真空装置

真空装置とは

真空装置は、真空状態の特性を応用した装置や機器の総称です。真空状態は、気体分子が極めて少ない状態であり、この状態を利用することで、様々な物質の特性を最大限に引き出したり、特殊な環境を作り出したりすることができます。真空装置の設計は、目的とする真空状態を作り出すための基本仕様、すなわち真空システムの設計が不可欠です。

真空システムの構成要素

真空システムは、以下の要素で構成されます。

到達圧力: 達成可能な最低圧力。真空の質を決定する重要な指標です。
真空の質: 残留気体成分とその割合。用途によって求められる真空の質は異なります。
真空環境の継続時間: 真空状態を維持する時間。実験や製造プロセスにおいて重要です。
放出ガスとリークガス: 装置内部からの放出ガスや外部からの漏れ込みガス。真空度を低下させる要因となります。
到達圧力の安定度: 真空度を安定的に維持する能力。外部からの影響や装置の不安定要素に左右されない必要があります。
温度環境: 高温または低温が必要な場合、装置の温度制御も重要です。例えば、核融合炉のような高温環境から、人工衛星のような低温環境まで、温度条件は様々です。
真空部品の材質: 真空部品から放出されるガスは、実験結果や製品の品質に影響を与えるため、材質の選定は慎重に行われます。
真空チャンバーの体積: 装置の大きさを決定する要素の一つです。
真空ポンプの減圧速度: 真空チャンバーを真空状態にする速度。プロセスの効率に影響します。

これらの要素を総合的に考慮し、目的に合った真空システムを構築する必要があります。

真空装置の主要構成要素

真空装置は、大きく分けて以下の2つの要素で構成されます。

真空チャンバー: 真空状態にする空間。処理内容に応じて材料、形状、内部構造が決定されます。
排気系: 真空ポンプ。真空チャンバーの大きさや真空の質によって、適切な真空ポンプを選定します。

さらに、真空装置は以下の4つの要素で構成されます。

真空チャンバー: 真空用材料で構成され、外部からの作用を導入する場合には真空フィードスルーを使用します。
真空ポンプ: 到達圧力、真空容器の大きさ、排気する気体、真空の質に応じて選定します。
真空バルブ: 外気や異なる圧力空間を隔離するバルブ、ガスの流量を制御するコンダクタンスバルブがあります。
真空計: 真空容器内の圧力を測定する全圧真空計と、気体成分を測定する分圧真空計があります。

真空装置の種類

真空装置は、利用目的によって多岐にわたります。

真空冶金装置

真空中で金属の溶解、精錬、鍛造、熱処理などを行う装置です。真空環境下では、以下のメリットが得られます。

純度の向上: 脱ガス効果により、金属中の不純物が除去されます。
合金における添加元素の精密なコントロール: 不純物の影響を排除し、添加元素を正確に制御できます。
鋳肌の向上: 脱ガス効果により、鋳造品の品質が向上します。
活性金属の溶解: チタンなどの活性金属を溶解することが可能になります。

主な真空冶金装置には、真空溶解装置、真空鍛造装置、真空熱処理装置、真空接合装置があります。

真空化学装置

真空中で化学反応や分離、混合、冷却などを行う装置です。エネルギー消費の多いプロセスですが、特殊な反応や分離が可能です。

主な真空化学装置には、真空反応装置、真空蒸留装置、真空乾燥装置、真空凍結乾燥装置、真空冷却装置、真空蒸発・濃縮・晶析装置、真空含浸装置、真空注入装置、真空脱泡装置、真空発泡装置、真空乳化装置があります。

真空薄膜形成・加工装置

真空中で薄膜を形成したり、加工したりする装置です。光学レンズのコーティングから、半導体デバイスの製造まで幅広く利用されています。

主な真空薄膜形成・加工装置には、真空蒸着装置、スパッタリング装置、ドライエッチング装置、アッシング装置、CVD装置、イオン注入装置があります。

分析・試験装置

真空中で、表面分析や材料試験を行う装置です。

表面分析装置: 電子やイオン、X線などを利用して、物質の表面状態を分析します。SEM,TEM,LEED,EELS,AES,XPS,GDMS,RBS,SIMS,EPMA,XRD,PIXF,XRF,EXAFS,CL,PL,STM,AFMなどが含まれます。
試験装置: 真空中で高温試験や酸化防止試験を行います。ヘリウムリークディテクタ、真空疲労試験機、真空曲げ試験機、真空引張り・圧縮試験機などがあります。

その他の真空装置

真空を利用した装置は多岐にわたり、これらの他にも様々な用途で利用されています。

関連事項

真空部品: 真空環境で使用される特殊な部品
真空フランジ: 真空部品を接続するためのフランジ
放出ガス: 真空装置内から発生するガス
* ベーキング: 真空装置内部を加熱して放出ガスを減少させる処理

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