KR100757087B1 - 마그네트론 - Google Patents

Abstract

본 발명의 마그네트론은 원통형의 음극과, 음극을 동축상으로 둘러싸고 있는 양극, 및 양극과 연결되어 있는 공진회로를 구비하고, 양극에는 주기적으로 형성된 미세 변형부를 구비하여 동작모드에서 전자파 뭉침 현상을 가속화시켜 초기 발진 시간과 노이즈를 감소시킬 수 있다.

마그네트론, 전자파 발진, 미세 변형부, 양극, 노이즈

Description

마그네트론 {Magnetron}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네트론 발진회로의 개략적인 단면도이고,

도 2는 도 1의 마그네트론 발진회로의 구조를 설명하기 위한 도면이고,

도 3a 및 도 3b는 각각 도 1의 마그네트론과 도 9의 마그네트론의 전자빔의 분포를 2 nsec에서 측정하여 도시한 도면이고,

도 4a 및 도 4b는 각각 도 1의 마그네트론과 도 9의 마그네트론의 전자빔의 분포를 7 nsec에서 측정하여 도시한 도면이고,

도 5a 및 도 5b는 각각 도 1의 마그네트론과 도 9의 마그네트론의 시간 변화에 따른 전압 신호를 나타내는 그래프이고,

도 6a 및 도 6b는 각각 도 1의 마그네트론과 도 9의 마그네트론에서 측정한 전압 신호의 주파수 성분을 나타내는 그래프이고,

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네트론 발진회로의 개략적인 단면도이고,

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 마그네트론의 다른 실시예를 도시한 도면이며,

도 9는 종래의 마그네트론 발진회로의 개략적인 단면도이다.

본 발명은 마그네트론에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마그네트론의 양극에 주기적인 미세 변형부를 형성하여 노이즈를 감소시킬 수 있는 마그네트론에 관한 것이다.

일반적으로 마그네트론은 전자레인지 등의 가정용 제품에도 적용되어 널리 사용되는 마이크로파 생성 장치로서, 인가되는 전원에 의해 음극에서 전자를 방출하도록 하고, 이와 같이 전기장에서 방출된 전자를 마그네트에 의해 전기장과 수직으로 형성되는 자기장를 통해 회전운동하도록 하여 마이크로파가 발진되도록 하는 장치이다.

도 9는 종래의 A6 마그네트론의 발진 회로 부분에 대한 개략적인 단면도이다. 즉, 지면에 수직한 방향으로 형성되어 전자빔을 발생시키는 원통형 음극(1)이 중심에 위치하고, 이러한 원통형 음극을 양극(2)이 동축상으로 둘러싸고 있다. 또한, 양극(2)에는 방위각 방향으로 여러 개의 공진회로(3)가 주기적 구조를 가지고 위치한다. 이러한 마그네트론에서, 음극(1)에서 방출된 전자는 도시되지 않은 마그네트에 의하여 회전운동하며, 공진회로(3)에 의한 경계조건을 만족하는 여러 개의 모드 중 각 공진회로마다 π(180도) 만큼의 위상차이를 보이는 π 모드를 동작모드로 사용하고 있다. 즉, 음극(1)에서 발생된 전자빔은 공진회로(3)에 의하여 동작 모드를 형성하게 되고 이로 인해 형성된 전자빔 뭉침으로부터 전자파는 발 진된다. 이와 같이 전자빔으로부터 유도된 발진회로의 모드로부터 발진이 시작되는데, 초기 전원이 인가된 후 전자파 발진까지 어느 정도의 시간이 소요되며, 이러한 초기 발진 시간이 긴 경우 여러 가지의 모드가 형성 될 수 있는 시간을 제공하게 되어 원치 않는 노이즈가 발생될 수 있다.

이러한 노이즈를 제거하기 위하여, 주기적인 미세 자기장을 주 자기장에 추가해 마그네트론의 노이즈를 감소시키는 방법이 제안된 바 있으나[Applied Physics Letters, Vol. 83, No. 10, p1938 (2003) 및 Applied Physics Letters, Vol. 84, No. 6, p1016 (2004) 참조], 주기적인 미세 자기장을 발생시키기 위하여 추가 자석을 이용할 경우는 마그네트론의 크기 및 무게가 증가하게 되고 제작 비용도 증가할 뿐 아니라, 전자빔의 미세 조정이 가능하지 않는다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마그네트론의 양극에 주기적인 미세 변형부를 형성하여 초기 발진 시간을 줄이고 노이즈를 감소시킬 수 있는 마그네트론을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 추가적인 자석을 사용하거나 마그네트론의 크기나 무게를 증가시킴 없이 노이즈를 감소시킬 수 있는 마그네트론을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상호작용 회로의 구체적인 구조에 관계없이 초기 발진 시간을 감소시키고 노이즈를 감소시킬 수 있는 마그네트론을 제공하는 것이다.

