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● 真空の話 ●


カラッポの空間

 「真空」とは、「何もないカラッポの空間」のことですが、現実的に完全な真空というものは実現不可能です。程度の差こそあれ、なにがしかの原子や分子は存在するものです。では、どのあたりから真空と呼べるのでしょうか。実は明確な線引きはありません。食品の真空パックなるものから、超高真空の分析装置に至るまで、その中に残っている原子や分子の密度の違いは10桁以上にもなります。
 実際に、真空と呼ばれる状態での気体分子の密度を見てみましょう。まず、普通の空気中の分子の数ですが、一辺1cmの立方体の中に含まれる窒素や酸素の分子の数は2.5×1019個、つまり1兆の1千万倍を超える数になります。では、食品などの真空パックはどうかというと、たいていの食品には水が含まれていますから、この中には水蒸気が充満しています。その量は、温度25℃で、一辺1cmの立方体当たり7×1017個ぐらいですから、普通の空気と比べて2桁も下がっていません(圧力の単位でいうと20mmHg程度。1気圧は760mmHg)。水流ポンプで作る真空も同じレベルです。「真空」と呼ぶには少々ムリがありますね(ただし、JIS規格では大気圧よりも低い状態を真空と呼ぶことになっているらしいので、「真空」という表示がしてあっても誇大表示ではありませんから、念のため)。それでは、ここで真空ポンプに登場してもらいましょう。一番普通に見られる油回転真空ポンプ(ロータリーポンプ)で作ることができる真空では、分子の数は1013個、つまり10兆個ぐらいです(10-3mmHg)。どうにか日常会話に上る程度の数字になってきました。有名なトリチェリーの実験(片方を閉じたガラス管に水銀を入れて、同じく水銀を入れた皿の上に逆さに立てると、ガラス管の上部に真空ができるという実験)で作られた真空の中にも、実はこのくらいの数の水銀原子が漂っています。拡散ポンプ(ディフュージョンポンプ)というタイプの真空ポンプを油回転ポンプと一緒に使うと、さらに2桁ほど下がって、1011個、つまり1千億個まで減らすことができます(10-5mmHg)。昔、テレビやラジオの中にいっぱい詰まっていた真空管の真空度がこのレベルです。このあたりの真空度までならば、十数万円のお金をかけて機材を揃えれば何とか到達することができます。さらにお金に糸目をつけないで、高価な真空ポンプをどんどん揃えて行きましょう(頭で考えるのは勝手ですから)。そうすると106個、つまり百万個程度にまで減らすことができます(10-10mmHg)。普通の空気の十兆分の一ですね。数千万円の分析装置などでは、このくらいの真空度が達成されているものがあります。地球上で作ることのできる最高の真空度は、このさらに1〜2桁下ぐらいまででしょう(10-11〜10-12mmHg)。これが宇宙空間になるとさらに1桁下で、一辺1cmの立方体あたりの分子数は数千個レベルと言われています(10-13mmHg)。


真空を作る

 ちょっと減圧するだけならば掃除機でもできますし、高温の水蒸気が充満した容器を密閉して冷やすと、水蒸気の液化に伴って圧力が下がる、といった実験は見たことがある人も多いでしょう。しかし圧力を2桁以上下げようと思えば、やはり真空ポンプに登場願うしかありません。ここで、真空ポンプの種類や仕組みを、ざっと見ておきましょう。
 先ほど出てきた油回転ポンプは、オイルを入れた胴体の中でローターを回転させてガスを掻き出す方式で、10-3mmHgぐらいまで減圧することができます。原理的にはピストン式のポンプと何ら変わりありません。往復運動を回転運動に替えただけです。図1のように、ローターが回って部屋が広くなったところにガスを引き込み(ピストンを引いた状態に相当します)、さらに回転して部屋を狭くして、引き込んだガスを別の出口から放り出すのです(ピストンを押した状態)。

