KR0139282Y1 - 마그네트론의 캐소드구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 기본주파수외의 고조파와 노이즈발생을 억제하는 마그네트론의 캐소드구조에 관한 것으로써, 열전자를 방출하는 캐소드(17)와, 상기 캐소드(17)로부터 방출되는 전자를 편향하여 회전운동을 유지하는 영구자석(41,43)과, 상기 영구자석(41,43)에서 발생된 자속을 유도하는 제1 및 제2자극편(33,35)과, 상기 캐소드(17)를 외측에서 둘러싸서 마이크로파를 발생하도록 다수의 베인(15)이 배치된 양극통체(13)와, 상기 양극통체(13)에서 발생된 마이크로파를 안테나(47)로 유도하는 동축선(49)과, 상기 동축선(49)을 통해 유도된 마이크로파를 유기하는 안테나캡(51)과, 상기 양극통체(13)의 내부를 진공으로 밀봉하는 상부 및 하부금속관(37,39)과, 상기 상부금속관(37) 및 상기 안테나캡(51)을 절연시키는 절연링(45)과, 상기 캐소드(17)에 전원을 공급하도록 외부접속단자(29,31)에 접합된 외부 및 중앙리이드선(23,25)과, 상기 외부 및 중앙리이드선(23,25)을 지지고정하도록 상기 하부금속관(39)의 하부에 접합된 절연세라믹(27)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

마그네트론의 캐소드구조

제1도는 종래에 의한 마그네트론의 개략적인 종단면도.

제2도는 종래에 의한 마그네트론 캐소드의 확대단면도.

제3도는 종래에 의한 캐소드와 베인간 전계분포를 도시한 개략적인 도면.

제4도는 본 고안의 일실시예에 의한 마그네트론의 종단면도.

제5도는 본 고안에 적용되는 캐소드의 확대단면도.

제6도는 본 고안에 적용되는 캐소드와 베인간 전계분포를 도시한 개략적인 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

13 : 양극통체 15 : 베인

17 : 캐소드(필라멘트) 19,21 : 상부 및 하부엔드햇

23 : 외부리이드선 25 : 중앙리이드선

27 : 절연세라믹 29,31 : 외부접속단자

33,35 : 제1 및 제2자극편 37,39 : 상부 및 하부금속관

41,43 : 영구자석 46 : 절연링

47 : 안테나 49 : 동축선

51 : 안테나캡 53,55 : 요우크

57 : 방열판

본 고안은 전자렌지등의 마이크로파 가열기기에 사용되는 마그네트론에 관한 것으로, 특히 기본주파수외의 고조파와 노이즈발생을 억제하는 마그네트론의 캐소드구조에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 마그네트론은 제1도에 도시한 바와같이, 상기 마그네트론의 외부로 누설되는 복수종류의 고조파 성분을 감쇠시키도록 양극통체(71)의 내부에 필라멘트(75:이하, 캐소드라 한다)측으로 돌출해서 공진공동을 형성하는 복수(짝수)개의 베인(73)이 배치되어 있고, 상기 양극통체(71)의 양측 개구단부에는 자계수속용의 제1 및 제2자극편(77,79)이 서로 대향해서 배치되어 있다.

그리고, 상기 제1 및 제2자극편(77,79)의 상하부에는 상기 양극통체(71)의 내부를 진공으로 밀봉하기위한 상부 및 하부금속관(81,83)이 상기 제1 및 제2자극편(77,79)의 중간부 혹은 상기 양극통체(71)의 양측개구단부에 각각 기밀하게 용접고착되어 있고, 상기 하부금속관(83)의 음극부 측단부에는 상기 캐소드(75)를 지지하는 음극부지지체인 몰리브덴제의 리이드선(85,87)이 상부 및 하부엔드햇(89,91)에 용접고착되어 있다.

