Vortrag zur Vakuumtechnik

Anlässlich des Pulsar Kongresses neue Weltbilder, neue Technologien im April 2004 in Pöllauberg wurde von mir dieser Vortrag zum Thema Vakuumtechnik gehalten. Er soll vor allem helfen, in der Praxis richtig mit der Vakuumtechnik umgehen zu können, da sich auf dem letzten NET-Kongress in Breisach gezeigt hat, dass es auf diesem Gebiet immer wieder zu Missverständnissen aufgrund einer falschen Vorstellung von Vakuum kommt.


Inhalt:

1.      Historisches
2.      Druckeinheiten
2.1    Absoluter und relativer Druck
3.      Vakuumbereiche
4.      Vakuumpumpen
4.1    Membranpumpe
4.2    Drehschieberpumpe
4.2.1 Gasballast
4.3    Turbomolekularpumpe
4.3.1 Umkehrung der Turbopumpe
5.      Vakuummessgeräte
5.1     Mechanische Verfahren
5.2     Thermische Verfahren
5.3     Ionische Verfahren
6.       Versuche mit Grob- und Feinvakuum
6.1     Luftwiderstand
6.2     Volumenvergrößerung
6.3     Dampfdruck von Wasser
6.4     Trippelpunkt von Wasser
6.5     Stromleitung in verdünnten Gasen
6.5.1    Stromrichtung
6.5.2    Freie Wegstrecke
6.5.3    Gleichrichtung
7.         Versuche mit Hochvakuum
7.1       Elektronenröhre
7.2       Röntgenröhre
8.         Zusammenfassung


1. Historisches


Magdburger Halbkugeln Im Jahre 1656 führte Otto von Guericke (1602-1686), Bürgermeister der Stadt Magdeburg, ein legendäres Experiment zum Nachweis des Vakuums durch. Er benutzte zwei Kupferschalen von 42cm Durchmesser, die lose aneinander gelegt und mit einem Lederriemen abgedichtet wurden. Mit einer umgebauten Feuerwehrspritze entfernte er die Luft aus dem Innenraum. An jede der beiden Schalen spannte er 8 Pferde, denen es aber nicht gelang die Schalen zu trennen, der Luftdruck war in diesem historischen Kräftemessen der Stärkere. Heute ist das Experiment unter dem Namen Magdeburger Halbkugeln bekannt.

Mit diesem eindrucksvollen Experiment widerlegte er die damals noch vorherrschende Meinung, dass es keinen absolut leeren Raum geben könne. Man nannte es „Horror vacui“, die Furcht der Natur vor der Leere. Damit erklärte man z.B. die Funktion von Pumpen.

2. Druckeinheiten

Um noch bei dem historischen Beispiel zu bleiben, wollen wir zunächst die Kraft berechnen, mit der die Magdeburger Halbkugeln aufeinander drückten. Das führt uns zu der Definition des Drucks, welche als Kraft pro Flächeneinheit festgelegt ist.
Druck
Verschiedene Druckeinheiten:
Einheit
Name
Umrechnung
1 Pa
Pascal
1 Pa = 1 N/m²
1 bar
Bar
1 bar = 10^5 Pa = 0,1 MPa
1 mbar
Millibar
1 mbar = 100 Pa = 1 hPa
1 atm
phys. Atmosphäre
1 atm = 101325 Pa
1 at
techn. Atmosphäre
1 at = 98067 Pa
1 torr
Torr
1 torr = 133,32 Pa

Die Grundeinheit des Drucks ist daher N/m², was auch als Pa (Pascal) bezeichnet wird. Nun ist Pa eine sehr kleine Einheit, was in der Praxis zu sehr großen Zahlenwerten führt. Im Alltag hat sich die Einheit bar durchgesetzt. 1 bar ist definiert als 10^5 Pa, das ist angelehnt an den mittleren Luftdruck auf Meeresniveau, der genau 1,01325bar entspricht, sodass man sagen kann, der normale Luftdruck beträgt in etwa 1bar.
Vor allem bei Luftdruckangaben trifft man häufig auch auf mbar (Millibar), also 1/1000 bar, wobei denn 1 mbar genau 1 hPa (Hektopascal) entspricht.
Die beiden alten Einheiten der physikalischen und der technischen Atmosphäre leiten sich aus dem mittleren Luftdruck bzw. aus der Steighöhe von Wasser ab.
Die vor allem im amerikanischen Raum gängige Einheit Torr entspricht der Steighöhe von Quecksilber in einem umgedrehten, luftdichten Rohr. Diese entspricht bei 1,01325bar genau 760mm.
       
