Unterhalb von etwa 1 × 10⁻⁹ mbar stammt das Restgas in einer Kammer nicht mehr aus Lecks, sondern von den inneren Oberflächen. UHV zu erreichen ist deshalb zuerst ein Fertigungs- und Behandlungsproblem und erst danach ein Pumpenproblem – und genau dieser Teil liegt in unserer Hand.
Was Ultrahochvakuum tatsächlich erfordert
Vier Dinge zusammen: eine metallgedichtete Kammer, eine innere Oberfläche ohne verformte Randschicht, einen Ausheizzyklus zum Austreiben von adsorbiertem Wasser und Wasserstoff sowie einen Pumpstand, der den geforderten Basisdruck erreicht. Fehlt eines davon, bleibt die Kammer im Hochvakuum stecken, egal wie gut die übrigen sind.
Die Oberfläche ist das ganze Problem
Wasser ist das dominierende Restgas in einer frisch montierten Kammer. Es desorbiert aus der Oxidschicht und aus verformtem Metall, das die Zerspanung hinterlässt. Elektropolieren entfernt 20–40 µm und hinterlässt eine chromangereicherte Oberfläche mit geringerer Fläche; ein Ausheizen bei 250–400 °C treibt anschließend aus, was übrig bleibt. Eine mechanisch polierte und eine elektropolierte Kammer können sich in der Abpumpzeit um eine Größenordnung unterscheiden.
Dichtung: warum Elastomere nicht in Frage kommen
Viton permeiert und gast oberhalb von etwa 150 °C aus – unterhalb jeder sinnvollen Ausheiztemperatur. Jede Verbindung auf der Hochvakuumseite eines UHV-Systems muss deshalb ConFlat mit Kupferdichtung sein, damit die Dichtung metallisch ist und das Ausheizen übersteht. KF ist auf der Grobvakuumseite in Ordnung und sonst nirgends.
Werkstoffe
316L ist der Standard – wegen der Korrosionsbeständigkeit und des Verhaltens nach dem Elektropolieren. 316LN wird spezifiziert, wenn die magnetische Permeabilität niedrig bleiben muss, etwa nahe einer Elektronensäule oder einer Magnetlinse. Aluminium wird für sehr große Kammern verwendet, bei denen das Gewicht die Konstruktion bestimmt; es erfordert jedoch eine eigene Schweiß- und Reinigungsroute, und sein Ausgasen ist im unteren Druckbereich schwerer zu beherrschen.
Komponenten rund um die Kammer
UHV-Systeme brauchen mehr als einen Behälter: CF-Flansche, Schaugläser, Durchführungen, Faltenbälge, Manipulatoren sowie Pump- und Messstutzen – alle mit Metalldichtungen und alle auf dieselbe Temperatur ausheizbar wie die Kammer. Kammer und Stutzen in einer Aufspannung zu bearbeiten vermeidet den Versatz, der entsteht, wenn ein Stutzen erst nach Fertigstellung des Mantels angesetzt wird.
Was wir im eigenen Haus beherrschen
- 304 / 316L stainless steel and 6061 / 5083 aluminium fabrication
- Clean-environment TIG welding with full penetration and no micro-porosity
- Helium mass-spectrometer leak testing to 1 × 10⁻⁹ mbar·l/s
- In-house electropolishing and passivation — not subcontracted
- Chamber bake-out to 150–400 °C for UHV outgassing control
- Precision-machined ISO-KF, ISO-K and CF (ConFlat) flanges
- Zeiss CMM verification to ±0.02 mm across large work envelopes
- 12 m gantry CNC machining — 12 m × 4 m × 2 m envelope
- SEMI-referenced documentation and inspection protocols
Häufig gestellte Fragen
Ab welchem Druck spricht man von Ultrahochvakuum?
Unterhalb von etwa 1 × 10⁻⁹ mbar (rund 7.5 × 10⁻¹⁰ Torr). Das Hochvakuum endet nahe 1 × 10⁻⁷ mbar; dazwischen liegt ein Bereich, in dem Elastomerdichtungen noch nutzbar sind, die Kammer aber ohne vollständig metalldichte, ausgeheizte Bauweise nicht tiefer kommt.
Warum muss eine UHV-Kammer ausgeheizt werden?
Weil Wasser und Wasserstoff von den inneren Oberflächen desorbieren und diese Desorption den Druck hochhält. Erwärmen auf 250–400 °C bei kontinuierlichem Pumpen treibt sie aus. Ohne Ausheizen adsorbieren die Oberflächen bei jedem Belüften erneut Wasser.
Was ist 316LN und wann wird es benötigt?
316LN ist ein kohlenstoffarmer, stickstofflegierter Edelstahl mit kontrollierter magnetischer Permeabilität. Er wird spezifiziert, wenn ein Magnetfeld den Prozess oder die Messung stören würde, beispielsweise im Bereich einer Elektronenstrahlsäule.
Kann eine UHV-Kammer geschweißt statt verschraubt werden?
Ja, und eine geschweißte Bauweise ist für den Mantel der Normalfall, weil eine Schweißnaht eine dauerhafte Metalldichtung ohne auszuheizende Dichtung ist. Sie bedeutet aber auch, dass die Kammer nicht mehr zerlegbar ist – die Konstruktion muss also vor dem Schweißen stimmen. Deshalb bearbeiten wir die Dichtflächen nach dem Schweißen und nicht davor.
Wie lange dauert es, eine Kammer auf UHV abzupumpen?
Eine korrekt elektropolierte und ausgeheizte Kammer mit einigen zehn Litern Volumen erreicht 10⁻⁹ mbar typischerweise innerhalb eines Tages nach Pumpbeginn. Eine Kammer mit verschmierter Oberfläche und ohne Ausheizen braucht Wochen und erreicht den Wert unter Umständen nie.
Verwandte Fertigungskompetenzen
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