또한, 상기 리이드선(85,87)은 절연세라믹체(93)에 형성된 관통구멍을 통해 도시되지 않은 전원단자에 접속되어 있는 외부접속단자(95,97)에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 상부금속관(81)의 상부 개구단부에는 출력부를 구성하는 세라믹제의 원통형상으로 형성된 절연링(99)이 상기 상부금속관(81)의 일단부에 기밀하게 용접고착되어 있다.

또, 상기 절연링(99)의 상부측 선단부에는 동으로 이루어진 안테나(101)가 고착되어 있고, 상기 안테나(101)의 내측 중앙부근처에는 상기 양극통체(71)에서 발생된 고주파를 상기 안테나(101)로 유도하도록 상기 베인(73) 하나로부터 도출된 동축선(103)이 상기 제1자극편(77)의 관통구멍을 통과하여 축상으로 연장되면서 상기 동축선(103)의 끝이 상기 안테나(101)에 의해 고정되어 있다.

또한 도면에 있어서, 상기 안테나(101)의 외측면에는 상기 동축선(103)을 통해 유도된 마이크로파를 유기하는 안테나캡(105)이 씌어져 있다.

그런데, 이와같이 구성된 마그네트론에 있어서는, 도시되지 않은 캐소드의 양단에 4KV의 전원이 인가될경우, 양극통체(71)에서 2450MHz대역의 기본고주파가 발생함과 동시에 그 기본파(2450MHz)의 정수배에 해당하는 주파수를 가지는 제2고조파(4900MHz) 내지 제7고조파(7350MHz)성분이 발생한다.

상기 양극통체(71)에서 발생된 기본파와 고조파(노이즈)성분의 마이크로파 에너지는 동축선(103)을 통해 전도되면서 마그네트론의 출력부로 복사되어 도파관을 통해 전자렌지의 캐비티내로 전달되므로 캐비티내에는 불요전자파라는 노이즈가 존재한다.

상기 캐비티내에 존재하는 노이즈는 전자렌지의 도어등을 통해 외부로 누설되어 무선통신장애를 일으킬뿐만 아니라, 인체에 해를 끼친다는 문제점이 있었다

한편, 상기 양극통체(71)에서 발생된 고조파는 출력부를 통해 진행되는 것외에 음극부의 캐소드(75)로 유기되어 리이드선(85,87)을 통해 외부로 전파된다.

즉, 상기 리이드선(85,87)의 일단이 캐소드(75)에 연결되어 있고, 상기 리이드선(85,87)의 타단이 외부접속단자(95,97)에 연결되어 있기 때문에 양극통체(71)에서 발생된 고조파가 용이하게 음극부를 통해 외부로 전파되어 백노이즈가 발생하는데, 이 백노이즈는 상기 캐소드(75)와 연결된 리이드선(85,87) 및 외부접속단자(95,97)를 통해 마그네트론에 진원을 공급하는 전원인입선으로 흘러나오고, 이 전원인입선은 전자렌지의 전원단에 연결되어 외부기기에 오동작을 일으킨다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기위해 이루어진 것으로써, 본 고안의 목적은 나선형상의 캐소드간격을 조절하여 베인과 작용공간내에 균일한 전계와 자계를 형성함으로써 기본파를 증가시키고 고조파성분을 제거하여 안정된 마이크로파 에너지를 공급할 수 있는 마그네트론의 캐소드구조를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안에 의한 마그네트론의 캐소드구조는 열전자를 방출하는 캐소드와, 상기 캐소드로부터 방출되는 전자를 편향하여 회전운동을 유지하도록 자속을 발생하는 영구자석과, 상기 영구자석에서 발생된 자속을 유도하도록 자로를 형성하는 제1 및 제2자극편과, 상기 캐소드를 외측에서 둘러싸서 마이크로파를 발생하도록 다수의 베인이 배치의 양극통체와, 상기 양극통체에서 발생된 마이크로파를 안테나로 유도하는 동축선과, 상기 동축선을 통해 유도된 마이크로파를 유기하는 안테나캡과, 상기 양극통체의 내부를 진공으로 밀봉하도록 상기 제1 및 제2자극편의 상하부에 용접고착된 상부 및 하부금속관과, 상기 상부금속관 및 상기 안테나캡을 절연시키도록 상기 상부금속관의 상부에 접합된 절연링과, 상기 캐소드에 전원을 공급하도록 외부접속단자에 접합된 외부 및 중앙리이드선과, 상기 외부 및 중앙리이드선을 지지고정하도록 상기 하부금속관의 하부에 접합된 절연세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제4도에 도시한 바와같이, 동판등에 의해 원통형상으로 형성된 양극통체(13)의 내부에는 외부로 누설되는 고조파성분을 감쇠시키도록 복수개의 공진공동을 형성하는 다수(짝수)개의 베인(15)이 축심방향을 향하여 등간격으로 배치되어 있고, 이들 양극통체(13)와 베인(15)에 의해 양극부를 구성한다.

