Book reviews Vacuum Science and Technology

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Authors: Bert Suurmeijer, Theo Mulder, Jan Verhoeven

Release date: February 2016

ISBN: 9789090291376

Book review by Dr. Andrew Chew

Dr. Andrew Chew
Global Applications Manager
Edwards Vacuum, Global Technology Centre
Burgess Hill, West Susses, UK

'Writing any text book must be a huge undertaking, but one on the subject of Vacuum Science and Technology has unique challenges. These include the enormous breadth of Vacuum; its dynamic range and associated principles within this, a continually evolving range of applications and their impact on the requirements for future generations of vacuum equipment and systems.
The authors have produced an important contemporary book on the subject of vacuum which will be a valuable addition to the resources of students, educators, theorists and practitioners alike.
The concepts and materials are accessible to all from those with high school diploma to those in academia. This is complemented by clear first principles derivations, for example in the early sections on kinetic theory and adsorption mechanisms (a theme which runs through all sections of the book). The treatment of flow is impressive, however this would be enhanced with a section on transmission probabilities for molecular flow.'

'Pump mechanisms and their operational principles are comprehensively reviewed. A table (akin to that included for pressure gauges) summarising pump mechanisms, range of operation, typical applications and positive/negative features would have been useful.'

The chapters on pressure measurement are probably the most clear and detailed I have seen published.

'The chapters on pressure measurement are probably the most clear and detailed I have seen published. Similarly the leak-detection chapter comprehensively covers theory and practical methods. The level of treatment given to sealing techniques and other components is deserved. However, as many processes and applications in vacuum rely fundamentally on mass flow control, more detail on these would have been a very useful addition.'

'The calculated examples are useful and the exercises are generally well constructed and relevant but in some cases ‘worked solutions’ would be helpful. Some of the black and white diagrams would be clearer with higher resolution e.g. cryopumps, ion sources and valves.'

'In the absence of references more examples of specific applications and a bibliography and directed reading resources are needed.
The English language translation is excellent, though there are a few minor typos (e.g. ‘lucht’ not ‘air’ in equation 3.120 p 151). A mistake though in the translation which does need correcting is the use of the word ‘blocked’ (first in section 3.7) – the correct term in this context is ‘choked’.'

AC 14th February 2017

Book review by Prof dr. Aart W. Kleijn

Prof dr Aart W. Kleijn
Center of Interface Dynamics for Sustainability
Chengdu Development Center of Science and Technology
Chengdu, China
Fellow of the American Vacuum Society (AVS) 2013

‘Vacuum Science and Technology’ is an indispensable resource for scientists and engineers concerned with vacuum physics and technology. The book comprehensively covers all the relevant topics in the modern vacuum field. Throughout the volume, the emphasis is on simultaneously the basic physics which underlies present day technology, and on the practical application. The book will enable the reader to understand the problems associated with vacuum system design, pressure measurement, leak detection, etc. It will also make the reader familiar with the tools available on the market.
Three introductory chapters deal with kinetic gas theory, gas laws, gas-surface interaction and flow phenomena. In this way the reader is prepared for the substantial middle part of the book which describes vacuum pumps and pumping systems, the gauging and gas analysis by which vacua are measured, characterized and controlled. To my opinion, chapter 6 with a clear explanation of the new Anharmonic Resonant Trap Mass Spectrometer (ARTMS) and an excellent section dealing with the analysis of a true residual gas spectrum with a unique way of argumentation deserve all the praise. These chapters are followed by descriptions of vacuum valves and components, from which complete systems are made and naturally lead to the consideration of system design. Obviously, the vacuum law of Ohm is present. Chapters on leak detection, cleaning and safety concerns and various appendices bring the book to the end.'

Students, engineers and researchers entering the area will find this book an excellent introduction to modern vacuum physics and current practice.

'As a reference book for the subject it serves its purpose well, providing all the information needed to make decisions in designing and maintaining simple vacuum systems. Relevant topics for practical problems are easy to find. As a textbook it is set up in a graded structure: a veritable find. I never saw such a simple solution with margin lines to distinguish between texts for the high and medium graduated reader. And both with and without margin texts the book is equally well legible. As it were two books in one.
The book style is clear, uncluttered and easy to read. Students, engineers and researchers entering the area will find this book an excellent introduction to modern vacuum physics and current practice. In terms of vacuum physics, the book goes beyond exclusively vacuum and explains all related physics backgrounds. A ‘must-have’ for all working with vacuum.'

