vacuum gauges

요약

진공의 압력을 측정하는 방법으로 직접측정하는 것과 간접적으로 측정하는 방법이 있다.

정의상 가정	gas flows_Reynold's number, knudsen's number
내용상 가정
공식
단위
응용

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진공을 잡았다고할때 압력을 측정해야합니다.

그렇다면 이 압력은 어떻게 측정할까요??

정말 다양한 방법이 있느나 크게 직접측정하는 것과 간접적으로 측정하는 방법이 있습니다.

직접측정은 정확한 값은 알수 없으나 단순하게 측정 가능합니다. 즉 진공인 부분과 아닌부분에 막을 사이에 두고 그 막이 이동하는 정도로 측정을 합니다.

반만 간접측정은 열전도율이나, 전류가흐르는 정도 온도변화, 가스가 이온화하는 양을 보는등 다양한 방법으로 측정합니다.

위 그림과 같은 종류로 구성되어있으나 주요한 몇가지만 살펴보겠습니다.

먼저 direct gauges를 보겠습니다.

그중 첫번째로 Diaphragm gauge과 Bourdon gauge입니다.

위의 왼쪽 그림이 Diaphragm인데 그림에서 보이듯 얇은 막의 탄성을 이용하여 격벽의 움직임을 보는 것입니다. 오른쪽은 Bourdon gauge로 챔버와 연결된 Tube 내외부의 압력차가 Tube의 곡률을 변화시키는데 이 곡률 변화가 Needle을 회전시켜서 어느정도 압력인지 보는 것입니다.

이때 위에 알람처럼 생긴것은 알람 게이징으로  압력이 이상하게 높을때전체시스템의 전원을 끌 수 있는 장치입니다.

이들은 가장 간단한 저진공용 gauge로 상압과 저진공 영역에서 많이 사용되며, 고압 및 저압용 sensor와 함께 장착하여 알람용으로 사용합니다.

다음은 Capacitance manometer입니다. 위 Diaphragm gauge와 같은 원리엔데, 두개의 electrode사이에서 막의 변형에 의한 capacitance를 측정하여 압력을 측정합니다.

즉 를 이용해 계산하는데 왜 구지 capacitance를 사용할까요?\

왜나하면 transducer서 diaphragm의 변형량은 10^(-9)cm 로 매우 적어 미세한 변화도 측정할 수 있기 때문입니다.

그러나 electrode는 금속이므로 온도 변화에 의한 part의 변형이 생길 수 있어 압력 측정에 큰 error로 작용할 수 있습니다. 따라서 이를 사용할때는 gauge의 온도변화를 막아야합니다. 즉 cooling이 필요합니다. 

이 측정범위는 10^(-5)Torr로 위 그림은 가장 많이 사용되는 capacitance manometer의 한 예입니다.

한군데의 capacitance만 측정하면 오차가 생길 수 잇어 위 그림 처럼 3가지로 나뉘어 측정합니다.

위에서도 보이듯 매우 얇은 막으로 되어있어 손상이 쉬워 큰 주의를 요합니다.

즉 부산물이 들어간다면 파우더(이물질)로 인해 diaphragm(막)의 움직임이 저하되어 다 청소해야하며 급격한 압력차에 의해 diaphragm이 손상되고 과전압에 의해 diaphragm이 손상될 수 있습니다.

다음은 Thermal conductivity gauge로 압력에 따라 heat transfer가 일정하게 변화하는 영역에서 heat transfer양으로 압력을 계산하는 것입니다.

위 그림에서는 압력 측정범위가 0.01<Kn<10이면 linear하게 heat transfer가 변화하여 측정가능합니다.

이는 heated wire의 저항을 monitoring하여 온도변화를 측정합니다. 이는 압력 환산이 되며, Thermocouple gauge를 사용한다면 온도변화를  Thermocouple로 즉접측정하는 것이고 pirani gauge는 wheatstone bridge circuit을 이용하여 저항을 측정합니다.

