냉음극 이온 게이지

 

 

 

7.3.5 냉음극 이온 게이지

이미 기술하였듯이, 열음극 이온 게이지의 가장 중요한 문제점은 필라멘트에서 발생하는 고온이 문제이다. 필라멘트는 보통 2000 K 정도의 고온으로 가열되어 동작하기 때문에 기체분자를 해리하거나 합성하여 필라멘트에 화학적인 변화를 일으키며, 필라멘트 표면의 변화를 야기한다. 즉, 이러한 필라멘트의 오염은 게이지의 감도를 저하시키며, 특히 압력이 높아지면 필라멘트가 산화되어 타거나 손상되는 등의 문제도 일으킬 수 있다. 이와 같은 문제점을 개선하기 위해 Penning이 냉음극 이온 게이지(cold cathode ion gauge)를 개발하였다. 그림 7-20은 냉음극 이온 게이지의 기본 구조를 나타내며, 유리 용기 내에 두 개의 음극과 원통형의 양극이 있고, 외부에 영구자석과 제어부 회로가 연결되어 구성된다. 압력 범위는 열음극 게이지보다 약간 높지만, 필라멘트의 산화에 의한 오염이 없으며 가스방출과 같은 문제도 적고 구조가 간단하다는 특징을 가진다. 냉음극 게이지는 6.3절의 이온 펌프에서 기술한 바 있는 페닝방전(Penning discharge)을 이용하는데, 자기장과 전기장을 인가하여 페닝셀 내에 전자밀도를 증가시켜 이온화 효율을 증가시킨다. 이러한 냉음극 게이지는 1930년대 후반에 개발되어 1960년대까지 널리 사용되었으며, 동작 압력은 $10^{-2}$에서 $10^{-7} torr$까지 사용할 수 있다. 그림 7-21은 냉음극 이온 게이지에서 자기장과 전기장의 생성과 전자의 궤적을 나타내고 있다. 페닝셀 내에 자기장과 전기장을 인가하면 원통 안에 구속되어 전자의 밀도가 증가하며, 이러한 전자는 나선운동을 하면서 이동하여 기체 분자와 충돌함으로써 양이온을 생성하게 된다. 따라서 기체분자의 이온화도를 증가시키고 양이온은 원통형의 양국을 상하로 감싸고 있는 두 개의 음극을 향해 이동하게 된다. 이와 같은 방전은 주로 전자에 의한 공간전하의 분포에 의존하며, 양이온은 전자보다 질량이 크기 때문에 자기장에 영향을 덜 받게 되고, 따라서 페닝셀 내에 존재하기보다는 음극으로 끌려서 이동하게 된다. 이때, 외부 회로에 연결된 전류계에서 이온 전류를 측정하여 압력으로 환산하게 된다. 그리고 외부에서 인가하는 자기장은 보통 500 내지 5,000gauss정도로 원통의 양극에 수평하게 작용하도록 영구자석을 사용하며, 양극과 음극 사이에 걸리는 전압은 대략 2~3 kv 정도이다. 냉음극 이온 게이지의 단점이라 할 수 있는 동작 압력 범위를 더욱 낮추기 위해 Young과 Hession은 트리거 게이지(trigger gauge)를 개발하였다. 기본 구조는 냉음극 게이지와 흡사하지만, 낮은 압력 하에서도 페닝셀 내에 전자를 효과적으로 구속하기 위해 강한 자기장을 인가하며, 초고진공의 영역에서 방전이 소멸하더라도 재생할 수 있도록 트리거용 필라멘트가 부착된다. 더욱이 트리거 제이지는 페닝 게이지보다 배기속도가 느리고, 감도가 높은 편이다. 이외에 실린더형 구조를 가진 냉음극 이온 게이지가 Beck 등에 의해 제안되었는데, 이것이 마그네트론 게이지(magnetron gauge) 및 역 마그네트론 게이지 (inverted magnetron gauge)이다. 마그네트론 게이지의 기본 구조는 페닝 게이지와 유사하며, 원통형의 양극 중심에 가느다란 선으로 음극을 장착하고 자기장은 원통의 길이 방향으로 가해준다. 만일, 음극과 양극의 위치를 바꾸면 역마그네트론 게이지가 된다. 이러한 게이지의 동작 압력은 초고진공 영역인 $10^{-10}$ torr까지 측정할 수 있다. 그리고 열음극 이온 게이지와 냉음극 이온 게이지의 장점을 모두 살린 게이지가 1961년 Lafferty에 의해 개발되었는데, 이를 Lafferty 게이지라고 한다. 즉, 열음극 게이지의 정확한 압력 측정과 전자의 이동 경로가 긴 냉음극 게이지의 장점을 이용하였고, 일명 열음극 마그네트론 게이지라고 하기도 한다. 그림 7-22는 Lafferty 게이지의 기본 구조를 나타낸다. 원통형의 양극 중심에 필라멘트가 놓이며, 원통의 축 방향으로 자기장이 분포하여 필라멘트에서 발생한 전자가 나선운동으로 긴 궤적을 그리며 양극에 도달하기까지 기체분자와 충돌하여 이온을 생성하도록 한다. Lafferty 게이지의 감도는 매우 높으며, 방출전류가 매우 낮기 때문에 열음극 게이지의 단점인 soft xray의 발생을 줄일 수 있다.