Vacuum Technique. Proceedings of a Meeting of the German Society for Vacuum Technique, Heidelberg, September 18–21, 1962

96 Pages·1965·8.741 MB·English

by  G. Güntherschulze (Eds.)

VACUUM
TECHNIQUE
Proceedings of a Meeting of the
German Society for Vacuum Technique
Heidelberg, September 18-21,1962
SYMPOSIUM PUBLICATIONS DIVISION
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Entwicklungsstand und Entwicklungstendenzen
der modernen Vakuumtechnik
Eröffnungsvortrag zum Vakuumkongreß der DGV in Heidelberg am 18.9.1962
H. KLUMB
VERSUCHT man, die heutige Lage der Vakuumtechnik zu träge dem Informationsbedürfnis der damaligen Vakuum­
charakterisieren, so läßt sich folgendes feststellen: physik und -technik, so versammelte heute als ein Aus­
In den Jahren 1930-1945 konnte man noch sagen, daß druck einer neuen Situation z. B. der von der amerika­
die Vakuumtechnik die Maßstäbe des Laboratoriums und nischen vakuumtechnischen Gesellschaft einberufene
ihrer engsten Anwendungsgebiete in der Glühlampen-, internationale Vakuumkongreß des Jahres 1961 in
Röntgen- und Röhrentechnik zu sprengen und in breiter Washington ca. 2000 führende Fachleute aus 20 Ländern.
Front in die Produktionstechnik überzugehen beginnt. In Der Umfang der dort behandelten Problematik ist in den
den Jahren 1945-1960 waren Vakuumphysik und Vakuum­ 200 wissenschaftlich-technischen Originalpublikationen
technik bereits zum technologischen Fundament modern­ konzentriert, die — herausgegeben von Luther E. Preuss —
ster und wichtigster Zweige in der industriellen Produktion beim Pergamon-Verlag in zwei Bänden, die zusammen
wie der technischen Entwicklung und Forschung ge­ 1350 Seiten umfassen, erschienen sind. War früher das
worden. War früher das Interesse von Vakuumphysik und Gebiet der Vakuumtechnik in Lehrbüchern kleinen Um-
Vakuumforschung vorzugsweise auf die laboratoriums­ fangs erschöpfend darstellbar, so verlangt heute allein
mäßige Entwicklung von Evakuierungsverfahren und schon die Darstellung der materialkundlichen und techno­
Vakuummeßverfahren gerichtet, so ist heute der Problem­ logischen Probleme ein dreibändiges Handbuch der Mate
komplex der technischen Anwendung von Vakuumerzeu­ rialkunde der Hochvakuumtechnik, wie es z. B. als Stan­
gungsverfahren und -meßverfahren zurLösung schwieriger dardwerk aus der Feder von W. Espe 1961 beim VEB
technischer und industrieller Produktionsaufgaben von Deutscher Verlag der Wissenschaften in Berlin erschienen
mindestens gleicher, ja zum Teil schon größerer Bedeu­ ist. Dies besagt, daß die Vakuumtechnik ein eigener starker
tung geworden. Zweifellos werden die nächsten Jahre noch Zweig unserer Produktionstechnik und unserer ange­
stärker im Zeichen des Übergangs vakuumtechnischer wandten bzw. technischen Forschung geworden ist, der
Arbeitsverfahren in die technische und industrielle An­ sich in stürmischer Entwicklung befindet; ein neuer Sektor
wendung stehen. Dieser Tatbestand prägt sich bereits unseres technischen Fortschritts, der eine seiner Bedeu­
heute deutlich aus. Waren früher Vakuumphysik und tung und Eigenart angemessene Form seiner Organisation
Vakuumtechnik die Angelegenheit einer relativ begrenzten sucht, der neue Organe und Formen der gegenseitigen
Zahl von Spezialisten, so sind sie bereits heute zu einer Informations- und Publikationsmöglichkeiten sowie ein
Angelegenheit ganzer technischer Belegschaften großer System seiner eigenen Fachgesellschaften und Fachta­
Produktions- und Forschungszweige und ganzer Schichten gungen benötigt, der heute schon eigene Forderungen an
gewerblicher und industrieller Bedarfsgüter geworden, die Fachnachwuchs und Fachausbildung zu stellen und ent­
nicht Vakuumspezialisten im engeren Sinne sind. An die sprechende Aufklärungs- und Ausbildungspflichten zu
Stelle einiger weniger vor allem in Mitteleuropa als der übernehmen hat.
Geburtsstätte der Vakuumtechnik alteingesessener, tradi­ Die Vakuumtechnik entstand aus bescheidenen An­
tionell erfahrener Spezialfirmen für Vakuumgeräte ist fängen. Ihren geistigen Boden bereitete zweifellos das
heute schon ein speziell in Deutschland, den angel­ Wiederaufleben der Lehren und das Wiederaufgreifen der
sächsischen Ländern und Frankreich breiter und wichtiger Anschauungen der antiken Atomisten nach einem Jahr­
Industriezweig geworden, der sich neben der Produktion tausend tiefster Dunkelheit durch die Naturwissenschaftler
von Vakuumgeräten mit der Herstellung vakuumtechnisch des 17. Jahrhunderts, wie Daniel Sennert in Deutschland
wichtiger Spezialwerkstoffe und Halbzeuge und mit der und Francis Bacon in England und ihre Anwendung zur
Lösung verfahrenstechnischer Aufgaben der Vakuum­ Deutung physikalischer und chemischer Vorgänge durch
technik und Hochvakuumtechnik, d. h. mit der Herstel­ die Naturforscher des 18. und 19. Jahrhunderts bis zum
lung vakuumtechnischer Produktionseinheiten beschäftigt. Entstehen der kinetischen Gastheorie eines Maxwell,
Genügten vor dem Kriege einige auf einer Physiker-, Boltzmann, Knudsen und Gaede. Den unmittelbaren
Chemiker- oder Ingenieurtagung gehaltene Vakuumvor­ praktischen Anstoß bildeten die Arbeiten des Magde-
2 H. KLUMB
burger Physikers und Ingenieurs Otto Guericke, der außer gewiesen hatte, demonstrierte 1912 J. Dewardie Vakuum­
einer überzeugenden Demonstration der Existenz des erzeugung durch Gasadsorption an tiefgekühlter Kokos­
atmosphärischen Druckes und der Möglichkeit eines nußkohle und schuf damit die Grundlagen der heutigen
Vakuums, uns die erste Vakuumstiefelpumpe, das erste ab­ Adsorptionspumpentechnik. Im Jahre 1913 schließlich
gekürzte Flüssigkeitsmanometer und die überzeugende gelang es W. Gaede(2), ein Vakuum unter Benutzung der
Demonstration der Tatsache hinterließ, daß mit Hilfe Erscheinung der äußeren Reibung von Gasen mit der sog.
