Vakuummessgeräte reinigen

Während des Betriebs sammeln sich mit der Zeit Verschmutzungen aus der Prozessumgebung an Vakuummessgeräten an. Im Inneren des Messgeräts können Hitze und reaktive Gase chemische Reaktionen auslösen, die isolierende Schichten auf den Sensoroberflächen bilden. Diese Schichten stören die Wärmeübertragung, den Elektronenfluss oder die Gasinteraktion – je nach Messgerätetyp – und verfälschen die Messwerte. Je länger das Messgerät verwendet wird, desto mehr Ablagerungen bilden sich, was zu noch größeren Ungenauigkeiten bei der Messung führt. Für langfristig zuverlässige Messergebnisse ist es unerlässlich das Vakuummessgerät regelmäßig zu reinigen.

Die goldene Regel für den Umgang und die Reinigung der Messgeräte: Oberflächen, die Vakuum ausgesetzt sind, dürfen nicht mit bloßen Händen berührt werden. Dies gilt insbesondere bei Hoch- und Ultrahochvakuumsystemen. Fingerabdrücke hinterlassen dünne Schichten aus Öl, Salz und Feuchtigkeit, die einen Film auf der Metalloberfläche bilden. Wenn sich das Messgerät während des Betriebs erwärmt oder unter Hochvakuumbedingungen Ionen ausgesetzt wird, können diese Rückstände in die Oberfläche einbrennen und harte, verkohlte Stellen bilden. Diese Stellen stören den normalen Strom von Wärme oder Elektronen über die Sensoroberfläche und können die Druckmessung verfälschen. Um dies zu verhindern, sollten stets saubere Handschuhe getragen werden, insbesondere beim Zusammenbau des Messgeräts nach der Reinigung.

Folgende Hilfsmittel werden außerdem benötigt:

• Fusselfreie Papiertücher
• Wattestäbchen
• Isopropanol (Propan-2-ol auch bekannt als 2-Propanol)

Die Arbeiten sollten in einem sauberen, gut beleuchteten Bereich mit guter Belüftung erfolgen, um Lösungsmitteldämpfe zu entfernen, die während der Reinigung verdampfen und potenziell schädliche oder leicht entflammbare Gemische in der Luft bilden können. Ein aufgeräumter Arbeitsplatz verringert das Risiko einer erneuten Verunreinigung, indem sichergestellt wird, dass frisch gereinigte Sensoren nicht wieder mit Staub, Ölen oder Rückständen von anderen Werkzeugen in Berührung kommen.

Für unterschiedliche Messgerätetypen sind auch unterschiedliche Reinigungsverfahren erforderlich, da ihre Sensorarten und Materialien anders auf Verunreinigungen reagieren. Die folgenden Abschnitte enthalten eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur ordnungsgemäßen Pflege des jeweiligen Instruments.

Piezoresistive Messgeräte

Diese Messgeräte messen den Druck direkt und unabhängig von der Gasart, indem sie feststellen, wie viel Kraft das Gas im System auf eine dünne, flexible Membran im Inneren des Messgeräts ausübt. Wenn sich der Druck in der Vakuumkammer ändert, biegt sich die Membran leicht und verursacht eine mechanische Spannung im Sensorelement. Diese Spannung verändert den elektrischen Widerstand des Elements, den das Messgerät misst und in einen präzisen Druckwert umwandelt. Piezoresistive Messgeräte kommen im Grobvakuumbereich bis ca. 1 hPa (mbar) zum Einsatz.

Das Innere des Vakuummessgeräts ist relativ einfach aufgebaut und besteht hauptsächlich aus der Membran und dem Messelement; es gibt keine beweglichen Teile oder Bauteile, die sich stark erwärmen. Dadurch ist das Messgerät mechanisch robust und weniger empfindlich beim Hantieren während der Reinigung.

In industriellen Umgebungen entstehen Verunreinigungen häufig durch das Prozessgas selbst oder durch Ölnebel und Feinstaubpartikel, die aus den Vakuumpumpen stammen. Diese Ablagerungen können in der Regel mit organischen Lösungsmitteln wie Isopropanol entfernt werden, das ölige Rückstände effektiv auflöst, ohne Elastomerdichtungen oder Sensormaterialien zu beschädigen.

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Reinigungsverfahren:

Anschließend wird das Messgerät getrocknet, indem es an eine Vakuumpumpe oder ein Vakuumsystem angeschlossen wird. Wenn die Vakuumpumpe zu evakuieren beginnt, verdampft das restliche Lösungsmittel durch den reduzierten Druck schnell und vollständig – selbst aus engen Spalten und feinen Sensorstrukturen.

