Hochvakuum

Als Hochvakuum wird ein extrem niedriger Gasdruck in geschlossenen Systemen bezeichnet. In diesem Druckbereich dominiert die molekulare Strömung, weshalb viele klassische Strömungsgesetze hier nicht mehr gültig sind. Der Hochvakuumbereich umfasst Drücke von etwa 10⁻⁷ bis 10⁻³ mbar. In diesem Bereich ist die Teilchendichte sehr gering, sodass die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle sehr groß wird. Die Gasmoleküle stoßen häufiger mit den Wänden als miteinander zusammen, weshalb von molekularer Strömung gesprochen wird.

Die mittlere freie Weglänge λ lässt sich idealisiert mit der folgenden Gleichung beschreiben:

λ = k_B · T / (√2 · π · d² · p)

• λ ist die mittlere freie Weglänge,
• k_B ist die Boltzmann-Konstante,
• T ist die Temperatur,
• d ist der Moleküldurchmesser 
• p ist der Druck

Hochvakuum wird in der Praxis mehrstufig erzeugt. Zunächst evakuiert eine Vorvakuumpumpe den Feinvakuumbereich. Anschließend übernimmt eine Hochvakuumpumpe, zum Beispiel eine Turbomolekular- oder Diffusionspumpe. Die erreichbare Enddruckhöhe hängt stark von Leckagen, Ausgasung und der Sauberkeit der Oberflächen ab. Die Leistungsfähigkeit einer Hochvakuumanlage wird durch das Saugvermögen S und die Leckrate Q_L beschrieben. Eine einfache Bilanzgleichung lautet: 

Q_L = p_(end) · S

• p_(end) ist der stationäre Enddruck 
• Q_L ist die Leckrate,
• p_end ist der stationäre Enddruck 
• S ist das Saugvermögen

Kleine Leckraten und ein hohes effektives Saugvermögen ermöglichen niedrigere Enddrücke. Hochvakuum wird in der Dünnschicht- und Halbleitertechnik genutzt, da die geringe Restgasdichte die Abscheidung reiner Schichten erleichtert. In der Elektronenoptik sorgt Hochvakuum dafür, dass Elektronenstrahlen kaum an Gasatomen streuen. Typische Anwendungen sind Elektronenmikroskope und Elektronenstrahl-Schweißanlagen. Auch bei der Wärmebehandlung von Metallen ist Hochvakuum wichtig. Vakuumöfen verhindern Oxidation und ermöglichen metallisch blanke Oberflächen. In der Analytik werden massenspektrometrische Verfahren häufig im Hochvakuum betrieben, um definierte Flugbahnen von Ionen sicherzustellen. In Mischern und in der Pulvertechnologie kommen Hochvakuumbedingungen nur in Spezialanwendungen vor.