JP2008522380A

JP2008522380A - マグネトロン

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Publication number: JP2008522380A
Application number: JP2007544250A
Authority: JP
Inventors: キム、ジョン−イル; ウォン、ゾン−ヒョ; パク、ゴン−シク
Original assignee: Seoul National University Industry Foundation
Current assignee: Seoul National University Industry Foundation
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2024-12-30
Also published as: KR100757087B1; JP4267049B2; WO2006059817A1; US20080116807A1; KR20060060779A

Abstract

【課題】マグネトロンの陽極部に周期的に複数の微細変形部を形成して、初期発振時間を減らし、ノイズを減少させることができるマグネトロンを提供する。
【解決手段】１つの円筒形の陰極部と、陰極部と所定の距離だけ離隔して陰極部を同軸上で囲んでいる、１つの陽極部と、陽極部と接続されている１つの共振器回路とを備え、複数の微細変形部を、方位角方向に周期的に陽極部に形成するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明はマグネトロンに関し、より詳しくはマグネトロンの陽極部に周期的に複数の微細変形部を形成してノイズ信号を減少させることができるマグネトロンに関するものである。

一般に、マグネトロンは、例えば電子レンジなどの家庭用製品にも適用されて幅広く使用されるマイクロ波生成装置である。つまり、マグネトロンは、印加される電源によって陰極部から電子を放出させ、このように電場で放出された電子を、磁石によって電場と垂直に形成される磁場を通って回転運動させてマイクロ波を発振させる装置である。

図９は、従来のＡ６型マグネトロンの発振回路部分の概略的な断面図である。図９に示されたように、このマグネトロンは、電子ビームを放出する面に垂直な方向に伸びた円筒形の陰極部１と、このような陰極部１を同軸上で囲んでいる陽極部２とを備えている。また、陽極部２は、方位角方向に周期的な方法で配置されている、幾つかの共振器キャビテ（resonator cavity）３を有している。このようなマグネトロンにおいて、陰極部１から放出された電子は、図示されていない磁石によって回転運動し、共振器キャビテ３の境界条件を満足する幾つかのモードの中で、各共振器キャビテごとにπ（１８０度）だけの位相差を示すπモードを動作モードとして使用している。つまり、陰極部１で発生した電子ビームは、共振器キャビテ３によって動作モードを形成し、これによって形成された電子ビーム集積から電磁波は発振される。このように電子ビームから誘導された共振器キャビテのモードから電磁波の発振が始まるが、初期電源が印加された後、電磁波の発振まである程度の時間を要し、この初期発振時間（start-oscillation time）が長くなると、無用のノイズ信号を発生する幾つかのモードを形成するのに、十分な時間を許すことになる。

ノイズ信号を軽減するために、周期的な微細磁場を主磁場に追加することにより、ノイズ信号を減少させるといったノイズ軽減方法が提案された（非特許文献１及び非特許文献２を参照）。しかしながら、非特許文献１及び非特許文献２に開示されたようなノイズ軽減方法では、周期的な微細磁場を発生させるために、追加的な磁石が必要となり、マグネトロンの大きさ、重さ及び製造コストが増加するだけでなく、電子ビームの微細調整も難しいという問題が発生する。
「アプライドフィジクスレターズ（Applied Physics Letters）」，第83巻，第10号，p.1938,2003年「アプライドフィジクスレターズ（AppliedPhysics Letters）」，第84巻，第6号，p.1016,2004年

したがって、本発明は上述のような従来技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は、マグネトロンの陽極部に周期的に複数の微細変形部を形成して、初期発振時間を減らし、ノイズを減少させることができるマグネトロンを提供することにある。

また、本発明のもう１つの目的は、マグネトロンの大きさや重さを増加させることなく、更に追加的な磁石を使用することもなく、低ノイズのマグネトロンを提供することにある。

更に、本発明のほかの目的は、相互作用回路（interaction circuit）の具体的な構造にかかわらず、初期発振時間を減少させ、ノイズ信号を減少させることができるマグネトロンを提供することにある。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明に係るマグネトロンは、陽極部に周期的に複数の微細変形部が形成されている構造を有する。つまり、本発明に係るマグネトロンは、１つの円筒形の陰極部と、当該陰極部を同軸上で囲んでいる１つの陽極部と、当該陽極部と接続されている１つの共振器回路とを備えており、複数の微細変形部が方位角方向に周期的に当該陽極部に形成されている。

好ましくは、前記陽極部が複数の陽極を有している場合に、前記複数の微細変形部が、全ての複数の陽極に形成されるようにしても良く、また、複数の陽極の中で半分の陽極にのみ形成されるようにしても良い。

