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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kondensation
und/oder Adsorption von Gasen, ein Verfahren zur Herstellung einer
solchen Vorrichtung sowie eine Kryopumpe, die eine derartige Vorrichtung
umfasst.
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Es
ist seit langem bekannt, dass Gase und Dämpfe an gekühlten
Flächen gebunden werden. Während dieser Effekt
praktisch seit seiner Entdeckung zur Vakuumverbesserung genutzt
wurde (Kühlfallen, Baffles), hat die Vakuumerzeugung mit Hilfe
tiefgekühlter Flächen, also mit Kyropumpen, erst
seit 1957 zunehmendes Interesse gefunden (K. Jousten: „Wutz
Handbuch Vakuumtechnik, Theorie und Praxis", Vieweg Verlag
2004).
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Nach DIN
28400, Teil 2 ist „eine Kryopumpe eine gasbindende
Vakuumpumpe, in der die Gase an tiefgekühlten Flächen
kondensieren und/oder an tiefgekühlten Sorptionsmitteln
(Festkörper oder Kondensat) adsorbieren. Das Kondensat
und/oder Adsorbat wird auf einer Temperatur gehalten, bei der der Gleichgewichtsdampfdruck
gleich oder geringer ist als der gewünschte niedrige Druck
in der Vakuumkammer. Die Kryopumpe arbeitet im Bereich des Hochvakuums
und des Ultrahochvakuums.”
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Als
Kryogruppen gelten nur solche Vakuumpumpen, die im Bereich von weniger
als 120 K arbeiten. Die gewählte Temperatur hängt
von der Art des abzupumpenden Gases ab.
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Kondensationspumpen,
die bei höheren Temperaturen arbeiten, werden als Dampfkondensatoren
oder als Kondensatoren schlechtweg bezeichnet.
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Die
Kapazität einer Kryopumpe ist begrenzt, weil das abgepumpte
Gas auf der Kaltfläche gebunden bleibt. Im Hoch- und Ultrahochvakuum,
dem derzeitigen Hauptanwendungsgebiet der Kryopumpe, ist dies wegen
der geringen anfallenden Gasmengen kein Nachteil. Zweifellos wird
aber die Anwendung von tiefen Temperaturen für Vakuumprozesse
bei höheren Drücken zunehmende Bedeutung erlangen. Bei
kurzen Pumpzeiten ist die begrenzte Kapazität einer Kryopumpe
unter Umständen auch dann nicht störend. Dauerbetrieb
ist bei Drücken p < 10–2 Pa jedoch nur bei regelmäßiger
Regenerierung der Pumpe möglich, die Regenerierperiode
wird durch den Gasanfall in der Pumpe bestimmt und ist umso kürzer,
je mehr Gas die Kryopumpe binden muss.
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Bei
der Bindung von Gasen an Kaltflächen werden verschiedene
Mechanismen wirksam. Neben der Kondensation treten Kryotrapping
und Kryosorption auf. In der Praxis ist es oft nicht möglich,
diese Mechanismen klar zu trennen. Unter Kryotrapping versteht man
die Kondensation eines tiefersiedenden, und dementsprechend schwerer
kondensierbaren Gases im Gemisch mit einem anderen, höhersiedenden
Gas. Bei der Kryosorption wird das tiefersiedende Gas an einer vor
Beginn des Pumpvorganges niedergeschlagenen Kondensatschicht eines höhersiedenden
Gases oder an einem gekühlten festen Adsorptionsmittel
gebunden.
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Das
Hauptproblem bei der Anwendung fester Adsorbentien (Molekularsiebe,
Aktivkohle) zur Druckerniedrigung im Hoch- und Ultrahochvakuum durch
Kryosorption ist die Wärmeübertragung vom Adsorbens
an die Kaltfläche. Da bei niedrigen Drücken die
Wärmeleitung durch das zu pumpende Gas vernachlässigbar
klein wird, kann die Abkühlung nur durch Wärmeleitung
im Adsorbens selbst erfolgen. Hierzu ist eine gut wärmeleitende
Kontaktierung des Adsorbens mit der Kaltfläche erforderlich,
die meist durch Kleben hergestellt wird. Die Auswahl eines geeigneten
Klebemittels muss sichergestellt werden. Das Adsorptionsmittel muss
vor dem Abkühlen der Apparatur so weit wie möglich
durch Ausheizen entgast werden. In der Tieftemperaturtechnologie
dürfte diese Methode der Kryosorption zunehmende Bedeutung
erlangen.
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Als
Adsorptionsmittel zur Vakuumerzeugung haben sich die seit langem
bekannte Aktivkohle sowie die Molekularsiebe 4A, 5A und 13X besonders bewährt.