Berechnung der Druckkraft an den Magdeburger Halbkugeln:

Gegeben:
Druckkraft

2.1 Absoluter und relativer Druck

Im täglichen Umgang mit Druckangaben verwenden wir zwei unterschiedliche Systeme, ohne weiter darüber nachzudenken. Wenn jemand sagt, der Luftdruck beträgt heute 1000mbar, dann ist damit immer der absolute Druck gemeint.
Wenn hingegen jemand sagt, der Autoreifen benötigt einen Druck von 2 bar, dann ist damit eine relative Angabe gemeint, also ein Überdruck zum normalen Luftdruck. In dem Autoreifen herrscht letztendlich ein Druck von 3,013bar, wenn man mit dem mittleren Luftdruck von 1013mbar auf Meereshöhe rechnet. Wir sehen also, dass die relative Angabe speziell beim Autoreichen Sinn macht, denn sonst müssten wird uns immer mit dem tatsächlichen Luftdruck und damit verbunden auch mit der Seehöhe auseinandersetzten, auf der wir den Reifen füllen. Letztendlich wirkt als mechanische Kraft im Reifen ohnedies nur der Differenzdruck zum äußeren Luftdruck.
Bei Angaben von Unterdrücken ist es ähnlich. Ein Unterdruck von 100mbar, entspricht einem absoluten Druck von 913mbar. Bei der Angabe eines Vakuums hat sich die absolute Druckangabe durchgesetzt hat. Demnach ist 0bar ein vollständiges Vakuum, dass ähnlich wie der absolute Nullpunkt nie zur Gänze erreicht werden kann, dem man sich aber auf viele Nachkommastellen nähern kann. Im Hochvakuumbereich trifft man daher häufig auf Angaben in Exponentialschreibweise wie etwa 2*10^-5mbar.

3. Vakuumbereiche

Grobvakuum
1000mbar bis 1mbar
Feinvakuum
1mbar bis 10^-3mbar
Hochvakuum
10^-3mbar bis 10^-7mbar
Ultrahochvakuum
weniger als 10^-7mbar

Je nach Höhe des Vakuums unterscheidet man verschiedene Vakuumbereiche. Jeder dieser Bereiche hat seine ganz spezifischen Anwendungsgebiete und stellt auch spezielle Anforderungen an die verwendeten Geräte.
Grobvakuum nutzt man hauptsächlich auf Grund seiner mechanischen Kraftwirkung. Die Pneumatik erschließt hier ein Anwendungsgebiet, das von Unterdruckschaltern zur Überwachung von Luftströmungen bis hin zu Hebeplatten in der Automatisierten Fertigung reicht.
Beim Feinvakuum geht es schon mehr um die physikalischen Eigenschaften, die Gefriertrocknung sei hier als ein Beispiel angeführt.

Beim Hochvakuum geht es um die molekularen Eigenschaften des Gases, es findet meist in Verbindung mit der Elektrotechnik Verwendung. Die Elektronenröhren, oft ja auch Hochvakuumröhren genannt, die in früherer Zeit die Entwicklung der Elektronik überhaupt erst ermöglicht haben, sind nur ein Beispiel dafür.
Auch im Bereich der Atomphysik ist Hochvakuum in Teilchenbeschleuniger bis hin zur Röntgenröhre zu finden.

Hier zeigt sich deutlich der Unterschied zwischen den Vakuumbereichen. Während beim Grobvakuum noch die mechanische Kraftwirkung im Vordergrund steht, ist diese im Hochvakuumbereich nur mehr von sekundärer Bedeutung. Auch nehmen diese Kräfte nicht mehr wesentlich zu, wenn man vom Grob- in den Hochvakuumbereich übergeht, da die Druckänderung nur mehr in den hinteren Kommastellen erfolgt.

Den Bereichen sind auch unterschiedliche Typen von Pumpen zugeordnet, von denen wir jetzt einige betrachten wollen.

4. Vakuumpumpen

Vakuumpumpen sind Geräte zum Entfernen der Umgebungsluft aus einem entsprechend abgedichteten Raum. Man unterscheidet zwei grundsätzlich verschiedene Funktionsprinzipien. Fördernde Pumpen saugen die Luft an, verdichten sie auf Umgebungsdruck und geben sie wieder ab.
Bindende Pumpen hingegen hindern die Luftmoleküle daran sich weiter frei zu bewegen, entfernen sie aber nicht. Ein Beispiel dafür ist z.B. die der Kroypumpe, die das Gas durch tiefe Temperaturen ausfriert. Bei Getterpumpen erfolgt die Pumpwirkung durch gasbindende Stoffe (Getter).

4.1 Membranpumpe

Membranpumpe Die Membranpumpe ist eine sehr einfach aufgebaute, mechanisch fördernde Vakuumpumpe. Sie besteht aus einem Kolben, der eine Membran betätigt. Durch je ein Ventil auf der Saug- und Druckseite wird der Volumenstrom gesteuert. Bewegt sich der Kolben abwärts, so öffnet das Saugventil und Luft kann von der Vakuumseite her einströmen. Wenn sich der Kolben wieder aufwärts bewegt, wird die Luft solange verdichtet, bis der Überdruck ausreicht, um das Auslassventil zu öffnen, dann wird die Luft ausgestoßen. Membranpumpen erzeugen ein sehr sauberes, ölfreies Vakuum von bis zu etwa 20mbar, bei zweistufigen Modellen.

