真空について基礎，応用問題

質問

教えて質問の内添付画像のポンチ絵より下記、問に答えよ。

第1問：(1)～(3)に当てはまる真空計(以下S)を選べ
(1). a.ピラニーS　b.B-A形電離S　c.冷陰極形電離S
(2). a隔膜S　　　 b.B-A形電離S　c.冷陰極形電離S
(3). a三極管形S b.B-A形電離S　c.ピラニーS

第2問：チャンバーを大気圧の状態から排気する手順を選べ
現状はV1：閉 V2：閉 V3：開 である。

a.V2：開→V2：閉→V1：開
b.V3：閉→V2：開→V2：閉→V3：開→V1：開
c.V3：閉→V1：開→V2：開→V2：閉→V3：開
d.V2：開→V3：閉→V2：閉→V3：開→V1：開

真空容器とバルブまでは配管(直径0.3m 長さ10m)で繋がっている。
チャンバーにN2とH2ガスの混合ガス[Q]を導入し、各々のガス分圧を[N2：0.1Pa、H2：0.2Pa」に設定したい。バルブ1入口の有効排気速度は下記の通りとする。
1.N2ガス、水素に対する排気速度は「1m3/s」であり、雰囲気温度，ガス温度は「25℃」。
2.配管内は分子流状態。また、配管は充分に長いものとして考えること。

第3問：接続している配管のN2およびH2ガスに対するコンダクタンスを求めよ。

a.「N2：1.3、H2：1.3」
b.「N2：2.7、H2：10.0」
c.「N2：3.3x10^-1、H2：1.3」
d.「N2：3.3x10^-2、H2：10.0」(m3/s)

第4門：チャンバー吸気口での実行排気速度を求めよ。

a.「N2：2.5x10^-1、H2：5.6x10^-1」
b.「N2：1.0、H2：1.0」
c.「N2：3.3x10^-2、H2：1.3」
d.「N2：7.3x10^-1、H2：9.1x10^-1」(m3/s)

第5門：チャンバーのガス分圧が「N2：0.1、H2：0.2」となるガス流量を求めよ。

a.「N2：1.0x10^-1、H2：2.0x10^-1」
b.「N2：3.3x10^-2、H2：2.6x10^-1」
c.「N2：7.3x10^-2、H2：9.1x10^-2」
d.「N2：2.5x10^-2、H2：1.1x10^-1」(Pa・m3/s)

容を書いてください

回答No.1

pc_knight

回答がつかないようですので、浅学を省みず回答もしくはヒントを示させて頂きます。
どのレベルまで詳細に回答したら良いのか分かりかねますので、大雑把な説明に留めました。
この回答で解らない点がありましたら、解らない点を補足欄に書き込み下さい。
第１問

この問いを解くには、ポンプの動作圧力範囲と真空計の測定可能範囲を知らねばなりません。
前者は、「真空ポンプの種類」をキーワードにネット検索、後者は「真空計の種類」をキーワードにネツト検索をすれば見つかります。　→　ご自身でお調べ下さい。

この真空系では、１気圧から適切なポンプで排気を開始し、ターボ分子ポンプの動作範囲の圧力達したら、ターボ分子ポンプにバトンタッチし、到達圧力近くまで排気したら、その後N2とH2ガスの混合ガスを導入するということが出題文から分かります。
このことから
（１）の真空計はその到達圧力の測定用の真空計であり、ターボ分子ポンプの動作圧力範囲から自ずと決まります。
（２）の真空計は混合ガスを導入した時の圧力（＝０．３Ｐａ）を測定するための真空計である。
（３）の真空計は、ターボ分子ポンプにバトンタッチできる圧力に達したかどうかを計測する真空計である。
と言えます。

ことから真空計の種類選択できるでしょう。
但し、（２）の真空計は混合ガスの圧力を測定するので、気体の種類により感度が異ならない真空計を選ぶべきと思います。

（第２問）
この問いを解くには、使用されている２種のポンプのそれぞれの動作圧力範囲を知ることが大切です。
また、最初は真空容器の圧力が１気圧＝１０１３（ＨＰａ）＝１０＾５（Ｐａ）であることを理解していたら自ずと答えが見つかることでしょう。

（第３問）

コンダクタンスＣ = （２πａ3ｖ/３）/Ｌ・・・（１）
　　ｖ：気体分子の平均速度

気体分子の平均速度　ｖ = 146(Ｔ/Ｍ)1/2 (m/s)・・・（２）
　　Ｔ：絶対温度　、　Ｍ：気体分子の分子量

この二つの式からコンダクタンスを求めて、”ｂ”が正解。
余談ですが、２５℃における水素分子の平均速度は秒速１８００ｍ位の超高速です。

（第４問）
吸気口での実効排気速度をＳｅｆｆ、ポンプの排気速度をＳとすると
Ｓｅｆｆ＝Ｓ×Ｃ／（Ｓ＋Ｃ）が成立するから
水素に対する実効排気速度=１０／１１＝０．９１（ｍ＾３／ｓｅｃ）
窒素に対する実効排気速度=２．７／３．７＝０．７３（ｍ＾３／ｓｅｃ）
となる。従って、”ｄ”が正解。

（第５問）
水素の実効排気速度／窒素の実効排気速度＝約１．２５
水素の分圧／窒素の分圧＝２
であるから
水素の流量／窒素の流量＝１．２５×２＝２．５
となり水素の流量は窒素流量の２．５倍となると思われるが、該当する回答がありません。

しいて、選ぶとすれば、流量の値と水素流量／窒素流量の値が正解に近いのは、“ａ”と思われます。