KR100447800B1 - Cold Cathode Ionization Gauge - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉음극형 이온화 게이지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 냉음극형 이온화 게이지에 포함되는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기는 고전압을 출력하는 배전압부, 배전압부에 인입되는 출력 전압을 조절하는 출력 전압 조정부 및 배전압부에 연결되어, 출력 전류를 감지하는 출력 전류 감지부를 포함하되, 감지되는 출력 전류는 진공도를 측정하는 데 사용되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a cold cathode ionization gauge. The high voltage generation and output current detector included in the cold cathode ionization gauge according to the present invention is connected to an output voltage adjusting unit for adjusting an output voltage introduced into a voltage distribution unit for outputting a high voltage, the voltage distribution unit, and an output voltage unit. Including an output current sensing unit for sensing the current, the sensed output current is characterized in that it is used to measure the degree of vacuum.

Description

냉음극형 이온화 게이지{Cold Cathode Ionization Gauge}Cold Cathode Ionization Gauge

본 발명은 냉음극형 이온화 게이지에 관한 것으로, 특히 냉음극형 이온화 게이지에 포함되는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기에 관한 것이다.The present invention relates to a cold cathode ionization gauge, and more particularly, to a high voltage generation and output current detector included in the cold cathode ionization gauge.

진공 시스템의 압력을 측정하는 일은 진공을 조성하는 일 못지 않게 중요하다. 진공 시스템을 만들기는 만들었는데, 진공도가 구체적으로 얼마인지를 알 수 없다면 답답하기 짝이 없을 뿐만 아니라 진공의 조성과 응용 기술의 발전은 기대할수 없다.Measuring pressure in a vacuum system is just as important as creating a vacuum. I made a vacuum system, but if I can't figure out the specific degree of vacuum, I can't be frustrated, and I can't expect the development of vacuum composition and application technology.

최근 진공 기술이 다루는 진공도는 대기압에서 대기압의 10조분의 1인torr 이하에 이르고 있다. 낮은 압력을 측정하는 게이지(gauge)도 이와 같은 15자리 이상의 대단히 광범위한 전영역을 커버하는 것은 아직 개발되지 않았고, 좁은 영역을 담당하는 전문 게이지만이 개발되어 있을 뿐이다.The degree of vacuum handled by recent vacuum technology is one ten trillion of atmospheric pressure. It is reaching torr or less. Gauges for measuring low pressures have not yet been developed to cover this wide range of more than 15 digits, and only professional gauges for narrow areas have been developed.

기체 분자를 눈으로 직접 볼 수 있는 방법은 없지만, 분자가 열운동을 하기 때문에 기체의 압력이 생기므로, 압력을 측정함으로써, 기체 분자의 양을 알 수 있다. 압력은 단위 면적당 미치는 힘으로 정의된다. 이 힘에 의한 변위를 직접 측정하는 방식이 가장 기초적인 진공도 측정법이다. 압력을 측정하는 방법은 크게 직접적인 방법과 간접적인 방법으로 대별된다.There is no direct way of seeing gas molecules, but the pressure of the gas is generated because the molecules are in thermal motion, so the amount of gas molecules can be known by measuring the pressure. Pressure is defined as the force per unit area. The most basic method of measuring displacement by force is the basic vacuum measurement method. The method of measuring pressure is largely classified into a direct method and an indirect method.

간접 측정 게이지는 전하 발생(이온화)을 측정하는 열음극형 이온화 게이지(Hot Cathode Ionization Gauge)와 냉음극형 이온화 게이지(Cold Cathode Ionization Gauge)로 분류된다. 열음극형 이온화 게이지는 고온의 필라멘트(filament)에 의해서 기체 분자가 해리 또는 합성되기도 하고, 필라멘트의 오염 때문에 일함수의 변화 등으로 게이지의 감도가 심하게 변할 뿐만 아니라 압력이 높은 영역에서 필라멘트가 산화해 버리는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위하여, 페닝의 냉음극형 이온화 게이지는 열음극형 이온화 게이지에 비하여 정량성은 떨어지지만, 필라멘트 산화 문제가 없고, 가스 방출량이 훨씬 적을 뿐만 아니라, 그 구조가 매우 간단하여 취급이 용이하다는 장점이 있다.Indirect measurement gauges are classified into Hot Cathode Ionization Gauges and Cold Cathode Ionization Gauges, which measure charge generation (ionization). In the hot cathode ionization gauge, gas molecules are dissociated or synthesized by high temperature filaments, and the sensitivity of the gauge is severely changed due to changes in work function due to contamination of the filaments, and the filaments are oxidized in a high pressure region. There is a problem. In order to overcome this problem, Penning's cold cathode ionization gauge is less quantitative than the hot cathode ionization gauge, but there is no filament oxidation problem, much less gas emission, and its structure is very simple for easy handling. Has the advantage.

