Die Grundlagen der Hochvakuumtechnik PDF
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Die Grundlagen der Hochvalrllumtechnilr Von Dr. Saul Dushman Versuchs-Laboratorium der General Electric Company, Schenectady, N. Y. Deutsch von Dr. phil. R. G. Berthold und Dipl.-Ing. E. Reimann Mit 110 Abhildungell im Text und 52 Tabellen Berlin VerI ag von J uli us Springer 1926 AHe Rechte vorbehalten. ISBN-13: 978-3-642-89253-0 e-ISBN-13: 978-3-642-911 09-5 DOl: 10.1007/978-3-642-91109-5 Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1926 Vorwort zur amerikanischen Ausgabe. Das vorliegende Buch ist eine durchgesehene und erweiterte Zusammenfassung einer Reihe von Aufsatzen, die in del' General Electric Review in den Jahren 1920 und 1921 veroffentlicht wurden. Die Hochvakuumerzeugung hat in del' Wissenschaft und Technik eine derartige Bedeutung erlangt, daB es kaum notig erscheint, fiir den Versuch einer geschlossenen Darstellung dieses Wissensgebietes eine Rechtfertigung zu unternehmen. Del' Verfasser hat sehr oft auf die zahlreichen Experimente Bezug genommen, welche im Laboratorium del' General Electric Company, Schenectady von Dr. Langmuir und seinen Mit arbeitern ausgefiihrt worden sind, und mochte daher auch be sonders Herrn Dr. Langmuir aufrichtigen Dank fiir seine be standige freundliche Hilfe aussprechen. Ebenso ist er Herrn Dr. Whitney sehr verbunden, welcher del' Arbeit groBes Interesse entgegenbrachte und ihm alle Mittel des Laboratoriums fiir rein wissenschaftliche Arbeiten zur Ver fiigung stellte. Del' Verfasser hat sich bemiiht, nach Moglichkeit seine samt lichen Mitarbeiter auf dem Gebiete del' Hochvakuumunter suchungen zu erwahnen, und mochte ihnen an diesel' Stelle seinen Dank fiir ihre bestandige Mitarbeit auf einem Gebiet aus sprechen, auf dem Enttauschungen und Fehlschlage so haufig vorkommen. Die einzelnen Kapitel sind urspriinglich als getrennte Auf satze geschrieben worden. Um sie in Buchform veroffentlichen zu konnen, muBten einzelne Teile vollkommen umgearbeitet werden, und del' Leser wird deshalb vielleicht finden, daB oft wesentliche Dinge ausgelassen odeI' unwesentliche hinzugefiigt sind. Del' Verfasser wiirde ffir Hinweise auf solche Fehler sehr dankbar sein. Research Laboratory, General Electric Company. Schenectady, N. Y., 1. Sept. 1922. Vorwort zur deutschen Ausgabe. Das Euch von S. Dushman "Production and Measurement of High Vacuum" ist den fibersetzern ein wertvolles Hilfsmittel bei vakuumtechnischen Arbeiten gewesen. Die ausfiihrliche Mitteilung der amerikanischen Erfahrungen ersparte die Miihe, sie aus der Originalliteratur zusammenzusuchen oder sie noch einmal machen zu miissen. Die technische Verwertung der Gasentladungsvorgange be findet sich noch im Anfangsstadium, und ihre Erfolge sind von der Sicherheit abhangig, mit der man im besonderen die gaskineti schen und elektrochemischen Vorgange beherrscht. Deshalb er scheint uns die weite Fassung, die Dushman seiner Arbeit ge geben hat, wohl wert, dem deutschen Leser mitgeteilt zu werden. Au13erdem hoffen wir, durch die Herausgabe der deutschen fiber setzung dazu beizutragen, den Zusammenhang der europaischen und amerikanischen Arbeiten auf diesem noch verhaltnisma13ig neuen Gebiet der technischen Physik wiederherzustellen. Der Verfasser hatte die Liebenswiirdigkeit, uns Zusatze und Verbesserungen zur Verfiigung zu stellen. Gleichzeitig hat er uns erlaubt, Erganzungen und Abanderungen nach eigenem Er messen vorzunehmen, wofiir wir ihm sehr zu Dank verpflichtet sind. Das II. Kapitel, das sich im Original auf I. Langmuirs Veroffentlichung: "The Condensation Pump", General Electric Review 1916, stiitzt, ist unter anderem nach der Arbeit von W. Gaede: "Die Entwicklung der Diffusionspumpe", Zeit schrift fiir technische Physik 1923, erganzt. 