Table Of ContentDie Grundlagen der
Hochvalrllumtechnilr
Von
Dr. Saul Dushman
Versuchs-Laboratorium der General Electric
Company, Schenectady, N. Y.
Deutsch von
Dr. phil. R. G. Berthold und Dipl.-Ing. E. Reimann
Mit 110 Abhildungell im Text
und 52 Tabellen
Berlin
VerI ag von J uli us Springer
1926
AHe Rechte vorbehalten.
ISBN-13: 978-3-642-89253-0 e-ISBN-13: 978-3-642-911 09-5
DOl: 10.1007/978-3-642-91109-5
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1926
Vorwort zur amerikanischen Ausgabe.
Das vorliegende Buch ist eine durchgesehene und erweiterte
Zusammenfassung einer Reihe von Aufsatzen, die in del' General
Electric Review in den Jahren 1920 und 1921 veroffentlicht
wurden. Die Hochvakuumerzeugung hat in del' Wissenschaft
und Technik eine derartige Bedeutung erlangt, daB es kaum notig
erscheint, fiir den Versuch einer geschlossenen Darstellung dieses
Wissensgebietes eine Rechtfertigung zu unternehmen.
Del' Verfasser hat sehr oft auf die zahlreichen Experimente
Bezug genommen, welche im Laboratorium del' General Electric
Company, Schenectady von Dr. Langmuir und seinen Mit
arbeitern ausgefiihrt worden sind, und mochte daher auch be
sonders Herrn Dr. Langmuir aufrichtigen Dank fiir seine be
standige freundliche Hilfe aussprechen.
Ebenso ist er Herrn Dr. Whitney sehr verbunden, welcher
del' Arbeit groBes Interesse entgegenbrachte und ihm alle Mittel
des Laboratoriums fiir rein wissenschaftliche Arbeiten zur Ver
fiigung stellte.
Del' Verfasser hat sich bemiiht, nach Moglichkeit seine samt
lichen Mitarbeiter auf dem Gebiete del' Hochvakuumunter
suchungen zu erwahnen, und mochte ihnen an diesel' Stelle
seinen Dank fiir ihre bestandige Mitarbeit auf einem Gebiet aus
sprechen, auf dem Enttauschungen und Fehlschlage so haufig
vorkommen.
Die einzelnen Kapitel sind urspriinglich als getrennte Auf
satze geschrieben worden. Um sie in Buchform veroffentlichen
zu konnen, muBten einzelne Teile vollkommen umgearbeitet
werden, und del' Leser wird deshalb vielleicht finden, daB oft
wesentliche Dinge ausgelassen odeI' unwesentliche hinzugefiigt
sind. Del' Verfasser wiirde ffir Hinweise auf solche Fehler sehr
dankbar sein.
Research Laboratory, General Electric Company.
Schenectady, N. Y., 1. Sept. 1922.
Vorwort zur deutschen Ausgabe.
Das Euch von S. Dushman "Production and Measurement
of High Vacuum" ist den fibersetzern ein wertvolles Hilfsmittel
bei vakuumtechnischen Arbeiten gewesen. Die ausfiihrliche
Mitteilung der amerikanischen Erfahrungen ersparte die Miihe,
sie aus der Originalliteratur zusammenzusuchen oder sie noch
einmal machen zu miissen.
Die technische Verwertung der Gasentladungsvorgange be
findet sich noch im Anfangsstadium, und ihre Erfolge sind von der
Sicherheit abhangig, mit der man im besonderen die gaskineti
schen und elektrochemischen Vorgange beherrscht. Deshalb er
scheint uns die weite Fassung, die Dushman seiner Arbeit ge
geben hat, wohl wert, dem deutschen Leser mitgeteilt zu werden.
Au13erdem hoffen wir, durch die Herausgabe der deutschen fiber
setzung dazu beizutragen, den Zusammenhang der europaischen
und amerikanischen Arbeiten auf diesem noch verhaltnisma13ig
neuen Gebiet der technischen Physik wiederherzustellen.
Der Verfasser hatte die Liebenswiirdigkeit, uns Zusatze und
Verbesserungen zur Verfiigung zu stellen. Gleichzeitig hat er
uns erlaubt, Erganzungen und Abanderungen nach eigenem Er
messen vorzunehmen, wofiir wir ihm sehr zu Dank verpflichtet sind.