페닝 게이지는 냉음극형 이온화 게이지에서 문제되는 이온화 효율을 높이기위하여 페닝 방전을 이용하고 있다. 도 1a 및 도 1b는 페닝 방전의 원리를 나타내는 도면들이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 페닝 방전 원리의 핵심은 자장 내에서 전자는 나선형 운동을 하게 되어 비행거리가 크게 증가하고 나아가 페닝 셀(cell)은 전자를 잡아두는 덫(trap)의 역할을 한다는 것이다.The penning gauge uses a penning discharge to increase the ionization efficiency which is a problem in the cold cathode ionization gauge. 1A and 1B are diagrams showing the principle of the penning discharge. Referring to FIGS. 1A and 1B, the essence of the Penning discharge principle is that electrons move helically in a magnetic field, greatly increasing the flying distance, and furthermore, the Penning cell serves as a trap for trapping electrons. will be.

도 2a는 페닝 게이지의 구조를 간략히 나타낸 도면이고, 도 2b는 페닝 게이지의 방전 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 2A is a diagram schematically illustrating a structure of a penning gauge, and FIG. 2B is a graph showing discharge characteristics of the penning gauge.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 페닝 게이지는 두 개의 음극판이 평행으로 놓여 있으며 그 사이에 원통형의 양극이 배치되어 있는 구조를 갖는다. 통상 0.05~0.5 T (500~5000 Gs)의 자기장은 음극판에 수직이며 양극 원통에 수평이 된다. 그리고, 양극과 음극 사이에 2~3 kV의 전압이 걸리며, 자석으로는 영구 자석이 사용되는 것이 보통이다.2A and 2B, the penning gauge has a structure in which two cathode plates are placed in parallel with a cylindrical anode disposed therebetween. Typically, a magnetic field of 0.05-0.5 T (500-5000 Gs) is perpendicular to the cathode plate and horizontal to the anode cylinder. Then, a voltage of 2-3 kV is applied between the anode and the cathode, and a permanent magnet is usually used as a magnet.

~Torr 정도의 압력 범위에서는 음극에서 장방출된 전자에 의하여 방전이 일어나는데, 방전은 전적으로 전자에 의한 공간 전화 분포에 의존한다. 이온은 질량이 크기 때문에 자기장에는 둔감하여 셀 내에 머무르지 않고 급격히 음극으로 끌려가기 때문이다. 그러나, 압력이 너무 높으면 이온 밀도와 전자 밀도가 거의 같아지는 플라즈마(PLASMA) 상태가 되어 방전 전류는 압력에 관계없이 일정하게 되고, 반대로 압력이 너무 낮으면 방전이 잘 일어나지 않는다(도 2b 참조). To In the pressure range of the degree of Torr, the discharge is caused by the long-emitted electrons from the cathode, and the discharge is entirely dependent on the space shift distribution by the electrons. This is because ions are insensitive to magnetic fields because of their high mass and are rapidly attracted to the cathode without staying in the cell. However, if the pressure is too high, the plasma is in a plasma (PLASMA) state in which the ion density and electron density are almost the same, and the discharge current is constant regardless of the pressure.

일단, 방전이 셀 안에 갇혀 스스로 안정되면 압력 P와 방전 전류 i 사이에는 다음의 수학식 1과 같은 관계가 있다.Once the discharge is trapped in the cell and stabilizes itself, there is a relationship between the pressure P and the discharge current i as shown in Equation 1 below.

, ,

여기서 i는 방전 전류, P는 압력, c 및 n은 상수, 지수 n은 1.1~1.2 범위 중의 값을 갖는 다는 것이 실험적으로 알려짐.It is experimentally known that i is the discharge current, P is the pressure, c and n are constants, and the exponent n is in the range of 1.1 to 1.2.

페닝 게이지가 열음극형 이온화 게이지에 비하여 정밀도가 떨어지는 이유도 상기 수학식 1에서 보듯이, 방전 전류 i가 압력 P에 직접 비례하지 않는 것에서 그 원인을 찾을 수 있다. 또한, 페닝 게이지의 음극이 탄소와 같은 이물질로 오염되면 이러한 방전 특성을 잃게 되므로 주의하여야 한다. 또한, 상기 페닝 게이지는 이온 펌프와 같은 원리이므로 ~L/S 정도의 비교적 큰 배기 속도를 가지고 있어 진공도의 정량적인 측정에는 사용되지 않고 있다.The reason why the penning gauge is less accurate than the hot cathode ionization gauge may be attributed to the fact that the discharge current i is not directly proportional to the pressure P, as shown in Equation 1 above. Also, care should be taken when the cathode of the penning gauge is contaminated with foreign matter such as carbon, so that the discharge characteristics are lost. In addition, the penning gauge is the same principle as the ion pump ~ It has a relatively large exhaust speed of about L / S and is not used for quantitative measurement of vacuum degree.