1m III. Kapitel ist auf einige in Deutschland entstandene Manometer, sowie auf die Quarzfaden- und Ionisationsmanometer naher eingegangen. Fiir Kapitel V sind neben dem Original die Veroffentlichungen von N. R. Campbell und seinen Mitarbeitern, Philosophical Magazine 1920--24, herangezogen. VOl'wort ZUl' deutschen Ausgabe. v Wir haben fiir die freundliche Uberlassung von Angaben und Abbildungen den Firmen Leybold, Ktiln, Pfeiffer, Wetzlar, Hanff & Buest, Berlin und den Siemens-Schuckert-Werken sowie Frau Dr. M. A. Schirmann, Wien zu danken. Auch mochten wir an dieser Stelle dem Verleger unseren Dank fiir die Miihe aussprechen, die er auf die Ausstattung des Buches ver wendet hat. Berlin-Siemensstadt, Januar 1926. R. G. Berthold. E. Reimann. Inhaltsiibersicht. ~eite Einleitung . . 1 I. Kinetische Gastheorie 5 Ergebnisse del' kinetischen Gastheorie 5 1. Die Gesetze von Boyle und Gay Lussac 5 2. Die Geschwindigkeit del' Gasmolekiile 6 3. Das Maxwellsche Gesetz del' Geschwindigkeits- verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9 4. Die Zahl del' Molekiile in del' Volumeneinheit .. 11 5. Dber die Anzahl del' Molekiile, die auf eine Flache treffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 6. Die rrlitt.lere freie \VegUinge del' Molekiile . . .. 13 7. Die Beziehung zwischen dem· Koeffizienten del' inneren Reibung und del' mittleren freien Wegliinge 15 8. Die Hiiufigkeit del' Zusammensto13e ...... 21 9. Die direkte Bestimmung del' mittleren freien Weg- liinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21 10. Del' Zusammenhang zwischen del' inn!)ren Reibung, del' Wiirmeleitfiihigkeit und del' Diffusion . . .. 22 11. Die Beziehungen zwischen dem Molekiildurchmesser und del' mittleren freien WegIange . . . . . .. 24 12. Del' Zusammenhang zwischen dem Molekiildurch- messer und del' Van del' Waalschen Konstanten b. 27 Allgemeine Betrachtungen libel' Gase bei gerin- gen Drucken . . . . . .. ...... 30 1. Die geradlinige Bewegung del' Gasmolekiile 1m Rezipienten . . . . . . . . . . . . . . 30 2. pie Gesetze del' Molekularstromung 33 3. Die Stromungsgesetze bei hoherem Druck. 36 4. Die thermische Molekularstromung . . 39 II. Hochvakuumpumpen . . . . . . . . . 40 Allgemeine Dberlegungen iiber die Leistung von Hochvakuumpumpen 40 1. Au13endruck odeI' Gegendruck 40 2. Grenzdruck 40 3. Pumpgeschwindigkeit . . . . 41 Inhaltsiibersicht. VII Seite Mechanische Pumpen mit hin und her gehen- dem Kolben. . . . . . . 45 1. Die Geryk-Olpumpe. . . 45 2. Die Kolbenpumpe von Gaede 49 Mechanische Pump en mit rotierenden Kolben 49 1. Die rotierende Kapselpumpe von Gaede 49 2. Technische Pumpen mit rotierendem Kolbenkorper 50 Pump en mit FHissigkeitskolben. . . . . . 54 1. Die Pmnpe von GeiLHer-Topler. . . . . . . 54 2. Die Quecksilber-Rotationspumpe von Gaede 56 Die Molekularpumpe von Gaede 59 Dampfstrahlpumpen . . . . . . . . 64 1. Die physikalischen Vorgange in der Dampfstrahl pumpe: Strahlwirkung, Diffusion, Kondensation, Kompression . . . . . . . . . . . . . 64 2. Die Diffusionspumpe von Gaede . . . . . .. 66 3. Die Kondensationspumpe von Langmuir 70 4. Andere Formen von Quecksilberdampfpumpen 75 Allgemeine Bemerkungen iiber Evakuierungs- prozesse 89 ID. Manometer fUr gerluge Gasdrueke . . . 97 Quecksilbermanometer. . . . . 98 1. Manometer von Rayleigh und Scheel u. Heuse 98 2. Mac Leod Manometer. 103 Mechanische Manometer 110 Reibungsmanometer . . III 1. Theorie . . . . . . . 111 2. Das Dampfungsmanometer 11.4 3. Das Quarzfadenmanometer 116 4. Das Molekularmanometer . 