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はじめての真空技術入門
このページは、真空をまったく触ったことのない学生・新入研究者が抱く「真空ってそもそも何？」という疑問を解消し、装置選びと実験トラブルを防ぐための基礎知識をまとめています。数式ではなく、イメージと言葉で”圧力の世界”を旅してみましょう。
1. 真空の世界へようこそ ―― 圧力を感じ取ろう
地上で私たちは常に 1 atm ≈ 101 kPa の空気に押されています。真空とはこの圧力を どこまで小さく抑えられるか を競う技術です。単位は SI では Pa（パスカル） が正式ですが、現場では mbar や Torr も併用されるため、相互換算に慣れておくと便利です。
例えば 1 Pa は 7.5 × 10−3 Torr、0.01 mbar に相当します。桁が多くてピンと来ない？ そんな時は “大気圧を 100 000 Pa として、あと何桁下げるか” と覚えましょう。
コラム：宇宙は究極の真空？
地球低軌道（高度 400 km）の気圧は約 10−7 Pa。実験室の超高真空チャンバなら、ここからさらに 3〜4 桁 低い圧力が実現できます。つまり、研究室の装置は宇宙空間より空っぽになるのです！
- 粗真空: 105〜102 Pa
- 中真空: 102〜10−1 Pa
- 高真空: 10−1〜10−5 Pa
- 超高真空: 10−5〜10−9 Pa
- 極高真空: 10−9 Pa以下
2. ポンプは”階段”で考える ―― 段階ポンピング
大気を一息に超高真空へ引き抜ける「夢のポンプ」は存在しません。そこで、圧力レンジに合わせてポンプを階層的にリレー接続するのが一般的です。
ポンプの特徴
- 荒引きポンプ（油回転ポンプ、ドライポンプ 等）
— 大気圧→102 Pa
— 要：オイル管理 と シールチェック
- 高真空ポンプ（ターボ分子ポンプ・油拡散ポンプ 等）
— 102 Pa → 10−5 Pa
— ベアリング温度・背圧上昇に注意 - 超高真空ポンプ（イオンポンプ、クライオポンプ、NEGポンプ 等）
— 10−5 Pa 以下
— 「吸う」より捕獲・反応・凍結で分子を”消す”
3. 継手・シールを征する者が真空を制す ～ リークの原因について
真空システムの不調原因の7〜8 割はリーク。しかも高価なポンプではなく、数百円のOリングが犯人というケースが多数です。
その他、端子の溶接が甘くリークするケースや鋳物を研磨することで孔ができて素材からリークするなどもあります。
3‑1 Oリング系（フランジ規格：NW／ISO／JIS）
- 材質：FKM（フッ素ゴム）が主流。150 °C 以上でアウトガス激増。
- リークの主な原因：クランプ半掛かり、指紋付着、縦傷。
- 対策：クランプを軽く揺すって全周噛み込み確認、IPA でシール材及びシール面の拭き取り、傷の確認。
3‑2 金属ガスケット系（フランジ規格：ICF）
- 材質：銅ガスケットが主流。アルミやニッケルなどもある。
- リークの主な原因：片締めで隙間、指紋付着、縦傷
- 対策：ボルト締めは対角締めを徹底する。作業方法はこちら。ガスケット再利用の禁止
継手／ねじ別・到達真空度の目安早見表
※真空度は目安です。ポンプの種類やチャンバー内のアウトガス状況によって大きく異なります。
| 継手・シール方式 | 主なシール材 | 推奨真空度目安 |
|---|---|---|
| NW (KF) フランジ | FKM / NBR O‑リング | 〜10−3 Pa |
| ISO‑K / ISO‑F フランジ | 同上 | 〜10−3 Pa |
| JIS‑VF / VG フランジ | 同上 | 〜10−3 Pa |
| ICF (ConFlat) フランジ | 無酸素銅ガスケット | 〜10−10 Pa（超高真空） |
| Swagelok 2‑フェルール継手 | SUS フェルール | 〜10−6 Pa |
| VCR® メタルガスケット | Ni / SS / Cu ガスケット | 〜10−10 Pa（超高真空） |
| テーパーねじ (NPT/Rc) | PTFE シールテープ | 〜100 Pa（粗真空） |
4. 素材とアウトガス
真空中では固体からも分子（主に水分）が滲み出します（アウトガス）。水蒸気や炭化水素は超高真空域を支配するため、材料選定が到達圧力を左右します。
アウトガスが少ないおすすめ材料
- 無機材：SUS304／316L、アルミ 6061、無酸素銅
- 樹脂：PEEK、PTFE、ポリイミド（カプトン）
PVC・ABS などは常温でも揮発分が多く、高真空には不向きです。
- 可能な限り樹脂品は使用しない
- 脱脂洗浄（アルカリ洗剤＋超音波 → 純水リンス）
- GBB ブラスト：酸化皮膜を除去し表面を均一化
- バフ研磨：バフ#200や#400で鏡面化
- 電解・化学研磨：凸部を選択溶解し不動態化
- ベーキング：100–200 °C / 12–48 h（超高真空は 150 °C 以上推奨）
まとめ
真空技術の基本は ポンプ・継手・材料・表面処理 の 4 本柱。ポイントを押さえて、研究室でも宇宙空間を凌ぐ真空環境を実現しましょう！
- 圧力上昇は「リーク」と「アウトガス」のどちらかと考える
- リーク検査はガス種を変えて複数回実施
- 装置設計時に手入れのしやすさを最優先する