AWK 13-3-2017

Also see his review on page 32 in magazine ‘Europhysicsnews’ (Volume 48, number 4)

Books - book--standing

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Book review by Prof dr. Harold J.W. Zandvliet

Prof dr ir Harold J.W. Zandvliet
MESA+ Institute for Nanotechnology
Twente University
Enschede, The Netherlands

'This book provides a clear, authoritative and comprehensive overview of vacuum with all its ins and outs. Besides a brief introduction into kinetic gas theory, the interaction of gases with solid surfaces and the flow of gases the authors extensively elaborate on a broad range of vacuum pumps and pressure gauges including their working principles. This is done in such an educative and natural way that the material is even accessible to laymen in vacuum science and technology.'

The numerous illustrations, pictures, exercises and detailed descriptions make this book an indispensable reference book

'The reader can find detailed information on leak detection, residual gas analysis, sealing techniques as well as an in depth discussion on the suitability of various materials for vacuum related applications. The numerous illustrations, pictures, exercises and detailed descriptions make this book an indispensable and complete reference book for anyone who is actively engaged or interested in vacuum from the level of undergraduate student to engineer or scientist.'

HJWZ 26-4-2017

Book review by DIPL-PHYS Werner Grosse Bley (in German)

DIPL-PHYS Werner Grosse Bley
INFICON, Dept. Leak Detection Tools
Köln, Germany

Das vorliegende Buch ist eine komplett neu bearbeitete Auflage des erfolgreichen niederländischen “Basisboek Vacuümtechniek“. Damit gibt es nun neben den Klassikern von Lafferty, Roth und Wutz/Jousten ein weiteres Standardwerk in englischer Sprache über die Vakuumtechnik. Das Buch fällt schon durch sein etwas breiteres Format ins Auge. Dadurch macht es einen sehr modernen Eindruck, was durch die etwas größere, Serifen freie Schrifttype unterstrichen wird.


Der gesamte Text spricht insbesondere Teilnehmer von Vakuumkursen an. Dazu ist er in klar gekennzeichnete Bereiche für Einsteiger und Fortgeschrittene unterteilt. In letzteren wird der vorher beschriebene Sachverhalt in mathematischer Form vertieft und näher erläutert. Damit kann zunächst ohne mathematischen Ballast ein Grundverständnis der Zusammenhänge erworben werden. Dies gelingt besonders gut dadurch, dass der Text in einfacher, klarer Sprache abgefasst ist und immer seinen Praxisbezug behält. An manchen Stellen würde man sich allerdings statt eines relativ langen Fließtextes eine systematische Unterteilung in kleinere Abschnitte wünschen, um beim Nachschlagen die ent­ scheidende Stelle leicht zu finden.


Eine große Zahl von Übungen, die am Ende jeden Kapitels zu finden sind und direkten Bezug auf den Text nehmen, unterstützen das Konzept des Lehrbuches. Offensichtlich hat man es aber nicht für erforderlich gehalten, ein Verzeichnis mit weiterführender Literatur hinzuzufügen, denn das vermisst man an manchen Stellen, wo man beim Nachschlagen die Vertiefung eines Themas sucht. Zwar sind immer wieder Namen von Vakuumforschern im Text genannt, die Originalliteratur muss man aber selbst finden. Hier gibt es klares Verbesserungspotential für die nächste Auflage.
Die Kapitelaufteilung ist klassisch: Zunächst wird die kinetische Gastheorie entwickelt und die für das Vakuum wichtigen Wechselwirkungen zwischen Gasphase und Festkörpern besprochen. Über die Beschreibung der Strömungsvorgänge gelangt man zu den verschiedenen Pumpprinzipien und Pumpen­bauarten. Neben der umfassenden Beschreibung der grundlegenden Prinzipien wurde großer Wert gelegt auf eine aktuelle Darstellung insbesondere der trockenen Pumpen (Roots-, Scroll- und Klauenpumpen) sowie der Bauformen von Turbomolekularpumpen. Aber auch die neuen Bauformen bei Ionenzerstäuberpumpen werden nicht unerwähnt gelassen, so dass der Stand der Technik umfassend präsentiert und erklärt wird.


In den nächsten Kapiteln geht es um die Vakuummesstechnik. Zunächst werden die verschiedenen Messprinzipien vorgestellt, ausgehend von absoluten und mechanischen Vakuummetern die den Druck als Kraft pro Fläche messen. Aber es geht bis zum Viskositätsvakuummeter, Knudsenvakuumeter und Quarzreibungsvakuummeter und dadurch wird dem Leser deutlich gemacht, wieviel verschiedene physikalische Größen als Maß für den Druck im Vakuumbereich genutzt werden können, auch wenn nicht (mehr) alle kommerziell genutzt werden.


Bei der Partialdruckmessung nimmt das Quadrupolmassenspektrometer zu Recht einen großen Raum ein, aber natürlich werden auch das Sektorfeldmassenspektrometer und weitere Prinzipien beschrieben. Hilfreich ist die Beschreibung von Störeffekten wie z.B. stimulierte Ionendesorption (ESD) und die Messung von korrosiven Gasen mit geschlossenen Ionenquellen. Die Darstellung der Auswertemethoden von Spektren des Restgases im Vakuum ist umfangreich und die Übungen zur quantitativen Auswertung eines Gasgemisches geben dem Anfänger eine konkrete Hilfe.


