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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung des Beschlagens
von Schaugläsern in Vakuumanlagen mit einer Zuleitung geringer Spülgasmengen aus
einem Vorratsbehälter mittels einer in die Vakuumanlage hineingeführten Leitung,
die eine dem Schauglas zugewandte Ausströmöffnung in der Nähe des Schauglases aufweist.
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Bei Hochtemperaturöfen treten oft Schwierigkeiten auf, da es nicht
möglich ist, die Vorgänge im Innern zu beobachten, wenn kondensierbare Dämpfe, die
darin entwickelt werden, sich an der Innenseite solcher «fen und ähnlicher Einrichtungen
niederschlagen und dadurch Schauöffnungen, die gegebenenfalls vorhanden sein können,
beschlagen und verdunkeln. Es wurden bereits verschiedene Lösungen für dieses Problem
vorgeschlagen, diese erlauben aber nicht die Anwendung in der Hochvakuumtechnik.
Es hat sich gezeigt, daß z. B. beim Schmelzen oder Gießen von Metallen im Hochvakuum
und ebenso bei der Dampfablagerung von Materialien im Hochvakuum bei den gebräuchlichen
Beobachtungseinrichtungen die Aufrechterhaltung eines klaren Gesichtsfeldes für
die Beobachtung der Vorgänge im Vakuumapparat von außen her nicht möglich ist. Während
es bei vielen Gieß- und Dampfbehandlungsvorgängen möglich ist, eine starke Gas-
oder Luftströmung über eine gewünschte Stelle zu führen, an welcher sich Schauöffnungen
befinden, ist einzusehen, daß diese Methode unter Vakuumbedingungen unbrauchbar
ist. Die moderne Vakuumtechnik, besonders Schmelzen, Gießen und überziehen von Gegenständen
mittels Elektronenstrahlen, verlangt die Aufrechterhaltung eines guten Vakuums im
Reaktionsraum. Unter diesen Bedingungen ist es schwierig und mühsam, dem Bedienenden
eine unbehinderte Beobachtung der tatsächlichen Vorgänge in der Vakuumkammer zu
ermöglichen.
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Es ist eine Vorrichtung zum Sauberhalten von Schaugläsern zum Einblick
in Vakuumanlagen bekannt, in welchen z. B. Metalle verdampft werden, wobei geringe
Spülgasmengen gegen die der Vakuumkammer zugewandte Innenseite des Schauglases geleitet
werden. Dabei kann sich bei der Innenseite des Schauglases an dieses ein Vorraum
anschließen, welcher mit der zu beobachtenden Vakuumkammer über Durchblicköffnungen
in Verbindung steht, und der Vorraum kann von der Vakuumkammer durch mehrere hintereinandergeschaltete
Blenden getrennt sein, die mit Durchsichtöffnungen versehen sind. Bei dieser bekannten
Vorrichtung strömt das gegen das Schauglas geleitete Spülgas nach dem Aufprall in
verschiedenen Richtungen weiter, so daß auch bei Vorhandensein eines Vorraumes eine
unregelmäßige, turbulente Gasbewegung vorliegt. Infolge der unregelmäßigen Gasbewegung
ist die Wahrscheinlichkeit, daß Dampfmoleküle bis in die Nähe des Schauglases vordringen
können, verhältnismäßig groß. Wenn aber Dampfmoleküle so weit vorgedrungen sind,
können sie durch das Spülgas selbst auf dem Schauglas niedergeschlagen werden.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und ist besonders in jenen
Fällen vorteilhaft anwendbar, in welchen mit sehr geringem innerem Druck gearbeitet
werden muß, z. B. in der Größenordnung von 11cHg oder weniger. Besonders vorteilhaft
ist die Erfindung für Ablagerungsverfahren im Vakuum, wobei größere Dampfmengen
entwickelt werden, wie später am Beispiel des überziehens von Bandeisen mit einem
Leichtmetall, z. B. Aluminium, erläutert wird. Trotz der normalen Vorkehrungen,
um den Dampf auf das zu überziehende Substrat zu lenken, ist es unvermeidlich, daß
ein gewisser Teil des Dampfes vom gewünschten Weg abweicht und dann das Innere des
Vakuumapparates bedeckt. Schon eine verhältnismäßig geringe Dampfablagerung auf
den Schauöffnungen oder Fenstern genügt, um diese zu beschlagen und eine brauchbare
Beobachtung des Innern zu verhindern.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Leitung in eine vor dem Schauglas
angeordnete vergrößerte Kammer einmündet, deren eine Wandung das Schauglas bildet,
wobei die dieser Wandung gegenüberliegende Seite eine zentrale Öffnung aufweist,
auf die ein längliches, in die Vakuumanlage hineinragendes offenes Schaurohr aufgesetzt
ist. Dabei wirkt die vor dem Schauglas angeordnete vergrößerte Kammer als Gasvorratsbehälter.