また、前記複数の微細変形部は、陽極の表面から突出した複数の突出部、及び/または、陽極の表面から凹んだ複数の凹部として、形成されることができる。前記複数の突出部と前記複数の凹部とは、交互に形成されるようにしても良い。或いは、微細変形部が形成された陽極と、微細変形部が形成されていない陽極とは、交互に形成されるようにしても良い。

各微細変形部は、前記陰極部の軸に垂直な表面内で１つの断面を有し、前記断面は、長方形、正方形、円形、楕円形、三角形、台形、他の多角形を含むグループから選択されるようにしても良い。

本発明を、共振器回路（resonator circuit）がベーン型（vane type）回路、スロット型（slot type）回路、ホール・アンド・スロット型（hole and slot type）回路、ライジングサン型（risingsun type）回路、又はストラップ型（strapped type）回路の何れかであるマグネトロンに、適用することができる。

本発明に係るマグネトロンは、追加的な磁石を使用せず、陽極部に複数の微細変形部を形成することにより、ノイズが減少した電磁波発振が可能になった。したがって、本発明によれば、マグネトロンの大きさや重さを増加させることなく、ノイズを効果的に減少させることができるという優れた効果を奏する。

また、本発明に係るマグネトロンによれば、マグネトロンの具体的な構造や相互作用回路の具体的な構造にかかわらず、初期発振時間を減少させて効果的にノイズを減少させることができるという効果を奏する。

さらに、本発明に係るマグネトロンによれば、微細変形部の形状、構造及びその配置方法等を変更して、電子ビーム集積現象を微細に調整することができるので、所望するマグネトロン作動を誘導することができるという効果を奏する。

以下、添付した図面を参照して、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように、本発明を詳細に説明する。図面における同一図面符号は、同一な要素を示す。

まず、図１を参照して、本発明の第１実施例によるマグネトロンを説明する。図１に示されたように、本発明の第１実施例によるマグネトロンは、電子ビームを放出する面に垂直な方向に伸びた円筒形の陰極部１０と、このような陰極部１０を同軸上で囲んでいる陽極部２０とを備えている、Ａ６型のマグネトロンである。陰極部１０は、電子ビームを放出する。陽極部２０は、陰極部１０との間に環状の相互作用領域（annular interaction space）を提供するために、偶数個の陽極を含む、方位角上の周期的な構造を有している。第１実施例の陽極部２０は、６個の陽極を有しており、それぞれの陽極に１つの微細変形部４０が形成されている。これらの微細変形部４０は、陽極の表面から突出した突出部４１と、陽極の表面から凹んだ凹部４２の形をしており、それぞれの突出部４１と凹部４２は交互に形成されている。つまり、図２に示されたように、陽極部２０は、方位角θ_ａを有しており、且つ、半径ｒ_ａに設置されている。各奇数番目の陽極は、方位角θ_ｐを有する突出部４１を有しており、当該突出部４１は、その中心部分が陰極部側にΔｒ_ｐだけ突出して半径ｒ_ａ−Δｒ_ｐに位置されるように形成される。一方、各偶数番目の陽極は、方位角θ_ｓを有する凹部４２を有しており、当該凹部４２は、その中心部分がΔｒ_ｓだけ凹んで半径ｒ_ａ＋Δｒ_ｓに位置されるように形成されている。

また、陽極部２０に共振器回路が接続されており、つまり、陽極部２０は周期的に配置されている複数の共振器キャビテ（resonator cavity）３０を有している。図示されていない磁石は、陰極部１０の軸に対して垂直であるように配置されて、陰極部１０から放出される電子を回転運動させるようにしている。

上述した本発明の第１実施例に係るマグネトロンの動作原理は、次の通りである。

陰極部１０から放出された電子が、図示されていない磁石によって生成された磁場によって回転運動し、共振器キャビテ３０の境界条件を満足する幾つかのモードの中で発振のために各共振器キャビテごとにπ（１８０度）だけの位相差を示すπモードを動作モードにして電子ビーム集積現象が発生する。この時、周期的に形成された微細変形部４０による電場の変形は、電子ビームの速度の変化をもたらし、結果的に、所定の領域に所望のモード形態において周期性を有する電子ビーム集積効果をもたらす。微細変形部４０による早期の電子ビーム集積による効果は、初期発振時間を短縮してノイズを減らし、低ノイズの電子ビーム集積現象によって電磁波が発振する。つまり、本発明では、陽極部に周期的に形成された複数の微細変形部による、動作モードで電子ビーム集積現象を加速化させることにより、初期発振時間が短縮され、ノイズが減少される。