eines Vakuums mechanische Arbeit geleistet werden kann Molekularluftpumpe herzustellen, die von H. Holweck
— ein Gedanke, der zweifellos Newcomen bei der Schaf­ und M. Siegbahn weiterentwickelt zu der von W. Becker(3)
fung der ersten atmosphärischen Dampfmaschine (1706) angegebenen Hochvakuumerzeugung durch leistungs­
entscheidend befruchtete. Er demonstrierte das Vakuum fähige Axialverdichter führte.
■— das früher (Aristoteles) als undenkbar und nicht her­ Im Jahre 1914 gelang es W. Gaede(4), ein Vakuum mit
stellbar galt — als einen realen technischen Begriff, der für Hilfe von Quecksilberdampfströmungen in den sog. Diffu-
uns heute schon, mit kosmischen Maßstäben betrachtet, sionspumpen zu erzeugen und in der mit flüssiger Luft
als der Normalfall angesehen werden kann, während die gekühlten Ausfrierfalle ein Hilfsmittel zur Erzeugung
relativ dünnen Gasatmosphären um kosmische Körper eines dampffreien Hochvakuums mit Hg-Diffusions-
als Sonderfälle betrachtet werden können. — Als Ergeb­ pumpen anzugeben. Damit wurde ein neuer Weg be­
nisse der ersten Entwicklungsphase schufen die Arbeiten schritten, der durch die Arbeiten von Langmuir, Craw­
Guerickes auf dem Fundament der Überlieferungen des ford, Stitzing und Vollmer zu der modernen Quecksilber­
Ktesibios die Kolbenpumpe als technisches Hilfsmittel der dampfpumpe als technisch brauchbarer Lösung führte.
Evakuierung. Die ungefähr gleichzeitigen Arbeiten von In den Jahren 1928-1930 zeigten C. R. Burch(5) in
E. Torricelli führten zum Quecksilbermanometer und zur England, K.CD. Hickman und C. R. Sanford(6) in den
Vakuumerzeugung durch einen Flüssigkeitskolben (Queck­ Vereinigten Staaten, daß ein Vakuum mit Hilfe der
silber), so daß bereits um 1750 an der Florentinischen Dämpfe organischer Flüssigkeiten (Erdöldestillationspro­
Akademie Vakuumpumpen mit Quecksilberkolben in Be­ dukte, Phthalsäureester) herstellbar sei, eine Entwicklung,
nutzung waren, deren Prinzip dann durchToepler,Geißler, die der Verf.(7) unter Hinweis auf die Verwendbarkeit
Sprengel, Kaufmann und schließlich Gaede(1) im 19. und organischer Substanzen in Strahlsaugern, die Erschei­
Anfang des 20. Jahrhunderts in Deutschland weiterent­ nungen der RückdifTusion, die thermische Zersetzung der
wickelt wurde. organischen Treibstoffe und die Notwendigkeit einer Rei­
In der zweiten Entwicklungsphase wiesen die Arbeiten nigung durch Destillation auf die Verwendung von
von Newcomen (1706) bei seiner atmosphärischen Dampf­ Dämpfen fester organischer Substanzen ausdehnte, und
maschine wie später die von Dumas (1825) bei seiner die Hickman und Sanford durch Einführung des Destilla­
Dampfdichtebestimmung darauf hin, daß es möglich ist, tions- oder Fraktionierungsprinzips abschlössen.
die Luft aus einem gegebenen Gefäß durch Verdampfen Als Folgeerscheinung dieser Entwicklung stiegen die
einer festen oder flüssigen Substanz zu verdrängen und verfügbaren Saugleistungen von einigen 10 cm3/sec im
später durch Kondensierung des Dampfes ein Vakuum zu Jahre 1890 auf einige 100 cm3/sec in den Jahren 1900-1915,
erzeugen. Sie beschritten damit einen Weg der Vakuum­ dann auf einige l./sec in den Jahren 1915-1920 und schließ­
erzeugung, der auch heute noch vielfältiger Anwendung lich auf Größenordnungen 10 l./sec in den Jahren 1920
fähig zu sein scheint und in Form der ,/Kondensations­ bis 1930 (in einer Spezialentwicklung Gaede-Keesom max.
