Techniklexikon

Vakuumpumpen

VakuumtechnikElektronik, Halbleiterphysik, Geräte zum Aufrechterhalten eines Druckgefälles zwischen Normaldruck und einem niedrigeren Arbeitsdruck in einem Vakuumbehälter. Die wichtigsten Typen sind Verdrängerpumpen, Treibmittelpumpen (dabei insbesondere die Diffusionspumpen), Molekularpumpen, Sorptionspumpen, Kondensationspumpen und Kryopumpen. Letztere stellen ein Bindeglied zur Kryotechnik dar.

Die dort mit einem Kryostaten erreichte Effektivität hängt stark von der Kapazität der verwendeten Pumpen ab. Der Gasfluss in einer Röhre ist in den beiden Fällen von viskoser und molekularer oder Knudsen-Strömung gut definiert. Der Gasfluss ist dann viskos, wenn die mittlere freie Weglänge des Gasmoleküls viel kleiner als der Röhrendurchmesser ist. Im anderen Grenzfall ist der Fluss molekular. Unter typischen Pumpbedingungen in einem Tieftemperatur-Experiment liegt man im allgemeinen irgendwo dazwischen.

Im viskosen Fall wird der Durchfluss durch das Hagen-Poiseuillesche Gesetz beschrieben: ; für das Leitvermögen eines molekularen Flusses in langen Röhren gilt dagegen:  (a: Röhrenradius, l: Röhrenlänge, h: theoretische Viskosität des Gases im Harte-Kugel-Limit, p_a: Durchschnittsdruck in der Röhre, p₁ und p₂: die Drücke an den jeweiligen Röhrenenden).

Beim Entwurf von Pumpständen für Kryosysteme geht man zunächst von molekularem Fluss aus.

Die drei Pumptypen, die in der Tieftemperaturphysik am häufigsten zum Einsatz kommen, sind mechanische Pumpen (Rotary und Root) und Diffusionspumpen. Die Pumpgeschwindigkeit S eines Systems ergibt sich zu , wobei Q_m der Massenfluss ist, d.h. sie hängt vom Betriebsdruck P ab. S geht für einen gewissen Grenzdruck, der je nach Typ zwischen 10^-2 und 10^-10 Torr liegt, gegen null. Für Rotationspumpen wird die Geschwindigkeit bezogen auf Atmosphärendruck angegeben, für Root- und Diffusionspumpen wird ihre Maximalleistung angegeben.

Rotationspumpen können ein- oder zweistufig betrieben werden. In ihnen wird eintretendes Gas zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse komprimiert und dann ausgeführt. Eine kleine Menge Pumpenöl dient der Abdichtung. Mit seriellen zweistufigen Aufbauten lassen sich ca. 10^-4 Torr erreichen. Einstufige Maschinen arbeiten zunächst gleichschnell, erreichen aber nur etwa 10^-2 Torr.

Diffusionspumpen fangen die gepumpten Gasmoleküle in einem Öl-Hochgeschwindigkeitsstrahl. Sie bieten eine hohe Pumprate und einen sehr kleinen realisierbaren Druck bei moderaten Kosten. Hier stellt das Öl selber ein nicht zu unterschätzendes Problem dar, das im Experimentaufbau zu Verunreinigungen führen kann. Diffusionspumpen arbeiten zudem erst ab etwa 0,01 Torr.

Der Durchfluss der Rootspumpen ist viel höher und sie arbeiten schon bei wesentlich höheren Drücken, andererseits fängt man sich in ihrem Betrieb Vibrationen ein. Sie sind mechanische Pumpen, die das zu verdünnende Gas in zwei Kammern umwälzen. Um ³He-⁴He-Entmischungskühlung oder Helium-Kühlung zu betreiben, muss man Rotationspumpen mit einer Diffusions- oder Rootpumpe kombinieren.

Turbomolekular-Pumpen arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie ein Ventilator. Man kann sie im allgemeinen bei Atmosphärendruck starten. Am billigsten sind Aktivkohlen-Adsorptionspumpen. Sie arbeiten vibrationsfrei und ihre Pumprate ist bei tieferen Temperaturen relativ hoch.