KR100304809B1 - 마그네트론의음극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네트론의 음극에 관한 것으로서, 특히 저전압 하에서 마그네트론의 고출력을 가능하게 하는 동시에 마그네트론의 수명을 연장하는데 그 목적이 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원통형의 양극과, 상기 양극의 내주면 상에 방사상으로 형성된 다수의 베인과, 상기 양극의 중심축에 위치하는 원통형의 음극이 구비된 마그네트론에 있어서, 상기 음극은 전자방사물질이 내재되어 있는 니켈-바륨 재질로 구성되거나 니켈과 같은 임의의 금속으로 구성된 경우에는 그 내부면에 전자방사물질인 산화물이 도포되며, 음극의 측면에는 다수의 슬롯이 형성된 것이다.

Description

마그네트론의 음극{Cathode of magnetron}

본 발명은 마그네트론에 관한 것으로서, 특히 마그네트론의 수명연장을 위한마그네트론의 음극에 관한 것이다.

일반적으로 원통형의 금속 표면에 전자방사 물질인 산화물층을 형성하거나 바륨 등과 같은 전자방사물질이 내재되어 있는 니켈-바륨 등과 같은 재질로 이루어진 원통형의 음극은 주로 펄스를 이용하는 마그네트론에 사용하고 있으며, 고주파 출력을 이용하는 연속파 마그네트론에는 거의 사용되지 않고 있다.

상기한 음극을 채용한 마그네트론은 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형의 양극(1)과, 상기 양극(1)의 내벽면 상에 방사상으로 형성되어 있는 베인(2)과, 상기 양극(1)의 중심축상에 위치하는 원통형의 음극(3)으로 구성되어 있다.

또한, 상기 양극(1)과 음극(1)의 사이에는 전자의 마이크로파 변환이 이루어지는 작용공간(4)이 형성되고, 상기 베인(2)과 베인(2) 사이의 공간에는 고주파 전계가 인가되는 공진기(5)가 형성된다.

도면상의 미설명 부호 6,7은 음극(3)을 지지하기 위한 상,하 엔드실드이다. 이와 같이 구성된 상태에서 음극(3)에 전원이 인가되면 음극(3)으로부터 다량의 전자가 방출된다.

이 전자는 음극(3)과 양극(1) 사이에 인가된 직류전압과, 영구자석(도면상에 미도시)에 의해 음극(3)의 축방향으로 인가되는 자기장에 의해 작용공간(4) 내에서 사이클로이드 운동을 하게 되며, 이와 함께 임의의 베인(2)과 그의 인접한 베인(2) 사이의 공간으로 이루어진 공진기(5)에 인가되어 있는 고주파 전계와 또한 상호 작용을 하게 된다.

이에 따라, 고주파 전계에 자신이 가지고 있는 에너지를 전달할 수 있는 전자들은 고주파 전계에 에너지를 주면서 양극(1) 쪽으로 진행하지만 작용공간(4)으로 방사된 전자의 일부는 고주파 전계에 자신이 가지고 있는 에너지를 주지 못하고 음극(3) 쪽으로 되돌아오게 되며, 이로 인해 상기 음극은 전자역충격을 받고 손상을 입게 된다. 이를 전자역충격이라 칭한다.

이러한 전자역충격에 의해 음극(3)의 표면에 도포되어 있는 산화물층이나 전자방사 물질이 쉽게 파괴되므로 고주파 출력을 이용하는 연속파 마그네트론에는 사용할 수 없게 되는 것이다.

통상 고주파 출력의 3∼7% 정도는 이 전자역충격으로 소비되므로 고주파 평균출력 약 500watt 이상의 마그네트론에 있어서는 이러한 전자역충격에 의해 전자방사부분이 쉽게 파괴되어 마그네트론의 수명에 치명적인 영향을 미치게 되었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 음극을 니켈-바륨으로 구성하거나 음극의 내부면에 산화물 처리를 하고, 음극의 측면에 다수의 종장형 슬롯을 형성하여 음극의 외부면 및 내부면에서 전자를 방사하도록 함으로써 저전압 하에서 마그네트론의 고출력을 가능하게 하는 동시에 수명을 연장하기 위한 마그네트론의 음극을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 마그네트론의 양극과 음극을 나타낸 것으로서,

(가)는 평면도,

(나)는 정면도,

도 2는 본 발명에 의한 마그네트론의 음극 구성도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음극 구성도,

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101; 음극 102,202; 슬롯

103; 상엔드실드 104; 하엔드실드

105; 센터리드 106; 사이드리드

이하, 본 발명에 의한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과같다.