그리고, 상기 베인(15)의 선단부측 근처에는 상하부에 각각 캐패시턴스를 변화시켜 일정한 공진주파수를 얻도록 내측 및 외측균압환(15a,15b)이 상기 베인(15)을 하나 걸러서 각각 배치되어 있고, 상기 양극통체(13)의 중심축상 근처에는 상기 다수개의 베인(15)의 선단부에 의해 작용공간(14)이 형성되어 있으며, 이 작용공간(14)내에는 열전자를 방사하도록 토륨-텅스텐등을 나선형상으로 권회한 캐소드(17)가 상기 양극통체(13)와 동축형상으로 배치되어 있다.

상기 캐소드(17)의 양단부에는 발진에 기여하지 못하는 손실전류인 열전자가 중심축 방향으로 방사되는 것을 방지하도록 상부 및 하부엔드햇(19,21)이 고착되어 있고, 상기 하부엔드햇(21)의 바닥면에는 몰리브덴제의 외부리이드선(23)이 용접고착되어 있으며, 상기 하부엔드햇(21)의 중앙부에는 몰리브덴제의 중앙지지체인 중앙리이드선(25)이 상기 중앙부에 형성된 관통구멍을 통해서 상기 상부엔드햇(19)의 하단부에 융접고착되어 있다.

여기에서, 상기 중앙리이드선(25)은 상기 하부엔드햇(21) 및 캐소드(17)에 비접촉으로 관통하면서 중간부의 2개소에서 절곡되어 있고, 상기 외부 및 중앙리이드선(23,25)은 마그네트론의 음극을 지지고정하는 절연세라믹(27)에 형성된 관통구멍을 통해 도시되지 않은 전원단자에 접속되어 있는 제1 및 제2외부접속단자(29,31)에 전기적으로 접속되어 상기 캐소드(17)에 동작전류를 공급하는 것이다.

또한, 상기 양극통체(13)의 양측개구부에는 상기 캐소드(17)와 베인(15)에 의해 형성되는 작용공간(14)내에 균일하게 자속을 형성하도록 자로를 형성하는 자성체인 깔대기형상의 제1 및 제2자극편(33,35)이 상기 양극통체(13)의 양단부 내측에 절결된 위치에 안착되어서 잔류하는 양단부 외측 가장자리를 절곡하여 고정한다음 기밀하게 용접고착되어 있다.

상기 제1 및 제2자극편(33,35)의 상하부에는 상기 양극통체(13)의 내부를 진공으로 밀봉하기위한 상부 및 하부금속관(37,39)이 상기 제1 및 제2자극편(33,35)의 중간부 혹은 상기 양극통체(13)의 양측개구단부에 각각 기밀하게 용접고착되어 있다.

또, 상기 상부 및 하부금속관(37,39)의 외측면에는 상기 양극통체(13)내에 일정한 자계분포를 유지하도록 링형상의 영구자석(41,43)이 상기 양극통체(13)의 상부 및 하부의 좌우에 소정의 거리를 두고 배치되어 있고, 상기 마그네트론의 음극부를 구성하는 상기 상부금속관(37)의 상부개구단부에는 상기 상부금속관(37) 및 후술하는 안테나를 절연시키도록 세라믹으로 이루어진 원통형상의 출력측 절연링(45)이 접합되어 있다.

