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문제 정의
- 되었다. 본 연구에서는 유량계-고진공표준기 -porous plug-초고진공표준기를 결합한 미세 헬륨 표준 리크 교정장치와 측정기술을 개발하였으며, 이 장치를 이용하여 투과형 표준리크를 직접 교정하여 리크 표준 기와 표준리크의 성능을 평가하였다.
제안 방법
- 압력을 측정하였다. 그 다음 표준 리크 자체에 부착된 밸브를 열고 약 20분기다렸다가 표준리크에서 투과되어 나온 기체의 양을 EXG로 측정하였으며 다음 실험을 위해 표준 리크의 밸브를 잠그고 시스템을 다시 배기하였다. 표준리크를 측정할 때 밸브를 열고 20분 동안 기다리는 이유는 이미 언급한 데로 투과형 표준리크의 특성상 투과된 기체가 내부에 축적되어 있으므로 이를 충분하게 배출하지 않으면 축적된 기체까지 측정되어 큰 측정 오차 요인이 되기 때문이다.
- 기존의 초고진공 표준기를 정압식 미세 리크 표준 기로 활용하기 위하여 고진공 챔버와 초고진공 챔버의 헬륨 기체에 대한상하 압력비를 즉정하였고, porous plug에 대한헬륨에 콘덕턴스를 실험하여 계산하였으며, 고진공챔버와 초고진공 챔버의 오리피스 콘덕턴스를 헬륨기체값으로 계산하였다. 개선된 리크 표준 기를 이용하여 명목값이 5.
- 3과 같은 정압형 진공시스템에서 기체 운동을 이용하여 미세리크량을 구하는 방법을 요약하면 다음과 같다. 우선 외부에서 진공 챔버로 들어오는 기체 흐름이 없도록 밸브를 잠근 상태에서 최대 도달 진공도 (base pressure) 등을 구하고 밸브의 개폐 조합을 바꾸어 가며 여러 상태에서 압력 등을 기록한다. 이 과정이 끝나면 V12와 V13을 닫고 초고진공 챔버에 부착된 표준리크를 통해서 기체가 초고진공 장치의 위챔버로 흐르도록 한 뒤 안정화 될 때까지 기다린다.
- 이 과정이 끝나면 V12와 V13을 닫고 초고진공 챔버에 부착된 표준리크를 통해서 기체가 초고진공 장치의 위챔버로 흐르도록 한 뒤 안정화 될 때까지 기다린다. 위 챔버의 압력과 펌프의 배기속도가 준 평형 상태를 이루었을 때 압력과 온도 등을 측정하여 기록한다. 그 다음에 표준리크 쪽 밸브 V19를 닫고 유량계와 고진공 장치를 통해 기체가 초고진공 챔버의 위챔버,오리피스, 배기챔버를 통해 배기되도록 한다.
- 따라서 시간에 따라 챔버 내의 압력이 떨어지게 되므로 시간에 따른 압력 변화를 측정한다. 이 압력변화는 capacitance diaphragm gauge (CDG) 의 지시압력을 컴퓨터와 인터페이스하여 측정하며, 시간측정은 컴퓨터의 내부 clock를 이용하였다. 이 실험은 챔버 내의 가스가 porous plug만을 통해서 빠져 나가야 하므로 리크가 없어야 하며, 가스를 주입한 후열평형 상태에 도달하도록 충분한 시간을 기다렸다가 실험에 들어간다.
- 교정전 표준리크를 표준기의교정챔버에 NW25 플렌지로 수평 방향으로 연결 부착하였다. 측정은 초고진공 표준기에서 이온게이지를 교정하는 방법[5, 6]과 같이 유량계에서 발생된 유량 Qh를 고진공 챔버와 porous plug를 통하여 초고진공챔버로 흘려서식 (4)와 같이 porous plug 콘덕턴스와 고진공 표준기의 표준 압력을 이용하여 유량(蠢를계산하고 위에 설명한 것처럼 교정 챔버에 부착된 이온게이지로 압력을 측정하였다. 이때 압력은 Extractor (EXG)로 측정하였으며, 이게이지는 미리 초고진공 표준기에서 교정되어 성능이 검증되어 있어야 한다.
- 표준기에서 만들어진 유량 Qu를 EXG로 측정한 후 유량계에 주입한 기체를 배기장치를 통해서 약 1시간 충분하게 배기하여 초고진공 교정챔버의 압력이 기체를 주입하기 전 압력까지 거의 떨어진 것을 확인하고 EXG로 압력을 측정하였다. 그 다음 표준 리크 자체에 부착된 밸브를 열고 약 20분기다렸다가 표준리크에서 투과되어 나온 기체의 양을 EXG로 측정하였으며 다음 실험을 위해 표준 리크의 밸브를 잠그고 시스템을 다시 배기하였다.
