一般實驗物理研究基本知識技術課程��真空技術

2010/07/19

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OUTLINE

• 名詞解釋
• 真空幫浦簡介
• 真空計簡介
• 超高真空系統操作實務

名詞解釋

• 真空：在一個空間內，如果其氣壓低於一大氣壓的氣體狀態，即稱為

真空。

• 平均自由徑 λ（mean free path）：

氣體分子相繼兩次碰撞間所運動之距離的平均值。

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• 氣流的種類與狀態：

• 黏滯流：
• λ ＜＜ d
• 氣體分子與氣體分子間碰撞頻繁，其次數遠大於氣體分子與管壁之碰撞次數。
• 氣體分子間因黏滯力之作用，使氣體運動有方向性，並與抽氣方向相同，此特性可防止機械幫浦的油氣回流至真空系統。

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• 分子流：
• λ ＞ d
• 氣體分子與管壁之碰撞次數較氣體分子與氣體分子間之碰撞為多。
• 氣體分子在管路中之運動為隨意方向，不受抽氣方向的影響。

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• 氣流通量 Q（throughput）：

溫度固定下，每單位時間內通過特定截面之氣體數量，又稱flow rate。若以壓力與體積之乘積表示氣體數量，則氣流通量可表示成：

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• 抽氣速率 S（pumping speed）：

幫浦正常運轉下，單位時間內通過進口截面的氣體體積。

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• 氣導 C （conductance） ：

穩定狀態時，每單位壓力差下之氣流通量。

• 氣阻 W（impedance）：

氣導之倒數。

• 真空管路與電路之比較：

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• 管路串聯與電路串聯之比較：

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• 管路並聯與電路並聯之比較：

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• 抽氣速率：

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• 終極壓力（ultimate pressure）：

幫浦所能抽到的最低壓力。

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• 壓縮比 K（compression ratio） ：

幫浦進口處無氣流量時，幫浦排氣口壓力與幫浦進氣口壓力的比值。

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真空幫浦簡介

• 真空之區分範圍：
1. 粗真空（rough vacuum）：1 atm ~ 1 torr
2. 中度真空（medium vacuum）：1 torr ~ 10^-3 torr
3. 高真空（high vacuum）：10^-3 torr ~ 10^-7 torr
4. 超高真空（ultra-high vacuum）：10^-7 torr以下

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• 常用真空幫浦之分類：
• 排氣式：將真空裝置內的氣體輸送到較高壓力的外部而排出。
1. 機械幫浦
2. 蒸氣噴流幫浦

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• 儲氣式：捕捉真空中之氣體，將其永久或暫時儲藏在幫浦中而不排出。
• 吸附幫浦
• 冷凍幫浦
• 化學吸附幫浦

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• 常用真空幫浦之分類：

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• 機械幫浦（Mechanical pump）：

利用機械能力直接將氣體排送出系統，其作用原理可分為：

• 將氣體自低氣壓處捕捉後經壓縮送至高氣壓處，通常可直接將氣體排到大氣，真空系統之前級幫浦大都採用此類幫浦。
• 利用幫浦中迅速轉動之機件給予氣體高速率，使其自低氣壓處向高氣壓處運動，此類幫浦通常需與前級幫浦串聯使用，當氣體分子運動至高氣壓處時，立即被前級幫浦捕捉排送到大氣中。

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• 迴轉油墊幫浦（Rotary oil-sealed pump）
• 藉由偏心轉子及翼與靜子連續接觸進行進氣、壓縮

