Vacuum Technology Book, Volume II

1.3.3 탈리, 확산, 침투 및 누출

물 이외에도 진공 펌프 작동 유체와 같은 다른 물질들이 표면 에 흡착될 수 있습니다. 물질들 역시 금속 벽에서 확산될 수 있고, 이는 잔류 기체에서 입증할 수 있습니다. 특히 엄격한 요구사항이 있는 경우, 스테인레스강 용기를 진공 상태에서 베이크 아웃하여 휘발성이 있는 대부분의 구성품을 금속 벽 에서 떼어낼 수 있습니다.

탈리

기체 분자(기본적으로 물)는 흡착과 흡수를 통하여 진공실의 내부 표면에 들러붙었다가 진공 상태에서 다시 점차 탈리됩 니다. 진공 시스템에서 금속 및 유리 표면의 탈리 비율은 시 간이 흐르면서 점유율이 감소하기 때문에 기체 발생을 줄입 니다. 주어진 시점 t > t 0 가 된 후 시간에 대한 선형 토대에서 감소가 발생하리란 것을 가정하면 훌륭한 근사값을 얻을 수 있습니다. t 0 은 일반적으로 한 시간으로 가정합니다.

기체 발생은 따라서 다음과 같은 공식으로 설명할 수 있습 니다.

\[Q_\mathrm{des}=q_\mathrm{des}\cdot A\cdot\frac{t_0}t\]

공식 1-32: 탈리 비율

$Q_\mathrm{des}$ 탈리 비율 [Pa m3 s-1]
$q_\mathrm{des}$ 탈리 흐름 밀도 (영역별) [Pa m3 s-1 m-2]
$A$ 면적 [m2]
$t$ 시간 [s]

탈리로 인한 확산

플라스틱 표면의 10-6 hPa 이하 탈리 작동 시, 특히 실의 경우, 더 중요하게 생각해야 합니다. 플라스틱은 주로 플라스틱에 용해된 기체들을 방출하는데, 이 기체들은 제일 먼저 표면에 서 확산되는 게 분명합니다. 연장된 펌프 정지 시간 동안에 는 플라스틱으로부터의 확산이 따라서 금속 표면으로부터의 확산보다 더 클 수 있습니다. 실의 표면 영역이 상대적으로 작지만, 시간에 따른 확산 비율의 감소는 금속 표면의 경우 보다 더 느리게 일어납니다. 시간에 따른 감소가 시간의 제곱 근의 비율로 일어날 거라고 가정할 수 있습니다.

플라스틱 표면에서 발생하는 기체는 따라서 다음과 같이 설 명할 수 있습니다.

\[Q_\mathrm{diff}=q_\mathrm{diff}\cdot A_d\cdot\sqrt\frac{t_0}t\]

공식 1-33: 플라스틱에서의 확산 비율

$Q_\mathrm{diff}$ 탈리 비율 [Pa m3 s-1]
$q_\mathrm{diff}$ 탈리 흐름 밀도 (영역별) [Pa m3 s-1 m-2]
$A_d$ 용기에서 플라스틱 물질의 표면 [m2]
$t$ 시간 [s]

금속의 경우엔 훨씬 더 낮은 압력에서도 비슷한 결과가 발생 합니다. 이 경우엔 수소와 탄소가 CO 및 CO 2 의 형태로 빠져 나오는데, 잔류 기체 스펙트럼에서 이를 볼 수 있습니다. 공식 1-33 역시 이 부분과 마찬가지입니다.

침투와 누출

실과 심지어 금속 벽도 탈리에 의하여 헬륨과 같은 작은 기체 분자가 침투할 수 있습니다. 이 과정은 시간과 무관하기 때문에 그 결과는 원하는 최종 압 력에서 지속적인 증가로 나타납니다. 침투 기체 흐름은 벽의 두께 및 물질 의존 침투 상수에 대한 압력 곡선에 비례합니 다.

\[Q_\mathrm{perm}=k_\mathrm{perm}\cdot A\cdot\frac{p_a}d\]

공식 1-34: 침투

$Q_\mathrm{perm}$ 탈리 비율 [Pa m3 s-1]
$p_a$ 용기 외부 압력 [Pa]
$d$ 벽 두께 [m]
$A$ 용기의 표면 [m2]
$k_\mathrm{perm}$ 침투 상수 [m2 s-1 ]

침투는 제일 먼저 10 -8 hPa 이하의 압력에서 분명히 나타납 니다.

$Q_L$ 은 누출률(예: 누출을 통하여 진공 시스템으로 들어오는 기체 흐름)을 설명합니다. 누출률은 주어진 부피에서 시간에 대한 압력 상승으로 정의됩니다.

\[Q_L=\frac{\Delta p\cdot V}{\Delta t}\]

공식 1-35: 누출률

$Q_L$ 누출률 [Pa m3 s-1]
$\Delta p$ 측정 기간 동안 압력 변화 [Pa]
$V$ 부피 [m3]
$\Delta t$ 측정 기간 [s]

용기가 부피 흐름 비율 $S$로 계속 펌프 아웃될 경우, 처리량 (공식 1-16)이 누출률 $Q_L = S\cdot p_\mathrm{eq}$ 와 동일하면 평형 압력 $p_\mathrm{eq}$ 가 산출됩니다.

평형 압력 $p_\mathrm{eq}$ 가 작용 압력의 약 10 %일 경우 시스템이 적절 히 조여졌다고 볼 수 있습니다. 예를 들어 작용 압력이 10-6 hPa에 도달해야 하고 사용 중인 진공 펌프의 펌프 속도가 100 l s-1 일 경우, 누출률이 s 10-6 Pa m3 s-1 이상이어서는 안 됩니다.

누출률 $Q_L$ < 10-9 Pa m3 s-1 은 깨끗한 스테인레스강 용기에서 는 쉽게 달성할 수 있습니다.

주어진 시간 $t$ 이후에 도달 가능한 최종 압력은 기본적으로 위에서 설명한 모든 효과 및 진공 펌프의 펌프 속도에 의존합 니다. 전제 조건은 당연히 최종 압력이 진공 펌프의 기본 압 력보다 높아야 한다는 것입니다.

\[Q_\mathrm{des}(t) + Q_\mathrm{diff}(t) + Q_\mathrm{perm} + Q_L = p(t)\cdot S\]

공식 1-36: 시간에 따른 최종 압력

다양한 기체 흐름과 그로 인한 압력은 공식 1-36 을 사용 하여 시간과 관련하여 방정식을 풂으로써 주어진 펌프 시간t 에 대하여 연산할 수 있습니다. 도달 가능한 최종 압력은 이 런 압력들의 합계입니다.

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