또한 도면에 있어서, 상기 절연링(45)의 상부측 선단부에는 동으로 이루어진 안테나(47)이 접합되어 있고, 상기 안테나(47)의 내측 중앙부근처에는 공진공동내에 발진된 고주파를 출력하도록 상기 베인(15)하나로부터 도출된 동축선(49)이 상기 제 1자극편(33)의 관통구멍을 통과하여 축상으로 연장되면서 상기 동축선(49)의 끝이 상기 안테나((17)에 의해 고정되어 있다.

그리고, 상기 안테나(47)의 외측면에는 상기 안테나(117)의 용접고착부를 보호함은 물론, 전계집중에 의한 스파크방지 및 고주파안테나의 작용을 함과 동시에 고주파 출력을 외부로 끌어내는 안테나캡(51)이 씌워져 있다.

또한, 상기 양극통체(13)의 외주면에는 귀환되는 자속을 연결하기 위해 상기 양극통체(13)내의 자속량을 결정하는 요우크(53,55)가 설치되어 있고, 상기 요우크(53,55)내에는 관의 직경방향으로 뻗은 복수개의 알루미늄 방열판(57)이 상기 요우크(53,55)에 고정된 클램프부재(55a)에 의해 감합배치되어 상기 영구자석(41,43)과 함께 자로 형성용 요우크(53,55)에 의해 덮여 있다.

한편, 상기 캐소드(17)는 제5도에 도시한 바와같이, 외부직경이 D이고, 캐소드와이어의 두께가 R이며, 캐소드와이어의 간격(이하, 캐소드피치라 한다)이 T인 나선형상(헤리컬타입)으로 되어 있으며, 캐소드와이어의 두께(R)보다 작은 거리를 유지하는 캐소드피치(T)의 길이는 0.2mm에서 1.0mm이내이다.

그리고, 상기 캐소드(17)는 외부직경(D)을 동일하게 유지하면서 캐소드와이어의 두께(R)와 캐소드피치(T)를 줄임으로써 상기 베인(15)과 작용공간(14)내에 형성되는 전자계분포를 균일하게 유지하고, 균일한 전계가 필요한 상기 캐소드(17)로부터 가장 외측으로 떨어진 거리와 캐소드피치(T)의 거리가 비례하도록 캐소드피치(T)의 거리를 설정한다.

또한, 상기 캐소드(17)는 상기 상부 및 하부엔드햇(19,21)사이에 저항을 동일하게 유지하면서 상기 베인(15)과 작용공간(14)내에 일정한 전계를 형성하도록 캐소드와이어의 두께(R)를 줄이고 캐소드와이어의 전체길이를 증가한다.

또, 상기 캐소드(17)와 베인(15)은 제6도에 도시한 바와같이, 서로 대향하는 구조를 가지며, 상기 캐소드(17)와 베인(15)간의 거리는 A이다.

이하, 상기와 같이 구성된 마그네트론의 캐소드구조의 작용효과를 설명한다.

먼저, 제1 및 제2외부접속단자(29,31)를 통해 전원이 인가되면, 상기 제1외부접속단자(29) → 중앙리이드선(25) → 상부엔드햇(19) → 캐소드(17) → 하부엔드햇(21) → 외부리이드선(23) → 제2외부접속단자(31)에 의해 폐회로가 구성되어 상기 캐소드(17)에 동작전류가 공급되어 가열된다.

상기 캐소드(17)가 가열되어 고온상태가 되면, 캐소드(17)로부터 열전자가 방출되기 시작하고, 그 방출된 열전자는 베인(15)에 걸리는 고압으로 인해 초기속도로 베인(15)쪽으로 운동을 하며 진행한다.

상기 캐소드(17)로부터 방출된 열전자가 베인(15)쪽으로 진행하는 동안, 전자는 제1 및 제2자극편(33,35)에 의해 작용공간(14)내에 생성된 자속에 의해 편향을 하게 된다.