及排氣。

• 使用幫浦油維持氣密。

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• 迴轉油墊幫浦之外貌與剖面圖：

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• Gas ballast valve：

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當大量的水氣或是一些溶劑的分子

被抽氣至幫浦內，由於其體積被急

速壓縮容易造成凝結，這些凝結物

會留在幫浦內，尤其是當排氣閥門

打開時，這些凝結物不易被排出，

一旦該凝結物增多便會與幫浦油混

合使得幫浦油受到污染，其潤滑性

以及密合性隨之降低，久而久之，

整個幫浦的終極壓力也隨之下降。

為了解決這個問題，一般的Rotary

pump會額外增加一個gas ballast閥

門，這個閥門的作用乃是讓操作者

故意將氣體引入，企圖加劇幫浦的

排氣動作，藉此運作將凝結物排除。

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• 二階段排氣之Rotary pump：

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• 提升終極壓力

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• 加快排氣速度

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• 乾式幫浦（Dry pump） ：
• 不使用幫浦油密封，可避免幫浦油蒸氣壓回流造成汙染。
• 轉子與靜子間之機械緊密度較低，轉子轉速可增加，但壓縮比較油式幫浦低。
• 終極壓力較低，需使用多級乾式幫浦才可達到啟動高真空幫浦的壓力。

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• 迴轉吹送幫浦（Rotary blower pump）或魯式幫浦（Roots pump）
• 轉子為一對8字形的轉軸，一轉子由馬達直接帶動，另一轉子由一對齒輪帶動。
• 魯式幫浦氣流流動方向與轉子旋轉軸方向垂直。
• 在中度真空有很好的抽氣速率，但在低真空領域抽氣速率不佳。常用在串連油封式機械幫浦或其他乾式幫浦，以加大真空系統在中渡真空的抽氣速率。
• 易升高熱，需冷卻系統。

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• 魯式幫浦之剖面圖：

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• 魯式幫浦與熱交換系統之組合

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• 氣體被壓縮時產生的熱會傳至幫浦主體

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• 轉子與幫浦主體因熱膨脹係數不同而產生磨擦

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• 爪式幫浦（Claw pump）
• 爪式幫浦的特徵為一對如爪狀的轉子。一轉子由馬達直接帶動，另一轉子由一對齒輪帶動，轉子在幫浦體中迴轉時，因爪子相對位置的變化而得到膨脹進氣，傳輸及壓縮排氣的作用。
• 兩轉子的轉動方向相反。
• 進氣口與排氣口各在兩側的板上，依轉子的位置而處於開或閉的狀態。
• 氣流流動方向與轉軸方向平行。
• 在大氣壓的壓力範圍有不錯的抽氣效果。

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• 魯式幫浦與爪式幫浦之組合：
• 將兩種幫浦的優點組合，在10^-1 mbar下，效率比單獨的爪式幫浦增加60% 。
• 魯式幫浦在前縮短氣體滯留幫浦的時間。
• 不需冷卻系統。

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• 渦捲式幫浦（Scroll pump）
• 利用一對見開線形狀的轉子與靜子，此漸開線形狀的轉子和靜子夾在兩平行圓板之間，具有高度避結合。
• 半月形的壓縮是由轉子、靜子和兩平行圓板所圍繞
• 當轉子相對於靜子進行迴旋時，在壓縮室的氣體隨著迴轉被推向中心部的排氣口，而排出氣體。
• 出氣口的壓力為一大氣壓，吸氣口的壓力可降至7.5X10^-3 torr以下，其壓縮比很高

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• 機械分子幫浦（Mechanical molecular pump）
• 氣體分子碰撞在高速運轉之機見上而獲得動能，向機件運動的方向流動。
• 氣體從較低壓處移動到較高壓處，再由前級幫浦抽至系統外。

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• 渦輪分子幫浦（Turbo-molecular pump）
• 靜子與轉子互為反影交替排列。
• 轉子轉速通常在每分鐘24000轉到60000轉。
• 氣體經由中央進口處進入圓盤的槽內被高轉速之葉片碰撞加速而向出口排出。
• 維修價格高，不適合用於污染性較高之真空系統。
• 渦輪分子幫浦剖面圖

