真空的應用

  • 物理專文
  • 撰文者:吳啟彬
  • 發文日期:2023-09-13
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最近在課堂上問學生:為什麼我們需要創造一個真空的環境?得到的回應琳瑯滿目,但卻不脫日常生活的應用,如真空吸盤、吸塵器、真空保鮮盒、真空保溫瓶 ...... 等等,果然生活經驗會大大決定大腦的思考範圍。
然而,我們知道真空的應用不僅止於此。若我們將真空的應用依所用到的真空特性來分類,大致可以有下列四種,相對於大氣環境,在真空中:
(1)氣體壓力比較低
(2)單位體積內的氣體粒子數目比較少
(3)氣體分子平均自由徑比較長
(4)物體表面吸附單層氣體分子的時間比較久

(1)壓力較低
由於真空環境的氣壓低於大氣環境,所以在器壁上就會形成壓力差,導致大氣施力壓向真空側。吸盤、吸塵器、抽氣過濾,甚至是呼吸過程皆屬之,此壓力和兩邊的壓差成正比。在大多數的應用場景中,一側為大氣,另一側為真空,所以不管是低度真空、高真空,甚至超高真空,壓力差都非常接近一大氣壓,也就是每平方公分約一公斤重。此類應用所需的真空度不高,低於十分之一個大氣壓力即可。

(2)氣體粒子密度較小
在真空環境中,由於單位體積內的氣體分子數低於大氣環境,很多物理、化學反應在真空環境下就會變得不一樣。在常溫常壓下,一立方公分約有 10 的 19 次方個氣體分子。因為氣體粒子密度和氣壓成正比,若使用粗抽幫浦將氣壓抽到 1 毫巴,粒子密度便會降為原本的千分之一。

就化學反應來說,最普遍的應用就是降低氧化的速率,例如食品的真空保鮮、防腐,保護真空管中發熱的燈絲等等。
而就物理特性而言,低的氣體粒子密度會導致液體的沸點下降,使液體分子更容易在較低的溫度下從表面脫離,諸如真空乾燥、冷凍乾燥、真空萃取等等皆屬於此應用。另一個常用到的物理特性便是真空保溫,因為粒子密度低,所以熱傳導與熱對流所導致的熱量傳遞也跟著下降,真空保溫瓶、杜耳瓶、燜燒鍋等即是此類應用。
在真空環境中,水氣分子也是大大的減少,因此可以用來避免水珠凝結在低溫的物體表面;所以在低溫實驗時,樣品通常得放置於真空環境中。本類的應用對真空度的要求也不甚高,雖說氣體密度越低效果越好,但是要維持越低的真空粒子密度所需的成本也會越高,對常見的應用來說,使用粗抽幫浦達到低度真空足矣。

(3)平均自由徑較長
自由徑是用來描述一個氣體分子可以行進多遠的距離而不和其它分子發生碰撞。對氣體而言,其平均自由徑和粒子密度成反比,在常溫常壓下,此距離約莫 100 奈米。也就是平均來說,粒子行進了這麼長的距離便會發生碰撞,因而改變了原本的行進方向,甚至改變動能。如果是在 10 的 −5 毫巴真空環境下,這個距離便會拉長到 10 米。這就意味著在此真空腔體內(真空腔體一般都在公尺的數量級內),粒子可以保有原本的力學特性直到碰撞上腔壁。這讓很多原本不能在大氣下進行的量測變得可能,電子的利用即是一個很好的例子。

電子離開材料表面進入真空後,就幾乎不與其它氣體分子發生碰撞,而這些電子帶有原本材料的資訊,所以我們有各式各樣的電子能譜儀用來檢測材料特性。又因為電子帶電,所以可以用電磁場控制其路徑,製造電子透鏡,因而有了各式的電子顯微鏡。其它諸如真空鍍膜、質譜儀等等也都屬於此類應用。很多半導體製程所需的真空度即在此氣壓範圍內。利用到此特性的應用所需的真空度要在10 的 −5 毫巴以下,通常背景氣壓會在 10 的−6 毫巴,這就需要使用到高真空幫浦了,擴散幫浦或是分子渦輪幫浦是常見的選擇,而這些幫浦又需要粗抽幫浦的協助才能運作,所以,所需的真空系統就會比之前的應用情況更複雜一些。

(4)單層吸附時間較久
氣體分子無時無刻的都在頻繁地撞擊著物體表面,常溫常壓下的氣體粒子密度每立方公分就有 10 的 19 次方個,假設粒子的速度約在 300 公尺 /秒(和聲音的速度差不多),在一平方公分的表面上,每秒鐘大約就會有10 的 23 次方次撞擊!此撞擊頻率和粒子密度成正比,氣壓越低撞擊頻率就越低。有些氣體分子撞擊完後會反彈回大氣,
有些則是會吸附在表面上,撞擊後會吸附在 表 面 上 的 機 率 即 是 用 吸 附 係 數(stickingcoefficient)來 描 述。 表 面 單 層 吸 附 時 間(mono-layer formation time)是 指 一 個 乾 淨的表面,平均來說,表面吸附了一個氣體分子層的粒子數量所需要的時間。如果我們假設吸附係數為 1,也就是說,撞到表面的粒子都會吸附在表面上,並進一步假設一層的
粒子密度約為\(\left(0.2\rm nm\right)^2\) 一顆,那麼在常溫常壓下,大約 10 奈秒就會吸滿一層!若是在真空壓力為 10 的 −9 毫巴下,此時間可拉長到 1 萬秒,近三個小時。

對研究物體表面的科學家來說,製備好的樣品表面必須在維持乾淨的狀態進行量測,否則表面吸附了其他氣體分子,表面的特性就改變了,量到的就不一定是原本的表面特性。為了要維持表面的乾淨,一個達到10 的 −10 毫巴的超高真空環境就不可或缺。在所有的真空應用中,就屬此類的真空度要求最高,所需要的真空系統也最複雜,通常需要三種以上的真空幫浦協力,外加適當的熱烘烤過程。
由於需要此類真空的大多是表面或奈米科學家,也難怪一般大學生想不到此類的應用了!由於真空在產業的應用是如此之廣,我們應該讓學生們有多一點的真空經驗,拓展他們對於真空應用的想像!