図1

図1 油回転真空ポンプ
(上:ローターに翼が付いたタイプ、下:軸が中心からずれたローターを持つタイプ)


図1には2つの違ったタイプのポンプを示していますが、要は部屋が広くなったり狭くなったりすればよいわけです。この原理だけ見ると油がなくてもよさそうですが、油がないと効率が悪くなります。部屋を狭くしてガスを放り出すといっても部屋の広さはゼロにはできませんので、ここにガスが残ってしまいますが、部屋の中に油を入れることで、このような死んだ空間を少なくできます。また、気密もよくなりますし、潤滑もできる、ということで、油は一石三鳥の役割を果たしているのです。ポンプ用としてはできるだけ蒸発しにくい油を使いますが、やはり多少は蒸発しますので、到達できる真空度に限界がある大きな理由の一つになっています。
 油回転ポンプである程度減圧したところで、さらに真空度を上げる目的でよく使われるのが油拡散ポンプ(ディフュージョンポンプ)です。ポンプといっても、ブンブン動くような部分は全くない、静かなポンプです。このポンプでは、図2のように油を加熱して蒸発させ、ノズルから噴き出すことで流れを作り、その流れに巻き込んでガスを運びます。油の蒸気は冷やされて元の液体に戻りますから、何回も循環して使われます。図の左は一般的によく使われる縦型ポンプで、ほとんどの場合、金属製です。これに対して図の右側に示したのは横型で、ガラス製の拡散ポンプはこの構造のものが多いです。私が卒業研究で使っていたのは、このガラス製横型ポンプでした。

図2

図2 油拡散ポンプ(左:縦型、右:横型)


何だか頼りなさそうですが、実はこのポンプはなかなかの優れもので、これと油回転ポンプとの組み合わせで、10-5mmHgレベルの普通の真空装置は大体間に合ってしまいます。難点は単独で使えないことです。大気圧のところへいきなり拡散ポンプを持って行っても、多量にある空気の分子が好き勝手な方向に飛び回っていますから、それに乱されて一方向への油分子の流れができないのです。ですから、ガスの分子どうしの衝突がめったに起こらない程度まで圧力を下げておかなければ、拡散ポンプは機能しません。
 ここからさらに真空度を上げて行こうとすると、かなり高価なポンプが必要になります。その一つがターボ分子ポンプです。名前は大げさですが構造は単純で、たくさんの羽が扇風機のように回転するだけです。実際の構造は図3のようで、中心の軸に取り付けられた回転翼と、周りの胴体に取り付けられた固定翼が交互に層をなしています(実際のポンプでは、この図よりももっと密に、びっしりと翼が並んでいます)。ポンプのところに来たガスの分子は、少し角度のついた回転翼にぶつかって(図では下向きに)弾き飛ばされ、固定翼の隙間を通って一段下の回転翼でまた弾き飛ばされます。回転翼の傾きと固定翼の傾きは逆になっていて、逆流しにくい構造になっています。こうしてみると、基本的には傾いた羽でガスを叩き出すだけですから、ただの換気扇のように見えますね。でも、換気扇の場合とはかなり状況が違うのです。そのあたりは後の節で説明しましょう。

