요약하자면, 진공 누설률은 밀봉되고 배기된 부피로 특정 기간 동안 유입되는 가스의 양을 정량화하여 측정됩니다. 이는 일반적으로 밀리바-리터/초(mbar·L/s)와 같은 압력-부피/시간 단위로 표현되며, 이는 시스템으로 유입되는 특정 양의 가스 분자를 나타냅니다.
핵심 원리는 누설을 직접 측정하는 것이 아니라 누설의 영향을 측정하는 것입니다. 진공 챔버를 펌프에서 격리하고 압력이 얼마나 빨리 상승하는지 모니터링함으로써 시스템으로 유입되는 가스의 속도를 계산할 수 있습니다.
기본 방법: 압력 상승 테스트
시스템의 총 누설률을 측정하는 가장 일반적이고 직접적인 방법은 압력 상승(rate-of-rise) 테스트입니다. 이는 간단하면서도 강력한 원리에 의존합니다.
1단계: 배기 및 격리
먼저, 진공 챔버를 목표 작동 압력보다 훨씬 낮은 압력으로 펌핑합니다. 이 기준 압력에 도달하면 주 밸브를 닫아 챔버를 진공 펌프에서 완전히 격리합니다.
2단계: 압력 증가 모니터링
펌프가 격리되면 누설을 통해 챔버로 유입되는 모든 가스로 인해 내부 압력이 상승합니다. 압력 게이지를 사용하여 측정된 시간 동안 이 압력 증가를 기록합니다.
3단계: 누설률 계산
그런 다음 누설률(Q)은 챔버의 알려진 내부 부피(V)와 측정된 압력 변화율(ΔP/Δt)을 사용하여 계산됩니다.
공식은 다음과 같습니다: Q = V * (ΔP / Δt)
예를 들어, 100리터 챔버의 압력이 100초 동안 0.05mbar 상승했다면 누설률은 다음과 같이 계산됩니다: Q = 100 L * (0.05 mbar / 100 s) = 0.05 mbar·L/s
단위 설명: mbar·L/s
이 단위는 추상적으로 느껴질 수 있지만 가스의 물리적 양을 나타냅니다. 이상 기체 법칙(PV=nRT)에 따라 "압력 × 부피"(mbar·L) 항은 가스 분자 수에 비례합니다. 따라서 mbar·L/s는 시스템으로 유입되는 가스 분자의 유량을 정량화합니다.
고급 방법: 헬륨 누설 감지
압력 상승 테스트는 총 누설률을 측정하지만 누설 위치를 찾는 데는 도움이 되지 않습니다. 이를 위해, 그리고 극도로 작은 누설을 측정하기 위해 헬륨 누설 감지기가 업계 표준입니다.
작동 방식
헬륨 누설 감지기는 헬륨 원자에 대해 탁월한 감도를 갖도록 조정된 특수 질량 분석기입니다. 감지기는 진공 상태로 유지되는 진공 시스템에 연결됩니다.
누설 위치 찾기
그런 다음 작업자는 챔버 외부의 용접부, 플랜지 및 씰과 같은 잠재적인 누설 지점을 목표로 하여 소량의 헬륨 가스를 분사합니다. 헬륨이 누설을 통해 시스템으로 들어가면 감지기로 이동하여 신호를 감지하고 누설 위치를 정확히 찾아냅니다.
누설률 정량화
정확한 누설률 측정을 얻으려면 테스트 중인 부품을 알려진 농도의 헬륨으로 채워진 백 또는 인클로저( "후드" 방법) 내부에 놓을 수 있습니다. 진공 시스템 내부에서 시간이 지남에 따라 감지되는 헬륨의 양은 매우 정확하고 정량화 가능한 누설률을 제공합니다.
상충 관계 및 함정 이해하기
누설률 측정에는 어려움이 따릅니다. 선택하는 방법은 필요한 정확도와 평가 중인 시스템 유형에 따라 달라집니다.
탈기(Outgassing) 문제
압력 상승 테스트의 주요 문제는 탈기(outgassing)입니다. 이는 챔버 내부 표면에 갇힌 분자가 진공으로 방출되는 과정으로, 이 역시 압력 상승을 유발합니다. 이 효과는 실제 대기 누설로 쉽게 오인되어 누설률을 과대평가할 수 있습니다.
정확도 대 단순성
압력 상승 테스트는 간단하며 압력 게이지와 시계만 있으면 되지만, 특히 탈기가 지배적인 요소일 수 있는 매우 깨끗한 고진공 시스템에서는 정확도가 제한적입니다.
헬륨의 정밀도
헬륨 누설 감지기는 탈기(주로 수증기, 질소 등)를 무시하고 추적 가스만 측정하므로 훨씬 더 정확합니다. 그러나 이를 위해서는 값비싼 전문 장비가 필요합니다.
"허용 가능한" 누설률이란 무엇인가?
허용 가능한 누설률은 응용 분야에 따라 완전히 다릅니다. 거친 진공을 처리하는 시스템은 10⁻³ mbar·L/s의 누설을 허용할 수 있는 반면, 초고진공(UHV)에서 작동하는 고급 연구 시스템은 총 누설률이 10⁻¹⁰ mbar·L/s 미만이어야 할 수 있습니다.
목표에 맞는 올바른 선택하기
측정 전략은 시스템 요구 사항과 일치해야 합니다.
- 거친 또는 중간 진공 시스템의 빠른 상태 확인에 중점을 두는 경우: 압력 상승 테스트는 심각한 누설이 성능을 저해하는지 확인하기에 충분합니다.
- 수리를 위해 누설 위치를 찾는 데 중점을 두는 경우: "스니퍼" 모드로 사용되는 헬륨 누설 감지기가 가장 효과적이고 필수적인 도구입니다.
- 고진공 또는 초고진공 부품을 검증하는 데 중점을 두는 경우: 구성 요소가 엄격한 성능 표준을 충족하는지 인증하려면 정량적 헬륨 누설 테스트(후드 방법과 같은)가 필요합니다.
진공 누설을 올바르게 측정하는 방법을 이해하는 것은 문제를 진단하고 안정적이며 고성능의 진공 시스템을 달성하기 위한 첫 번째 단계입니다.
요약표:
| 방법 | 주요 용도 | 주요 장점 | 일반적인 민감도 (mbar·L/s) |
|---|---|---|---|
| 압력 상승 테스트 | 빠른 시스템 상태 확인 | 간단하며 압력 게이지만 필요 | ~10⁻³ ~ 10⁻⁵ |
| 헬륨 누설 감지 | 누설 위치 파악 및 고정밀 측정 | 매우 정확하며 탈기를 무시함 | 최대 10⁻¹² |
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