[진공 실험] 진공 게이지 1 - Pinari Gauge

피나리(Pinari) 게이지는 1906년 Marcello Pinari가 개발한 진공게이지로, 고진공에서 금속의 열전도율을 측정함으로써 압력을 측정을 하는 게이지입니다.  

1. 피나리 게이지의 원리 

일반적으로 피나리 게이지는 금속 박막/선 (일반적으로 금, 텅스텐, 플래티)이 있고, 이 금속선은 센서로서 가스 내부에 설치가 되어가열됩니다. 그리고 가스의 분자들과 금속 선과의 충돌로 인해, 금속의 열을 잃게 됩니다. 이때, 가스 분자의 양이 줄어들수록 (즉, 압력이 줄어들수록) 금속선의 온도가 덜 내려가게 됩니다. 따라서, 금속이 잃어버리는 열의 양은 계의 분자의 양 혹은 압력에 비례하게 됩니다. 또한, 작은 온도 변화도 잘 측정하기 위해, 일반적으로 열전도율이 높은 금을 사용합니다. 

NOTE: 일반적으로 가열 센서 와이어를 사용하는 경우, 크게 3가지의 열을 전달하는 방식이 있습니다. 
 • 높은 압력에서 가스의 전도율 ($E\propto dT/dr$, 즉, r은 열선으로부터의 거리)
 • 낮은 압력에서의 가스의 수송율 (Gas transport) ($E \propto P(T_1 - T_0)/\sqrt{T_0}$)
 • Thermal radiation ($E \propto (T_1^4 - T_0^4)$)

일반적으로 피나리 게이지를 이용할 경우, 피나리 게이지의 온도/저항을 일정하게 유지하기 위해 브릿지 회로가 사용됩니다. 이때 금속 박막이 가열이 되고, 기체 분자 밀도의 변화가 발생이 되면 와이어의 온도를 유지하는데 필요한 에너지의 양 역시 달라지게 됩니다. 따라서, 금속의 온도를 유지시키기 위한 에너지의 양은 진공의 압력에 의존하고, 이를 통해 압력을 유추할 수 있습니다. 

NOTE: 피나리 게이지의 모드
피나리 게이지를 이용할 경우, 크게 4가지 방식으로 측정할 수 있다. 
 • 전압을 일정하게 유지: 전압을 일정하게 유지하고 압력의 변화로 저항 변화를 측정. 하지만, 센서의 파워가 조정되지 않기 때문에, 센서의 온도는 압력에 따라 변하게 된다. 또한, Thermal time constant에 의해서, 전압을 일정하게 유지하는 방법은 실용적이지 않다. 
 • 전류를 일정하게 유지: 일반적으로 전압을 일정하게 유지하는 경우와 비슷 
 • 온도(혹은 저항)을 일정하게 유지: 피나리 게이지를 사용할 때, 가장 흔하게 사용하는 방식.  
 • Pulsed Operation    

2. 피나리 게이지의 장점과 단점

2.1. 피나리 게이지의 장점

• 일반적으로 사용하기 쉽고, 움직이는 부품이 없기 때문에 다년간 문제없이 높은 신뢰도로 사용가능 
• Capacitance 압력계보다 적은 비용으로 구매 가능 
• 아날로그 및 디지털 데이터 출력 가능 
• 진공 시스템의 압력 변화에 민감하게 반응
• 내부 치수 (Dimension)이 작을 수록 더 빠르게 응답할 수 있음 
• 0.5 Torr에서 0.1mTorr사이의 압력을 비교적 정확하게 측정가능 

2.2. 피나리 게이지 단점

• Pinari Gauge는 한자리의 유효숫자만 가짐