베이어드-알퍼트 이온화 게이지 소개 (Introduction to Bayard-Alpert Style Ionization Gauges:)
이 글은 다양한 종류의 B-A 게이지, 작동 기본 원리, B-A 게이지의 구성 요소 및 탈기 기술에 대해 다룹니다.
베이어드-알퍼트 이온화 게이지 소개
베이어드-알퍼트 진공 게이지는 게이지 내의 가스 분자를 이온화하고, 이온 수집기 와이어에 이온을 모아 이온 수집기로의 전류를 측정하여 존재하는 분자의 수를 결정하고 이 측정 값을 바탕으로 압력을 나타냅니다.
베이어드-알퍼트 게이지는 1950년에 R.T. Bayard와 D. Alpert에 의해 발명되었습니다. 이 발명은 트라이오드 게이지의 진공 압력 측정 한계를 극복하기 위해 고안되었습니다. 트라이오드 게이지는 전자가 그리드에 충돌하면 저에너지 X선이 발생하여 이온 수집기에 충돌할 때 광전자를 방출하므로 10-8 Torr보다 낮은 압력을 측정할 수 없습니다. 광전자가 수집기를 떠날 때 발생하는 전류가 트라이오드 게이지의 낮은 압력 한계를 초래하는데, Bayard와 Alpert가 제안한 해결책은 트라이오드 게이지의 수집기와 그리드를 재구성하여 X선 효과로 인한 전류를 줄이는 것이었습니다.
베이어드-알퍼트 이온화 게이지 동작원리
베이어드-알퍼트(B-A) 게이지는 뜨거운 필라멘트 스타일의 이온화 게이지입니다. 이름 그대로 가열된 필라멘트(음극)가 전자를 그리드(양극)로 방출하기 때문에 그렇게 불립니다.
B-A 진공 게이지의 압력 지시는 전자의 지속적인 흐름에 의한 가스 분자의 이온화에 기초합니다. 음전자는 가열된 필라멘트(음극)에서 잘 제어되고 선택 가능한 속도로 방출되어 양전하를 띤 와이어 그리드(양극) 쪽으로 가속됩니다. 전자는 그리드로 둘러싸인 공간으로 들어갑니다. 이 공간에서 전자는 진공 시스템 내의 가스 분자와 충돌하여 양이온을 생성합니다. 생성된 양이온은 원통형 그리드 축을 따라 위치한 이온 수집기에 의해 수집됩니다. 이온 수집기는 그리드에 대해 거의 접지 전위에 있으며, 그리드에 대해 음전하를 띠고 있습니다. 필라멘트와 그리드 간의 전압 및 전자 방출 전류가 일정할 때, 양이온이 형성되는 속도는 게이지 내 분자 밀도(압력)에 직접 비례합니다. 이온 전류의 강도는 압력 단위로 보정된 전자 측정기에서 표시됩니다.
압력 지시가 선형적이기 때문에, 뜨거운 음극 B-A 게이지는 일반적으로 1 x 10^-3 Torr 이하의 압력에서 가장 정확한 연속 지시기로 간주됩니다.
최근 개발된 STABIL-ION 게이지 덕분에 Granville-Phillips는 B-A 기술의 정확도를 3%에서 6% 범위까지 향상시켰습니다. 이전의 B-A 스타일 진공 게이지는 보통 20%에서 50% 정도 부정확했지만, 여전히 1 x 10^-3에서 2 x 10^-11 Torr 범위에서 가장 널리 사용되는 최고의 진공 게이지였습니다.
B-A 게이지의 X선 한계
B-A 게이지의 작동 범위 하한은 이 유형의 게이지의 X선 한계로 결정됩니다. X선 한계는 게이지 설계에 따라 다릅니다. 전자가 음극에서 방출되어 그리드(양극)에 충돌할 때 X선이 생성됩니다. B-A 게이지의 구조 때문에 그리드에서 방출된 X선의 일부분만 이온 수집기에 도달합니다. X선이 수집기에 충돌하면 전자가 광전 효과로 수집기에서 방출됩니다. 이 이온 수집기의 광전자 전류는 이온 수집기에 도달하는 양이온과 동일하게 검출되어 이온 전류에 추가됩니다. 이 X선 전류는 측정할 수 있는 압력을 제한하며, 이는 10^-10에서 10^-11 Torr 범위의 압력으로 나타납니다. 초기 설계된 삼극 게이지는 그리드 외부에 실린더형 수집기를 가지며 약 10^-8 Torr의 X선 한계를 경험합니다. X선 한계는 가스가 없는 상태에서 모든 출력 전류가 X선 유도 광전자 방출에 의한 전류일 때 게이지에서 얻을 수 있는 가장 낮은 압력 지시를 의미합니다.
