真空的基本觀念 崑山科大電機系 張慎周 jchang@mail.ksu.edu.tw

資料來源: 蘇青森, “真空技術精華”,五南書局,2004

顯示器 用作顯示器的LED， LCD， TFT/LCD，以及CRT其導電玻璃，介電薄膜，導電膜等的製作均需要在真空中進行 有些顯示器如傳統的陰極射線管電視（CRT TV），電漿電視（Plasma TV）等其中有電子發射，故必需高真空

1 從歷史發展認識真空 2 絕對真空與真空的定義 3 真空壓力與真空度 4 自然界的真空 5 真空技術的基本量 6 真空系統的特徵 7 真空應用

1.從歷史發展認識真空

托里切利首先發現真空 義大利人托里切利（Torriceli）利用玻璃試管盛滿水銀倒置於水銀槽中，管中的水銀自然下降至76厘米高度，而在管的頂端留下一空間 此試管的空間他認為係空無一物的真空。

馬德堡半球實驗 德國馬德堡市長證明真空的力量，將兩個半球密合其中抽真空，兩邊各用四匹馬並未能將其拉開

2.絕對真空與真空的定義

何謂真空？ 絕對真空（absolute vacuum） 空間內的氣體壓力 氣體壓力等於零的空間就是絕對真空 不存在任何包括氣體在內的物質，故絕對真空為一個氣體壓力等於零的空間 空間內的氣體壓力 空間（empty space）內既然沒有可看見的物質存在，剩下的當然即為氣態（gaseous）物質 討論真空即為討論空間內的氣體壓力

真空定義 即一個空間，其中的氣體壓力小於一大氣壓力者為真空 真空定義的概念圖 真空中的分子密度 表示為：壓力＜大氣壓力 ＜一大氣壓力的分子密度 N<2.5X1019分子／厘米 真空定義的概念圖

3.真空壓力與真空度

真空壓力 真空中氣體的壓力簡稱為真空壓力，或直接稱為壓力 亦有用氣壓表示真空壓力者 真空壓力為氣體對真空系統的內壁每單位面積上所施的力，其單位為：力／單位面積

壓力的單位 國際壓力單位 實用真空壓力單位 舊真空壓力單位 真空壓力換算表 1帕=1牛頓／平方米 1Pa=1N/m2 1托爾=1/760大氣壓力 1托爾=1毫米水銀柱 實用真空壓力單位 1巴=105帕 1毫巴=10-3巴（bar） 1毫巴=3/4托爾=100帕 1大氣壓力=1013毫巴 真空壓力換算表

真空度 代表真空系統中壓力的程度 此名詞係我國工業界自創 相當於英文vacuum 用真空度的名詞要特別注意以下的提示： 低真空卻代表真空系統中氣體的壓力高者 高真空則代表真空系統中氣體的壓力低者 低真空以粗略真空（rough vacuum或coarse vacuum）取代 用真空度的名詞要特別注意以下的提示： 低真空（low vacuum）：高壓力 高真空（high vacuum）：低壓力

4.自然界的真空

地球表面到外太空 地球表面海平面為一大氣壓力，由地球表面向上氣體的壓力逐漸減低形成真空，離地球表面愈遠，壓力愈低，至外太空則為超高真空

標準大氣與標準大氣壓力 標準大氣壓力（standard atmospheric pressure） 溫度在20℃ 海平面高度，乾燥空氣所施的壓力，其值為1013毫巴

標準大氣成分 主要成分： 各成分的總和為1013毫巴，即一標準大氣壓 次要成分及稀少氣體： N2──792毫巴 O2──212毫巴 次要成分及稀少氣體： Ar　9.47毫巴 CO2　0.31毫巴 Ne  1.9x10-2毫巴 He  5.3x10-3毫巴 CH4　2x10-3毫巴 Kr　1.1x10-4毫巴 N2O  5x10-4毫巴 H2  5x10-4毫巴 各成分的總和為1013毫巴，即一標準大氣壓 若考慮水蒸氣的存在，則可加入己知相對濕度（relative humidity）的水蒸氣壓

5.真空技術的基本量

真空技術的基本量 壓力 抽氣速率（pumping speed） 氣流通量（throughput） 氣導（conductance） 阻抗（resistance） 抽真空時間（pump-down time） 放氣率（outgassing rate） 漏氣率（leak rate） 及單層附著時間（monolayer time）