122 Manometer nach dem Radiometerprinzip 125 1. Das Radiometer von Crookes 125 2. Das Manometer von Knudsen . . . . . . 126 3. Das Manometer von Woodrow. . . . . . 130 4. Das Manometer von. Shrader u. Sherwood 133 5. Das Manometer von Riegger. . . . 136 Widerstandsmanometer 137 1. Manometer nach v. Pirani und Hale. 138 Das Ionisationsmanometer 143 IV. Sorption von Gasen bei geringen Drueken 154 Adsorption, Absorption, Okklusion. 155 Adsorption von Gasen auf Holzkohle 155 VIII Inhaltsiibersicht. Seite 1. Allgemeine Untersuchungen 155 2. Verwendung von Holzkohle bei Vakuumunter- . suchungen 165 3. Die aktivierte Holzkohle 168 Absorption von Wasserstoff durch Palladium- schwamm ........ . 175 1. Absorptionsbeziehungen . . 175 2. Vorbereitung von Palladiumschwamm 177 3. Versuche zur Erzeugung hoher Vakua mit Hilfe von Palladiumschwamm ............. . 178 Sorption von Gasen durch Glas, Metall und andere Substanzen ............. . 180 I. Allgemeine Bemerkungen iiber Sorption von Gasen 180 2. Sorption von Gasen durch Metalle . . . . . . . 182 3. Adsorption von Wasserdampf ........ . 189 4. Uber die Gase und Dampfe, die bei sehr geringen Drucken von Glas und Metall abgegeben werden 191 V. Chemische und elektrochemische Aufzehrung von Gasen bei geringen Drucken . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Aufzehrung von Gasen in Gliihlampen. . . . 201 . Allgemeine Ubersicht iiber die "clean-up" Vorgange 206 Die Aufzehrung von Gasen durch Kalzium 209 Chemische Beseitigung von Restgasen durch gliihende ·Wolframfaden ......... . 212 1. Beseitigung von Sauerstoff durch Wolframfaden . 212 2. Aufzehrung von Stickstoff durch W olframfaden . 214 3. Druckerniedrigung von Kohlenoxyd durch gliihen des Wolfram . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 4. Aufzehrung von Wasserstoff durch erhitzte Wolfram- faden .................... . 215 5. Uber das Vakuum, das durch Erhitzen von Wolfram zu erhalten ist . . . . . . . 216 Die elektrische Aufzehrung von Gasen bei hoheren Drucken. . . . . . . 218 Die elektrische Aufzehrung von Gasen bei ge- ringen Drucken ..... . 225 1. Ionisationseffekte . . . . . . . 227 2. Gasaufzehrung und Gliihpotential 236 3. Das Gliihpotential . . . . . . . 238 4. Chemische Wirkung der Gliihpotentialentladung in: 240 Kohlenmonoxyd S.240, Wasserstoff S.243, Stick stoff S. 243, Argon S. 244, Quecksilber S. 244, Phosphor S. 245. Inhaltsiibersicht. IX Seite 5. Das Verschwinden von Gas in Gegenwart von Phosphor ............... . 247 6. Das Wiedererscheinen der aufgezehrten Gase 248 7. Versuch einer Erklarung des Gettereffektes 249 8. Ionisation und Absorption . . . . . 251 9. Getterwirkung von Verbindungen. . 255 VI. Theorie der Adsorption bei geringen Drueken 256 1. Die Oberflachenschicht fester Karper 256 2. Kondensation und Verdampfung 259 3. Adsorption. . . . . . . . . . . . 260 4. Adsorptionsgleichungen . . . . . . 269 Zusammenhange der Adsorptionstheorie mit anderen Forschungsergebnissen . . . . . . . 275 1. Die Adsorptionstheorie und chemische Reaktionen bei geringen Drucken . . . . . . . . . . . 276 2. Die Adsorptionstheorie und der EinfluI3, den Gas und Thorium auf die Elektronenemission von Wolfram ansiiben. . . . . . . . . . . . . 278 3. Die Adsorptionstheorie und die Reibungserschei- nungen bei geringen Drucken . . . . . . 281 4. Del' Temperaturfall an einer Oberflache in Gasen bei geringen Drucken . . . . . . . . . . 284 5. Der Dichtesprung an einer Oberflache 287 6. Die Bedeutung von fund seine Beziehung zum Akkommodationskoeffizienten 288 Anhang mit Tabellen . . . . . . . . . . . . . 291 Tabellen. 