냉음극형 이온화 게이지는에서Torr 까지는 정량성이 있지만,Torr 이상이면 정량성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 이는 구조적인 문제점과 회로적인 문제점에 기인한 것이다. 이 중, 회로적인 문제점에 있어서, 기존의 냉음극형 이온화 게이지에서는 게이지 헤더(header)와 회로를 직, 간접적으로 연결하여 전류를 검출하는 방식을 사용하였다. 즉, 검출 회로는 선형적인 회로를 사용하여 값을 획득하는 방식을 사용하였다. 이와 같이 선형적인 회로를 사용하면, 상술한 바와 같이 정량성이 떨어진다. 그 이유는 다음과 같다.Torr 이상의 진공도에서는 이온의 수를 셀 수 있을 정도의 극소량의 이온이 이동을 한다. 극소량의 이온은 전류로 표현될 수 있는데, 이러한 진공도에서 흐를 수 있는 전류는 거의 10 nA 이하의 극소 전류이다. 또한, 전류의 변화도 크지 않기 때문에 선형적인 회로에서는 검출되기가 쉽지 않다.Cold cathode ionization gauge in Torr is quantitative but If the value is more than Torr, there is a problem of poor quantitation. This is due to structural problems and circuit problems. Among these, in the circuit problem, the conventional cold cathode ionization gauge used a method of detecting current by connecting the gauge header and the circuit directly or indirectly. That is, the detection circuit uses a method of obtaining a value using a linear circuit. When the linear circuit is used in this way, the quantitative property is inferior as described above. The reason for this is as follows. At a degree of vacuum of more than Torr, a very small amount of ions move enough to count the number of ions. Very small amounts of ions can be expressed as a current, and the current that can flow at this degree of vacuum is a very small current of almost 10 nA or less. In addition, since the change in current is not large, it is not easy to detect in a linear circuit.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점들을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 선형적 회로에서 검출하기가 어려운 극소 전류를 로그 증폭 회로를 이용하여 감지하는 냉음극형 이온화 게이지에 포함되는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기를 제공하는 데 있다.The present invention has been made to overcome the above-mentioned problems of the prior art, the high voltage generation and output current detector included in the cold cathode ionization gauge for detecting a small current that is difficult to detect in the linear circuit using a log amplification circuit To provide.

도 1a 및 도 1b는 페닝 방전의 원리를 나타내는 도면들.1A and 1B show the principle of the penning discharge;

도 2a는 페닝 게이지의 구조를 간략히 나타낸 도면.Figure 2a is a simplified view of the structure of the penning gauge.

도 2b는 페닝 게이지의 방전 특성을 나타낸 그래프.Figure 2b is a graph showing the discharge characteristics of the penning gauge.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고전압 발생 및 출력 전류 감지기를 개략적으로 나타낸 블록도.3 is a schematic block diagram of a high voltage generation and output current detector in accordance with one preferred embodiment of the present invention.

도 4a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고압 회로부의 회로도.4A is a circuit diagram of a high voltage circuit unit according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고압 회로부의 구현 사진을 나타낸 예시도.Figure 4b is an exemplary view showing an implementation photograph of the high voltage circuit unit according to an embodiment of the present invention.

도 5a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전류 제한부 및 출력 전압 조정부의 회로도.5A is a circuit diagram of a current limiter and an output voltage adjuster according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전류 제한부 및 출력 전압 조정부의 구현 사진을 나타낸 예시도.Figure 5b is an exemplary view showing an implementation photo of the current limiting unit and the output voltage adjusting unit according to an embodiment of the present invention.

도 6a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고속 스위칭부의 회로도.6A is a circuit diagram of a high speed switching unit according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 6b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고속 스위칭부의 구현 사진을 나타낸 예시도.Figure 6b is an exemplary view showing an implementation photograph of the high speed switching unit according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 전류 감지부의 회로도.7 is a circuit diagram of an output current sensing unit according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 간략화된 출력 전류 감지부에 대한 회로도.8 is a circuit diagram of a simplified output current sensing unit in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 전압값에 대한 출력 전류값의 관계를 나타낸 그래프.9 is a graph showing the relationship of the output current value to the output voltage value according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

101…고압 회로부 103…트랜스포머101... High-voltage circuit section 103. Transformer

105…배전압부 107…출력 전류 감지부105... Power distribution unit 107. Output current detector

109…전류 제한부 111…출력 전압 조정부109... Current limiting 111. Output voltage regulator

113…고속 스위칭부113... High speed switching unit

상술한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 냉음극형 이온화 게이지에 포함되는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기에 있어서, 고전압을 출력하는 배전압부, 상기 배전압부에 인입되는 출력 전압을 조절하는 출력 전압 조정부 및 상기 배전압부에 연결되어, 출력 전류를 감지하는 출력 전류 감지부를 포함하되, 상기 감지되는 출력 전류는 진공도를 측정하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기를 제공할 수 있다.In order to achieve the above objects, according to an aspect of the present invention, in the high voltage generation and output current detector included in the cold cathode ionization gauge, a voltage distribution unit for outputting a high voltage, the output voltage introduced into the voltage distribution unit An output voltage adjusting unit connected to the output voltage adjusting unit and the double voltage unit, the output current detecting unit detecting an output current, wherein the detected output current is used to measure a degree of vacuum; Can be provided.

