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Forum: Offtopic Zinndraht als Metalldichtung (Vakuum) ?


Autor: Rudolf F. (physik4all)
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Hallo,

Ich arbeite gerade an einem Experiment und hab da mal eine Frage:

Kann man in einem Fein-bzw. Hochvakuumsystem statt einer teueren 
Indiumdichtung auch einen normalen Zinndraht (Zum Löten) als 
Metalldichtung verwenden oder ergeben sich da irgendwelche Probleme ? 
(Ach so: Temperaturbereich ca. 100 °C)

Danke im Voraus !

PS: Ist Zinn überhaupt gasdicht ?

: Gesperrt durch Moderator
Autor: Sascha W. (arno_nyhm)
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Dicht wird es sein... aber Zinn hat einen recht hohen Dampfdruck, der 
Dir dein schönes UHV u.U. ganz schnell versaut - wie in der 
Hochvakuumtechnik irgendwie immer, kommt es auf die Fläche des 
kritischen Materials, Konduktivität zu ihm und die Pumpleistung in 
respektive zum akzeptablen Druck und Basisdruck deines Aufbaus/deiner 
Kammer an.

Aus meiner Praxiserfahrung kann ich Dir nur raten auf das Zinn zu 
verzichten, wenn Du den Mehraufwand zur Verwendung von Indium/InGa 
stemmen kannst.

Über welchen Basisdruck reden wir eigentlich, 'UHV' ist ja ansich immer 
noch relativ weit. Meine Aussagen beziehen sich auf alles besser als 
~10^-8mbar, bei Drücken darüber käme Zinn nicht so schlimm.

Autor: Rudolf F. (physik4all)
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Danke für die schnelle Antwort und für den Hinweis !

Ich denke nicht das ich über 10-8 mbar komme. Mit meinem Pumpensystem 
und Kammer vielleicht bis 10-6 mbar. Da ich über keine 
Turbomolekularpumpe verfüge, habe ich mir ein Pumpensystem überlegt, 
dass evtl. funktionieren könnte: Vorpumpe -> (Öl)-Diffusionspumpe -> 
Ionenpumpe -> Kammer.
Bei der Ionenpumpe handelt es sich um eine komplette Eigenkonstruktion 
und ist noch im Bau. Ein vorbeschleunigter Elektronenstrahl wird in die 
Kammer geleitet und Ionisiert dort die verbliebenen Gasmoleküle. Die 
Ionen werden durch elektrostatische Potentiale davon abgehalten, aus dem 
Elektronenstrahl wieder herauszuwandern. Durch periodisches Schalten der 
Potentiale werden die Ionen parallel zum Elektronenstrahl extrahiert und 
kurz vor der Diffusionspumpe wieder "entladen". Das erinnert so ein 
bißchen an die DEBIT.
Klingt erstmal kompliziert, ist aber selbst mit "Hausmitteln" recht 
leicht zu bauen. (Sprich: Elektronenquelle -> Kleine Lampe mit 
Glühwendel, Wehlnet Zylinder mit 30-50 kV als Vorbeschleuniger, Billige 
Neodym Ringmagnete, Drehmaschine und Fräse erledigen den Rest)

Nach deiner Erfahrung: Wie hoch schätzt du mit dieser Konstruktion die 
Chance, ein HV- oder UHV_Vakuum zu erreichen ?

Danke Im Voraus

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Mit Ionen ? Eher schlecht. Ein Gasplasma wirkt aetzend. Greift die 
Oberflaeche an. Weshalb soll entladenes Gas an der Oberflaeche gebunden 
sein ?

Eine Turbopumpe ist heute Stand der Technik und nicht mehr so teuer. 
Falls du etwas sinvolles an die Pumpe haenst, so ist das ein Vielfaches 
teurer wie die Turbo. Schlechter als 1e-7 braucht man keine 
Metalldichtungen, da genuegt auch Gummi.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Eine Diffusionspumpe erreicht selbst ein gutes Vakuum, ist aber eher 
langsam und im Vergleich mit einer Turbo eine Schweinerei. Vor hundert 
Jahren waren die Diffusionspumpen sicher toll, heute wuerd ich mir das 
nicht mehr antun. Wir haben ein paar Pfeiffer Pumpstaende, mit 9k Euro 
ist man dabei. Die saugen ein paar Liter Nutz-Volumen innerhalb einer 
Viertelstunde auf besser als 1e-5, und sind innerhalb von 5 Minuten 
belueftet.

