진공과 게이지 2. 고진공 압력 게이지의 종류와 원리 및 특성, 압력 범위

앞서 저 진공 압력 게이지들을 알아보았다. 물론 게이지를 만드는 회사마다 다양한 종류의 압력 범위대의 게이지들을 가지고 있어 꼭 저 진공 게이지들이 저진공에 쓰이는 것은 아니다. 일반적인 상황을 이야기하는 것이므로 이번 포스팅에도 동일하게 생각해주시면 될 듯하다.

 

고진공 압력 게이지를 보기 전에 우선 간단히 압력을 나타내는 진공을 나눠보면

 

러프 진공 759~1X10-3 torr

고진공 1X10-3 torr~1X10-8 torr

초고진공 1X10-8 torr~

 

로 볼 수 있다. 오늘은 고진공부터 초고진공까지의 게이지들을 소개할 것인데 앞선 게이지들보다 더 기술적으로 우위에 있고 가격도 나름 있어서 비싸다. 그렇기에 종류도 많지 않을 예정.

 

1. 전리 게이지(Ionization Gauge)

전리 게이지, 일명 이온게이지라고 불리는 이 게이지는 특이하게도 원자가 전자를 잃고 얻는 것은 원리를 사용하여 압력을 측정한다.

 

이러한 전리 게이지는 10^-2부터 10^-12의 압력범위까지 사용가능하지만 대체로 10^-3부터 10^-10의 범위까지 사용한다. 이를 벗어나면 정확도가 50%이하로 낮아져 사용하지 않는다. 고진공 게이지중에서 가장 대중적으로 사용하는 게이지로 가운데있는 구조물을 보호하는 용기가 있는것과 곧 바로 연결되는 누드형태의 게이지가 존재한다.

왼쪽 누드형 게이지와 오른쪽 일반적인 용기형 이온게이지의 모습

전리게이지는 열 필라멘트, 그리드, 이온 컬렉터로 구성된다. 열 필라멘트는 이온화된 전자를 공급하고 그리드는 이 전자를 끌어당기며 이온 컬렉터는 이온을 끌어당겨 이온이 중성화되면서 전자를 방출한다. 이 공정은 작은 이온 전류를 살짝 생성한 이후로 증폭된다.-플라스마에서 2차 전자를 만들기 전 1차 전자로 인해 시작되는 것과 동일하게 생각하면 됨-

자세히 본 이온게이지의 내부 모습

 보면 왼쪽의 열 필라멘트에서 방출된 전자는 양의 전하를 띤 그리드 쪽으로 끌리게 된다. 그러나 대부분의 전자는 나선형으로 비어있는 그리드와 충돌하지 못하고 그리드의 주위를 돌게 되는데 이것은 그리드 주위에 일정한 전자구름을 만들어낸다. 이 전자구름들은 계속해서 회전하고 주위의 기체 분자를 이온화시켜 위쪽에서 설명한것철머 더 많은 전자가 생겨나게 된다. 

양으로 이온화된 기체 분자들은 컬렉터로 끌려가며 이것은 이온 전류를 생성한다. 그러나 무작정 전류가 생성되었다고 완벽히 압력이 읽히는 것이 아닌 일단 게이지의 감도를 알아야 하며 컨트롤러에 있는 감도 선택기도 게이지의 감도와 동일하여야 온전한 측정 결과를 얻을 수 있다(한마디로 상호가 잘 맞춰져 있어야 한다는 이야기)

 

2. 냉음극 게이지(Cold Cathode Gauge)

 냉음극 게이지도 분자를 이온화시키는 원리로 작동되는 게이지이다. 냉음극 게이지는 하나의 게이지 튜브와 제어 장치로 되어 있는데, 게이지 튜브의 중심에 하나의 양극과 두 개의 음극, 또는 원통형의 음극이 있고 그 주위에 강한 영구자석을 둔다. 

냉음극 게이지의 구성도

냉음극 게이지는 정확도가 실제 압력의 50% 정도로 많이 쓰이지는 않는다. 내가 다니는 회사에서도 이온게이지를 주로 사용한다. 내부에는 2000V의 DC 전압이 흐르고 게이지 튜브에 있는 전자들은 +전하를 띤 양극 쪽으로 끌려가게 된다. 이때 자석의 자기장은 전자들을 직진이 아닌 나선형으로 움직이게 하며 이것은 전자의 이동거리를 증가시켜 충돌을 늘려 더 많은 이온을 발생시킨다.

냉음극 게이지는 가스 밀도가 너무 높아 충분히 이온화를 시킬 수 없는 10^-2 torr이상에서 꺼지고 압력이 너무 낮아 이온화가 어려운 10^-8 torr 이하에서도 꺼진다. 위에 설명한 이온게이지는 필라멘트에 높은 열이 전달되어 소모성으로 주기적으로 고장 나게 된다. 그러나 냉음극 게이지는 필라멘트가 없어 오래 사용할 수 있지만 가뜩이나 낮은 정확성은 사용할수록 더욱 낮아진다.