1. 진공 (Vaccum) 의 의미 2. 진공도 측정법 3. 전압 측정 게이지 4. 분압 측정 게이지 진공게이지의 종류 및 특성.

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1 1. 진공 (Vaccum) 의 의미 2. 진공도 측정법 3. 전압 측정 게이지 4. 분압 측정 게이지 진공게이지의 종류 및 특성

2 진공 ( 眞空, Vaccum) 사전적의미 : 아무것도 없는 ( 無 ) 공간의 상태 공업적의미 : 공기나 다른 기체가 제거되어, 그 밀도가 대기압의 밀도 이하로 내려간 공간. 대기압 이하의 상태 (JIS) 단위 진공의 정도를 나타내는 물리량의 표현 → 압력 (Pressure) 기체의 종류나 온도에 따라 실제 공간을 차지하는 분자의 밀도는 다르다. 실용단위 Torr : 1 기압 760 Torr 국제 (SI) 단위계 Pascal: 1 Pa 은 0.0075 Torr

3 진공도 측정법 (1) ( 측정한 물리량이 압력이나, 압력으로 변환 가능한 물리량인가에 따른 분류 ) 직접 측정 게이지 (Direct Measurement 절대압력, 벽의 변위 ) 압력은 단위 면적당 미치는 힘, 즉 힘에 의한 변위를 직접 측정하는 방식 - 고체벽 : 격막 (Diaphragm) gauge, 전기용량 압력계 (Capacitance manometer), 벌던 (Bourdon) gauge - 액체벽 : 액체압력계 (liquide manometer, U 자관 압력계 ), 맥레오드 (McLeod) gauge 간접 측정 게이지 (Indirect Measurement, 변환가능 물리량, 기체의 성질 ) 열전도도나 이온화 확률등과 같은 압력에 의존하는 물리량의 함수로 압력이 결정. 공기나 질소에 기준을 두기 때문에 보정인자가 주어진다. - 운동 전달량 ( 점성도 ) : SRG - 전하 발생 ( 이온화 ) : 열음극 - 3 극관형, B-A, 추출, 슐츠 냉음극 - Penning, Trigger - 에너지 전달 ( 열전도도 ) : 열전쌍, 피라니, Convectron

4 진공도 측정법 (2) ( 측정 기체의 구분에 따른 분류 ) ▷ 전압 ( 全壓 ) 게이지 (Total Pressure Gauge, 기체 분자의 양 측정 ) 액체 압력계 (liquide manometer), 맥레오드 게이지 (McLeod gauge), 격막 게이지 (Diaphragm gauge), 벌던 게이지 (Bourdon gauge), 전기용량 압력계 (Capacitance manometer gauge), 열전도 게이지 (Thermal conductivity gauge, Pirani gauge, Convectron gauge), 자전 회전자 게이지 (Spinning rotor gauge, SRG), 이온화 게이지 (Ionization gauge, 열음극 게이지, 냉음극 게이지 ) ▷ 분압 ( 分壓 ) 게이지 (Partial Pressure Gauge, 기체 분자의 종류와 양 측정 ) 잔류기체 분석기 (Residual Gas Analyer, RGA) - 잔류질소 분석기 (Residual Nitrogen Analyer, RNA) - 자장편향형 분석계 (Magnetic Sector Analyzers) - 비행시간형 질량 분석계 (TOF(Time-of-flight) mass analyzer) - 4 중극 질량분석계 (Quadrupole Mass Spectrometer, QMS)

5 측정 용도에 따른 게이지의 선택 측정할 압력 영역 및 게이지의 작동 환경을 고려하여 게이지를 선택 일반적으로 저진공용과 고진공용 게이지를 2-3 개 연결하여 사용 오염의 위험성 견고성 – 진동 정확도 – 측정 오차가 적은 환경

6 전압 게이지 (Total Pressure Gauge) - 1 액체 압력계 (Liquid manometer) 관 양단의 액주차 ( 液柱差 ) 측정 압력 측정 범위 : 대기압 - 10 -2 Torr 맥레오드 게이지 (McLeod gauge) 수은의 액주차 ( 液柱差 ) 로 압력을 측정 압력 측정범위 : 1 – 10 -6 Torr

7 전압 게이지 (Total Pressure Gauge) - 2 Diaphragm gauge ( 얇은 박막의 탄성 변형을 이용 ) Bourdon gauge ( 관의 탄성변형이 압력에 비례 ) 압력측정범위 : 대기압 – 0.1 Torr

8 전압 게이지 (Total Pressure Gauge) - 3 전기용량 압력계 게이지 (Capacitance manometer gauge) 격막과 이막의 대응전극 사이의 전기 용량의 변화를 검출하여 막의 변형량 ( 압력에 비례 ) 을 측정. 압력 측정 범위 : 1 – 10 -3 Torr 상용예 : MKS - Baratron - 단점 : 온도 변화에 민감. 10 -3 Torr 이하의 압력에서 정밀도가 떨어짐. - 장점 : 게이지의 읽는 값이 기체의 종류에는 무관. 압력변화에 대한 반응이 빠르다 ( 밀리초 정도 ).

