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Vakuum im Labor Mit Hochvakuumsystemen von der Forschung zum Fortschritt

Autor / Redakteur: Peter Lambertz* / Dr. Ilka Ottleben

Für zahlreiche Laboranwendungen ist Hochvakuum erst die Voraussetzung für einen optimalen Ablauf. Mit neuartigen Plug-and-Play-Systemen, die kompakt und mobil aufgebaut sind, lässt sich dies nun einfach und effizient durchführen.

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Abb.1: Blick in den Innenraum einer Vakuumkammer, in der zahlreiche Prozessschritte unter Hochvakuum durchgeführt werden (links im Bild sieht man die Vakuumpumpe).
Abb.1: Blick in den Innenraum einer Vakuumkammer, in der zahlreiche Prozessschritte unter Hochvakuum durchgeführt werden (links im Bild sieht man die Vakuumpumpe).
(Bild: Oerlikon Leybold Vacuum)

In unzählig vielen Forschungslaboren werden Hochvakuumsysteme benötigt – möglichst kompakt, örtlich flexibel und präzise. Denn sie werden in hochkomplexen Anlagen meist zur Erzeugung von Isoliervakuum eingesetzt. Dies kommt z.B. bei supraleitenden Magneten, Spektrometern, Strahlrohren und Beschleunigern zur Anwendung. Auch bei diesen hochtechnischen Anlagen fungiert die Vakuumtechnologie als Basistechnologie, die eine weitere Erforschung und Bearbeitung von naturwissenschaftlichen Themen erst ermöglicht.

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Daher ist der Einsatz dieser Systeme für die Forschung und Entwicklung in Laboren und Universitäten immer dann wesentlich, wenn auf kleinem Raum und mobil ein Hochvakuum erzeugt werden muss. Turbolab sind Plug-and-Play-Hochvakuumpumpsysteme auf der Grundlage bewährter Komponenten. Ausgehend von einer Design-Plattform bieten diese Systeme die Möglichkeit, verschiedene Varianten zu wählen. Die Systeme sind kompakt, vollständig zusammengebaut und können sofort in Betrieb genommen werden. Verschiedene Konfigurationen decken dabei die einzelnen Vakuumanforderungen einer Vielzahl von Applikationen aus den F&E-Märkten und analytische Anwendungen ab. Durch das einzigartige ölfreie Hybridlager der neuen Turbopumpen Turbovac i / iX sowie die Auswahlmöglichkeit verschiedener trockenverdichtender Vorpumpen ist ein kohlenwasserstofffreier Betrieb möglich.

Einfaches Datenmanagement möglich

Daten und Datenmanagement bilden einen kritischen Forschungsaspekt und die entsprechende Datenverwaltung und Auswertung kann sehr komplex sein. Deswegen bieten diese Hochvakuumsysteme eine Reihe von Vorteilen für den Kunden, die diese Aufgabe erleichtern. Alle kritischen Parameter und Betriebszustände wie Fehler, Warnmeldungen, Frequenz, Temperatur etc. werden in einem internen Speicher auf der Grundlage eines Standardzeitintervalls automatisch aufgezeichnet, welche der Benutzer sehr leicht vor Ort anpassen kann. Mit dem Software-Tool Turbolab-Daten-Viewer, als Download auf der Unternehmens-Webseite kostenlos verfügbar, können Benutzer leicht eine Protokolldatei erstellen. Alternativ können die letzten 512 Datenpunkte aus dem Turbolab-Daten-Viewer im Webserver eingesehen werden.

Der integrierte Webserver ermöglicht die Analyse der Betriebszustände und Ereignisse des Turbolab-Systems. Die Trend­ansicht auf einem Laptop oder mobilen Geräten zeigt die Ereignisse zu den hochgerechneten Parametern. Diese neue Darstellung von Ereignisdaten hilft bei der Diagnose systemrelevanter Bedingungen. Die neuen kompakten Hochvakuum-Pumpsysteme Turbolab werden vollständig montiert und betriebsbereit ausgeliefert und beinhalten eine Turbomolekularpumpe, eine Vorvakuumpumpe und eine innovative Anzeige- und Bedieneinheit.

Sowohl kompakte Tisch- aber auch mobile Cart-Varianten stehen zur Verfügung und bieten höchste Flexibilität und Komfort für den Betrieb.

Einbausätze für die flexible Montage der Turbopumpe abseits des Pumpstandsgestells sind ebenfalls verfügbar.

Eine breite Palette an Zubehörkomponenten z.B. Sperrgas- und Belüftungsventil, Luft- oder Wasserkühlung, Flanschheizung sowie Vorvakuum-Sicherheitsventil erleichtert die Anpassung an individuelle Bedarfe. Das System kann zudem mit Vorvakuum-Messgeräten Thermovac TTR und Hochvakuum-Sensoren Penningvac PTR ausgestattet werden. Angeschlossene Sensoren werden erkannt und Druckmesswerte werden automatisch auf dem Display angezeigt.

Highlights der neuen Systeme sind u.a.:

  • perfekt abgestimmtes, betriebsbereites Hochvakuumsystem mit ausgezeichneter Pumpleistung;
  • breites Anwendungsfeld durch ein komplettes Sortiment an Hochvakuumpumpen, trockenen oder ölgedichteten Vorvakuumpumpen;
  • geringer Platzbedarf und kompakte, mobile Konstruktion mit einfachem Standortwechsel der Pumpe in oder aus dem Rahmen;
  • hintergrundbeleuchtetes Display (Steu- erung/Überwachung/Konfiguration).

