真空度を測りたいのか?

1970年代の記事を21世紀に向けて再構築。

序章

真空測定についてのこの短い記事を提供し続けているのは、私たちの喜びです。長年にわたり、この記事は多くの専門家が"何も測定しない方法"を初めて実践する際の助けとなってきました。80年以上にわたり、Televac® は、ダイアフラム、熱電対、対流、冷陰極、ホットイオンセンサー、信頼性の高いアクティブゲージとコントローラーの製品群を開発し、ユーザーフレンドリーなアナログ、デジタル出力と真空測定値のビジュアル表示を提供してきました。Televac® 製品は、最先端の技術と実証済みの真空測定技術を組み合わせ、市場で最高の真空測定ソリューションを提供しています(少なくとも我々はそう考えています)。弊社のセールスピッチはここまでにして、この記事の残りの部分が楽しく、有益なものであることをご理解いただけることを願っています。

序文だ飛ばさないでください...

多くの科学論文が高真空測定について書かれていますが、その論文は真空技術者にとっては驚きを隠せないものでした。私たちはこのような状況を変えたいと考えています。この記事は、素人が、素人のために、素人の用語で書いたものです。この記事は、真空製造プロセスに従事している幸運な人々に向けて書かれていますが、これらのプロセスを説明するために、ミクロン、熱伝導率、残留ガス、熱電対、イオン化など、困惑するような用語の数々にはあまり馴染みがないかもしれません。この人たちは、おそらく、いつか、いつか、おそらく、この文学的偉業の傑作をもたらした立派な会社から真空計を買う未来の技術者なのです(また売り込みが始まりました)。この記事が役に立たない場合は、Alexander Roth著の「真空技術」をお勧めします。ここでは、あなたがおそらく今までに消化するために気にするだろうすべての "肉"を見つけるでしょう。

大げさな話だが、真空度を測りたいのか?

少し前のことですが、Chemical and Engineering Newsに「化学者はお粗末な話者」という記事がありました。その記事では、様々なシンポジウムや会議で発表される技術論文は、あまりにも多くの場合、ユーモアのかけらもないものであると指摘しています。著者のCarl J. Koenig氏は次のように指摘しています。"今も昔も少しのナンセンスは、最も賢い人に好まれるものである。彼はまた、『Power』誌の編集者であるフィリップ・W・スウェインが考案した若いエンジニアのための格言の一つを引用しています:「良いスピーチをする方法を学ぶには、典型的な工学協会の会議に出席しなさい。論文がどのように発表されているかだけに注意してください。そして、それ以外のことはしないようにしなさい。

Koenig氏は、ある科学者が高真空システムの漏れの検出に関する論文を発表したのを聞いたという話をしています。この科学者は、システム内の漏れを探すのに何時間も何時間も費やしたと主張し、最終的に漏れを見つける最善の方法は、システム全体に砂糖を入れて、アリがどこに這い込むかを観察することだという結論に達しました。この明るい提案は部屋から退屈の雲を取り払い、大笑いした後、全員が戻って漏水検知の話題についての更なる議論を楽しむことに落ち着きました。

このアドバイスを念頭に置いて、この記事のページ全体にユーモアのノートを注入することを試みました。ユーモアを検出できないと思われる場合は、弊社にお電話ください。

より多くをより多く、より少なく、より少なくの測定の問題をめぐって発展してきた論争は、鶏か卵かのことわざのような問題によってのみ凌駕されてきた。それはあなたの心の中のいわゆる"真空の疑問"の多くに答えるか、またはあなたのいわゆる心の中に疑問の真空を残すかのどちらかです。誰もが「自然は真空を忌み嫌う」という時代遅れのフレーズを聞いたことがあるでしょう。しかし、それは、あなたがこの記事で座っている場所の500マイル以内に、約10-10Torrであると推定される真空の広大な広がりが存在するので、非常に不公平な文です。たった500マイルですよ。GEのダシュマン博士は、この地球上で、その素晴らしい真空を得るための独創的な計画を持っていました。"気密性の高いパイプラインを構築して工場に真空を送り込むだけだ"いい考えだ ドク でも地球に降りて 仕事に取り掛かろう

