5.1.2 간접적, 기체 의존 압력 측정
압력이 감소함에 따라 격막에 작용하는 감소된 힘을 측정하 기 위하여 기기 장치의 양이 증가합니다. 기체 특성을 측정함 으로써 간접적으로 압력 정보를 전달하는 다른 측정 원칙들 은 중간 진공 범위에 대한 진공 측정기의 설계를 비교적 쉽게 만듭니다. 압력을 정의함으로써 작동하는 진공 측정기는 멤 브레인에 작용하는 힘이 충분하지 않기 때문에 고진공 및 초 고진공에서 실현 가능하지 않습니다.
진공 상태에서 간접적인 압력 측정을 고려할 때는 입자 수밀 도를 시작점으로 삼는 것이 좋습니다. 이상적인 기체에 적용 되는 상태 방정식에 따르면, $p = n \cdot k \cdot T$ (공식 1-8)은 일정 한 온도에서 압력에 비례합니다. 압력 측정을 위하여 진공 기 술에서 사용되는 두 개의 현상은 압력 측정기의 측정 영역에 포함된 기체를 통한 열과 전기의 전도입니다. 각 기체 입자는 전도도에 관여하고, 따라서 밀도와 그 결과로써 압력이 전도 에 일정한 영향을 미친다고 생각하기가 쉽습니다. 기체의 원 자나 분자는 속성이 다르고 특별한 질량을 가지므로, 이언 전 도도 현상에 기초한 압력 측정은 기체의 유형따라 달라지는 판독을 제공합니다.
Pirani(열 전달) 진공 측정기
Pirani 진공 측정기는 약 10~100 hPa 미만의 압력 p에서 기 체의 열 전도성을 사용합니다. 튜브 내에서 동심으로 인장되 어 있는 와이어(보통 텅스텐)는 와이어를 통하여 전류를 통 과시킴으로써 110°C~130°C의 일정한 온도에서 전기적으로 가열됩니다. 주변 기체는 튜브의 벽에 열을 발산합니다. 분자 흐름 범위에서 열 전달은 분자 수밀도와 따라서 압력에 비례 합니다. 와이어의 온도가 일정하게 유지될 경우 열 출력은 압 력과 관계가 있습니다. 그러나 이것은 압력의 선형 기능이 아 닙니다. 왜냐하면 와이어의 서스펜션과 열 방사를 경유한 열 전도성은 열 출력에 영향을 주지 않기 때문입니다.
그림 5.3: Pirani 진공 측정기의 작동 원리.
제한 효과는 다음과 같습니다.
- 열 전도성은 대기압에서 약 10 hPa의 (층류 흐름 범위)범 위의 압력과 관계가 없습니다(한계는 기체의 유형에 따라 달라집니다).
- 기체의 열 전도성은 10-4 hPa 이하의 압력에서 와이어 말 단의 열 전달보다 비교적 낮고, 따라서 와이어의 열 출력 에 더 이상 영향을 주지 않습니다. 결과적으로 측정 한계 는 약 10-4 hPa입니다.
- 열 방사 역시 튜브의 벽에 열 출력의 일부를 전달합니다.
그림 5.4는 10-4 hPa와 대기압 사이에 존재하는 다양한 기체 들의 서로 다른 곡선을 보여줍니다. 질소와 공기에 대해서는 양호한 선형성을 볼 수 있지만 가벼운 기체(헬륨)와 무거운 기체(아르곤)에 대해서는 상당한 편차가 나타납니다. Pirani 진공 측정기의 경우, 측정된 기체에 대해 정확한 압력으로 지 시되는 질소 상당 압펵을 변환하기 위한 보정 계수가 작동 매 뉴얼에 제시되어 있습니다. 이 계수는 정확한 변환 압력을 자 동으로 지시하는 제어 및 디스플레이 장치에 입력될 수 있습 니다. 이런 정정은 그림 5.4에 나와 있는 특성 곡선의 선형 부 분에만 적용됩니다.
그림 5.4: Pirani 진공 측정기 곡선
저온 음극 이온화 진공 측정기
저온 음극 이온화 진공 측정기는 원래 두 개의 전극, 한 개의 음극, 한 개의 양극으로 구성되어 있고, 이것들 사이에 직렬 저항기를 경유하여 고전압이 적용됩니다. 음전하를 띤 전자 는 전계 방출을 통하여 음극을 남기고, 음극에서 높은 속도로 양극으로 이동합니다. 전자는 이 경로로 이동하면서 중성 기 체 분자를 이온화하는데, 이는 기체 방전을 이끕니다. 측정된 기체 방전 전류(그림 5.5)는 압력에 대한 매개변수입니다. 하 지만 곧은 전자 궤적의 경우 극소수의 분자만 이온화되며, 이 는 약 1 hPa에서 기체 방전의 더 낮은 감도와 중단으로 이어 집니다. 이런 단점을 피하는 설계가 Hobson과 Redhead의 전도된 마그네트론입니다[28]. 금속 핀(양극)은 회전 대칭 측 정실(음극, 그림 5.5)로 둘러싸입니다. 챔버 내에서 자기장을 생성하기 위하여 축 방향으로 자기화된 실린더형 영구 자석 링이 측정실 외부에 설치됩니다.