4.2 Drehschieberpumpe

Drehschieberpumpe = Drehschieberpumpe
Die Drehschieberpumpe zählt ebenfalls zu den mechanisch fördernden Pumpen. Sie bestehet aus einem zylindrischen Gehäuse, in dem sich ein außermittig angebrachter Rotor dreht. In entsprechenden Rotorschlitzen befinden sich zwei oder mehrere (Vielschieberpumpe) durch Federn oder Fliehkraft belastete Schieber, die an der Gehäusewand entlang gleiten. Auf Grund der exzentrischen Lage wird durch die Weiterdrehung des Rotors das auf der Saugseite eingeschlossene Gas soweit komprimiert, bis es den Umgebungsdruck übersteigt und sich das Auslassventil öffnet.
Zur Abdichtung von Saug- und Druckseite und zur Verringerung der Reibung läuft die Pumpe in einem Ölbad. Hierzu darf nur Öl mit einem sehr geringen Dampfdruck verwendet werden.
Für die Dichtung ist es erforderlich, dass beide Schieber immer einen Ölfilm unter sich bilden. Dieser reißt an den Kanten ab und bildet feine Tröpfchen, die als Ölnebel auf der Auslassseite austreten. Daher ist für den Betrieb in geschlossenen Räumen immer ein Ölnebelfilter notwendig.

4.2.1 Gasballast


Wenn mit einer Drehschieberpumpe Gase gefördert werden, die einen kondensierbaren Anteil, wie z.B. Wasser- oder Lösungsmitteldämpfe enthalten, so kann es vorkommen, das diese bei der Kompressionsphase kondensieren und so das Öl kontaminiert wird was der Pumpe schaden kann. Auf der Vakuumseite verdampfen die eingeschlossenen Inhalte dann wieder, wodurch sich das Endvakuum verschlechtert.
Um das zu vermeiden, sind fast alle Drehschieberpumpen mit einem sogenannten Gasballast ausgerüstet. Durch eine zusätzliche Leitung wird unmittelbar nach Abdichtung der Saugseite von außen Luft angesaugt, und damit die Kompression soweit herabgesetzt, dass der Dampf nicht mehr kondensieren kann. Durch das Gasballastventil kann diese Leitung für das Pumpen von trockenen Gasen abgesperrt werden, wodurch ein höheres Vakuum erreicht wird.
Zweistufige Drehschieberpumpen erreichen eine Endvakuum von bis zu 10^-4 mbar.

4.3 Turbomolekularpumpe

Turbomolekularpumpe Wie der Name schon sagt, nutzt diese Pumpe die molekularen Eigenschaften eines Gases. Sie ist zwar ähnlich einer Turbine mit stehenden Statorschaufeln und rotierenden Rotorschaufeln aufgebaut, ihre Funktion ist aber nicht mit dem viskosen Strömen der Luft zu erklären.
Damit das Gas molekulare Eigenschaften zeigt, ist ein entsprechend hohes Vorvakuum nötig, das von einer Vorpumpe zur Verfügung gestellt werden muss. Die Turbopumpe kann nicht auf Atmosphärendruck verdichten !
Das Vorvakuum muss so hoch sein, dass die freie Wegstrecke, die ein Luftmolekül bis zum Zusammenstoß mit einem anderen zurücklegt, größer ist, als der Abstand zwischen Rotor und Stator. Wenn das sichergestellt ist, dann erteilt der Rotor jedem Molekül, dass auf ihn trifft einen zusätzlichen Impuls in seiner Bewegungsrichtung. Die normalerweise ungerichtete und völlig chaotische Wärmebewegung der Moleküle erhält so eine Vorzugsrichtung zur Vorvakuumseite hin, wo die Moleküle durch die Vorpumpe abgesaugt werden. Man könnte auch sagen, die Turbopumpe beeinflusst die Wahrscheinlichkeit, mit der sich die Moleküle an einem bestimmten Punkt aufhalten.

Turbomolekularpumpe Die Turbopumpe verdankt ihren Namen auch dem extrem schnell laufenden Rotor. Das ist notwendig, damit die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors in den Bereich der Molekülgeschwindigkeit gelangt, um eine nennenswerte Beeinflussung zu erzielen.
In der Praxis werden diese hohe Drehzahl von z.B. 60.000 U/min bei diesem Modell mit einem 2 poligen, 3phasigen Asynchronmotor erzeugt, der über einen externen Frequenzumrichter mit einer Drehspannung versorgt wird. Der Umrichter übernimmt auch die notwendigen Überwachungen von Strom und Temperatur und regelt den Hochlauf des Rotors, der nur bei vorhandenen Vorvakuum überhaupt möglich ist und selbst dann noch einige Minuten lang dauert.
Eine Turbopumpe erreicht ein Endvakuum von bis zu 10^-10 mbar.

