우리가 앞서 배운것은 챔버내의 기체 분자를 최대한 밖으로 내보내어(또는 포집하여)챔버를 진공에 가깝게 만드는 펌프에 관련한 것이다. 그러나 열심히 뺐는데 궁금하지 않은가? 얼마나 빼내었고 그래서 그 정도는 얼마나 되는가. 그걸 알기위해 존재하는게 바로 진공 게이지이다.
오늘 먼저 알아볼것은 바로 러프 진공에서 사용되는 게이지이다. 게이지도 펌프처럼 각각의 원하는 정도에따라 각각 다른 게이지를 선택해서 압력대별로 사용하여야한다. 이제 차근히 알아보면
1.부르동 게이지(Bourdon Gauge)
부르동 게이지는 우리가 영화에서나 드라마에서 가스 압력이 막 왔다갔다 하면서 위험한 상태를 알려주는 경우에 주로 나오는 그것과 동일하게 생겼다. 투박하지만 대기압 부근에서의 압력을 측정하는데 신뢰성이 높은편이다.
부르동 게이지의 원리를 보면 다음과 같다.
부르동 게이지는 상대적인 압력을 측정하는데, 휘어져 귀처럼 생긴 내부의 튜브의 한쪽은 진공용기 쪽으로 열려있고 다른쪽은 봉합되어 압력표시 바늘과 연결되어 있다. 오른쪽 0은 대기압을 30은 가장 낮은 압력으로 나타낸다. 여기서 0과 30까지 나타내는것은 절대적인 수치가 아닌 상대적인 압력 차이를 이야기하는것이다. 왼쪽으로 갈수록 대기압 오른쪽으로 갈수록 진공을 의미한다. 주로 1에서 0.1torr의 범위의 압력에서 사용된다.
2.커패시턴스 압력계(Capacitance Manometer)
두 번째 러프 게이지는 커패시턴스 압력계이다. 모델에 따라 상대적인 압력과 절대적인 압력을 원하는대로 측정가능한 장점이 있다. 상당히 넓은 범위의 압력을 측정할 수 있으나 혼합기체의 가스량 변화에는 민감하지 못하다. 우선 사진으로 원리를 살펴보면
위에서 보이는 중간의 금속 팽창막(diaphram)이 압력차에 의해 휘어지고 이는 연결되어 있는 전극과의 거리에 변화를 주게 된다. 그렇게 되면 정전용량에 변화가 생기는데 이는 주파수 변화 특성으로 다시 이어진다. 그리고 주파수 변화는 마침내 압력으로 표현된다. 게이지는 대체로 매우 정확하지만(1% 이내의 오차) 온도 변화에 민감하여 항시 온도를 유지시켜줘야한다. 보통은 대기압부터 10^-3 까지의 범위에서 주로 사용된다. 그리고 capacitance manometer하면 보통 mks사의 바라트론 게이지(baratron gauge)를 의미하기도한다.
3. 열전대 게이지(Thermocouple gauge)
열전대 게이지 또는 TC게이지라 불리는 이 게이지는 정확성은 높지 않으나 방식이 간단하고 가격대도 괜찮아 간단한 러프진공의 압력을 측정하는데 사용한다.
대략적인 열전대 게이지의 모습이다. 구성을 살펴보면 다음과 같다.
TC게이지는 한개의 제어장치와 게이지 튜브로 구성되어 있는데 그 게이지 튜브 안에는 가열된 필라멘트가 존재한다. 필라멘트에 용접된 부분은 뜨거운 도선의 온도를 측정하는 열전대이며 계량기는 온도가 아닌 압력 단위로 측정된다.
대기압에서는 가열된 필라멘트와 많은 분자들이 충돌할것이며 기체 분자는 충돌할때마다 필라멘트의 열을 빼앗아 갈것이다. 따라서 도선의 온도는 낮아질것이다. 반대로 기체를 배기하면 다시 도선의 온도는 올라갈것이고 이 두 형태 모두 압력 게이지로 나타난다. 그러나 압력 변화에 따라 필라멘트의 열이 곧바로 변하는것이 아닌 충돌하여 열을 빼앗는 시간도 포함되므로 응답시간이 느리다. 이 장치도 대략 1mtorr까지의 범위 내에서 사용된다.
4. 피라니 게이지(Pirani Gauge)
피라니 게이지는 TC게이지와 거의 유사하게 작동한다. 2torr에서 1mtorr까지의 압력범위에서 가장 많이 사용되는 범용적인 게이지로 TC게이지보다 더 복잡한 구성요소와 그 성능덕분에 TC게이지보다 비싸고 크다.
피라니 게이지는 마찬가지로 기체분자로 인해 열을 빼앗기는 방식을 동일하다. 그러나 이 열 변화로 인해 필라멘트의 저항변화를 일으키며 이를 감지하여 나타낸것이 피라니게이지이다.
균형이 잡힌 브리지 회로내에서 path1과 path2의 전류값은 같다. 그러나 필라멘트가 열을 빼앗기기 시작하면 저항이 변하기 시작하는데 이는 저항의 차이로 나타나고 이는 전압차이를 유발한다. 그 차이 값을 전류에서 압력단위로 환산하여 나타낸것이 피라니 게이지의 원리이다.
오늘은 이렇게 러프 진공에서 사용되는 게이지와 그 원리들 그리고 구성을 알아보았습니다. 다음은 더 고진공에서 사용되는 게이지들에 대해 공부해보도록 하겠습니다. 질문은 언제나 환영입니다.
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