真空與壓力


什麼是真空

所謂的真空是指在一特定空間內沒有任何氣體分子,但實際上不可能達到這種狀態,因此真空泛指特定空間的部分氣體被排出,使其壓力小於一大氣壓。此空間被排出的氣體分子越多,壓力就越低,其真空度越高,因此壓力的大小常常被用來衡量真空的程度。

真空的單位
常用來表示壓力的單位有 atm 、torr、Pa、Bar 、psi 等等。

什麼是大氣壓力
大氣壓力 (Atmospheric pressure) 來自於大氣層中空氣所產生的重力,大氣壓 (Atmosphere),為描述大氣壓力大小的單位之一,通常以縮寫「atm」表示。

影響大氣壓力的參數一 : 海拔高度
在較低海拔時,由於其上的氣體量比高海拔處多,故具有較大的大氣壓力;反之,高空的空氣較稀薄,大氣壓力也就隨著海拔高度而逐漸下降。

影響大氣壓力的參數二 : 溫度
空氣熱脹冷縮,當溫度升高時,空氣密度變低,相同面積的土地其上方的空氣也就較輕,所以高溫地帶的大氣壓力較低。

大氣壓力的量測
義大利的科學家托里切利在1643年製造了一隻大約在一公尺長的玻璃管柱,封住其中一端,然後用水銀裝滿管子,接著將管子垂直插入一 個裝滿水銀的盆子。他發現水銀柱從原來的一公尺降到大約76公分,而且不論是何種尺寸的管子,也不管是否是垂直插入盆中,或是斜斜的插入盆中,水銀柱與地 表的垂直高度依然是76公分左右,就這樣他確定了一大氣壓約是76公分水銀柱高,為了紀念托里切利,後人定義 1 torr = 1 mmHg = 1/760 atm,因此 torr 被用來當成壓力的單位。

一大氣壓定義以及常用壓力單位轉換
國際參考壓力值定義地球海平面上的平均壓力為101325 Pa,也就是1 atm。
1 atm =760 torr = 1.0132506 Bar = 14.69574 psi = 101325 Pa

真空的分級
依照真空度的不同,大致上可分為四級:粗略真空 ( Rough vacuum:760~ 1 torr ) 、中度真空 ( Medium vacuum:1~10-3 torr ) 、高真空 ( High vacuum: 10-3~10-7 torr )和超高真空 ( Ultra-high vacuum:10-7 torr以下 )。

抽真空的步驟
抽真空的第一步就是使用前級幫浦,將氣壓由一大氣壓抽至粗略真空﹔前級 幫浦有很多種,有氣體動力式幫浦跟機械式的幫浦,其中機械式幫浦必須上潤滑 16 油來潤滑,但是由於真空腔與大氣的壓力差,使得油蒸氣會流回到真空腔而造成 污染,這會使得真空腔內的氣壓抽不下去。為了避免這類的問題發生,所以我們 的前級幫浦都是選用乾式幫浦 ( Oil-free pump )。

機械幫浦:工作範圍為 1atm~10-3 torr,其原理為:利用進氣→壓縮→隔絕→排氣 的順序將氣體排出。 旋轉渦輪幫浦:工作範圍為 10-2-10-9 torr,這是利用氣體分子打到高速運動的葉 片互相碰撞作用下,使原任意方向的氣體分子同朝一個方向而被排出 系統外。

離子幫浦:工作範圍為 10-3-10-11 torr,這是儲氣式幫浦,主要是將氣體分子吸附 在幫浦內部,藉以降低主真空腔的氣壓。

鈦昇華幫浦:10-4 torr以下為其主要工作範圍,其原理是利用將鈦加熱,使其昇 華並附著於腔壁上,利用鈦活性強的原理,使其與一些活性氣體反應 形成固體化合物,而使得氣壓下降。 非蒸散型吸氣幫浦NEG Non-evaporable getter :NEG泵浦是以活性多孔合金與腔體內的活性氣體化合來達到移除氣體的效用,為一種化學吸附式泵浦。由於獨特的特性,使其特別適合應用在高真空(HV)到超高真空-極高真空(UHV-XHV)的真空系統。

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