図３Ａ及び図３Ｂは、図９の従来のマグネトロンと比較して、本発明の第１実施例に係るマグネトロンでは、初期発振時間が低減されたことを証明するためのシミュレーション結果である。シミュレーションのために、マグネトロンの陰極部と陽極部の間では３５０ｋＶの電圧が印加されると共に、陰極部の軸方向に７．２ｋＧの磁場が印加される。また、陰極部の半径は１．５８ｃｍで、陽極の半径（ｒ_ａ）とキャビテ回路（cavity circuit）の半径は、それぞれ２.１１ｃｍ、４.１１ｃｍである。そして、本発明の第１実施例に係るマグネトロンにおいて、陽極の方位角（θ_ａ）とキャビテ回路（cavity circuit）の方位角（θ_ｖ）は、それぞれ４０度と２０度に設定された。また、本発明の第１実施例に係るマグネトロンでは、陽極の半径（ｒ_ａ）の３．５％になる長さを微細変形部の半径（Δｒ_ｐ、Δｒ_ｓ）として使用し、方位角（θ_ｐ、θ_ｓ）は８度に設定された。図３Ａは、本発明の第１実施例に係るマグネトロン発振回路を用いて２ｎｓｅｃで測定した電子ビーム分布を示しており、図３Ｂは図９の従来のマグネトロン発振回路を用いて２ｎｓｅｃで測定した電子ビーム分布を示す。図３Ａと図３Ｂを比較して分かるように、従来のマグネトロン発振回路の電子ビーム分布は、電子ビームが集積する領域がなく、電子ビームが方位角方向に均一に分布されているが（図３Ｂを参照）、本発明の第１実施例に係るマグネトロン発振回路の電子ビーム分布は、電子ビームが方位角方向に３個の集積を作りだすことが見られる（図３Ａを参照）。また、図４Ａと図４Ｂは、７ｎｓｅｃで測定した電子ビーム分布を比較したもので、図４Ｂの従来のマグネトロン発振回路では、電子ビームが一定の空間に集積し始めるが、図４Ａの本発明の第１実施例に係るマグネトロン発振回路では、完全に生成された電子ビームの集積が空間上に分布されることを確認することができた。

また、初期発振時間を比較するために、共振器キャビテ（３０、３）で測定した電圧信号を、図５Ａ及び図５Ｂに示した。図５Ｂの従来のマグネトロンでは、３．２４ｎｓｅｃで発振が始まり、１１．８８ｎｓｅｃで発振が安定的になる。それに対して、図５Ａに示されたように、本発明の第１実施例に係るマグネトロンでは、１．６ｎｓｅｃで発振が始まり、従来のマグネトロンより約２倍程度速く発振されていることを確認することができた。

図６Ａ及び図６Ｂは、このように短縮された初期発振時間が実際にノイズ減少に影響を及ぼすか否かを確認するための周波数成分結果である。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、周波数１．９５ＧＨｚと３．９ＧＨｚを有する２個の強い成分（周波数１．９５ＧＨｚ、３．９ＧＨｚという２つの強いピーク）が、それぞれπモード成分と２πモード成分である。図６Ｂの従来のマグネトロン発振回路では、πモード成分の他に、πモードと８０ＭＨｚ及び１２０ＭＨｚの周波数差を有するほかの周波数成分が発生している。これに対して、図６Ａから、本発明の第１実施例に係るマグネトロン発振回路では、πモード成分の他に、図６Ｂのようなほかの周波数成分がほとんど現れなくてノイズが減少したことを確認することができた。

次に、図７を参照して、本発明の第２実施例に係るマグネトロンを説明する。

本発明の第２実施例に係るマグネトロンは、微細変形部の形状を除けば、第１実施例に係るマグネトロンと同じである。本発明の第２実施例に係るマグネトロンは、突出部４１のみが、陽極部２０に備えられている複数の陽極の中で半分の陽極に形成されている。つまり、本発明の第２実施例に係るマグネトロンでは、突出部４１が形成された陽極と突出部４１が形成されていない陽極とは、交互に配置されている。本発明の第２実施例に係るマグネトロンでも、突出部４１による電子ビーム集積現象によって、初期発振時間が減少し、ノイズが減少する効果が得られる。

また、図示されていないが、本発明の第２実施例に係るマグネトロンにおける突出部４１の代わりに、凹部のみが複数の陽極の中で半分の陽極に形成されても、同様な電子ビーム集積効果を得ることができる。

