가상 누출: 형성, 감지 및 회피

가상 누출은 표면이나 재료의 덩어리에서 흡착되거나 포함된 가스가 천천히 방출되면서 발생하는 실재하지 않는 누출입니다. 가상 누출의 핵심 요소는 가스의 느린 방출입니다. 이는 가상 누출이 펌핑 과정을 지연시키거나 원하는 기본 압력에 도달하는 시간을 크게 연장시키는 가스 소스임을 명확히 나타냅니다.

 

가상 누출에서 가스 흐름 속도는 갇힌 가스 저장소와 진공 챔버의 자유 부피 사이의 누출 채널의 크기에 따라 결정됩니다. 채널이 매우 작으면 높은 흐름 저항으로 인해 갇힌 가스가 매우 천천히 방출됩니다. 이로 인해 챔버의 펌프 다운 시간이 크게 연장될 수 있습니다. 진공 시스템이 반복적으로 환기되면 가스 저장소는 계속해서 다시 채워질 수 있습니다. 이 효과는 펌핑이 발생할 때마다 반복됩니다. 펌프 자체는 탈기 속도에 영향을 미치지 않습니다. 캐비티에서의 누출율(mbar·l/s)은 펌프에 의해 추출된 가스와 평형을 이루며, 이는 펌핑 속도(l/s)에 실제 압력(mbar)을 곱한 값과 같습니다.

 

가스가 갇힌 공간에서 가상 누출이 형성되는 경우:

 

가스가 갇힌 부피는 진공 챔버의 생산 과정에서 결합 과정 중에 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 진공 용기의 벽이 바닥판에 맞대어 용접될 때, 경험이 부족한 디자이너는 종종 이중 필렛 용접을 지정합니다(그림 1 참조). 이 경우 두 용접 사이에 가스가 갇히는 위험이 있습니다. 진공 측의 용접 이음이 밀폐되지 않으면 갇힌 가스가 진공 챔버 내부로 퍼질 수 있습니다.

 

이 과정은 갇힌 가스 부피와 챔버 내부 부피 사이의 작은 구멍의 높은 흐름 저항으로 인해 천천히 진행됩니다. 동시에 외부 용접 이음이 밀폐된 경우, 헬륨 누출 검사를 사용해도 누출 위치를 찾을 수 없습니다. 따라서 대기 측에서 접근할 수 있는 용접부는 연속적이지 않고 중단되거나 이후에 점 용접됩니다.

 

같은 이유로 CF 플랜지에는 누출 검출 홈이 제공됩니다. 일반적으로 씰의 직렬 연결은 항상 가상 누출의 위험을 내포하고 있습니다. 내부 밀봉이 진공에 대한 관련 밀봉인 반면, 외부 씰은 캐비티를 둘러싸고 있어 누출 검출에 사용되는 헬륨이 관련 씰에 도달하지 못하게 합니다.

 

앞서 언급한 바와 같이, 누출 채널의 크기가 탈기 속도를 결정합니다. 고전적인 예로, 진공 챔버 벽에 있는 나사의 나사산을 통해 블라인드 홀에서 가스가 새어 나오는 경우가 있습니다. 블라인드 홀이나 중공 나사의 통기 구멍을 사용하여 블라인드 홀에서 가스 누출을 가속화할 수 있습니다. 그러나 구멍의 존재는 나사의 중심을 약화시키고 베어링 용량을 감소시킵니다. 기하학적으로 가능하다면, 나사산의 끝 부분에 통기 구멍을 만들 수 있습니다.

 

설비가 챔버에 장착될 때, 통기 홈이 있는 나사 슬리브를 챔버 벽에 용접할 수 있으며, 챔버 벽에 나사를 직접 뚫는 대신 사용할 수 있습니다.

가끔, 클램프 링이 최대한 조여지고 가스켓이 눌렸을 때 두 플랜지 사이의 틈으로 인해 가상 누출이 발생할 수 있습니다. 가스 유출을 최소화하기 위해 챔버 밀봉에 이중 립씰이 자주 사용됩니다. 그러나 내부 씰에 누출이 발생하면 가상 누출을 일으킬 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 홈을 만들어 O-링 뒤의 데드 볼륨을 배출하고, 이중 O-링 사이에 진공 연결을 만들 수 있습니다. 이를 통해 갇힌 가스를 펌핑 아웃하고, 헬륨 누출 검사를 개별적으로 수행할 수 있습니다.