In der Kammer entsteht keine turbulente Strömung, so daß durch das Schaurohr zuströmende
Dampfmoleküle gut abgehalten werden. Außerdem wird durch die Ausbildung dieser Kammer
darin ein höherer Druck als in der zu beobachtenden Vakuumanlage erzielt, wodurch
ebenfalls das Vordringen von Dampfmolekülen zum Schauglas erschwert wird. Da in
der vergrößerten Kammer keine starken Strömungen auftreten, ist im Schaurohr eine
laminare Gasströmung erzielbar; daraus ergibt sich eine größere Wahrscheinlichkeit
für den Zusammenstoß von Gasmolekülen mit entgegenkommenden Dampfmolekülen an beliebigen
Stellen des Schaurohrquerschnitts, wodurch letztere am Erreichen des Schauglases
gehindert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besitzt das Schaurohr einen rechteckigen Querschnitt mit einem sehr kleinen Verhältnis
der Höhe des Rohrquerschnitts zur Rohrlänge. Bei den geringen in Frage kommenden
Drücken stellt das Schaurohr bereits einen wesentlichen Strömungswiderstand dar,
und ein, Großteil von in ungeordneter Bewegung in das offene Ende des Schaurohres
eindringenden Dampfmolekülen wird auf die Rohrwände auftreffen und dort kondensieren.
Auf diese Weise wird der bereits durch die Spülgasströmung erzielte Schutz noch
weiter verbessert. Im Schaurohr wird dabei ein Verlauf des Spülgasdruckes erhalten,
welcher von einem Maximum an der Innenseite der Schauöffnung zu einem Minimum am
offenen Ende des Rohres abnimmt. Ein derartiger Druckgradient wird durch die Zufuhr
ganz geringer Gasmengen in unmittelbarer Nähe der inneren Oberfläche des Beobachtungsfensters
aufrechterhalten.
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Die besonderen Wirkungen und Vorteile der Verhinderung einer Dampfablagerung
auf dem Fenster durch die Erfindung werden im folgenden im einzelnen dargelegt.
Dabei wird die Anwendung der Erfindung gei einem Vakuumofen und eine praktisch mögliche
Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung an Hand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt F i g.1 eine Vakuum-Plattierungseinrichtung im Schnitt, wobei
an der linken Seite eine erfindungsgemäße Beobachtungsvorrichtung vorgesehen ist,
F i g. 2 Einzelheiten der Beobachtungsvorrichtung in vergrößertem Maßstab und F
i g. 3 eine Frontalansicht der Vorrichtung, vwie
sie der Bedienende
an der Außenseite eines Vakuumofens beispielsweise sieht.