上述した本発明の第１実施例及び第２実施例に係るマグネトロンでは、微細変形部の形状が示されているが、本発明に係るマグネトロンの微細変形部は、このような形状に限定されるものではない。本発明に係るマグネトロンの微細変形部は、陰極部の軸に垂直な表面内で１つの断面を有し、その断面を、長方形、正方形、円形、楕円形、三角形、台形、他の多角形を含むグループから選択することができ、更に、微細変形部の断面をなす線分（segment）の一部として、直線、円弧、或いは曲線を用いることができる。

マグネトロンの詳細設計に応じて、本発明の微細変形部の形状、構造及びその配置方法等を多様に変更することができ、このような多様な変更によって電子ビーム集積現象を微細に調整することができる。

図８Ａ乃至図８Ｃは、本発明に係るマグネトロンの他の実施例を示す図面である。図１及び図２のマグネトロンは、微細変形部が、ベーン型（vane type）のマグネトロンであるＡ６型マグネトロンに形成されたものであるが、図８Ａに示されたようなスロット型（slot type）のマグネトロンや、図８Ｂに示されたようなライジングサン型（risingsun type）のマグネトロンにも、本発明を適用できるだけでなく、図８Ｃに示されたようなストラップ型（strapped type）のマグネトロンにも、本発明の適用が可能である。更に、本発明を上述した典型的なマグネトロンに適用できるだけでなく、その他のいかなる形態のマグネトロンにも本発明を適用することができ、本発明はマグネトロンの共振器キャビテの具体的な構造に限定されない。

以上、本願発明の技術的特徴について特定の実施例を中心に説明したが、本願発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明による技術的な思想の範囲内でも、様々な変形及び修正を加え得ることは明白である。

本発明の第１実施例によるマグネトロンの概略的な断面図である。図１のマグネトロンの構造を説明するための図面である。２ｎｓｅｃで測定して得られた、図１のマグネトロンの電子ビーム分布を示す図面である。２ｎｓｅｃで測定して得られた、図９のマグネトロンの電子ビーム分布を示す図面である。７ｎｓｅｃで測定して得られた、図１のマグネトロンの電子ビーム分布を示す図面である。７ｎｓｅｃで測定して得られた、図９のマグネトロンの電子ビーム分布を示す図面である。図１のマグネトロンにおける時間と電圧信号との関係を示すグラフである。図９のマグネトロンにおける時間と電圧信号との関係を示すグラフである。図１のマグネトロンにおける測定された電圧信号の周波数成分を示すグラフである。図９のマグネトロンにおける測定された電圧信号の周波数成分を示すグラフである。本発明の第２実施例によるマグネトロンの概略的な断面図である。本発明の他の実施例によるマグネトロンを示した図面である。本発明の他の実施例によるマグネトロンを示した図面である。本発明の他の実施例によるマグネトロンを示した図面である。従来のマグネトロンの概略的な断面図である。

Claims

１つの円筒形の陰極部と、
前記陰極部と所定の距離だけ離隔して前記陰極部を同軸上で囲んでいる、１つの陽極部と、
前記陽極部と接続されている１つの共振器回路と、
を備え、
複数の微細変形部は、方位角方向に周期的に前記陽極部に形成されていることを特徴とするマグネトロン。
前記陽極部は、複数の陽極を有しており、
前記複数の微細変形部は、全ての複数の陽極に形成されており、且つ、各陽極の表面から突出した複数の突出部と各陽極の表面から凹んだ複数の凹部とを含み、
前記複数の突出部と前記複数の凹部とは、交互に形成されている請求項１に記載のマグネトロン。
前記陽極部は、複数の陽極を備えており、
前記複数の微細変形部は、前記複数の陽極の中で半分の陽極にのみ形成されており、
微細変形部が形成された陽極と、微細変形部が形成されていない陽極とは、交互に形成されている請求項１に記載のマグネトロン。
各微細変形部は陽極の表面から突出した突出部である請求項３に記載のマグネトロン。
各微細変形部は陽極の表面から凹んだ凹部である請求項３に記載のマグネトロン。
各微細変形部は、前記陰極部の軸に垂直な表面内で１つの断面を有し、
前記断面は、長方形、正方形、円形、楕円形、三角形、台形、他の多角形を含むグループから選択される請求項１に記載のマグネトロン。
微細変形部の断面を形成する線分（segment）の一部は、直線、円弧、或いは曲線である請求項６に記載のマグネトロン。
前記共振器回路は、ベーン型（vane type）回路、スロット型（slot type）回路、ホール・アンド・スロット型（hole and slot type）回路、ライジングサン型（risingsun type）回路、ストラップ型（strapped type）回路から選択される請求項１に記載のマグネトロン。