真 空 技 術 基 礎 講 座 (3)
II な
ぜ
真
空
を
使
う か
基 礎 講 座 委 員 会
皆 さ ん は前 章 で 真 空 が 実 に広 い 用 途 を 持 つ て い る こ と を学 び ま した 。 正 確 にい え ば 非 常 に広 般 に真 空 技術 が 利 用 され て い る とい うこ とで す 。 殆 ん ど今 日の あ らゆ る工 業 分 野 に 「真 空 …… 装 置 」 とい うよ うな真 空 を利 用 した 装 置 が使 われ てい ます 。 第1表 の 中 には 皆 さん が 御 存 じ な か つ た用 途 も沢 山 あ つ た こ と と思 い ます し、又 第1表 に 出 て い な い用 途 も ま だ ま だ沢 山 あ ります し、又 将 来 も つ と広 く使 用 され る で あ ろ うこ と は疑 あ りませ ん。 勿論 この講 座 は これ らの用 途 に つい て全 部 を詳 し くお 話 し よ う とす る もの で も な く、皆 さ ん も応 用 全 部 につ い て 通暁 し よ う と思 つ て お られ る訳 で は な い で しよ う。 し か し こ こで よ く考 え て頂 き たい こ と は、 自然 科 学 の 問題 は 一 見 全 く関 係 の な い よ うな題 目で も、詳 し く考 察 す る と 、そ の 奥 に 深 い 関 係 が あ つ た とい うこ とは決 して稀 な こ とで は あ りま せ ん 。 事 実 最 近 は 物 理 学 者 が生 物 学 を 研 究 した り、医 学 者 が 電 子 工 学 を勉 強 した りす る世 の 中 で す 。 真 空 とい う共 通 の 立 場 に 立 つ 以 上 真 空 に共 通 した 法 則 につ い て興 味 を持 つ こ とは む しろ 当 然 で あ り又 そ の 共 通 の法 則 を見 出 す よ うに研 究 を進 め て行 くこ とは 極 め て 大 切 で あ ります 。 法 則 が 分 れ ば 自分 の専 門 外 の 応 用 に お け る新 ら しい 応 用 を速 か に取 り入 れ た り、 自分 の 仕 事 を 能 率 よ く進 め て行 くこ とが 出 来 ます 。 1. 真 空 と は 何 か 。 ど う して 使 う の か 。 それ で は第 一 に真 空 とは何 か とい う問題 につ い て考 え て見 ま しよ う。 これ に対 して 「全 く愚 問 だ。 真 空 と は空 気 の な い 状態 さ 」 とだ け答 え る の は 、昔 の人 達 が 漠 然 と 「Nature abhors vacuum.」 (神 は 真 空 を好 ま ない) とい つ て い た の と大 差 あ りませ ん 。本 当 の意 味 で真 空 と い うこ とが分 るた め に は 、真 空 とは ど う して実 現 す るか ?ど うして 測 るか?ど う使 うか?ど うい う現 象 が 起 るか?と い う こ とが分 つ て始 め て い え る こ とで す 。 1) 空 気 が な い そ れ は そ れ と して 「空 気 の な い 状 態 」 とい う答 は確 か に 真 空 の一 つ の 面 を 表 わ して い ます 。 だ か らあ る容 器 を 真 空 にす る とい うこ とは 、 そ の 容 器 に 入 つ て い る空 気 を 取 去 れ ば よ い わ け です 。 しか し空 気 を手 で掴 み 出 せ ます か 。 又 そ の とき外 か ら空 気 が入 つ て来 て は何 に も な りま せ ん 。結 局 そ の容 器 よ り空 気 の 少 な い 部分 を何 とか 造 つ て 、 これ を 容器 と連 絡 すれ ば容 器 中 の空 気 が 密 度 の少 な い方 に 流 れ て い き結 局 容 器 中 の空 気 が薄 くな る方 法 を と るか 、何 か 化 学反 応 で も他 の方 法 で も空 気 を捕 え て しま うか 、 空気 を 物 凄 く冷 して液 化 又 は 固化 させ て動 け な く して しま うか この 三 つ の 方 法 の うち の 何れ か しか や り方 は あ りま せ ん 。 空 気 は 御 承 知 の よ うに 酸 素分 子 と窒 素 分 子 の混 合 した もの で あつ て そ の 数 が 物 凄 く多 い の で す 。 