Aktivkohle hat unter sonst gegebenen Bedingungen im allgemeinen
eine höhere Adsorptionskapazität, gemessen in
Pa m3 pro kg Adsorbens, als die Molekularsiebe
(R. A. Haefer: „Kryo-Vakuumtechnik, Grundlagen
und Anwendungen", Springer Verlag 1981). Aktivkohle
ist also unter gewöhnlichen Umständen gegenüber
Molekularsieben bevorzugt.
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Das
Gasspeichervermögen bei Kryotemperaturen ist dabei um so
größer, je größer die aktive Oberfläche
der Aktivkohle ist und je tiefer die Temperatur der Kohlenstoffpartikel
ist, üblicherweise weniger als etwa 50 K. Die Gasbelegung
erfolgt dabei in Monolagen auf dem Kohlenstoff.
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Die
Herstellung solcher Kaltflächen erfolgt durch Aufkleben
von Aktivkohlegranulat, Aktivkohlefeinsplitt und anderen gebundenen
Aktivkohlepartikeln, ist jedoch mit einem hohen manuellen Aufwand verbunden.
Hinzu kommt, dass die nutzbare Aktivkohleoberfläche teilweise
durch den verwendeten Kleber unwirksam wird. Zudem ist man in der
Fertigungstechnologie auf ebene oder nur wenig gekrümmte
metallische Flächen beschränkt.
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Neben
einer Vereinfachung eines solchen Herstellungsverfahrens bzw. der
Bereitstellung eines einfacheren Alternativverfahrens ist es wünschenswert,
die Oberfläche des eingesetzten Adsorbens weiter zu vergrößern,
um entsprechend größere Gasmengen adsorbieren
und/oder kondensieren zu können.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
mit einem solchen Adsorbens bereitzustellen, welches bezogen auf
die Massen des Adsorbens eine (wesentlich) größere
Oberfläche aufweist, als dies bei der Verwendung verschiedener
Aktivkohlevarianten des Standes der Technik der Fall ist. Darüber
hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst
einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung bereitzustellen.
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Gelöst
wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in
einer ersten Ausführungsform durch eine Vorrichtung zur
Kondensation und/oder Adsorption von Gasen, welche dadurch gekennzeichnet
ist, dass nanostrukturierte Kohlenstoffteilchen wärmeleitend
mit einem Kältereservoir verbunden sind.
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Nanostrukturierte
Teilchen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei bevorzugt
solche, welche einen mittleren Teilchendurchmesser von 1 bis 100
nm besonders bevorzugt von 1 bis 50 nm und eine mittlere Teilchenlänge
von 1 μm bis einige 1000 μm, bevorzugt 10 μm
bis 1000 μm aufweisen.
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Unter
Kältereservoir wird im Sinne der vorliegenden Erfindung
ein ausreichend großer Vorrat eines Stoffes verstanden,
der also bei Kälteabgabe an die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen
(d. h. Wärmeaufnahme von diesen) seine Temperatur – wenn überhaupt – nur
um wenige Grad, bevorzugt um weniger als 3 K, besonders bevorzugt
um weniger als 1 K, ändert. Die Begriffe „Kälteabgabe” und „Wärmeabgabe” beziehen
sich dabei wiederum auf die während eines normalen Betriebes
der erfindungsgemäßen Vorrichtung auftretenden
Kälte- bzw. Wärmeströme – die
bei deren Inbetriebnahme auftretenden Kälte-/Wärmespitzen
(z. B. bei Inbetriebnahme einer Kryopumpe) sollen davon bevorzugt
nicht mitumfasst sein.
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„Wärmeleitend” bedeutet
im Hinblick auf die sich zwischen den nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen
und dem Kältereservoir befindende Verbindung, dass diese
mit hinreichender Geschwindigkeit einen Temperaturausgleich zwischen
beiden ermöglicht. Der Begriff „Verbindung” umfasst
dabei alle Materialien, die bei einer Kälte-/Wärmeleitung
von den nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen zum Kältereservoir
hin passiert werden (müssen).
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Ein
Temperaturausgleich mit hinreichender Geschwindigkeit resultiert
bevorzugt dann, wenn die Wärmeleitfähigkeit λ der
Verbindung ≥ 1 W/(m × K), insbesondere ≥ 10
W/(m × K) ist, jeweils bezogen auf die Temperatur des Kältereservoirs
Die Wärmeleitfähigkeit ist von geringer Bedeutung,
da die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen sehr gering thermisch belastet
werden, und dort wo kein kontinuierlicher Wärmefluss vorhanden
ist, auch keine wesentliche Temperaturdifferenz durch Wärmeübergänge
entsteht. Zudem ist die anfangs kühlende Masse der nanostrukturierten
Kohlenstoffteilchen größer als die Masse des „Kältereservoirs”.
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Unter
Gasen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung bei Normalbedingungen
(20°C, 1013 mbar) gasförmige Substanzen verstanden,
d. h. insbesondere die Bestandteile der Luft, wie zum Beispiel Sauerstoff,
Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase, Methan, Wasserstoff.