 

지금까지 우리는 갇힌 부피에 위치한 가스에 대해 이야기했습니다. 앞서 언급한 가상 누출의 효과, 즉 펌프 다운 시간의 연장과 원하는 기본 압력 도달의 지연은 가상 누출에 수증기가 포함될 경우 더욱 두드러집니다. 이는 예를 들어 습한 대기 공기를 통해 환기되거나 진공 챔버 내부의 냉각수 파이프에서 물이 새어 나올 때 발생할 수 있습니다. 가상 누출에서 탈출한 수증기는 진공 챔버의 가장 차가운 지점에 축적되며, 질소, 산소, 아르곤과 같은 대기 가스보다 훨씬 더 펌핑하기 어려워집니다.

 

가상 누출을 감지하는 방법 중 하나는 질량 분광기가 장착된 진공 시스템에서 관련 질량의 이온 전류 증가로 감지하는 것입니다. 예를 들어, 헬륨으로 환기된 후 가상 누출이 있는 챔버를 배기할 때 4 u의 강한 신호는 가상 누출의 존재를 나타냅니다.

만약 아르곤으로 환기를 시키면, 사용자들은 습기나 산소와의 간섭 없이 진공 프로세스를 유지할 수 있습니다. 이는 아르곤이 종종 프로세스 가스로 사용되는 스퍼터링 공정에서 예시를 볼 수 있습니다.

가스 흡착으로 인한 가상 누출 발생 지금까지는 갇힌 가스만을 고려했습니다. 앞서 언급한 정의에 따르면, 가스는 표면에 단단히 흡착되거나 재료 내부에 저장될 수도 있습니다. 설치된 부품의 청결도와 더불어 재료의 선택은 전체 시스템의 탈기 거동에 영향을 미칩니다.

 

진공 기술에 사용되는 밀봉 재료와 장비는 특히 수소, 물, 공기 및 용제 잔류물과 같은 가벼운 가스를 저장합니다. 방출은 재료 부피를 통해 표면으로 확산됨으로써 결정됩니다. 이러한 재료의 부피는 작게 유지되어야 합니다.

일부 재료는 스스로 기체 상태로 변합니다. 이 증기 압력은 온도에 크게 의존합니다. 그리스, 오일 또는 물과 같은 액체는 실온에서도 주요 가스 원천으로 변할 수 있습니다. 금속의 경우, 예를 들어 아연은 높은 증기 압력을 나타냅니다. 따라서 고체 재료뿐만 아니라 용접 와이어나 납땜에서도 피해야 합니다.

 

알루미늄은 항상 표면에 수동적인 산화층을 가지고 있습니다. 처리되지 않은 (자연 상태의) 알루미늄에서는 이 층이 몇 나노미터 두께로 완전히 밀폐되어 있습니다. 아노다이징을 통해 이 층을 수십 마이크론까지 두껍게 할 수 있으며, 이는 경도를 상당히 향상시킵니다. 그러나 이러한 아노다이징된 층은 매우 다공성이며 종종 가상 누출을 형성합니다. 따라서 진공 시스템에서는 아노다이징된 층을 종종 생략합니다.

세라믹은 제조 공정에 따라 80%에서 99%의 유효 밀도에 도달하는 소결된 산화물입니다. 가능성 있는 기공의 단점은 일반적으로 우수한 베이크아웃 특성으로 보상됩니다.

금속과 유리는 일반적으로 밀폐되어 있지만, 표면에서 가스를 흡착합니다. 초고진공에서는 다른 모든 가상 누출과 실제 누출이 제거된 경우, 이것이 주요 가스 원천이 됩니다. 요약하면, 진공 챔버의 설계 및 건설 또는 설비의 통합 과정에서 가상 누출을 방지하기 위해 최대한의 주의를 기울여야 합니다.

 

 

출처: 파이퍼베큠