9 전압 게이지 (Total Pressure Gauge) - 4 열전도게이지 (Thermal conductivity gauge) 기체의 열전도율이 압력에 비례. 압력 측정범위 : 대기압 – 10 -3 Torr -Pirani gauge -Thermocouple gauge -Convectron gauge

10 전압 게이지 (Total Pressure Gauge) - 5 자전 회전자 게이지 (Spinning rotor gauge, SRG) 강체구의 회전수가 점성 저항에 의하여 감소하는 비율로부터 압력을 측정. - 장점 : 압력 측정값의 변동폭이 작아 장기간에 걸쳐 안정성이 좋다. 게이지 교정용 전달 표준기 - 단점 : 진동과 온도에 민감. - 압력 측정 범위 : 10 -2 –10 -7 Torr

11 전압 게이지 (Total Pressure Gauge) - 6 이온화 게이지 (Ionization gauge) 전자의 발생방법에 따라 열음극 ( 필라멘트 ) 과 냉음극 ( 강전기장 ) 으로 구분 1. 열음극형 이온화 게이지 (Hot cathode ionization gauge) 기체를 이온화하여 양이온이 된 기체 분자의 개수를 이온 전류로써 측정. 이온 전류가 기체 분자 밀도에 비례함을 이용하여 압력 측정. 3 극관형 이온게이지 압력 측정 상한 : 필라멘트 산화, 다중충돌과 공간전하 효과 - 10 -3 Torr 압력 측정 하한 : Soft X-ray 효과 ( 광전효과 ) - 10 -8 ∼ 10 -7 Torr

12 Soft X-ray effect 감소 구조 압력 측정 하한 : 10 -10 Torr Chamber 와 gauge 사이의 conductance 제약 개선

13 전압 게이지 (Total Pressure Gauge) - 7 고압용 이온게이지 ( 슐츠형 (Schulz) gauge) 3 극형 이온게이지의 측정 가능한 상한 압력 (1 Torr) 을 확장하기 위하여 슐츠에 의해 고안된 게이지. 그리드 제거.

14 전압 게이지 (Total Pressure Gauge) - 8 2. 냉음극형 이온 게이지 (Cold cathode ionization gauge) 정량적 즉정이 열음극 이온 게이지보다 떨어짐. 페닝게이지 (Penning gauge) 필라멘트 오염 · 산화 문제가 없고, 가스 방출량이 훨씬 적으며 구조가 간단하며 취급이 용이. 페닝방전을 이용 양극내부에 방전을 일으커 이온을 생성하여 이온 전류를 측정. 압력 측정 범위 : 10 -2 ∼ 10 -7 Torr 트리거 게이지 (Trigger gauge) 10 -13 Torr 까지 측정. 게이지의 전극은 전자을 효과적으로 가두어 두도록 설계 강한 자장을 걸어낮은 압력에서도 작동할 수 있게 하였다. 방전이 소멸되면 즉각 방전을 일으킬 수 있도록 음극 구멍 안에 방아쇠 (trigger) 필라멘트가 들어 있다.

15 · 전압 게이지 (Total Pressure Gauge) - 9 ( 특수 초 · 극고진공용 이온게이지 - 10 -13 Torr) 추출 (Extractor) gauge : 이온을 추출 라페르티 (Lafferty) gauge : 페닝게이지와 열음극 ( 정확성 ) 장점 헬머 (Helmer) gauge : 정전기적으로 90 도 만큼 쏠린 후 컬렉터에 도착.

16 분압 ( 分壓 ) 게이지 (Partial Pressure Gauge) 진공시스템 안에 있는 잔류 기체의 성분을 측정하기 위하여 개발된 질량분석계. 1 단계 : 기체를 이온화시킨다. 2 단계 : 전장과 자장을 이용 이온을 추출하고, 이온의 질량전하 (m/q) 의 비를 통하여 이온을 분리하는 분석을 한다. 3 단계 : 질량전하비 (m/q) 에 의하여 분리된 이온 전류를 측정.

17 분압 ( 分壓 ) 게이지 (Partial Pressure Gauge) -1 잔류질소 분석기 (Residual Nitrogen Analyer, RNA) Cold cathode gauge 의 일종, 시스템의 Air Leak 을 진단할 수 있 다. 이온화된 빛에서 filter 를 이용하여 질소 가스만을 검출.

18 분압 ( 分壓 ) 게이지 (Partial Pressure Gauge) -2 자장편향형 분석계 (magnetic sector analyzers) 하전 입자는 자기장 중에서 Lorentz 의 힘을 받아 운동 방향이 바뀐다. 그 변화 정도가 입자의 질량전하비 및 운동 방향과 자기장의 방향에 따라 차이가 나는 물리적 성 질을 이용. 비행시간형 질량 분석계 (TOF(Time-of-flight) mass analyzer) 전압과 거리가 일정하면 비행시간은 질량전하비 m/q 에 의해 결정되는 원리 이용.

19 분압 ( 分壓 ) 게이지 (Partial Pressure Gauge) - 3 4 중극 질량분석계 (Quadrupole mass spectrometer, QMS) Ion source, Quadruploe Mass Filter, Faraday Cup Collector 을 포함하는 Sensing Head 로 구성. 이온화된 가스 분자는 Mass filter 안으로 주입되고 정확한 질량대 전하비를 가진 이온들은 filter 를 거쳐 Faraday cup collector 로 간다. 필터는 설정된 전압에 대해 주어진 원자 무게 또는 질량을 가진 특정 이온만을 통과하며 이 질량보다 무겁거 나 가벼운 이온은 Rod 에 ground 된다.