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Vakuumsysteme für saubere und zuverlässige Analyseumgebungen

Vakuumpumpen spielen bei vielen Arten von analytischen Instrumenten eine entscheidende Rolle, indem sie die richtigen Vakuumbedingungen schaffen, die für genaue, präzise und zuverlässige Messungen erforderlich sind. Vakuumpumpen entfernen Luft und andere Gase aus Gerätekammern und bei der Vorbereitung von Proben, indem sie eine Vakuumumgebung schaffen, die potenzielle Störungen durch Restgase aus der Atmosphäre reduziert. Dies ermöglicht die Erkennung von Signalen von den kleinsten Proben, was für die Leistung eines breiten Spektrums an analytischen Anwendungen entscheidend ist. 

Es gibt verschiedene Arten von Vakuumpumpen, die in analytischen Instrumenten eingesetzt werden, von Drehschieberpumpen (RV und E2M) über Scroll- und mehrstufige Wälzkolben-Vorpumpen (nXRi und nXLi) bis hin zu Turbomolekular- und Ionengetter-Sekundärpumpen.

Zwei Wissenschaftler, die in einem Labor arbeiten


Primärpumpen führen auf atmosphärischen Druck ab und erreichen Drücke in den niedrigen und mittleren Vakuumstufen. Sie können Öl verwenden oder „trocken“ laufen.
Sekundärpumpen, die die Hoch- und Ultrahochvakuumstufen erreichen, benötigen eine unterstützende Primärpumpe. Der verwendete Vakuumpumpentyp hängt von den spezifischen Anforderungen der analytischen Anwendung ab. 

Alle unsere Vakuumpumpen und deren Steuerungen werden mit führenden OEMs im Bereich analytische Instrumente entwickelt. In einigen Fällen, wenn eine Pumpe „von der Stange“ nicht den verfügbaren Platz oder die Leistungsanforderungen Ihres Prozesses erfüllt, entwickelt unser BPD-Team (Bespoke Product Development, Entwicklung von Sonderanfertigungen) eine individuelle Vakuumlösung. Sie wird gemeinsam mit Ihnen entwickelt, speziell für Ihre Anwendung. 

Vakuumsysteme für die Massenspektrometrie

Die Massenspektrometrie (MS) ist ein wissenschaftliches Verfahren zur Messung der Masse und der relativen Mengen von Atomen und Molekülen in einer Probe. Im Wesentlichen kann ein Massenspektrometer als chemisches Analysegerät betrachtet werden. Zunächst muss eine Probe „ionisiert“ werden, was je nach Probentyp mit verschiedenen Methoden durchgeführt werden kann. Anschließend werden die Ionen getrennt, und zwar wiederum durch Anwendung der am besten geeigneten Methode gemäß ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung. Sie werden dann erkannt und die Signale schließlich verarbeitet, um das resultierende Massenspektrum auszugeben. 

Die Massenspektrometrie bietet ein breites Anwendungsspektrum, darunter Chemie, Biologie, Umweltwissenschaft, Pharmakologie und Medizin. Sie kann zur Identifizierung unbekannter Verbindungen, zur Quantifizierung der Mengen spezifischer Verbindungen in einer Probe und zur Bestimmung der Struktur komplexer Moleküle verwendet werden.

Die Genauigkeit und Präzision von Massenspektrometrie-Messungen hängt von unterschiedlichen Vakuumstufen ab. Vakuumpumpen entfernen Restgasmoleküle, die den Messvorgang stören könnten, und stellen so sicher, dass das Massenspektrometer unter den gewünschten Vakuumbedingungen arbeitet.

Impfstoff gegen den Coronavirus auf einem Spezialgerät

Zu den gängigen Vakuumpumpentechnologien für die Massenspektrometrie gehören:

Drehschieberpumpen (RV und E2M)

Der Mechanismus einer ölabgedichteten Drehschieberpumpe besteht aus einem Satz Schiebern, die in einem Rotor gehalten werden, der sich exzentrisch in einem zylindrischen Statorgehäuse dreht. Wenn sich die ölgeschmierten Schieber mit dem Rotor drehen, drückt die Zentrifugalkraft sie gegen die Wand des Statorgehäuses. Das in die Pumpe einströmende Gas wird durch die Blätter begrenzt und in ein sich verkleinerndes Volumen komprimiert, bis es den Pumpenauslass erreicht, wo es in die Atmosphäre abgegeben wird. Es werden ein- oder zweistufige Drehschieberpumpen verwendet, die unterschiedliche Enddrücke liefern.