図3

図3 ターボ分子ポンプ


羽の回転数は毎分数万回ぐらいです(さらりと言っていますが、羽の先端は音速を超える速さで回っているのですよ)。高性能のターボ分子ポンプを使うと、大気圧の十兆分の1(10-10mmHg)レベルにまで真空度を上げることができます。
 ターボ分子ポンプは非常に優秀な真空ポンプなのですが、使い方を誤ると、けっこう怖いシロモノでもあります。なにせ金属製の羽が超音速で回っているのですから、何事もなければいいですが、ここに異物でも噛み込んだら羽が砕けてエラいことになります。また、バルブの操作を間違えて、ポンプが回転している時に真空系内に空気を入れてしまったりすると、まさにジェットエンジンよろしく、羽が浮き上がろうとして強烈な力がかかります。このような状態を「大気突入」などと呼んでいますが、大気突入すると装置を置いてある建物全体が地震のように揺れたりもします。昔のあまり丈夫でなかったポンプでは、「ポンプの首がちぎれて転げ回った」、とか「破損した羽が胴体を突き破って弾丸のように飛び出した」とかの笑えない話がいろいろあります。もっとも最近では、大きなムクの丸棒から軸と羽を一体で削り出すなどの方法で、強度が格段にアップしており、大事故を起こすような壊れ方はしなくなっています。
 これらのポンプの他に、チタンなどの金属膜にガス分子を吸着させて捕まえるゲッターポンプや、ガス分子をイオン化して吸着させるイオンポンプ、などの吸着タイプのポンプがあり、また、液体ヘリウムなどで冷却することでガスを液化して集めるクライオポンプもあります。これらを組み合わせることで、宇宙空間に迫る超高真空が作られているのです。


真空中では風は吹かない

 「真空中には何もないのだから風は吹かなくてあたりまえ」と言ってはいけません。今まで話してきた通り、真空といえどもかなりの数のガス分子があるのですから。にもかかわらず「風が吹かない」とはどういうことでしょうか。その前に、風はなぜ吹くのかを考えてみましょう。よく天気図を見て、「等圧線が混んでいるから今日は風が強い」と言います。そうです。風の原因は圧力差です。では圧力とは何かというと、その中に板を置いた時に、ガス分子がぶつかることで板に加わる力(正確には力積)のことです。温度が同じ場合で比較すると、分子の動く速さは同じですから、分子がたくさんあって、ぶつかる回数が多いほど圧力は高い、ということになります。ですから高気圧の中ではガス分子は板や壁にも、お互いどうしでも、盛んにぶつかっており、低気圧の中ではぶつかる回数が少ないのです。さて、高気圧と低気圧の境目(実際にはこんなはっきりした境目があるわけではありませんが)にいる分子を考えましょう。この分子に対して、他の分子が高気圧側からぶつかる回数は低気圧側からぶつかる回数より多いですから、問題の分子は全体として低気圧側に押されることになります。このようにして、圧力に差がある部分では、分子どうしがぶつかることによって高気圧側から低気圧側への流れが起こるのです。これが風の正体です。口をすぼめてフーッと息を吹きかける場合も同じで、口の中の圧力を高めて分子の数を増やすことで唇のところにある空気の分子にぶつかる回数を増やし、内から外への空気の流れを作っているのです(こんなことを考えて息を吹いている人はいませんが)。(図4)

