講座３
真空技術者資格試験への手引き
中山

勝

1
矢

Guidance for the Vacuum Engineer Examination (3)1Katsuya NAKAYAMA1Chair, The Qualiˆcation Committee of Vacuum Engineers（Received April 25, 2011, Accepted May 10, 2011）

.

度分布則が成立している．

知識問題（続き）

前回は，用語を中心に，国際標準化機構の規格 ISO と日 の「すべての気体分子は同じ速度を持つ」とここでは，

本工業規格 JIS について述べました．今回は学術用語に関いう文章が誤りです．したがって，これを選べば正解というし，理解の程度を確認するために出題された問題を紹介しまことになります．

す．

 ～
 に比べて， と はかなり難しく，内容的に言えば

. 気体分子の速度相当に突っ込んで勉強していないと出来ないかもしれませ

絶対温度で 0 度でない限り，あらゆる気体分子は静止すん．そのため 1 級に出題されたと思われます．

ることなく絶えず飛び回っています．真空と呼んでいる空間

. 平均速度にある気体も例外ではなく，真空を扱う者にとって最も重要気体分子の速度は幅広く分布しています．それで取扱いをな知識だといえます．

容易にするため，平均速度という概念が導入されています．

このようなモデルから，気体のさまざまな性質を考究し，これは算術的平均速度，あるいはただ単に平均速度 šv と呼ば説明する学問（物理学）は気体分子運動論と呼ばれ，真空技れるもので，他に「確率の最も大きい速度」 np と二乗平均術を支える科学に位置付けられています．おおよそのことは

速度 nrms とがあります．定常状態では np＜ šv ＜ nrms の関係に常識として知っていても，飛び回る気体分子の速度（気体分あります．このなかで真空に関連して使うことが多いのは平子速度）は室温でどのくらいのものか，計算で求めることが均速度 šn であり，出題も少なくありません．

できるのか，気体の種類によらず均一なものか，温度によってどのように変わるのか，といったことまでは知らないかも

例えば入射頻度 n（ニュー）の計算において，平均速度 švと気体分子密度 n とはしれません．これが最初の課題です．

n＝

飛び回っているすべての気体分子の速度は，同じ値に揃っているわけではありません．あらゆる速度の分子が存在するのですが，定常状態ではマックスウェルの速度分布則，ある1n šv4という形で結び付きます．
そしてさらにその先では，オリフィス（厚さのない板の穴）

いはマックスウェル・ボルツマンの速度分布関数に従っていのコンダクタンス C0 や蒸発速度を計算する場合に出てきまると気体分子運動論は教えています．

す．分子流領域でのオリフィスのコンダクタンスは，あらゆ

こういったことに関して， 2005 年の 1 級に出題された例を次に示します．

るコンダクタンスを考える場合の基礎となるもので，疎かにできません．単位面積当たりでは
C 0＝

例題11 （1 級）
真空容器中の気体分子について説明した次の文章の中で，

šv4です．

šn はこのようにいろいろと繋がりの多い概念ですから，形誤っているものはどれか．


非常に大きい速度を持つものが常に存在する．

を変えて出題される可能性が高く，式の形で十分に自分のも

容器の温度が一定であれば，すべての気体分子は同じのにしておくことが肝要です．
次の例題の狙いは，平均速度と温度，分子の質量との関係速度を持つ．


限りなく遅い速度の分子が存在することを否定できなの例のように，いろいろな量の関係を全体として理解しておい．
を掘り下げて把握しているかを確かめることにあります．こ