Mehrstufige Wälzkolbenpumpen (nXRi und nXLi)

In ihrer einfachsten Form ist eine mehrstufige Wälzkolbenpumpen eine trockenverdichtende Wälzkolbenpumpe mit zwei gegenläufigen, miteinander verbundenen Rotoren mit „Blättern“, die sich in einem passenden profilierten Statorgehäuse drehen. Das Gas strömt durch einen Einlassflansch in die trockenverdichtende Pumpe, der sich senkrecht zu den Rotoren befindet, und wird dann zwischen den sich schnell drehenden Rotoren „isoliert“ (die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen), komprimiert und dann der nächsten Stufe zugeführt. Die Geometrie der Rotoren erzeugt Kompression, sodass jede Stufe einen zunehmend höheren Druck erzeugt. Eine mehrstufige Wälzkolbenpumpen verwendet typischerweise sieben Rotorstufen auf gemeinsamen Wellen, die Auslassstufe eines Satzes ist mit der Einlassstufe des nächsten verbunden usw. Das komprimierte Gas wird dann über die letzte Auslassstufe in die Atmosphäre ausgestoßen.

Scrollpumpen

Eine trockenverdichtende Scrollpumpe besteht aus zwei ineinander gewickelten spiralförmigen Scroll- oder Schnecken-Geometrien in einem Vakuumgehäuse. Eine Schneckenform ist fest und die andere rotierende Schnecke bewegt sich exzentrisch innerhalb der anderen. Gas tritt in das (äußere) offene Ende der Spiralen ein, und während eine der Spiralen rotiert, wird Gas zwischen den Schnecken isoliert und zwischen den beiden Spiralen „zusammengedrückt und transportiert“. Während sich diese isolierte „Gasblase“ in Richtung des Zentrums des Mechanismus bewegt, nimmt das Volumen ab, das sie einnimmt, und somit wird diese isolierte Gasportion kontinuierlich verdichtet, bis sie in der Mitte des Gehäuses über ein Rückschlagventil auf atmosphärischen Druck abgelassen wird.

Turbomolekularpumpen (TMP)

Diese Pumpen bewegen mit Turbinenschaufeln mit sehr hoher Drehzahl (in der Größenordnung von 1.000 Hz) Gasmoleküle aus der Gerätevakuumkammer in den Einlass der Pumpe. Sie werden häufig verwendet, weil sie eine große Bandbreite an Vakuumstufen von 10-2 bis 10-10 mbar erzeugen können, die für die verschiedenen in einem Instrument verwendeten Prozesse erforderlich sind.

Individuell ausgelegte Lösungen

OEMs haben häufig spezifische Anforderungen. In diesem Fall entwickelt die BPD-Gruppe (Bespoke Product Development, Entwicklung von Sonderanfertigungen) von Edwards gemeinsam mit dem Kunden eine Vakuumlösung, die genau auf dessen Bedürfnisse abgestimmt ist.

Vakuumsysteme für die Elektronenmikroskopie

Wissenschaftler, die mit Elektronenmikroskopen arbeiten, bestimmen kleinste Mengen Materie auf der Erde und benötigen leise, schwingungsfreie und zuverlässige Vakuumpumpen. 

Elektronenmikroskope (EM) verwenden eine Reihe von Vakuumstufen, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Im Fall der Elektronenkanone an der „Quelle“ ist eine UHV-Umgebung erforderlich, um Schäden an der Elektronenquelle zu vermeiden. Dadurch kann der Elektronenstrahl auch von der Quelle, durch die Elektronensäule und weiter zur Probe gelangen, ohne von Restgasmolekülen gestreut oder absorbiert zu werden. Der Elektronenstrahl interagiert dann mit der Probe und erzeugt Signale, die erkannt und zur Erzeugung eines Bildes verwendet werden. 

