真空技術與應用

前言：
在日常生活中，我們經常聽到「真空」這個名詞，它指的是一種沒有氣體或極低氣壓的環境， 在科學、工業和技術領域中扮演著重要的角色。真空技術的應用已遍布民生、工業以及軍火；舉凡用吸管喝飲料、吸塵器到蒸汽機， 從科學研究到半導體製造，從太空探索到高速列車的運行，都需要利用真空來實現。

一、真空的定義
首先，讓我們了解什麼是真空。真空的原文字「Vacuum」早在1549 年出現，源自於古希臘哲學家亞里斯多德（Aristotle）曾提出「nature abhors a vacuum（自然界沒有真空）」之論述。在十七世紀，義大利數學家托里切利（Evangelista Torricelli）設計了一個可以簡單量測大氣壓力大小的實驗，他先在一根長約一公尺且一端封閉的玻璃管內盛滿水銀，將開口端按住後迅速倒立，浸入裝滿水銀的容器內，此時管內的水銀柱會持續下降至76 公分高，管內水銀柱上方的空間因排除了空氣，而形成了真空狀態。真空（vacuum）最早的定義是「不存在任何物質的空間」，指的是在一個空間中沒有任何氣體分子或原子存在的狀態，稱為絕對真空。人類生存在一大氣壓的環境底下，在大氣壓力下，空氣中的分子數量非常龐大，它們彼
此碰撞和交互作用導致壓力的產生；以目前對真空較廣泛的定義，當我們創造一個壓力小於一大氣壓的環境，就稱為真空。

在自然界中，真空並不常見，因為大氣壓力會使空氣充滿我們周圍的空間。然而，通過創造一個封閉的容器並從中抽取氣體，我們可以製作出真空環境。在地球表面的標準大氣壓下，真空的壓力約為101325 帕斯卡
（Pa），約為760 毫米汞柱（mm Hg）。常見的真空單位為托(Torr），1 atm 等於760 Torr，即1 mm Hg 等於1 Torr。依照真空度的數值大小，可以將其分為幾類，如表一所示。

表一：不同程度的真空。

二、建構真空環境：
那麼，如何建構一個真空環境呢？我們需要運用一些物理原理和技術手段，真空的基本原理是藉由移除容器內的氣體分子，進一步降低氣體壓力，直到達到所需的真空度。建立一套真空系統包含以下三個要件：
（1）真空腔體，意即欲形成真空的空間範圍；（2）真空幫浦，用於抽除腔體內的氣體，使其氣壓達到真空的機械；（3）真空計，用於測量腔體內部氣壓值的量測工具。如圖一所示，主要有幾個部分需要了解，分別為幫浦、真空計、腔體、管路與閥門。

圖一：典型之真空系統示意圖。

為了建立真空環境，需要先建立一個密閉的空間，我們稱之為真空腔體，腔體本身的材質有不銹鋼、鋁合金、玻璃與壓克力等，為了保持真空環境的穩定，我們需要使用適當的密封材料和技術來封閉容器，防止氣體重新進入。常見的密封方式包括橡膠墊圈、O 型環、銅墊密封圈以及高溫焊接等。此外，抽氣與抽水不同，在抽氣的同時也會有氣體回流的情況發生，如管路回流、內壁縫隙釋氣、吸附於內壁的氣體分子脫附等，我們需要使用真空幫浦來抽取容器內的氣體分子，而不同的幫浦擁有不同的工作範圍。要將真空腔體內部抽至高真空（低壓力），通常不是一個幫浦可以獨立完成，需約2~3 個不同工作範圍的幫浦所共同達成。真空幫浦基本上可分為排氣式幫浦與儲氣式幫浦，排氣式幫浦可將氣體不斷地吸入和排出至大氣中，借以達到抽氣目的；儲氣式幫浦可將氣體分子藉由物理或化學作用，被吸附或凝結在幫浦的内壁表面，以減少了容器内的氣體分子數目而達到所需之真空度。建構真空腔體之後，會在腔體與管路裝設真空計（Gauge）測量壓力數值。

當系統開始抽氣時，依據氣壓的不同，而產生不同的氣流特性；當氣壓介於粗略真空時，氣流型態為黏滯流，此時氣體分子之間會彼此碰撞，其運動主要受周圍氣體分子碰撞的影響，由於此時氣壓較高的關係，其平均自由徑（mean free path， \(\lambda \) ），定義為氣體分子之間在兩次碰撞之間所行徑的平均距離，遠小於管徑距離，即 \(\lambda \) / d < 0.01，氣體之間碰撞機會大於與管壁碰撞機會；當氣壓介於中度真空時，氣流型態為過渡流其特性
介於黏滯流與下述的分子流之間，0.01 < \(\lambda \) /d < 1；而當氣壓介於高真空或超高真空時，氣流型態為分子流，此時氣體分子呈現自由運動狀態，與管壁碰撞機會大於氣體之間的碰撞機會， \(\lambda \) / d > 1。 \(\lambda \) / d 也被定義為紐森數（Knudsen number，Kn），可以此數值精確定義氣流型態。

