pa]
d Wanddicke [m]
A Oberfläche des Behälters [m²]
k_perm Permeationskonstante [m² s^-1]

Permeation wird erst bei Drücken unter 10^-8 hPa merkbar.

Mit Q_L bezeichnet man die Leckrate, also einen Gasstrom, der durch Undichtigkeiten in das Vakuumsystem einströmt. Die Leckrate ist definiert als Druckanstieg pro Zeit in einem gegebenen Volumen:

Q_{L}=\frac{\Delta p\cdot V}{\Delta t}

Formel 1-35: Leckrate

Q_LLeckrate[Pa m³ s^-1]
ΔpDruckänderung während der Messzeit[Pa]
V Volumen [m³]
ΔtMesszeit [s]

Wird der Behälter dauernd mit dem Saugvermögen S ausgepumpt, so stellt sich ein Gleichgewichtsdruck p_eq ein, wenn die Saugleistung (Formel 1-16) gleich der Leckrate ist Q_L=S⋅p_eq

Eine Anlage gilt als hinreichend dicht, wenn der Gleichgewichtsdruck peq etwa 10 % des Arbeitsdrucks beträgt. Soll beispielsweise ein Arbeitsdruck von 10^-6 hPa erreicht werden und hat die verwendete Vakuumpumpe ein Saugvermögen von 100 l s^-1, sollte die Leckagerate nicht mehr als 10^-6 Pa m³ s^-1 betragen.

Leckageraten Q_L < 10^-9 Pa m³ s^-1 sind in sauberen Edelstahlbehältern in der Regel leicht erreichbar.

Der nach einer bestimmten Zeit t erreichbare Enddruck hängt von allen oben beschriebenen Effekten sowie vom Saugvermögen der Vakuumpumpe ab. Dabei wird vorausgesetzt, dass der Enddruck gegen den Basisdruck der Vakuumpumpe groß ist.

Q_{\mathrm{des}}(t)+Q_{\mathrm{diff}}(t)+Q_{\mathrm{perm}}+Q_{L}=p(t)\cdot S

Formel 1-36: Enddruck als Funktion der Zeit

Für eine bestimmte Pumpzeit t kann man die einzelnen Gasströme und daraus resultierenden Drücke durch Einsetzen in Formel 1-36 und Auflösen der Gleichungen nach der Zeit berechnen. Der erreichbare Enddruck ist die Summe dieser Drücke.

1.3.4 Ausheizen

Zum Erreichen von Drücken im Ultrahochvakuumbereich (<10^-8 hPa) müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

Der Basisdruck der Vakuumpumpe sollte um einen Faktor 10 niedriger liegen als der geforderte Enddruck.
Die Werkstoffe von Kammer und Bauelementen sollten auf minimale Gasabgabe optimiert sein und über eine entsprechende Oberflächengüte verfügen.
Es sollten Metalldichtungen (z. B. CF-Flanschverbindungen oder Helicoflex-Dichtungen für ISO-Flanschstandards) verwendet werden.
Vor dem Zusammenbau sind alle Teile gründlich zu reinigen und mit fettfreien Handschuhen zu montieren – bestmögliche Sauberkeit beim Arbeiten ist Grundvoraussetzung für Ultrahochvakuum.
Apparatur und Hochvakuumpumpe müssen ausgeheizt werden
Lecks müssen vermieden und vor Einschalten der Heizung beseitigt werden. Dazu sollte ein Helium-Lecksucher oder ein Quadrupol-Massenspektrometer verwendet werden.

Durch Ausheizen werden die Desorptions- und Diffusionsraten stark erhöht, was zu wesentlich kürzeren Pumpzeiten führt. Als einer der letzten Schritte des Herstellungsprozesses können Kammern für UHV-Anwendungen bei Temperaturen bis zu 900 °C geglüht werden. Spätere Ausheizprozesse erreichen unter Zelten Temperaturen von teilweise über 300 °C. Während des laufenden Betriebs begrenzen die Vorschriften der Pumpenhersteller bezüglich der maximalen Ausheiztemperaturen am Flansch der Hochvakuumpumpe die maximale Temperatur auf meist 120 °C. Werden innerhalb der Vakuumapparatur Wärmequellen betrieben (z. B. Strahlungsheizung), sind die zulässigen Strahlungsleistungen in den Pumpenflansch zu beachten.