Autor: Andreas H. (kupferblau)
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Wenn du wirklich Hochvakuum (10^-6 mbar) oder sogar Ultrahochvakuum 
(weniger als 10^-6 mbar) erreichen willst, kannst du Zinn vergessen. Das 
Problem ist dabei nicht der Dampfdruck der Dichtung, Reinzinn hat einen 
sehr niedrigen Dampfdruck. Das Problem ist auch nicht die Pumpe, normale 
Öldiffusionspumpen erreichen mit Kühlfallen (flüssiger Stickstoff) 10^-9 
mbar Enddruck.

Das Hauptproblem ist, dass die gesamte Vakuumapparatur während des 
Pumpvorgangs AUSGEHEIZT WERDEN MUSS. Mit Zinndichtungen kannst du das 
vergessen.

Stand der Technik sind Bauteile und CF-Flansche aus Edelstahl mit 
Dichtungen aus Kupfer. Temperatur beim Ausheizen 300-400°C, dann 
klappt's auch mit Diffusionspumpen, Kühlfalle mit flüssigem Stickstoff 
vorausgesetzt.

Deine Bastelei mit Elektronenstrahlen und magnetischen Ionenfallen wird 
kaum so funktionieren, wie du dir das vorstellst. Vermutlich willst du 
sowas wie eine Ionengetterpumpe bauen;

http://de.wikipedia.org/wiki/Ionengetterpumpe

Dass man die Getter durch magnetischen Einschluss ersetzen könnte ist 
aber eine sehr blauäugige Vorstellung.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Andreas H. schrieb:
> Das Hauptproblem ist, dass die gesamte Vakuumapparatur während des
> Pumpvorgangs AUSGEHEIZT WERDEN MUSS.

Warum?

Autor: Andreas H. (kupferblau)
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Uhu Uhuhu schrieb:

>Warum?

Weil die Wände der evakuierten Apparatur im Hochvakuum noch lange Zeit 
Wasser und andere Verunreinigungen abgeben, die das Vakuum 
verunreinigen.

Ultrahochvakuum, also Drücke kleiner als 10^-6 mbar lassen sich nur 
durch Ausheizen erreichen, weil man sonst wochenlang evakuieren müsste, 
bis die Gasabgabe der Wände auf vernünftige Werte sinkt.

Näheres dazu ist in diversen Fachbüchern zur Hochvakuumtechnik 
nachzulesen, einige praktische Hinweise gibt's auch im Internet auf den 
Seiten der diversen Vakuumtechnik-Firmen, als Beispiel:

http://shop.trinos.de/vakuum_s/trinos-bauteile-uhv-cf.html

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Danke - man lernt nie aus. (Sonst wärs ja auch langweilig.)

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Bis 1e-6 runter gibt's wenig Probleme, da kann man mit O-Ringen 
operieren. Wenn man weiter runter pumpen will, kommen die Wasserfilme 
auf Metalloberflaechen zum Tragen. Als Monolagen, oder etwas dicker. Die 
verdunsten sehr langsam und machen das Vakuum kaputt. Die kriegt man mit 
Ausheizen weg.

Autor: Sascha W. (arno_nyhm)
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Rudolf, sag' doch mal etwas zu Deinem Aufbau:
Was hast Du für eine Kammer (Material, Bauform, Flansche, ...)? Über 
derartig weiche Metalldichtungen denkt man ja eigentlich nur nach, wenn 
man die Standard z.B. OFHC-Kupferdichtungen nicht verwenden kann.
Was baust Du? Was gedenkst Du für ein Experiment durchzuführen?

Dein Pumpkonzept klingt problematisch! Plasmen gerade in kombination mit 
Öldiffusionspumpen sind problematisch. Noch viel mehr, wenn Du das 
Plasma ja geradezu in die Pumpe lenkst. Das kann Dir sehr schnell das Öl 
ebenfalls ionisieren und - allein von der kinetischen Energie her - in 
die Kammer schleudern.
Auch zu beachten ist, dass Du schon eine ganze Menge Energie benötigst 
um bei recht hohen Drücken einen gewünschten Ioisationsgrad 
aufrechtzuerhalten - durch Interaktionen mit den Kammerwänden wirst Du 
so auch schnell thermische Probleme bekommen, sofern Du die Energie 
liefern kannst.
Du erwähntest ja 'DEBIT' - ist das Ziel deines Versuch die Erforschung 
von solchen Ionenquellen als 'Vakuumpumpe' oder ist es eher ein 
Nebenaspekt um das gewünschte Vakuum zu erreichen und zu halten?

