高真空

高真空とは、密閉システムにおける極めて低いガス圧を指します。この圧力範囲では分子流が支配的であるため、多くの従来の流体力学の法則はここでは適用されません。高真空の範囲は、およそ 10⁻⁷ から 10⁻³ mbar の圧力です。この範囲では、粒子密度が非常に低いため、ガス分子の平均自由行程が非常に長くなります。ガス分子は、分子同士よりも壁と衝突する頻度が高いため、分子流と呼ばれます。

平均自由行程 λ は、以下の式で理想的に表現することができます。

λ = k_B · T / (√2 · π · d² · p)

• λ は平均自由行程です。
• k_B はボルツマン定数です。
• T は温度です。
• d は分子直径である。 
• p は圧力です。

高真空は、実際には多段階で生成されます。まず、予備真空ポンプが微真空領域を排気します。その後、高真空ポンプ、例えばターボ分子ポンプや拡散ポンプが引き継ぎます。達成可能な最終圧力レベルは、漏れ、ガス放出、および表面の清浄度に大きく依存します。高真空装置の性能は、吸引能力 S およびリークレート Q_L によって表されます。簡単なバランス式は次のとおりです。 

Q_L = p_(end) · S

• p_(end) は定常終端圧力です。 
• Q_L はリークレートです。
• p_end は定常終端圧力です。 
• S は吸着能力です。

漏れ率が低く、効果的な吸引能力が高いため、より低い最終圧力を実現できます。高真空は、残留ガス密度が低いため純粋な層の堆積が容易になることから、薄膜技術や半導体技術で使用されています。電子光学では、高真空により電子ビームがガス原子にほとんど散乱されません。代表的な用途としては、電子顕微鏡や電子ビーム溶接装置があります。金属の熱処理においても、高真空は重要です。真空炉は酸化を防ぎ、金属の表面を光沢のある状態に保ちます。分析分野では、イオンの飛行経路を確実に定義するために、質量分析法が高真空下で実施されることがよくあります。ミキサーや粉末技術では、特殊な用途でのみ高真空条件が使用されます。