手 を 握 つ て空 気 を掴 ん で下 さい 。 こ の手 の 中 の容 積 は何 cc あ りま す か ま あ 10cc と して 見 ま しよ う。 気 体 論 を勉 強 す る と常 温 常 圧 で は そ の 気 体 が 何 で あ ろ うと 、又 た と え混 合 物 で あ ろ う と1ccの 中 に約 3×1019 個 の分 子 が あ る* とい うこ とで す か ら、 皆 さん は 今3× 1020個 の分 子 を手 の 中 に収 め てい ます 。3×1020 個 とい つ て も ピ ン と来 ない 方 に は1人 で1円 もつ てい る の と、 100 億 人 が め い めい 300 億 円 も つ て集 つ て い る の とが 丁 度 1:3×1020 の比 だ とす れ ば ど うです か 。 皆 さ ん は空 気 中 に住 ん で い ます 。 しか し ど こへ 歩 こ う と も 、 ど う身体 を動 か そ う とも別 に空 気 が邪 魔 に な る こ とは あ りませ ん。 しか し或 る仕 事 を しよ うとす る と空 気 又 は酸 素分 子 と窒 素分 子 が とて も邪 魔 に な るこ とが あ り ま す 。例 え ば飛 行 機 が音 速 を超 え る とき は空 気 が 物 凄 い 大 きな 壁 の よ うに な る こ と もあ り、金 属 を高 温 で融 かす と き酸 素 が あ れ ば す ぐ酸 化 して しま う と い う こ と も あ り、 純 粋 な 空 気 以 外 の ガ スを 造 る とき は 容 器や 装 置 に空 気 が 入 つ て は 困 りま す 。 これ 等 は すべ て 真空 の 中 で は起 りませ ん 。 従 つ て 大 気 圏 外 を 回 る人 工衛 星 は 8km/sec で 飛 ん で も殆 ん ど空 気 の抵 抗 を うけ ま せ ん し鼎 、最 近発 達 した 金 属 の真 空 溶 解 も この 原 理 で あ り、 高 純度 の ア ル ゴ 脚 註* 1 モ ル の 気 体 は 常 圧 、 常 温 で 気 体 の種 類 に か か わ らず 約 6×1023 個 の 分 子 か ら成 立 つ て い る。 これ を ア ボ ガ ドロ数 、又 は ロ シユ ミツ ト数 と呼 ぶ 。 この 値 は 真 空 技 術 ばか りで な く化 学 や 物 理 で も しば しば 出 て 来 るの で 記 憶 して お く こ と。 (第 5 巻 第 6 号) ( 19 ) 202ンの 製 造 装 置 に 真 空 ポ ン プが つ い て い るの も、 何 れ も空 気 又 は酸 素 、窒 素 の な い 条 件 で仕 事 を した い か らで す 。 2) 分 子 が 自由 に動 け る さ き 程 申 しま した よ うに 、常 圧 常 温 で は 1cc 中 に一 寸 実 感 で は 分 らな い 程沢 山 の 空 気 分 子 、正 確 には 窒 素 、酸 素 の分 子 が 入 つ て い ま す が 、 しか も これ 等 の 分 子 は 物 凄 い ス ピ ー ドで飛 ん で い ます 。気 体 分 子運 動 論 とい う学 問 の 教 え る と ころ で は 、 常 温 で空 気 中 の 分 子 は 平均 約462 m/sec とい う速 さ で 飛 ん で い る とい わ れ ます 。 数 式 で示 しま す と
(2.1)
と な り ま す 。 こ れ で 平 均 速 度 が 計 算 出 来 ま す 。k は ボ ル ッ マ ン 恒 数 と い う も の で 、k = 1.3709×10-16〔erg/°K〕 、 T は そ の 気 体 の 温 度 〔°K〕 (絶 対 温 度 = 摂 氏 温 度+273°) π = 3.1416… …, m は 分 子1個 の 重 さ 〔gr〕 で す 。 分 子 1個 の 重 さ は ど う し て 計 算 し た ら よ い で し よ う 。1 モ ル の 気 体 は 常 圧 、 常 温 で 6×1023 個 の 分 子 を 含 ん で い ま す (さ つ き 出 た ア ボ ガ ド ロ 数 で す)。 そ し て1モ ル の 重 さ は 水 素 な ら 、 2.016〔gr), 酸 素 な ら32〔gr〕 で す 。 こ の 1モ ル の 重 さ を 分 子 量 と い い ま す 。 だ か ら 分 子1個 の 重 さ は 分 子 量 を ア ボ ガ ド ロ数 で 割 れ ば よ い こ と に な り ま す 。 以 上 の 関 係 を 入 れ て(2.1)式 を 書 換 え る と(2.1)'