도 2는 본 발명에 의한 마그네트론의 음극 구성도로서, 음극(101)에는 다수의 슬롯(102)이 형성되고, 상기 음극(101)의 상단에는 상엔드 실드(103)가 마련되고, 하단에는 하엔드 실드(104)가 마련되어 있다. 그리고, 상기 음극(101)의 중앙에는 음극(101)에 외부 전원을 인가하는 센터리드(105)가 마련된다. 하엔드 실드(104)의 저면 일측부에는 사이드 리드(106)가 마련된다.

여기에서, 음극(101)은 전자방사 물질이 내재되어 있는 니켈-바륨 재질로 구성되거나 니켈과 같은 임의의 금속 재질로 구성된 경우에는 음극(101)의 내부면에 전자방사 물질인 산화물을 도포하여 구성하게 된다.

이와 같은 음극(101)은 대략 직사각 형상의 평판으로 된 것으로, 일측단과 타측단을 서로 접하도록 말아서 원통형으로 형성되는 것이다. 그리고, 다수의 슬롯은(102)은 음극(101)의 수직방향으로 복수의 열로 형성된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 슬롯(102)은 음극(101)의 수직방향으로 일측 끝단에서 타측 끝단까지 형성된다.

이렇게 원통형으로 형성된 음극(101)의 상단과 하단을 각각 상엔드 실드(103)와 하엔드 실드(104)에 용접 고정한다.

여기에서, 상기 음극(101)에 형성된 다수의 슬롯(102)은 수직방향으로 형성되는 장공이다.

이하에서는 본 발명에 의한 작용을 설명한다.

먼저, 본 발명은 저전압 하에서 고출력을 가능하게 하기 위한 것으로, 현재가장 널리 사용되고 있는 마그네트론은 고주파 출력이 약 1000watt, 동작전압이 약 4kV이며, 이 마그네트론에 사용되는 음극(101)은 토륨-텅스텐 재질의 필라멘트형으로 구성되어 있고, 이 음극(101)을 동작시키기 위한 전력은 약 30∼50watt 정도 소비된다.

여기서, 음극(101)의 최대 전자 방사량은 음극(101)의 표면적에 비례하여 나타나게 되는데, 예를 들어 1000watt 출력급 마그네트론을 1kV 이하의 저전압에서 동작시키고자 한다면 기존보다 많은 전류량이 필요하므로 자연히 음극(101)의 크기가 커질 수밖에 없고, 1000watt 이상의 대출력을 얻기 위해서도 전류량이 커져야 되므로 또한 음극(101)의 크기가 커지게 된다.

한편 동일한 재질을 사용하는 음극(101)의 경우 음극(101)에 인가되는 전력은 그 표면적이 비례하여 나타나게 되는데, 아래에는 상기에 설명한 바를 비례식으로 나타내었다.

음극의 인가전력 ∝ (음극의 동작오도) ^ 4 × 음극의 표면적

이와 같이, 음극(101)의 인가전력은 음극(101)의 동작온도 및 음극(101)의 표면적에 비례하여 커지게 된다.

예를 들어 표면적이 큰 음극(101)을 사용할 경우 토륨-텅스텐 재질의 음극(101)은 1650℃에서 동작하기 때문에 이를 동작시키기 위해서는 자연히 음극(101)의 인가전력이 커지게 되므로 마그네트론 설계도 어렵게 할 뿐만 아니라 마그네트론의 효율성을 저하시키게 되는 것이다.