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Um die Erfindung zu erklären und eine besonders vorteilhafte Anwendung
davon zu zeigen, wird auf F i g. 1 verwiesen. In dieser Figur ist eine Vakuumkammer
9 mit einem Gehäuse 10 dargestellt, welches mit starken Vakuumpumpen 11 in Verbindung
steht. In dieser Kammer ist eine Dampfquelle z. B. in Form eines Schmelztiegels
12 mit einem Barren von Material 13 vorgesehen. Die obere Seite des Barrens
13 wird durch Elektronenbeschuß aus einer Elektronenkanone 15, die ebenfalls innerhalb
der Kammer angeordnet ist, erhitzt. Diese Erhitzung kann dazu dienen, um das Material
des Barrens 13 direkt zu verdampfen, oder es kann der Oberseite des Barrens ein
weiteres Material 16 zugeführt werden, beispielsweise in Form eines Drahtes, so
daß von der Dampfquelle Dampf entwickelt wird und gemäß den Pfeilen 17 aufsteigt.
Obwohl nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, sei noch bemerkt, daß unter
bestimmten Umständen die Zuführung eines zweiten Materials 16 an die Oberseite eines
Blockes aus einem Material mit höherem Schmelzpunkt, welches sich in einem gekühlten
Schmelztiegel befindet, vorteilhaft ist. Dies trifft z. B. insbesondere beim Aufdampfen
von Aluminium zu. Auf einem über dem Schmelztiegel angeordneten Substrat oder Band
18 lagert sich der Dampf ab, so daß ein überzug auf dem Substrat entsteht.
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Die Kammer 9 wird mittels der Vakuumpumpen 11 kontinuierlich evakuiert,
wie durch die Pfeile 19 angedeutet ist, wobei in der Kammer ein Druck in der Größenordnung
von 0,1,uHg aufrechterhalten werden soll. In vielen Anwendungsgebieten, einschließlich
des an Hand der F i g. 1 beschriebenen, ist es erwünscht, in solch einem hohen Vakuum
zu arbeiten, und auf diese Anwendungsgebiete ist die Erfindung ausgerichtet.
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Obwohl in F i g. 1 durch die Pfeile 17 angedeutet ist, daß
der Dampf vom Schmelztiegel gerade aufsteigt, ist es doch unvermeidlich, daß auch
eine gewisse ungeordnete Dampfbewegung vorhanden ist, wodurch auf anderen Teilen
des Apparates ebenfalls eine Dampfablagerung stattfindet. Normalerweise ist das
nicht besonders unangenehm, und diese Erscheinung kann im angedeuteten Beispiel
durch überhitzung des Dampfes und Aufrechterhalten des Hochvakuums in der Kammer
ganz bedeutend eingeschränkt werden. Trotz der Einschränkung der ungeordneten Dampfbewegung
breitet sich der Dampf derart aus, daß Schauöffnungen, die sonst in Außenwänden
des Gehäuses 10 angeordnet sein könnten, sich beschlagen. Die direkte Beobachtung
der Vorgänge im Vakuumapparat der beschriebenen Art ist aber sehr erwünscht und
in vielen Fällen tatsächlich notwendig. Die Erfindung ermöglicht die direkte Beobachtung
jedes gewünschten Teils des Innern der Vakuumkammer, in der kondensierbarer Dampf
entwickelt wird, und F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
20.
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F i g. 2 zeigt eine derartige Vorrichtung in größerem Maßstab. Die
Vorrichtung besitzt ein längliches Schaurohr 21, das sich durch eine Wand des Gehäuses
10 in die evakuierte Kammer 9 erstreckt. Dieses Schaurohr, das an beiden Enden offen
ist, kann an seinem äußeren Ende einen Flansch aufweisen, an welchen sich ein Zylinder
22 anschließt, der seinerseits, wie gezeigt, mit der Gehäusewand verbunden ist.
