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Verfahren zum Betrieb von Ultrahochvakuum-Pumpanlagen
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densierbarer Substanzen, die auf irgendeine Weise, z. B. anlässlich des Öffnens des Rezipienten in diesen hinein gelangen und während der Evakuierung durch die angeschlossenen Pumpen hindurchgepumpt werden müssen, sich an den Wänden der verschiedensten Pumpenteile niederschlagen. Diese Niederschläge, z. B.
Wasserschichten, werden dann, sobald man sich im Verlauf der Evakuierung dem Ultrahochvakuum nähert, von den Wänden desorbiert. Theoretisch sollte man erwarten, dass bei genügend langem Pumpen diese störenden, Dämpfe abgebenden Adsorptionsschichten allmählich abgebaut werden und man nach deren Beseitigung beliebig weit, d. h. bis zu Vakuas, bei denen sich schliesslich die Permeabilität der Rezipientenwände für Gase wie Helium bemerkbar macht-in den Ultrahochvakuumbereich vorstossen kann. Im Laboratorium ist es tatsächlich gelungen, durch sehr sorgfältig durchgeführte langwierig Aufheizmethoden diesem Ziel nahezukommen, wenn der Aufbau der Pumpen und des Rezipienten hohe Temperaturen anzuwenden gestattet.
Während jedoch im Laboratorium beim Aufbau einer Vakuumapparatur auf eine so weitgehende Ausheizbarkeit aller Teile Rücksicht genommen werden kann, ist dies bei technischen Anlagen oft nicht möglich.
Die Überwindung bzw. erfolgreiche Umgehung aller dieser Schwierigkeiten hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt. Sie löst diese Aufgabe durch ein besonderes Betriebsverfahren für UltrahochvakuumPumpanlagen und ist anwendbar, wenn eine solche Anlage wenigstens zwei an den zu evakuierenden Rezipienten direkt anschliessbare und durch Ventile von ihm absperrbare Hochvakuumpumpstufen aufweist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb solcher Ultrahochvakuum-Pumpanlagen, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil dieser Hochvakuum-Pumpstufen nur zur Erzeugung eines Ausgangshochvakuums im Rezipienten an diesen angeschlossen und nach Herstellung des Ausgangshochvakuums wieder von ihm abgetrennt wird, wonach der andere Teil dieser Hochvakuum-Pumpstufen zur Erzeugung des eigentlichen Ultrahochvakuums an den Rezipienten angeschlossen wird.
Inwiefern ein solches Betriebsverfahren ganz besondere Vorteile bietet und die Nachteile der bekannten Evakuierungsverfahren zur Herstellung von Ultrahochvakuum überwunden werden, wird aus den untenstehenden Ausführungen ersichtlich. Zuvor sei aber das Verfahren an Hand einer schematischen Zeichnung noch näher erläutert.
In dem dargestellten Blockschema bedeutet 1 den zu evakuierenden Rezipienten, an den über entsprechende Leitungen wenigstens zwei Hochvakuum-Pumpstufen angeschlossen werden können. Die eine besteht aus der Hochvakuumpumpe 4 mit zwischen Rezipient und Pumpe eingeschalteter Falle 3 zur Verhinderung der Rückströmung von irgendwelchenDämpfen aus der Pumpe in den Rezipienten, diese Dämpfe
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Rezipient vorgesehen, welches geeignet ist, Pumpe und Rezipient gegeneinander abzusperren.
Die andere Hochvakuum-Pumpstufe besieht ebenfalls aus einer Hochvakuumpumpe 7, einer Falle 6 und einem Ventil 5. Die strichlierte Linie 8 deutet an, welche der aufgezählten Einzelteile bei der Evakuierung vorteilhafterweise einer Ausheizung unterworfen werden. Diese Geräte, also der Rezipient 1, die Ventile 2 und 5 und die Falle 3 sollen daher so gebaut sein, dass sie Temperaturen von etwa 4500 ohne - Schaden längere Zeit ertragen können.
