真空技術與應用

  • 物理專文
  • 撰文者:林郁洧
  • 發文日期:2023-09-20
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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。

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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。

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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。