簡単な答えは、真空を測定するための単一の機器は存在しないということです。真空ゲージとして知られる適切なツールは、測定の物理学がガス分子の数が減少するにつれて変化しなければならないため、測定する必要のある真空のレベルに完全に依存します。
真空測定における中心的な課題は、単一のゲージでは大気圧からほぼ完全な真空までの全圧力範囲をカバーできないことです。適切な機器は、残留ガスのどの物理的特性を測定するのが最も実用的であるかに基づいて、常に特定の真空レベルと直接一致します。
なぜ1つのゲージでは不十分なのか：真空範囲の理解
適切なゲージを選択するには、まず「真空」が単一の状態ではなく、それぞれに異なる測定アプローチを必要とする広大な圧力のスペクトルであることを理解する必要があります。
真空とは何ですか？
真空とは、ガス圧が大気圧よりも低い空間のことです。それは物質の不在の尺度です。
主要な真空範囲
エンジニアや科学者は通常、真空スペクトルをいくつかの範囲に分類します。圧力が低下すると、1立方センチメートルあたりのガス分子の数が激減し、測定戦略の変更を余儀なくされます。
- 低真空（ラフバキューム）：約1～760 Torr（大気圧）。
- 中真空：約10⁻³～1 Torr。
- 高真空（HV）：約10⁻⁹～10⁻³ Torr。
- 超高真空（UHV）：10⁻⁹ Torr未満。
ゲージの仕組み：直接測定と間接測定
ゲージの根本的な違いは、圧力を直接測定するか、他の特性から推測するかという点にあります。これは、適切なツールを選択するための最も重要な概念です。
直接ゲージ：物理的な力の測定
低真空範囲では、測定可能な物理的な力を及ぼすのに十分なガス分子が存在します。直接ゲージはこの力を測定します。
これらのゲージはガス種非依存であり、測定されるガス（例：空気、アルゴン、ヘリウム）に関係なく、その読み取り値が正確であることを意味します。一般的な例は静電容量マノメーターです。
間接ゲージ：ガスの特性からの圧力の推定
高真空および超高真空では、検出可能な力を及ぼす分子が少なすぎます。代わりに、間接ゲージは、熱伝導率やイオン化確率など、圧力とともに予測可能に変化するガスの特性を測定します。
これらのゲージはガス種依存であり、通常は窒素または空気用に校正されています。他のガスで使用する場合は、正確な読み取り値を得るために補正係数を適用する必要があります。
一般的な真空ゲージの種類
各種類のゲージは、その基礎となる物理原理が最も効果的である特定の圧力範囲内で動作するように設計されています。
低真空用：ピラニゲージと熱電対ゲージ
これらは熱伝導率ゲージです。フィラメントを加熱し、周囲のガスに失われる熱量を測定することによって機能します。
ガス分子が多いほど（圧力が高いほど）、より多くの熱が奪われ、ワイヤーが冷えます。分子が少ない（圧力が低い）と、熱損失が少なくなります。この変化は圧力の読み取り値と相関しています。これらは、システムの初期排気プロセスを監視するのに優れています。
高真空用：ホットカソードイオン化ゲージ
熱効果が有用でなくなるほど圧力が低くなると、イオン化ゲージが引き継がれます。加熱されたフィラメントが電子を放出し、それらが真空を飛び交い、ごくわずかに残っているガス分子と衝突して陽イオンを生成します。
ゲージは、これらのイオンから生じる電流を測定します。イオン電流が高いほど、存在するガス分子が多く、圧力が高いことを示します。ベイラード・アルパートゲージは非常に一般的なタイプです。
高真空および超高真空用：コールドカソードゲージ
ペニングゲージとも呼ばれ、イオン電流を測定することにより、ホットカソードゲージと類似した動作をします。ただし、加熱されたフィラメントの代わりに、磁場内での高電圧放電を使用してイオンを生成します。
これにより、より堅牢になり、焼き切れにくくなりますが、一般的にホットカソードゲージよりも精度が劣ります。
実用的なトレードオフの理解
ゲージの選択は単に圧力範囲の問題だけでなく、測定やシステムの健全性に影響を与える可能性のある重要な制限を理解することを含みます。
ガス組成への依存性
これは、間接ゲージ（ピラニ、イオン化）で最も一般的な落とし穴です。システムがアルゴンで満たされているのに、ゲージが空気用に校正されている場合、読み取り値は不正確になります。常にゲージが何用に校正されているかを知り、必要に応じて正しい換算係数を適用してください。
汚染と焼き切れ
ホットカソードイオン化ゲージはデリケートです。高すぎる圧力（10⁻³ Torr以上）で動作させると、フィラメントがすぐに焼き切れます。また、プロセスガスによって汚染され、精度が変化する可能性もあります。
クロスオーバーの問題
単一のゲージが全スペクトルをカバーしないため、ほとんどの真空システムでは少なくとも2種類のゲージが必要です。初期の「ラフィング」ステージ用（ピラニなど）と、高真空ステージ用（イオン化ゲージなど）です。これらのゲージ間の移行を管理することは、真空システム操作の重要な部分です。
アプリケーションに最適なゲージの選択
あなたの選択は、あなたの究極の目標と、制御または監視する必要のある特定の圧力範囲によって決定されるべきです。
- 初期排気（低真空）が主な焦点の場合：ピラニゲージまたは熱電対ゲージは、堅牢で費用対効果の高い選択肢です。
- 高真空プロセス（コーティングや分析など）の監視が主な焦点の場合：ホットカソード（ベイラード・アルパート）イオン化ゲージは、高真空範囲で必要な精度を提供します。
- 産業用高真空プロセスで堅牢なゲージが必要な場合：コールドカソード（ペニング）ゲージは、信頼性と長寿命を提供します。
- 低〜中程度の範囲でのプロセス制御のためにガス非依存の精度が必要な場合：静電容量マノメーターが決定的な標準です。
結局のところ、ゲージの仕組みを理解することが、その測定を信頼し、目標を達成するための鍵となります。
要約表：
| 真空範囲 | 圧力（Torr） | 主要なゲージタイプ | 主要原理 |
|---|---|---|---|
| 低（ラフ）真空 | 1～760 | ピラニ/熱電対 | 熱伝導率 |
| 中真空 | 10⁻³～1 | 静電容量マノメーター | 直接的な力測定 |
| 高真空（HV） | 10⁻⁹～10⁻³ | ホットカソードイオン化 | イオン化電流 |
| 超高真空（UHV） | < 10⁻⁹ | コールドカソード（ペニング） | 磁場中のイオン化 |
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