ASTRO ELECTRONIC
Dipl.-Ing. Michael Koch
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Eine selbstgebaute Vakuum-Bedampfungsanlage

Seit ca. 2002 beschäftige ich mich mit dem Gedanken eine kleine Alu-Bedampfungsanlage zu bauen, um Teleskopspiegel selber bedampfen zu können. Einige Hinweise über den Aufbau einer solchen Anlage stehen schon in dem Buch "How to make a Telescope" von Jean Texereau. 

James Lerch hat auch eine Bedampfungsanlage selbst gebaut, und hier sind noch viele Bilder von seiner grösseren Anlage:
http://lerch.no-ip.com/atm/Projects/Chamber/First_Coating/
http://lerch.no-ip.com/atm/Projects/Chamber/Fathers_Day/
http://lerch.no-ip.com/atm/Projects/Chamber/CHAMBER.htm
Stan's selbstgebaute Bedampfungsanlage
Die Bedampfungsanlage der Sternwarte Almere (Niederlande)

Im Jahr 2003 habe ich dann zufällig bei Ebay einen Edelstahl-Behälter (Innendurchmesser 40cm) mit passender Turbo-Molekular-Pumpe gefunden und ersteigert.

Aber es ist viel Arbeit daraus eine funktionsfähige Anlage zu basteln, und wegen chronischem Zeitmangel ziehen sich die Arbeiten in die Länge... so dass die Anlage leider immer noch nicht fertig ist.
Die rechte Hälfte des Kessels kann seitlich weggeschwenkt werden und wird später den zu bedampfenden Spiegel aufnehmen.
Ein Blick in die linke Hälfte des Kessels:

In der Mitte die grosse Ansaugöffnung der Turbopumpe, das ist vereinfacht dargestellt ein extrem schnell laufender Ventilator.

Links und rechts zwei kleine Glasfenster für die Reflektionsgrad-Messung.

Unten drei Strom-Durchführungen für den (noch nicht fertigen) Verdampfer.

Oben eine Dreh-Durchführung für die Blende. die vor den Verdampfer kommt.
 
Ansicht von der linken Seite:

In der Mitte die grosse Turbo-Molkularpumpe mit Luftkühlung, unten geht es über ein Ventil und einen Metallschlauch zur Vorpumpe (links im Bild).
 
Durch ein kleines Glasfenster leuchtet ein roter Diodenlaser in die Kammer. Der Laser ist justierbar so dass er genau die Mitte des Spiegels trifft. Siehe nächstes Bild...

Oberhalb des Fensters ist die Hochspannungs-Durchführung für die Glimmvorrichtung. 
... und auf der anderen Seite gelangt der reflektierte Laserstahl durch ein weiteres Glasfenster zu einem Detektor, mit dem der Reflektionsgrad des Spiegels gemessen wird. 
In dem Detektor ist vorne ein Strahlenteiler-Würfel drin, damit man den Laser so justieren kann dass er den Detektor trifft.
Oben sieht man eine Dreh-Durchführung, über die die Blende vor dem Verdampfer betätigt werden kann.

Der weisse Kasten darunter ist der Sensor für das Vakuum-Messgerät.
 
Hier sieht man die zweistufige Drehschieber-Pumpe die das Vorvakuum von ca. 1e-3mbar erzeugt. Der Metallschlauch kommt von der Turbopumpe. Am T-Stück ist oben noch ein Sensor für den Vorvakuum-Druck angeschlossen.

Oben sieht man den Ölnebel-Abgasfilter.
Die beiden Strom-Durchführungen für den Verdampfer, aus massivem Kupfer mit jeweils 19mm Durchmesser.

Links (rot) das Ventil zwischen Turbopumpe und Vorpumpe.

Im Hintergrund die Vorpumpe.
 

 

Zu Besuch bei der Sternwarte Hamburg-Bergedorf:
Im Jahr 2004 war ich zu Besuch bei der Sternwarte Hamburg-Bergedorf, um mir die dortige Bedampfungsanlage mal genau anzuschauen und noch einige spezielle Fragen zu stellen. Am besten ihr lest zuerst die Webseite der Uni Hamburg, wo die Bedampfungsanlage beschrieben wird.

Ich habe mich bei meinem Besuch besonders auf einige Details konzentriert, die mir noch unklar waren.

Hier sieht man den geöffneten Kessel, der problemlos Spiegel bis 132cm Durchmesser aufnehmen kann.
 