본 발명에 의한 실시예는 이러한 점을 해결하기 위한 것으로, 음극(101)의동작온도가 약 800∼1000℃ 정도인 니켈과 같은 임의의 금속 내부면에 전자방사 물질인 산화물을 도포하거나 전자방사 물질이 내재되어 있는 바륨 성분을 함유하고 있는 니켈-바륨 재질로 음극(101)을 구성한 것이다.

또한, 전자역충격에 대해 보호받을 수 있도록 음극(101)의 측면에 다수의 종장형 슬롯(202)을 형성한 것이다.

이에 따라, 슬롯(202)이 형성된 음극(101)이 가열되면 원통의 외부면 뿐만아니라 내부면에서도 다량의 전자가 작용공간으로 방사된다.

작용공간으로 방사된 전자들은 양극과 음극(101) 사이에 인가된 직류전압과, 영구자석에 의해 음극(101) 축방향으로 인가되는 자기장에 따라 작용공간 내에서 사이클로이드 운동을 시작한다.

이와 함께, 베인과 베인 사이의 공진기에 인가되어 있는 고주파 전계와 상호 작용을 하게 된다.

이때, 일부 전자들은 고주파 전계에 자신이 갖고 있는 에너지를 전달하면서 양극쪽으로 진행하지만 그 외의 전자는 자신이 갖고 있는 에너지를 고주파 전계에 전달하지 못하고 음극(101)쪽으로 되돌아오게 된다.

이러한 전자역충격으로 인해 음극(101)의 외부면에 노출된 전자방사총은 손상을 입게 되나 음극(101)의 내부면에 있는 전자방사총은 전자역충격으로부터 보호받을 수 있게 되어 계속적으로 안정되게 전자를 방사할 수 있는 것이다.

실제로 동작전압이 최대 2kV인 마그네트론까지 시험해 본 결과 산화물층이 음극(101) 외부면에 도포되어 있는 일반적인 음극(101)의 경우 그 수명은 약 1∼2시간 정도였으며, 본 발명에 의한 음극(101)의 경우에는 1000시간 이상에서 안정적으로 동작됨을 확인하였다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 전자 방사량을 많게 하기 위하여 슬롯(202)을 음극(101)의 일측 끝단에서 타측 끝단까지 구성한 것이다.

상기와 같이 형성된 음극(101)에서, 센터리드(105)를 통하여 인가되는 전류가 음극(101)의 상단이 고정된 상엔드실드(103)로 전달된다. 그런 다음, 전류는 원통으로 된 음극(101)을 타고 음극(101)의 하단이 고정된 하엔드실드(104)로 전달되어 사이드리드(106)로 흐르게 된다.

즉, 음극(101)은 상단에 고정된 상엔드실드(103)에서 전달되는 전류가 슬릿(102)사이를 거치면서 전체가 가열되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 저전압하에서 고출력이 가능해지며, 트히 동작전압이 2kV 이하인 마그네트론 및 고주파 출력이 2kW 이상의 고출력 마그네트론의 수명 개선에 대단한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 원통형의 양극과, 상기 양극의 내주면 상에 방사상으로 형성된 다수의 베인과, 상기 양극의 중심축에 위치하는 원통형의 음극이 구비된 마그네트론에 있어서,

   상기 음극은 전자방사물질이 내재되어 있는 니켈-바륨 재질로 구성되고, 다수의 슬롯이 복수의 열로 형성되며, 상기 복수의 슬롯 사이로 전류가 흘러 음극이 가열되어 전자가 방사되는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 음극.
2. 원통형의 양극과, 상기 양극의 내주면 상에 방사상으로 형성된 다수의 베인과, 상기 양극의 중심축에 위치하는 원통형의 음극이 구비된 마그네트론에 있어서,

   상기 음극은 니켈 또는 임의의 금속으로 구성되고,

   상기 음극의 내부면에는 전자방사물질인 산화물이 도포되며,

   상기 음극의 측면에는 다수의 슬롯이 복수의 열로 형성되며, 상기 복수의 슬롯 사이로 전류가 흘러 음극이 가열되어 전자가 방사되는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 음극.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슬롯이 음극의 수직방향으로 일측 끝단에서 타측 끝단까지 구성된 것을 특징으로 하는 마그네트론의 음극.