최신 냉음극 기술을 사용한 진공 측정

페닝 이온화 냉음극 | 인버티드 마그네트론 냉음극 | 더블 인버티드 마그네트론 냉음극
애플리케이션 적합성 | 관련 제품 | 추가 리소스

수년 동안 계속되고 있는 논쟁은 "고진공을 측정하는 가장 좋은 방법은 무엇일까? 핫 캐소드(베이야드-알퍼트) 또는 콜드 캐소드?"입니다. 핫 필라멘트 측정기가 널리 사용되고 다양한 응용 분야에서 사용되지만, 냉 음극은 고유한 작동 특성을 가지고 있어 종종 더 나은 선택이 될 수 있습니다. 냉 음극 게이지는 교체할 필요가 거의 없고, 우발적인 공기 유입으로 인한 손상이 발생하지 않으며, 초고진공(UHV)에서 X-레이로 인한 오류가 없고, 공정 가스와 반응하거나 가스를 배출하는 필라멘트가 없기 때문에 경제적입니다. 제어/감지 전자 장치도 Bayard-Alpert 전자 장치보다 더 간단하여 더 안정적입니다. 이 글에서는 저온 음극 측정 기술의 간략한 역사를 살펴보고 게이지 선택을 위한 애플리케이션 템플릿을 제공하는 것을 목표로 합니다. 시동/점화, 측정 부정확성, 냉 음극 기술과 관련된 자기 간섭 등 몇 가지 오해에 대해 명확히 설명합니다.

열음극 기술(트라이오드, 슐츠-펠프스, 베이야드-알퍼트)에 각각 고유한 작동 특성을 가진 다양한 진화형 진공 센서가 있는 것처럼, 냉음극 게이지의 분류에도 뚜렷한 차이가 있습니다. 모든 콜드 캐소드를 동일한 작동 모드로 분류하는 것은 잘못된 것입니다. 냉음극 측정 기술에 대한 이러한 오해는 과학적 사실보다는 경쟁적인 기업의 열정에 의해 유지되어 왔습니다. 오늘날 사용되는 대부분의 냉음극은 마그네트론이지만, 각기 다른 측정 및 작동 특성을 가진 여러 종류의 마그네트론이 있습니다. 마그네트론은 축 방향 전자 방출기(음극)와 축 방향 자기장이 중첩된 동축 원통형 양극이 있는 장치입니다.

가장 초기의 냉음극 이온화 게이지는 양쪽 끝에 방전판(전극)이 있는 유리로 둘러싸인 튜브 형태의 단순한 방전 장치로 처음 제작되었습니다. 측정 범위는 ^20~10-3 토르였습니다. 유리 봉투는 진공 시스템에 연결되었습니다. 전극은 고정된 고전압 전원 공급 장치에 연결되었습니다. 음극에서 나온 전자가 가스 분자와 충돌하여 이온을 생성하여 두 전극 사이에 방전이 발생했습니다. 방전 전류의 양은 진공 판독값에 비례했습니다. 이후의 모든 냉음극/마그네트론 버전은 이 특성을 사용하여 진공을 측정합니다. 이 측정 기술의 진화는 일련의 자기장 개선과 전극 배치로 이루어졌습니다. 진화의 각 단계는 부정적인 특성을 제거하거나 최소화하여 이전 설계를 개선했습니다.

페닝 이온화 냉음극

방전관의 첫 번째 개선으로 페닝 이온화 게이지(PIG)가 탄생했습니다. 이는 자기장을 이용해 전자의 이동 거리를 늘려 이온화 충돌 확률을 높이고 방전장을 더욱 안정적으로 만들었습니다. 페닝 게이지의 오리지널 버전은 1936년부터 1937년까지 개발되었습니다. 그림 1에 개략적으로 표시된 것처럼 이 게이지의 특징은 양극에 대한 자기장 선(B 필드)의 방향입니다. 이후 페닝과 니엔니스의 연구로 원통형 양극을 갖춘 개선된 PIG가 개발되어 보다 안정적인 방전을 제공합니다.