바람직한 실시예에서, 상기 고전압 발생 및 출력 전류 감지기는 상기 출력 전압 조정부로부터 인입되는 출력 전압을 변압하여 상기 배전압부로 출력하는 트랜스포머를 더 포함할 수 있다.In a preferred embodiment, the high voltage generation and output current detector may further include a transformer for transforming the output voltage drawn from the output voltage adjusting unit to output to the double voltage unit.

바람직한 다른 실시예에서, 상기 고전압 발생 및 출력 전류 감지기는 소정 전류 이상의 전류가 소모되면 출력 전압을 차단하는 전류 제한부를 더 포함할 수 있다.In another preferred embodiment, the high voltage generation and output current detector may further include a current limiting unit to block the output voltage when a current of more than a predetermined current is consumed.

바람직한 또 다른 실시예에서, 상기 고전압 발생 및 출력 전류 감지기는 상기 트랜스포머로 인입되는 출력 전압을 고속으로 절환하는 고속 스위칭부를 더 포함할 수 있다.In another preferred embodiment, the high voltage generation and output current detector may further include a high speed switching unit for switching the output voltage to the transformer at high speed.

바람직한 또 다른 실시예에서, 상기 출력 전류 감지부는 제1 증폭기를 포함하는 제1 적분기 회로, 제2 증폭기를 포함하는 제2 적분기 회로, 상기 제1 적분기 회로로 인입되는 출력 전류가 인입되는 제1 트랜지스터 및 상기 제2 적분기 회로로 인입되는 기준 전류가 인입되는 제2 트랜지스터를 포함하는 전류 미러(current mirror) 및 상기 제1 적분기 회로의 출력단과 상기 전류 미러의 출력단에 연결되는 가변 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.In another preferred embodiment, the output current sensing unit includes a first integrator circuit including a first amplifier, a second integrator circuit including a second amplifier, and a first transistor into which the output current drawn into the first integrator circuit is introduced. And a current mirror including a second transistor into which the reference current drawn into the second integrator circuit is introduced, and a variable resistor connected to an output terminal of the first integrator circuit and an output terminal of the current mirror. It is done.

바람직한 또 다른 실시예에서, 상기 출력 전류 감지부는 고주파 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 제1 적분기 회로의 입력단에 연결되는 제1 커패시터 및 상기 제2 적분기 회로의 입력단에 연결되는 제2 커패시터를 더 포함할 수 있다.In another preferred embodiment, the output current sensing unit may further include a first capacitor connected to an input terminal of the first integrator circuit and a second capacitor connected to an input terminal of the second integrator circuit to block high frequency noise. Can be.

바람직한 또 다른 실시예에서, 상기 출력 전류는 상기 제1 적분기 회로의 출력단에서의 출력 전압에 의하여 산출될 수 있다.In another preferred embodiment, the output current may be calculated by the output voltage at the output of the first integrator circuit.

이어서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고전압 발생 및 출력 전류 감지기를 개략적으로 나타낸 블록도이다.3 is a block diagram schematically illustrating a high voltage generation and output current detector according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 상기 고전압 발생 및 출력 전류 감지기는 고전압을 출력하기 위한 배전압부(105) 및 트랜스포머(103)를 포함하는 고압 회로부(101), 상기 트랜스포머(103)의 전단에 연결되는 출력 전압 조정부(111), 상기 출력 전압 조정부(111)의 전단에 연결되는 전류 제한부(109), 상기 트랜스포머(103)에 연결되는 고속 스위칭부(113) 및 상기 배전압부에 연결되는 출력 전류 감지부(107)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the high voltage generation and output current detector includes a high voltage circuit unit 101 including a double voltage unit 105 and a transformer 103 for outputting a high voltage, and an output connected to the front end of the transformer 103. A voltage regulator 111, a current limiting unit 109 connected to the front end of the output voltage regulator 111, a high speed switching unit 113 connected to the transformer 103 and the output current detection connected to the voltage distribution unit Section 107.

