真空工学 - 百科事典

**真空工学**

真空工学は、工業および科学的な応用における真空の実際の使用に対応する工学の分野です。真空は、通常の気圧で行われるプロセスの生産性と性能を向上させることができます。または、空気の存在下では行えないプロセスを実現することができます。真空工学技術は、乾燥や濾過などの素材処理、化学処理、金属コーティングの適用、電子デバイスや蛍光灯の製造、科学的研究などに広く適用されています。現代科学における重要な進展は、粒子加速器を使用して基本的な物理学を発見する（素粒子が衝突する場所の空間を抽出する必要があります）、素材の物理的性質を研究するための高度な分析装置、固体量子ビットの操作を実行するために冷凍技術が使用される真空チャンバーなど、真空工学の利用にその根を持っています。

**設計と機構**

真空システムは、計器、蒸気ジェットとポンプ、蒸気捕集器と弁、他の拡張パイプなどで構成されています。真空システムで動作する容器は、処理タンク、蒸気シミュレータ、粒子加速器、または閉じた容器を持ち、大気圧以下の気圧を維持する空間のいずれかです。閉じた容器で真空が作られるため、外部の大気圧に耐えうるかどうかを考慮することは、この種のデザインの通常の予防策です。亀裂や崩壊の効果に加えて、真空チャンバーの外殻は慎重に評価され、劣化の兆候があれば、殻の厚みの増加によって修正されます。真空設計に使用される主要な素材は、一般的に軽量鋼、ステンレス鋼、アルミニウムです。他のセクション、例えばガラスは、計器ガラス、視察窓、時には電気絶縁用として使用されます。真空チャンバーの内部は常に滑らかで、錆や欠陥がなくなければなりません。

**技術**

真空工学は、使用される真空のレベルに応じて異なる技術と機器を使用します。大気圧からわずかに減圧された圧力は、換気システムでの換気の制御や素材処理システムに使用できます。低圧の真空は、食品素材の処理における過度の加熱を避けるために真空蒸発に使用されます。より高いグレードの真空は、脱気、真空金属加工、蛍光灯や陰極線管の生産に使用されます。いわゆる「超高真空」は、特定の半導体処理に必要で、最も低い圧力を持つ「最も厳しい」真空は、物理実験に使用され、いくつかの空気の原子が進行中の実験に干渉するかもしれません。

**応用**

真空技術は、閉じた容器から空気を抽出する方法であり、その結果として発生する圧力差を利用して、最終的な排出先が大気の開放された空気です。工業的な真空システムを使用する場合、真空ポンプや発生器がこの圧力差を作成します。17世紀に真空の発見に基づいて作られた様々な技術的発明が存在します。これには、真空生成ポンプからX線管まで、後に医療分野に導入され、X線放射源として使用されるものが含まれます。真空環境は、圧力の基本に戻って新しい発見がなされることで、科学的研究において重要な役割を果たしています。完璧な真空の概念は実現できませんが、20世紀初頭の技術的発見により非常に近く近似できます。真空工学は、アルミニウムからジルコニアまで、ほぼすべての素材を使用しています。真空技術がバルブ、フランジ、他の真空部品に限られるとする一般的な信念がありますが、これらの伝統的な真空技術を利用して、特にハイテクの分野で革新的な科学的発見がしばしば行われています。真空工学は、複合半導体、パワーデバイス、メモリロジック、太陽電池などに使用されます。

**材料**

真空システムに使用される素材は慎重に評価する必要があります。多くの素材には孔が存在し、通常の圧力では重要ではありませんが、不適切に使用すると真空システムに微量の空気を絶えず取り入れます。一部のアイテム、例えばゴムやプラスチックは、真空に放出され、システムを汚染する可能性があります。高および超高真空レベルでは、金属も慎重に選択する必要があります - 空気分子や水分が金属の表面にくっつき、金属内に捕らえられたガスは真空の下で表面に浸透するかもしれません。一部の真空システムでは、低揮発性グリースの単純なコーティングで接合のギャップを密封することが十分ですが、超高真空では、取り付け部品やパイプなどの密封を最小限に抑えるために慎重に機械加工および磨かれる必要があります。高真空システムの部品は、高温で使用されることが一般的であり、表面にくっついているガスや水分は駆除されますが、これにより使用できる素材に影響を与えます。低圧応用では、3Dプリントプラスチックでも真空システムに使用することが可能です。

**歴史**

「真空」という言葉はラテン語の「vacua」に由来しており、「空」と翻訳されます。物理学者は、容器から空気や他のガスを取り除いた部分空間を真空と呼びます。真空に関する空の空間に関する概念は、5世紀のギリシャ哲学者から推測されており、アリストテレス（紀元前384年-紀元前322年）は、自然の真空が作成できないと考えた最初の物理学者でした。この概念は数世紀にわたって続いており、17世紀に真空技術と物理学が発見されるまで続きました。17世紀の中頃、エヴァンジェリスタ・トリチェッリは、ガラス管に汞柱で生成された真空の性質を研究しました；これが気圧計となり、大気圧の変動を観察する装置となりました。オットー・フォン・ゲリッケは1654年に圧力の効果を驚くほどに示しました。馬のチームが、一緒に配置され、抽出された直径20インチの半球を分離できなかったことを示しました。1698年に、トマス・セベリーは、矿井から水を汲み出すために蒸気の冷凝に依存する低品質の真空ポンプを特許しました。この装置は1712年のニューコメン大気エンジンで改善されました；効率が悪いものの、地下水によって洪水になる可能性のある炭鉱を開発することができました。1564年から1642年の間に、著名な科学者ガリレオは、円筒内のピストンを使用して真空を開発するための測定力を開発する最初の物理学者の一人でした。これは科学者にとって大きな発見であり、他の者に共有されました。フランスの科学者および哲学者ブライス・パスカルは、真空に関する発見を利用してさらに研究を行いました。パスカルの発見は、トリチェッリの研究と似ており、パスカルは同様の方法を使用して真空を引き出しました。1661年まで、マグデブルクの市長がこの発見を利用して新しいアイデアを発明または改造しました。市長オットー・フォン・ゲリッケは最初の空気ポンプを作成し、水ポンプのアイデアを改良し、マノメータも改良しました。真空工学は現在、機械産業における薄膜のすべてのニーズに対処する解決策を提供しています。この工学の方法は、R&Dのニーズや大規模な素材生産に典型的に使用されます。

**真空を利用して実験的に電車を推進する**

ポンプ技術は、19世紀中頃にゲイッサーとスプレングルによって高原に達しました。彼らはついに高真空領域にアクセスするようになりました。これにより、真空における電気放出の研究、陰極線の発見、X線の発見、電子の発見が行われました。高真空で光電効果が観察され、これが量子力学や現代物理学の多くの基本概念の形成に繋がる重要な発見となりました。

**参照**