真空pump--真空狀態的判斷

真空狀態的判斷

      透過回顧歷史，我們知道17世紀義大利實驗家托里切利的汞柱實驗，無疑是人類歷史上第一次揭露真空以及大氣壓力的存在。說托里切利開了一扇門並不為過，眾人從那之後便開始探索這扇門後的新物理領域，而如何達成真空以及如何去量測真空，自然成為技術上要解決的問題，本文將探討如何量測真空的各項技術。而在開始了解各項真空量測技術前，我們會先對真空度以及不同真空度下的氣體運動方式做些簡單的介紹。
     真空度
真空的壓力就是單位面積上所承受的力，而真空度這個由國人自創的名詞，指的是真空系統中殘餘氣體壓力的程度。一般在描述系統真空度方面，多以低真空（low vacuum）、高真空（high vacuum，HV）及超高真空（ultra-high vacuum，UHV）來表示系統真空狀態，下表即為不同真空度所對應的壓力單位讀值：



氣體運動方式
對於不同壓力單位讀值所對應到的真空度有所了解後，接下來在不同真空度下，氣體分子運動的方式。藉由了解不同真空度下氣體分子運動的方式，有助於我們了解在不同的真空度下應當如何選擇恰當的真空計，以及選擇使用最有效抽的氣方式達到所欲的真空度，而談到氣體分子運動，就一定要了解平均自由徑（mean free path）的概念。



氣體的平均自由徑，是指氣體分子在運動時，單獨氣體分子在碰撞到其他氣體分子前，所經過路程的平均值。而平均自由徑與分子的直徑或半徑、分子數密度成反比，根據這些基本原則我們可以區分出真空環境中的三種氣體運動型態：

一、黏滯氣流（viscous flow）
黏滯流的壓力範圍大約在760 – 25 Torr，也就是在低真空狀態，其特徵為系統內的氣體分子間有相互碰撞的作用，每一個氣體分子的運動都受到其周圍氣氛子的限制，氣體分子間有摩擦性（即這裡所謂的黏滯性」）。氣流方向與氣體分子運動方向一致，故此氣流也稱為連續流。

二、過渡氣流（transition flow）
過渡流的壓力範圍約莫在25 to 1×10−3 Torr，也就是在中度真空狀態。由於部分氣體分子被抽離（壓力下降），系統內氣體分子的平均自由徑略微增加，一部分氣體仍維持在黏滯流的狀態，但也有部分的氣體已轉換為下面即將要提到的分子流狀態。

三、分子氣流（molecular flow）
分子流的壓力範圍約莫在1×10−3 to 1×10−12 Torr，也就是高真空-超高真空的狀態。當壓力降低到一定程度時，系統內的氣體分子完全任意運動、氣體分子間沒有相互作用，而在系統的氣體分子相遇時為彈性碰撞（也就是碰撞前後整個系統的動能不變，沒有轉成其他形式的能量）。在這狀態下氣體分子與系統內壁碰撞的機會比氣體分子彼此碰撞的機會來得大，在這類系統中所需要的抽氣機制與真空量測方式，自然也與先前兩個狀態有明顯的差異。

如何測量「真空」？
有了上面對於真空度與其相對應的壓力範圍，以及對氣體分子運動類別的基本認識，接下來就可探討我們如何量測「真空」。若從今日我們所熟知的氣體性質來看真空量測的方式，大致可分為兩大類：

一、直接壓力測量

根據當代對於真空的定義：「真空就是一個容器內的壓力小於大氣壓力」，所謂「壓力」指的是單位面積所受的力。從氣體動力論來看這個定義，是指氣體對容器內壁所施加的壓力，與單位體積內之氣體分子密度、氣體之溫度有關。如何去量測氣體分子之熱速度作用於容器內壁所施加的力，就是這裡所謂的
直接壓力測量。在這個分類下，開發出諸如：壓力天平、液位壓力計、壓縮式真空計、彈性元件真空計等機械式真空計，而這些真空計適用的真空範圍約莫在1000 ～ 10-1 mbar（約莫是1330 ～ 0.133 Torr），可充分涵蓋大氣到低真空的範圍。若要量測到真真空或超高真空的壓力，就必須透過第二類的壓力量測方式來達成。僅以壓力天平為機械式真空計的一例來做說明。壓力天平的運作公式為：

P = F / A = Mg / A
其中F（force）是力（也就是質量乘以加速度）、M是產生有效壓力的淨質量、g為當地絕對重力值、A為活塞組之有效面積。


二、間接壓力測量
與第一類直接量測壓力相反，第二類量測方式是根據氣體與壓力相關的特性來量測，例如：熱導性（thermal conductivity）、游離機率（ionization probability）以及電導性（electrical conductivity）等，因為不是直接量測單位面積所受的力，因此這類真空計若沒特別註明時，其讀值大多是以空氣或氮氣為參考依據，若要用於量測其他氣體時，需要根據相關修正係數來做修正。