상기 고전압 발생 및 출력 전류 감지기는 컨트롤러(미도시)로부터 4비트의 신호를 받아 3300Vdc, 2000Vdc, 1500Vdc, 800Vdc의 출력을 발생시키는 부분으로서, 고압 출력이 단락시에 상기 컨트롤러로부터 신호를 입력받아 출력 전압을 차단하는 보호 기능도 수행한다. 상기 전류 제한부(109)는 0.3mA 이상의 전류가 소모되면 출력 전압을 차단하는 기능을 수행한다. 상기 출력 전압 조정부(111)는 출력 전압의 선택 신호에 따라서 상기 트랜스포머(103)로 인입되는 전압값을 조절하고 이를 상기 트랜스포머(103)와 배전압부(105)를 통하여 승압시키는 SMPS 구조이다. 상기 출력 전압 감지부(107)는 고전압 출력 및 저항을 이용하여 출력되는 전류값을 측정하는 역할을 수행한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 컨트롤러는 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 더 포함할 수 있으며, 상기 측정된 전류값이 상기 ADC의 입력값이 되어 디지털로 처리될 수 있다.The high voltage generation and output current detectors receive a 4-bit signal from a controller (not shown) and generate outputs of 3300 Vdc, 2000 Vdc, 1500 Vdc, and 800 Vdc. It also protects against The current limiting unit 109 cuts off the output voltage when a current of 0.3 mA or more is consumed. The output voltage adjusting unit 111 adjusts the voltage value introduced into the transformer 103 according to the output signal selection signal and boosts the voltage through the transformer 103 and the double voltage unit 105. The output voltage detector 107 measures a current value output using a high voltage output and a resistor. In another embodiment of the present invention, the controller may further include an analog-to-digital converter (ADC), and the measured current value may be input to the ADC and processed digitally.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 고전압 발생 및 출력 전류 감지기는 트랜스포머(103) 전단에 연결되는 출력 전압 감지부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 출력 전압 감지부는 출력되는 전압을 감지하는 역할을 수행할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the high voltage generation and output current detector may further include an output voltage detector (not shown) connected to the front end of the transformer 103. The output voltage detector may detect a voltage output.

상기 고전압 발생 및 출력 전류 감지기의 각 구성 요소에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Each component of the high voltage generation and output current detector will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고압 회로부의 회로도이고, 도 4b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고압 회로부의 구현 사진을 나타낸 예시도이다.4A is a circuit diagram of a high voltage circuit unit according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4B is an exemplary view showing an implementation photograph of the high voltage circuit unit according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 고압 회로부(101)는 트랜스포머(103)와 다이오드 및 커패시터를 이용한 배전압부(105)로 구성되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 트랜스포머(103)의 코어는 TDK PQ2020 PC40을 이용하고, 1차측 코일은 리츠(Lits)선 0.06×9로 18번 감고, 2차측 코일은 0.2mm 에나멜선을 이용하여 500번 균등하게 감아, 1차측의 전압에 대하여 18:500으로 승압할 수 있도록 구성된다. 따라서, 상기와 같은 트랜스포머(103)의 구성에 의하면, 1차측 코일에 인가되는 전압의 크기를 조절하게 되면 원하는 출력 전압을 얻을 수 있다. 고압 출력단이 플로팅(Floating)되어 있기 때문에 전류는 접지에서 -V 단으로 흐른다. 이 전류가 상기 출력 전류 감지부(107)로 인가된다. 상기 출력 전류 감지부(107)에 의하여 감지된 출력 전류는 ADC를 거쳐서 컨트롤러에 의하여, 진공도 계산에 있어서의 입력으로 사용된다.4A and 4B, the high voltage circuit unit 101 includes a transformer 103 and a double voltage unit 105 using a diode and a capacitor. In a preferred embodiment of the present invention, the core of the transformer 103 uses a TDK PQ2020 PC40, the primary coil is wound 18 times with a Lits line 0.06 × 9, the secondary coil uses a 0.2mm enamel wire 500 times evenly to boost the voltage to 18: 500 with respect to the primary voltage. Therefore, according to the configuration of the transformer 103 as described above, it is possible to obtain a desired output voltage by adjusting the magnitude of the voltage applied to the primary coil. Since the high voltage output stage is floating, current flows from ground to the -V stage. This current is applied to the output current detector 107. The output current sensed by the output current sensing unit 107 is used as an input in the degree of vacuum calculation by the controller via the ADC.

도 5a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전류 제한부 및 출력 전압 조정부의 회로도이고, 도 5b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전류 제한부 및 출력 전압 조정부의 구현 사진을 나타낸 예시도이다.5A is a circuit diagram of a current limiter and an output voltage adjuster according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 5B is an exemplary view showing an implementation photograph of the current limiter and an output voltage adjuster according to an exemplary embodiment of the present invention. .

