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"Hachvakuumventil, insbesondere Ultrahochvakuumventil" Die Erfindung
betrifft ein Hoehvakuumventil, insbesondere ein ausheizbares Ultrahochvakuumventil,
mit einem aus nichtrostendem Stahl bestehenden Ventilteller und mit einer mit dem
Ventilteller festverbundenen Dichtschneide, welche aus einem weicheren Metall als
der Ventilteller besteht.
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Ultrahochvakuumanlagen werden wie bekannt zur Abkürzung der zur Erreichung
des geforderten Druckes bei höheren Temperaturen, z.
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B. bei etwa 45ooC, ausgeheizt, damit die an und in den Oberfläche
absorbierten Gase bei dieser Ausheiztemperatur frei werden und so schneller abgesaugt
werden können.
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Die in der Vakuumtechnik vielfach verwendeten gummielastischen . Dichtungsmittel,*
wie z.B. 0-Ringe aus organischem Material, können bei den hohen Ausheiztemperaturen
praktisch nicht `mehr verwendet werden. Schon allein aus diesem Grund wird bei aasheizbaren
Hochvakuumventilen eine metallische.Abdichtung angewendet. Bei Ultrahochvakuum sind
die Dichtungsprobleme besonders wichtig, denn schon kleinste Undichtigkeiten, die
bei herkömmlichen Hochvakuumanlagen belanglos sind, können das Erreichen eines extremen
Vakuums, z. B. lo-loTorr, überhaupt unmöglich machen.
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Hinzu kommt, dass-bei Ventilen bei jedem der zahlreichen öffnungs4
und Schließvorgänge die Abdichtung aufgehoben und wieder hergestellt werden muss
im Gegensatz zu Flanschverbindungen, wo nur einmal oder nur wenige Male abgedichtet
werden muss. Von den Dichtungselementen der Hochvakuumventile wird daher geforderte,
dass sie bis zu ihrem Verschleiß möglichst viele Schließvorgänge
aushalten.
Es ist von entscheidender Wichtigkeit, dass die Ventile auch nach dem Rückgang der
Wärmedehnung höchstens den für den jeweiligen Anwendungsfall noch zulässigen Leckgasstrom
durchfließen lassen.
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Die an ein Ultrahochvakuumventil gestellten Anforderungen wie Ausheizbarkeit
bei Temperaturen bis etwa 45o0 C, sehr geringer Leekgasstrom und möglichst
viele Schließvorgänge bis zum Austausch von Verschleißteilen stehen sich teilweise
gegenüber. So bedingt die hohe Ausheiztemperatur metallische Werkstoffe mit guter
Zeitstandfestigkeit bei der Ausheiztemperatur und die hohe Verschleißfestigkeit
eine gewisse Härte der Verschleißteile. Demgegenüber verlangt die metallische Abdichtung
bei Ultrahochvakuum einen metallischen Werkstoff, der bei dem Dichtungsdruck genügend
plastisch bildsam ist, um auch mikroskopisch kleine Unebenheiten und Poren auszufüllen
und abzudichten. Darüberhinaus müssen die Werkstoffe für derartige Ventildichtungen
noch andere Eigenschaften wie z.B. chemische Widerstandsfähigkeit, Verzunderungsfreiheit,
geringe Gasabgabe und geringe Gasdurchlässigkeit aufweisen.
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Es ist daher versucht worden, durch die Paarung von verschiedenen
harten Werkstoffen die den Abdichtungselementen eines ausheizbaren Ultrahochvakuumventils
gestellte Aufgabe zu erfüllen.