Im Hintergrund der mit einem Kran abgenommene "Deckel" des Kessels.
Es gibt drei mögliche Konfigurationen wie man einen Spiegel bedampfen kann:

a) Der Spiegel liegt unten, mit der zu bedampfenden Seite nach oben. Dieses Verfahren wird in Hamburg angewendet. Das Bild zeigt den Teller wo der Spiegel draufgelegt wird, und hinten sieht man die grosse Ansaugöffnung der Öl-Diffusions-Pumpe.
Vorteile:
-- Bei grossen schweren Spiegeln geht es gar nicht anders.
-- Der Spiegel wird bis zum Rand bedampft, keine Abschattung
Nachteile: 
-- Flüssiges Alu kann runter tropfen und auf den Spiegel fallen, insbesondere wenn der Spiegel einen grossen Durchmesser hat.
-- Für grosse Anlagen braucht man einen hohen Raum.
-- Elektronenstrahl-Verdampfer ist nicht möglich

b) Der Spiegel liegt oben auf einem Ring und wird von unten bedampft.
Vorteile:
-- Man kann Elektronenstrahl-Verdampfer verwenden, dadurch keine Probleme mit Kontamination des Aluminiums durch Wolfram, und man kann viele verschiedene Materialien verdampfen
Nachteile: 
-- Es entsteht eine kleine Abschattung am Rand, wo der Spiegel nicht bedampft werden kann.
-- Der Spiegel könnte runter fallen. 
-- Für grosse schwere Spiegel ungeeignet.
-- Für grosse Anlagen braucht man einen hohen Raum.

c) Horizontale Anordnung, der Spiegel steht senkrecht und wird von der Seite bedampft.
Diese Anordnung vereinigt fast alle Vorteile der anderen Konfigurationen, aber leider kann auch hier kein Elektronenstrahl-Verdampfer verwendet werden.
Meine selbstgebaute Anlage hat die horizontale Anordnung.
Der untere Teil der grossen Öl-Diffusionspumpe
 
 

Für Selbstbau-Projekte würde ich keine Öl-Diffusionspumpe empfehlen. Es gibt gelegentlich bei Ebay relativ preiswerte (ca. 1000 EURO) Turbo-Molekularpumpen, die im Betrieb wesentlich unproblematischer sind. Einfach Vor- und Turbopumpe einschalten und abwarten bis das nötige Vakuum erreicht ist.

Bei Öl-Diffusionspumpen braucht man Kühlwasser, das Öl kann durch Kontakt mit der Luft verderben und ist teuer, und es besteht immer die Gefahr dass Ölnebel in die Vakuumkammer gelangen könnte, falls die Kühlfalle mal nicht richtig funktioniert.

Egal ob man mit einer Öl-Diffusiondpumpe oder mit einer Turbopupe arbeitet, man braucht in jedem Fall eine Vorpumpe, die das zum Betrieb der Hauptpumpe notwendige Vorvakuum von ca. 1e-2mbar erzeugt. Typischerweise verwendet man eine zweistufige Drehschieber-Pumpe.

 
Der obere Teil der grossen Öl-Diffusionspumpe
Die beiden Vorpumpen:

Oben eine Wälzkolben-Pumpe

Unten eine Drehschieber-Pumpe mit Ölnebel-Abgasfilter
Entfernung der alten Beschichtung:

a) Alu-Schicht mit oder ohne SiO2 Schutzschicht:
    entweder mit Quecksilberchlorid, ca. eine Minute genügt, Vorsicht giftig
    oder mit Natronlauge, über Nacht einwirken lassen
b) Chromschicht: verdünnte Salzsäure

Removing the old coating:
a) Aluminium coating with or without SiO2 layer:
    either with Mercury Chloride, about one minute is enough, take care this is toxic.
    or with Sodium Hydroxide, takes about 12 hours
b) Chrome coating: thinned Hydrochloric Acid
 

 Sehr wichtig ist die perfekte Reinigung und Entfettung des Spiegels vor der Beschichtung. Der Spiegel wird zunächst mit einer speziellen Mixtur eingepinselt, die aus folgenden Zutaten besteht:
100g Calziumkarbonat, 200ml destilliertes Wasser, 50ml Alkohol 90%, 20ml Salmiakgeist
Wenn diese Schicht getrocknet ist wird sie mit einem sauberen Papiertuch abgewischt.
Danach kommt der Spiegel sofort in die Kammer, das Vakuum wird erzeugt, und dann folgt die weitere Reinigung mit der Glimmvorrichtung. 

Perfect cleaning and degreasing of the mirror surface is very important prior to the coating process. The mirror is painted with a mixture which consists of these components:
100g Calcium Carbonate, 200ml deionized water, 50ml Alcohol 90%, 20ml Ammonia Solution. 
Let this paint dry, and then wipe it off with a clean paper tissue.
Immediately put the mirror into the chamber and begin pumping.
The last cleaning step is by high voltage discharge inside the chamber.
Die "Glimmvorrichtung" ist eine dreieckige Metallplatte mit ca. 50cm Kantenlänge. Sie dient zur Reinigung des Innenraums, nachdem das Vakuum erzeugt wurde. An diese Platte wird eine Gleichspannung von 5,5kV angelegt, das Netzteil liefert ca. 250mA. Bitte grösste Vorsicht beim Selbstbau, sowas ist absolut tödlich.