テラフィナに足を踏み入れる前に、自分がどこに立ちたいのかを知る必要があります。それは悲しいことですが、私たちはしばしば喜んで自分の小さなわだちに落ちて、他の仲間の視点を見たり、理解することに失敗することは事実です。だから、それは我々が真空について話しているときに思える。ジョー・ドークスは27インチの真空について話していますが、兄のオーキーは76ミリの真空だと言います。いとこのマイージー・ドアーズは 76,000ミクロンの真空だと言い ドシーは 大気の10分の1だと言った小さなラムジー・ディビーも議論に加わり、本当は76 Torrで、国際標準化機構(ISO)がその気になれば、約100ミリバールまたは10,000パスカルになるだろうと言う。彼らはすべて親戚なので、議論が起こり、世代を超えて続いています。どちらが勝っているのか、スコアを見極めてみましょう。

ちょっと学校の授業に戻りましょう。地球の大気は、通常の海抜条件では、1平方インチあたり15ポンドの圧力をかけています(ヘアスプリッターの皆さんには14.696 lb/in2です)。人間がこの圧力を感じないのは、人間が進化したためで、内部でも1平方インチあたり15ポンドの圧力をかけているからです。しかし、高地では、鼻血が出ることがよくあります。なぜなら、内圧が外気圧を上回り、高すぎると爆発してしまうからです。

せっかく学校に来たのだから、実験をしてみましょう。左図のガラス管を見てください。この管の長さ(AB)が30インチ以上あると仮定します。今度は、開いている方から水銀を流し込み、管全体を満たします。そして、右手の人差し指を開き口にかざして、慎重に管を逆さにします。

を垂直に反転させ、右図のように水銀を含む貯水池に挿入します。開いている方の端を貯水池(または井戸)の水銀の表面の下に置きます。指を外します。

水銀は、すべての床の上に実行されますか?いいえ、井戸の中の水銀に及ぼされる大気圧が水銀の列を30"高さを支えるので。これは「井戸型」水銀マノメーターとして知られています。今ここで私たちは技術的になるところです。実際には、通常の条件では、サポートされている列は29.92126インチになりますが、30"は

あなたがヤードスティックで真空度を測定しているときのために十分に近い。また、自宅でこの実験を試みることをお勧めしません - 水銀は、あなたと環境のために非常に悪いです。

私たちの実験のセットアップでは、大気は、30"カラムをサポートしている井戸内の水銀の表面に圧力をかけています。今、この装置全体が気密室に囲まれていたと我々は空気をポンプで送り出し始めた場合、それは自然に井戸の水銀の表面上の圧力を下げるだろう - したがって、チューブ内の水銀の列が落下し始めるだろう。

だからこそ、天気予報士の水銀柱、または彼が言うところの気圧計が27インチまで下がった時にはそれは、あなたの近くに3インチの真空が作られたことを意味し、高圧地域からの周囲の空気が、他の人が踏むのを恐れているところに突入してくるでしょう。

ここで、この用語に関する論争の説明が役に立つかもしれません。もし3インチの真空があれば、30インチの柱を3インチ下げて、27インチの高さの水銀の柱を残すことを意味します。実際には、実際の真空技術の面では、それは全く真空ではありません。このカテゴリに該当する「真空」を測定する「ドラフトゲージ」と呼ばれる機器が開発されました。これは、空気の柱の上昇などの現象によって生じるドラフトや吸引力を測定するために使用されます。煙突のドラフト測定や、炉内の燃焼効率などの測定に役立っています。

今、多くの人が節約と水銀に興味を持ち、30インチ直管の精度を再現することを特に気にしていません。このような質素な傾向を実践するために、よく知られている水銀U字管が登場しました。

ここで、真空度が1"変化するごとに、U字管の右側の水銀柱は1/2"上昇し、左側の水銀柱は1/2"低下し、その結果、2つの柱の水銀レベルは1"互いに近づきます。このように、右側の水銀が15"上昇し、左側の水銀が15"下降して、2つの柱のレベルが等しくなったとき、「完全な」真空が表示されます。これが30インチの真空です。

U字管はまだ30インチの高さの管を必要とします。エンジニアがより良い真空に主に興味を持っている場合は、短いU字管を使用することができ、ゲージの上限で示された真空に達した場合にのみ目盛りが付きます。したがって、6インチの高さのU字管は、24インチの真空にならないと目盛りに載りません。それまでは、真空ポンプが十分に機能していることを願うしかありません。

このポケットサイズの水銀コラムでは、用語をめぐる混乱にも出くわします。例えば、"3"真空とは何か、絶対零度から3"なのか、大気零度から3"なのか。もしあなたが私たちと一緒にいてくれるなら、私たちはこの混乱を解決するように努力します。