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Eine gute metallische Abdichtung wird bei bekannten Hochvakuumventilen
dadurch erreicht, dass ein Dichtungskörper, z.8. der Ventilteller, aus einem harten
Metall besteht und gegen den andern Dichtungskörper, z.B. den Ventilsitz, aus einem
weicheren Metall gepresst wird, welcher unter dem Dichtungsdruck plastisch etwas
verformt wird, sich dadurch der Oberflächenform des Dichtungskörpers aus dem härteren
Metall anpasst und metallisch abdichtet. Ebenso ist es umgekehrt möglich, das harte
Metall für den Ventilsitz und das weichere für den Ventilteiler zu verwenden. Bei
bekannten Ultrahochvakuumventilen wird für die Tiile des Dichtungselementes, welche
aus hartem Werkstoff bestehen, vorteilhafterweise
ein legierter,
nichtrostender Stahl, z.B. X12CrNi188, verendet; als harte Werkstoffe in diesem
Sinne sind z.B. auch Kovar und Hartmetall zu nennen.
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Für den weicheren Werkstoff des Dichtungselementes kommen in erster
Linie Gold, dann Silber, Kupfer, Indium oder Aluminium in Frage. Vor allem
Gold hat sich wegen seiner Bildsamkeit und chemischen Beständigkeit als hervorragendes
Dichtungsmetall bei aus.-heizbaren UHV-Anlagen bewährt; es weist aber auch Nachteile
auf. So ist es teuer und wegen seiner niedrigen Fließgrenze verhältnisässig weich
und leicht verformbar. Eine Dichtung aus massivem Gold kann daher nur einmal oder
höchstens wenige Male verwendet erden. Dies bedingt ein häufiges Auswechseln der
Verschleißteile fit entsprechenden Kosten und Ausfallzeiten der Anlage' zudem sind
vor allem bei Ventilen mit großer Nennweite die hohen Materialkosten von großer
wirtschaftlicher Bedeutung.
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Gewöhnlich sind'die zusammenwirkenden Dichtungskörper in ihrer Form
so gestaltet, dass die bleibende Verformung auf eine Kreisringfläche von geringer
Breite beschränkt ist, damit hierfür die zür metallischen Abdichtung erforderliche
spe":,:,# fische Flächenpressung aufgebracht werden kann.
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Bei verschiedenen bekannten Ventilen ist en":weder der Ventilsitz
oder der Ventilteller mit einer ringfCrinigen Dichtschneide aus hartem Metall voGehen,
welche gegen das entsprechende Gegenstück aus weichem Metall mit einer zunächst
ebenen Dichtfläche gedrückt wird. Bei jedem Schliefen des Ventils wird das weiche
Dichtelement zur Schaffung der metallischen Abdichtung erneut verformt, und zwar
solange, bis die Dichtfläche so groß geworden ''ist, dass der erforderliche spezifische
Dichtungsdruck nicht mehr aufgebracht werden kann oder das weiche Dichtungselement
nicht mehr abdichten kann. Das weiche Dichtungselement muss dann gegen ein neues
ausgewech Belt werden.
Die Betätigungsspiele eines ausheizbaren
Hochvakuum-Ventils können sehr unterschiedlich sein, wobei die größten Anforderungen!
an das Ventil in den-Fällen auftreten, wo das geschlossene Ventil nach dem Ausheizen
abgekühlt wird. Solche Betätigungsspiele sind z.B.: Schließen des Ventils in heißem
Zustand und bei geschlossenem Ventil Abkühlen oder Schließen des Ventils in kaltem
Zustand, bei geschlossenem Ventil Ausheizen und wieder Abkühlen. Durch das Ausheizen
dehnen sich die einzelnen Ventilbauteile entsprechend ihren Abmessungen und Wärmeausdehnungskoeffizienten
sowie der Temperaturdifferenz aus. Beim Abkühlen gehen die Wärme-i ausdehnungen-wieder
zurück.
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Ein Dichtungselement aus einem Metall, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als die Metalle für die übrigen Teile des Ventils besitzt, wird sich während des
Ausheizens relativ mehr ausdehnen wollen als die anderen Ventilteile, die wiederum
bei geschlossenem Ventil das Dichtungselement aus dem Metall mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
an der freien Wärmeaus-! dehnung hindern. Das führt dazu, dass in einem solchen
Teil die Druckspannung infolge der Wärmedehnung über die Fließgrenze ansteigt und
das Teil bleibend verformt werden kann. Tritt eine solche plastische Verformung
während des Ausheizens eines geschlossenen Ventils ein oder wird ein ausgeheiztes
Ventil geschlossen, dann wird der spezifische Dichtungsdruck nach dem Abkühlen kleiner
sein als zuvor und ein größerer Leckgasstrom fließen. Der spezifische Dichtungsdruck
kann zwar durch Nachziehen des Ventils wieder erhöht werden, dies ist jedoch umständlich.