Durch die Glimmentladung entstehen schnelle Ionen die auf die Spiegel-Oberfläche prallen und dadurch die Oberfläche reinigen.
Das Glimmen dauert ca. 20 Minuten.
Zu langes Glimmen schädigt die Spiegel-Oberfläche (die Oberfläche wird rauher). 

Ich konnte nicht in Erfahrung bringen ob die Spannung positiv oder negativ ist. Wahrscheinlich ist das nicht so wichtig, denn aus anderen Literaturquellen sind auch Glimmvorrichtungen mit Wechselspannung bekannt.
 
Über dieses Steuerpult wird die gesamte Anlage gesteuert:
-- Pumpen
-- Vakuum-Messgeräte
-- Glimmvorrichtung
-- Verdampfer für Alu
-- Verdampfer für SiO
Einer der drei Verdampfer für Alu, die im oberen Teil des Kessels nahe an der Aussenwand sitzen:

Über das dünne Wolfram-Band werden kurze Stückchen von Reinst-Aluminium-Draht gehängt, insgesamt 2.7 Gramm auf 3 Verdampfern. Durch Stromfluss wird das Wolfram-Band erhitzt, so dass das Alu schmilzt und das Wolfram benetzt (wie das Zinn beim Lötkolben). Die Stromversorgung liefert 3 mal 600A bei 6V.

Für ein gutes Ergebnis ist es wichtig dass die Beschichtung möglichst schnell erfolgt, typischerweise ist nach ca. 2 Minuten das gesamte Alu verdampft.

Zum Thema Ausheizen:
Man kann das Vakuum verbessern (bzw. die Pumpzeit verkürzen) indem man die gesamte Apparatur "ausheizt", also den gesamten Kessel und alle darin befindlichen Teile auf eine möglichst hohe Temperatur bringt. Dadurch wird insbesondere der störende Wasserdampf von der Kesselwand entfernt.
Der Nachteil des Ausheizens ist, dass sich innere Spannungen im Spiegel lösen können und sich der Spiegel dadurch irreversibel verformt. Mit anderen Worten: Die Oberflächen-Genauigkeit des Spiegels wird schlechter.
Andererseits hält die Alu-Schicht besser, wenn der Spiegel während des Bedampfens möglichst heiss ist.
Die Anlage in Hamburg wird nicht ausgeheizt, und der Spiegel ist während der Beschichtung kalt.
Die Vorrichtung zum Verdampfen von SiO (Siliziummonoxid) befindet sich ebenfalls im oberen Teil des Kessels.

Das SiO Granulat wird in das durchlöcherte Metallröhrchen gepackt. Dann wird das Röhrchen elektrisch bis zur Weissglut aufgeheizt, so dass das SiO verdampft. 
Ich glaube das Röhrchen ist aus Molybdän, aber ich bin mir nicht mehr ganz sicher.

Wenn die bedampfte Oberfläche später mit Luft in Berührung kommt dann oxidiert das SiO weiter zu SiO2 (= Quarz).
 
Über eine Art Periskop kann man während der Verdampfung des SiO die Spiegel-Oberfläche unter einem flachen Winel beobachten, und wenn ein bestimmter Farbumschlag erfolgt, dann ist die Schicht dick genug.
Der obere Teil des Kessels.

Dort befinden sich drei Dreh-Durchführungen ins Vakuum hinein, mit denen die Blenden vor den Verdampftern betätigt werden können.
Der Verdampfter wird bei geschlossener Blende aufgeheizt, und erst wenn die richtige Temperatur erreicht ist wird die Blende geöffnet.

Das hellblaue Teil links in Bild ist wahrscheinlich eine Messröhre für die Vakuum-Messung.
 
Literaturhinweise:

--Sehr informativ sind die Kataloge der Hersteller von Vakuum-Equipment: Leybold, Balzers, Pfeiffer

-- Max Pollermann, Bauelemente der Physikalischen Technik

-- H. Anders, Dünne Schichten für die Optik

-- John E. Mahan, Physical Vapor Deposition of Thin Films

-- Jobst H. Kerspe und 7 Mitautoren, Vakuumtechnik in der industriellen Praxis

-- Reinst-Metalle: Katalog Fa. Chempur (beste Preise)
   Fa. Cerac, Fa. Goodfellow (beide recht teuer)
Und wenn man schon mal da ist, dann kann man auch noch das Grab des genialen Erfinders Bernhard Schmidt besuchen. Der Friedhof grenzt direkt an das Gelände der Sternwarte, und das Grab liegt direkt am Zaun mit Blick zur Sternwarte hin.