4.3.1 Umkehrung der Turbopumpe

Die Umkehrung dieses Funktionsprinzips ist für die Freie Energieforschung sehr interessant. Denn so wie die Turbomolekularpumpe die freie Wegstrecke zwischen den Molekülen ausnützt, um die normalerweise völlig chaotisch fliegenden Moleküle in eine gerichtete Strömung umzuleiten, so kann dieser Effekt natürlich auch umgekehrt werden.

Air Energy Mikhail P. Beshok aus Russland hat in einem Artikel im New Energy Technologies Magazine, Issue #4(13) July-August 2003 auf diesen sehr interessanten Effekt hingewiesen.
Gemäß dem kinetischen Gasmodell entsteht der Luftdruck auf eine Fläche aus den unzähligen Stößen der Luftmoleküle. Bei gleichen Flächen herrscht auch gleicher Druck.
Durch die Vergrößerung der Oberfläche mit Hilfe einer Struktur, deren Abmessungen kleiner sind als die freien Wegstrecke der Luftmoleküle, entsteht aus der ungerichteten Wärmebewegung eine gerichtete Kraft, die sich als erhöhter Luftdruck auf die strukturierte Fläche äußert.
Die Struktur muss so angelegt sein, dass sich ein Molekül innerhalb ihrer Ausdehnung frei bewegen kann, ohne dabei auf ein anderes zu stoßen und dabei die Wände der Rotorstruktur mindestens zwei mal trifft, was z.B. in einem kegelförmigen Loch der Fall ist.
Diese Überlegung setzt voraus, dass der Stoßvorgang zum Teil elastisch verläuft, denn nur dann kann beim zweiten Stoß noch ein zusätzlicher Impuls übertragen werden.
Radiometer Das Funktionsprinzip wäre ähnlich wie beim Radiometer, nur das hierbei direkt die Umgebungswärme genutzt wird und keine zusätzliche Wärmeenergie eingestrahlt werden muss.

5. Vakuummessgeräte

Vakuummessgeräte
Die Verfahren zur Messung eines Vakuums gliedern sich analog zu den unterschiedlichen Vakuumbereichen ebenfalls in verschiedene Messverfahren.

5.1 Mechanische Verfahren

Für Drücke im Grobvakuumbereich kommen mechanische Verfahren zur Anwendung, welche die mechanische Kraftwirkung des Unterdrucks ausnutzen. Die Auswertung kann über mechanische Zeiger, wie beim klassischen Manometer oder durch elektrische Wandler, wie z.B. Piezoaufnehmer oder kapazitiven Membranen erfolgen. Diese Verfahren messen unabhängig von der Gasart auf direktem Wege den Druck.
Verfahren, welche die Reibung der Gasmoleküle ausnutzen, wie sie etwa bei dem Hochlauf der Turbomolekularpumpe ohne entsprechendes Vorvakuum zu beobachten ist, nehmen eine Sonderstellung unter den mechanischen Verfahren ein.

5.2 Thermische Verfahren

Im Feinvakuum- und unteren Hochvakuumbereich weist die mechanische Kraftwirkung keine nennenswerte Änderung mehr auf. Hierbei kommt ein thermisches Verfahren zu Anwendung, welches die Änderung der thermischen Leitfähigkeit des Mediums unter verschiednen Druckverhältnissen ausnutzt und so den Druck auf indirektem Wege misst. Die Wärmeleitfähigkeit ist abhängig von der Gasart.
Im Verfahren nach Pirani wird ein dünner Draht mit einer konstanten Heizleistung versorgt und sein Widerstand, als temperaturabhängige Größe ausgewertet. Unter hohem Druck ist die Kühlwirkung der Luft größer und es wird bei gleicher Heizleistung eine niedrigere Temperatur erreicht, als bei geringem Druck.

5.3 Ionische Verfahren

Im Hoch- und Ultrahochvakuumbereich reichen auch die thermischen Änderungen nicht mehr aus, um eine brauchbare Differenzierung zu erhalten. Hierbei kommen ionische Verfahren zum Einsatz, welche den Effekt der Stromleitung in verdünnten Gasen ausnutzen, der in Kapitel 6.5 noch näher beschrieben wird. (Verfahren nach Penning) Da sich manche Gase leichter ionisieren lassen als andere ist auch dieses Verfahren gasabhängig.

6. Versuche mit Grob- und Feinvakuum

Vakuumglocke Für Versuche im Vakuum ist eine Vakuumglocke hilfreich, die eine freie Sicht ins Innere gestattet. Solche Glocken werden heute meist aus Kunststoff gefertigt, was einen erheblichen Sicherheitsvorteil gegenüber Glasgefäßen bringt. Denn die Drücke, die beim Evakuieren entstehen, sind gemäß dem Magdeburger Beispiel sehr hoch. So beträgt die Gewichtskraft, die bei vollem Vakuum auf dieser kleinen Glocke mit 170mm Durchmesser lastet, immerhin schon mehr als 230kg.