鑑於科技演進（粒子物理學、表面分析等）對於真空度的要求越來越高，將特別針對常用於中真空到超高真空的量測方式來做介紹：

1. 熱傳導真空計
這類真空計是利用氣體與壓力相關的熱導性（thermal conductivity）來測量，首先讓我們先對物體在真空環境中的熱傳導特性做些了解。在真空中的發熱物體，熱的傳導方式有三種方式：真空中殘餘氣體分子對發熱物體的熱傳導、發熱物體產生的熱輻射，以及經由發熱體及其支架的熱傳導。而熱傳導真空計就是利用系統內氣體分子對發熱物體的熱傳導，來進行壓力的間接量測。

以派藍尼真空計（Pirani Gauge）為例，是透過一條具有高電阻溫度係數材料所製成的燈絲進行量測，當一定的電流流過燈絲時，可讓燈絲維持在特定溫度間（例如：100-130攝氏度）。若以系統內壓力變高為例，壓力高表示系統內氣體分子密度高、氣體分子與該燈絲碰撞的機率高，由於氣體分子與燈絲進行碰撞的過程中也一併把燈絲產生的熱給帶走了（熱導），因此燈絲溫度隨之降低，而為維持燈絲溫度一致，控制器必須輸出定量的電壓或電流以維持燈絲溫度恆定。藉上述熱傳導所導致的溫度下降現象，我們可以觀測燈絲上電壓或電流的變化來推導系統內的壓力狀況。這類真空計適用於760 - ×10−3 Torr的壓力範圍，結構簡單、幾乎不需要特別的保養是這類真空計最大的優點，因此廣泛應用在低真空的許多不同領域當中。


2. 離子式真空計
如先前在氣體分子運動當中所述，當系統壓力降低地到分子流的程度（約莫是1×10−3 to1×10−12 Torr），氣體的平均自由徑變得極大，在這狀況下氣體分子要與上述的派藍尼式真空計燈絲發生碰撞的機率大幅減少，讓派藍尼真空計這類的熱導式真空計完全無用武之地，因此需要不同的方式來進行高真空環境底下的壓力量測。

在高真空環境下是應用氣體分子的離子電流強度來推導系統真空度。要得到氣體的離子電流讀值，首先就必須將氣體分子離子化（ionization）。游離的方式有很多種，有的是利用帶能量的電子去撞擊氣體分子、有的是利用帶能量的質子去撞擊氣體分子，也有些是利用光子去撞擊氣體分子，但一般比較常用的是第一項，也就是用帶能量的電子去撞擊氣體分子產生氣體分子游離化的作用。而根據電子電流產生裝置，基本上可分為下列兩大類：

（1）熱陰極離子真空計（hot cathode ionization gauge）
如字面意義所示，是藉由在一組燈絲上通過電流來產生熱電子，然後施加一加速電場好讓熱電子獲得夠高的能量，撞擊周遭的氣體分子並使其離子化，然後再由氣體分子離子化之比率估算剩餘氣體分子的數
量，進而推導出系統內真空壓力的大小。
由於熱電子在加速電場引導下撞擊陽極時，因為電荷瞬間減速因此產生軟X光，此軟X光若照射到收集離子電流的電極時會產生光電效應，使收集極放出光電子（也就是獲得一個正離子電荷），而這個現象限
制了離子式真空計的最低偵測極限。有鑑於此，出現了Bayard-Alpert式熱陰極離子真空計，其設計是將收集離子電流的收集極表面積儘量減少，以減少上述光電效應造成的量測限制。







（2）冷陰極離子真空計（cold cathode ionization gauge）
與熱陰極離子式真空計不同，冷陰極式離子真空計不是透過燈絲產生可用於游離氣體分子的熱電子，而是在高強度電場中產生自發性的持續放電，由陰極所產生的電子高強度電場加速，再加上施以與電子運動方向垂直的強磁場，使電子以螺旋路徑（增加電子與氣體分子碰撞、游離的機率）飛向陽極。就結構上來說，這類真空計不怕空氣瞬間侵入（無需考慮會有燈絲因此毀損的問題），以及不需要擔心外界振動會造成影響，因此相當廣泛地應用在高真空、超高真空的應用中。


真空技術的基本建立在真空度的達成，以及如何確知系統真空度已經達成，在下篇文章中將針對前者，也就是各種真空抽氣技術進行介紹。

乾式真空pump:
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