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Hochvakuum – noch nie gehört, wozu braucht man das? Hier ist ein Einblick in die wichtige Technologie des (hohen) Vakuums, ohne die ein modernes Leben so wie wir es heute kennen nicht möglich wäre.
Was ist (Hoch)Vakuum?
In unserer Atmosphäre herrscht ein Druck von 1013 mbar – wenn in einem System der Druck reduziert wird, sprechen wir von einem Vakuum. Aber auch hier gibt es Unterteilungen in mehrere Druckbereiche. Je geringer der Druck desto „höher“ oder „besser“ wird das Vakuum. So unterscheidet man von Unterdruck (Staubsauber oder Vakuumverpackung), Grobvakuum (alte Glühbirnen), Feinvakuum (Gefriertrocknung) über Hochvakuum (Elektronenröhren, Elektronenmikroskope) bis hin zum Ultrahochvakuum.
Die Erzeugung von Hochvakuum
Erzeugt wird Vakuum mit Pumpen, die eigentlich keine Pumpen sind, sondern nur so bezeichnet werden. Genau genommen handelt es sich um Verdichte. Das heißt, dass diese Pumpen Luftmoleküle, die in die Pumpe gelangen, aus der (Vakuum)kammer befördert. Dadurch wird der Druck in der Kammer immer geringer. Um Hochvakuum zu erzeugen, braucht man ein System, das aus zwei Pumpen besteht: Einer Vorpumpe und einer sogenannten Turbomolekularpumpe (siehe Skizze).
Besonderheiten des Hochvakuums
Ein wichtiger Begriff ist die sogenannte mittlere freie Weglänge. Sie bezeichnet die Strecke, die ein Gasteilchen auf seinem Weg zurücklegen kann, ohne mit anderen Gasteilchen zusammenzustoßen.
Erinnern wir uns – Vakuumpumpen sind Verdichter, sie können nur Moleküle aus der Kammer transportieren, die in die Pumpe gelangen. Wenn Normaldruck herrscht, dann stoßen die Luftmoleküle sehr oft aneinander, weil die mittlere freie Weglänge nur ca. 68nm beträgt. Zum Vergleich: Ein durchschnittliches menschliches Haar ist etwa 1000 Mal so dick. Da die Moleküle sehr häufig aneinanderstoßen, werden auch dünne Leitungen (z. B. 1/2 Zoll=12,7mm) und kleine Anschlüsse schnell und gut durchströmt. So gelangen die Moleküle rasch zur Pumpe.
Je weiter der Druck sinkt, desto weniger Moleküle sind in der Kammer und desto größer wird die mittlere freie Weglänge. Im Hochvakuum beträgt sie dann zwischen 10 Zentimeter und einem Kilometer. Aus diesem Grund stoßen die Moleküle weniger aneinander und um rasch zur Pumpe zu gelangen, müssen die Anschlüsse zu den Ventilen sehr groß sein (siehe Skizze). Deshalb bietet SMC Größen bis 160 mm Nennweite (= Innendurchmesser) an.
Wofür braucht man Hochvakuum?
Produkte, die im Hochvakuum erzeugt werden, finden wir in unserem Alltag fast überall. Wir haben hier einige Beispiele für Sie zusammengefasst:
- Beschichtungen: Ein wichtiges Verfahren, das nur im Hochvakuum funktioniert, ist die physikalische Gasphase-Abscheidung. Es wird bei der Herstellung von Mikrochips, CDs und DVDs angewandt. Hier ist eine extrem saubere Umgebung wichtig, da Partikel ein großes Problem sind.
Weitere Anwendungsbeispiele: Beschichten von Werkzeugen, Folien (Lebensmittelindustrie, Brillen, Autos, Schmuck, …) - Elektronenmikroskop: Statt eines Lichtstrahls verwendet das Elektronenmikroskop einen Elektronenstrahl. Da Elektronen sehr klein sind, würden sie durch Luftmoleküle abgelenkt werden – das Mikroskop braucht also Hochvakuum, um zu funktionieren.
- Dichtheitsprüfungen: Kühlschränke, Luftkühlungen, Wärmepumpen, Bremssystemen, Airbags und vieles mehr. Viele Systeme müssen auf Dichtheit geprüft werden, da undichte Stellen verheerende Folgen für unsere Sicherheit, Gesundheit oder die Umwelt hätten. Diese Dichtheitsprüfungen können nur im Hochvakuum durchgeführt werden, wo nicht einmal die kleinsten Lecks übersehen werden können.
- Analytik: Ein Beispiel aus der Analytik ist das Massenspektrometer. Mit ihm wird die Masse von Atomen oder Molekülen gemessen (Atomgewicht), nachdem sie in die Gasphase überführt und ionisiert werden. Wäre der Druck zu hoch, würden die Ionen mit Luftmolekülen zusammenstoßen und könnten den Detektor nicht erreichen. Außerdem könnten freie Ionen und Elektronen ohne Hochvakuum gar nicht erst erzeugt werden und die Lebensdauer des Gerätes würde drastisch verkürzt werden.
Anwendungsbeispiele: Untersuchung von Substanzen im Körper in der Medizin und Kriminaltechnologie und bei Dopingkontrollen, Analyse von Umweltgiften, Kampfstoffen und Sprengstoffen und vieles mehr.
SMC Hochvakuum-Ventile überzeugen durch ihre hohe Qualität und Lebensdauer. Sie erfüllen hohe Dichtheitsstandards und sind extrem korrosionsbeständig. Hier finden Sie alle Produkte für pneumatische, elektromagnetische und manuelle Antriebe.