6.1 Luftwiderstand

Die ersten Fallversuche wurden von Galileo Galilei am schiefen Turm von Pisa bereits 1590 durchgeführt. Für die damalige Zeit entsprach die Theorie, dass alle Körper, unabhängig von ihrem Gewicht, gleich schnell zu Boden fallen nicht unbedingt den Vorstellungen der Menschen. Jeder konnte eindeutig beobachten, dass eine Feder wesentlich langsamer zu Boden fällt, als etwa ein Stein.
So war es für Galilei damals auch entsprechend schwierig, seine Theorie zu formulieren. Erst mit der Möglichkeit, ein Vakuum herzustellen, waren dann auch die physikalischen Bedingungen geschaffen, um das Fallgesetz experimentell eindeutig beweisen zu können.
Ein solcher Versuch kann leicht in der Vakuumglocke durchgeführt werden, indem man an der Decke eine Feder mit einem kleinen Magnet festklemmt. Beim Loslassen in Luft fällt der Magnet schnell zu Boden, während die Feder langsam durch die Luft segelt.
Unter Vakuumbedingungen bietet sich das selbst für uns heute noch sehr ungewohnte Bild, einer senkrecht nach unten fallenden Feder, die zeitgleich mit dem Magnet den Boden berührt.

6.2 Volumenvergrößerung

Luftballon==>
Wenn ein Gas in einem Gefäß verdünnt wird, so verteilen sich die verbleibenden Moleküle aufgrund ihrer chaotischen Wärmebewegung wieder auf die volle Gefäßgröße. Dieses Verhalten kann demonstriert werden, indem ein nicht aufgeblasner, aber verschlossener Luftballon in die Vakuumglocke gelegt wird. Mit sinkendem Außendruck bläht er sich immer weiter auf und erreicht mitunter eine beachtliche Größe. Etwas Restluft muss sich dafür natürlich schon vorher in dem Ballon befunden haben.

6.3 Dampfdruck von Wasser

Siedendes Wasser Wasser besitzt, wie viele andere Flüssigkeiten auch, einen vom Umgebungsdruck abhängigen Siedepunkt. Anwendung findet das z.B. beim Druckkochtopf, bei dem durch Erhöhen des Druckes ein Siedepunkt von über 100°C erreicht wird.
Den umgekehrten Effekt bemerken Bergsteiger, wenn sie in großer Höhe, bei geringem Luftdruck Wasser erwärmen, es siedet dann schon unter 100°C.

Dampfdruckkurve Dieses Verhalten von Wasser wird in der sogenannten Dampfdruckkurve dargestellt. Es lässt sich ablesen, dass bei einem Druck von unter 23,3mbar Wasser schon bei 20°C zu sieden beginnt. Dieses Verhalten kann leicht mit der Drehschieberpumpe und der Vakuumglocke gezeigt werden.
Es empfiehlt sich für diesen Versuch das Gasballastventil der Pumpe zu öffnen, damit der Wasserdampf nicht in der Pumpe kondensiert. Denn die Dämpfe in der verdünnten Luft sind unter geringem Druck zwar gasförmig, fallen aber bei Atmosphärendruck sofort wieder als Flüssigkeit aus.

Auf ähnliche Weise können Flüssigkeiten entgast werden. Wird etwa Mineralwasser dem Vakuum ausgesetzt, so ist ein verstärktes Ausgasen der Kohlensäure zu beobachten. Das Wasser siedet in diesem Fall nicht etwa früher, obwohl es so ähnlich aussieht.

6.4 Trippelpunkt von Wasser

Wenn Wasser siedet, wird ständig Wärmeenergie verbraucht, das kennen wir aus der Küche. Siedendes Wasser erwärmt sich nie über 100°C. Die zusätzlich zugeführte Energie geht in den Dampf über.
Im Falle des Vakuums gilt der umgekehrte Fall. Durch das Sieden wird Wärmeenergie verbraucht, die aber nicht zugeführt wird. Diese wird dem Wasser entzogen, sodass es sich abkühlt.

Gefrorenes Wasser Diesen Effekt kann man soweit an die Spitze treiben, bis das Wasser gefriert. Dazu werden sinnvoller weise kleine Wassertropfen auf ein thermisch isolierendes Material gelegt. Die große Oberfläche begünstigt die Verdunstung, sodass die Tropfen nach einiger Zeit gefrieren.
Danach könnte man vermuten, dass die Tropfen wieder auftauen, da jetzt keine Flüssigkeit mehr zur Verfügung steht, um die Kühlung aufrecht zu erhalten.
Dem ist aber nicht so, denn ganz im Gegenteil bleibt das Eis weiter bestehen und wird erstaunlicherweise nach einiger Zeit sogar weniger.
Das führt und zu einem weiteren, interessanten Verhalten von Wasser. Aus dem Zustandsdiagramm lässt sich erkennen, dass sich mit sinkendem Druck Schmelzpunkt und Siedepunkt immer weiter nähern, um sich bei einem Druck von 6,09mbar bei einer Temperatur von 0,01°C im sogenannten Trippelpunkt vereinigen.