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Die
nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen sind in Bezug auf das Kältereservoir
bevorzugt so angeordnet, dass eine Kondensation und/oder Adsorption
von Gasen nur an den nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen erfolgen
kann, d. h. also mit anderen Worten, dass ein Zutritt von Gasen
zum Kältereservoir bevorzugt unterbunden ist.
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Bevorzugt
weist das Kältereservoir eine Temperatur von ≤ 20
K auf. Wie oben bei der Erläuterung des Standes der Technik
erwähnt, geht eine Temperaturerniedrigung der Kaltfläche
bzw. der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen, an welcher die Kondensation
und/oder Adsorption der Gase erfolgen soll, mit einer Erhöhung
der Saugleistung einher. Niedrigere Temperaturen des Kältereservoirs
sind aus diesem Grunde bevorzugt.
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Nanostrukturierte
Kohlenstoffteilchen weisen im Vergleich zu verschiedenen Aktivkohlevarianten jeweils
bezogen auf ihre Massen, eine vergleichbar große aktive
Oberfläche auf. Aufgrund der gegenüber einem Aktivkohle-Makroteilchen
jedoch wesentlich feineren und zum Vakuumraum offenliegenden Struktur
der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen ergibt sich ein verbesserter
Adsorptionsmechanismus. Somit sind nanostrukturierte Kohlenstoffteilchen
zur Kondensation und/oder Adsorption einer wesentlich größeren
Gasmenge befähigt. Bekannte Aktivkohlenflächen
sind innerhalb einer Kryopumpe bzw. einem Vakuumrezipienten unhandlich,
sperrig und meist nur in einer Lage ausführbar. Mit einem
nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen beschichteten Band oder dünnem
Blech kann man das begrenzte Volumen wesentlich besser füllen,
eine Haftung der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen ist auch
bei nachträglichem Biegen gegeben. Bevorzugt sind die nanostrukturierten
Kohlenstoffteilchen dabei ausgewählt aus der Gruppe umfassend
einwandige Kohlenstoffnanoröhren (sog. single walled nano
tubes, SWNT), mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (sog. multi
walled nano tubes, MWNT), Kohlenstofffasern, Kohlenstoffschichten
(umfassend nanostrukturierte Kohlenstoffteilchen), Kohlenstoff-Lamellen
oder Fullerene.
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Bei
der genauen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung haben sich zwei Varianten als bevorzugt herausgestellt:
Bei
der ersten Variante sind die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen
auf einem Substrat aufgebracht, über welches die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen
wärmeleitend mit dem Kältereservoir verbunden
sind.
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Bevorzugt
umfasst das (Träger-) Substrat dabei mindestens 600°C
temperaturfeste metallische und/oder keramische Materialien, ausgewählt
aus der Gruppe umfassend:
Molybdän; Wolfram; Edelstahllegierungen;
Nickel; Nickellegierungen; Eisen; Eisenlegierungen; Kobalt; Kobaltlegierungen;
Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen; Al2O3; Si3N4; Kohlenstoff-Faserverbundwerkstoffe; Glas-Faserverbundwerkstoffe;
Verbundwerkstoffe aus Glas, Keramik oder Metall. Die Abscheidung
von nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen mit dem CVD-Verfahren
erfolgt bei relativ hohen Temperaturen ab mindestens 600°C.
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Bevorzugt
ist das Substrat ein Metall, eine Metallband, ein Verbundwerkstoff
(zum Beispiel kohlefaserverstärkte Materialien) oder eine
Keramik. Eine gute thermische Leitfähigkeit ist von Vorteil, stellt
es doch zumindest einen Teil der oben schon angesprochenen Verbindung
zwischen nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen und Kältereservoir
dar.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, dass sich zwischen dem Substrat und den nanostrukturierten
Kohlenstoffteilchen mindestens eine zusätzliche ganz- oder
teilflächige Schicht aus Metall/en, Metallnitrid/en und/oder
Metalloxid/en befindet. Eine solche Zwischenschicht, welcher im
Wesentlichen Keimbildungs- bzw. Haftvermittlerfunktionen zukommen,
ist insofern besonders bevorzugt, als sie für die Ausbildung
von (bestimmten) nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen bei der
Herstellung/Aufbringung bzw. für eine feste und stabile
Verbindung zu den auf dem Substrat aufgebrachten nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen
sorgt. Darüber hinaus können solchen Zwischenschichten
auch Korrosionsschutzeigenschaften für das darunterliegende
Substratmaterial zukommen.
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Eine
Ausgestaltung einer solchen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist in 1 gezeigt.