図4

図4 風は圧力差によって起こる


 では、真空中ではどうでしょうか。ガスの分子が少ないので、お互いにぶつかる回数は極端に減っています。真空の世界では、ぶつかる回数の代わりに、ぶつからないでどれだけ進むことができるか、という数値(平均自由行程といいます)で表すのが普通です。この尺度で言えば、1気圧の空気の平均自由行程はたったの0.1μmですが、先ほどの油回転ポンプで到達できる10-3mmHg程度の真空度では5〜10cmぐらいになり、拡散ポンプの真空度では1mを超えるようになります。1mといえば、普通の真空容器の大きさを超えていますから、平均自由行程が1mということは、容器の端から端まで分子が飛んで行く間に、他の分子と1回もぶつからない、ということになります。このような状態では、たとえ圧力の差ができたとしても、風は吹きません。分子どうしがぶつからないのですから、圧力の差を伝える方法がないのです。つまり、真空容器の中に部分的に圧力の高い(分子が多い)ところができたとしても、容器の中の分子たちはそんなことはおかまいなしに、勝手に飛んでいるのです。では、圧力の高い部分は永久に圧力が高いままかというと、そんなことはありません。分子は好き勝手にデタラメに動くので、いつかは全体が均一になってしまいます。しかし、これは風が吹くことによるのではなくて、単なる拡散による結果なのです。
 この「風が吹く」、「吹かない」の違いが、実は先にちょっと触れた、換気扇とターボ分子ポンプの違いでもあるのです。換気扇では、まず羽によって空気の分子を外にたたき出しますが、一度たたき出すと換気扇のすぐ内側の圧力が下がるので、さらに内側の部屋の空気が引き寄せられます(正確には、部屋の中の濃い空気がぶつかって押し出します)。こうして次々に空気が引き寄せられて、部屋の内から外への空気の流れ、つまり風が起きるのです。ところがターボ分子ポンプの場合には、いくら分子をたたき出しても、その影響は離れた場所には届きません。極端に言えば、ポンプの近くの分子が全くなくなっても、容器内の分子は知らん顔をしているのです。そして、拡散によってたまたま運悪く?ポンプに近付いて来て羽に触れた分子だけがたたき出されるのです。
 これは、ターボ分子ポンプに限ったことではありません。どんな真空ポンプでも、ポンプのところにガス分子が運ばれて来るのは、風ではなく、拡散によるのであって、偶然のできごとなのです。ということは・・・、どんなに高性能の真空ポンプをつけても、そこに至る通路が狭かったら、偶然そこに入り込んでくるガス分子の数は減ってしまう。つまり、真空にする効率が下がってしまうことになります。風が吹くのであれば、強力なポンプで強い風を起こしてやればよいのですが、真空の世界ではそうは行かない、ということです。そこで、高真空が必要な装置の場合、真空ポンプまでの通路はできる限り広く取ることが重要になります。


真空を計る

 次に、「真空を計る」方法について簡単に見てみましょう。「真空計」といったら、まずはU字に曲げたガラス管に水銀を詰めたマノメーターを思い浮かべる人が多いでしょう。普通のマノメーターでは0.1mmHgまで読み取るのが精一杯ですが、系内のガスを切り取って圧縮することで圧力を上げ、実質的に10-5mmHg程度まで測れるようにしたマクラウド型とよばれるものもあります。また、水銀の代わりにオイルを入れたマノメーターでは、水銀の10倍以上の精度があります(同じ圧力の時の液面の差が10倍以上大きいですから)。オイルマノメーターで困るのは、操作を誤った時です。うっかり大気を入れてしまった場合、水銀マノメーターでは液面が76cmはね上がるだけで済みますが、オイルでは10m以上すっ飛んでしまいます。普通10m以上もある装置はありませんから、オイルは装置の隅々にまで行き渡ってしまい、大掃除をする羽目になります。
 圧力計として最もよく見かけるのはブルドン管を使ったものかもしれません。これは真空に限らず、高い方の圧力を測るのにも普通に使われており、ガスボンベに附属した圧力メーターはほとんどこのタイプです。メーターの内部は図5のような構造になっており、金属製の平べったい筒をぐるりと巻いた形をしています。この筒の中の圧力が高くなると、筒全体が真っ直ぐに伸びようとし、逆に圧力が下がると、いっそう巻き込もうとしますから、その筒先の動きをメーターの針に伝えれば圧力が計れるわけです。子供のオモチャに、筒状の紙をくるくる巻いて、中に息を吹き込んで伸ばして遊ぶ「吹き戻し」というのがありますが、あれと同じ原理です。