真空容器の中の気体が室温のヘリウムだとすると，半くことが大切なのです．

分以上の分子が毎秒1,000 m 以上の速度を持っている．


2 種の気体が混在しているとき，それぞれの種類で速例題12 （2 級）
熱平衡にある気体分子が持つ平均速度は，その気体の絶対1 真空技術者資格認定委員会委員長

Vol. 54, No. 6, 2011

温度と，分子の質量とで表わすことができる．その関係を正―( 67 )―401

しく表わしているのは次のどれか．
は立ち入っていません．真空技術者の常識の範囲に留まって平均速度は絶対温度に比例し，分子の質量に反比例する．

いるということから 2 級に出題されました．
. 熱遷移（サーマル・トランスピレーション）

平均速度は絶対温度と分子の質量の両者に比例する．

実際の真空装置の中には気体の発生源があり，消滅する場

平均速度は絶対温度に反比例し，分子の質量に比例す所（ポンプ作用がある場所）があって流れが生じていることる．

が多いのです．このようなときはマックスウェルの速度分布

平均速度は絶対温度と分子の質量のそれぞれの平方根

に比例する．


則に歪ができていると考えるわけですが，取扱いが複雑で，出題された例はありません．

平均速度は絶対温度の平方根に比例し，分子の質量の平方根に反比例する．

また装置内に温度差があり，また場所によっては存在する気体の種類が異なることもあります．粘性流の領域では全体が圧力で平衡すると考えてよいのですが，分子流領域では様 です．これは 2005 年の 2 級に出題されたものを正解は改訂したものです．ちなみに 0°
Cの水素分子の平均速度が毎秒 1,693 m であるのに対し，酸素分子の平均速度は毎秒 425子が異なります．
いま穴のあいた厚みのない板で区切られた二つの部屋 Aと B があり，その温度が同じでないとします．
このような場合は， A から穴を通って B へ行く分子数，m です．

平均速度については， 2009 年の 2 級に「メタン分子（化すなわち A から穴への入射頻度と， B から A へ行く分子学式 CH4 ）の 0 °C における平均速度は，酸素分子（化学式数，つまり B から穴への入射頻度が等しくなったときに平O2）の273°Cにおける平均速度の何倍か」という問題が出さ衡が成り立つのです．つまり分子流領域では入射頻度で平衡れたことがあります．分子量が 2 倍，温度が 2 倍になってするわけです．これを，サーマル・トランスピレーションがいますから，「 1 倍」というのが正解です．このときの正答平衡に達した状態といいます．

率は48でした．

こうしたことがあるのは知っていても，具体的な事例で問. 輸送現象

われると戸惑うことが多いのです．次の例題は，2009年の 1

気体には熱伝導性，粘性，拡散といった様々な性質が見ら級に出題されました．

れます．これらはまとめて輸送現象と呼ばれています．
大気圧から気体の圧力を下げていくと，粘性流領域から分例題14 （1 級）

子流領域に移っていくわけですが，圧力の低下につれて気体ヘリウムガスで置換されたクライオスタット内部の圧力をの熱伝導や粘性も変化します．このことを利用して熱伝導真考える．低温側真空容器 A と室温側真空容器 B が配管で繋空計（ピラニ真空計など）や粘性真空計（スピニング・ロー

がれ，両方の容器は分子流領域の圧力で，定常状態になってター真空計）が作られ，実用化されてきました．輸送現象はおり，容器 A が 75 K ，容器 B が 300 K に保たれているとす

また，断熱や熱シールドの設計にも大いに関係します．

る．このとき，容器 A, B の圧力に関する次の文章のうち正次の例題は，真空中の熱伝導に関して全般的なことを訊ねたもので，2010年の 2 級に出題されました．
例題13 （2 級）･ －1］について，気体の熱伝導によって運ばれる熱量 Q［J s
正しい記述は次のうちどれか．

粘性流領域では圧力に依らず一定であり，分子流領域



しいものはどれか．


A, Bどちらの容器も等しい圧力である．



容器 A の圧力は容器 B の圧力の 4 倍である．



容器 A の圧力は容器 B の圧力の 2 倍である．



容器 A の圧力は容器 B の圧力の 1/2 である．




容器 A の圧力は，容器 B の圧力が分かっても推し量ることができない．

では圧力に比例する．


粘性流領域では圧力に依らず一定であり，分子流領域では圧力に反比例する．



 です．正答率は 51 でした．この問題で述べら正解はれているようなことは，真空を扱う場では珍しいことではあ

粘性流領域では圧力に比例し，分子流領域では圧力にりません．サーマル・トランスピレーションという現象には関心を持っておく必要があります．

依らず一定である．


粘性流領域，分子流領域とも圧力に比例する．

似たような問題が 2007 年の 1 級にも出題されています．



粘性流領域，分子流領域とも圧力に反比例する．

こうした基礎の知識は，そこに関与する要素とどのような関係にあるのか，常にテキストをひもといて見ておくようにし ですが，正答率は 61 でした．ここでは数式に正解は402て欲しいものです．

―( 68 )―

（隔号掲載，次回は 8 号）

J. Vac. Soc. Jpn.

訂正Erratum
真空技術者資格試験への手引き
中 山 勝 矢Guidance for the Vacuum Engineer Examination (3)K. NAKAYAMA[J. Vac. Soc. Jpn., 54(6) (2011) 401]

例題14の正解に誤りがありましたので，以下のように訂正いたします．
 です．→（正）正解は です．
（誤）正解はVol. 54, No. 10, 2011―( 53 )―

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