즉, 상기 캐소드(17)에 가까운 위치에 존재하는 전자들은 전계에 의해 크게 편향되고, 상기 캐소드(17)와 베인(15)사이의 중간위치에 존재하는 전자들은 자계에 의해 크게 편향되어 전자들간에 속도와 힘에 따라 전자군이 형성되며, 상기 베인(15)에 가까운 위치에 존재하는 전자들은 전계와 근접한 거리이므로 베인(15)에 도달하게 된다.

이러한 전자의 편향으로 인해 전자들이 전자군을 형성하면서 높은 전위인 베인(15)으로의 진행을 반복적으로 수행하여 상기 베인(15)에는 전자군이 회전하는 속도에 대응하는 2450MHz대(기본파) 마이크로파가 발생한다.

따라서, 상기 베인(15)에서 발생된 마이크로파 에너지는 동축선(49)을 통해 전도되면서 마그네트론의 출력부로 복사되어 도파관을 통해 전자렌지의 캐비티내로 전달된다.

한편, 양극통체(13)에는 발진이 이상적으로 이루어져도 온도중가나 반사파 또는 전자렌지와 마그네트론의 임피던스결함으로 여러가지의 마이크로파를 발생하게 되고, 상기 양극통체(13)에서 발생된 마이크로파는 대부분이 동축선(49)을 통해 전도되면서 많은 고조파성분을 포함한다.

이때, 상기 양극통체(13)에서 발생되는 고조파에 의해 작용공간(14)내에 존재하는 캐소드(17)가 영향을 받는데, 이는 마이크로파 에너지가운데 고조파 노이즈를 상기 캐소드(17)가 안테나 역활을 해서 전파를 받는 것이다.

전파를 받은 캐소드(17)는 연결된 외부 및 중앙리이드선(23,25)과 외부접속단자(29,31)에 노이즈를 전달하는데, 상기 외부 및 중앙리이드선(23,25)과 외부접속단자(29,31)도 외부의 전원단과 연결되어 있어 고조파 노이즈는 전원공급선을 통해 전원을 인가하는 방향으로 전송된다.

이와같이, 상기 출력부와 음극부를 통해 외부로 누설되는 고조파성분과 노이즈는 상기 양극통체(13)에서 발생되는 고조파에 의한 것이므로 본 고안에서는 고조파성분을 발생시키는 상기 양극통체(13)에서 기본주파수를 증가시키고 고조파와 노이즈를 차폐하기위해 제6도에 도시한 바와같이, 상기 베인(15)과 작용공간(14)내에 일정한 전계를 형성한다.

이는, 상기 베인(15)과 작용공간(14)내에 형성되는 전계와 자계에 의해 전자가 작용공간(14)내에서 일정한 전자군을 형성하게 되고, 상기 작용공간(14)내에서 일정하게 형성된 전자군은 마그네트론의 주파수를 기본고주파에 맞추어 고조파성분을 제거하고 기본파를 증가시켜 상기 마그네트론에서 발생되는 마이크로파 에너지를 안정화시킬 수 있다.

즉, 전계(E)만이 존재하는 작용공간(14)내에서 전자가 받는 힘(F)은 아래의 (1)식에 도시한 바와같다.

또한, 자계(B)만이 존재하는 작용공간(14)내에서 전자가 받는 힘(F)은 아래의 (2)식에 도시한 바와같다.

또, 전계(E)와 자계(B)가 동시에 존재하는 작용공간(14)내에서 전자가 받는 힘(F)은 아래의 (3)식에 도시한 바와같다.

따라서, 종래의 캐소드(75)는 제2도에 도시한 바와같이, 캐소드피치(t)가 두께(r)보다 크기 때문에 제3도에 도시한 바와같이, 베인(73)과 작용공간(74)내 전계분포(ⓑ)가 균일하지 못하여 작용공간(74)내에 일정한 전자군을 형성하지 못하고, 이로 인해 양극통체(71)내에 발생하는 고조파성분을 효과적으로 차폐할 수 없었다.