Ausserde: wird die Zahl der Schließvorgänge durch die jedesmal größere erforderliche
Schließkraft herabgesetzt. Dieses "Setzen" eines Dichtungselementes und das notwendige
Nachziehen des Ventils kann man jedoch durch die Verwendung von Werkstoffen
4 ' mit möglichst gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb der vorkommenden
Temperaturdifferenz vermeiden.
Für ein derartiges Dichtungselement
kommt praktisch nur Kupfer @lin Frage, weil sein Ausdehnungskoeffizient nahezu dem
von für die Ventilteile meist verwendetem nichtrostendem Stahl entspricht 'und seine
Härte bei den Ausheiztemperaturen genügend groß ist. Gold ist für diesen Verwendungszweck
zu weich und zudem sehr teuer. Silber hat einen zu hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und wird daher zu sehr verformt, was ein Nachziehen des Ventils erfordert.
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Bekannt sind mehrere Ausführungsformen von ausheizbaren Ultrahochvakuumventilen,
welche zwei verschieden harte Werkstoffe für das eigentliche: Dichtungselement aufweisen.
In der Zeitschrift "Vacuum" III (1953), Seite 4o7/8, wird ein bis etwa 4oooc ausheizbares
und für Drücke bis etwa 1o 1o Torr geeignetes Alpertentil gezeigt, bei. welchem
die Ventilnadel aus Kovar besteht und mit ihrer 45o-Kegel-Spitze in eine Kupfer-Scheibe
gedrückt wird, wo :sie sich ihren Sitz formt. Das dort ebenfalls beschrieben entil
hach Brown und Coyle, welches ähnlich wie das Alpert-Ventil gebaut ist, besitzt
eine Monel-Nadel, welehe in eine weiche Kupfer laue gedrückt wird; es ist ausheizbar
bis etwa 4oooC und geeignete ür Drücke bis etwa lo 9Torr.
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n "1958 Vacuum'Symposium Transaction" (1959), Seite 14, ist ein usheizbares
Ultrahochvakuumventil dargestellt, bei welchem als Ventilsitz eine Kante am Gehäuse
aus. nichtrostendem Stahl und als entilteller eine in den Stahlstempel eingeschraubte
Kupferplatte it kegeliger Randfläche-dienen.
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n der Zeitschrift "Vakuum-Technik"-9 (196o) Heft ?, Seiten 99/2o1,
ist ein ausheizbares Ultrahochvakuumventil mit großem ffnungsquerschnitt gezeigt,
welches als Dichtungselement eine assive Gold- bzw. Silber-Platte am Ventilstempel
aufweist, in L elche eine ringförmige Dichtschneide am Ventilsitz des Ventilge'-ses
aus Stahl eingedrückt wird.
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ei dem Ventil für Hochvakuumanlagen gemäss dem deutschen Geräuchsmuster
1 824 547 besteht der Ventilstopfen aus einem
härteren Metall als_das
Ventilgehäuse und weist im Zentrum eine Kegelspitze sowie im Abstand davon eine
konzentrische Dichtschneif .de auf, welche beide gegen das weichere Metall des Ventilgehäuses
gedrückt werden.
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Das ausheizbare Vakuum-Ventil mit metallischem Dichtungselement nach
der deutschen Auslegeschrift 1 194 665 besitzt eine als Dichtungsstopfen dienende
Halbkugel aus Hartmetall, die mit einer dünnen Chromschicht bedeckt ist, und einen
Ventilsitz aus Hartmetall mit einer konkaven Kugelzonenfläche, auf welcher eine
dünne Schicht eines korrosionsbeständigen weichen Metalls, z.B. Silber, Gold, Platin
o.dgl., aufgebracht ist.