pumpe" in Verbindung mit der modernen Tieftemperatur­ 1400 l./sec). Nach Einführung der Öldiffusionspumpe
technik zur Kältepumpe führte. stiegen die Saugleistungen rasch von einigen 10 l./sec in den
Um die Mitte des 19. Jahrhunderts wird die Vakuum­ Jahren 1930-1940 auf die heute möglichen Werte von
herstellung durch Flüssigkeitsstrahlen möglich (Bunsen), 1000 bis 100000 l./sec. Die Werte der erreichbaren Grenz-
ein Weg, der gegen Ende des 19. Jahrhunderts zum Auf­ vakua (ohne Kühlmittel) verbesserten sich von 10~4 Torr
treten der ersten mit Wasserdampf betriebenen Dampf­ in den Jahren 1910-1930 auf 10"5 bis 106 Torr, in den
strahlsauger führte, die die Ausgangsbasis unserer heutigen Jahren 1930-1940 und seit 1940 auf die heute erreichbaren
Hochvakuumpumpen bilden. Werte von 10 7 bis 10~10 Torr. Heute umfassen die Erzeug­
Im Jahre 1884 zeigte Malignani, daß Gasreste in abge­ nisse der deutschen, französischen, englischen, amerika­
schlossenen Räumen durch die elektrisch aktivierten nischen, russischen und japanischen Vakuumindustrie
Dämpfe reaktionsfähiger Substanzen, wie Phosphor, rotierende Vorvakuumpumpen bis zu Saugleistungen von
Arsen, Jod usw. gebunden werden können und schuf da­ vielen hundert m3/h, öldampfbetriebene Strahlsauger (sog.
mit die allgemeinen Voraussetzungen für die späteren Boosterpumpen) mit Saugleistungen bis 104 l./sec, mecha­
Entwicklungen der Getterpumpen und der Ionengetter- nische Rootspumpen — historisch gesehen eine moderne
pumpen. Form der um 1636 beschriebenen Pappenheimschen
Nachdem Anfang des 20. Jahrhunderts Baerwaldt auf Kapselkunst — und neuerdings auch Schraubenver­
das hohe Sorptionsvermögen der Kokosnußkohle hin­ dichter und Molekularluftpumpen mit Saugleistungen
Entwicklungsstand und Entwicklungstendenzen der modernen Vakuumtechnik 3
ähnlicher Größenordnung neben Öldampfhochvakuum- Der derzeitige Stand der Technik auf dem Gebiet der
pumpen mit Saugleistungen von 101 bis 105l./sec. Daneben Vakuumerzeugungsverfahren kann so umrissen werden,
stehen Ionengetterpumpen (z. B. Titanverdampfung oder daß für die heute übersehbaren Anwendungen der Va­
-Zerstäubung) mit Saugleistungen von lOOObis 10000 l./sec kuumtechnik praktisch alle benötigten Saugleistungen und
für Betriebsdauern von einigen 104 h. alle benötigten Grenzvakua zur Verfügung gestellt werden
Nachdem der Verfasser(8) in den Jahren 1943/44 und in können. Bezüglich des in der Praxis auftretenden Bedarfs
den Nachkriegsjahren auf den Mainzer Vakuumtagungen an Saugleistungen und Grenzvakua kann zunächst die alte
1952, 1957 und 1960 sowie vor dem Fachausschuß Faustregel weitgehend als bestätigt gelten, daß man zur
Vakuumtechnik auf die Bedeutung und Verwendbarkeit verfahrenstechnischen Dauerevakuierung von Räumen,
von Kältemaschinen in der Hochvakuumtechnik und auf die an der Pumpe liegen, zweckmäßig die verwendete Saug­
die Notwendigkeit ihrer Verwendung bei der Schaffung leistung pro Sekunde gleich dem Volumen des evakuierten
von Ausfrierfallen und Baffles niedrigen Strömungswider­ Raumes ansetzt, eine Zahl, die beim Vorhandensein von
standes hingewiesen und die technische Ausführung als Gas- und Dampfquellen im evakuierten Raum z. B.
möglich nachgewiesen hatte, schuf das allmähliche Ein­ Trockengut, Schmelztiegel, Verdampfer usw. auf den
dringen kältetechnischer Verfahren in der Vakuumtechnik mehrfachen Betrag ansteigen kann. Nach der Seite des
(Hochvakuumkälte) in Form von Kompressionskälte­ Grenzvakuums ist es zweckmäßig, sich daran zu erinnern,
maschinen, transportabler Erzeuger für flüssige Luft daß über 95 % aller vakuumtechnischen Arbeiten sich im
(Philips) und neuerdings als modernster Entwicklungs­ Druckgebiet von 104 bis 10-6 (höchstens 10_7)Torr durch­
schritt in Form thermoelektrischer Kälteerzeuger eine führen lassen und daß die niedrigeren Drucke des sog.
Möglichkeit zur Verwendung maschinengekühlter Baffles Höchstvakuums bis heute nur in speziellen Fällen von
in größtem Stil. Dies führt eine „Renaissance" der Queck­ Forschungsarbeiten über Oberflächenerscheinungen und
silberdampfpumpe herauf, die dank der Robustheit des bei Versuchs- und Prüfständen der modernen Raumfahrt­
Betriebes mit Quecksilberdampf und des geringen Vor- technik (space simulators) zur Anwendung gelangen, die
vakuumbedarfs von Quecksilberdampf für viele Anwen­ bereits der Simulation von Flughöhen von 105 km einen
dungsfälle von großer Bedeutung sein wird, in denen er­ Druck von 10~4 Torr und bei 1000 km Flughöhe 1010
höhte Anforderungen an die Resistenz einer Pumpe gegen­ Torr erforderlich machen.