とな ります 。夢 は 平均 速 度 〔cm/sec),Tは 絶対 温 度 〔°K〕 M は分 子 量 〔gr/mol〕 で す 。 平 均 速 度 は この 式 で計 算 し て下 さ い。 気 体 分 子 は前 に も述 べ た よ うに勝 手 に飛 び廻 つ て い ま す の で、 そ の速 度 も早 い も のか ら遅 い も の ま で 色 々 で す 。 これ をた だ 平 均 した のが 上 に述 べ た 平 均 速 度 です が この 他 に、 確 率 最 大 速 度 α (こ の 速 度 で 飛 ん で い る分 子 が 最 も多 い)、 平 均 二乗 速 度√V2(速 度 を二 乗 し て つ ま り向 を考 え て逆 の 向 に飛 ん で い る もの もそ の 大 き さ を 考 え に入 れ て-平 均 して 平 方 根 を取 る)な どが あ り 夫 々(2.2)
(2.3)
で 計 算 し ま す 。 α と√V2戸 の 単 位 は 〔cm/see〕, k, m, T, Mは (2.1), (2.1)'と 同 じで す 。 こ の よ う に 平 均 速度 に も色 々 あ り、 なぜ そ ん な に多 く考 えな けれ ば な ら な い か は ちや ん と理 由 が あ る の です が 、 これ は 相 当複 雑 に な ります の で も う少 し勉 強 が 進 んで か ら に し ま し よ う。 さ て空 気 中で は 分 子 の数 が 多 い と こ ろ に持 つ て来 てそ れ ぞ れ 早 い 速 度 で 飛 ん で い るの で 当然 す ぐ衝 突 して し ま い ます 。 こ の衝 突 か ら次 の 衝 突 ま で 飛 ぶ 距 離 を 自由 行 程 とい い ま す 。 勿論 運 の 良 い 分 子 は雨 あ られ と飛 ぶ弾 丸 の 中 を 突撃 す る不 死 身 の 兵 隊 の よ うに か な り長 い距 離 を 飛 べ ま す が 、 中 に は運 悪 く衝突 ば か り して 一 寸 も飛 べ な い も の も あ る で しよ う。 です か ら こ の 自 由行 程 を平 均 して 表 に し ます 。 これ を平 均 自 由行 程 とい い ます 。気体分子運動論で計算 した結果は
(2.4)
と な ります 。λは平 均 自 由行 程 〔cm〕,Tは 絶 対 温 度 〔°K〕 Pμ は真 空 度 〔μHg〕、 σ は分 子 の直 径 〔cm〕で す 。 ここ で 問題 に な るの は σで す。 誰 も直 接 測 つ た こ とは な く、 実 は λを 別 の方 法 で 測 つ て 逆 に σを出 して い るの です が 一 応 標 準 と な る分 子 直 径 の値 を第4表 に示 してお き ま し た 。 これ か ら解 る よ うに常 温(25℃)常 圧 の空 気 につ い て平 均 自 由行 程 は 6.69×10-6cm で す が 温 度 が 高 くな る と、 又 圧 力 が 下 る(つ ま り高 真 空 に な る と)平 均 自由 行 程 は 長 くな ります 。 丁 度 ク リスマ ス イ ヴの 日に 銀 座 通 り を 歩 くの が 一 気 圧 の 状 態 で 、 サハ ラ砂 誤 を 歩 くの が 高 真 空 の 状 態 で す 。銀 座 通 りは ぶ つ か りあ つ て 歩 くの に 、サハ ラ砂 漠 で は 何Km行 こ うが 人 と会 は な い の と同 じです 。 空 気 で は常 温 、1mmHg の と きは 5.09×10-3cm で す 。 しか し 1μHg にす る と5.09cm飛 べ ます 。 更 ら に最 近 の超 高 真空 技術 に よ つ て実 現 され た よ うな10輯9mmHgま で真 空 に す る と何 と平 均 して 5.09×10gcm = 50.9km も 衝 突 な しに飛 ん で行 け る計 算 に な ります 。 以 上 で 「真 空 中 で は分 子 が 衝突 な く(又 は少 な く)飛 び 廻 れ る 」 とい うこ と に な ります 。 分 子 だ けで は あ りま せ ん。 電 子 も 、 イオ ン も同 じこ とで す 。 この 原 理 を用 い 脚 註* 殆 ん ど僅 か の空 気 が あ るの で 、極 く僅 か の抵 抗 を 受 け る。 これ で 人 工衛 星 は 次第 に遅 くな りい つ か は 落 ち る。 又 この遅 くな り方 か ら空 気 の 密 度 が分 る。 第 4 表 ガ スの 平 均 自由 行 程 及 び 分 子 直 径 (単 位cm) 203( 20 )