サイズを気にしない人もいますが、油は比重が決まっているので、精度を上げるために水銀の代わりに油を使っています。このように、30インチのカラムの長さを長くすることで、より正確な測定値を得ることができます。水銀の10分の1の重さの油を使用した場合、大気圧は10本の30インチのカラムに相当するものを支えることができます。そうすると、水銀柱で測定した1インチの変化は、オイルマノメーターでは10インチの変化で示されることになります。

ドラフトの微小な変化に遭遇した場合、真空度は水銀のインチではなく、水のインチで参照することをお勧めします。水柱の1インチの変化は、30インチの水銀柱の約0.07インチの1インチの変化に相当します。したがって、真空の用語"水のインチ"は、単に"水銀のインチ"の洗練または拡大である。

精度を上げるために、右のスケッチに示すように、チューブは通常、傾斜した平面に取り付けられます。このシステムを使用する場合、1インチの真空度の変化は、3インチの長さの傾斜した管の上に伸びることに注意してください。

この方法を使用すると、0.01"オーダーの水(つまり0.0007"の水銀)の精度が得られるので、小さな変化を非常に正確に表示することができます。しかし、水銀マノメーターは0"から30"までの全範囲に対応しているため、比較的高い真空度の測定にも使用されていることを忘れてはいけません。

しかし、我々はまだ何も見ていません - 水の数インチの面での真空は本当に真空ではないので、スケールを下に移動してみましょう少し近くの何も見ていません。我々は、3"真空(-3"ゲージ圧)は、水銀の30"列を純3"を下げるだろうと述べたので、水銀の列は27"高さを立っているだろう。それに続いて、私たちは、真空が井戸の水銀の表面に加えられる圧力まで改善し続けるならば、もはや水銀柱の任意の水銀をサポートしないので、私たちは30"の"高真空"に達したことを容易に理解することができます(-30"ゲージ圧)。

それは、真空用語をめぐるほとんどの論争が起こるのは、30" (または0 Torr)のこの範囲である。30"真空チャンバーに少し空気を入れて、水銀柱を1/2"まで上げて、29 ½"の真空にしてみましょう。これは、多くの産業用アプリケーションでは "ラフ真空"または "高真空"と考えられています。我々はまだ何も見ていないことを後で証明します。

真空の29"から30"の範囲では、通常はメートル法に用語を切り替えます。そして、絶対零線(「完全な」真空)から1/2"を測定すると、29"半"の真空は12.7mm(1/2"=12.7mm)の圧力(または真空)であることがわかります。目盛りが反転していて、誰かが頭の上に立っている可能性が高いことに注意してください。水銀のインチの面では、0は通常、大気圧(ゼロ真空)を意味し、30"は完全な真空(-30"ゲージ圧)です。

しかし、ミリメートル単位で見ると、0気圧は完全な真空(絶対零度)であり、すべての測定はこの基準点から行われる。もちろん大気圧は760mm(+29.92126インチ)ですから、76mmは1/10大気圧に相当します(ドージー・ドーツを思い出してください)。メートル法に抵抗がある人は、「真空度も1/2インチだ」と逆立ちして主張するだろう。残念ながら、彼らも正しいのだ。

業界のほとんどの人は、水銀のミリメートルを「Torr」(Torricelliに敬意を表して)という言葉を受け入れています。ミクロン(ミリメートルの千分の一)は、このようにミリトールと表現されます。前述のように、この論文が広く流通する前に時代遅れになってしまうのを防ぐために、ミリバールまたはパスカルと呼ばれる全く別の尺度が(少なくとも私たちによって)不本意ながら採用されるかもしれないことに言及しなければならない(長い間亡くなった別の科学者を認識している)。この後者は、メートルとヤードの関係があるのと同じくらい、ミリやトルとの関係があります。念のために言っておきますが、30" = 760 mm = 760 Torrとなります。頑張ってください。

時々、真空技術者は自分の狭いカテゴリーや慣習に目がくらんでしまい、相手が何を言っているのか理解できないことがあります。あなたはまだ私たちと一緒にいますか?そうでない場合は、次のページの写真を見てください、それは物事をクリアにする必要があります。

これで真空のインチと水銀とトルのミリ単位での説明はお分かりいただけたかと思いますが、ここではミクロン単位での説明になります。我々は実際にこの領域に入る前に、しかし、それは慣例的に0"から30"の範囲内で真空を示すために使用されるゲージのいくつかの他のタイプを言及するのに役立つかもしれません。