über starken Beanspruchungen durch Verunreinigungen Als heute auf dem Gesamtgebiet der Vakuumerzeugung
und hohe Anforderungen an einen zeitlich beliebig ausge­ erkennbare Entwicklungstendenz ist die Tendenz der
dehnten sicheren Betrieb gestellt werden müssen. So Steigerung der Zuverlässigkeit, Robustheit und der Sicher­
stehen heute, dank der Kombinationsmöglichkeiten mit heit im Dauerbetrieb, die Typisierung, Normierung von
maschinengekühlten Baffles mit räumlich gestaffelten Vakuumpumpen und Zubehör zu nennen sowie die Not­
Temperaturbereichen, Quecksilberpumpen mit Sauglei­
wendigkeit zur Schaffung extrem robuster und extrem
stungen von einigen 1000 bis 10000 l./sec zur Verfügung,
billiger Evakuierungsanlagen und -verfahren großer Lei­
wobei mit den angegebenen Kombinationen Grenzvakua
stung für den Einsatz in der Großindustrie (Grobmetal­
unterhalb 10~8 Torr erreichbar sind.
lurgie, Kerntechnik, Landwirtschaft, Nahrungs- und
Die neueste Entwicklung der Kombinationspumpen mit Genußmittelkonservierung).
Heliumverflüssigern (Kryo-Pumpen) ist heute so weit ge­ Betrachtet man die Lage auf dem Gebiet der Vakuum­
diehen, daß Saugleistungen der Größenordnung 106 l./sec technik, so ist sie ähnlich, aber keineswegs so günstig wie
und extrem niedrige Grenzvakua erreicht werden können. auf dem Pumpensektor. Die in der Vakuummeßtechnik
Zusätzlich zu diesen, speziell für die Bedürfnisse der anfallenden Aufgaben lassen sich in vier Gruppen ein­
Hochvakuumtechnik berechneten, Geräten stehen heute teilen:
in der Wasserringpumpe und in der Lamellenstrahl- 1. Die Aufgabe der Gesamtdruckmessung (im Meßbereich
pumpe(9) äußerst robuste und leistungsfähige Anord­ von 101 bis 10"10 bzw. 10"12 Torr).
nungen für die Grobvakuumerzeugung zur Verfügung. 2. Die Messung der Intensität von Molekularströmungen
Besonders charakteristisch scheinen für den derzeitigen und von Saugleistungen.
Stand der Vakuumerzeugungstechnik die Herstellung von 3. Die Bestimmung der mittleren Molekular- und Atom­
kompletten voll- oder teilautomatisierten, ortsfesten oder gewichte vorhandener Gase und Dämpfe (im Druck­
transportablen Pumpaggregaten mittlerer und großer Lei­ gebiet von 10~2 bis 10 10 Torr).
stung, bestehend aus Vor-, Mittel- und Hochvakuum­ 4. Die Bestimmung des Partialdruckes der einzelnen Gas-
pumpen mit angebauten Kälteaggregaten evtl. Luftver- und Dampfkomponenten (Restgasanalyse).
flüssigern, Baffles und Absperrventilen zu sein, die in In Verbindung mit diesen Aufgaben besitzen heute alle
manchen modernen Industriezweigen als austauschbare Verfahren der Lecksuche, Leckwarnung und der Dichtig­
Produktionsaggregate dieselbe Bedeutung gewinnen dürf­ keitsüberwachung mit möglichst einfachen und sicheren
ten, wie sie z. B. in der Metallverarbeitung eine Werkzeug­ und universell anwendbaren Geräten und Verfahren ein
maschine besitzt. besonders großes Interesse.
4 H. KLUMB
Auch hier stehen für die Befriedigung der meisten tech­ hängigkeit seiner Anzeige von der Gasart als ein im ganzen
nischen Bedürfnisse eine größere Anzahl technisch gut Druckbereich von 103bis 10~4 Torr brauchbares Verfahren
durchgearbeiteter Meßverfahren zur Verfügung. Schwie­ erwies.
riger wird die Lage, wo hohe Anforderungen an die Ver­ In den Jahren 1950-1961 wurden Membranmanometer
läßlichkeit der Meßangaben gestellt werden müssen. Dies mit kapazitiver und optischer Anzeige untersucht(19), die
deshalb, weil der für jede saubere physikalische Messung sich insbesondere bei der Verwendung von sorgfältig ent­
geltende Grundsatz, daß das Meßverfahren die zu mes­ spannten und gegen Implosion abgestützten Wellmem­
sende Größe nicht verändern darf, im allgemeinen bisher branen aus Glas für den Druckbereich von 101 bis 10~3,
nur in seltenen Fällen erfüllbar ist und die vorhandenen evtl. 10~4 Torr durchaus bewährt haben.
Meßverfahren durch Sorptions- und Desorptionsvorgänge Gemeinsam mit H. Kollmannsperger(20) und S. Dümm-
ausgeprägte Rückwirkungen auf die zu messenden Drucke ler(21) wurde durch starre Verbindung eines radiometrisch
oder Gaszusammensetzungen aufweisen bzw. in ihren An­ arbeitenden Systems mit einem Reibungssystem ein Ver­
zeigen von der jeweils gegebenen meist unkontrollierbaren fahren zur Bestimmung des mittleren Molekulargewichts
Gaszusammensetzung abhängen. Da hier eine detallierte der Restgase im Druckbereich von 10~2 bis 106 Torr ge­
Schilderung der Lage bei der großen Zahl vorliegender schaffen, das die Bestimmung der Molekulargewichte
Entwicklungen zu umfangreich werden würde, bespreche durch Messung der sog. Kompensationsdrehzahl ermög­
ich als Beispiele für vorhandene Möglichkeiten und Ten­ lichte und ein erhebliches Maß an Zuverlässigkeit, vor
denzen aus meinem eigenen Arbeitsbereich die Resultate allen Dingen eine völlige Freiheit von Sorptions- und De-
einer eingehenden experimentellen Durchmusterung der sorptionserscheinungen erreicht werden konnte. Gemein­
möglichen Meßverfahren sowie einige sich hieraus er­ sam mit H. Baum(22) wurde ein direktzeigendes Gerät zur
gebenden Neuentwicklungen. Messung der Intensität von Molekularströmungen und
So untersuchten wir in den Jahren 1932-1936 im Zu­ von Saugleistungen entwickelt, das in einer ebenfalls
sammenhang mit Untersuchungen über den ersten Nach­ desorptions- und adsorptionsfreien Form Saugleistungen
weis langwelliger Übergänge (Zentimeter- und Dezimeter­ in einem sehr weiten Bereich kontinuierlich zu messen und
gebiet) im angeregten Wasserstoff (10), Untersuchungen zu registrieren gestattet; gleichzeitig wurde dieMöglichkeit
über die Verwendbarkeit von festen und flüssigen Kohlen­ einer Verwendung thermomolekularer Effekte zur Erzie­
wasserstoffen in Diffusionspumpen(7) und Untersuchungen lung von Pumpwirkungen und größeren Druckdifferenzen
an Geigerzählern(11) die Wärmeleitungsmanometer für den (radiometrischer Drucktransformator) untersucht(23).