Bei einem Druck unterhalb des Trippelpunktes geht das Wasser direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Dieser Vorgang heißt Sublimation und wird industriell bei der Gefriertrocknung eingesetzt. Dieser Vorgang funktioniert übrigens auch bei Atmosphärendruck, ähnlich der Verdunstung unterhalb des Siedepunktes, entsprechend langsamer. So kann im Winter bei länger andauernden Kälteperioden beobachtet werden, wie etwa gefrorene Pfützen mit der Zeit immer weniger Eis enthalten. Auch kann man aufgrund des gleichen Effektes Wäsche selbst bei Minusgraden trocknen.

6.5 Stromleitung in verdünnten Gasen

Unter normalen Druck verhält sich die Umgebungsluft im Wesentlichen wie ein Isolator, wie uns die Hochspannungsfreileitungen zeigen. Bei Funkenüberschlägen oder bei Sprühentladungen in der Elektrostatik zeigt sich aber, dass Luft dennoch in der Lage ist Strom zu leiten. Mit sinkendem Luftdruck wird dieser Effekt immer ausgeprägter und die Luft immer mehr leitfähig.

Glimmentladung Geißler- oder Crooks-Röhren, wie sie im Englischen auch genannt werden, sind Gasentladungsröhren, welche die Stromleitung in verdünnten Gasen ausnutzen, um verschiedenste Leuchterscheinungen zu erzeugen.
Ausgehend vom Normaldruck lässt sich mit zunehmendem Vakuum beobachten, wie die Charakteristik einer Sprühentladung immer mehr in eine Glimmentladung übergeht.

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen der unselbständigen und der selbständigen Stromleitung. Im ersten Fall werden die zur Leitung benötigten Ladungsträger durch äußere Einflüsse, wie etwa Röntgenstrahlen, hohe Temperatur z.B. in Flammen oder radioaktive Strahlung, wie beim Geigerzähler, erzeugt.
Bei der selbstständigen Stromleitung werden die Ladungsträger aufgrund einer genügend hohen Spannung in dem Gas selbst, durch Herausschlagen von Elektronen aus den Luftmolekülen erzeugt. Diese Form ist für Gasentladungsröhren die übliche Ionisierung.
Demnach werden die positiven Ladungen durch Luftmoleküle transportiert, denen durch Ionisation Elektronen entzogen wurden. Die negativen Ladungen werden durch die Elektronen selbst transportiert. Da die Moleküle viel größer und vor allem schwerer sind, können sie viel mehr kinetische Energie aufnehmen und daraus folgen auch ganz unterschiedliche Eigenschaften der beiden Ladungsträger.

6.5.1 Stromrichtung

Wie groß die kinetische Energie der positiven Ionen ist, wird sichtbar, wenn man eine plattenförmige Kathode (negative Elektrode) mit einem Loch verwendet. Die positiven Ladungsträger fliegen durch das Loch hindurch und treffen die Kathode erst auf der Rückseite. Mit umgekehrter Polarität, (Lochelektrode ist die positive), kann dieses Verhalten nicht festgestellt werden, es gibt keine Leuchterscheinung auf der Rückseite, da die leichten Elektronen fast vollständig auf der Plattenvorderseite auftreffen.
Aus diesem, der wirklichen Stromrichtung umgekehrten Verhalten kommt es auch, dass wir die so genannte technische Stromrichtung verkehrt herum definieren. Landläufig sagt man, der Strom fließe von Plus nach Minus, weil es in diesem Fall eben auch so aussieht, als würde etwas von der positiven Seite zur negativen fliegen, es sind dies die positiven Ionen. Doch die wirklichen Leistungselektronen in den Drähten bewegen sich von Minus nach Plus, weil es dort keine Ionen gibt. Auch das unterschiedliche Verhalten der Pole an einer Influenzmaschine führt auch dem gleichen Grund zu der gleichen Fehleinschätzung.

6.5.2 Freie Wegstrecke

Laufzeiterscheinung Ab ca. 0,5mbar ist die Geschwindigkeit der Ladungsträger schon so hoch, dass Laufzeiterscheinungen auftreten. Am stabilsten und schönsten sind sie, wenn zwei plattenförmige Elektroden verwendet werden. Eine Spitze ist hierfür nicht mehr notwendig, denn diese Erscheinung hat nichts mehr mit einer Sprühentladung zu tun. Es bilden sich vor der Anode (positiv) viele leuchtende Scheiben. Dieser Effekt hat nichts mit der Frequenz der angelegten Spannung und deren Wellenlänge zu tun, er tritt auch bei Gleichspannung auf, und der Abstand der Scheiben steigt mit sinkendem Druck.