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Die ausheizbaren Vakuumventile nach den deutschen Auslegeschrifi ten
1 186 712 und 1 19o 756 weisen einen scheibenartigen Ventilteller aus hartem Werkstoff
auf, der in den hülsenförmigen Ventilsitz eingedrückt wird und diesen plastisch
und elastisch verformt. Bei diesen Ventilen kann auch der harte, verformende Teil
am Ventilsitz und der plastisch und elastisch verformbare Teil am Ventilstempel
angeordnet sein.
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Diese bekannten Hoehvakuumventile weisen alle, mehr oder weniger,
verschiedene Mängel auf. So eignen sich die meisten nur für kleinere Durchmesser
mit entsprechend geringen Leitwerten in geöffnetem Zustand. Bei einigen Ventilen
lassen sich die verschleißenden Teile nicht in einfacher Weise ausbauen, bzw. muss
das Gehäuse oder der Gehäuseteil mit dem Ventilsitz ausgewechselt werden. Teilweise
sind nach wiederholtem Schließen große Kräfte erforderlich, um den nötigen Dichtungsdruck
aufzubringen. In einem Fall besteht das Dichtungselement aus einer Platte aus Gold
bzw. Silber, was für Ventile mit großer Nennweite einen sehr hohen Preis bedingt.
Häufig ist der Einbau des Ventils auch nur in einer Lage, z.B. senkrecht, möglich.
Bei
den Hochvakuumventilen mit einer ringförmigen Dichtschneide aus hartem Metall, z.B.
aus nichtrostendem Stahl, und einem Gegenstück aus:.weicherem Metall, z.B. Kupfer,
gegen welches die Dichtschneide gepresst wird, muss der Ventilstempel sehr genau
geführt werden, damit die Ringschneide bei jedem Schließen des Ventils immer genau
die gleiche Lage zu der ringförmigen Kerbe hat, die beim ersten Scheließen des Ventils
eingepresst wird.
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Ist diese gegenseitige Lage nicht stets wieder dieselbe, so tritt
ein Leckgasstrom auf. Eine sehr genaue Führung des Ventilstempels bedingt jedoch
eine enge Passung zwischen der Ventilstange und ihrer Führung; hierbei besteht aber
die Möglichkeit, dass bei höheren Ausheiztemperaturen unter Vakuum die Ventilstange
mit ihrer Führung verschweigt und der Ventilteller nicht mehr bewegt erden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Abdichtungselement
für ein Vakuumventil, insbesondere ein ausheizbares ltrahochvakuumventil großer
Nennweite zu schaffen, welches die Mängel der bekannten Vakuumventile nicht mehr
aufweist und arüberhinaus weitere Vorteile technischer ünd wirtschaftlicher k#t
bietet.
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Ein Hochvakuumventil, insbesondere ein aueh--.zbares Ultrahocha.kuumventil,
mit einem aus nichtrostendem und wärmebeständigem Stahl bestehenden Ventilteller
und mit einem mit dem Ventilteller festverbundenen Dichtelement mit einer ringförmigen
Dichtschneide, eiche aus einem weicherer. Metall als der Ventilteller und der Ventilsitz
besteht, ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Dichtschneide
aus Kupfer besteht, welche n ihrer Spitze einen Edelmetalldichtkörper, wie eine
Goldauflage der einen in eine Nut eingelegten, ringförmigen Gelddraht aufweist.
ie Goldauflage kann auf der Spitze und den beiden kegeligen Flächen der Dichtschneide
in einer Stärke von 2o - 3Q/um galvanisch aufgebracht sein. Es ist hierbei vorteilhaft,
zwischen dem Kupfer der Dichtschneide und dem Edelmetalldichtkörper eine an
.sich
bekannte, ein- oder mehrlagige, die Diffusion vermindernde @Zwischenschicht,wie
eine Palladium-, Platin- und/oder Nickelschicht vorzusehen. Die Ringschneide ist
zweckmässig einstüekig 'mit einer Kupferscheibe und in der Nähe von deren äußerem
Rand ungeordnet.