„Diese neue Generation von mobilen Hochvakuum-Pumpständen geht über den Stand der Technik hinaus”, erläutert Dr. Martin Füllenbach, CEO der Oerlikon Leybold Vacuum. „Heutzutage sind Daten und deren korrekte Interpretation wesentliche Faktoren in der automatisierten Forschung und Entwicklung, aber auch in der Fertigung. Die Verknüpfung von Grundlagenforschung hin zum industriellen Herstellungsprozess definiert häufig den Erfolg. Oerlikon Leybold Vacuum sieht sich als Partner der Kunden, um diese Aufgaben zu erleichtern.”

Hochvakuumsysteme für die Werkstofftechnik

Es geht auch eine Nummer größer in der Forschung und Entwicklung, wobei die Werkstofftechnik zumeist der kleinste gemeinsame Nenner ist.

Die Werkstofftechnik ist ein interdisziplinärer Bereich, der sich mit der Entdeckung und Entwicklung neuartiger Materialien durch Analyse ihrer Synthese, Struktur, Eigenschaften und Verhalten befasst.

Die Forschungsaktivitäten erstrecken sich über das gesamte Werkstoffspektrum einschließlich elektronischer, optischer und magnetischer Materialien, Polymeren, Implantationswerkstoffen für medizinische Zwecke und Nanowerkstoffen, beispielsweise Graphen. Werkstoffentwicklung stellt den wichtigsten Entwicklungsantrieb für Bereiche wie Elektronik, Pharmazeutik und Medizin, Energie, Nanotechnologie sowie der allgemeinen industriellen Werkstoffherstellung dar.

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Ein weiterer Bereich ist die Dünnschichttechnologie. Optische Beschichtungen verbessern das Reflektionsverhalten oder die Übertragungseigenschaften optischer Systeme wie Filter, Linsen, Brillengläsern oder Spiegeln. Typisch ist eine Kombination vieler dünner Schichten, zur Erzeugung unterschiedlicher Reflektionsverhalten oder für leitfähige Schichten. Sie werden üblicherweise durch Zerstäubungs- oder Verdampfungsverfahren aufgebracht.

Dünne Schichten für die Polymerelektronik werden z.B. in den Laboren des COPT-Zentrums der Universität Köln erforscht: In der organischen Elektronik werden in chemischen und physikalischen Prozessen aus Molekülen dünne Schichten erzeugt, die nur im Elektronenmikroskop sichtbar sind. Die organische Elektronik – oder auch Polymerelektronik – ermöglicht dadurch vollkommen neue, bisher nicht realisierbare elektronische Produkte: flexible Displays, Solarzellen auf Folien, medizinische Diagnosegeräte in der Kleidung oder sogar zum Aufkleben auf die Haut. Schon jetzt befinden sich OLEDs (Organische Leuchtdioden) in Leuchten oder Displays von Smartphones. Erste Fernsehgeräte mit OLEDs sind auf dem Markt, unzerbrechliche und flexible Displays aus Kunststoff sind bereits angekündigt. Die organische Elektronik wird in den kommenden Jahren die siliziumbasierte Elektronik durch viele neue Anwendungen ergänzen. Die meisten dieser Prozessschritte werden erst unter Hochvakuumbedingungen möglich.

Oerlikon Leybold Vacuum liefert speziell für die Forschung experimentelle Kammersysteme, in denen diverse Beschichtungen auf Substrate aufgebracht werden können. Die Beschichtungsanlagen Univex 350 G sind mit absolut trockenlaufenden Pumpen wie der Scrollvac und der Turbovac Magintegra ausgerüstet und schützen die empfindlichen OLED-Materialien vor Sauerstoff.

Drei Vakuumsysteme der Reihe Univex 350 G wurden hier mit Glovebox-Einheiten kombiniert, die unter dem Schutz einer reinen Stickstoffatmosphäre betrieben werden. Die Systeme der Univex-Reihe liefern reproduzierbare Ergebnisse – effizient und kostengünstig. Univex-Systeme sind teilstandardisiert, bei gleichzeitiger modularer Auslegung. Damit ermöglichen sie eine individuelle Ausstattung sowie nachträgliches Auf- und Umrüsten bei veränderten Prozessbedingungen und hoher Zuverlässigkeit.

Simulation für die Weltraumforschung

Ein gutes Beispiel für die Interaktion dieser Technologien bei großen Projekten ist die Raumfahrt. Raumfahrtmissionen, wissenschaftliche oder kommerzielle Satelliten, Raumforschungsprojekte wie die Rosetta-Mission der ESA oder der Rover der NASA-Marsexpedition können nur gelingen, wenn alle eingesetzten Werkstoffe, Komponenten und Baugruppen erfolgreich unter Hochvakuum- und Ultrahochvakuumbedingungen getestet wurden. Weltraumsimulationskammern gibt es in allen Größen: von wenigen Litern zum Testen kleiner Objekte wie Leiterplatten bis hin zu mehreren tausend Kubikmetern für den Nachweis der Raumfahrttauglichkeit ganzer Raumschiffe.

* P. Lambertz: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH, 50968 Köln

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