Ein Ladungsträger, der von der Anode weg fliegt, gewinnt seine Energie aufgrund der Potentialdifferenz zur Kathode, die ihn anzieht. Seine Geschwindigkeit steigt demnach mit zunehmendem Abstand zur Anode an. Der Ladungsträger stößt auf seinem Weg zwangsläufig mit neutralen Gasatomen zusammen. Bis zu einer gewissen Geschwindigkeit kommt es dabei nur zu elastischen Stößen, ohne das sich die Gasatome selbst verändern. Ab einer gewissen Geschwindigkeit aber hat der Ladungsträger genügend Energie, um aus einem neutralen Atom Ladungen herauszuschlagen, es also zu ionisieren.
Durch seinen Aufprall erzeugt er in einer Kettenreaktion weitere Ladungsträger in diesem Bereich. Das führt dazu, dass dieser Teil leitfähiger wird als der übrige Entladungsraum. In einem leitfähigen Bereich sinkt aber die Feldstärke ab und somit auch die Beschleunigungskraft, die auf die Ladungsträger wirkt. Diese besitzen dann nicht mehr die Energie, um neue Ladungen herauszuschlagen. Im anschließenden Bereich sind sie zu langsam, um neutrale Atome zu ionisieren. Es stellt sich nach einem sichtbaren Knoten wieder ein dunklerer, wenig ionisierter Raum ein. Dort aber steigt die Feldstärke wieder an, die Ladungsträger werden auf eine höhere Energie beschleunigt und es ist ihnen wieder möglich neutrale Atome zu ionisieren, es bildet sich der nächste Knoten.

6.5.3 Gleichrichtung

Die unterschiedlichen kinetischen Eigenschaften von positiven und negativen Ladungsträgern können dazu ausgenutzt werden um einen Gleichrichtereffekt zu erzeugen. Dieser nutzt die unterschiedliche Masse und Größe der Ladungsträger und ist demnach nur von der Oberfläche der Elektroden, also im Wesentlichen von ihrer Form abhängig.

Gleichrichtung Zur Demonstration benutzen wir eine modifizierte Geisslerröhre, mit einer spitzenförmigen Elektrode auf der einen Seite und einer plattenförmigen Elektrode auf der anderen.
Mit Hilfe eines Hochspannungsnetzgerätes wird ein konstanter Strom in die Röhre eingespeist. Die sich daraus an der Röhre ergebende Spannung wird für beide Flussrichtungen durch die Röhre gemessen. Es zeigt sich, dass in dem Fall, wo die plattenförmige Elektrode die positive ist, eine höhere Spannung an der Röhre auftritt, als wenn die Spitze die positive ist. Berechnet man daraus den Widerstand, so zeigt sich, dass im ersten Fall die Röhre einen erhöhten Widerstand aufweist.
Erklären kann man diesen Effekt, den wir sonst nur von beheizten Röhren her kennen, durch die unterschiedlichen Massen bzw. Volumen von negativen und positiven Ladungsträger. Die negativen Ladungen werden durch die Elektronen transportiert, die extrem klein und leicht sind. Sie können auch gut aus einer kleinen Oberfläche in großen Mengen austreten. Die positiven Ladungen werden durch die Luftmoleküle, denen Elektronen entzogen wurden, transportiert. Diese sind sehr groß und schwer und unterliegen den mechanischen Gesetzen der Raumnutzung. Wenn die großen Moleküle ihre Ladung auf eine kleine Oberfläche abgeben müssen, so erfolgt dies langsamer, als wenn eine große Fläche zur Verfügung steht. Sie müssen die Elektrode ja berühren und werden dann ungeladen von ihr abgestoßen, dabei müssen sie durch die nachdrängenden Moleküle zurück und erst dann ist der Platz wieder frei für die nächste Umladung. Das kommt im elektrischen Sinn einer Widerstandserhöhung gleich.
Im Mittel fließt so ein vermehrter Elektronenstrom von der großen Fläche zur kleinen, weil der Materiestrom der Moleküle in dieser Richtung einen höheren Widerstand vorfindet. Da aber unsere technische Stromrichtung umgekehrt zum Elektronenstrom definiert ist, was leicht zu Verwirrungen führen kann, fließt der Gleichstromanteil letztendlich von der kleinen Fläche zur großen.
Dieses Verhalten ist umgekehrt zu normalen Gleichrichterröhren, was zeigt, dass es von deren Funktionsprinzip grundlegend verschieden ist. Bei beheizten Vakuumröhren besitzt normalerweise die Anode, wegen der besseren Kühlung, die größere Fläche, während die Heizkathode eine sehr geringe Oberfläche aufweist, um die Strahlungsverluste der Heizung gering zu halten. Bei diesen Röhren fließt der Gleichstrom (nicht der Elektronenstrom !) immer von Anode zur Kathode, also von der großen Fläche zur kleinen Fläche.