真
空
工 業
た の は電 子 の作 用 に よつ て働 く電 子 管 、 イオ ンを 加 速 し て飛 ばす サ イ ク ロ トロ ン、 な どが 代 表 的 な例 です 。 又 蒸 溜 な ども1気 圧 で は液 面 か ら飛 び 出 した蒸 気 に なつ た分 子 が空 気 に す ぐ衝突 して お し返 され る の です が 、 液 面 上 を高 真空 に してお け ば 衝突 な しに、 冷 却 部 分 まで 飛 んで 行 け るの で非 常 に 能 率 が 良 くな りま す 。 3) 圧 力差 を 利 用 す る 真空 の も う一 つ の 重要 な性 質 は あ た りま え の こ と です が 、大 気 圧 との 問 に圧 力 差 が出 来 るこ とです 。 こ の利 用 法 は 別 に 詳 し く述 べ な くて も御 判 りで しよ う。 例 えば 船 に つ ん だ 小 麦粉 を 真空 で 引い て倉 庫 に入 れ た り、真 空 濾 過 、 真空 成 型 、真 空 捺 染 等 案 外 利 用 され てい ます 。 これ 等 は い つ れ も大 気 圧 に よ つ て 目的 物 が 押 され る のが 原 理 に な つ て い ま す 。又 あ る物質 が持 つ て い る色 々 な圧 力 と 真 空 との 圧 力 差 を 利用 す るこ と も 多 い の です 。 例 え ば水 を100℃ に加 熱 す る と1気 圧 の蒸 気 を 発生 す るよ うに な り、1気 圧 で 沸 騰 を し ます が 、20℃ で は 18mm Hg の 圧 力 の 水 蒸気 を 発生 す る こ とが 出来 るだ け で 、外 部 が1 気 圧 で は沸 騰 は し ませ ん 。 外 部 を18mmHgよ り一 寸下 げ て や る と20℃ で も水蒸 気 の 圧 力 が 勝 つ て沸 騰 しま す 。 これ は 物 質 の蒸 気 圧 に よ る もの で す 。 こ の外 に 真空 中で 金 層 の ガ ス抜 きを す る とか 、 金 層 とガ ス の結 合 を解 離 させ る のは 金 属 と ガ ス との 解 離 圧 に よ るも の で す 。 2・ 真 空 を 用 い な い で す む か 以 上 で 皆 さん が 真 空 を 利 用 す る場 合 は 「空 気(酸 素 、 窒 素)が ない 」 「分 子(電 子 、 イオ ン)が 自 由 に 飛 べ る」 「1気 圧 と の問 に圧 力 差 が あ る」 とい う三 つ の 原 理 の うち何 れ か を、 又 は 重 複 して 用 い よ うと して い る筈 で す 。 こ こで 立 場 をか え て 「真 空 な ん て面 倒 だ か ら嫌 い だ 」 とい う人 の た め に真 空 をつ か わ ない 方 法 も考 え て見 ま し よ う。 世 間 で は真 空 に対 して色 々 の見 方 を し てい ます 。 何 も しら ない 人 は 「真 空 なん て何 で も ない 」 とい い ま す 。 しか し一 寸 真 空 の こと を知 る と 「真 空 は 大 変 だ 」 と 思 い だ します 。 本 当 に真 空 を知 れ ば 又 「真 空 なん て何 で も な い 」 と思 い ます し、又 事 実 そ うです 。 従 つ て世 間 に は 「真 空 を実 現 し維 持 す る の は 中 々大 変 な仕 事 だ か ら出 来 れ ば 真空 を使 は な い で や る方 法 は ない か 」 と思 つ てい る人 が 、 多数 い ま す 。 さて 前 に述 べ た三 つ の原 理 の うち 「圧 力」 と し て利 用 す るの に は 、高 圧 とい う代 法 が あ り、しか も高 圧 を利 用 す れ ば そ の 力 を い く らで も強 く出 来 ます 。 