그림 5.5: 전도된 마그네트론의 설계
전자는 자기장을 통과하여 나선형 궤적으로 이동합니다(그림 5.6). 이런 식으로 확장된 전자 경로는 기체 분자와의 충돌 가능성을 높이고, 1 hPa 미만의 압력에서도 기체 방전을 유 지하기 위하여 충분한 이온이 생성되도록 합니다. 압력 판독 은 다양한 기체의 서로 다른 이온화 가능성으로 인하여 해당 기체 유형에 따라 달라집니다. 예를 들면 헬륨의 경우 공기보 다 더 낮은 압력이 표시됩니다.
그림 5.6: 전도된 마그네트론의 작동 원리
저온 음극 진공 측정기는 다음과 같은 조건에서 쉽게 오염될 수 있습니다.
- 탄화수소를 함유한 잔류 기체 대기에서 작동될 경우
기체 역시 음극 포면에 게터됩니다. 이것은 측정 신호를 위조 하는 펌핑 효과를 낳습니다.
진공 시스템에 측정기를 설치할 경우엔 자기장을 고려해야 합니다. 왜냐하면 자기장은 특히 전자 또는 이온 광학을 사용 할 경우 예민한 장비를 방해할 수 있기 때문입니다.
고온 음극 이온화 진공 측정기
이 경우에 전자는 가열된 음극의 도움으로 생성됩니다. 그림 5.7은 Bayard–Alpert 측정기의 설계를 보여줍니다[27]. 가느다란 와이어가 실린더형 격자 모양 양극의 중앙에 배열 됩니다. 이 와이어는 이온 수집기로 사용됩니다. 약 100V의 전압이 양극과 음극 사이에 적용됩니다. 이것은 양극으로 방 출된 모든 전자를 가속합니다. 방출 전류는 양극 회로에서 측 정되는데, 이는 음극의 열 출력에 의해 설정될 수 있습니다. 전자는 양극으로 가는 도중에 기체 분자들과 충돌합니다. 이 온은 수집기로 이동하여 양극과 동일한 전위가 됩니다.
측정된 컬렉터 전류는 압력에 대한 매개변수입니다. 방출 전 류는 이온 전류에 비례하기 때문에 측정기의 감도를 설정하 기 위하여 사용될 수 있습니다
그림 5.7: Bayard-Alpert 진공 측정기의 설계
압력은 Bayard-Alpert 진공 측정기를 사용하여 1 · 10-10 hPa 까지 정확히 측정될 수 있습니다. 측정 에러는 다음 두 가지 제한 효과로부터 뿐만 아니라 센서의 펌핑 효과로부터 일 어납니다.
- 엑스레이 제동 복사: 양극 케이지에 부딪치는 전자는 엑스 레이를 방출시키는데, 이것들 중 일부가 수집기에 부딪칩 니다. 이 엑스레이 효과로 인해 수집기는 양극으로 흘러 나가는 광전자를 방출합니다. 결과적으로 광전 전류가 증 가하여 압력에 의존하는 수집기 컬렉터 전류를 위조합니 다. 결과적으로 수집기 와이어는 극소량의 엑스레이 방사 만 수집하도록 가능한 한 가는 것으로 선택되어야 합니다. 따라서 더 낮은 측정 한계가 엑스레이 한계로 알려져 있습 니다.
- ESD 이온: ESD(전자 자극 탈착)는 다른 케이지에 퇴적된 기체 분자들이 전자에 의하여 탈착되고 이온화됨을 의미 합니다. 이 이온들 역시 압력에 비례하는 이온 전류를 증 가시킵니다.
열음극 진공 측정기 역시 기체 유형에 의존하는 압력 신호를 줍니다. 그러나 측정 결과는 저온 음극 이온화 진공 측정기로 얻어진 결과(보통 ± 25 %)보다 훨씬 더 정확합니다(보통 ±10 %). Bayard-Alpert 진공 측정기는 따라서 종종 보정의 지 준으로 사용됩니다.