대상 데이터
- Schematic diagram of the constant pressure type standard leak calibration system. It consists of flowmeter, high vacuum chamber, porous plug con ductance and ultra-high vacuum chamber.
- 표준리크의 외관은 알루미늄이나 스테인레스 스틸로 되어 있으며 제조회사나 리크률 정도에 따라 다르지만 본 실험에 사용된 것은 내부의 저장고에 1기압의 헬륨이 채워져 있으며 1년간의 리크량 감소량은 2 %, 온도계수는 3 %/°C, 불확도는 10 % 인 표준리크이다. 석영유리의 미세관을 통과한 헬륨은 밸브로 닫힌 공간에 항상 저장되고 있으므로 헬륨 리크양을 측정할 때에는 미리 저장된 헬륨을 다른 배기장치로 완전히 배기한 후 투과된 헬륨만을 측정해야 정확한 측정이 가능하다.
이론/모형
- 75 inch CFF로 구성되어 있다 [12].주 용기의 체적은 질량그룹에서 용기에 증류수를 채워형량법 (hydrostatic weighing method) 으로 측정하였으며 23 °C에서 체적은 4.6707, 이 고이 값의 합성 불확도는 0.1 % 이내이다.
성능/효과
- 헬륨기체값으로 계산하였다. 개선된 리크 표준 기를 이용하여 명목값이 5.6X10"4 Pa L/s 土 10 % 인 투과형 표준리크를 교정한 결과 표준기의 차이가 11.1 %이었다. 이 차이는 Table 2의 5회 반복측정 결과에서의 알 수 있듯이 최대와 최소의 leak rate 차이 가약 30 %인 것을 감안하면 큰 의미를 갖는다고 볼 수 없지만 본 연구의 목적이 장치개발에 있으므로 향후 측정 및 불확도 평가 기술 개선으로 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 이 그림에서 첫 번째 값은 평균값에 비해 유량이 컸고 마지막 값은 유량이 현저하게 작게 나왔으나 아직 이유를 명확하게 규명하지는 못했다. 반복 교정할 때의 온도는 20.79 °C-22.31 °C 이 었고 평균온도는 21.66 °C 이었으므로 사양에 표시된 표준리크 5.07X10T Pa L/s를 온도계수 3 %/°C 를 보정하여 20 °C 값으로 환산하면 5.04X10-4 Pa L/s이므로 명목 값과의 차이가 11.1 %이었다. 여기에서 압력을 모니터하는데 하는데 사용된 EXG 이온게이지의 불확도는 신뢰 수준 95 %, k=l에서 1.
후속연구
- 1 %이었다. 여기에서 압력을 모니터하는데 하는데 사용된 EXG 이온게이지의 불확도는 신뢰 수준 95 %, k=l에서 1.05 % 이므로[5] 표준리크 교정 불확도는 3.15 % 이내일 것으로 추측되며 앞으로 국제표준화기구에서 권고한 방법에 따라 불확도를 평가할 계획이다.
- 이 차이는 Table 2의 5회 반복측정 결과에서의 알 수 있듯이 최대와 최소의 leak rate 차이 가약 30 %인 것을 감안하면 큰 의미를 갖는다고 볼 수 없지만 본 연구의 목적이 장치개발에 있으므로 향후 측정 및 불확도 평가 기술 개선으로 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 판단된다. 이 연구 결과는 앞으로 CCM 주관으로 표준리크의 핵심측정 표준 국제비교에 참여하는데 기반 기술로 활용될 뿐만 아니라 지금까지 불가능했던 미세 헬륨 표준리크의 절대 교정 서비스가 가능하도록 하여 진공 기반 및 첨단산업의 국가경쟁력을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.
- 1 %이었다. 이 차이는 Table 2의 5회 반복측정 결과에서의 알 수 있듯이 최대와 최소의 leak rate 차이 가약 30 %인 것을 감안하면 큰 의미를 갖는다고 볼 수 없지만 본 연구의 목적이 장치개발에 있으므로 향후 측정 및 불확도 평가 기술 개선으로 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 판단된다. 이 연구 결과는 앞으로 CCM 주관으로 표준리크의 핵심측정 표준 국제비교에 참여하는데 기반 기술로 활용될 뿐만 아니라 지금까지 불가능했던 미세 헬륨 표준리크의 절대 교정 서비스가 가능하도록 하여 진공 기반 및 첨단산업의 국가경쟁력을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.
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