mini|hochkant=1.1|Symbol der Vakuumtechnik: die Magdeburger Halbkugeln mini|hochkant=1.1|„Pionier der Vakuumtechnik“: 1657 zeigte Otto von Guericke die Wirkung von Vakuum mit den Magdeburger Halbkugeln|links mini|hochkant=1.1|Tatsächlich presst der äußere Luftdruck die Magdeburger Halbkugeln zusammen: a) Halbkugeln mit Luft gefüllt, b) luftleere Halbkugeln, 1. Griff, 2. luftdichte Abdichtung, 3. Magdeburger Halbkugel, 4. Luftdruck, 5. Vakuum mini|hochkant=1.1|Glasglocke mit Kolben-Vakuumpumpe für Schulversuche Die Vakuumtechnik befasst sich mit Geräten und Verfahren zur Erzeugung, Aufrechterhaltung und Messung eines Vakuums sowie dessen technischen Anwendungen.

Die Erforschung und die technische Erzeugung des Vakuums begann im 17. Jahrhundert. Heute wird die Vakuumtechnik in zahlreichen Bereichen der Industrie und Forschung eingesetzt, wie z. B. in der Produktions- und Fertigungstechnik zur Behandlung von Werkstoffen oder zur Handhabung, in der Lebensmittelindustrie, in der Medizintechnik, in Physik und Chemie. Je nach Anwendung wird ein bestimmter Vakuumbereich zwischen dem Luftdruck der Atmosphäre von etwa 1000 hPa und einem extremen Ultrahochvakuum von 10−14 hPa eingesetzt.

Einige signifikante Beiträge zur Vakuumtechnik leisteten u. a. die Physiker Otto von Guericke, Wolfgang Gaede, Marcello Pirani, Rudolf Jaeckel und Lewis Hall (Varian).

Anwendungsbereiche Die Vakuumtechnik findet Anwendung in vielen Bereichen und dient als Grundlage für auf Vakuum basierender Technologien. Sie kann als eine Grenzwissenschaft zu den Materialwissenschaften verstanden werden. Dazu zählen die Oberflächenphysik (bspw. die Verfahren CVD, PVD), die Dünnschichttechnik, die Mikro- und Nanotechnologie und Teile der Prozesstechnik.

Ebenfalls spielt sie eine Rolle in der Raumfahrt, bei Kernfusionsreaktoren, Teilchenbeschleuniger, in der Lebensmittelindustrie (Gefriertrocknung), im Haushalt (Staubsauger, Vakuumgaren, Vakuumiergerät) usw.

Vakuumerzeugung Um ein Vakuum in einem zuvor gasgefüllten Volumen zu erzeugen, müssen Gasteilchen (siehe auch: kinetische Gastheorie) aus dem Volumen entfernt werden. Dies geschieht mithilfe von Vakuumpumpen, die nach ihrem Funktionsprinzip in zwei Gruppen eingeteilt werden können. Kompressionspumpen entfernen Gasteilchen aus dem Volumen durch Verdrängen oder Impulsübertragung. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Gasteilchen an der Wand des auszupumpenden Volumens zu kondensieren oder chemisch zu binden.

In der Vakuumtechnik werden die folgenden Druckbereiche unterschieden (für eine Tabelle mit weiteren Details siehe: Vakuum → Druckbereiche): Grobvakuum: 1013 hPa bis 1 hPa, Feinvakuum: 1 hPa bis 10−3 hPa, Hochvakuum: 10−3 hPa bis 10−8 hPa, Ultrahochvakuum (UHV): unter 10−8 hPa. Die Wahl der Vakuumpumpe hängt vom zu erreichenden Druck und dem Einsatzbereich ab. Bei einem hohen Vakuum werden mehrstufige Verfahren mit Vorvakuum- und Hochvakuumpumpe angewendet.

Der aktuelle Rekord (Stand 2020) liegt bei 6.7 × 10−17 hPa.

Hersteller und Markt Zu den bekannten Herstellern von Pumpen, Anlagen und Systemen (speziell für UHV) zählen z. B. Edwards, Leybold, Pfeiffer, PINK bzw. Hersteller, die auf Vakuumtechnik und den Grundkomponenten basierende Anlagen für die Halbleiterindustrie entwickeln, wie z. B. AMEC, Aixtron, Tokyo Electron, Veeco, Ulvac usw.

Vakuummessung und -steuerung Zur Messung des Drucks dienen Vakuummeter, die jeweils einen charakteristischen Messbereich besitzen, der wegen des großen Druckbereichs in der Vakuumtechnik nur einen Teil des Gesamtbereichs überdeckt. Die Druckmessung kann gasabhängig sein.

Direkte oder absolute Vakuummeter messen den Druck als Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Die direkte Druckmessung ist nur im Grobvakuumbereich relativ genau. Bei der indirekten Druckmessung wird der Druck als Funktion einer dichte- und damit druckabhängigen Eigenschaft ermittelt. Soll der Druck mit einer geringen Messunsicherheit ermittelt werden, ist bereits im Feinvakuumbereich ein hoher Aufwand erforderlich.

Bei Vakuumprozessen muss der Druck laufend kontrolliert und bei Bedarf geregelt werden. Die Messwerte werden an Kontroll- und Schaltwarten übermittelt und registriert. Durch diese Steuerung und Regelung wird der Druck in der Vakuumanlage in einem bestimmten Bereich gehalten.

Literatur

Fachartikel

Fachbücher

Klassiker, Geschichte, Populär

Journale und Magazine AVS Journale (Journal of Vacuum Science & Technology A, B etc.) CERN Courier: In focus: Vacuum Technology Vakuum in Forschung und Praxis (Zeitschrift herausgegeben vom I.G.T.-Verlag)

Weblinks Walter Umrath et al.: Grundlagen der Vakuumtechnik (Leybold Vakuum, 238 S., PDF, 7 MB)

Siehe auch Unterdruck

Einzelnachweise

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