7. Versuche mit Hochvakuum

Hochvakuum Wird die Geisslerröhre auf der Turbomolekularpumpe montiert, so lässt sich das Verhalten der Gasentladung bei noch niedrigeren Drücken verfolgen. Wird nur die Vorpumpe in Betrieb genommen, bilden sich zunächst wieder die charakteristischen leuchtenden Scheiben. Mit weiter sinkenden Druck ziehen sich die Scheiben rasch zurück, bis nur noch ein gleichmäßiges Glimmen über die gesamte Röhre herrscht. Auch diese Entladung verkleinert sich immer weiter, bis nur noch ein dünner Strahl übrig bleibt. In diesem Abschnitt der Entladung fliegen die Ladungsträger extrem schnell und erzeugen bei genügend hoher Beschleunigungsspannung beim Aufprall auf den Elektroden Röntgenstrahlen. Wird noch weiter evakuiert, so erlischt auch diese Entladung und es ist im Hochvakuum mit kalten Kathoden nun kein Stromfluss mehr zu erzielen. Das Vakuum ist jetzt völlig isolierend, wie uns ja auch die Hochvakuumkondensatoren zeigen.

7.1 Elektronenröhre

1883 entdecke Thomas Alva Edison zufällig beim Experimentieren mit seinen Glühlampen  den Effekt der Glühemission. Bei der Glühemission werden durch die extrem hohe Temperatur Elektronen aus dem Material herausgelöst, die dann zur Stromleitung im Vakuum frei zur Verfügung stehen.

Glühemission Edison hatte in den Glaskolben einer Glühlampe eine zusätzliche Elektrode eingeschmolzen, über die ein Elektronenstrom, von dem erhitzten Glühfaden floss. Damit war bewiesen, dass auch im hohen Vakuum ein Stromfluss ohne Gasentladung möglich ist und so schon sehr früh die Grundlage für die Röhrentechnik gelegt. In der damaligen Zeit gab es aber noch keine Verwendung dafür.

Ein solches Experiment lässt sich in heutiger Zeit leicht mit Glühlampen aus dem KFZ Bereich nachstellen, von denen einige Typen zwei getrennte Glühfäden besitzen. Mit Hilfe der Turbomolekularpumpe ist es ebenfalls möglich, ein so hohes Vakuum aufzubauen, dass kein Stromfluss mehr auftritt. Wird dann ein kleiner Glühfaden aus einem Lämpchen als Kathode benutzt, so lässt sich der Effekt der Glühemission demonstrieren. Im kalten Zustand gibt es zunächst keinen Stromfluss, erst wenn der Glühfaden beheizt wird, kann Strom fließen. Auch kann durch Umpolung der Spannung der für Elektronenröhren charakteristische Gleichrichtereffet demonstriert werden. Liegt der Pluspol an dem Glühfaden an, so kann kein Strom fließen.
Der Gleichrichtereffekt begründet sich hier etwas anders, als in dem Beispiel mit der Geisslerröhre. Da hier nur mehr Elektronen geleitet werden, ergibt sich die Gleichrichtung aus der Tatsache, dass die unbeheizte Anode nicht in der Lage ist, Elektronen zu emittieren.

7.2 Röntgenröhre

Bei Experimenten mit Gasentladungsröhren entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) 1895 eine unsichtbare Strahlung die von der Anode ausging. Er nannte sie X-Strahlen, eine elektromagnetische Strahlung, die durch das Abbremsen schneller Elektronen an der Anode entsteht.
In der Anfangszeit der Röhrentechnik herrschte allgemein die Auffassung, dass in einem idealen Vakuum überhaupt keine Stromleitung möglich ist. Das führte zum Bau von sehr schwer handzuhabenden Röntgenröhren, mit geringer Restluftfüllung. In diesen konnte über Glühwendeln das Vakuum erhöht werden, indem freie Moleküle gebunden wurden. Über ein speziell durchlässiges Metall konnten im Gegenzug bei zu hohem Vakuum Wasserstoffatome in die Röhre hinein diffundieren.
Heutige Röntgenröhren sind hoch evakuiert und nutzen den Effekt der Glühemission, um auch im Hochvakuum einen Stromfluss herzustellen.

Röntgenröhre Auch mit einem sehr einfachen Aufbau, bestehend aus einem Lämpchen als Kathode und einer abgeschrägten Kupferanode, kann mit Hilfe der Turbopumpe eine Röntgenröhre hergestellt werden.

8. Zusammenfassung

Dieser Vortrag sollte einen Überblick über die Eigenschaften und das Verhalten von Vakuum geben, um bei Forschungsarbeiten richtig mit der Vakuumtechnik umgehen zu können, da in diesem Bereich oft einfache und leicht vermeidbare Fehler zu falschen Versuchsergebnissen führen.
Zweifellos ist das Gebiet der Vakuumtechnik viel umfassender, als hier dargestellt werden konnte. Ich hoffe dennoch, einen vor allem für die Praxis brauchbaren Überblick gegeben zu haben.


Ing. Harald Chmela, April 2004

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