Vacuum Technology Book, Volume II

2.2.3 터보 펌핑 스테이션

터보 펌핑 스테이션을 사용하여 10-8 hPa로 용기 비 우기

반짝이는 스테인레스강으로 만들어진 용기는 12시간 후에 10-8 hPa의 압력 $p_b$ 로 비워야 합니다. 1.3장에서 볼 수 있듯 이, 공기로 인한 순수한 펌프-다운 시간 이외에도 고려해야 할 다른 효과들이 있습니다. 실에서의 탈기체 뿐만 아니라 수 증기의 탈착과 흡착 기체가 모두 펌프 다운 시간을 연장시킵 니다. 원하는 압력 10-8 hPa에 도달하는데 필요한 펌프-다운 시간은 다음과 같이 구성됩니다.

$t_1$ = 0.1 hPa에 도달하기 위한 배압 펌프의 펌프-다운 시간

$t_2$ = 10-4 hPa에 도달하기 위한 터보 펌프의 펌프-다운 시간

$t_3$ = 스테인레스강 표면의 탈착을 위한 펌프 시간

$t_4$ = FPM 실의 탈기체를 위한 펌프 시간

원하는 기본 압력 $p_b$ 는 금속 표면 $Q_{des,M}$ 및 실 $Q_{des,K}$ 에서 배 출된 기체에 의해서 뿐만 아니라 누출 및 침투 $Q_l$ 를 통해 기 체가 용기 속으로 유입됨으로써 발생한 평형 압력으로 구성 됩니다.

\[p_b=\frac{Q_l}{S}+\frac{Q_{des,M}(t_3)}{S}+\frac{Q_{des,K}(t_4)}{S} \]

공식 2-13: 진공 시스템의 기본 압력

$p_b$ 기본 압력 [Pa]
$Q_l$ 누출 및 침투를 통한 기체 흐름 [Pa m3 s-1]
$Q_{des,M}$ 금속 표면에서의 탈기체 [Pa m3 s-1]
$Q_{des,K}$ 실에서의 탈기체 [Pa m3 s-1]

용기엔 다음과 같은 데이터가 기록되어 있습니다.

$V$ 용기 부피 0.2 m3
$A$ 용기 표면 1.88 m2
$A_k$ FPM 실의 밀봉 표면 0.0204 m2
$Q_l$ 1.0 ⋅ 10 -9Pa m3 s-1
$q_{des_M}$ 스테인레스강의 면적 관련 탈착률 2.7 ⋅ 10 -4Pa m3 s-1 m-2
$q_{des_K}$ FPM의 면적 관련 탈착률 1.2 ⋅ 10 -4Pa m3 s-1 m-2

배압 펌프는 180 s의 $t_1$ 에서 0.1 hPa로 용기를 비워야 하고, 또 기체 밸러스트 밸브를 개방한 상태에서 이런 압력에 도달 할 수 있어야 합니다. 체적 유량율은 공식 2-9에 따라 구 할 수 있습니다.

$S_{backing pump}=\frac{V}{t_1} \cdot \mbox{ln} \frac{p_0}{p_1} = 10.2 l s^-1 = 36.8 h^-1$

펌프 속도가 $Sv$ = 35 m3 h-1 인 Duo 35를 선택합니다

터보 분자 펌프는 금속 표면에서 흡착 증기 및 기체를 배출 하기 위하여 펌프 속도가 배압 펌프의 약 10~100배여야 합니 다. 펌프 속도 $S_{HV}$ 가 685 l s-1 인 HiPace 700을 선택합니다. 공식 2-9를 사용하면 다음 공식을 구할 수 있습니다.

$t_2=\frac{V}{S_{turbopump}} \cdot \mbox{ln} \frac{p_1}{p_2} =2.0 s$

용기 표면의 탈착

기체 분자(기본적으로 물)는 압력실의 내부 표면에 흡착하여 점차 진공 상태에서 다시 증발합니다. 금속 표면의 탈착율은 $t^-1$ 의 속도로 감소합니다. 시간 상수 $t_0$ 는 약 1 h입니다.

1장의 공식 1-32를 사용하여

$Q_{des}=q_{des} \cdot A \cdot \frac{t_0}{t_3}$

기본 압력에 도달하는 데 걸리는 시간을 계산합니다.

$p_{b3}=1.0 \cdot 10^-6 Pa$

$t_3=\frac{q_{des,M} \cdot A \cdot t_0}{S \cdot p_{b3}}=2.67 \cdot 10^6 s=741 h$

그 결과로 나온 741시간은 너무 깁니다. 용기를 베이크 아웃 하여 공정을 단축해야 합니다. 사용된 재료 중 최고의 감온성 재료에 피해를 주지 않기 위하여 베이크-아웃 온도를 선택합 니다. 예시에서는 370 K의 온도를 쉽게 견딜 수 있는 FPM 실을 사용하여 온도를 제한합니다. 탈착 속도는 이론상 한 개 이상의 1,000의 인수에 의해 결과적으로 증가합니다[22]. 그리고 베이크-아웃 시간은 사실상 몇 시간으로 단축됩니다.