표준 유리 또는 노출된 B-A 게이지의 X선 한계는 약 3x10^-10 Torr입니다. 이 한계 이하를 측정하려면 초고진공(UHV) 노출된 B-A 게이지를 사용할 수 있습니다. UHV 노출 게이지의 X선 한계는 약 2x10^-11 Torr입니다. 이 더 낮은 X선 한계는 표준 B-A 게이지 설계의 두 요소를 수정하여 달성됩니다. 첫째, 수집기의 직경을 줄입니다. 작은 단면적은 그리드에서 생성된 X선이 수집기에 충돌할 확률을 줄입니다. 둘째, 나선형 그리드 구조를 세밀한 와이어 메쉬 그리드 구조로 교체하고, 그리드의 양 끝에도 세밀한 와이어 구조를 배치합니다. 세밀한 그리드 와이어는 더 긴 전자 경로를 제공하며, 그리드 끝은 더 나은 이온 수집을 위해 양이온을 제한합니다. 이 두 가지 수정으로 인해 가스상 이온에 대한 게이지 감도가 높아지며, X선 전류가 줄어들게 됩니다.
X선 한계는 전극의 탄화수소 오염으로 인해 증가할 수 있습니다. 오염된 표면은 X선 충돌 시 더 많은 전자를 방출할 수 있습니다. 이러한 오염은 일반적으로 전극을 탈가스화하여 제거할 수 있습니다.
베이어드-알퍼트 게이지에 사용되는 필라멘트 (음극)
필라멘트에 일반적으로 사용되는 두 가지 재료는 텅스텐과 이리듐입니다. 그리고 필라멘트에 사용되는 두 가지 코팅 유형은 토리아와 이트리아입니다.
일반적으로 필라멘트는 이트리아 코팅된 이리듐, 토리아 코팅된 이리듐, 또는 무코팅 텅스텐입니다. 가장 일반적인 유형은 코팅된 이리듐으로, 텅스텐보다 낮은 온도에서 작동하여 반응성이 적습니다. 코팅된 이리듐 필라멘트는 전원이 켜진 상태에서 대기압에 노출될 때 더 내구성이 높습니다. 텅스텐 필라멘트는 압력이 1 x 10^-2 Torr 이상일 때 즉시 타버릴 수 있습니다. 그러나 진공 공정의 화학성분(예: 할로겐 화합물)이 코팅된 이리듐 필라멘트의 조기 고장을 유발하는 경우 텅스텐 필라멘트가 가장 적합합니다.
B-A 게이지가 적절히 작동하기 위해 필요한 방출 전류의 양은 필라멘트 유형, 게이지의 크기 또는 스타일, 게이지가 사용되는 공정, 작동 압력 범위 및 표시된 압력의 원하는 감도 등 여러 요소에 따라 달라집니다. 방출 전류는 일반적으로 25 µA에서 10 mA 범위입니다.
베이어드-알퍼트 게이지 탈가스 처리
B-A 게이지는 가열된 필라멘트 때문에 다른 스타일의 진공 게이지보다 높은 온도에서 작동합니다. 따라서 다른 유형의 진공 게이지에 비해 휘발성 오염물질(가스 또는 원소의 분자)이 표면에 축적될 가능성이 적습니다. 그러나 수집된 오염물질은 "탈가스 처리"를 통해 제거할 수 있으며, 이 과정은 게이지의 내부 벽과 표면에 모인 분자를 진공 챔버로 다시 보내어 시스템에서 펌핑 아웃할 수 있게 합니다. 탈가스 처리는 필요에 따라 수행하거나 정기적인 펌프 다운 시퀀스의 일환으로 수행할 수 있습니다. 정기적인 탈가스 처리는 오염물질이 축적되는 것을 방지하고, 게이지 내부 압력을 챔버와의 균형에 가깝게 유지하여 더 낮고 일관된 압력 지시를 제공합니다.
물 증기는 진공 챔버가 대기압에 노출되어 있을 때 특히 습한 기후에서 게이지 내부에 축적될 수 있는 오염물질 유형입니다. 스퍼터링 또는 코팅 작업의 증기도 게이지 표면을 오염시킬 수 있습니다.
게이지를 용제로 세척하는 것은 권장되지 않습니다. 그러나 게이지가 실리콘 기반 펌프 오일로 오염된 경우, 오일을 제거하기 위해 용제가 필요할 수 있습니다. 게이지를 시스템에 다시 설치하고 작동하거나 탈가스 처리하기 전에 게이지를 철저히 건조시키십시오.
탈가스 처리에는 두 가지 기술이 있습니다: 전자 폭격 (Electron Bombardment, EB)과 저항 (Resistive)입니다. EB 탈가스는 세밀한 와이어 메쉬 그리드가 있는 초고진공(UHV) 노출 게이지에 사용해야 하며, 나선형 코일 그리드가 있는 유리 또는 노출 게이지에도 사용할 수 있습니다. 저항 탈가스는 나선형 그리드가 있는 게이지에만 사용할 수 있습니다.
두 가지 탈가스 기술은 비슷한 효과를 가지지만 오염 물질을 제거하는 메커니즘은 매우 다릅니다. EB 탈가스는 양극 전압과 방출 전류를 증가시켜 충분한 양과 에너지를 가진 전자를 제공하여 오염 분자를 제거합니다. 저항 탈가스는 그리드(양극)에 전류를 통과시켜 그리드의 온도를 충분히 높여 분자를 제거합니다.
출처: www.granville.com