Ganz allgemein ist die Kombination von Öldiffusionspumpen und 
Ionen-Getter-Pumpen allein schon problematisch, Du benötigst auf jeden 
Fall Ionen-Getter-Pumpen die mit einem hohen Initialdruck klarkommen 
(z.B. etwas in Richtung der Star-Cells von Varian).
In wiefern dein Pumpprinzip funktionell ist, bzw. sein kann, vermag ich 
so nicht abzuschätzen.
In jedem Falle (auch für allgemeine Experimente mit diesem Pumpprinzip) 
würde ich Dir empfehlen die Öldiffusionspumpe durch eine 
Turbomolekularpumpe zu ersetzen - ich weiß ja nicht auf welchem 
'Professionalitätsniveau' Du arbeitest, sollte es aber in Frage kommen: 
Bei eBay.de gehen öfter kleine wie große Turbopumpen für wenig Geld über 
den Tisch, noch mehr sind bei eBay.com zu erhalten, so mancher 
Übersee-Deal lohnt sich trotz der hohen Versandkosten noch!

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Aufgepasst bei Turbopumpen mit Lagerschaden. Eine Turbopumpe sollte alle 
4 Jahre einen Service erhalten. Falls man durchlaufen laesst, bis zu 
einem Lagerschaden wird's teuer. Da gehen schnell mal 3k Euro drauf.

Autor: Rudolf F. (physik4all)
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Ich danke erstmal allen für die reichlichen Antworten und Anregungen.

Die Konstruktion der Ionenpumpe war ein Nebenaspekt des eigentlichen 
Experiments. Da es sich um ein privates Projekt handelt, habe ich 
versucht die Kosten zu reduzieren.
Ich kann leider zum eigentlichen Experiment aus patentrechtlichen 
Gründen nicht viel verraten bis auf dass beim Betrieb ein 
Hochtemperaturplasma entsteht. Ich danke Sascha W. für den Hinweis mit 
den
Öl-Diffusionspumpen.
Nach den vielen Hinweisen werde ich meine Konstruktion überdenken. 
OHFC-Kupferdichtungen in Kombination mit einer Turbomolekularpumpe 
scheinen mir vielversprechend.

Noch fröhliges "Tips geben"

Rudolf

Autor: Wolfgang Lorenz (Firma: ION-TOF GmbH) (walalacer)
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Hallo zusammen,

dass Zinn einen hohen Dampfdruck hat ist ein uraltes Ammenmärchen und 
beruht auf einer Verwechslung mit Zink: selbst in einem LEIS-Gerät (Low 
Energy Ion Scattering - bei ION-TOF wird es Qtac genannt: Quantitative 
atomic layer characterisation), das im 10E-11mbar-Bereich (!) arbeitet 
und das nur die alleroberste (!) Monolage einer Probe sieht, kann trotz 
vieler bleifreier Zinn-Lötstellen (Sn97Cu3) überhaupt kein Zinn auf den 
Proben festgestellt werden!

Vermutlich wird eine entsprechende Zinn-Dichtung ihren Zweck erfüllen - 
auch für UHV-Zwecke!

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Zinn und hoher Dampfdruck... Es gibt das Metall und es gibt Loetzinn. 
Loetzinn hat eine oder mehrere Loecher mit einem Flussmittel drin. Und 
eben dieses Flussmittel ist fluechtig.

Autor: Wolfgang Lorenz (Firma: ION-TOF GmbH) (walalacer)
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... und noch etwas:

seit 17 Jahren bin ich für die mechanische Konstruktion einer Fa. 
zuständig, die sich auf TOF-SIMS und Qtac im absoluten High-End Bereich 
spezialisiert hat, und wenn jemand behauptet, man könne nur mit 
300-400°C ein vernünftiges UHV hinbekommen, der irrt ganz gewaltig:

aktuell wird bei einem kleinen Versuchsaufbau der relative Dampfdruck 
verschiedener neuer Kunststoffe bei RT getestet, die zuvor ca. 60 
Stunden auf lediglich 120 °C im UHV ausgeheizt werden. Zwischen den 
einzelnen Probanden wird die Kammer leer genauso lange bei ebenfalls bei 
nur 120°C ausgeheizt:
Enddrücke von ca. 7x10E-11mbar bei leerer Kammer sind kein Problem und 
sehr gut reproduzierbar.