Um hochauflösende Bilder zu erhalten, muss das Vakuum in der Mikroskopkammer eine hohe und gleichbleibende Qualität aufweisen, in einigen Fällen auch UHV-Bedingungen, und macht daher Vakuumpumpen erforderlich. 

In der Elektronenmikroskopie kommen verschiedene Vakuumpumpentechnologien zum Einsatz. Die häufigsten sind Drehschieberpumpen, Membranpumpen, Scrollpumpen, Turbomolekularpumpen und Ionenpumpen. Je nachdem, wo im Mikroskop die Vakuumpumpe eingesetzt wird, müssen die Schwingungen der Pumpe minimiert werden, um Bildstörungen zu vermeiden. In bestimmten EM-Konfigurationen (Environmental Scanning EM) müssen die Pumpen in der Lage sein, kontinuierlich eine Umgebung mit Wasserdampf bei ca. 10 mbar zu pumpen. 

Eine Arbeitsstation mit Elektronenmikroskop

Mit dem Sortiment Gamma Vacuum bieten wir nun Ionen-, Titansublimations- und NEG-Pumpen als Ergänzung zu unseren mechanischen Pumpen an. Das vervollständigt unser Produktsortiment für die Erzeugung von Arbeitsdrücken von Atmosphärendruck bis zu UHV, was eine wirklich vollständige Vakuumlösung ermöglicht. 

In der Elektronenmikroskopie verwendete Vakuumpumpen:

Ionengetterpumpen (IGP)

Müssen vor dem Einschalten auf Hochvakuum abgesenkt werden. Dies wird in der Regel durch die Verwendung einer Turbomolekularpumpe in Kombination mit einer Vorvakuumpumpe (Membran-, Scroll- oder Drehschieberpumpe) erreicht. Wenn die gewünschte Vakuumstufe (normalerweise 10-6 mbar oder weniger) erreicht ist, kann die IGP eingeschaltet werden. IGP-Vakuumpumpen sind in drei Grundtypen erhältlich: Pumpen mit herkömmlicher Diode (CV), Edelgasdiode (DI) und Triode. Alle drei Varianten bestehen aus einer Vakuumkammer, deren Größe je nach Pumpendrehzahl variiert, einem Conflat-Flansch und einer Hochspannungsdurchführung. Außen haben sie ein Paar Ferrit-Magnetplatten, das durch einen Bügel verbunden ist und ein Magnetfeld in der Größenordnung von 0,12 T erzeugt.

Pumpen mit herkömmlicher Diode eignen sich am besten für Anwendungen, bei denen reaktive Gase (wie Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe, Stickstoff, Wasserdampf usw.) gepumpt werden müssen. Im ihrem Inneren befindet sich ein Paar Titankathodenplatten, die auf Erdungspotential gehalten werden und je auf einer Seite einer Reihe elektrisch isolierter Anodenrohre aus Edelstahl sitzen. Eine hohe Spannung, typischerweise 7 kV, wird an die Anodenröhren angelegt, wodurch freie Elektronen emittiert werden. Diese Elektronen bewegen sich durch das Magnetfeld spiralförmig und können schließlich auf ein Gasmolekül treffen, wodurch ein Elektron löst und ein positiv geladenes Ion erzeugt wird. Dieses Ion wird dann von den positiv geladenen Anodenröhren zurückgeworfen und von der geerdeten Kathodenplatte angezogen, auf deren Oberfläche es mit hoher Geschwindigkeit auftrifft, was eine chemische Reaktion mit der Titan-Kathodenplatte einleitet. Das Zerstäuben von Titan wird ebenfalls eingeleitet, wodurch eine aktive Getterpumpschicht aus Titan entsteht.

Pumpen mit Edelgasdiode haben eine überlegene Edelgas-Pumpleistung, verlieren dadurch jedoch einen Teil der Pumpleistung für reaktive Gase. Die Titanplatten werden durch Tantalplatten ersetzt. Gasmoleküle werden auch hier durch Elektronenbombardement ionisiert. Wenn sie jedoch beschleunigen und auf die Tantalanodenplatten treffen, werden sie als hochenergetische Neutralen reflektiert, die sich dann auf Oberflächen verbinden und schließlich durch zerstäubtes Tantal Getter-gepumpt werden.