이에 반해, 본 고안에서는 제5도에 도시한 바와같이, 캐소드피치(T)가 두께(R)보다 작은 거리를 유지하여 제 6도에 도시한 바와같이, 베인(15)과 작용공간(14)내 전계분포(ⓐ)가 균일하도록 작용공간(14)내에 일정한 전자군을 형성하고, 양극통체(13)내에서 발생하는 고조파성분을 종래에 비해 더욱 효과적으로 차폐시킬 수 있다.

결론적으로, 전자에 영향을 주는 요소는 전계와 자계로 전자군과 최종 마이크로파의 발진주파수를 결정하게 되는 것이다.

상기 양극통체(13)에 전달되는 역마이크로파나 노이즈가 적으면, 양극통체(13)에서 발생되는 열이 감소되어 결과적으로 마그네트론에서 발생되는 열을 감소할 수 있기 때문에 방열판(57)에서 방열되는 열이 적게되어 마그네트론의 형상을 축소할 수 있다.

상기의 설명에서와 같이 본 고안에 의한 마그네트론의 캐소드구조에 의하면, 캐소드피치와 두께를 조절하여 베인과 작용공간내에 균일한 전계와 자계를 형성함으로써 기본파를 중가시키고 고조파성분을 제거하여 안정된 마이크로파 에너지를 공급할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.

Claims (5)

1. 열전자를 방출하는 캐소드(17)와, 상기 캐소드(17)로부터 방출되는 전자를 편향하여 회전운동을 유지하도록 자속을 발생하는 영구자석(41,43)과, 상기 영구자석(41,43)에서 발생된 자속을 유도하도록 자로를 형성하는 제1및 제2자극편(33,35)과, 상기 캐소드(17)를 외측에서 둘러싸서 마이크로파를 발생하도록 다수의 베인(15)이 배치된 양극통체(13)와, 상기 양극통체(13)에서 발생된 마이크로파를 안테나(47)로 유도하는 동축선(49)과, 상기 동축선(49)을 통해 유도된 마이크로파를 유기하는 안테나캡(51)과, 상기 양극통체(13)의 내부를 진공으로 밀봉하도록 상기 제1 및 제2자극편(33,35)의 상하부에 용접고착된 상부 및 하부금속관(37,39)과, 상기 상부급속관(37) 및 상기 안테나캡(51)을 절연시키도록 상기 상부급속관(37)의 상부에 접합된 절연링(45)과, 상기 캐소드(17)에 전원을 공급하도록 외부접속단자(29,31)에 접합된 외부 및 중앙리이드선(23,25)과, 상기 외부 및 증앙리이드선(23,25)을 지지고정하도록 상기 하부급속관(39)의 하부에 접합된 절연세라믹(27)으로 이루어진 마그네트론에 있어서, 상기 캐소드(17)는 상기 양극통체(13)에서 발생되는 고조파 및 노이즈성분을 감쇠시키도록 캐소드피치(T)를 줄이는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 캐소드구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 캐소드(17)는 작용공간(14)내에 균일한 전자계를 형성하도록 외부직경(D)을 동일하게 유지하면서 캐소드와이어의 두께(R) 및 캐소드피치(T)를 줄이는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 캐소드구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 캐소드(17)는 상기 상부 및 하부엔드햇(19,21) 사이에 전기저항을 일정하게 유지하면서 상기 작용공간(14)내에 균일한 전계를 형성하도록 캐소드와이어의 두께(R)를 줄이고 전체길이를 증가하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 캐소드구조.
4. 제1항에 있어서, 상기 캐소드피치(T)는 그 길이가 캐소드와이어의 두께(R)보다 작은 것을 특징으로 하는 마그네트론의 캐소드구조.
5. 제1항에 있어서, 상기 캐소드피치(T)는 그 길이가 0.2mm에서 1.0mm이내인 것을 특징으로 하는 마그네트론의 캐소드구조.