表示在系統中某一斷面或真空幫浦單位時間抽氣的量 抽氣速率 表示在系統中某一斷面或真空幫浦單位時間抽氣的量 抽氣速率的定義 抽氣速率的單位及換算 真空幫浦的抽氣速率

抽氣速率的定義 1.幫浦的抽氣速率 2.真空系統的抽氣速率 抽氣速率實際上並非真正的量 為在真空幫浦的進氣口每單位時間抽入幫浦中氣體的體積 為在真空系統中某一斷面每單位時間通過氣體的體積 抽氣速率實際上並非真正的量 因為單位時間通過氣體的體積中究竟有多少氣體分子並不得而知 相同的體積若氣體壓力不同其所包含的氣體分子可能相差甚多

抽氣速率的單位及換算 單位為：體積／時間 單位換算： 1公升／秒=1000立方厘米／秒=3.6立方米／小時 1立方米／小時=16.67公升／分=0.278公升／秒 1立方英呎／分=28.32公升／分=0.47公升／秒

真空幫浦的抽氣速率 真空幫浦的抽氣速率一般多為變數，故實際上應為： 一般真空幫浦標定規格的抽氣速常為平均抽氣速率即： S＝dV/dt S＝V/t

氣流通量的定義 單位時間內流過真空系統中某一斷面的氣體分子數稱為氣流通量 氣流通量的公式為： Q＝p (dV/dt) ＝pS 在一穩定（steady）的真空系統中，假定並無漏氣或器壁釋放氣體，則氣流通量為一常數 真空系統中A點的氣流通量QA與B點的氣流通量QB相等 此種性質又稱為氣流通量的連續性（continuity） 由此可得真空系統中各點的壓力與抽氣速率的關係如下： QA＝ QB pASA＝pBSB

氣導與阻抗 真空管路的氣導 真空管路的氣流阻 在真空系統的管路中，通過該管路某一段1與2之間的氣流通量與該管路兩端壓力之比為該管路段的的氣導 C＝Q/（p1－p2） 真空管路的氣流阻 在真空系統的管路中，氣流通過該管路某一段1與2之間的阻礙的程度以阻抗來表示 R＝1/C

抽真空時間 真空系統的抽真空時間（pumpdown time）為決定操作真空系統的主要參數 通常為評估一真空系統從起動至實際運作所需要的時間

抽真空時間的定義 真空系統氣流通量的平衡方程式 PS＝Q0－V(dP/dt) 抽真空時間公式 習用的抽真空時間公式 P1013亳巴，P1毫巴

抽真空時間實例 問題1：假定有一高真空系統其體積為500公升。用一迴轉幫浦抽粗略到中度真空，選擇抽氣速率為Sr250公升／分。假定從大氣壓力P0＝1013毫巴開始，抽至中度真空Pf＝5×10-3毫巴 答：抽真空時間為： 問題2：再用一抽氣速率為150公升／秒的高真空幫浦抽中度到高真空。假定從P510毫巴開始至高真空，P110毫巴 此實例說明抽粗略到中度真空所需的時間較長

漏氣率 漏氣率為單位時間內由真空系統外部漏入系統中氣體的量，其單位與氣流通量者相同 毫巴．公升／秒，托爾．公升／秒，及帕．米／秒 真空系統外部的氣壓多為一大氣壓，故漏氣率又常用大氣壓力．立方厘米／秒（atm⋅cc/s）為單位 1Pa⋅m/s=9.87 (atm⋅cc/s)

放氣率 放氣率為單位時間內由真空系統內部的表面上釋放出氣體的量 單位與氣流通量者相同，即毫巴．公升／秒，托爾．公升／秒等

單分子層附著時間 在潔淨固體表面上附著一分子厚度的氣體分子所需的時間，稱為單分子層附著時間 mono-molecular layer time 假定氣體為空氣及f＝1，則代入空氣的平均氣體分子半徑可得

6.真空系統的特徵

真空系統特徵 真空包含的壓力範圍很廣 高度潔淨 節省能源 經常承受一大氣壓力 材料在真空中的性質與在大氣中不同

7.真空應用

應用真空的基本原理 利用壓力差 減少活性氣體 減少氣體碰撞 增長單層氣體附著時間

真空技術與工業的關係