Druckbereich von 10° bis 10~4 Torr in ihren Formen als Auf dem Gebiet der ionisationsmanometrischen Meß­
Widerstandsmanometer(12) und thermoelektrischen Mano- geräte wurde gemeinsam mit H. Bentlage(24) und M. Rink
metern(13); Untersuchungen, die gemeinsam mit Haase das Magnetronmanometer noch einmal sorgfältig unter­
und Odenwald zu den recht robusten, bisher gasartab- sucht und auf Möglichkeiten einer Erweiterung des Meß­
hängigen, kompensierten Bimetallmanometern(14) führten. bereiches weiterentwickelt. In den letzten Jahren ergaben
Zugleich ergaben in jenen Jahren Untersuchungen am Untersuchungen von S. Dümmler(25), H. Ihm(26), M. Bük-
lonisationsmanometer die Möglichkeit zur Erweiterung ken(27), M. Durm und J. Ahrens interessante Ergebnisse
des Meßbereiches von Ionisationsmanometern durch Ver­ über die Verwendung von Laufzeitmassenspektrometern,
wendung eines kathodenparallelen Magnetfeldes und zur Omegatrons und Massenspektrometern der Dempster-
Schaffung des Magnetronmanometers(15), das in meinen schen Bauart für die Zwecke der Restgasuntersuchungen.
Vorträgen und Tagungen der Nachkriegszeit mehrfach Gleichzeitig lieferte die Untersuchung von Lavaldüsen und
beschrieben wurde. — In den Kriegsjahren wurde ein von ihrer Brauchbarkeit im Hochvakuum(28), die mit A. Köh­
mir angegebenes rotationssymmetrisches sorptions- und ler^) gemeinsam entwickelte Ringdüsenpumpe, bei der
desorptionsfreies von der Gasart weitgehend unabhängig eine ringförmige Expansionsdüse mit großem Ringdurch­
zeigendes Radiometer mit linear, d. h. extrapolierbarer messer bzw. eine größere Anzahl linear oder kreisförmig
Skala für den Druckbereich von 10~2 bis 10~8 Torr ent­ angeordneter Lavaldüsen, die zwischen gekühlten Wänden
wickelt und untersucht(16), das in der Nachkriegszeit in angeordnet sind, den Typ einer Ringstrahlpumpe liefert,
Zusammenarbeit mit E. Weißmann(17) in technischer Hin­ die sich im Betrieb mit Quecksilber und Kohlenwasser­
sicht weiter entwickelt wurde und heute zu einem der stoffen brauchbar erwies, und die Möglichkeit eines be­
wenigen, zwar noch nicht für den rauhen Betrieb, wohl liebigen Überganges zu extrem großen Pumpen- und Saug­
aber für Prüfstand und Laboratorium als Eichgerät geeig­ rohrdurchmessern sowie zu extrem kleinen Absaugwider­
neten, physikalisch einwandfreien Manometer geführt-hat. ständen bietet.
In den Jahren 1943-1944 entwickelte ich ausgehend von Betrachtet man die heute interessanten Anwendungs­
Studien an Schwingungsmanometern das von mir als gebiete all dieser vakuumtechnischen Verfahren, so lassen
Resonanzmeter bezeichnete Reibungsmanometer, das — sich folgende Anwendungsschwerpunkte angeben:
in den Jahren 1949-1953 gemeinsam mit O. Heiling- 1. Das gesamte Gebiet der Vakuumröhren- und Leucht­
brunner(18) verbessert — sich trotz des Mangels der Ab­ röhrenfertigung, wo komplette Produktionseinheiten in
Entwicklungsstand und Entwicklungstendenzen der modernen Vakuumtechnik 5
Karussellform bzw. in linearer Bauweise teilautomati­ Diese Zusammenstellung ergibt nur die im Augenblick
siert oder vollautomatisiert, von immer größerem übersehbaren Grenzen des Anwendungsgebietes der Hoch­
Interesse werden. vakuumtechnik, die sich täglich erweitern. Im ganzen ist
2. Das Gebiet der technischen Großelektronik, d. h. die damit die Hochvakuumtechnik ein Produktionssektor ge­
vakuumtechnische Versorgung von Linear- und Zirku­ worden, dessen ganzer Anwendungsbereich stürmisch und
larbeschleunigern (Zyklotron) von Großgeräten zur unaufhaltsam wächst und bereits eine solche Breite und
Untersuchung von Kernfusionsprozessen, von elektro­ Bedeutung gewonnen hat, daß alle Anstrengungen ge­
magnetischen Isotopentrennanlagen sowie von Groß­ macht werden sollten, die Kreise der Industrie, der tech­
gleichrichtern und Wechselrichtern der elektrotech­ nischen Intelligenz und des Nachwuchses stärker als bisher
nischen Industrie. über die Ergebnisse dieses neuen Gebietes zu informieren
3. Die Metallurgie und Metallverarbeitung im Hoch­ und zu versuchen, sie auf diesem interessanten Sektor der
vakuum beim Bau von Vakuumschmelzöfen und angewandten Physik zu neuen Anwendungen zu ermutigen.
