到達圧力を決めるもの — リークとアウトガス

到達圧力を決めるもの — リークとアウトガス

ポンプを回し続けても圧力が下がりきらないとき、装置の中では排気とガス発生が釣り合っています。到達圧力は次の単純な式で決まります：

$P_{ult} = \frac{Q_{total}}{S_{eff}}$

• $Q_{total}$：全ガス負荷 [Pa·m³/s]
• $S_{eff}$：チャンバーから見た実効排気速度 [m³/s]

到達圧力を 1 桁下げるには、「排気速度を 10 倍にする」か「ガス負荷を 1/10 にする」しかありません。そして高真空以下では、たいていガス負荷を減らすほうが効果的です。

ガス負荷の内訳

$Q_{total} = Q_{leak} + Q_{outgas} + Q_{perm} + Q_{proc}$

1. リーク（$Q_{leak}$）: シール不良、溶接欠陥、傷などによる実漏れ
2. アウトガス（$Q_{outgas}$）: 材料表面からの放出ガス。高真空〜UHVでの支配要因。大半は表面に吸着した水
3. 透過（$Q_{perm}$）: O リングなどを透過してくるガス（例：Viton を透過する He・空気成分）
4. プロセスガス（$Q_{proc}$）: 意図的に導入するガス

アウトガスレートの目安

アウトガスは単位表面積あたりの放出速度 $q$ [Pa·m³/(s·m²)] で評価し、$Q_{outgas} = q \times A$（A：表面積）で見積もります。

材料・状態	q の目安 [Pa·m³/(s·m²)]
ステンレス（未ベーク、排気1時間後）	10⁻⁵ 〜 10⁻⁴
ステンレス（未ベーク、排気10時間後）	10⁻⁶ 前後
ステンレス（150〜250℃ベーク後）	10⁻⁹ 〜 10⁻⁸
アルミ（表面処理＋ベーク後）	10⁻⁹ 台
Viton（ベーク後）	10⁻⁷ 前後

（値は文献・表面状態によって 1〜2 桁変わります。オーダーの目安としてください）

未ベークのアウトガスはおおむね時間に反比例（$q \propto 1/t$）して減っていきます。「一晩引けば 1 桁下がる」という現場感覚はこれに対応します。ベーキングが UHV 到達の決定打になるのは、吸着水を強制的に追い出せるからです。

排気曲線の読み方

大気圧からの排気は 3 つのフェーズに分かれます：

1. 体積排気: チャンバー内の気体そのものを排気。指数関数的に圧力低下（$P \propto e^{-t \cdot S/V}$）
2. アウトガス律速: 表面からの放出ガスと排気が釣り合いながらゆっくり低下（$P \propto 1/t$ に近い）
3. リーク・透過律速: 一定圧力で頭打ち

「圧力が頭打ちで、時間が経っても全く下がらない」ならリークを疑い、「ゆっくりでも下がり続けている」ならアウトガス、というのが一次切り分けです。

He リークテスト

リークの定量にはヘリウムリークディテクタ（質量分析計を He に同調させたもの）を使います。

• スプレー法（真空法）: 装置を排気しながら外から He を吹きかけ、吸い込まれた He を検出。リーク箇所の特定が可能
• リークレートの単位は Pa·m³/s（1 Pa·m³/s = 10 mbar·L/s）
• 目安として、UHV 装置では 10⁻¹⁰ Pa·m³/s 台以下が合格ラインとされることが多い

He が使われる理由は、①大気中濃度が低い（バックグラウンドが小さい）、②分子が小さく軽いため微小な隙間でも速く流れる（ガス種の記事参照）、③不活性で安全、の 3 点です。

まとめ

• 到達圧力は $Q/S_{eff}$。分子と分母の両方に手を打てる
• 高真空以下の主敵は吸着水のアウトガス。ベーキングが最も効く
• 頭打ちならリーク、漸減ならアウトガス
• 排気速度側の改善は実効排気速度の記事と計算ツールで定量評価を