Den beiden Hochvakuumpumpen 4 und 7 müssen im praktischen Falle gewöhnlich Vorvakuumpumpen in an sich bekannter Weise zugeordnet werden. Für die schematische Darstellung einer Anlage für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung genügt es, lediglich festzustellen, dass die Pumpen 4 und 7 imstande sein müssen, ein Hochvakuum zu erzeugen, gleich, ob sie hiefür der Hilfe einer Vorvakuumpumpe bedürfen oder nicht.
Die angeführten Geräte müssen im übrigen nach den bekannten Regeln der UHV-Technik gebaut sein.
Es werden also z. B. an denFlanschverbindungenMetalldichtungen an Stelle der sonst üblichen Kunststoffdichtungen verwendet. Weiter erfordern aufheizbar UHV-Ventile eine besondere Konstruktion ; da solche Ventile für sich nicht den Gegenstand der Erfindung bilden, darf diesbezüglich auf die einschlägige Literatur verwiesen werden. Das gleiche gilt für die Ausgestaltung der Fallen, der Verbindungsleitungen, die Auswahl der Baustoffe für den Rezipienten usw. Ebenso ist es notwendig, dass die verwendeten Pumpen gute Hochvakuumpumpen sind, seien es Diffusionspumpen, Molekularpumpen oder Ionen-Getterpumpen.
Die Erfindung geht davon aus, dass UHV-Pumpanlagen gemäss dem gezeichneten Schema bekannt sind bzw. dass solche Anlagen mit den heute verfügbaren Bauelementen der UHV-Technik leicht zusammengestellt werden können.
Bei solchen Pumpanlagen mit zwei oder mehreren parallel an den Rezipienten direkt anschliessbaren Hochvakuumpumpen wurden diese Pumpen bisher auch stets. in paralleler Arbeitsweise gleichzeitig betrieben. Man ging von der Vorstellung aus, dass. die durch die Parallelschaltung vervielfachte Saugleistung
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nicht nur gestattete, schneller das erreichbare Endvakuum zu erzielen, sondern dass darüber hinaus dieses Endvakuum dank der erhöhten Saugleistung auch wesentlich besser wäre, weil das dynamische Gleichgewicht zwischen den von den Rezipientenwänden und den sonstigen Bauteilen pro Zeiteinheit desorbierten Gas- bzw. Dampfmengen einerseits und den pro Zeiteinheit abgeförderten Gas- und Dampfmengen ander-
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voll durch die Erfahrung bestätigt und sie muss auch für das Ultrahochvakuum gelten.
Dennoch hat sich herausgestellt, dass es-wie die Erfindung vorsieht-günstiger ist, nicht die ge- samte, an einer Pumpanlage verfügbare Hochvakuumsaugkapazität entsprechend den vorbekannten Betriebs- verfahren einzusetzen, sondern deren Einsatz so zu verteilen, dass nur ein Teil der vorhandenen Hochva- kuum-Pumpstufen mit grösseren Gas-oder Dampfmengen-gemessen an den sehr geringen Gas- und Dampf- mengen, die im UHV-Bereich noch anfallen-in Berührung kommt.
Damit wird erreicht, dass nur dieser
Teil der Pumpstufen mit den Dämpfen und Gasen verunreinigt bzw. beladen wird, während der andere
Teil der Pumpstufen, der nur eingesetzt wird, um, bereits von einem Hochvakuum ausgehend, die sehr geringen Gasmengen, die bei der Überführung eines Hochvakuums in ein Ultrahochvakuum noch abge- fördert werden müssen, abzupumpen, eine nennenswerte Gasbeladung kaum mehr erleidet. Man muss zu diesem Zwecke nur dafür sorgen, dass diese der eigentlichen UHV-Evakuierung dienden Pumpstände für längere Zeit nicht Gasen oder Dämpfen höheren Druckes ausgesetzt werden, man muss also, wenn man den Rezipienten öffnen will, diese eigentlichen UHV-Pumpstufen durch Ventile (gegebenenfalls auch nach der Vorvakuumseite hin) absperren.
Zweckmässig lässt man in solchem Falle die abgesperrten Pumpstufen weiterlaufen, so dass sie bei der Wiederevakuierung nach Herstellung des Ausgangshochvakuums sofort wieder zur Verfügung stehen.