真 空 と大 気 圧 で は 約 1kg/cm2 の 力 しか 出 ませ ん が 、 絶 対 圧 力 10k9/cm2 の 高 圧 と大 気 圧 で は 約 9kg/cm2 の力 が 出 ます 。 昔 は列 車 の ブ レ ー キに 真 空 ブ レー キ とい うの が あ りま した 。 こ れ は シ リン ダー を 真 空 に して ピ ス トン を吸 い 上 げ て ブ レ ー キ を動 か す 方 法 で す 。 しか し今 日では例えば電車では 5kg/cm2 の高 圧 で ピ ス トン を動 か して い ます 。 この 方 法 の方 が 、 よ くブ レー キが か か る こ とは す ぐ分 ります 。 大 型 自動 車 には 今 で も真 空 ブ レー キが 使 は れ て い ます 。 これ は機 械 上 、 オ イル ブ レー キ よ り急 速 な 動 作 が 出 来 る た め と高 圧 よ り装 置 が 簡 単 で す む た め で す 。 同 じ よ うに 真 空 濾 過 に対 して高 圧 濾 過 が あ り、 真 空 輸 送 に対 して 送 風 輸 送 が あ ります 。だ か ら真 空 を圧 力 と し て用 い るの は､ 高 圧 を用 い る のが 大 変 な とき、 又 は用 い 難 い と き(例 え ば 真 空 濾 過 な ら原 料 部 分 は1気 圧 だ か ら連 続 的 に 動 か せ るが 、 原 料 部 分 に高 圧 をか け る の は連 続 操 作 と し難 い) に用 い れ ば効 果 が あ ります 。 次 に空 気 特 に酸 素 の存 在 が 困 る場 合 に は不 活 性 ガ ス を 用 い る とい う方 法 が あ ります 。 例 えば 金 属 の溶 解 で も真 空 で な くア ル ゴ ンや窒 素 を用 い る場 合 も あ ります 。 有 機 物 の酸 化 を防 ぐた め 炭 酸 ガ ス を 封 入 す る 方 法 も あ りま す 。 従 つ て この 目的 の た め に真 空 を用 い る の は、 適 当な 不 活 性 ガ ス が ない とき か 、 叉 は経 済 的 に真 空 を用 い た と き の方 が 、 安 い場 合 で す 。 最 後 の分 子 そ の他 が 自 由 に飛 び廻 る とい うの は真 空 以 外 で は考 え られ ませ ん 。従 つ て真 空 蒸 着 とか分 子 蒸 溜 と か は 当 然高 真空 が用 い られ ます し、普 通 の電 子 管 も そ う で す 。 もつ とも電 子 は金 属 の 中 とか 半導 体 の 中 で も動 け ま す の で 、 電子 管 が トラ ン ジス タ ー等 に変 つ て行 くよ う な こ とは あ りま す が 。 さ て 真 空 を 用 い る と逆 に 具合 の悪 い こ とも あ ります 。 電 球 は初 期 は ブ イ ラ メ ン トの酸 化 を防 ぐた め真 空 に しま した が 、 酸 化 は止 りま した が今 度 は蒸 発 が 盛 ん に な る の で(分 子 が 自由 に 動 け る → 蒸 発 温度 が 下 る)困 りま し た 。 従 つ て今 日で は 数mmHgの 不 活 性 ガ ス を充 墳 して あ ります 。 又 螢 光 燈 は 螢 光 体 を イ オ ンで 刺戟 して あ の光 を 出 して い るの で 真 空 に して しま う とイ オ ンが な くな る の で 数 mmqg の ア ル ゴ ン ガス 、水 銀蒸 気 が入 れ て あ り ます 。 以 上 で 大 体 極 く大雑 把 に 真 空 とは何 か 、 なぜ 真空 を 用 い るの か に つ い て皆 さん の 注 意 を 向 け て頂 き ま した 。 こ れ 等 の 原 理 は 全 く子 供 じみ た こ とで す が 、 しか し 自然 科 学 の 学 問 、 技術 は い つ も こん な所 か ら出 発 して次 第 に奥 深 い 所 へ 進 ん で行 くの で す 。 こ こで 述べ た こ とは そ の よ うな 意 味 で 今 後 真 空 技 術 を 学 ぼ う とい う皆 さ ん に きつ と 何 か の 御 役 に立 つ こ と と思 い ま す 。 (第 5 巻 第 6 号)