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 전류 제한부(109)에서, Q7(501)의 2N4401 트랜지스터의 귀환 신호와 R7(503) 저항에 의하여 전류가 제한될 수 있다. 여기서, R7(503) 저항값을 바꾸어 주면 전류 제한의 영역을 확대 및 축소가 가능하다. 출력 전압 조정부(111)에서 고정 저항들(R2, R3, R4, R5 등)과 가변 저항들(R23, R24, R25, R26 등)을 조합하여 출력 전압을 미세하게 조정할 수 있다. 또한, 상기 출력 전압 조정부(111)는 전압 출력을 피드백(feedback) 받아 자동 조절이 가능하도록 구성되어 있다. 출력 선택 단자로 5V 신호가 인가되면, 트랜지스터가 "ON'이 되어 트랜스포머(103)의 입력 전압을 조정하게 되고, 이에 해당하는 고전압이 고전압 출력 단자를 통하여 출력될 수 있다. 출력 전압 선택 단자가 하나도 선택되지 않았을 때에는 최대 전압이 출력됨으로, 반드시 한 단자에 선택 신호가 인가되어야 한다.5A and 5B, in the current limiting unit 109, the current may be limited by the feedback signal of the 2N4401 transistor of Q7 501 and the resistance of the R7 503. Here, by changing the resistance value of the R7 (503) it is possible to enlarge and reduce the area of the current limit. The output voltage adjuster 111 may finely adjust the output voltage by combining fixed resistors R2, R3, R4, R5, and the like and variable resistors R23, R24, R25, R26, and the like. In addition, the output voltage adjusting unit 111 is configured to automatically adjust by receiving a feedback of the voltage output. When a 5V signal is applied to the output selection terminal, the transistor is turned "ON" to adjust the input voltage of the transformer 103, and a corresponding high voltage can be output through the high voltage output terminal. When not selected, the maximum voltage is output, so a selection signal must be applied to one terminal.

도 6a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고속 스위칭부의 회로도이고, 도 6b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고속 스위칭부의 구현 사진을 나타낸 예시도이다.6A is a circuit diagram of a high speed switching unit according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 6B is an exemplary view showing an implementation photograph of the high speed switching unit according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 고속 스위칭부(115)는 상기트랜스포머(103)의 입력 전원을 고속으로 절환하여 승압을 하도록 한다. 상기 고속 스위칭부(115)의 555 타이머 칩(601)의 저항과 커패시터를 통하여 25Khz 주파수를 생성시킬 수 있다. 생성된 주파수는 정확하게 1:1 반전이 발생하도록 구성되어야 하며, 그렇지 않으면 고전압이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 발생하더라도 스위칭 소자인 IRF 530 IC(603)에서 열이 발생하게 된다. 이러한 열을 제거하기 위하여 상기 IC(603)에 소형 팬(fan)을 설치할 수 있다. 열이 발생하는 원인은, IRF 530 IC(603)가 동시에 turn-on이 될 경우에 입력의 단락으로 인한 과부하의 발생 때문이다. 상기와 같은 이유에 의하여, 상기 555 타이머 칩(601)에서 출력되는 파형은 저항과 커패시터를 통해 duty ratio를 정확하게 50%로 맞추어야 한다. 고전압 출력을 정지하기 위해서는 상기 IRF 530 IC(603)에 입력 신호를 off 하면 된다.6A and 6B, the high speed switching unit 115 switches the input power of the transformer 103 at high speed to increase the voltage. The 25 kHz frequency may be generated through the resistor and the capacitor of the 555 timer chip 601 of the fast switching unit 115. The generated frequency must be configured so that exactly 1: 1 inversion occurs, otherwise not only high voltage will be generated, but heat will also be generated in the switching element IRF 530 IC 603 even if it occurs. In order to remove such heat, a small fan may be installed in the IC 603. The cause of the heat is due to the occurrence of overload due to a short circuit of the input when the IRF 530 IC 603 is turned on at the same time. For the above reason, the waveform output from the 555 timer chip 601 should be set to exactly 50% duty ratio through a resistor and a capacitor. In order to stop the high voltage output, the input signal to the IRF 530 IC 603 may be turned off.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 전류 감지부의 회로도이다.7 is a circuit diagram of an output current sensing unit according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, R1(701)과 C2(703)는 OP AMP인 U1(705)에 상응하여, 적분기 회로를 구성한다. C1(707) 및 C4(709)는 고주파 노이즈를 차단하기 위하여 사용된다. 고압 회로부(101)가 SMPS 전원을 사용하는데, 상기 고압 회로부(101)의 주파수가 10kHz 이상의 주파수를 생성하기 때문에, 상기 C1(707) 및 C4(709)는 이러한 고주파를 배출할 뿐만 아니라, 주변에 방사되어 입력되는 노이즈를 차단하기 위한 구성이다.Referring to FIG. 7, R1 701 and C2 703 constitute an integrator circuit, corresponding to U1 705, which is an OP AMP. C1 707 and C4 709 are used to block high frequency noise. The high voltage circuit unit 101 uses an SMPS power source, and since the frequency of the high voltage circuit unit 101 generates a frequency of 10 kHz or more, the C1 707 and C4 709 not only emit such high frequencies, It is a configuration to block the noise that is radiated and input.

R6(711)은 부전압(Negative Voltage)을 분배하여 D1(713)에 -2.5V를 안정적으로 공급하도록 하는 풀업(Pull Up) 저항이다. 상기 D1(713)에 공급되는 전압이 변동되면 전류의 범위가 바뀌기 때문에, 미약한 전류 변동에도 출력 전압은 수 볼트씩 변화가 발생할 수 있다.R6 711 is a pull up resistor that distributes a negative voltage to stably supply -2.5V to the D1 713. When the voltage supplied to the D1 713 changes, the range of the current changes, so that the output voltage may change by several volts even with a slight current variation.

