Anwenderberichte
Ionenstrahlanalyse mittels Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBS) mit Vakuumpumpe VACUU∙PURE® 10
© Mark Mangus, IBeAM-Labor der Arizona State University
Das Labor für „Ionenstrahlanalyse von Materialien“ (Ion Beam Analysis of Materials, IBeAM) an der Arizona State University sucht immer nach Wegen, sein Equipment zu verbessern. Es gehört zum Eyring Materials Center, dessen leitender Forschungsspezialist Mark Mangus ist. Dieser arbeitet eng mit Studierenden und Partnern aus der Industrie zusammen, führt Schulungen zur Nutzung der Geräte sowie zur Datenverarbeitung durch und ist für die Wartung des Equipments verantwortlich. Im Anwenderbericht spricht er über technische Details und Vorteile der Vakuumpumpe VACUU∙PURE 10 für den Teilchenbeschleuniger der Universität.
„Ich bin ständig auf der Suche nach dem nächsten Upgrade. Denn wenn ich nur repariere, kann ich weder Studierende und Forschende schulen noch andere Dinge verbessern“, erzählt Mark Mangus. Eine Optimierungsmaßnahme, die er prüfen wollte, bestand in der Anschaffung einer wartungsärmeren Vorvakuumpumpe für den Teilchenbeschleuniger.
Voraussetzung dafür war, dass die neue Vorvakuumpumpe weiterhin ein zuverlässiges, stabiles und vibrationsarmes Vakuum gewährleisten würde, um optimale Bedingungen für die Experimente am Teilchenbeschleuniger zu schaffen. Mangus führte eine Bewertung der Schraubenpumpe VACUU∙PURE® 10 von VACUUBRAND als Alternative zu ölgedichteten Drehschieberpumpen durch. Dabei stellte er fest, dass sie eine vergleichbare Leistung bietet, ohne dass Ölwechsel oder Wartung erforderlich sind.
Anforderungen der Hochvakuumanwendungen
- Verlässlichkeit: Die Minimierung von Ausfallzeiten ist entscheidend, um die Effizienz der Experimente zu maximieren und Wartungskosten zu senken.
- Tiefes, stabiles Vakuum: Der Teilchenbeschleuniger benötigt ein stabiles Vakuum von 10⁻³ mbar von der Vorvakuumpumpe, um gleichbleibende Vakuumwerte von bis zu 10⁻⁹ mbar mit der Turbomolekularpumpe zu erreichen.
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Geringe Vibrationen: Die Minimierung von Vibrationen sorgt für die Stabilität empfindlicher Geräte und verbessert die Reproduzierbarkeit experimenteller Daten.
Details des Teilchenbeschleunigers
Kammer zur Ionenstrahlanalyse von Materialien (IBeAM)
© William Hollander - ASU Core Facilities Marketing
Beim Teilchenbeschleuniger im IBeAM-Labor handelt es sich um einen 1,7 MeV-Tandetron-Ionenbeschleuniger. Er ermöglicht verschiedene Experimente im Bereich der Ionenstrahlanalyse (IBA) und der Ionenstrahlmodifikation von Materialien (IBMM). Einige der einzigartigen Anwendungen umfassen:
- Analyse der chemischen Zusammensetzung von derzeitigen und zukünftigen Dünnschichtsystemen für Halbleiteranwendungen.
- Partikel-(Ionen-)-induzierte Röntgenemission (PIXE) zur chemischen Analyse von Kulturartefakten, einschließlich römischer Totenmasken, antiker Keramik und Statuen sowie Metallen, die in antiken Waffen verwendet wurden, mit dem Ziel der Authentifizierung und der Bestimmung antiker Handelsrouten.
- Partikel-(Ionen-)-induzierte Gamma-Emission (PIGE) für die Isotopenanalyse von Lithium und anderen Elementen, die in Energieanwendungen eingesetzt werden.
Drehschieber-, Scroll- oder Schraubenpumpe?
Ölfreie Schraubenpumpe VACUU∙PURE® 10 ohne Verschleißteile
Die Analysekammer des Teilchenbeschleunigers arbeitet im Hochvakuumbereich (10-7 bis 10-8 mbar). Die Schleusenkammer (engl. load lock), über die Proben und benötigtes Material in die Analysekammer gelangen, wird zunächst mithilfe der Vorvakuumpumpe auf einen relativen Vordruck von etwa 0,07 mbar abgepumpt. Anschließend wird die Turbomolekularpumpe eingeschaltet, um die Vorkammer auf 10-6 bis 10-7 mbar zu bringen. Die verwendete Turbomolekularpumpe ist für bis zu 260 l/s ausgelegt.
Bis vor kurzem war eine ölgedichtete Drehschieberpumpe mit einem Nennsaugvermögen von 14,2 m3/h und einem Endvakuum von 2 x 10-3 mbar im Einsatz. Um die Eignung einer wartungsarmen Alternative zu testen, haben wir die Drehschieberpumpe durch die Schraubenpumpe VACUU∙PURE 10 ersetzt. Die neue Pumpe hat ein Nennsaugvermögen von 10 m3/h und ein Endvakuum von 5 x 10-3 mbar. Das Evakuieren der Vorkammer von Atmosphärendruck auf den relativen Vordruck von ca. 0,07 mbar dauerte mit der Drehschieberpumpe etwa 6 Minuten – eine vergleichbare Zeit erzielten wir auch mit der neuen Schraubenpumpe. Beim Öffnen des Absperrventils zwischen Schleusenkammer und Analysekammer zeigte sich bei der Nutzung der Pumpe VACUU∙PURE 10 ein Druckanstieg von weniger als einer Zehnerpotenz.
Mangus erwog auch Scrollpumpen als Alternative zu den bisherigen Drehschieberpumpen. Eine erste Bewertung der Kosten, Wartungsanforderungen und des Endvakuums vergleichbarer Scrollpumpen auf dem Markt ergab jedoch, dass sowohl die Schraubenpumpe VACUU∙PURE 10 als auch die bisherige Drehschieberpumpe diesen überlegen waren. Da der Nutzen von Scrollpumpen für seine Anwendungen gering erschien, betrachtete Mangus schließlich nur die Pumpe VACUU∙PURE 10 als geeigneten Ersatz für die Drehschieberpumpe.
Letztlich kam Mangus zu dem Schluss, dass die Schraubenpumpe VACUU∙PURE 10 eine vergleichbare Leistung bietet und gleichzeitig die Vorteile einer wartungsarmen Vorvakuumpumpe mit sich bringt. Im Gegensatz dazu erforderten die Drehschieberpumpen in der Vergangenheit nicht nur regelmäßige Ölwechsel, sondern mussten etwa alle zwei Jahre zur Überholung eingeschickt werden – ein erheblicher Aufwand an Zeit und Ressourcen. Dies schränkte zudem die Verfügbarkeit des Teilchenbeschleunigers für Forschungsprojekte von Studierenden und Industriepartnern der Universität ein.
Fazit
Die Integration der Vakuumpumpe VACUU∙PURE 10 erfüllt im IBeAM-Labor der Arizona State University die hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Stabilität und geringe Vibration. Mit ihrer vergleichbaren Leistung zu herkömmlichen Geräten und dem Wegfall von Ölwechseln unterstützt sie effizientere Forschungsprozesse und fördert die Zusammenarbeit mit Studierenden und Industriepartnern.