Das II. Kapitel, das sich im Original auf I. Langmuirs
Veroffentlichung: "The Condensation Pump", General Electric
Review 1916, stiitzt, ist unter anderem nach der Arbeit von
W. Gaede: "Die Entwicklung der Diffusionspumpe", Zeit
schrift fiir technische Physik 1923, erganzt. 1m III. Kapitel ist
auf einige in Deutschland entstandene Manometer, sowie auf
die Quarzfaden- und Ionisationsmanometer naher eingegangen.
Fiir Kapitel V sind neben dem Original die Veroffentlichungen
von N. R. Campbell und seinen Mitarbeitern, Philosophical
Magazine 1920--24, herangezogen.
VOl'wort ZUl' deutschen Ausgabe. v
Wir haben fiir die freundliche Uberlassung von Angaben und
Abbildungen den Firmen Leybold, Ktiln, Pfeiffer, Wetzlar,
Hanff & Buest, Berlin und den Siemens-Schuckert-Werken
sowie Frau Dr. M. A. Schirmann, Wien zu danken. Auch
mochten wir an dieser Stelle dem Verleger unseren Dank fiir die
Miihe aussprechen, die er auf die Ausstattung des Buches ver
wendet hat.
Berlin-Siemensstadt, Januar 1926.
R. G. Berthold. E. Reimann.
Inhaltsiibersicht.
~eite
Einleitung . . 1
I. Kinetische Gastheorie 5
Ergebnisse del' kinetischen Gastheorie 5
1. Die Gesetze von Boyle und Gay Lussac 5
2. Die Geschwindigkeit del' Gasmolekiile 6
3. Das Maxwellsche Gesetz del' Geschwindigkeits-
verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9
4. Die Zahl del' Molekiile in del' Volumeneinheit .. 11
5. Dber die Anzahl del' Molekiile, die auf eine Flache
treffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
6. Die rrlitt.lere freie \VegUinge del' Molekiile . . .. 13
7. Die Beziehung zwischen dem· Koeffizienten del'
inneren Reibung und del' mittleren freien Wegliinge 15
8. Die Hiiufigkeit del' Zusammensto13e ...... 21
9. Die direkte Bestimmung del' mittleren freien Weg-
liinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
10. Del' Zusammenhang zwischen del' inn!)ren Reibung,
del' Wiirmeleitfiihigkeit und del' Diffusion . . .. 22
11. Die Beziehungen zwischen dem Molekiildurchmesser
und del' mittleren freien WegIange . . . . . .. 24
12. Del' Zusammenhang zwischen dem Molekiildurch-
messer und del' Van del' Waalschen Konstanten b. 27
Allgemeine Betrachtungen libel' Gase bei gerin-
gen Drucken . . . . . .. ...... 30
1. Die geradlinige Bewegung del' Gasmolekiile 1m
Rezipienten . . . . . . . . . . . . . . 30
2. pie Gesetze del' Molekularstromung 33
3. Die Stromungsgesetze bei hoherem Druck. 36
4. Die thermische Molekularstromung . . 39
II. Hochvakuumpumpen . . . . . . . . . 40
Allgemeine Dberlegungen iiber die Leistung
von Hochvakuumpumpen 40
1. Au13endruck odeI' Gegendruck 40
2. Grenzdruck 40
3. Pumpgeschwindigkeit . . . . 41
Inhaltsiibersicht. VII
Seite
Mechanische Pumpen mit hin und her gehen-
dem Kolben. . . . . . . 45
1. Die Geryk-Olpumpe. . . 45
2. Die Kolbenpumpe von Gaede 49
Mechanische Pump en mit rotierenden Kolben 49
1. Die rotierende Kapselpumpe von Gaede 49
2. Technische Pumpen mit rotierendem Kolbenkorper 50
Pump en mit FHissigkeitskolben. . . . . . 54
1. Die Pmnpe von GeiLHer-Topler. . . . . . . 54
2. Die Quecksilber-Rotationspumpe von Gaede 56
Die Molekularpumpe von Gaede 59
Dampfstrahlpumpen . . . . . . . . 64
1. Die physikalischen Vorgange in der Dampfstrahl
pumpe: Strahlwirkung, Diffusion, Kondensation,
Kompression . . . . . . . . . . . . . 64
2. Die Diffusionspumpe von Gaede . . . . . .. 66
3. Die Kondensationspumpe von Langmuir 70
4. Andere Formen von Quecksilberdampfpumpen 75
Allgemeine Bemerkungen iiber Evakuierungs-
prozesse 89
ID. Manometer fUr gerluge Gasdrueke . . . 97
Quecksilbermanometer. . . . . 98
1. Manometer von Rayleigh und Scheel u. Heuse 98
2. Mac Leod Manometer. 103
Mechanische Manometer 110
Reibungsmanometer . . III
1. Theorie . . . . . . . 111
2. Das Dampfungsmanometer 11.4
3. Das Quarzfadenmanometer 116
4. Das Molekularmanometer . 122
Manometer nach dem Radiometerprinzip 125
1. Das Radiometer von Crookes 125
2. Das Manometer von Knudsen . . . . . . 126
3. Das Manometer von Woodrow. . . . . . 130
4. Das Manometer von. Shrader u. Sherwood 133
5. Das Manometer von Riegger. . . . 136
Widerstandsmanometer 137
1. Manometer nach v. Pirani und Hale. 138
Das Ionisationsmanometer 143
IV. Sorption von Gasen bei geringen Drueken 154
Adsorption, Absorption, Okklusion. 155
Adsorption von Gasen auf Holzkohle 155
VIII Inhaltsiibersicht.