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Die
nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen 1 können – wie
oben ausgeführt – ein oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren,
Kohlenstofffasern, Kohlenstoffschichten, Kohlenstoffpulver, Kohlenstoff-Lamellen
oder Fullerene umfassen bzw. gar ganz aus diesen bestehen. Die optionale
Zwischenschicht 2 hat im Wesentlichen Keimbildungs- bzw.
Haftvermittlereigenschaften und/oder dient zum Korrosionsschutz
des Substrats 3. Die Zwischenschicht 2 umfasst
dabei mindestens ein Metall, Metallnitrid und/oder Metalloxid. Ein
typisches Beispiel in diesem Zusammenhang ist eine Nickelschicht
zur Korrosionsinhibierung des darunterliegenden Substrats 3. Das
Substrat 3 muss mit dem Kälteerzeuger, üblicherweise
der thermischen Kontaktfläche eines Kaltkopfes 5 verbunden
sein, wozu wiederum gut wärmeleitende Kontaktschichten 4,
wie zum Beispiel Indiumfolie, Indiumschichten oder ähnliches
gut wärmeleitfähiges und Oberflächenrauhigkeiten
ausgleichendes weiches Material Anwendung finden kann.
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Eine
zweite Art der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten
Kohlenstoffteilchen in einem Behälter angeordnet sind,
welcher über einen den Austritt der nanostrukturierten
Kohlenstoffteilchen aus dem Behälter verhindernden Austrittsschutz
und eine Gaseintritts-Öffnung verfügt.
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In
diesem Falle sind die nanostrukturierten Kohlestoffteilchen bevorzugt
unter Beibehaltung von mindestens 80%, besonders bevorzugt von mindestens
90% ihrer Porosität gesintert, verpresst oder verdichtet.
Auf diese Weise lässt sich die in dem Behälter
unterzubringende Menge an nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen
und damit insgesamt die zur Kondensation und/oder Adsorption zur
Verfügung stehende Oberfläche bedeutend vergrößern.
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Bevorzugt
sind sowohl der Austrittsschutz als auch die Gaseintritts-Öffnung
in einer einzigen Membran ausgebildet, dergestalt, dass deren Poren zwar
durchlässig für die zu kondensierenden und/oder
adsorbierenden Gase, jedoch undurchlässig für
die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen sind.
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Entsprechende
Ausgestaltungen finden sich in den 2 und 3.
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Der
Behälter 10 in 2 kann in
beliebiger Form (zylindrisch, kubisch, etc.) ausgestaltet sein, wobei
die Gaseintritts-Öffnung 13 mit dem Austrittsschutz 11 verbunden
ist, um den Austritt der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen 12 aus
dem Behältnis heraus zu verhindern. Der Behälter
wird an mindestens einer Seitenfläche mit der Kaltkopfkontaktfläche
in thermischen Kontakt gebracht.
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In 3 besitzt
der Behälter 14 eine gasdurchlässige
Membran 15 für die Gase, die an den nanostrukturierten
Kohlenstoffteilchen gebunden werden sollen. Dabei ist die Porengröße
der Membran 15 so gewählt, dass zwar die Gasteilchen,
nicht jedoch die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen hindurchtreten
können. Auf diese Weise wird ein Gaseintritt in den Behälter
ermöglicht, der Austritt von nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen
jedoch unterbunden.
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Es
können ein oder mehrere Behälter an den Kaltkopf
thermisch und mechanisch angekoppelt werden, wobei auch eine indirekte
Ankopplung über mehrere Behälterebenen möglich
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer
solchen Vorrichtung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass man
nanostrukturierte Kohlenstoffteilchen mit einem Kältereservoir
in Kontakt bringt.
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Die
nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen werden dabei bevorzugt mittels
CVD- oder Plasma-CVD-Verfahren auf das gegebenenfalls mindestens
eine zusätzliche ganz- oder teilflächige Schicht aus
Metall/en, Metallnitrid/en und/oder Metalloxid/en aufweisende Substrat
aufgebracht.
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Weiterhin
ist bevorzugt, dass man vor oder während des Aufbringens
der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen weitere Dotierungs- und/oder
Katalysatorverbindungen aufbringt, insbesondere Li, Ti, Fe, Cu,
Cr, Co und/oder Ni-Verbindungen. Durch solche Verbindungen bzw.
Elemente wird die Ausbildung bestimmter Nanostrukturen begünstigt
bzw. veranlasst oder aber auch die Geschwindigkeit der Ausbildung
insgesamt erhöht.
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In
einer weitergehenden Ausführungsform wird die der Erfindung
zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch eine Kryopumpe, welche
eine wie oben beschrieben erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - K. Jousten: „Wutz
Handbuch Vakuumtechnik, Theorie und Praxis”, Vieweg Verlag
2004 [0002]
- - DIN 28400 [0003]
- - R. A. Haefer: „Kryo-Vakuumtechnik, Grundlagen und
Anwendungen”, Springer Verlag 1981 [0009]