30インチのガラス製マノメーターチューブは、壊れやすく、水銀が含まれているため、人によっては不快に思う人もいます。また、ワシントンのビッグブラザー、OSHAは、製造環境での水銀の存在を危険視しています。多くの目的に対して十分な精度を得るには、真空をダイヤル式で表示する、より頑丈な機器を使用する必要があります。これらのダイヤル式計器は、ブルドン管、ベローズ、ダイヤフラムのいずれかの方式で動作します。いずれも、圧力の変化で測定部が膨張、収縮、ねじれなどの変形を起こし、それが指示針に伝わってダイヤルを掃引するという基本原理は同じであるが、圧力が変化すると測定部が膨張、収縮、ねじれなどの変形を起こし、それが指示針に伝わってダイヤルを掃引する。このタイプのゲージの主な欠点は、大気圧や温度の変化がシステム内の「バグ」として作用することで、正確な指示を維持するためにはそれらを補正する必要がある。

もう一つの「バグ」、ヒステリシスがあります。ヒステリシスとは、どんな素材でも一度歪んでしまうと、元の形や位置に戻らなくなってしまうことです。作動部や機構の構造に使用されている材料が慎重に選択されていない限り、徐々に歪みが生じ、誤った読みをしてしまうことになります。いつの間にかヒステリシスが発生しているのです。

大気圧の変化によって提起された問題は、高真空に敏感な測定要素を退避させることによって、かなり簡単に克服することができます。このように、絶対零度以上の圧力の増加は、素子の所望の表示や動きを与えます。しかし、このタイプのゲージは過圧に敏感で、大気中の圧力の突然の偶発的なサージは損傷を引き起こす可能性があります。

最近のマイクロプロセッサベースの電子機器のおかげで、1 Torr(または水銀の1 mm)までの範囲をかなりよく機能するダイアフラムタイプのゲージが開発されました。(また売り込みが始まったような気がする)。しかも、±1 Torrの精度で、30 psiまでの過圧にも対応します。ちなみに、私たちはこの真空測定技術の小さな奇跡をTelevac® 1Eピエゾダイアフラム真空計と呼んでいます。

さてと......どこまででしたっけ?- そうだ!- 私たちは、あなたをミクロン部門に卒業させるところでした。この混乱は、4人の盲目の男とゾウの話を思い出します。彼らがジャンボを紹介されたとき、全員が手を伸ばして動物を触って、それがどんなものかを判断しました。一人は象の足をつかんで、象は木のようなものだと主張しました。もう一人は象の幹に手を当てて、象は蛇のようだと主張しました。三人目の男はたまたま象のそばにいて、平らな部分の広がりを感じると、自然と象は壁(もちろん漆喰)に似ていると主張した。四人目は、通常は北に向かうゾウの南端にある解剖学的な部分(尻尾)を手に取り、「ゾウはロープのようなものだ」と主張した。水銀のインチ」という用語は、真空度を測定するためにヤードスティックを使用する人のためのものであった。この用語は通常、0"から30"の全体の範囲にわたって真空に適用されます。"水銀のミリメートル"または"トル"は、単にヤードスティックの上にノギスのペアの洗練に似て、この測定の洗練です。

"ミクロンとはTorrよりもさらに細かい測定を意味し、電子顕微鏡を使用しています。1 Torrは1インチの25分の1に相当し、ミクロンは1 Torrの1,000分の1に相当します。地球とエンパイア・ステート・ビルとアリの比較を想像してみてください。1ミクロン(0.00001ミクロン)の1/10万分の1、または10ミクロンの真空を測定しています。-8 トール、急速に"無"に近づいていることがわかりますね--でも、まだそこまでには至っていません。

10-8Torrは、0.00000001 Torrという便利な言い方をしています。変換を覚える簡単な方法は、小数点を何桁動かすかを数えることです。例えば、0.001 は 1*10-3 になります。これらの関係がまだよくわからない場合は、当社のウェブサイトの真空測定変換ツールをご覧ください。ミクロンについて正式に紹介されたので、あなたは自分自身を少数精鋭の一人と考え、パンク圧力の最高責任者と呼ばれることができます。

ここから先は、真空度の測り方の問題になります。12.7 Torrの真空は12,700ミクロンに相当することを忘れないでください。前述したように、我々の文学的努力は、0.00001μまたは0.0000000001 Torrまたは10-8mm Hg(Hgは水銀を化学的に表現するための誰かのアイデアです。インクの節約になると考えたのでしょう。ちなみに「μ」はインク節約のためのミクロンの意味です)