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Die Vorteile der für das Dichtelement und den Ventilteller verwendeten
drei verschieden harten Metalle werden bei einem Hochvakuumventil gemäss der Erfindung
miteinander verbunden. Der am Ventilstempel befindliche Ventilteller aus Stahl gibt
als Stützelement die mechanische Festigkeit, die Dichtschneide aus Kupfer lässt
sich bei ausreichender Festigkeit,gdnügäidhVerformdn und der Dichtkörper aus Gold
an der Spitze der Dichtschneide füllt selbst mikroskopisch kleine Ritzen und Unebenheiten
aus. Auf diese Weise wird ein Hochvakuumventil geschaffen, das sowohl in offenem
wie in geschlossenem Zustand ausheizbar ist, sehr gute Dichtheit auch nach vielen
Schließvorgängen aufweist und bis zur Erneuerung der Dichtschauide mehrere hundert
Male betätigt werden kann.
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Bei der Anordnung gemäss der Erfindung, also die Dichtschneide am
Ventilteller aus Kupfer und die Dichtfläche am Ventilsitz aus Stahl, wird die Schneidenspitze
beim Schließen gegen die ebene Dichtfläche des Ventilsitzes gepresst und zu einer
ebenfalls ebenen Ringfläche verformt. Die beiden ebenen ringförmigen Dichtflächen
an Schneide und Sitz berühren sich stets in der gemeinsauren Dichtebene, kleine
gegenseitige, parallele Verschiebungen sind daher ohne Bedeutung, zumal die mikroskopisch
kleinen Unebenheiten und Poren durch den Dichtkörper aus Gold an der verformten
Schneidenspit7.e abgedichtet werden. Das Passungsspiel zwischen der Ventilstange
und ihrer Führung kann bei einem Hochvakuumventil gemäss der Erfindung verhältnismässig
groß sein, so dass keine Verschweißung bei hoher Temperatur und Hochvakuum auftreten
kann. Da infolge des Aufeinanderpressens der beiden ebenen Dichtungsflächen stets
eine einwandfreie Abdichtung gewährleistet ist', kann ein solches Hochvakuumventil
selbst bei großer Nennweite
euch liegend oder hängend eingebaut
werden. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn die Raumverhältnisse für den Einbau
beschränkt sind.
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Die vorgeschlagene Erfindung ermöglicht es, ausheizbare Ultra-_hochvakuumventile
für viele Schließvorgänge sowohl mit kleinen Nennweiten und Handbetätigung als auch
mit großen Nennweiten und mechanischer, pneumatischer oder hydraulicher Betätigung
in wirtschaftlicher Weise herzustellen und zu verwenden.
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Bewährte Ausführungsformen eines handbetätigten Hochvakuumventilsj
gemäss der Erfindung werden an Hand der schematischen Zeichnung beschrieben und
weitere Einzelheiten dargelegt.
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Figur 1A zeigt ein handbetätigtes Vakuumventil-in geschlossenem Zustand
und Figur 1B den Ventilteller dieses Hochvakuumventils in etwas größerem Maßstab,
wobei die Dichtschneide aus Kupfer und der eingelegte Feingmlddraht noch nicht verformt
sind.
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Figur 2 stellt einen Ventilteller mit einer Dichtschneide aus Kupfer
und einer auf diese aufgebrachten Feingoldauflage] vor deren Verformung dar.