높은 탈착률 역시 용기를 진공 상태에서 담금질함으로써 또 는 특정 표면 처리(광택내기, 산세척)에 의하여 낮춰질 수 있 습니다.

많은 전처리 영향이 어떤 역할을 하기 때문에 시간에 대한 압 력 곡선의 정확한 예측이 불가능합니다. 베이크-아웃 온도가 약 150°C인 경우에도 원하는 기본 압력보다 100의 인수 더 높은 압력에 도달한 후에는 히터를 꺼도 됩니다. 원하는 압력 $p_{b3}$ 는 진공실이 냉각된 후에 도달됩니다.

실 탈착

10-6 hPa 이하의 온도에서 작동할 경우 플라스틱의 탈기체율 이 중요합니다. 실의 표면 면적이 상대적으로 작다 할지라도 탈착은 1장의 공식 1-33의 인수

$\frac{t_0}{\sqrt{t_4}}$

에 의해서만 감소합니다.

이 이유는 빠져나가는 기체가 표면에 묶일 뿐만 아니라 실 내 부에서 확산되기 때문입니다. 펌프 시간이 연장되면 플라스 틱으로부터의 탈착은 따라서 금속 표면에서의 탈착보다 더 클 수 있습니다. 플라스틱 표면의 탈기체율은 1장의 공식 1-33에 따라 계산됩니다.

$Q_{des,K}=q_{des,K} \cdot A_d \cdot \frac{t_0}{\sqrt{t_4}}$

$Q_{des,K} = S \cdot p_{des,K}$ 를 사용하여

$p_{b4}$=10-8hPa: $t_4$=459 ⋅ 106 s = 1277 h.

이와 관련하여 $t_0$ = 3600 s이며 연관 값 $q_{des,K}$ 는 FPM 차트 [23]에 있습니다. 냉각 상태 실의 탈착으로 일어난 펌프-다운 시간이 금속 표면의 탈착으로 일어난 펌프-다운 시간과 비슷 하다고 볼 수 있습니다.

실 내부에서 배출된 기체의 확산이 시간이 지나면서 탈착 기 체 흐름의 행동을 결정하기 때문에 확산 계수 $D$의 온도 의존 성이 펌프 시간에 커다란 영향을 줍니다.

\[ D=D_0 \cdot \mbox{exp} \left(-\frac{E_{dif}}{R \cdot T} \right) \]

공식 2-14: 확산 계수(T)

온도가 올라가면서 확산 계수도 증가합니다. 하지만 금속 표 면의 탈착률만큼 가파르게 증가하지는 않습니다. 결과적으 로 탄성 중합체 실은 탈착률 때문에 기본 압력에 확실히 제 한적인 영향을 미칠 수 있으므로 초고진공의 생성에 적합하 지 않습니다.

누출율과 침투율

누출을 통하여 진공 시스템에 들어가는 기체 흐름은 일정하 며, 주어진 펌프 속도에서는 압력이 다음과 같습니다.

$p_{leak}=\frac{Q_{leak}}{S}$

이 압력이 작동 압력의 10% 미만이면 시스템이 적절히 조여 졌다고 볼 수 있습니다. 10-9 Pa m3 s-11 의 누출율은 일반적으 로 도달하기가 쉽고 또 이 시스템에서 필요합니다. 이것은 누 출율 p_{leak}$ = 1.46 · 10-11 hPa의 압력 구성품이 됩니다. 이 값 은 변하지 않으며 문제가 되지 않습니다.

금속 벽을 통한 침투율은 이 예시에 필요한 최종 압력에 영 향을 주지 않습니다. 하지만 탄성중합체 실을 통한 확산도 선 택한 예시에서 기본 압력에 제한적인 영향을 줄 수 있습니다.

요약

최대 10-7 hPa의 압력은 다른 추가 측정의 필요 없이 깨끗한 용기 속에서 약 하루면 도달할 수 있습니다.

최대 10-4 hPa의 압력에 도달할 수 있다면 배압 펌프와 터보 펌프의 펌프 다운 시간도 함께 합산해야 합니다. 위에 언급한 경우에서, 이 값은 약 200 s입니다. 10-6 hPa 미만의 압력에 서 터보 분자 펌프는 특히 금속 벽에서 탈착된 물을 배출하기 위하여 높은 펌프 속도가 필요합니다.

이것은 단 몇 시간 이내에 요구되는 기본 압력 pb 10-8 hPa에 도달할 경우 진공 용기를 추가로 베이크 아웃(90~400°C)함 으로써만 가능합니다. 히터는 원하는 압력 값의 100배에 도 달한 후에 꺼집니다. 그러면 진공 용기가 냉각된 후에 기본 압력에 도달합니다.

10-8 hPa 미만의 압력에서는 FPM 실의 높은 탈착률을 피하 기 위하여 금속 실만 사용해야 합니다.

최대 10-10 hPa의 압력에서는 금속 용기 속에서 누출율과 침 투율을 충분히 낮게 유지할 수 있습니다.

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