これまで定規を使って真空度を測っていた皆さんには、この数字は国の借金を逆算したようなもので、あまり意味がないと思われるかもしれませんが、少なくとも用語の統一はできました。これで、高真空の測定について、クラスの先頭にいる人たちと自由に議論することができるようになりました。

ダイヤフラムゲージ

圧力によって生じる柔軟なダイアフラムの動きを測定するゲージです。このたわみを測定するために、さまざまな技術が利用されている。一つは、固定電極と動くダイアフラムの間の静電容量の変化を測定する方法(キャパシタンスダイアフラムゲージと呼ばれる)。もう一つは、ダイアフラムに直接取り付けたひずみゲージからの信号を利用する方法である。ダイアフラムゲージは、通常760Torrから0.001Torr(1気圧から約100万分の1気圧)までの圧力を測定するために使用されます。しかし、複数のトランスデューサを使用することで、この範囲を拡張し、10-5Torr以下の圧力を読み取ることが可能です。

このゲージはガスの種類に敏感ではありません。これらのセンサーは温度補正されていますが、急激な温度変化には反応します。温度変化によりゼロ点がずれることがあります。このタイプのセンサーで精度を維持するためには、時折ゼロ点を調整することが通常であり、この調整を行うための規定が取り付けに含まれていることに注意する必要があります。

熱伝導率計

この真空計の一般的な分類の中で、市場に出回っている真空計には2つの一般的なタイプがあります。1つはピラニゲージとして知られているもので、もう1つは熱電対ゲージとして知られているものです。どちらのタイプも熱伝導率の原理に基づいて動作します。これらのゲージは残留ガスの熱伝導率を測定します。真空システム内のガスがフィラメント(または「熱線」)から熱を伝導する能力は、ガスの熱伝導率の関数です。これらのゲージはこれを測定するため、「ホットワイヤゲージ」とも呼ばれています。

熱伝導率法で真空度を測定するには、真空系に接続されたゲージ内に取り付けられたフィラメントに一定の電圧と電流を流します。フィラメントの温度は最終的に平衡状態になります。フィラメントで発生した熱は、フィラメントを取り囲むガスの分子によって、フィラメントのすぐ近くから遠ざかっていきます。真空ゲージの外にガスを送り出すと、フィラメントから熱を奪うガスの分子が少なくなるため、線材が高温になります。

ゲージを真空にすればするほど、同じ電圧と電流を印加してもフィラメントは高温になります。最終的には、高真空(0.1ミクロンのオーダー)になると、熱を逃がすためにゲージ内に残っているガスの分子が比較的少ないので、フィラメントは最高温度に達したと考えることができます。実際にはまだ何十億個も存在していますが、アメリカのドルのようなもので、小さいのであまり意味がありません。

ピラニゲージと熱電対の違いは、フィラメントの温度変化を測定する方法である。ピラニゲージは一般に1本のフィラメントを使用し、フィラメントの温度が上昇すると抵抗値も上昇し、ワイヤーの温度を実際に抵抗値で測定することになる。そして、正確なキャパシタンスダイアフラムゲージで、乾燥空気(またはゲージを校正したい他の乾燥ガス)を使って、ゲージを校正することができます。当然ながら、キャパシタンスダイアフラムゲージで示される所定の温度(または抵抗)が所定の真空に相当するという目盛りの各ポイントが確立された後、ゲージを直接ミクロン単位で校正することができます。

熱電対ゲージも原理は同じだが、この場合は抵抗値の代わりにフィラメントの温度を測定する。これは、フィラメント線に溶接された熱電対によって実現される。熱電対は当然フィラメントと同じ温度になり、一定の電位が発生する。この電位はミリボルト単位で、ミクロン単位で直接校正することができます。(熱電対や電位の意味をご存知の方は、次の章を読まないでください)。

熱電対ゲージ

熱電対や電位などの用語は、「詳しい」人たちによって乱暴に使われていることが多く、ジュニアはただそれらが通り過ぎるのを見ているだけです。熱電対は単に異なる材料で作られた数本のワイヤーを繋ぎ合わせただけのものです。幾つかの組み合わせは他のものよりも優れた働きをしますが、どんな二種類の異なる金属でも良いでしょう。この二本のワイヤーが結合された時に "黒魔術"が始まる。彼らが異なるという理由だけで、彼らは電圧、またはそれが今呼ばれるように、電位を生成し始めます。しかし、熱電対のユニークなところは、熱(またはその他の温度変化)にさらされると、これら2つの異なる金属によって発生するミリボルトが比例して変化するということです - 素晴らしいでしょう?