• 渦輪分子幫浦可分為：
• 單轉子垂直式水平式
• 製造容易，成本低
• 被抽氣體可直接進入抽氣轉子，

具有較大抽氣速率

• 常置於反應室下方，易受損

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• 雙轉子水平式垂直式
• 轉子結構較易對稱平衡
• 更換內部滾動軸承容易
• 可以任意角度安裝在真空系統
• 氣體垂直進入轉軸，能量損耗較大
• 直角入口處部分氣體被堵住

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• 渦輪分子幫浦使用注意事項：

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• 渦輪分子幫浦問題原因：

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• 蒸氣噴流幫浦（Vapor steam pump）：

利用加熱使某種液體蒸發成蒸氣，當蒸氣經過需抽真空之系統時，即與被抽之氣體分子碰撞並給予動能， 將其帶回蒸氣循環路徑。在此路徑上蒸氣分子被冷卻變成液體流回原加熱槽，而所帶之氣體分子在此處被前級幫浦抽出排送到系統外之大氣中。

• 擴散幫浦（Diffusion pump）
• 氣體分子從真空系統擴散到蒸氣噴流附近，首先碰撞散射的低密度蒸氣分子而被迫入高密度蒸氣分子流中。
• 分子流遇到幫浦氣壁冷卻變成液體，氣體分子在此處被前級幫浦抽走。
• 需用高分子量的液體做為幫浦液（水銀或矽油）。
• 幫浦需先由前級幫浦抽到中度高真空才可啟動，

前級幫浦所抽之前級壓力越低，擴散幫浦的終極

壓力也越低。

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• 擴散幫浦結構圖：

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• 分噴式擴散幫浦：
• 將不同蒸氣壓的油氣適當的分餾
• 使高蒸氣壓的油氣集中在外圍靠近內壁處

做為驅動油氣，低蒸氣壓的油氣集中在幫

浦中央，可減少油蒸氣回流的現象，改善

終極壓力

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• 油蒸氣回流：
• 前級壓力過大，進氣端壓力超過

10^-3 torr，油蒸氣回流變會加劇

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• 油蒸氣碰到水氣形成油氣

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• 防止油蒸氣回流的附件：
• 置於幫浦上端，藉此將油氣檔下
• 油擋版：使用水冷卻，油蒸氣凝結並流回油槽
• 冷凝阱：使用液態氮凝結油蒸氣，但油凝結物不流回油槽（奕同時抽除系統內凝結性氣體）

• 加裝油擋版與冷凝阱之擴散幫浦壓力分佈圖：

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• 吸附幫浦（Sorption pump）：

利用「物理吸附」作用，即某些吸附力很強的物質如活性碳或沸石等，將被抽氣體吸附在其表面上。此作用具可逆性，有再放出被吸收氣體的可能，需保持一定溫度或低溫。可利用加熱將所吸附的氣體釋放，使用前級幫浦接於逸氣管將氣體抽出。

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• 可在沒有油氣汙染的情形下，由大氣壓

一直排氣至10^-3 torr 。

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• 冷凍幫浦（Cryogenic pump）：

將被抽氣體冷凍成固體而儲於幫浦中。一般採用之冷凍劑為液態氦。此種幫浦需經常保持冷凍，否則已凝結之被抽氣體會變回氣體再回流真空系統。冷凍幫浦停用時應將其連接真空系統隻活門關閉，逸氣口或通往前級幫浦管路之活門打開，使幫浦溫度上升的過程中，氣體可逸出或由前級幫浦抽出。

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• 化學吸附幫浦（Chemical adsorption pump）：

利用活性物質(reactive substance，通常為薄膜、細絲或粉狀物)稱之為結拖(getter)，與被抽氣體分子化合變成固體或化學吸附貯留在幫浦內不再放出。此種結拖物質在靜態真空系統中之應用如真空管(vacuum tube)，當抽完真空封閉時，封入結拖物質之細絲如金屬鉭(Ta)等，然後通電加熱使此金屬絲燒去剩餘之氣體(結合成為固體)，以增進真空度；在動態真空系統中，此種結拖物質直接用作幫浦，此類幫浦因需能經常抽氣而不用更換幫浦或其中結拖物質，故在設計上需特別考慮。