Die Beobachtung erfolgt durch eine Pforte oder ein Schauglas 23, die bzw. das außerhalb
des Schaurohres im Abstand von dessen äußerem Ende angeordnet ist. Dadurch wird
eine vergrößerte Kammer 24 zwischen dem Schauglas 23 und dem äußeren Ende des Schaurohres
21 gebildet, welche durch einen ringförmigen Teil 26, der z. B. am äußeren Ende
des Zylinders 22 angebracht ist, abgeschlossen ist. Das Schauglas 23 ist am Ring
26 mittels eines Klemmringes 27 mit Schrauben od. dgl., die in den Ring 26 reichen,
befestigt. Die Lage des Fensters ist durch eine Vertiefung im Ring 26 festgelegt.
Zur Abdichtung der Kammer 24 gegen das mögliche Eindringen von Luft beim Schauglas
23 können Dichtungen vorgesehen sein. Das Schaurohr 21 besitzt auf der dem Schauglas
zugewandten Seite eine zentrale Öffnung 25.
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Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in unmittelbarer
Nähe des Schauglases 23 Gas mit geringem Druck, der jedoch größer als jener in der
zu beobachtenden Vakuumkammer 9 ist, in die Kammer 24 eingeleitet. Das Gas
kann durch eine äußere Leitung 28 von einer nicht dargestellten Gasquelle zugeführt
und die in die Kammer 24
strömende Menge kann mit einem Ventil 29 geregelt
werden. Wenn das Hochvakuum in der Kammer 9
trotz der Entwicklung von Dämpfen
oder Gasen aufrechterhalten wird, kann keine derartige Gasmenge in die Kammer gelangen,
daß der Druck darin wesentlich beeinflußt werden könnte. Die Dampfablagerung auf
dem Schauglas 23 wird verhindert, indem die Dampfmoleküle gegen die Wände des Schaurohres
gelenkt werden, um darauf zu kondensieren, so daß sie das Schauglas nicht erreichen
und daher nicht darauf kondensieren und es nicht beschlagen können. Zu diesem Zweck
wird wenigstens eine Querschnittsdimension des Schaurohres sehr gering gehalten.
Dadurch wird erreicht, daß Dampfmoleküle, die in ungeordneter Bewegung in das innere
Ende des Schaurohres gelangen, zum größten Teil auf die nahe beieinander liegenden
Wände des Rohres auftreffen und in der Folge darauf kondensieren werden. Ein gewisser
Teil der eintretenden Dampfmoleküle hat allerdings eine im wesentlichen axiale Bewegungsrichtung
und kann das Rohr durchfliegen und auf die innere Oberfläche des Schauglases auftreffen.
Diese Dampfmoleküle werden gemäß der Erfindung durch Zusammenstöße mit in dem Rohr
vorhandenen Gasmolekülen abgelenkt. Es ist bereits bekannt, einen Luft- oder Gasstrom
quer über das Schauglas zu blasen. Da dies bei Apparaten der Hochvakuumtechnik von
der vorstehend beschriebenen Art unmöglich ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung
für die Anwesenheit einer genügenden Anzahl von Gasmolekülen im Weg der Dampfmoleküle
gesorgt, so daß ablenkende Zusammenstöße erfolgen, wodurch die Dampfmoleküle gegen
die Wände des Schaurohres gelenkt werden.