熱電対が高温になればなるほどミリボルトの発生量が増え、この変化する電位を簡単に測定することができます。熱電対によって発生したミリボルトで熱線の温度変化を校正するだけで、熱電対タイプの真空計ができあがります。ここで再び静電容量ダイアフラムゲージが登場し、どの電位がどのレベルの真空度に等しいかを知る必要があります。

熱電対式ゲージの場合、安定した校正を行うためには、フィラメントの電流と電圧を注意深く維持する必要があります。また、真空システム内の汚染蒸気の凝縮によってフィラメントがくすんだり、変色したりしないようにする必要がある。線材が少しくすむと放射損失が発生し、ゲージの校正に影響を与える。

この困難を克服するために、私の家族を食品や衣類に閉じ込めている会社(裏表紙に名前が載っています)は、フィラメントを保護するために独自の方法を考案しました。当社の創業者は、ゲージの校正前にフィラメントにプレコートを施しておけば、真空システム内の蒸気による追加汚染の影響を受けずに校正を行うことができると理論的に考えました。この方法はTelevac®熱電対ゲージに導入されました。(これもまた売り込みです。誘惑が強すぎました。)

ゲージは2つの方法のいずれかで構築することができ、最初に使用される方法は、0.1ミクロンの真空に真空排気され、密閉された基準ゲージ(または標準)です。測定ゲージ(お使いの真空システムに接続されているゲージ)内のワイヤに印加されるのと同じ電流と電圧が、密閉された基準管内のワイヤにも印加されます。

そして、2本のヒーター線の温度を比較し、その差を基準にして真空度を決定します。測定管の真空度が基準管の真空度に近づくと、熱線の温度は等しくなります。基準管を使用することにより、2つのセルが常に同じ温度となるため、周囲の温度変化を補正することができます。このため、周囲の温度が異常に変化した場合にも、均等化効果が得られる。

熱伝導率の原理を採用する第二の方法は、基準管の使用を無視して、単に測定管内のフィラメントの温度を測定するだけです。周囲温度補償は、測温回路に負の温度係数抵抗器(NTC、サーミスタと呼ばれることもあります)を使用することで実現されます。

より高い圧力で信号を増加させるために特別な回路を採用しない限り、熱線式ゲージの範囲は約20,000ミクロン(10-3~20 Torrの範囲)の上限までに制限されています。500ミクロン以上の精度は、500ミクロンから20,000ミクロンの間の残留ガスの熱伝導率の変化が非常に小さいため、多少制限されています。開発によりこの範囲は大幅に拡大されましたが、熱伝導率の微細な違いを正確に測定できるように感度の高い素子を作ることはまだ非常に困難です。1ミクロン以下では、熱伝導率の変化は非常に微小です。

また、熱線式ゲージのユーザーを悩ませるもう一つの問題は、元々校正されているガス以外のガスが精度に影響を与えることです。例えば、乾燥した空気の熱伝導率は1ですが、水素は空気よりもはるかに高い熱伝導率を持っています。そのため、水素雰囲気下でゲージを使用した場合、同じ圧力の空気に比べて約5倍の熱がフィラメントから逃げてしまいます。したがって、同じ圧力ではフィラメントの方が冷却され、真空度が低い(または圧力が高い)という誤った表示を与えてしまうことになります。

もちろん、水素は極端な例である。ほとんどの真空システムには、このような高導電性ガスが過剰に含まれていることはありません。しかし、CO2、水蒸気、窒素、アルコール、水銀、オイルベーパーなど、ゲージの校正にわずかな影響を与えるガスは、非常によく含まれています。

これらのガスの熱伝導率は、空気と同じではありませんが、工業用真空技術者が熱線ゲージを使用して測定値を再現し、この循環プロセスを比較的容易に確立することができるほど十分に近いものであることがわかります。多くの真空プロセスでは、チャンバーから空気または窒素を送り出すことが主な目的であるため、ゲージの校正はかなり正確だと考えてよいでしょう。

対流ゲージ

対流ゲージ検出素子は、一定の温度を維持する電流を流すことで加熱された一対の線材で構成されています。この線材の中心に熱電対を溶接し、温度を直接測定する手段を提供しています。

一定の温度を維持するためには、加熱されたワイヤを冷却するためにより多くの空気が利用可能なので、センサ内の圧力が上昇するにつれて電流が増加します。

センサーの応答は、ガスの種類によって異なります。これらのセンサーは室温の変化を補正し、垂直位置での動作用に校正されています。これらのセンサーのレンジは10-3から103 Torrまでです。ゼロ点および大気圧(大気圧)校正点が設けられており、必要に応じて臨時の調整が可能です。