Das folgende Kapitel über die Messung von Pumpeneigenschaften taucht etwas überraschend auf, es hätte vielleicht besser dem jeweiligen Pumpprinzip zugeordnet werden können.


Die Geräte und Methoden für die Dichtheitsprüfung werden in dieser Ausgabe besonders ausführlich beschrieben, sie nehmen immerhin fast 10% des Gesamtumfangs ein. Das ist im Hinblick auf die zunehmende Bedeutung der Dichtheitsprüfung und Lecksuche (nicht nur an Vakuumsystemen) sehr zu begrüßen. Grundsätzliche und praktische Aspekte der Dichtheitsprüfung (insbesondere auch für Hoch-vakuumsysteme) werden breit erläutert und eine Übersicht über die verschiedenen Prüfmethoden gegeben. Dabei ist allerdings der Text wenig gegliedert und es gibt keine Prinzipdarstellungen in grafischer Form, so dass der Leser schnell den Überblick verlieren kann. Man hätte hier gut der Syste-matik der entsprechenden europäischen Normen folgen können. Der Heliumleckdetektor steht zu Recht im Mittelpunkt der Darstellung bei den Geräten, allerdings kommt die Bedeutung des Pumpsystems für die Messung von Leckgasströmen zu kurz: der Leckdetektor wird nur als Massenspektrometer gesehen, das ein Pumpsystem zum Betrieb besitzt. Bei der Darstellung von Haupt- und Gegenstromprinzip hätte man gut erklären können, wie aus einem Prüfgasstrom durch die Hoch bzw. Vorvakuumpumpe ein Prüf-gaspartialdruck wird, der im Massenspektrometer gemessen wird. Bemerken muss man an dieser Stelle auch noch, dass der Begriff der ‘Empfindlichkeit’ auch in diesem Buch synonym mit der kleinsten nachweisbaren Leckagerate (Nachweisgrenze) verwendet wird. In einem Lehrbuch sollte nicht diese umgangssprachliche Ausdrucksweise benutzt werden, sondern die Nachweisgrenze (Rauschgrenze) streng von der Empfindlichkeit (Verhältnis von Leckagerate und Ausgangssignal) unterschieden werden.


Lobenswert ist, dass auch moderne Sensorprinzipien, wie die Infrarotabsorption, der MOSFET-Halbleiter-sensor und sogar der Quarzfenstersensor aufgenommen wurden. Damit wird dem Leser der Stand der Technik vermittelt, der sich in den letzten Jahren rasant entwickelt hat.


Zwei Kapitel über Komponenten, Materialien und Arbeitstechniken schließen den Band ab und enthalten eine Fülle von praktischen Hinweisen und Zahlenwerten zu Materialeigenschaften, die dem Praktiker weiterhelfen können.


Das vorliegende Buch ist eine sehr hilfreiche Unterlage für Lehrgänge und Seminare über Vakuum-technik. Der Text ist gut verständlich und im Umfang angemessen, insbesondere klar aufgeteilt für Anfänger und Fortgeschrittene. Bei den Gleichungen fällt positiv auf, dass sie, anders als in anderen Vakuumbüchern, grundsätzlich dimensionslos geschrieben sind, d.h. für jedes Maßsystem richtig. Leider wird dieses Prinzip aber nicht immer durchgehalten und einige Gleichungen geben (unnötigerweise) Ergebnisse mit Einheiten an (z.B. m3/s bei Leitwerten) und verunsichern damit den Leser.


Ein Kritikpunkt ist allerdings nicht zu vermeiden: es gibt keine Quellenangaben bei den verwendeten Grafiken und Bildern (außer bei einigen Produktfotos) und auch kein Literaturverzeichnis oder Hinweise auf Normen (bis auf eine Fußnote bei den Pumpen). Vertiefende Informationen sind damit für den Leser nicht einfach aufzufinden.

WGB 01-07-2017

Dr. Sherman Rutherford
Portola Valley, California USA
Formerly of Duniway Stockroom Corp, Data General, Benson-Varian, Varian

'Thank you for providing this book for my examination and reference. I am honored to be asked to review it. After reviewing the book my conclusion is that it is an excellent addition to the field of vacuum science and technology. It is comprehensive and well connected. It is a useful addition to the library of professors, scientists, engineers and students of vacuum technology.'

I wholeheartedly endorse this book.

'Based on my experiences over fifty years as a scientist, researcher and developer, manufacturer and marketer in the industry of vacuum science, I wholeheartedly endorse this book. It is a seminal work in the field.'

SR 09-07-2017