^Televac®️ 7B 페닝 냉음극과 같은 페닝 게이지는 ^10-3~10-7 토르 범위의 진공을 측정하며, 오염에 대한 내성이 높고 분해 및 세척이 가능하여 게이지의 수명을 연장하는 견고함 때문에 오늘날 인기가 높습니다. 페닝 냉음극 게이지는 핫 필라멘트 또는 베이야드-알퍼트 게이지를 대체할 수 있는 강력한 대안이었습니다. 그러나 ^10-7 토르 이하의 진공 수준에서 사용하면 방전이 꺼졌습니다. 이는 몇 년 후 해결될 문제였지만, 이러한 측정 제한이 없는 베이야드-알퍼트 센서의 확산을 촉진했습니다. 또한 3~5킬로볼트의 안정적인 전원 공급 장치를 설계하고 방전 전류를 당시에는 '아날로그' 측정기에 불과했던 사용자 친화적인 진공 판독값으로 변환해야 하는 어려움도 냉음극의 개발과 수용을 더욱 어렵게 만들었습니다.

7B 콜드 캐소드

^1*10-7 ~ ^1*10-3 토르

그림 1 - 페닝 냉음극 진공 게이지

인버티드 마그네트론 콜드 캐소드

냉음극 기술의 다음 주요 개선 사항은 인버티드 마그네트론 게이지(IMG)였습니다. 이 센서는 1950년부터 1958년까지 개발되었습니다. 이 설계는 양극과 평행한 자기장을 통합하여 페닝 게이지에 비해 작동상의 개선점을 제공했습니다. 그림 2는 기본적인 역 마그네트론 이온화 셀을 보여줍니다. 음극이 양극을 둘러싸고 있으며 중앙에 위치합니다. 이 구성의 자기장은 양극과 평행합니다. 그 결과 자기장과 전기장이 교차하여 안정적인 작동 범위가 향상되고 고진공에서 시동 특성이 개선되었습니다. 1958년 레드헤드가 개발한 역 마그네트론 기술이 더욱 발전하여 진공을 ^3*10-13 토르까지 측정할 수 있는 특별한 측정 장치가 탄생했습니다. 이 설계는 전자를 방전 영역으로 제한함으로써 매우 낮은 압력에서 시작해야 하는 문제를 극복했습니다. 이후 NASA는 이 게이지의 버전을 우주 탐사에 사용했습니다. 이 시기에 상용화된 IMG는 페닝 게이지보다 훨씬 개선된 특성으로 ^10-8 토르까지 측정되었습니다. 동시에 레드헤드 인버티드 마그네트론은 냉음극 기술로 무엇이 가능한지 엿볼 수 있는 계기가 되었습니다.

그림 2 - 인버티드 마그네트론 냉음극 진공 게이지

이중 반전 마그네트론 냉음극

반전 마그네트론이 페닝 게이지보다 성능이 향상되었지만, 대부분의 냉음극 진공 게이지 제조업체에서는 여전히 ^10-8 토르 미만의 신뢰할 수 있고 지속적인 측정 작동이 문제였습니다. 신중한 자석 선택과 제조 공차로 약간의 개선이 이루어졌지만, 많은 역마그네트론 진공 게이지 설계에서는 ^10-9~10-11 토르에서 지속적이고 신뢰할 수 있는 방전을 쉽게 또는 경제적으로 달성할 수 없었습니다.

이중 반전 마그네트론은 1996년에 개발되어 특허를 받았습니다. 이 기술은 센서 내부 자기장의 크기와 강도를 증가시키면서 외부 자기장이 거의 또는 전혀 없는 ^10-8 토르 이하에서 일관되고 안정적인 작동을 제공했습니다. 이를 통해 감도가 향상되었습니다. 시작 시간도 이전 설계보다 개선되었습니다. 그림 3은 이중 반전 마그네트론의 구조를 나타냅니다. 반대쪽 자석은 두 개의 개별 자기장을 유지하여 두 개의 개별 역 마그네트론 셀을 생성합니다. 한 셀에서 이동하는 이온화된 입자가 다른 셀에 도달할 확률이 50%이므로 이온화 확률이 증가합니다. 전자 전류는 기본적으로 단일 역 마그네트론 셀에서 생성되는 전류의 두 배이므로 신호 대 잡음비가 향상되고 전자 측정 범위를 ^10-9 Torr 이상으로 확장할 수 있습니다. 고전압 전원 공급 장치, 저전류 측정 및 자성 재료의 대폭적인 개선과 결합된 ^10-9 Torr 미만의 측정 성능은 과거의 문제를 제거하여 이중 반전 마그네트론을 실용적인 고진공 측정에 가장 적합한 접근 방식으로 만들었습니다.

