TEVSC Technology department Vacuum surfaces and coating Betreuer

TE-VSC : Technology department – Vacuum, surfaces and coating Betreuer: Gerhard Schneider Vakuumtechnik Praktikum 16. 04 – 20. 04 CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 1

Agenda Definition Vakuumrohre Pumpen und Messgeräte • Differenzierung • Materialanforderungen • Probleme • Typen • Tests Sonstiges CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 2

Definition Vakuum • CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 3

Differenzierung Bezeichnung Druck [mbar] Umgebungsdruck ~1000 Low (LV) < 3*102 High (HV) <1 Very High (VHV) < 10− 3 Ultra-high (UHV) < 10− 7 Extreme Ultra-High < 10− 12 CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer Teilchen/l 2, 47 E+22 7, 42 E+21 2, 47 E+19 2, 47 E+18 2, 47 E+12 2, 47 E+07 20. 04. 2012 4

Vakuumrohre Materialanforderungen, Probleme CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 5

Materialanforderungen • Elastizität, Stabilität o Widerstandsfähigkeit gegenüber Druckdifferenz o Unterschiedlich je nach Richtung • Geringes Ausgasen • Dichtigkeit • Transparenz für Teilchen CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 6

Kräfte • CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 7

Dichtungen • Dichtringe aus versilbertem Kupfer • Kräfte von ca. 200 N/mm CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 8

Ausgasen • Materialien beinhalten unerwünschte Stoffe o Wasser, CO, etc… • Fremdstoffe entweichen im Vakuum Druckanstieg Lösung: ausheizen (bake-out) • 120°C-250°C im Vakuum o Fremdgase entweichen, werden ausgepumpt o Reine Stoffe bleiben zurück CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 9

Lecks • Anschluss eines Druckmessgerätes ans Vakuumsystem • Mögliche Leckstellen mit Helium besprühen Ø Druckanstieg: Leck CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 10

Experimente Vakuumrohre für Experimente: Beryllium Ø Hohe Transparenz (niedrige Ordnungszahl) Ø Hohe Belastbarkeit Aber: • Lange Lieferzeiten, hoher Preis Alternativen gefragt! CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 11

Alternative Konzepte Carbonfaser: • hohe Steifheit in bestimmten Richtungen • Geringere Transparenz Carbonfaser-Aluminiumschaum. Sandwich • Hohes Elastizitätsmodul • Hohe Stabilität • Enorme Transparenz • Sehr komplizierte Herstellung CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 12

Pumpen CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 13

Arten von Vakuumpumpen Gasauslassöffnung Drehschieberpumpen Turbomolekular. Pumpen Ionenpumpen Ohne Gasauslassöffnung Sorptionspumpen Cryopumpen CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 14

Mechanische Pumpen • Drehschieberpumpe (Vorpumpe) • Turbomolekularpumpe o Vorpumpe und Gaslager benötigt o Drehzahlen um 1000 U/s Ø Rotorblätter schneller als thermische Geschwindigkeit der (N 2 -)Gasteilchen Ø Impulsübertragung anstatt aerodynamischen Effekten http: //upload. wikimedia. org/wikipedia/commons/4/4 c/Cut_through_t urbomolecular_pump. jpg; 19. 04. 12, 14: 30 CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 15

Ionenpumpen Gasteilchen werden ionisiert Ionen: • Werden in einem E-Feld beschleunigt • Treffen auf die Kathode • Dringen in Kathode ein • Bleiben in Kathode gebunden Bei Sättigung: Ausheizen/Reaktivieren der Pumpe CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 16

Weitere Pumpen • Sorbtionspumpen o Vakuumrohre werden beschichtet o Aktive Oberflächen binden Gasmoleküle • Kryopumpen o Wände werden extrem gekühlt (< 100 K) o Gase kondensieren an Wänden CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 17

Pumpentests • CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 18

Pumpentests • Berechnung Durchfluss aus Leitwert und Druckunterschied: CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 19

Messgeräte Gauges CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 20

Druckmessgeräte Problem: Genauigkeit! 10 -11 mbar 27. 000 Teilchen/cm 3 • Wärmeleitungsvakuummeter o Wärmeleitung in best. Bereichen druckabhängig o Gasabhängig versch. Messwerte • Ionisationsvakuummeter o Kalte Kathode o Glühkathode http: //upload. wikimedia. org/wikipedia/commons/d/d 5/Manomete r_104026. jpg; 20. 04. 12, 11: 30 CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 21

Ionisationsvakuummeter • Penning-Vakuummeter: Kalte Kathode o E-Feld beschleunigt vorhandene freie Elektronen o Stoßionisation druckabhängiger Entladungsstrom durch beschleunigte Ionen • Bayard-Alpert-Vakuummeter: Glühkathode o Glühkathode heizt Elektronen aus, beschl. im E-Feld o Druckabhängiger Anodenstrom durch Stoßprozesse http: //upload. wikimedia. org/wikipedia/commons/1/10/Bayard. Alpert_gauge. jpg; 20. 04. 12, 11: 30 CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 22

Sonstige Tätigkeiten CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 23

Check des LHC-Vakuum. Systems • Überprüfen des LHC-OPLogbuchs • Prüfen der einzelnen Systemelemente o Strahl-Vakuum o Isolier-Vakuum • Check der Vakuum. Systeme der Vorbeschleuniger des LHC CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 24

Restgasanalysator (RGA) • Molekulare Analyse des Restgases (Massenspektrometrie) o Detektion von Lecks, Ausgasen CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 25

Danke… … an meinen Betreuer Gerhard Schneider für eine großartige Einführung in die Abteilung, Dolmetschertätigkeiten bei Restaurantbesuchen u. v. m. … an das Vakuum-Team für geduldige Erklärungen und großes Vertrauen in Praktikantenhände … an die Organisatoren Herrn Schmeling und Herrn Kreß für dieses Praktikum CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 26

Quellen • CERN Accelerator School: Vacuum Technology, 1999 Geneva • veb hochvakuum dresden: Berechnungsunterlagen, DDR 8020, 1982 • http: //en. wikipedia. org/wiki/Vacuum • http: //www. pfeiffer-vacuum. de/know-how/einfuehrung-in-dievakuumtechnik/grundlagen/leitwerte/technology. action? chapte r=tec 1. 2. 8 Bilder ohne Quellenangaben wurden vom Vortragenden mit Einverständnis der abgebildeten Personen aufgenommen. CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 27

Fragen? CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 28

„Vakuum heißt der Zustand eines Gases, wenn in einem Behälter der Druck des Gases und damit die Teilchenzahldichte niedriger ist als außerhalb oder wenn der Druck des Gases niedriger ist als 300 mbar, d. h. kleiner als der niedrigste auf der Erdoberfläche vorkommende Atmosphärendruck“ – DIN 28400 CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 29

Turbomolekularpumpe • CERN - German Internship Programme - Dominik Schweitzer 20. 04. 2012 30