真空実験

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資料紹介

真空実験
実験日 5月17,18,19日
実験場所物理学生実験室1(1301),2(1303)
実験環境 17日気温：25.4℃ 湿度：82％気圧：752.8hPa
18日気温：24.8℃ 湿度：76％気圧：752.4hPa
19日気温：25.5℃ 湿度：86％気圧：752.4hPa
目的
真空計を組み立て、放電管を用いて真空度による放電状況の変化を知る。次に、油拡散ポンプで排気し、到達真空度を測定する。排気速度を計る。
原理
廃棄ポンプは単位時間に排気する体積S[l/sec]で表される。圧力p[Torr]、体積V[l]の真空容器を排気することを考える。
気体の状態方程式からpV=nRTであり一定体積、温度の下では圧力と分子数は比例している。単位時間に排気される分子数は比例している。単位時間に排気される分子数は
(1)
である。これを圧力で書き直すとより
(2)
これを解くと
(3)
となる。この式は充分に長い時間排気すれば、完全な真空になることを意味している。実際には、真空容器の漏れなどの制限要因によって、ある真空度までしか排気することはできない。漏れは大気との間で生じると考えてよく、大気圧に比較すれば真空容器内の圧力はゼロとみなしてよいから、真空容器の圧力pには依存せず一定値であるとしてよい。
単位時間内に容器内にもれこむ分子数をqとすると
(1’)
圧力に書き直して
(2’)
ここで、の単位は[Torr・l/sec]で、単位時間の漏れを表す。到達圧力はこの式から
(4)
であることがわかる。
実験装置
注射器ポンプ、ダイアフロムポンプ、アスピレーター、誘導コイル
油回転ポンプ　－油回転ポンプの主要部分は固定子と回転子及びスプリングで固定子の内壁に接触しながら回転する翼板からできている。ローターが回転することで、膨張による吸気と圧縮による排気を同時に行うことができる。
油拡散ポンプ－油拡散ポンプは油の蒸気で噴流を作り、拡散で噴流に飛び込んだ気体分子を捕らえて運び去り、高真空を得るポンプである。油拡散ポンプは単体で真空を作ることはできず、補助真空側に油回転ポンプをつなぎ、ある程度の真空状態にしておく。
ブルドン管　－ブルドン管は数Torrまでの真空をモニターする真空系である。構造は単純で、息を吹き込むと巻いていた紙の筒が伸びる玩具と同じで、薄い金属板を張り合わせて筒を作っている。管内の気圧が低くなると大気に押されて巻きが戻るように作られていて、その先端に目盛の指示器がついている。
ガイスラー管　－ガイスラー管はガラス管に1対のアルミニウム電極を10cmくらいの間隔で取り付けたものである。両端を誘導コイルにつなぎ、その一次線に100Vの交流を入れると二次側には高圧 (10~50kV) が得られる。放電管の真空度が進むにつれて放電状況がさまざまに変化する。この放電パターンによって圧力のおおよその見当と発光の色でガスの種類についての情報を得ることができる。
ピラニー真空計　－ピラニーゲージは気体の熱伝導を利用した真空系である。タングステンや白金の細線に電流を流し200度から400度に加熱しておく。周辺の真空度が上がり、熱を奪う分子が減少すると温度の低下が少なくなり抵抗が下がる。これを精密なホイートストーンブリッジ回路で検出し真空度と対応づける。
電離真空計　－電離真空計は、気体分子を電離させ、生成したイオンの数から圧力を求める真空計で、高真空から超高真空領域で広く用いられており、定量性に優れている。
実験方法
A-