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• 結拖幫浦（Gettering pump）
• 最常用鈦或鈦合金做為結拖物質。
• 利用鎢絲加熱或電子轟擊加熱，使鈦受熱

昇華後凝結在腔壁上以達到結拖抽氣之作

用，此種幫浦稱之為鈦昇華幫浦（TSP）。

• 適合消除惰性氣體或水氣。
• 壓力工作範圍在10^-2 torr ~ 10^-10 torr 。

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• 結拖離子幫浦（Gettering ion pump）
• 又稱蒸發離子幫浦（evaporate ion pump ），為結拖幫浦與離子幫浦結合 。
• 加熱柱（鉭合金）靠加熱燈絲（鎢絲）加熱使鈦昇華，鈦昇華後凝結成薄膜附在外套壁，產生結拖作用，加熱燈絲同時可放出電子， 電子受燈絲與柵極之電位差加速而碰撞氣體分子使其電離。產生之正電離子被零電位之外套壁吸引而陷於鈦模之原子空間中。隨後凝結的鈦會覆蓋被陷的氣體離子。

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• 撞濺離子幫浦（Sputtering ion pump）

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• 撞濺離子幫浦之工作原理：

(1)真空高壓放電產生高速電子。

(2)電子向陽極運動時受磁場磁力影響作螺旋

運動而折返陰極，但又受陰極之斥力而往

返於正負兩極間振盪。此作用增加電子與

氣體分子的碰撞機會，產生更多電離子。

(3)產生之正離子受高電壓之吸引，以高能量

向負極(鈦板)碰撞而將鈦原子撞濺出來。

(4)正離子陷入陰極之鈦原子的空隙中被結拖。

(5)鈦被撞濺出來後將氣體分子結拖而附到陽

極上。

(6)氫氣及惰性氣體如氦等亦被離子化而撞擊

陰極陷埋入其中。未被離子化的氣體分子

則被結拖物質的碰撞帶到陰極而被捕捉，

後來產生的鈦就覆蓋其上以阻止其逃逸。

(7)複雜之氣體分子與電子碰撞而分解，如CH4

分解成C及H2，其中碳為固體可留積在幫浦

中，氫則如上述方法被捕捉。

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• 各種真空幫浦的比較：

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​

• 各種真空幫浦的比較：

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​

• 各種真空幫浦的比較：

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• 各種真空幫浦的比較：

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真空氣壓量測簡介

• 氣壓量測方法分類：

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• 真空計依其操作原理不同，可區分為直接及間接真空計，直接真空計採用壁面受壓力移動之方式偵測壓力值，所量得之壓力值為真實之壓力值與氣體種類無關；間接真空計量測氣體性質，再換算成壓力值，顯示之壓力值與氣體種類或真空計幾何形狀有關。

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• 真空壓力計分類：

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• 電容真空計（Capacitance Gauge）

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• 熱偶真空計（Thermocouple Gauge，TC Gauge）

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• 派藍尼真空計（Pirani Gauge）

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• 離子真空計（Ion Gauge）

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• 拜亞爾得-奧伯爾特離子真空計（Bayard-Alpert Gauge）

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• 拜亞爾得-奧伯爾特離子真空計（Bayard-Alpert Gauge）

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• 彭寧冷陰極真空計（Penning Cold Cathode Gauge）

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• 彭寧冷陰極真空計（Penning Cold Cathode Gauge）