1. Molekulargeschwindigkeiten. . . . . . . . . . . . .. 9 2. Verteilung der Molekulargeschwindigkeiten nach Maxwell 10 3. Koeffizient del' inneren Reibung und mittlere freie Weg- lange bei normalen Drucken . . . . . . . . . . . .. 19 4. Freie Weglangen in Abhangigkeit vom Druck nach Franck und Hertz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22 5. Koeffizient del' Warmeleitfahigkeit und der inneren Reibung 24 6. Molekiildurchmesser . . . . . . . . . . . 29 7. DurchfluI3mengen von Luft und Wasserstoff bei geringen Drucken und 200 C. . . . . . . . . . . . . . . .. 36 8. DurchfluI3mengen von Luft in Abhangigkeit vom Druck. 38 9. Sauggeschwindigkeit der Toepler-Pumpe . . . . . . .. 55 10. Sauggeschwindigkeit der rotierenden Quecksilbertrommel- pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58 n. Erreichbares Vakuum in Abhangigkeit von del' Umlaufs- geschwindigkeit der Molekularpumpe von Gaede . . .. 62 x Inhaltsiibersicht. Seite 12. Der EinfluJ3 des Quecksilberdampfdruckes auf die Saug geschwindigkeit der ersten Gaedeschen Diffusionspumpe 69 13. Der EinfluJ3 der Spaltbreite auf die Sauggeschwindigkeit der ersten Gaedeschen Diffusionspumpe . . . . . . . . 69 14. Evakuierungsgeschwindigkeiten der neuen Diffusionspumpe aus Glas nach Gaede (Ebert). . . . . . . . . . 70 15. Sauggeschwindigkeit der Kondensationspumpe von Langmuir ................... . 73 16. Evakuierungsgeschwindigkeit der Stufenstrahlhochvakuum- pumpe aus Quarz nach Volmer (Ebert) ....... . 85 17 .. Evakuierungsgeschwindigkeit der Diffusionspumpe aus Stahl nach Gaede (Ebert)·. . . . . . . . . . . . . . . . . 89 18. Dampfdrucke nicht kondensierbarer Gase bei tiefen Tempe- raturen ...................... . 92 19. Dampfdrucke kondensierbarer Gase bei tiefen Tempera- turen ....................... . 93 20. Erreichbares Vakuum in Abhangigkeit von del' Heizleistung 96 21. Eichwerte fUr ein Quarzfadenmanometer von Haber . . 120 22. Eichwerte fiir ein Quarzfadenmanometer von Huthsteiner 120 23. Konstante fUr das Ionisationsmanometer in Abhangigkeit von der Elektronenzahl im Molekiil des untersuchten Gases 153 24. Gasadsorption auf Holzkohle . . . . . . . . . . . . . 157 25. Relative Adsorption von Wasserstoff und Helium bei tiefen Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . 157 26. Adsorption von Gasen auf Holzkohle (Claude) ..... 159. 27. Adsorption von Gasen auf Holzkohle (Titoff) . . . . . 161 28. Adsorption verschiedener Gase bei p = 100 mm Hg (Titoff) 162 29. Adsorption von Helium nach Homfray ....... . 163 30. Sorption von Wasserstoff auf Holzkohle bei der Temperatur der fliissigen Luft (Firth) ............. . 165 .31. Adsorption auf Holzkohle bei tiefen Temperaturen . . . 165 32. Aufsaugung von Gasen durch Holzkohle in Abhangigkeit von der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 33. Beziehung zwischen Anfangs- und Enddruck bei Gas- absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 34. Aufsaugung von Wasserstoff durch aktivierte Holzkohle (M. Daly und S. Dushman) . . . . . . . . . . . 167 35. Absorption von Wasserstoff durch Palladiumschwamm (Valentiner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 36. Adsorption von Gasen auf verschiedenen Adsorbenten. 181 37. In Tantal gelOster Wasserstoff . . . . . . . . . . . 184 38. Dissoziationsdrucke von Kalium- und Natriumhydrid 186 39. Dissoziationsdruck von Kaliumhydrid bei niedrigen Tempe- raturen ...................... . 186 40. Von Quarz adsorbierter Wasserdampf ........ . 190 41. Einflu13 der Warmebehandlung auf das erreichbare End- . vakuum· ........ . 197 42. In Fertigglasern gelOste Gase. . . 198
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