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Eine besonders bewährte Ausführung eines Hochvakuumventils gemäss
der Erfindung zeigen die Figuren 1 A und 1 B. In Figur 1 A ist in dem geschweißten
Ventilgehäuse 1 aus nichtrostendem Stahl,1 vorzugsweise X12CrNi188, der Ventilsitz
2 feinstbearbeitet.. Mit dem Ventilteller 3 aus Stahl, vorzugsweise X12CrNi188,
ist das Dichtelement 4 aus Kupfer, das mit einer Dichtschneide 5*versehen ist, festverbunden,
z.8. eingepresst oder eingelötet. Bei kleineren Nennweiten, wie etwa in den gezeigten
Beispielen, wird das Dichtelement 4 zweckmässigerweise die Form einer Scheibe] haben,
welche nahe an ihrem äußeren Umfang eine Dichtschneide 5 aufweist. Eine solche Kupferscheibe
mit Dichtschneide 5 brauch
nur eingepresst zu sein, sie lässt sich
daher leicht und schnell auswechseln. Das Dichtelement 4 kann auch, z.B. bei hydraulisch
betätigten Ventilen mit großer Nennweite, ein vakuumdicht mit dem Ventilteller 3
verlöteter Kupferring mit Dichtschneide 5 sein.
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In der Figur 1 B ist eine unverformte Dichtschneide 5 dargestellt,
bei welcher ein Feingolddraht 6 in eine Nut an deren Spitze eingelegt ist und in
unverformtem Zustand über die Nutränder hinausragt. Der Feingolddraht 6 wird beim
Schließen so verformt, dass er die Nut völlig ausfüllt und bei weiterer Verformung
mit den beiden Rändern der Dichtschneide 5 aus Kupfer eine gemeinsame, ringförmige
Dichtfläche bildet. Die den Feingolddraht 6 beiderseits einfassenden Ränder der
Dichtschneide 5 sind nur so stark, dass sie sich zusammen mit diesem verformen lassen.
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Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass die Dicke der Goldschicht in
der Nut verhältnismässig groß ist urid dadurch in der Mitte der ringförmigen Dichtfläche
stets genügend duktiles Feingold zur Abdichtung der kleinsten Unebenheiten zur Verfügung
steht. Hieraus ergibt sich eine wesentlich längere Lebensdauer als bei einer z.B.
galvanisch aufgetragenen Feingoldschicht. Der Ventilteller 3 ist zusammen mit der
Ventilstange 7 aus einem Stück gefertigt oder mit ihr fest verbunden. Am anderen
Ende weist die Ventilstange 7 ein Gewinde 8 auf, mittels dessen das Ventil, z.B.
mit Hilfe eines Differentialgewindes geöffnet und geschlossen wird. Die Abdichtung
zwischen der Ventilstange 7 und dem Ventildeckel 9 erfolgt mittels des mit diesen
beiden Teilen vakuumdicht verbundenen Metallbalges 1o und zwischen dem Ventilgehäuse
1 und dem Ventildeckel 9 mittels des Kupferringes
von rundem Querschnitt, welcher eine Feingoldauflage trägt.
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Die Figur 2 zeigt eine andere Ausführung der Dichtschneide 5 eines
Hochvakuumventiles gemäss der Erfindung. Hierbei trägt die
Dichtschneide
5 auf ihren kegeligen Flächen eine dünne, vorzugsweise elektrolytisch aufgebrachte
Feingoldauflage 12, die etw4 2o - 3o/um dick ist. Die Feingoldauflage 12 kann auch
die ganze freie Oberfläche des Dichtelementes 4 aus Kupfer, also die Dichtschneide
5 sowie die von dieser begrenzte Kreisfläche bedecken, wodurch eine Oxydation der
Kupferoberfläche völlig vermieden -wird .
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Hierbei ist es vorteilhaft, zur Verminderung der Diffusion zwisch4n
dem Kupfer der Dichtschneide 5 und der Feingoldauflage 12 eine an sich bekannte,
ein- oder mehrlagige Zwischenschicht anzuordnen, welche für diese beiden Metalle
vorzugsweise aus Palladium, Platin und/oder Nickel besteht. Die Zwischenschicht
verzögert die Diffusion wesentlich und verlängert die Lebensdauer der abdichtenden
Feingoldauflage 12 ohne Beeinträchtigung der Dichtwirkung beträchtlich.