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• 各種真空計適用範圍比較：

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超高真空系統操作實務

• 真空系統無法達到壓力可能原因：
• 裝置漏氣或污染
• 幫浦汙染或損壞
• 真空計不準
• 終極壓力需很久到達：
• 裝置汙染
• 幫浦汙染或太小
• 真空腔與幫浦間氣導小
• 其他
• 如何判斷真正原因?
• 將真空腔與抽氣單緣隔離，使用真空腔壓力上昇法、測漏儀或氣體分析儀檢測
• 檢查真空計
• 檢查幫浦或抽氣單元

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• 如何判斷系統是否被汙染：
• 使用升壓曲線法
• 比較直接真空計與間接真空計測得壓力
• 真空計在冷凝阱作用與不作用下測得的壓力差十倍以上
• 系統特性可由以下兩種方法認定：
• 抽氣曲線法（pump down curve）：抽氣時間對壓力做圖
• 升壓曲線法（rate of rise curve）：先將真空腔抽至真空，將真空腔與抽氣單元隔離，將壓力對時間做圖
• 真漏：壓力上升為一定值
• 虛漏：壓力先快速上升後再緩慢上升

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• 真空腔污染與漏氣：
• 真空腔體污染來源：
• Oil backstreaming
• Gas evolution
• Dust

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• Gas evolution

任何物質若不斷地釋放出氣體或蒸氣，則稱為釋氣(Outgassing) 。

• 普遍存在之表面污染源：

1. Oil：來自機器或指紋，可利用溶劑(丙酮、三氯乙烯、異丙醇)清除。

(三者分別簡稱：ACE、TCE 、IPA)

2. Water：來自大氣中之水分，由於水分子具有極性，所以易與單層金屬、

玻璃及陶瓷材料表面鍵結反應。水分子可利用真空系統中引入乾

燥氣體後再抽氣去除之，或利用Baking(烘烤)方式處理使之

Desorb(退附)。

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3. 製程之本體材料如彈性體及其他高分子，其中彈性體是有彈性之合成橡

膠作為封裝襯墊(如O-rings)使用。由於O-rings常曝露在大氣壓下，因

此常自空氣中吸收水氣，這些水氣經由O-rings擴散至製程之真空腔中。

大部分高分子材料易受水氣或溶劑蒸氣之影響而吸收入本體，此數量可

比表面吸附還多。此現象限制真空腔內之真空度約在10⁻⁶ Pa左右。

4. 金屬中具有高蒸氣壓之合金亦會造成釋氣，如黃銅中之鋅(Zn)、電板硬

體中之鎘(Cd)、焊錫中之鉛(Pb)與銻(Sb)、磷青銅軸承中之磷(P)、303

型不銹鋼中之硫(S)與硒(Se)等應避免使用。

• 表面之處理
• 物理方法：polishing，scratching，bead blasting
• 化學方法：IPA or aceton clean，acid clean，electrolytic polishing
• 超音波振盪
• 漏氣
• 真漏（Real leak）：由真正孔隙所造成氣體的通路
• 虛漏（Virtual leak）：由真空系統中侷限氣體之逸出所造成
• outgassing

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• 殘餘氣體分析儀（RGA）：

高溫燈絲放出熱電子被加速後與氣體分子碰撞而將其離子化。離子進入質譜儀後依其荷質比分離，最後經由偵測器將離子訊號轉換為電子訊號，得到質譜圖。藉由質譜圖我們可以分析腔體中殘餘的氣體種類與數量。

• 氦氣測漏儀：

和RGA原理相同，但只偵測氦氣的存在與含量，結構較RGA簡單。

• 選擇氦氣的原因
• 質量最輕的惰性氣體，可穿透微小的細縫
• 大氣中背景值最低
• 無毒、無可燃性、不會爆炸
• 分子量小，被檢測出的速度較快

• 管路接頭與閥門：

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• 常見閥門之種類：
• Gate valves

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• Right-angle and block valves

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• Straight-through valves

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• Ball valves

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• Inline valves

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• Butterfly valves

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• Leak valves

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• 密合：

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• 氣體管路的連接：

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