Seite
1. Allgemeine Untersuchungen 155
2. Verwendung von Holzkohle bei Vakuumunter-
.
suchungen 165
3. Die aktivierte Holzkohle 168
Absorption von Wasserstoff durch Palladium-
schwamm ........ . 175
1. Absorptionsbeziehungen . . 175
2. Vorbereitung von Palladiumschwamm 177
3. Versuche zur Erzeugung hoher Vakua mit Hilfe von
Palladiumschwamm ............. . 178
Sorption von Gasen durch Glas, Metall und
andere Substanzen ............. . 180
I. Allgemeine Bemerkungen iiber Sorption von Gasen 180
2. Sorption von Gasen durch Metalle . . . . . . . 182
3. Adsorption von Wasserdampf ........ . 189
4. Uber die Gase und Dampfe, die bei sehr geringen
Drucken von Glas und Metall abgegeben werden 191
V. Chemische und elektrochemische Aufzehrung von Gasen bei
geringen Drucken . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Aufzehrung von Gasen in Gliihlampen. . . . 201
. Allgemeine Ubersicht iiber die "clean-up"
Vorgange 206
Die Aufzehrung von Gasen durch Kalzium 209
Chemische Beseitigung von Restgasen durch
gliihende ·Wolframfaden ......... . 212
1. Beseitigung von Sauerstoff durch Wolframfaden . 212
2. Aufzehrung von Stickstoff durch W olframfaden . 214
3. Druckerniedrigung von Kohlenoxyd durch gliihen
des Wolfram . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
4. Aufzehrung von Wasserstoff durch erhitzte Wolfram-
faden .................... . 215
5. Uber das Vakuum, das durch Erhitzen von Wolfram
zu erhalten ist . . . . . . . 216
Die elektrische Aufzehrung von Gasen bei
hoheren Drucken. . . . . . . 218
Die elektrische Aufzehrung von Gasen bei ge-
ringen Drucken ..... . 225
1. Ionisationseffekte . . . . . . . 227
2. Gasaufzehrung und Gliihpotential 236
3. Das Gliihpotential . . . . . . . 238
4. Chemische Wirkung der Gliihpotentialentladung in: 240
Kohlenmonoxyd S.240, Wasserstoff S.243, Stick
stoff S. 243, Argon S. 244, Quecksilber S. 244,
Phosphor S. 245.
Inhaltsiibersicht. IX
Seite
5. Das Verschwinden von Gas in Gegenwart von
Phosphor ............... . 247
6. Das Wiedererscheinen der aufgezehrten Gase 248
7. Versuch einer Erklarung des Gettereffektes 249
8. Ionisation und Absorption . . . . . 251
9. Getterwirkung von Verbindungen. . 255
VI. Theorie der Adsorption bei geringen Drueken 256
1. Die Oberflachenschicht fester Karper 256
2. Kondensation und Verdampfung 259
3. Adsorption. . . . . . . . . . . . 260
4. Adsorptionsgleichungen . . . . . . 269
Zusammenhange der Adsorptionstheorie mit
anderen Forschungsergebnissen . . . . . . . 275
1. Die Adsorptionstheorie und chemische Reaktionen
bei geringen Drucken . . . . . . . . . . . 276
2. Die Adsorptionstheorie und der EinfluI3, den Gas
und Thorium auf die Elektronenemission von
Wolfram ansiiben. . . . . . . . . . . . . 278
3. Die Adsorptionstheorie und die Reibungserschei-
nungen bei geringen Drucken . . . . . . 281
4. Del' Temperaturfall an einer Oberflache in Gasen
bei geringen Drucken . . . . . . . . . . 284
5. Der Dichtesprung an einer Oberflache 287
6. Die Bedeutung von fund seine Beziehung zum
Akkommodationskoeffizienten 288
Anhang mit Tabellen . . . . . . . . . . . . . 291
Tabellen.