図5

図5 ブルドン管と吹き戻し


 いろいろな真空装置によく附属しているものに、ピラニー真空計があります。これは、タングステンなどのフィラメントに電流を流して加熱し、電気抵抗の変化を測定するものです。圧力が高いと、ガス分子がフィラメントの熱を奪って逃げますので温度が下がり、抵抗が下がることを利用したものです。要するに真空の断熱性のよさを計るわけで、同じ理屈でサーミスター(やはり温度で電気抵抗が変わる素子)や熱電対を使うこともできます。
 もう少し高い真空度でよく使われるのが電離真空計です。これは名前の通り、系内に残ったガスに電子をぶつけて電離し、その結果流れる放電電流を測定するものです。電子を飛び出させる方法として、陰極を加熱するタイプと、加熱しないで高電圧をかけるタイプとがあります。形はまさに真空管そのもので、真空装置から直接に真空管が生えているような感じです。
 これらの真空計は圧力の絶対値を測定するものですが、2箇所の圧力差を測定するタイプの真空計もあります。隔膜真空計、と呼ばれるものが代表格で、薄い膜の両側の圧力差を、膜のたわみから生じる静電容量の変化として計測します(図6)。膜が大きくたわむと膜そのものにダメージがありますから、実際には、電気的な力を加えて膜のたわみをゼロにし、それに要する力を計測する方式が採られています。

図6

図6 隔膜真空計


この真空計の片側を真空ポンプに直結して、これを事実上の圧力ゼロの点とし、反対側を測定対象部につないで圧力差を計る、という使い方で、実用上、絶対圧を測定するのに使われる場合も多くあります。


真空装置で活躍するジャバラ

 ジャバラ(蛇腹)というものはご存知ですね。アコーディオン(ちょっと古い?)だとか、記念撮影用のカメラ(さらに古い?)などに使われているアレです。このジャバラが、真空装置で重要な部品として活躍しているので、紹介しておきます。

バルブ
 まずは、真空用のバルブです。普通のニードル方式のバルブは、図7左のような構造をしています。ハンドルを回すと軸(ステムと呼びます)が上下に動き、ガスの流路を開閉する仕組みです。ステムの周りからガスが漏れないように、ゴムのリングなどでシールされていますが、ハンドルが回らなくなると困りますから、あまりキツくはシールできません。ですから、どんなに精密なバルブであっても、構造的に、漏れは起こり得るのです。そこで、図7右のジャバラ付きバルブ(ベローズシールバルブと呼びます。ベローズとはジャバラのことです)の登場です。このバルブでは、ハンドルとステムは切り離されています。ハンドルを押し込む方向に回すと、金属製のジャバラが押し縮められ、中のステムが下に降りる仕組みです。ガスが通る部分と外の世界とは、ジャバラによって完全に隔離されていますから、欠陥や故障(「孔が開いた」など)でない限り、漏れは絶対に起こらない構造になっているのです。ですから、高い真空度が要求される部分には、大抵このベローズシールバルブが使われます。ジャバラ部分は薄い金属でできていますから、あまり高い圧力には耐えられませんが、真空の場合は内外の圧力差は高々1気圧ですから十分に耐えられるのです。

図7

図7 真空装置用のバルブの構造(左:普通のバルブ、右:ベローズシールバルブ)



直線運動導入機
 何やら大げさな名前ですが、要するに、真空装置の中で物を動かすための仕組みの一つです。構造は図8のようなもので、中の物を操作するための棒などが、ジャバラによって直線的に動くのです。

図8

図8 直線運動導入機の構造



回転運動導入機
 今度は直線運動ではなく回転運動です。真空装置に回転運動を導入する場合、高速回転や強い回転力が要求される時には、装置の外に置かれたモーターの軸を、磁性流体などを使った特殊なシールを通して装置の内部に入れるのが普通です。しかし、ゆっくりした回転運動だけならば、ジャバラをうまく使って導入することができます。  その仕組みを図9に示しました。装置の壁を突き抜けるように置かれた棒がジャバラでシールされており、その先端は図のような回転板に、関節のような形ではめ込まれています。装置の外側の回転板1を回すと棒はミソ摺り運動をし、棒の反対側が装置内部の回転板2を回すのです。

図9

図9 回転運動導入機の構造


 なかなかよくできた仕組みでしょう? これ以外にも、ホースのようにくねくねと曲がる配管など、真空の世界で、金属製のジャバラはいろいろと活躍しているのです。



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