Dringen die Verkapselungsmaterialien in der Schwerelosigkeit oder in einem Vakuum-Labor aus und kontaminieren somit die Geräte?„
In der Weltraum- oder Ultrahochvakuum (UHV)-Laborumgebung ist das Ausgasen von Verkapselungsmaterialien ein sehr klassisches und tödliches technisches Problem, das in der Physik und Vakuumtechnik als Vakuum-Ausgasung (Vacuum Outgassing) bezeichnet wird.
Ohne strenge Materialkontrolle können die von den Verkapselungsmaterialien freigesetzten Gase zu schwerwiegenden Kontaminationen und Ausfällen von hochpräzisen Instrumenten, optischen Komponenten und Sensoren führen.
I. Was ist Vakuum-Ausgasung (Vacuum Outgassing)?
In Vakuum- oder Weltraumumgebungen, aufgrund des drastisch reduzierten Umgebungsdrucks (bis nahe Null absolut), geben feste Materialien spontan adsorbierte, gelöste Gase oder ihre eigenen flüchtigen Bestandteile (wie Wasser, Lösungsmittelrückstände, niedrigmolekulare Polymere, Weichmacher usw.) nach außen ab.
Zur Bewertung der Vakuum-Ausgasungsleistung von Materialien gibt es zwei international anerkannte Schlüsselindikatoren (typischerweise getestet nach dem ASTM E595-Standard):
- Gesamtmasseverlust (Total Mass Loss, TML): Der prozentuale Massenverlust eines Materials nach der Ausgasung unter Vakuum. Raumfahrtstandards erfordern normalerweise TML < 1\%.
- Gesammelte flüchtige kondensierbare Materialien (Collected Volatile Condensable Material, CVCM): Der prozentuale Massenanteil der ausgasenden Gase, die sich auf der Oberfläche einer bestimmten Kühlquelle kondensieren. Raumfahrtstandards erfordern normalerweise CVCM < 0.1\%.
Darüber hinaus wird die Ausgasungsrate (dargestellt durch q, üblicherweise in \text{Pa}\cdot\text{m}^3/(\text{s}\cdot\text{m}^2) oder \text{Torr}\cdot\text{L}/(\text{s}\cdot\text{cm}^2) ) verwendet, um die pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit freigesetzte Gasmenge eines Materials quantitativ zu beschreiben.
II. Kontamination und Gefahren der Ausgasung für Geräte
- Verschmutzung optischer Oberflächen (am schwerwiegendsten): Die ausgasenden kondensierbaren flüchtigen Stoffe (CVCM) lagern sich leicht auf den Oberflächen kühlerer optischer Linsen, Spiegel, photovoltaischer Kameras oder Laserfenster ab und bilden einen mikrometerdicken Verschmutzungsfilm, der zu einem drastischen Rückgang der Lichttransmission, Reflexion und der photoelektrischen Umwandlungseffizienz führt.
- Sensorausfall: Kondensate, die sich auf präzisen elektrischen Komponenten oder thermischen Detektoren ablagern, verändern deren elektrische Konstanten oder verursachen Kurzschlüsse.
- Verschlechterung des Vakuums: In Hochvakuum- oder Ultrahochvakuum-Systemen führt die kontinuierliche Ausgasung von Materialien zu einem erheblichen zusätzlichen Gaslast, was es schwierig macht, das angestrebte Vakuum zu erreichen oder aufrechtzuerhalten.
III. Verkapselungs- und Glasfaserauswahl für Hochvakuum-/Weltraumumgebungen
Um die durch Ausgasung verursachte Kontamination zu vermeiden, verwenden Vakuum-Systeme und raumfahrtgeeignete Geräte in der Regel die folgenden gezielten Materiallösungen:
1. Verzicht auf herkömmliche organische Verkapselungen, Wahl von Vollmetall-Verkapselungen
Hersteller von normalen Glasfaserkabeln und Sensoren verwenden oft PVC, Polyurethan und andere organische Ummantelungen, die im Vakuum extrem stark ausgasen. In Vakuumkammern sollten Vollmetall-Verkapselungen (z.B. nahtlose Edelstahlrohre 316L) bevorzugt werden, um die Ausgasung von organischen Materialien abzuschirmen.
- Empfohlene Lösung:** Das OFSCN® 300°C Seamless Steel Tube Fiber Cable verwendet eine einlagige nahtlose 316L-Edelstahlrohrstruktur zur Verkapselung, wodurch die Ausgasungsrisiken durch Kunststoffe oder Gummimäntel eliminiert werden. Es eignet sich daher hervorragend für den Einsatz im Inneren von Vakuumkammern.
2. Vermeidung traditioneller Glasfaserbeschichtungen, Wahl von Spezialglasfasern mit geringer Ausgasung
Die Acrylat-Beschichtung von herkömmlichen Glasfasern gast bei hohen Temperaturen im Vakuum stark aus und zersetzt sich. In Vakuum-Systemen müssen hochstabile Beschichtungen mit geringer Ausgasung verwendet werden:
- Polyimid-Beschichtung (Polyimide, PI): Hat eine extrem niedrige Vakuum-Ausgasungsrate und ist für einen breiten Temperaturbereich geeignet.
- Empfohlenes Produkt:** OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber (Arbeitstemperaturbereich von \text{-270}^\circ\text{C} bis \text{350}^\circ\text{C}).
- Metallbeschichtung (Goldbeschichtung): Metallisches Gold gast im Vakuum überhaupt nicht aus (TML \approx 0) und ist die optimale Wahl für Ultrahochvakuum-, Tiefraum- und extremtiefe/hohe Temperaturen.
- Empfohlenes Produkt:** OFSCN® Gold-coated Optical Fiber (Temperaturbeständige einmodige/multimodige Gold-beschichtete Glasfaser, Arbeitstemperatur von \text{-270}^\circ\text{C} bis \text{700}^\circ\text{C}).
3. Ultrahochvakuum-Durchführungen (Feedthroughs) an Vakuumgrenzen
Beim Ein- und Austritt von Lichtsignalen durch die Grenzen einer Vakuumkammer kann herkömmliches Dichtungsmaterial aufgrund von hohem Vakuum-Differenzdruck und Temperaturschwankungen ausgasen oder sogar lecken. Es müssen Vakuum-Glasfaserflansche verwendet werden, die auf Metallschweißen oder speziellen Glas-/Metallverbindungen mit geringer Ausgasung basieren.
- Empfohlenes Produkt:** OFSCN® Fiber Optic Vacuum Sealed Flange
- Wichtige physikalische Spezifikationen:** Die Grenz vakua sind besser als 1 \times 10^{-7}\text{ Pa} und 1 \times 10^{-9}\text{ Pa}. Speziell entwickelt für Hochvakuum- und Ultrahochvakuum-(UHV)-Umgebungen, unterstützt es die Serien CF und KF, um Null-Leckage und Null-Ausgasung an den Grenzen der Vakuumkammer zu gewährleisten.