7FCS 콜드 캐터드

^1*10-11 ~ ^1*10-2 토르

그림 3 - 이중 반전 마그네트론 냉음극 진공 게이지

최신 이중 인버티드 마그네트론은 초기 페닝 게이지 및 인버티드 마그네트론과는 완전히 다른 게이지입니다. 기존의 베이야드-알퍼트 게이지보다 더 넓은 진공 범위를 측정하는 동시에 비슷한 정확도와 매우 우수한 장기 안정성을 제공합니다. 콜드 캐소드는 ESD(전자 자극 탈착) 오류가 발생하지 않습니다. ESD는 베이야드-알퍼트 게이지에 무작위로 나타나며 ^10-7 토르에서 최소 10%의 오차를 유발하고, ^10-10 토르에 근접하는 더 깊은 진공에서는 오차가 악화되는 상태입니다. 이는 저압에서의 작업을 상당히 어렵게 만드는 문제입니다.

이중 반전 마그네트론은 X-선 오류와 필라멘트 탈기체의 영향을 받지 않으므로 고진공 및 UHV 진공 측정에 더 적합합니다. ^2*10-10 토르의 압력에서 X-선 한계가 ^2*10-10 토르인 베이야드-알퍼트 게이지의 대략적인 측정 오류는 100%입니다. 이 오차는 실제 압력이 떨어질수록 더욱 두드러집니다.

베이야드-알퍼트 게이지와 달리 이중 반전 마그네트론 냉음극 진공 게이지(^Televac®️ 7E, 7F, 7FC 및 7FCS )는 가스 유입에 강하고 세척이 가능하며 부유 자기장을 최소화합니다. 7FCS는 ^10-8 토르 범위 이상의 진공에서 점화가 필요한 애플리케이션을 위해 초고진공(UHV)에서 5초 이내에 켜지도록 특별히 설계되었으며, 7FCS는 5초 이내에 켜집니다.

냉음극 측정 기술은 최초의 페닝 이온화 게이지에서 크게 발전했습니다. 이러한 최신 게이지는 정확하고 반복 가능하며 신뢰할 수 있는 측정 결과를 제공합니다. 이중 반전 마그네트론은 대부분의 베이야드-알퍼트 게이지보다 더 넓은 진공 범위를 안정적으로 측정하며 X-선 또는 ESD 오류가 발생하지 않습니다. 대부분의 버전은 베이야드-알퍼트 게이지의 작동과 수명에 불리한 조건에서도 청소, 수리 또는 재구축이 가능하여 수년간 서비스를 제공할 수 있습니다. 최신 콜드 캐소드의 가장 중요하지만 종종 간과되는 측면 중 하나는 잦은 베이야드-알퍼트 게이지 교체로 인한 높은 비용을 제거하여 비용을 절감한다는 것입니다.

애플리케이션 적합성

관련 제품

7B 콜드 캐소드

^1*10-7 ~ ^1*10-3 토르

7E 콜드 캐소드

^1*10-8 ~ ^1*10-2 토르

7F 콜드 캐터드

^1*10-11 ~ ^1*10-2 토르

7FC 콜드 캐터드

^1*10-11 ~ ^1*10-2 토르

7FCS 콜드 캐터드

^1*10-11 ~ ^1*10-2 토르

MX7B 콜드 캐터드

1*10^-8 ~ 1*10^-3 토르

MX7M 콜드 캐터드

^1*10-11 ~ ^1*10-2 토르

MX200 진공 컨트롤러

^1*10-11 ~ 1*10,000 토르

추가 리소스