R7(713)과 C3(715)은 OP AMP인 U2(727)에 상응하여, 적분기 회로를 구성한다.R7 713 and C3 715 constitute an integrator circuit, corresponding to U2 727 which is an OP AMP.

R2(717) 및 R3(719) 저항은 출력 전압()의 K 팩터(factor)를 결정하는 구성 요소들이다. 이 값들의 변화에 따라서 출력 전압()의 범위가 결정된다. 또한, R4(721) 저항은 온도 저항으로서, 1°C 변화가 생길 경우 0.35%씩 값의 변화가 발생한다. 온도 변화에 따른 출력값을 보정하기 위하여 구성된다. R5(723)는 전류 미러(Current Mirror) 소자인 Q1(725)에 흐르는 전류를 제한하기 위한 구성 요소이다.R2 717 and R3 719 resistors output voltage ( These are the components that determine the K factor of. Depending on the change in these values, the output voltage ( ) Range is determined. In addition, the resistance of R4 721 is a temperature resistance, and when a change of 1 ° C occurs, the value changes by 0.35%. It is configured to correct the output value according to the temperature change. R5 723 is a component for limiting the current flowing to Q1 725, which is a current mirror element.

상기 전류 미러 Q1(725)은 OP AMP U1(705) 및 U2(727)에 각각 상응하는 적분기 회로들에 연결되어 구성된다. 여기서, 다이오드 반도체 특성인 0.7V()에서 turn-on 되는 현상을 이용하기 위하여 사용되는 구성 요소이다. 상기가 0.7V에서 조금만 변하더라도 전류는 급격히 변화한다.The current mirror Q1 725 is configured to be connected to integrator circuits corresponding to OP AMP U1 705 and U2 727, respectively. Here, 0.7V (diode semiconductor characteristic) This is the component used to take advantage of the phenomenon that is turned on. remind Changes slightly even at 0.7V.

상기 OP AMP인 U1(705) 및 U2(727)는 적분기 회로를 구성하기 위한 것이며, 낮은 오프셋(Offset) 전류를 발생시키는 소자들이다. 오프셋 전류가 크면 인가 전류가 노이즈에 취약하게 된다.The OP AMPs U1 705 and U2 727 are for constructing an integrator circuit and are devices that generate a low offset current. If the offset current is large, the applied current is vulnerable to noise.

출력 전압()은 수학식 2와 같이 도출될 수 있다.Output voltage ( ) May be derived as in Equation 2.

, ,

여기서,, n=2.3,= 0.7v (문턱 전압, threshold voltage), R1 및 R2는 저항이며,은 검출할 전류,는 기준 전류임.here, , n = 2.3, = 0.7v (threshold voltage), R1 and R2 are resistors, Is the current to detect, Is the reference current.

도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 간략화된 출력 전류 감지부에 대한 회로도이다.8 is a circuit diagram of a simplified output current sensing unit according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 출력 전류인이 OP AMP U2를 기준으로 고압 회로부 방향으로 흘러 나가는 방향이다. 또한, 트랜지스터 Q1 및 Q2는 pnp 트랜지스터이다. 위와 같은 간략화된 구성으로부터 상기 수학식 2를 유도할 수 있으며, 그 과정은 다음과 같다.Referring to Figure 8, the output current is It flows out toward the high voltage circuit part based on this OP AMP U2. In addition, transistors Q1 and Q2 are pnp transistors. Equation 2 can be derived from the above simplified configuration, and the process is as follows.

먼저,는 수학식 3 및 수학식 4로 정의될 수 있다.first, and May be defined by equations (3) and (4).

또한,'는 수학식 5와 같이 유도될 수 있다.Also, 'Can be derived as shown in Equation 5.

상기 유도된 수학식 5에, 수학식 3 및 수학식 4를 대입하여 정리하면 수학식 6과 같다.Equation (3) and equation (4) to the derived equation (5) to summarize the equation (6).

여기서,이기 때문에 수학식 6은 수학식 7로 표현될 수 있다.here, Therefore, Equation 6 may be expressed by Equation 7.

, 단 n = 2.3 , Where n = 2.3

은 수학식 8과 같이 유도될 수 있다. May be derived as shown in Equation 8.

따라서,은 수학식 9와 같이 정리될 수 있다.therefore, Can be summarized as in Equation (9).

여기서,는 상수이므로, 상수 K로 대체하면,은 최종적으로 수학식 10으로 정리될 수 있다.here, Is a constant, so if you substitute the constant K, Can be finally summed up in equation (10).

상기 수학식 10으로부터 출력 전류값을 감지할 수 있다.The output current value may be detected from Equation 10.

도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 전압값에 대한 출력 전류값의 관계를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the relationship of the output current value to the output voltage value according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 로그 스케일의 출력 전류값은 출력 전압값에 비례함을 알 수 있다. 이는 수학식 10으로부터 도출될 수 있는 결과이다.Referring to FIG. 9, it can be seen that the output current value of the logarithmic scale is proportional to the output voltage value. This is a result that can be derived from equation (10).