イオン化ゲージ

これまでに説明したゲージは、今日の真空プロセスで遭遇する有用な範囲の多くをカバーしていますが、10-10または0.0000001ミクロンまでの正確な測定を必要とする「高」真空部門についてはまだ考えたことがありません。これは、定規で測定する場合には、1,000万分の1 Torrです)。この目的のために、通常はイオン化ゲージが使用され、適切に作られたゲージでは、科学者は1*10-11Torrまでの真空を測定することができます。この範囲の真空を測定したことがある人は科学者です)。

熱陰極電離計が連続的に印加できる最高圧力は1ミクロンのオーダーで、これ以上の圧力ではフィラメントが酸化作用を受け、頻繁にバーンアウトを起こしたり、悪口を言ったりするからです。したがって、熱陰極電離は、現在では1ミクロン以下の超高真空を必要とするプロセスに主に適応されています。

熱陰極イオン化ゲージ

私たちはジョー電子をフィーチャーした下の私たちの図に関連してホットカソードイオン化ゲージの背後にあるプリンシパルを議論してみましょう あなたの真空システムに接続されたゲージ内のタングステンフィラメントは、白熱に加熱され、ジョーのような負に帯電した電子を放出しています。それがどのように、あるいはなぜかは気にしないでください - それはただ起こるだけです。これらの電子はフィラメントから放出された後、誰も知らない場所に向かって一直線に移動し、たまたまシステム内に残っていた空気の分子と接触して衝突します。

その結果、フィラメントの隣にグリッドと呼ばれるらせん状の針金(円形の階段のような形をしている)を作り、正の電気を流すと、フィラメントから飛び出してくる負の電子が「一撃」を受け、空間を駆け巡る速度が速くなることを発見したのだ。このスピードアップ(加速)は、マイナスの電子がプラスのグリッドに強く引きつけられることによって起こる。グリッドは、いわば磁石のような働きをするのだ。しかし、フィラメントから出てくる電子は非常に多く、その大半はグリッドに近づいてもブレーキをかけることができない。しかし、フィラメントから出てくる電子は非常に多く、グリッドに近づいてもブレーキをかけることができず、グリッドの内側に設置された金属線に向かって飛び越えていく。この金属線は「コレクター」と呼ばれ、マイナスに帯電している。

さて、ジョー電子は今、ガードを通過して、パンツを蹴られながら、コレクターに向かって高速で移動しています。これまでの空気の分子は中性で、正の陽子が分子を構成する負の電子とバランスをとっています。フィラメントからの電子がコレクタに向かって速度を上げると、空気の分子が彼の邪魔をして - 彼らは衝突する!

これが起こると、負に帯電したジョー電子が空気の分子から負の電子をノックし、分子は今、正に帯電した状態になります(負の電子が1つマイナスになっているので)。これをイオン化といいます。ジョー・エレクトロンはその後も旅を続けます(ひき逃げ運転手ではありません)が、負に帯電した集電体に近づくと、ジョー・エレクトロンも負に帯電しているので反発します。

ジョーは振り向いて正に帯電したグリッドに戻り、最終的には再び螺旋状のグリッドを通って投げ込まれてしまう。空気の正に荷電した分子は、マイナス1個の負の電子を引いて、負に荷電したコレクターのために向かい、両手を広げて受け取られる。集光器は、マイナス1個の電子を引いたかわいそうな分子をかわいそうだと思って、自分のマイナス電子の1個を捨てて、分子を元の中性の状態に戻します。このコレクタからの電子の流れをマイクロアンペアで測定して、真空度を測定しています。真空計の中の空気の分子の数は、起こるイオン化に比例しており、したがって、コレクタによって与えられる電子の流れに比例しています。

つまり、真空度が高ければ高いほど、存在する空気の分子は少なくなり、衝突も少なくなり、コレクターから流れる電子も少なくなる。実際、10-11Torrのオーダーの非常に低い圧力では、コレクター電流を増幅して測定するために特別な装置が必要になる。この状態では、サンデードライバーにとってはうまい具合に、夫のような当て馬を目指すジョーの妻、ジェーン・エレクトロンでさえ、当てるべき空気分子をあまり見つけることができない。宇宙に石を投げて、それが一直線にずっと進み続けたとしたら、目指すべき星が何十億個もあるにもかかわらず、星に当たる確率はかなり低いだろう。同様に、空気の分子も非常に小さく、高真空では数百万個が存在しますが、分子間の空間が非常に広いため、衝突することはほとんどありません。つまり、高真空には宇宙の縮図があるのです。

