Vacuum Technology Book, Volume II

4.9.1.3 Pumpeigenschaften von Turbopumpen

Gaslasten

Die Gaslasten, $q_{pV}=S \cdot p=\frac{dV}{dt} \cdot p$(Formel 1-16),

die man mit einer Turbomolekularpumpe fördern kann, steigen im Bereich konstanten Saugvermögens proportional zum Druck an. Im abfallenden Ast des Saugvermögens können die maximal geförderten Gaslasten weiter ansteigen, erreichen jedoch thermisch bedingte Grenzen, die auch von der Größe der Vorpumpe abhängen. Die maximal zulässigen Gaslasten sind weiter abhängig von der Pumpentemperatur (Kühlung bzw. auch beheizte Pumpen) und der Gasart. Problematisch ist das Fördern schwerer Edelgase, da sie bei Stößen auf den Rotor viel Verlustleistung erzeugen und wegen ihrer geringen spezifischen Wärme nur wenig davon zum Gehäuse hin abführen.

Durch herstellerseitige Messung der Rotortemperatur können gasartabhängige Prozessfenster zum sicheren Betrieb der Turbopumpen empfohlen werden. In den technischen Daten der Turbopumpen sind die maximal zulässigen Gaslasten bei Nenndrehzahl für die Gasarten Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Argon und CF4 angegeben. Eine Reduzierung der Drehzahl erlaubt höhere Gasdurchsätze.

Die Pumpen der HiPace-Serie mit Saugvermögen > 1.000 l · s-1 sind mit einer Rotortemperaturüberwachung ausgestattet und schützen sich selbst vor Überhitzung.

Vorvakuumverträglichkeit

Unter der Vorvakuumverträglichkeit versteht man den maximalen Druck auf der Vorvakuumseite der Turbomolekularpumpe, bei dem die Kompression der Pumpe absinkt. Dieser Wert wird im Rahmen der Messungen zur Bestimmung der Kompressionsverhältnisse nach

ISO 21360-1:2012 durch Erhöhung des Vorvakuumdrucks ohne Gaseinlass auf der Saugseite ermittelt. Die maximale Vorvakuumverträglichkeit ist in den technischen Daten der Turbomolekularpumpen immer für Stickstoff angegeben.

Basisdruck, Enddruck, Restgas

Man unterscheidet bei Vakuumpumpen zwischen Enddruck und Basisdruck (siehe auch Abschnitt 4.1.3). Während der Basisdruck $p_b$ von der Pumpe unter den in den Messvorschriften angegebenen Bedingungen in der vorgeschriebenen Zeit erreicht werden muss, kann der Enddruck $p_e$ wesentlich tiefer liegen. Der Basisdruck wird bei sauberen Bedingungen und metallischer Abdichtung im HV-Bereich nach 48 Stunden Ausheizen erreicht. Bei Pumpen mit Aluminiumgehäuse ist der Basisdruck angegeben, der ohne Ausheizen mit sauberen FKM- Dichtungen erreicht wird.

Pumpen in Korrosivgasausführung haben wegen der Beschichtung der Rotoroberfläche eine höhere Desorp-tionsrate, die vorübergehend zu höheren Basisdrücken führen kann.

Der Enddruck ergibt sich durch Division des Vorvakuumdrucks durch das Kompressionsverhältnis.

\[p_e=\frac{p_v}{K_0}\]

Formel 4-14: Enddruck

Ob er erreicht wird, hängt von der Größe und Sauberkeit der Apparatur und der Pumpe sowie von den Ausheiz-bedingungen ab. Nach extremem Ausheizen (bis über 300 °C) findet man im Restgas nur noch H2, CO und CO2. Diese Gase sind im Metall des Rezipienten gelöst und treten permanent aus. Ein typisches Restgasspektrum einer sauberen, ausgeheizten Apparatur zeigt Abbildung 4.28.

Typisches UHV-Restgasspektrum (Turbopumpe)

Abbildung 4.28: Typisches UHV-Restgasspektrum (Turbopumpe)

Bei der verwendeten Vorpumpe sollte in regelmäßigen Abständen der Gasballast eingeschaltet werden, um eine Anreicherung von Wasserstoff im Vorvakuumbereich zu verhindern. In vielen Fällen wird der sich tatsächlich einstellende Enddruck durch die Desorptionsbedingungen auf der Hochvakuumseite der Turbopumpe und deren Saugvermögen bestimmt und nicht durch die Kompressionsverhältnisse der verwendeten Pumpen.

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