而除了抽氣速率外，物質的蒸氣壓也是影響氣壓的重要因素，每個物質都有揮發的趨勢，一種物質達到氣相與非氣相的平衡狀態時的壓力，也稱作飽和蒸氣壓。因此在選擇作為真空系統的材料時，材料的選擇格外重要，尤其在高科技工業中，許多製程機台的腔體需保持在超高真空的環境下，
材料的蒸氣壓越低越好，而在真空系統中不斷地釋放氣體的過程，稱為該材料的釋氣（Outgassing）， 當抽氣開始時腔體內的氣體首先被抽除，再來是吸附在腔壁表面的氣體，最後是材料中氣體擴散出的分子，當以
上氣體分子被移除後，從系統外滲透進腔體的氣體數目，決定了系統的最低氣壓，而此時的壓力稱為系統的終極壓力（Ultimate pressure），一般來說真空系統釋氣的主要來源為表面脫附（Surface desorption）及材料擴散。此外，由真空腔體外部，每單位時間內滲漏進系統的氣體量稱為該系統的漏氣率（leak rate），單位與氣體流量相同。通常系統漏氣的來源主要為材料加工後形成的孔隙及裂縫，例如焊接處以及系統組裝時部件的對接處最容易發生；另外則是材料本身的性質，例如多孔性材料容易吸附及滲漏氣體進入腔體。

三、真空應用：
真空技術在眾多領域中發揮著關鍵作用。以下是一些常見的應用領域：
1. 真空鍍膜系統：
熱電阻式蒸鍍系統、電子束蒸鍍系統、直流濺射鍍膜系統、射頻濺射鍍膜系統、離子濺射鍍膜系統、雷射鍍膜系統、分子束磊晶系統、冷陰極電弧電漿沉積系統及化學氣相沉積等。
2. 真空冶金系統：
真空脫氣、真空熔煉、真空熔鑄、真空蒸餾、真空分解、真空燒結及真空銲接等。
3. 真空熱處理系統：
結合真空與熱處理技術，降低因為氧化而損及材料的影響，利用惰性或還原性氣氛來保護工件。真空熱處理爐已逐漸取代傳統的鹽浴爐或氣氛爐，廣泛運用於模具鋼、不銹鋼、高速鋼、耐熱合金、超合金及鈦合金等材料之退火、淬火、回火、固溶化、時效處理、硬銲或燒結處理。
4. 電子束焊接系統：
真空狀態對於銲接施工的最大影響，乃是其提供了一個潔淨的環境，尤其是可以有效避免工件在銲接施工過程中遭受氧氣、氫氣或其他雜質的污染。然而為了提供真空環境所增加的各種成本，直接導致目前工業界並未大量使用真空技術於銲接施工，但是由於真空狀態的特殊環境，對於特定的銲接製程存在有絕對的必要性，其中以電子束銲接（electron beam welding，EBW）為最重要的工業應用。
5. 電漿蝕刻真空系統：
電漿蝕刻（plasma etching）為在積體電路製程中，將蝕刻氣體游離，產生電漿，利用電漿中高能電子分解氣體，以產生所需之蝕刻物質；另一方面，利用電漿中之離子輔助蝕刻反應，並更進一步產生方向性蝕刻。
6. 離子氮化系統：
藉由擴散方式使異種原子進入金屬材料的基地中，以改善其表面特性，是相當廣泛的表面處理方法之一。氮化製程是其中最受重視的低溫表面處理方式，可顯著提高被處理工件的表面硬度、耐磨耗性、疲勞強度、耐蝕性等表面特性。
7. 真空冷凍乾燥系統：
真空乾燥的方法有多種，在真空槽內依其對被乾燥物之自然抽取真空、冷凍真空及冷凍加熱真空的方式，可將真空乾燥的方法分成真空自體冷凍乾燥（自然真空乾燥）、真空加熱乾燥與真空冷凍乾燥等。

四、結論：
真空技術是一門廣泛應用的領域，本文僅觸及了其中的一小部分。真空技術的應用範圍廣泛，無論是在科學研究、工業應用還是日常生活中，真空都扮演著重要的角色。通過了解真空的基本原理、如何建構真空腔體、確認真空度以及真空技術應用，能夠進一步推動人類文明的發展。