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プラズマに入門する話(1)

はじめに

プラズマ・核融合学会誌というのがあってだな。

www.jspf.or.jp

ここの1993年の、「講座:プラズマ実験入門」というのを研で薦められたので、読んでいくものである。 自分用のメモとして、ここに書いていく。非公開にする必要はないだろう。

全93ページ!がんばるぞい。

1.真空の作り方

真空って?ああ!それって気体密度?

真空とは、通常の大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間内の状態をいう。らしい。

1Pa = 100mbar = 133Torr。了解。

圧力が低くなると気体分子密度が減って、平均自由行程が長くなる。それはそう。プラズマで扱うのは荷電粒子。これらが中性粒子にあんまりぶつからないである程度自由に動いているさまを観測したいので、真空が必要になる。

気体流量 A = PV[Pa m3]

これの時間微分が単位時間あたりに移動した気体の量(これも流量)で、Q。

容器の体積が一定の場合で気体を導入するなら、気圧の変化が記述できて、 { \displaystyle
V\frac{dP}{dt} = Q
}

さて気体があるパイプを気圧差ΔP=P_1-P_2のもとで流れる時、流量は

{ \displaystyle
Q = C\Delta P = C(P_1 - P_2)
} と書ける。このCをコンダクタンスといい、単位はm3/s。

逆に圧力一定の容器から気体を流出するときは、 { \displaystyle
Q = P\frac{dV}{dt} = PS
} と記述する。このSを排気速度という。単位はm3/s。

これらから排気に伴う圧力変化を記述すると、次のようになる。マイナスなのは、さっきの圧力変化は導入だったから。

{ \displaystyle
V\frac{dP}{dt} = -SP
}

ちょっと強引な気もする(排気の式を記述した時は圧力一定にしてたから)。 と思ったんだけど本文は「圧力Pの〜」としか書かれていないので、まあそういうことなのかなと……。 定常状態を考えるとdP/dt = 0にすればいい、ともある。それはそうみがすごい。

最後に、排気と同時に流入も行われるときは、流入量を表す項Qも入れて、

{ \displaystyle
V\frac{dP}{dt} = Q-SP
}

となる。

さて、真空容器にポンプが直接くっついてたら、排気速度はポンプの排気速度Sになるだろう。 しかし実際はそうも行かず、バルブがあって接続導管がある。これらのコンダクタンスをそれぞれC_1、C_2とする。 このときの実効排気速度S_effを記述すると、次のようになる。

{ \displaystyle
\frac{1}{S_{eff}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{S}
}

C_1、C_2を適切に大きくとってやらないと、実効排気速度が小さくなってしまうので注意しような、というわけ。

いろいろな真空ポンプ

油回転ポンプ

大気圧から低真空へ引くのに使う。 ローターが回転し、容器から吸ったガスを回転に従って圧縮していって最後に放出する。これを繰り返す。 図で見たほうが早い……。

油拡散ポンプ

最も一般的で安価な高真空用ポンプ。 温めた油の分子を上から放出することで、上から入ってきた気体分子とぶつけて気体を圧縮、それを油回転ポンプで排出するとかいう強引な構造。 油分子は水冷で還流している。 ほんとにこんなこと出来るの。

ターボ分子ポンプ

羽で風を起こして気体を圧縮して、それを油回転ポンプで吸い出すっぽい。なんじゃそりゃ。

真空計

これも真空ポンプと同じで、役割がある。使い分けたり組み合わせたりする。

ピラニゲージ

大気圧〜低真空。大気圧から排気していく時に、圧力降下を監視するのによく使う。 精度よりも頑丈で壊れにくいことが要求されるからである。

「加熱電線の温度が、接触する気体の熱伝導により変化する」という原理を利用し、 電熱線(タングステン)の抵抗が変わるのをブリッジ回路で見ている、という感じみたい。 わかりやすい仕組みだし、単純こそ壊れにくいという感じがして良い。

イオンゲージ(熱陰極型)

陰極である赤熱したタングステン線から熱電子を放射し、これを陰極−陽極間の電界で加速、 気体をこの電子でイオン化し、正正イオン数を圧力の関数として測る……らしい。

詳しい式とかはすっ飛ばしてしまった。

とりあえず、「指定された使用可能な上限圧力以上で点火しない」ということが大事。 高い圧力では、放電したり不純物ガスと反応したりしてフィラメントが断線しちゃうとか。

真空部品

真空装置を作るのに必要な組み立て用の部品を紹介するぜ!

フランジ

とりあえずwikipediaを参照。 フランジ - Wikipedia 配管を接続する部分、ってところだろうか。 ボルトとナットで締め付けるタイプと、銅ガスケット(パッキン)を使うタイプが有るらしい。 詳しい企画は真空ハンドブック参照って書いてあった。

バルブ

主に真空容器と真空ポンプをつなぐ「ゲートバルブ」、 L字型の「L型バルブ」、まっすぐの「ストレートバルブ」に分類。 ゲートバルブは弁座を押さえつけてバルブを閉じるが、どちらかの側が大気開放されているときは、 弁の戻りによる空気漏れを防ぐために大気圧のかかる方向と弁の抑えこみ方向を一致させる必要がある。 残り2つは大口径にならないかぎりあんまりその辺心配しなくていい。

以上

ちょっと項目残ってるけど、夜になって辛いことがあったので辛いからこの辺で終わる。また明日。