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.The present invention is not limited to the above embodiments, and many variations are possible by those skilled in the art within the spirit of the present invention.

본 발명에 따른 고전압 발생 및 출력 전류 감지기에 의하여, 선형적 회로에서 검출하기가 어려운 극소 전류를 로그 증폭 회로를 이용하여 감지할 수 있다.By the high voltage generation and the output current detector according to the present invention, it is possible to detect a very small current that is difficult to detect in the linear circuit using a log amplification circuit.

또한, 본 발명에 따른 냉음극형 이온화 게이지는 이온 펌프 뿐만 아니라, 또 다른 진공 측정 기술에 응용될 수 있다.In addition, the cold cathode ionization gauge according to the present invention can be applied not only to ion pumps but also to other vacuum measurement techniques.

또한, 본 발명은 극한 진공 기술 및 기초 과학 기술 발전의 기본 장비로 첨단 소재 제작, 표면 분석 장비, 방사광 가속기, 양성자 가속기, 나노 과학, 군사 장비 등 다양한 분야에서 적용될 수 있다.In addition, the present invention can be applied in various fields such as advanced material fabrication, surface analysis equipment, radiation accelerator, proton accelerator, nanoscience, military equipment as basic equipment of extreme vacuum technology and basic science and technology development.

또한, 본 발명에 따른 냉음극형 이온화 게이지 기술은 최근 대두되고 있는 원자 과학, 나노 과학 등 극한 기술을 연구하는 데 가장 기본적으로 확보되어야 할 기술이 될 수 있다.In addition, the cold cathode ionization gauge technology according to the present invention may be the most fundamental technology to study the extreme technologies, such as atomic science, nanoscience, which are emerging recently.

Claims (7)

냉음극형 이온화 게이지에 포함되는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기에 있어서,In the high voltage generation and output current detector included in the cold cathode ionization gauge, 고전압을 출력하는 배전압부;A double voltage unit for outputting a high voltage; 상기 배전압부에 인입되는 출력 전압을 조절하는 출력 전압 조정부; 및An output voltage adjusting unit adjusting an output voltage introduced into the double voltage unit; And 상기 배전압부에 연결되어, 출력 전류를 감지하는 출력 전류 감지부An output current sensing unit connected to the double voltage unit and sensing an output current 를 포함하되,Including, 상기 감지되는 출력 전류는 진공도를 측정하는 데 사용되는 것The sensed output current is used to measure the degree of vacuum 을 특징으로 하는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기.High voltage generation and output current detector characterized by. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 출력 전압 조정부로부터 인입되는 출력 전압을 변압하여 상기 배전압부로 출력하는 트랜스포머A transformer for transforming an output voltage drawn from the output voltage adjusting unit and outputting the converted voltage to the double voltage unit 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기.High voltage generation and output current detector further comprises. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 소정 전류 이상의 전류가 소모되면 출력 전압을 차단하는 전류 제한부Current limiter cuts off the output voltage when current above a certain current is consumed 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기.High voltage generation and output current detector further comprises. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 트랜스포머로 인입되는 출력 전압을 고속으로 절환하는 고속 스위칭부High speed switching unit for switching the output voltage to the transformer at high speed 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기.High voltage generation and output current detector further comprises. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 출력 전류 감지부는The output current detector 제1 증폭기를 포함하는 제1 적분기 회로;A first integrator circuit comprising a first amplifier; 제2 증폭기를 포함하는 제2 적분기 회로;A second integrator circuit comprising a second amplifier; 상기 제1 적분기 회로로 인입되는 출력 전류가 인입되는 제1 트랜지스터 및 상기 제2 적분기 회로로 인입되는 기준 전류가 인입되는 제2 트랜지스터를 포함하는 전류 미러(current mirror); 및A current mirror including a first transistor into which an output current drawn into the first integrator circuit is introduced, and a second transistor into which a reference current drawn into the second integrator circuit is introduced; And 상기 제1 적분기 회로의 출력단과 상기 전류 미러의 출력단에 연결되는 가변 저항A variable resistor connected to an output terminal of the first integrator circuit and an output terminal of the current mirror 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기.High voltage generation and output current detector comprising a. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 출력 전류 감지부는The output current detector 고주파 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 제1 적분기 회로의 입력단에 연결되는 제1 커패시터; 및A first capacitor connected to an input terminal of the first integrator circuit to block high frequency noise; And 상기 제2 적분기 회로의 입력단에 연결되는 제2 커패시터A second capacitor connected to an input terminal of the second integrator circuit 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기.High voltage generation and output current detector further comprises. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 출력 전류는The output current is 상기 제1 적분기 회로의 출력단에서의 출력 전압에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 고전압 발생 및 출력 전류 감지기.High voltage generation and output current detector, characterized in that calculated by the output voltage at the output terminal of the first integrator circuit.
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