Vakuumgießanlagen für Betrieb mit Niederfre­
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Schwebschmelzen und Zonenschmelzen, Anlagen für 1. W. GAEDE, Physik Z., 6 (1905), 758.
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7. Vakuumimprägnierung von Papier, Textilien, Holz, die 17. H. KLUMB und E. WEISSMANN, Glas u. Hoclwak. Techn., 2 (1953),
Imprägnierung poröser Körper, z. B. Wolfram und 266.
Graphit mit flüssigen Metallen, z. B. Kupfer-Silber E. WEISSMANN, Glas u. Hochvak. Techn., 3 (1955), 152.
18. H. KLUMB und O. HEILINGBRUNNER, Glas u. Hochvak. Techn.,
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8. Die Vergütung von Oberflächen von Metallen, Gläsern, R. BLANK, Dipl. Arbeit, Mainz (1951).
keramischen Stoffen, Kunststoffen, Papieren und Textil­ 19. H.SEIDS, Dipl. Arbeit, Mainz (1950).
20. H. KOLLMANNSPERGER, Z. angew. Phys., 5 (1953), 416.
geweben durch Aufdampfen und Aufstäuben von
21. H. KLUMB und S.DÜMMLER, Vak. Techn., 6 (1957), 1.
Metallen und anderen Substanzen im Hochvakuum,
22. H. KLUMB und H. BAUM, Vak. Techn., 6 (1957), 29.
die Vergütung von Optiken und von Kunststoffen mit 23. H.BAUM, Vak. Techn., 6 (1957), 154.
reflektierenden, antireflektierenden und schützenden 24. H. BENTLAGE, Dipl. Arbeit, Mainz (1961).
Aufdampfschichten, das Aufdampfen von leitenden H. KLUMB, Ber. Vakuumtech. Arbeitstagung, Mainz (1952, 1957,
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H. KLUMB, Vak. Techn., 1 (1958), 1.
Photozellen und Schaltschemata, Herstellung von Auf­ 25. S.DÜMMLER, Vak. Techn., 10 (1961), 131, 184.
dampfwiderständen und Kondensatoren sowie von 26. H. KLUMB und H. IHM, Vak. Techn., 10 (1961), 231.
Aufdampfschaltungen in der Miniatur- und Mikro- 27. M. BÜCKEN, Dipl. Arbeit, Mainz (1960).
28. H. KLUMB, Z. Techn. Phys., 17 (1936), 201.
miniaturtechnik sowie die Abscheidung von Reinst­
E. ROBENS und O. SCHULZ, Dipl. Arbeit, Mainz (1953).
metallen im Hochvakuum.
29. A. KÖHLER, Dipl. Arbeit, Mainz (1958).
Möglichkeiten zum Aufbau von vakuumtechnischen Apparaturen
aus Bauelementen
V. WINKLER
Zur Zeit werden für die Vakuumphysik nur Bauelemente für den Aufbau der Vakuumpumpen sowie der
Vakuumleitungen industriemäßig hergestellt. Es wird jedoch festgestellt, daß auch die eigentlichen
vakuumphysikalischen Geräte zum großen Teil aus Standard (vorfabrizierten) Bauelementen zusammen
gestellt werden könnten. Dazu würde die Schaffung von Standard-Bauelementen für die verschieden
artigen Vakuumkammern, von Bauelementen zum Einbau und zur Befestigung der inneren Teile der
physikalischen Geräte (die sogen. Systeme) sowie von Bauelementen zum elektrischen Anschluß der
eingebauten Innenteile an Spannungsquellen und Meßgeräte notwendig sein. Eine in diesem Sinne ent
wickelte Ausrüstung^ wird besprochen.
IN Laboratorien wird oft die Aufgabe gestellt, mit Vakuum sammengestellt werden könnten, vielmehr für jede neue
arbeitende Untersuchungs- oder sonstige Arbeitsgeräte zu Apparatur individuell entwickelt und gebaut werden
entwerfen und zu bauen. Es handelt sich hierbei vor allem müssen.
um Apparaturen, die nicht im Handel zu erhalten sind, um Die Vakuumkammer dagegen ist nur von der Be­
Apparaturen, die Neuentwicklungen darstellen, die zu schaffenheit, Ausführung und Anordnung der Systeme
Voruntersuchungen oder zur Abgrenzung eines For­ bedingt, so daß ihr Aufbau aus Bauelementen auf alle
schungsproblems dienen sollen u. a. m. Alle diese er­ Fälle leicht denkbar ist.
wähnten Geräte müssen meist in möglichst kurzer Zeit Das Problem zum Aufbau von Apparaturen aus Bau­
und mit möglichst wenigen Mitteln aufgebaut werden. elementen ist jedoch dadurch nicht gelöst, indem man
Darum stellt sich die Frage, inwieweit sie aus Bauele­ verschiedenartige Bauelemente für Systeme und Vakuum­
menten, d. h. aus vorfabrizierten, lagermäßigen Teilen kammer schafft und versucht, daraus die Apparaturen
zusammengesetzt werden könnten. zusammenzustellen. Es treten hierbei eine große Anzahl
Bei der Untersuchung der Möglichkeit zum Aufbau der von Schwierigkeiten auf, die erst bei einer eingehenden
oben erwähnten Geräte aus Bauelementen kann davon Betrachtung der Problemstellung ermittelt werden können.