In der gezeichneten schematischen Darstellung einer Pumpanlage mit bloss zwei Hochvakuum-Pump- stufen soll also z. B. nur die Pumpe 4 als die eigentliche UHV-Stufe verwendet werden. Dafür eignen sich besonders einstufige Öldiffusionspumpen, die mit niedrigerer als der für die verwendete Pumpentype nor- malen Heizleistung betrieben werden, ebenso Molekularluftpumpen und Ionen-Getterpumpen. Bei der
Evakuierung wird dann folgendermassen verfahren :
Zunächst bleibt die UHV-Stufe vom Rezipienten abgesperrt, das Ventil 2 also geschlossen. Der Rezipient 1 wird allein über das geöffnete Ventil 5 und die Falle 6 durch die Pumpe 7 bis auf etwa 10-5 Torr evakuiert. Bevor die Hochvakuumpumpe 7 in Aktion treten kann, ist es natürlich notwendig, mittels einer Vorvakuumpumpe im Rezipienten ein hinreichendes Vorvakuum zu erzeugen.
Die Vorvakuumpumpe kann in bekannter Weise der Pumpe 7 vorgeschaltet sein und die Vorevakuierung durch diese hindurch oder unter Verwendung einer Umwegleitung erfolgen.
Alsdann werden-immer noch unter Absperrung der Pumpe 4 vom Rezipienten - die von der strichlierten Linie 8 umrahmten Teile der Pumpanlage, z. B. durch in die Wandungen der Geräte eingebaute Heizvorrichtungen, einer allmählichen Erhitzung unterworfen, wodurch die okkludierten oder an den Wänden des Rezipienten adsorbierten Gase weitgehend ausgetrieben werden können. Hat man unter ständigem Pumpen mittels der Hochvakuumpumpe 7 somit ein Vakuum von etwa 10-6 Torr erreicht, wird die Pumpe 7 durch Ventil 5 vom Rezipienten abgesperrt und die Pumpe 4 durch Öffnen des Ventils 2 angeschlossen. Die Heizung des Rezipienten wird abgestellt und eine eventuell vorhandene künstliche Kühlung desselben in Betrieb genommen, während nun die Pumpe 4 die Evakuierung fortsetzt.
Insbesondere wird die Falle 3 während der weiteren Evakuierung zweckmässigerweise gekühlt.
Man beobachtet dabei einen raschen Abfall des Druckes im Rezipienten, welcher zum Teil dem Umstand zuzuschreiben ist, dass sich das Adsorptionsgleichgewicht bei Kühlung der Wände nach der Seite niedrigerer Drucke verschiebt. Dieser letztere Vorgang kann erst in Verbindung mit der Erfindung voll ausgenutzt werden, weil das erfindungsgemässe Vorgehen sichert, dass nach der Aufheizung des Rezipienten mit diesem nur mehr solche Pumpstufen in Verbindung kommen, die ihrerseits zusammen mit der vorgeschalteten Falle keine nennenswerten Gasmengen nach der Hochvakuumseite mehr abzugeben vermögen.
Das Verfahren, das hier an Hand einer Pumpanlage mit nur zwei Hochvakuum-Pumpstufen beschrieben wurde, ist, wie aus obigen Ausführungen hervorgeht, natürlich ebenso auf Pumpanlagen mit vielen Hochvakuum-Pumpstufen anwendbar. Es mögen hier etwa die verschiedenen Vorrichtungen zur Beschleunigung atomarer Teilchen erwähnt werden, die ein umso besseres Vakuum benötigen, je länger die Bahn ist, die die Teilchen durchlaufen müssen, weil die Wahrscheinlichkeit eines störenden Zusammenstosses mit Restgasmolekülen mit der Länge der Bahn wächst. Zum Beispiel durchlaufen die Protonen in der Vakuumringkammer eines kürzlich gebauten Protonensynchrotrons eine Strecke von über 300 000 km, bevor sie aus der Ringbahn ausgelenkt werden.
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