真空技術の基礎

真空とは何か、圧力単位の換算、真空度の分類と用途を学びます

真空技術の基礎

このページでは、真空技術の基本的な考え方を紹介します。

真空とは

真空は、ガスの密度が非常に低い状態を指します。完全な真空（1つの分子も存在しない状態）は理論的な理想ですが、実際には「大気圧より低い圧力の領域」を真空と呼びます（JIS Z 8126）。

「真空にする」とは、分子の数を減らすことにほかなりません。大気圧の空気 1 cm³ には約 2.5×10¹⁹ 個の分子が含まれています。超高真空（10⁻⁷ Pa）まで排気しても、1 cm³ あたりまだ約 2.5×10⁷ 個——2500万個の分子が残っています。真空技術は「ゼロにする」技術ではなく、「桁を管理する」技術です。

なぜ真空を使うのか

用途を分子の視点で整理すると、真空を使う理由は主に4つです。

  1. 分子に邪魔されず飛ばす — 蒸着・スパッタの成膜粒子、電子顕微鏡の電子線、加速器のビーム。平均自由行程を装置サイズより長くする必要があります
  2. 衝突・反応を減らす — 表面分析（XPS、AES）で清浄表面を保つ、真空管・加速器で放電を防ぐ
  3. 断熱する — 魔法瓶、クライオスタットの真空断熱層。熱を運ぶ分子をなくす
  4. 圧力差を利用する — 真空チャック、真空成形、凍結乾燥

圧力の単位

国際単位系（SI）では、圧力の単位はパスカル（Pa）です。

P=FAP = \frac{F}{A}

真空技術では歴史的な経緯から複数の単位が混在しています。換算表を手元に置いておきましょう。

単位Pa への換算備考
1 Pa1SI 単位。本サイトの標準
1 kPa1,000
1 bar100,000工業用
1 mbar100欧州の真空機器で多用
1 Torr約 133.32米国系の文献・機器で多用
1 atm（標準大気圧）101,325

実務でよく使う近似: 1 Torr ≈ 133 Pa、1 mbar = 100 Pa、大気圧 ≈ 10⁵ Pa。海外メーカーのカタログは Torr や mbar 表記が多いため、換算ミスは装置仕様の読み違いに直結します。

真空度の分類

真空は圧力の範囲によって以下のように分類されます。

分類圧力範囲 [Pa]代表的な用途主なポンプ
低真空（粗真空）10⁵ 〜 10²真空包装、吸着搬送、凍結乾燥ロータリー、スクロール
中真空10² 〜 10⁻¹プラズマプロセス、熱処理炉メカニカルブースター、ソープションほか
高真空（HV）10⁻¹ 〜 10⁻⁵蒸着・スパッタ、電子顕微鏡TMP、油拡散、クライオ
超高真空（UHV）10⁻⁵ 〜 10⁻⁹表面分析、分子線エピタキシー、加速器TMP＋イオンポンプ＋NEG
極高真空（XHV）10⁻⁹ 以下重力波検出器、特殊研究特殊構成

（分類の境界値は文献により多少異なります）

超高真空はなぜ難しいのか — 単分子層形成時間

圧力が下がると、表面に分子が吸着して単分子層（1層分）ができるまでの時間が延びます。N₂・室温での目安：

  • 10⁻⁴ Pa：約 1 秒
  • 10⁻⁶ Pa：約 100 秒
  • 10⁻⁸ Pa：約 3 時間

つまり「清浄な表面を 1 時間保って実験したい」なら 10⁻⁸ Pa 級の超高真空が必要になります。表面分析装置が UHV を要求するのはこのためです。また UHV では、容器材料からのガス放出（アウトガス）が到達圧力を支配するため、ベーキングや材料選定（多孔質材の記事参照）が重要になります。

次のステップ