Nach der Montage wird die Apparatur in Betrieb genommen. Nach Erreichen eines Druckes kleiner als 10^-5 hPa wird die Heizung eingeschaltet. Während des Heizens sind alle Messröhren zu betreiben und in Zeiträumen von 10 Stunden zu entgasen. Um in den Druckbereich 10^-10 hPa vorzustoßen, sind bei Edelstahlbehältern mit entsprechenden Oberflächengüten und Verwendung von Metalldichtungen Ausheiztemperaturen von 120 °C und Heizzeiten von ca. 48 Stunden ausreichend.

Das Ausheizen soll so lange fortgesetzt werden, bis das 100-fache des erwarteten Enddruckes erreicht ist. Dann werden die Heizungen von Pumpe und Vakuumkammer abgeschaltet. Nach dem Abkühlen wird wahrscheinlich der gewünschte Enddruck erreicht. Bei Drücken kleiner 5 · 10^-10 hPa und großen inneren Oberflächen ist die Verwendung einer gasbindenden Pumpe (Titansublimationspumpe) von Vorteil, die den aus Metallen austretenden Wasserstoff mit hohem Saugvermögen pumpt.

1.3.5 Restgaszusammensetzung

Für das Arbeiten im Ultrahochvakuum, vor dem Beginn von Vakuumprozessen oder zur Prozessüberwachung und -regelung kann es von Bedeutung sein, die Zusammensetzung des Restgases zu kennen. Bei nicht sauberen bzw. nicht gut ausgeheizten Vakuumkammern sind die Anteile von Wasser (m/e = 18) und dessen Fragments OH (m/e = 17) groß. Lecks erkennt man an den Signalintensitäten von Stickstoff (m/e = 28) und Sauerstoff (m/e = 32) im Verhältnis N₂/O₂ von etwa 4 zu 1.

In gut ausgeheizten Kammern findet man Wasserstoff, (m/e = 2), Wasser (m/e = 17 und 18), Kohlenmonoxid (m/e = 28) und Kohlendioxid (m/e = 44). Bei Verwendung von Turbomolekularpumpen findet man keine Kohlenwasserstoffe. Sie werden aufgrund der hohen molekularen Massen und der daraus resultierenden hohen Kompressionsverhältnisse sehr effektiv aus der Kammer ferngehalten. Ein typisches Restgasspektrum eines sauberen, von einer Turbomolekularpumpe evakuierten Behälters zeigt Abbildung 1.10.

Abbildung 1.10: Typisches Restgasspektrum einer Turbomolekularpumpe

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Weitere Details zum Arbeiten mit Massenspektrometern finden sich in Kapitel 6, Massenspektrometer und Restgasanalyse

1.3.6 Fluten

Zur Vermeidung von unerwünschten Verunreinigungen sollten Vakuumbehälter mit einem trockenen Inertgas wie Stickstoff statt mit restfeuchter Umgebungsluft geflutet werden. Dadurch wird die Anlagerung (Adsorption) von Wasserdampf und anderen kondensierbaren Anteilen der Umgebungsluft (z. B. Lösungsmitteldämpfen) an den Behälterwänden verhindert. Jedes Kondensat würde durch den im Vergleich zum Abpumpen langsamen Desorptionsprozess das nachfolgende Evakuieren verlängern. Ist ein Behälter mit Inertgas belüftet worden, sollte er nur zu notwendigen Arbeiten im Behälterinneren geöffnet werden. Bei langen Öffnungszeiten kommt es mittels Konvektion durch Bewegungen des Wartungspersonals oder durch Diffusion zum Eintrag von Wasserdampf aus der Umgebungsluft.