Die Trioden-Vakuumpumpe hat eine etwas andere Konstruktion. Hier werden die Röhren geerdet und statt Kathodenplatten werden Anodentitanstreifen mit negativem Hochspannungspotential verwendet. Ionen werden auf die übliche Weise erzeugt und in Richtung dieser Streifen beschleunigt, wo sie auftreffen und als hochenergetische Neutralen freigesetzt werden, die sich schließlich in die Kammerwände einbetten und durch zerstäubtes Titan Getter-gepumpt werden. Die Titanstreifen haben scharfe Kanten, und da sie ein hohes negatives Potenzial haben, entwickeln sie häufig „Schnurrhaare“, die im Laufe der Zeit gelegentlich „überschlagen“ und eine gewisse elektrische Instabilität verursachen können.

 

Ionengetterpumpen können je nach Menge und Art der vorhandenen Gase Vakuumstufen von 10-6 bis 10-12 mbar erzeugen. In Elektronenmikroskopen werden sie in der Regel an der Elektronensäule verwendet, wo sie dank der fehlenden beweglichen mechanischen Teile schwingungsfrei UHV-Bedingungen erzeugen können. 

Vakuumsysteme für Handschuhkästen

Handschuhkästen sind die geschlossenen Arbeitsbereiche für den Umgang mit Materialien in vollständiger Isolierung, frei von Sauerstoff oder Feuchtigkeit. Um diese Isolation zu erreichen, entfernen Vakuumpumpen die Restluft aus dem Handschuhkasten, der dann mit einem Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, gespült und verschlossen wird. Die von der Vakuumpumpe erzeugte Niederdruckumgebung verhindert, dass die äußere Atmosphäre in den Handschuhkasten gelangt. 

Verschiedene Arten von Vakuumpumpen können für Handschuhkästen verwendet werden, einschließlich Membranpumpen, Drehschieberpumpen und Scrollpumpen. Die Auswahl der Pumpe hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, z. B. Gasvolumenströme, Vakuumstufe und Wartungsanforderungen.  

Inertgas-Rahmenhandschuhkasten

Vakuumsysteme für Röntgenbeugung

Röntgenbeugung ist ein Verfahren, das zur Analyse der Struktur von Materialien verwendet wird, indem untersucht wird, wie sie mit Röntgenstrahlung interagieren. Wenn Röntgenstrahlen auf eine Probe gerichtet werden, werden sie in einem bestimmten Muster gebeugt, das analysiert werden kann, um die Kristallstruktur der Probe zu bestimmen. 

Vakuum wird bei der Röntgenbeugung verwendet, um atmosphärische Moleküle zu beseitigen, die Röntgenstrahlen streuen und absorbieren können, was zu niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnissen und weniger genauen Daten führt. Durch die Entfernung von Luftmolekülen und die Erzeugung eines Vakuums können die Röntgenstrahlen störungsfrei mit der Probe interagieren, was eine bessere Datenqualität ermöglicht. 

Vakuum wird auch bei Röntgenbeugung verwendet, um die Probenkontamination zu reduzieren. Wenn die Probe der Luft ausgesetzt wird, kann sie durch Staub, Wasserdampf und andere in der Luft befindliche Partikel kontaminiert werden, die das Beugungsmuster beeinträchtigen können. Durch die Verwendung eines Vakuums wird die Probe vor diesen Verunreinigungen geschützt und die Analyse ist genauer. 

Um ein Vakuum in einem Röntgenbeugungsinstrument zu erzeugen, werden mit einer Vakuumpumpe Luftmoleküle aus der Probenkammer entfernt. Je nach den spezifischen Anforderungen des Instruments und der zu analysierenden Probe können verschiedene Arten von Vakuumpumpen wie Drehschieberpumpen, Membranpumpen und Turbomolekularpumpen verwendet werden. 

KI-generiertes Bild von Atom- oder Molekülstruktur
Lächelnde Edwards-Mitarbeiter auf dem Flur
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