1. Molekulargeschwindigkeiten. . . . . . . . . . . . .. 9
2. Verteilung der Molekulargeschwindigkeiten nach Maxwell 10
3. Koeffizient del' inneren Reibung und mittlere freie Weg-
lange bei normalen Drucken . . . . . . . . . . . .. 19
4. Freie Weglangen in Abhangigkeit vom Druck nach Franck
und Hertz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
5. Koeffizient del' Warmeleitfahigkeit und der inneren Reibung 24
6. Molekiildurchmesser . . . . . . . . . . . 29
7. DurchfluI3mengen von Luft und Wasserstoff bei geringen
Drucken und 200 C. . . . . . . . . . . . . . . .. 36
8. DurchfluI3mengen von Luft in Abhangigkeit vom Druck. 38
9. Sauggeschwindigkeit der Toepler-Pumpe . . . . . . .. 55
10. Sauggeschwindigkeit der rotierenden Quecksilbertrommel-
pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
n. Erreichbares Vakuum in Abhangigkeit von del' Umlaufs-
geschwindigkeit der Molekularpumpe von Gaede . . .. 62
x
Inhaltsiibersicht.
Seite
12. Der EinfluJ3 des Quecksilberdampfdruckes auf die Saug
geschwindigkeit der ersten Gaedeschen Diffusionspumpe 69
13. Der EinfluJ3 der Spaltbreite auf die Sauggeschwindigkeit
der ersten Gaedeschen Diffusionspumpe . . . . . . . . 69
14. Evakuierungsgeschwindigkeiten der neuen Diffusionspumpe
aus Glas nach Gaede (Ebert). . . . . . . . . . 70
15. Sauggeschwindigkeit der Kondensationspumpe von
Langmuir ................... . 73
16. Evakuierungsgeschwindigkeit der Stufenstrahlhochvakuum-
pumpe aus Quarz nach Volmer (Ebert) ....... . 85
17 .. Evakuierungsgeschwindigkeit der Diffusionspumpe aus Stahl
nach Gaede (Ebert)·. . . . . . . . . . . . . . . . . 89
18. Dampfdrucke nicht kondensierbarer Gase bei tiefen Tempe-
raturen ...................... . 92
19. Dampfdrucke kondensierbarer Gase bei tiefen Tempera-
turen ....................... . 93
20. Erreichbares Vakuum in Abhangigkeit von del' Heizleistung 96
21. Eichwerte fUr ein Quarzfadenmanometer von Haber . . 120
22. Eichwerte fiir ein Quarzfadenmanometer von Huthsteiner 120
23. Konstante fUr das Ionisationsmanometer in Abhangigkeit
von der Elektronenzahl im Molekiil des untersuchten Gases 153
24. Gasadsorption auf Holzkohle . . . . . . . . . . . . . 157
25. Relative Adsorption von Wasserstoff und Helium bei tiefen
Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . 157
26. Adsorption von Gasen auf Holzkohle (Claude) ..... 159.
27. Adsorption von Gasen auf Holzkohle (Titoff) . . . . . 161
28. Adsorption verschiedener Gase bei p = 100 mm Hg (Titoff) 162
29. Adsorption von Helium nach Homfray ....... . 163
30. Sorption von Wasserstoff auf Holzkohle bei der Temperatur
der fliissigen Luft (Firth) ............. . 165
.31. Adsorption auf Holzkohle bei tiefen Temperaturen . . . 165
32. Aufsaugung von Gasen durch Holzkohle in Abhangigkeit
von der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
33. Beziehung zwischen Anfangs- und Enddruck bei Gas-
absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
34. Aufsaugung von Wasserstoff durch aktivierte Holzkohle
(M. Daly und S. Dushman) . . . . . . . . . . . 167
35. Absorption von Wasserstoff durch Palladiumschwamm
(Valentiner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
36. Adsorption von Gasen auf verschiedenen Adsorbenten. 181
37. In Tantal gelOster Wasserstoff . . . . . . . . . . . 184
38. Dissoziationsdrucke von Kalium- und Natriumhydrid 186
39. Dissoziationsdruck von Kaliumhydrid bei niedrigen Tempe-
raturen ...................... . 186
40. Von Quarz adsorbierter Wasserdampf ........ . 190
41. Einflu13 der Warmebehandlung auf das erreichbare End-
. vakuum· ........ . 197
42. In Fertigglasern gelOste Gase. . . 198