ausgegangen werden, daß alle diese Geräte, unabhängig Zur näheren Untersuchung der Probleme, die beim
von ihrer Größe und ihrem Verwendungszweck, aus Zusammenbau der Apparaturen aus Bauelementen sich
folgenden drei Hauptteilen bestehen: stellen, soll eine Ausrüstung herangezogen werden, die
1. Den eigentlichen Geräteteilen oder den spezifischen zwecks Aufbaus von physikalischen Vorführungs- und
Teilen im weiteren in Analogie zum Elektronenröhrenbau Praktikumsgeräten aus Bauelementen für Ingenierschulen
als Systeme bezeichnet. (Zum Beispiel bei einem 60° und Universitäten entwickelt wurde+.
Massenspektrometer würden die spezifischen Teile oder
Der Ausrüstung, die eine große Anzahl von Vakuum­
die Systeme: die Ionenquelle, die Ablenksysteme und Auf­
kammer- und Systembauelementen enthält, liegen fol­
fänger sein.)
gende Gedanken zu Grunde^:
2. Der Vakuumkammer, dem Rezipienten, in dem die
Systeme untergebracht sind und
3. sonstigem Zubehör, wie Vakuumpumpen mit Zulei­ 1. Vakuumkammerbauelemente und der Aufbau der
tungen, Spannungsquellen, Meßgeräten u. a. m. Vakuumkammer
Der letzte Hauptteil steht in unserem Falle nicht zur
Die Vakuumkammer der aufzubauenden Geräte wird
Diskussion, da er ja sowieso zum größten Teil aus handels­
aus Vakuumbauelementen zusammengesetzt, zu welchem
mäßigen, vorfabrizierten Teilen zusammengesetzt wird.
Zweck eine große Anzahl verschiedenartiger Bauelemente
Wir müssen uns also nur den ersten beiden Hauptgruppen
aus Metall, Glas und Keramik, wie auf Abb. 1 zu sehen
zuwenden.
ist, entwickelt wurde.
Die Beschaffenheit der Systeme, d. h. der spezifischen
Die Vakuumkammerbauelemente besitzen jeweils zwei
Geräteteile, ist unmittelbar von dem Verwendungszweck
Anschlußflanschen und eventuell ein oder mehrere Seiten-
und der Aufgabe der jeweiligen Apparaturen abhängig,
so daß sie nur zum Teil aus lagermäßigen Elementen zu- + Fa. Dr. Winkler & Co. KG, Bochum-Dahlhausen.
Φ Siehe z. B. Patent U.S.A. 3.039.203; Gr. Brit. 889.491; France
t Siehe z. B. U.S.A. Patent 3.039.203. 1.263.500.
Möglichkeiten zum Aufbau von vakuumtechnischen Apparaturen 7
flanschen. Sie können beliebig miteinander kombiniert einteilig und so ausgeführt, daß die Angriffssegmente auf
werden, um eine gewünschte Vakuumkammer aufzubauen. einer Seite rechtsgewindeartig auf der anderen Seite links­
Für die besonderen Anforderungen der Ausrüstung gewindeartig verlaufen. Durch Verdrehung des Verschluß­
wurde auch ein neuartiger Verschluß entwickelt, der sich ringes werden die dazwischenliegenden Flanschen zu­
sammengezogen; 2 stellt einen Druckverschluß dar, de­
vorwiegend für Metallfolienabdichtungen bzw. für dauerr
hafte Verbindungen Verwendung findet. Der Ring besteht
aus zwei Innenringen mit gerade verlaufenden Segmenten
und einem Außenring, der durch Verdrehen die beiden
Innenringe zusammen- oder auseinanderzieht; 3 ist ein
Justierverschluß aus zwei Teilen mit gerade verlaufenden
Segmenten. Die zwei Teile können durch drei Schrauben
verschiedenartig angezogen werden, so daß der Verschluß
eine Winkelverstellung der Vakuumkammerbauelemente
ermöglicht; (4ist ein Schnellverschlußring für NW 20 mm,
5 ein Druckverschlußring für NW 20 mm und 6 ein
Justierverschlußring NW 20 mm an zwei Vakuumkammer­
bauelementen).
Neben den beschriebenen Vakuumkammerbauele­
menten wurden auch eine große Anzahl von besonderen
ABB. 1. Vakuumkammerbauelemente. Bauelementen, die vor allem dazu dienen sollen, die
Vakuumkammer bzw. die in ihr eingebauten Systeme
durch eine schnelle, leichte und sichere Bedienung aus­
nachträglich justieren zu können. Abb. 3 zeigt einige
zeichnet; die zu verbindenden Flanschen werden durch
Verdrehen eines Verschlußringes zusammengezogen, wo­
bei die Flanschen immer nur in drei Punkten zusammen­
gedrückt werden. Die Bedienung des Verschlußringes kann
mit einer Hand erfolgen. Um den Verschlußring über die
Flanschen bringen zu können und um einen Dreipunkten-
druck zu ermöglichen, sind sowohl die Flanschen als auch
die Verschlußringe mit je drei Segmenten bzw. Aus­
sparungen versehen, wie auf den nachfolgenden Bildern
zu ersehen ist.