Allerdings reicht ein einziger Spülvorgang selten aus, um alle Schadstoffe zu entfernen. Dünne Ölschichten oder reaktive Ablagerungen haften oft auch nach mehrmaliger Lösungsmittelanwendung hartnäckig an der Membran oder den Sensoroberflächen. Da eine mechanische Reinigung die Membran verformen oder verkratzen kann, ist die einzige zuverlässige Möglichkeit zur Verbesserung der Sauberkeit ein regelmäßiges Spülen – jedoch nur, wenn Verunreinigungen festgestellt werden. Durch regelmäßige Wiederholung werden Rückstände schrittweise aufgelöst und entfernt, was stabile, reproduzierbare Messergebnisse gewährleistet und die Lebensdauer des Messgeräts verlängert.

Kapazitive Messgeräte

Diese Messgeräte verwenden ebenfalls eine flexible Membran, die auf den Differenzdruck zwischen dem gemessenen Vakuum und einem stabilen Referenzvakuum reagiert. Wenn sich der Druck in der Vakuumkammer ändert, biegt sich die Membran leicht. Durch diese Biegung verändert sich der Abstand zwischen der Membran und einer festen Elektrode, wodurch sich auch die elektrische Kapazität zwischen ihnen verändert. Das Messgerät misst diese Kapazitätsänderung und wandelt sie in einen genauen Druckwert um.

Da die Membran äußerst dünn ist und die Messkräfte sehr gering sind, sind diese Instrumente sehr empfindlich und müssen bei der Reinigung mit größter Vorsicht behandelt werden, um mechanische oder chemische Schäden zu vermeiden.

Ein verunreinigtes kapazitives Messgerät kann einen abweichenden Nullpunkt aufweisen – d. h. es zeigt den aktuellen Atmosphärendruck nicht mehr genau als Nullpunkt an. Diese Abweichung verzerrt nach und nach alle folgenden Messwerte, sodass sie höher oder niedriger als der tatsächliche Wert erscheinen. Da solche Abweichungen nur durch den Vergleich des Messgeräts mit einem kalibrierten Referenzmessgerät festgestellt werden können, bleiben sie oft lange Zeit unbemerkt.

Reinigungsverfahren:

Nach der Trocknung erfolgt erneut ein Nullpunktabgleich. Die Messergebnisse werden über einen gewissen Zeitraum beobachtet. Wenn der Nullpunkt weiterhin abweicht oder instabil bleibt, kann die Membran dauerhaft verunreinigt oder beschädigt sein, und das Messgerät sollte ausgetauscht werden.

Pirani-Messgeräte

Pirani-Messgeräte messen den Druck anhand der Wärmeleitfähigkeit von Gasen. Da diese Methode auf Gaseigenschaften beruht, werden Pirani-Messgeräte und die unten genannten Messgeräte als gasartabhängig bezeichnet. Das Herzstück des Pirani-Messgeräts ist ein kleines, beheiztes Filament, dessen Temperatur sich je nach Dichte des umgebenden Gases ändert. Wenn mehr Gasmoleküle vorhanden sind, nehmen sie mehr Wärme vom Filament auf, und dessen Temperatur sinkt. Umgekehrt gilt: Je höher das Vakuum, desto weniger Moleküle stehen zur Wärmeabfuhr zur Verfügung, sodass das Filament heißer bleibt. Das Messgerät misst diese Temperaturänderungen und wandelt sie in einen Druckwert um.

Bei dem Filament in einem Pirani-Messgerät handelt es sich normalerweise um einen feinen Wolframdraht mit einer Dicke von etwa einem Mikrometer, der zur Vergrößerung seiner Oberfläche aufgewickelt ist. Während des Betriebs wird er auf circa 100 Grad Celsius über der Umgebungstemperatur erwärmt. Bei diesen Temperaturen können sich Öldämpfe oder andere Kohlenwasserstoffe aus dem Vakuumsystem zersetzen und eine harte, kohlenstoffähnliche Schicht bilden, die fest auf der Drahtoberfläche einbrennt. Diese Verunreinigung isoliert das Filament und verändert seine Wärmeübertragung, was zu falschen Druckmesswerten führt. Da der Draht äußerst dünn und empfindlich ist, würde er bei jedem Versuch einer mechanischen Reinigung mit großer Wahrscheinlichkeit reißen. Daher ist es wichtig, das Messgerät während der Reinigung mit Vorsicht zu behandeln.

Reinigungsverfahren:

Das Messgerät wird nach dem Spülen an ein laufendes Vakuumsystem angeschlossen, idealerweise über Nacht. Der reduzierte Druck beschleunigt die Verdampfung von Lösungsmittel- oder Feuchtigkeitsresten im Messgerät und um das Filament. Durch die Trocknung unter Vakuum wird verhindert, dass Restflüssigkeit beim späteren Erhitzen des Vakuummessgeräts mikroskopisch kleine Rückstände hinterlässt. Wenn dieser Schritt übersprungen wird, kann es bei Wiederverwendung des Messgeräts zu abweichenden Messwerten oder dauerhaften Schäden am Filament kommen.