イオン化ゲージを校正する際に遭遇する問題の一つは、フィラメントから一定の電子の流れが放出されるようにフィラメント電流を制御しなければならないことです。また、電子の速度が損なわれないように、ポジティブグリッドを十分に帯電させておく必要があります。この電荷が弱くなると、フィラメントからの負の電子は空気分子をイオン化するのに十分な速度(力)を得ることができなくなります。

また、このタイプのゲージの欠点は、圧力が10ミクロン程度まで上昇した場合や、1、2ミクロン以上で連続使用した場合、フィラメントが破損することです。事故などでフィラメントがすぐに切れてしまいます。トム・エジソンが大気圧でフィラメントを光らせ続けるのに苦労したことを覚えていますか?どうにかしてフィラメントは持ちこたえられませんでした。彼が電球を退避させた時には、すぐに電球が燃えてしまいました。電球が生まれたのです。

Televac®電離計の面白い特徴は、事故やその他の原因で急激に圧力が上昇しても、Televac®電離計のフィラメントが燃え尽きることがないことです。真空システムの圧力が1~2ミクロン以上になると、フィラメントへの電流が瞬時に自動的に遮断されます。これにより、フィラメントを節約し、コストのかかるシャットダウンや頻繁なゲージ交換を防ぐことができます。また、神経や気性の消耗も抑えられます。

冷陰極イオン化ゲージ

ホットフィラメント(またはホットカソード)イオン化ゲージは、「高」真空を測定するための実験室で受け入れられている標準器ですが、工業的に使用するには欠点があります。ゲージ管は通常、繊細なガラス製か、真空チャンバ内に突出した保護されていないエレメントからなる「裸管」です。このような「センシングヘッド」は、どちらもシステムからの損傷や汚染の影響を受け、使い物になりません。

そこで、近年、真空炉や電子ビーム溶接機などの産業環境において、もう一つのタイプの電離箱が注目されています。これは冷陰極管で、ペニング管や二重反転マグネトロン管など数種類があります。平行に接続された2つのカソードとその中間にアノードが配置されています。陰極は金属板または金属製のボスで、陽極は平らにした金属線の輪で、その面は陰極の面と平行である。陽極と陰極の間には、2kVから4kVの電位差が保たれている。また、陰極間には、通常ゲージ管本体の外部にある永久磁石によって磁界が印加されている。

陰極のいずれかから放出された電子は、(磁場のために)らせん状の経路で移動し、最終的には高い正電荷を持つ陽極に到達します。長い電子経路を下る過程で、電子の多くは残留ガスの分子と衝突し、正イオンを発生させて陰極に直接到達します。これにより発生したイオン化電流は、マイクロアンメーターで直接圧力を読み取ることができます。

この計器の信頼できる圧力範囲は通常10-3~10-8Torrですが、新しい設計ではその範囲を上下に拡張しています。上限は現れるグロー放電によって設定され、残留ガスの組成やゲージチューブエレメントの清浄度によって多少変化します。下限は、実際に測定できる最小のイオン電流とシールによって設定されます。このタイプのイオン化ゲージの利点は、冷陰極ゲージが非常に頑丈であり、洗浄のために簡単に分解できることである。装置は、素子のガラスビーズ研磨ブラスト、または単純な研磨パッドを使用して洗浄することができます。

締めくくりに...

市販されている真空計には多くの良いものがありますが、それぞれに長所と短所があると思います。実験室でも産業界でも使用できる万能真空計を考案するのは天才的な人たちのために残っています。人間の要素が思いつくような馬鹿げたミスにもかかわらず、安定した校正を維持します。それは温度や雰囲気の条件や迷子や時には腐食性ガスの存在によって影響を受けないでしょう。

もしこれを読んでいる天才がそのような装置を考案できるならば、今すぐ退職届を書き始めてください。ご覧のように、真空測定にはまだ多くの問題があります。この小冊子では何百もの問題については触れていませんが、仮に触れていたとしても、新しい問題がいくつか出てくるでしょう。私たちが言えることは、高真空処理は本当に魅力的であり、真空処理を採用した産業発展の新時代の入り口に立っているということです。多くの新しい問題に遭遇することになるでしょうが、高真空技術者はオープンマインドでこれらの問題に対処することができます。新しいアイデアが必要とされており、業界はあなたに期待しています。

- J.ゴードン・サイター

謹んで更新
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