Pumpe an der Hauptkammer: Pfeiffer HiPace 300, der ein zugegebenrmaßen 
gutes Vorvakuum im Bereich unter 10E-4mbar bereit gestellt wird mittels 
Drag-Stufe (HiPace 80). Diese wiederum hat als Vorpumpe eine Scrollpumpe 
SC-5D von Oerlikon.

Übrigens: will man mit sehr geringem Aufwand im unteren UHV-Bereich 
landen, so empfiehlt sich dringend eine Hauptkammer in Form eines 
Winkelstücks, wobei die Turbo an dem kurzen Schenkel sitzen muss und der 
lange Schenkel den nutzbaren Rezipienten darstellt (dort ist auch die 
Kaltkathoden-Messröhre vorzusehen), denn selbst bei den vorab genannten 
vorzüglichen Vakua produziert eine Turbopumpe immer noch so viel 
Strahlungswärme, dass in deren axialer "Blickrichtung" der Druck einige 
10E-10mbar höher liegt! Zudem bringt es sehr viel, die Hauptturbo genau 
aus diesem Grund zu kühlen. Für o.g. Enddruck reicht hier ein kräftiger 
Ventilator aus, um von ca. 2x10E-10mbar auf die zuvor genannten 
7x10E-11mbar Enddruck zu gelangen!

Autor: Wolfgang Lorenz (Firma: ION-TOF GmbH) (walalacer)
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...und noch zum Schluss: Fittingslot gibt es auch als nicht 
flussmittelgefüllte "Version". Das dürfte klappen! 120°C 
Ausheiztemperatur sind damit auch kein Problem!

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Wolfgang Lorenz schrieb:
> Vermutlich wird eine entsprechende Zinn-Dichtung ihren Zweck erfüllen

Und du meinst, es war wirklich nötig, dafür den mehr als drei Jahre
alten Thread wieder auszubuddeln?

Autor: Wolfgang Lorenz (Firma: ION-TOF GmbH) (walalacer)
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wichtig ist es doch, nachhaltig fundierte Erkenntnisse für Außenstehende 
klar erkennbar zu machen und von mancherorts kundgetanen "ich glaube, 
dass ich meine, vermutlich schon mal irgendetwas davon - oder auch von 
etwas anderem - gehört zu haben"-Beiträgen klar erkennbar zu separieren. 
Dass es solche Beiträge gibt ist überhaupt nicht schlimm, aber der/die 
Leser(In) freut sich (hoffentlich) darüber, nachweislich prüfbar 
richtige Beiträge lesen zu können. Das ist völlig zeitlos und soll den 
guten Willen, der sich auch hinter rein annahmenbasierter Beiträge 
verbirgt, nicht schmälern!

Im übrigen bin ich auf diese "alte" Geschichte heute beim Durchkämmen 
der Mails aus dem Posteingang gekommen. Den Link zu dieser Seite hatte 
ich mir vor langer Zeit nach hause gemailt, um darauf zu antworten. 
Damals hatte ich es aus Zeitgründen jedoch verabsäumt, etwas dazu zu 
schreiben. Das habe ich jetzt nachgeholt.

Für diejenigen, die sich mit gutem UHV befassen, sind sicherlich einige 
wertvolle Hinweise dabei, die auch über den heutigen Tag hinaus ihre 
Gültigkeit beibehalten werden!

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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Siebzehn mal Fuenfzehn schrieb:

> Schlechter als 1e-7 braucht man keine
> Metalldichtungen, da genuegt auch Gummi.

...bzw. Viton.
Gruss
Harald
PS: Für Ultrahochvaccuum nimmt man auch (sauerstofffreie)
Kupferdichtungen. Allerdings muss die Konstruktion der
Flansche dazu passen.

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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Jörg Wunsch schrieb:

> Und du meinst, es war wirklich nötig, dafür den mehr als drei Jahre
> alten Thread wieder auszubuddeln?

Hmm, ich bin mal wieder in die Leichenfalle gelaufen. Könnte man
nicht grundsätzlich Beiträge älter als ca. 1 Jahr entsprechend
kennzeichnen?
Gruss
Harald

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