Nach der Trocknung wird ein Nullpunktabgleich, wie in der Betriebsanleitung beschrieben, durchgeführt.

Kaltkathoden-Messgeräte

Kaltkathoden-Messgeräte erzeugen zur Druckmessung winzige elektrische Reaktionen zwischen Gasmolekülen. Im Inneren des Messgeräts befinden sich zwei Metallelektroden und ein Magnetfeld. Wenn eine hohe Spannung angelegt wird, entsteht eine Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden. Dadurch erhalten Elektronen die Energie, sich zu bewegen – wie ein Schub, der sie in Bewegung setzt. Sie bewegen sich daraufhin in einer Spirale zwischen den Elektroden und kollidieren mit Gasmolekülen, wodurch weitere Elektronen herausgeschlagen und geladene Teilchen – Ionen – gebildet werden.

Die Anzahl der gebildeten Ionen hängt davon ab, wie viele Gasmoleküle vorhanden sind – also vom Druck in der Vakuumkammer. Je höher der Druck, desto mehr Gasmoleküle sind vorhanden, sodass mehr Ionen produziert werden und ein stärkerer Ionenstrom entsteht. Auf Hochvakuumniveau sinkt die Gasdichte, es werden weniger Ionen gebildet und der Strom wird schwächer. Das Messgerät wandelt diesen Ionenstrom in einen Druckwert um.

Kaltkathoden-Messgeräte sind mechanisch einfacher aufgebaut als Heißkathoden-Messgeräte. Meist können sie teilweise demontiert werden, da sie mit O-Ringen anstelle von Schweißverbindungen abgedichtet sind. Diese Bauweise vereinfacht die Reinigung bei Verunreinigungen.

Reinigungsverfahren:

Das Vakuummessgerät prüfen

Heißkathoden-Messgeräte

Heißkathoden-Messgeräte werden zur Messung von Hoch- und Ultrahochvakuum eingesetzt. Im Inneren des Messgeräts emittiert ein winziger erhitzter Draht – die Kathode – Elektronen. Diese Elektronen werden in Richtung eines positiv geladenen Gitters beschleunigt. Auf dem Weg zum Gitter kollidieren die Elektronen mit Gasmolekülen. Bei jeder Kollision kann ein Elektron aus dem Molekül herausgeschlagen werden, wodurch ein positiv geladenes Ion entsteht. Dies kann wiederholt geschehen, sodass sich immer mehr Ionen bilden. Wie bei Kaltkathoden-Messgeräten hängt die Anzahl der entstandenen Ionen davon ab, wie viele Gasmoleküle vorhanden sind. Dieser Ionenstrom wird gemessen und in einen Druckwert umgewandelt.

Der Sensor in diesem Messgerät enthält äußerst feine und empfindliche Bauteile – Kathode, Gitter und Anode – aus dünnen Drähten und Metallhalterungen, die bei hohen Temperaturen arbeiten. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit und der komplexen Geometrie können diese Teile nicht mechanisch gereinigt werden, ohne das Messgerät zu zerstören.

Verunreinigungen treten auf, wenn reaktive Gase oder Dämpfe mit den heißen Bauteilen in Berührung kommen. Die Hitze und der Ionenbeschuss bewirken chemische Reaktionen, die feste, isolierende Schichten auf den Elektroden bilden. Diese Ablagerungen blockieren den Durchfluss von Elektronen und Ionen, wodurch das Messgerät nicht mehr reagiert oder ungenau wird. Sobald sich solche Rückstände angesammelt haben – oft aus Vakuumpumpenöl, O-Ring-Dämpfen oder Prozessgasen – werden sie hart, polymerisierend oder sogar glasartig. Lösungsmittel zeigen bei diesen Ablagerungen kaum Wirkung.

Da der Sensor eine so feine Struktur hat und Verunreinigungen nicht effektiv entfernt werden können, muss in der Regel ein Austausch anstelle einer Reinigung des verschmutzten Heißkathoden-Messgeräts erfolgen.

Die Reinigung von Vakuummessgeräten erfordert Geduld, Präzision und Respekt vor dem Design des Instruments. Einige Typen, wie zum Beispiel Membran- oder Kaltkathoden-Messgeräte, lassen sich meist erfolgreich reinigen. Andere – insbesondere solche mit sehr feinen inneren Strukturen wie Pirani- oder Heißkathoden-Messgeräte – sollten bei Verunreinigung besser ausgetauscht werden.

Im Zweifelsfall sollte die Service-Dokumentation des Herstellers zu Rate gezogen werden oder ein Austausch in Betracht gezogen werden, statt die Beschädigung eines empfindlichen Sensors zu riskieren.