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Obwohl es möglich ist, diese Gaskonzentration und damit die Zusammenstöße
mit Dampfmolekülen durch Einführen von Gas an irgendeiner Stelle des Schaurohres
zu erzielen, ist es besonders vorteilhaft, das Gas in unmittelbarer Nähe des Schauglases
einzuleiten. Durch die Wahl dieser Stelle für die Gaszufuhr ergeben sich folgende
Vorteile: Erstens haben die beschränkten Dimensionen des Schaurohres einen merklichen
Widerstand für die längsgerichtete Gasströmung zur Folge, so daß bei Zuführung
des
Gases am äußeren Ende des Rohres die gewünschte und ausreichende Gasdichte sowohl
am inneren Ende des Rohres als auch bei dem Schauglas erzielbar ist und das Eindringen
von Dampf verhindert wird, wobei die tatsächlich in die Vakuumkammer 9 einströmende
Gasmenge gering gehalten wird. Das ist eine bedeutende Hilfe bei der Begrenzung
der einströmenden Gasmenge, so daß das Vakuumsystem, das mit der Vakuumkammer 9
in Verbindung steht, durch die Anwendung der Beobachtungsmethode nicht übermäßig
belastet wird. Weiter wird bei Zuführung des Gases in der Nähe des Schauglases dort
auch der höchste Gasdruck und damit die größte Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße
erreicht. Da die in das Rohr eintretenden Dampfmoleküle nicht nur beliebige Bewegungsrichtungen,
sondern auch innerhalb eines weiten Bereiches unterschiedliche Geschwindigkeiten
aufweisen, kann man annehmen, daß die langsameren Dampfmoleküle normalerweise im
ersten Teil des Rohres durch Zusammenstöße abgelenkt werden, während jene, die in
axialer Richtung weiter gegen das Rohrende strömen,. -die höchsten Geschwindigkeiten
haben. Es läßt sich zeigen, daß die Anzahl der Dampfmoleküle, die am äußeren Rohrende
noch eine genügende Geschwindigkeit haben, um auf das Fenster aufzutreffen, entlang
der Rohrlänge exponentiell abnimmt, während die Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße
von Dampfmolekülen mit den vorhandenen Gasmolekülen entlang der Rohrlänge annähernd
linear zunimmt. Dieser Zustand ist zum Aufhalten von Dampfmolekülen mittels einer
Gasströmung in einem Rohr besonders günstig. Die Zufuhr von Gas am äußeren Rohrende
für die Umlenkung von Dampfmolekülen durch Zusammenstoß mit Gasmolekülen hat eine
durch das Rohr einwärts gerichtete Gasströmung zur Folge. Obwohl diese Strömung
verhältnismäßig schwach ist, bewegen sich die Gasmoleküle doch in das Rohr hinein,
so daß sich an Stelle einer ungeordneten Molekularbewegung im Mittel eine in das
Rohr hinein gegen die Dampfmoleküle gerichtete Geschwindigkeitskomponente der Gasmoleküle
ergibt. Die Zusammenstöße zwischen Dampf- und Gasmolekülen bedingen insgesamt einen
Wechsel der Triebkraft mit einer vom Fenster weg gerichteten Bewegung, wodurch die
Wirksamkeit der Zusammenstöße gesteigert und eine Sperre gegen Dampfablagerung auf
dem Fenster gebildet wird. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, daß der für die
gleiche Sperrwirkung erforderliche Gasdruck vermindert werden kann. Zur weiteren
Erklärung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei besonders darauf hingewiesen, daß
eine von einem Schauglas weg gerichtete Massenströmung von Gasmolekülen durch ein
verengtes Rohr aufrechterhalten wird, um Zusammenstöße zwischen diesen Gasmolekülen
und Dampfmolekülen, die die Tendenz haben, in dieses Rohr einzudringen, herbeizuführen.
Dazu dient eine verhältnismäßig unbedeutende Gasströmung; die Gaszufuhr muß gering
sein, damit das Vakuum in der zu beobachtenden Kammer aufrechterhalten werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Gaszufuhr
derart bemessen, daß in der Kammer 24 ein Druck in der Größenordnung von 5_,uHg
und entlang der Rohrlänge ein Druckabfall im Verhältnis von etwa 50: 1 auftritt,,
um die Beobachtung einer Vakuumkammer zu ermöglichen, welche normalerweise auf einem
Druck in der Größenordnung von 0,1ßHg gehalten wird. Die Anwendung einer beschränkten
Querschnittsdimension des Schaurohres zusammen mit einer hinreichenden Länge desselben
läßt nur eine geringe Gasströmung in. die Vakuumkammer zu, und bei einer geeigneten
Pumpgeschwindigkeit, z. B. in der Größenordnung von. 20 0001/sec, ist es nahezu
unmöglich, in der Vakuumkammer bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens irgendeine
Druckerhöhung festzustellen.