즉 Thermocouple의 경우 위 오른쪽그림처럼 가열되어있는 필라멘트가 있고 챔버랑 연결된 관으로 기체분자가 와서 열을 뺏어가 식게 되면 그 식게되는 정도를 온도계가 측정하여 heat transform를 위 그래프로 환산해 압력을 계산합니다. 즉 직접 온도변화를 측정한다는점이 특징입니다.

이것으로는 100~10^(-3)Torr만큼 측정가능합니다.

다음은 pirani gauge입니다.

이는 온도계를 쓰지않고 필라멘트의 저항으로 바로 측정합니다.

위의 Thermocouple gauge보다 훨씬 정밀합니다.(10^(-1)~10^(-4)Torr가 측정범위입니다.)

즉 기체분자가 위 그림의 R2인 뜨거운 필라멘트에서부터 conduction에 의해 열을 빼앗습니다 그러면 필라멘트의 저항이 변하는데 위 그림의 path2의 전류가 변화해 RM으로 전류가 흐르게 됩니다. 이렇게 압력이 측정됩니다.

참고로 저항은 이 됩니다.

Ionization gauge라는 것도 있습니다.

이것이 진공 증착장비에서 가장 많이 이용하는 것으로 필라맨트가 반짝거려서 가장 존재감이 있기도 합니다.

기기는 왼쪽 그림처럼 생겼습니다. 빨간 주황색으로 빛나는 것이 필라멘트인데 보통 3개정도가 나선형으로 감겨있는 anode를 둘러싸고 있습니다.

이 필리멘트는 cathode로 열을 가해 전자가 방출되게 됩니다. 그러면 전자가 anode쪽으로 가게되고 대부분 통과하여 anode원안으로 들어가게 됩니다.

들어가서 가스 분자와 부딪혀 가스를 이온화시키는데 이 이온화된 가스는 중간에 파란색 막대로 그려진 이온 collector에 접촉하여 전자를 뺏으며 전류를 흐르게 됩니다. 즉 양 이온 전류 Ic가 흘러들어가 가스의 압력이 측정됩니다. 이것은 무려 10^(-3)~10^(-11)Torr만큼 측정 가능합니다. 다른이믈으로 Hot cathode gauge, Bayard=Alpert ionization gauge tube라고 불립니다.

anode(Grid)가 나선형 모양으로 된이유는 collector에 있습니다. 원래 초반엔 collector가 판 형태였으나 전자들이 Grid내의 원자의 전자를 여기시켜서 빛을 발생시키며 X-ray를 발생시켰는데 이 X-ray의 파장이 몇 A(옹스트롱)밖에 안될정도로 작아 collector에 부딧어 황전효과에 따라 전자를 발생시켜 전류를 흐리게하여 오차가 심하게 발생되었습니다. 따라서 이 collector를 wire형태로 만들어 X-ray의 방출을 작게 만들고 이 wire에 최적화되도록 grid를 나선형으로 만든것입니다. 이렇게 더 낮은 압력도 측정할 수 있습니다. 

너무 압력이 낮으면 가속이 너무 되서 mean free path가 길어져 에너지가 높아집니다. 이때는 직접 grid를 때려 X-ray가 활발하게 발생합니다.

따라서 가동하면 분자들이 이온 collector에 붙어  사라지는 원인과 더불어 X-ray문제로 압력이 더 떨어지게 보이고 실제로 더 떨어집니다.

아래 그림은 같은 ionization gauge인데 많이 뜨겁지 않은 cold cathode gauge입니다.

다른이름으로 penning gauge라 불리는데 압력측정범위는 10^(-3)~10^(-12)Torr입니다.

즉 hot cathode와 같은 원리로 압력을 측정하나 magnetic field가 추가됩니다.

magnetic field가 걸리면 전자는 회전을 하며 기체 분자와 접촉할 확률이 높아지게 됩니다.

즉 더 많은 가스를 취할 수 있어 그리 높지 않은 온도가 필요합니다.

단점은 너무 많은 기체 분자를 없애기 때문에 압력이 떨어지며(이게 왜 단점인지 모르겠지만...)

장점은 현존 모든 진공측정기의 범위를 아우르게 됩니다.