Zu diesem Verschluß wurden drei verschiedene Arten
von Verschlußringen entwickelt, die in Abb. 2 zu sehen
sind: 1 stellt einen Schnellverschlußring für Flanschen
NW 40 mm dar, der vorwiegend bei Abdichtungen mit
Gummiringen Verwendung findet. Der Verschlußring ist
ABB. 3. Bauelemente zu Justierzwecken.
solcher Bauelemente: 1 ist ein Bauelement zur Winkelver­
stellung um die Mittelachse (Federkörper mit zwei exzen­
trischen Scheiben); 3 ist ein Bauelement zur Parallelver­
schiebung senkrecht zur Mittelachse; 2 ist eine Kombina­
tion zwischen 1 und 3; 4 ist ein Federkörper zur Winkel­
verstellung und zur Änderung des Abstands zwischen
seinen zwei Anschlußflanschen.
2. Bauelemente für Systeme und ihre Unterbringung
und Befestigung in der Vakuumkammer
(a) Einbausysteme. Ein Teil der zur Ausrüstung ent­
wickelten Systeme sind als sog. Einbausysteme ausge­
ABB. 2. Verschlußringe für segmentierte Anschlußflanschen. bildet, d. h. sie werden in die Vakuumkammer hinein-
8 V. WINKLER
gebaut. Zu diesem Zwecke sind oder werden sie auf sog. und Elektronenbeugungsgeräte; 5 und 6 Anbau-Elektro-
Tragscheiben aufgebaut und dann mit dieser zusammen magnetische-Linsen.
zwischen zwei beliebigen Vakuumkammerbauelementen
eingebaut. Die Tragscheiben dienen gleichzeitig auch zur
Halterung der Dichtungselemente (Rundschnurring oder
Metallfolie), zum Zentrieren der Vakuumkammerbau­
elemente sowie dazu, ihre gegenseitige Verdrehung bei
Bedienung der Verschlußringe zu verhindern.
Beispiele für Einbausysteme wie: Glühfäden aller Art,
Öfen, Blenden, Ablenkplatten usw. werden in den folgen­
den Bildern gezeigt. Auf Abb. 4 sind verschiedene Arten
ABB. 5. Anbausysteme.
3. Bauelemente zum elektrischen Anschluß der in der
Vakuumkammer eingebauten Systeme an Spannungs­
quellen oder Meßgeräte
Der elektrische Anschluß eines eingebauten Systems
wird mit Hilfe einer inneren Steckdose (oder einzelnen
Hülsen), einer äußeren Steckdose und einem Deckel mit
isolierten Durchführungen (Doppelseitiger Stecker) wie
folgt durchgeführt: Die innere Steckdose, an die die Lei­
ABB. 4. Zentrierring und Tragscheiben.
tungen des Systems angeschlossen sind, wird durch eine
Seitenflansche der Vakuumkammer gesteckt und mit einer
von Tragscheiben zu sehen: 1 ist ein Zentrierring üblicher äußeren Steckdose, die zu den Spannungsquellen oder
Art mit Gummidichtungsring; 2 Tragscheibe mit kreuz­ Meßgeräten führt, über einen Deckel mit isolierten Durch­
förmiger Aussparung und vier Befestigungslöchern; 3 ist führungsstiften elektrisch verbunden. Der Deckel mit den
eine Tragscheibe zur Befestigung von röhrenförmigen Durchführungen dient gleichzeitig zum Vakuumabdichten
Systemen bzw. zur Verstellung des Systems in der Rich­ der Seitenflansche.
tung der Längsachse der Vakuumkammer; 4 und 5 sind Die nachfolgenden Skizzen zeigen Beispiele von Auf­
Tragscheiben als Blenden ausgebildet; 6 sind justierbare bauten von Vakuumkammern, Ein- und Anbauten von
Tragscheiben zur Winkeljustierung der aufgebauten Systemen sowie deren elektrischen Anschluß,
Systeme (dreiteilig). Abbildung 6 zeigt den Auf bau einer Dreielektrodenröhre
(b) Anbausysteme. Ein anderer Teil der Systeme ist so aus Bauelementen. Das Triodensystem ist als Einbau­
ausgeführt, daß sie selbst einen Teil der Vakuumkammer system ausgebildet und auf eine Tragscheibe mit kreuz­
bilden sollen. Zu diesem Zweck sind sie mit den gleichen förmigen Aussparungen montiert. 1-4 sind Bauelemente
segmentierenden Flanschen wie die Vakuumkammerbau­ zum Aufbau der Vakumkammer (1-VK-Bauelement aus
elemente versehen, so daß sie an ein beliebiges Vakuum­ Metall und Glas; 2 Zentrierringe und Tragscheiben;
kammerbauelement angebaut bzw. zwischen zwei benach­ 3 Schnellverschlußringe; 4 Rundschurringe aus Gummi);
barten Vakuumkammerbauelementen zwischengebaut 5-10 sind Systembauelemente, zusammengebaut auf der
werden können. Tragscheibe 2c. Die Heizkathode 7 ist auswechselbar (5b
Abbildung 5 zeigt einige Beispiele von Anbausystemen. ist ein Ersatzheizfaden mit Schutzhülle); 11-13 sind die
1 ist eine Ionenquelle nach C. Hailer bestehend aus Bauelemente zum elektrischen Anschluß der Systeme
Kathode mit Dosierventilen für Gas und Vakuum, Anode 11) innere Steckdose; 12 Deckel mit Durchführungen;
und Glaszwischenstück; 2 justierbare Glühkathode für 13 äußere Steckdose).
Hochspannungsbetrieb; 3 unter Vakuum justierbare Abbildung 7 zeigt den Aufbau von Gleichrichterröhren
Tragscheibe (Anbautragscheibe. Auf dem Bild als doppelte für einen Hochspannungskaskadengenerator (z. B. nach
Blende ausgebaut); 4 Mehrfach-Präparate-Halter (Re­ Cockroft und Walton). Die Gleichrichterröhren sind über­
volversystem), für Demonstrations-Elektronenmikroskop einander gebaut und werden durch eine einzige Vakuum-