이러한 목적 및 기타 목적을 이루기 위하여, 본 발명에 따르는 마그네트론은 양극에 주기적인 미세 변형부를 형성하는 구조를 가진다. 즉, 본 발명에 따르는 마그네트론은 원통형 음극과, 음극을 동축상으로 둘러싸고 있는 양극, 및 양극과 연결되어 있는 공진회로를 구비하며, 양극에는 미세 변형부가 방위각 방향으로 주기적으로 형성되어 있다.

바람직하게, 양극이 복수로 형성되는 경우, 미세 변형부는 복수의 양극 전부에 형성되거나, 복수의 양극 중 절반의 양극에만 형성될 수 있다.

또한, 미세변형부는 양극의 표면으로부터 돌출한 돌출부 및/또는 양극의 표면으로부터 들어간 오목부로 이루어질 수 있으며, 돌출부와 오목부가 서로 교대로 형성되거나, 미세변형부가 형성된 양극과 변형부가 형성되지 않은 양극이 서로 교대로 형성될 수 있다.

미세 변형부는 음극의 축방향과 수직한 면에서의 단면이 직사각형, 정사각, 원형, 타원형, 삼각형, 사다리꼴 기타 다각형을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다.

본 발명은 마그네트론의 공진회로가 베인형(vane type), 슬롯형(slot type), 홀앤드슬롯형(hole and slot type)인 비 스트랩형(unstrapped) 마그네트론 뿐 아니라 라이징선형 마그네트론(risingsun magnetron)이나 스트랩형 마그네트론(strapped magnetron)에도 적용할 수 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 가리킨다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네트론을 설명한다. 제1 실시예에 따른 마그네트론은 A6형의 마그네트론으로서, 지면에 수직한 방향으로 형성되어 전자빔을 발생시키는 원통형 음극(10)이 중심에 위치하고, 이러한 원통형 음극을 양극(20)이 동축상으로 둘러싸고 있다. 양극(20)은 음극(10)과의 사이에 환상의 상호작용 영역을 가지도록 방위각 방향으로 주기적으로 짝수 개로 배치되어 있다. 본 실시예에서는 양극(20)이 6개가 형성되어 있으며, 각각의 양극에는 미세 변형부(40)가 형성되어 있다. 미세 변형부(40)는 양극(20)의 내부 표면에서 돌출한 돌출부(41)와 양극(20)의 표면에서 들어간 오목부(42)로 형성될 수 있으며, 각각의 돌출부(41)와 오목부(42)는 서로 교대로 형성되어 있다. 즉, 도 2에서와 같이, 방위각 크기 θ_a를 가지며 반지름 r_a에 위치하고 있는 양극(20)을 엇갈려 가며 미세 변형부(40)가 형성되어 되어있는데, 홀수 번째 양극은 방위각 크기 θ_p를 갖는 중심부분이 음극 쪽으로 Δr_p만큼 돌출하여 반지름 r_a-Δr _p 가 되게 형성되어 있고, 짝수 번째 양극은 방위각 크기(θ_s) 를 갖는 중심부분이 Δr_s만큼 들어가 반지름 r_a+Δr_s가 되도록 형성되어 있다.

또한, 양극(20)과 연결되어 주기적으로 공진 회로(30)가 형성되어 있다. 도시되지 않은 마그네트가 음극(10)의 축방향과 수직하게 배치되어 음극(10)에서 방출되는 전자를 회전 운동시키게 된다.

이러한 제1 실시예의 동작원리는 다음과 같다.

음극(10)에서 방출된 전자가 도시되지 않은 마그네트에 의하여 생성된 자기장에 의해 회전운동하며, 공진 회로(30)에 의한 경계조건을 만족하는 여러 개의 모드 중 발진을 위해서 각 공진회로마다 π(180도) 만큼의 위상차이를 보이는 모드를 동작모드로 하여 전자빔 뭉침 현상이 발생한다. 이 때, 주기적으로 형성된 미세 변형부(40)에 의한 전기장의 변형은 전자빔 속도의 변화를 가져오게 하여 결국 일정영역에 원하는 모드 형태의 주기성을 가지는 전자빔 뭉침 효과를 가져온다. 이러한 효과는 초기 발진 시간을 단축하여 불필요한 노이즈를 줄여주고, 노이즈가 줄어든 전자빔 뭉침 현상에 의하여 전자파가 발진되게 된다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예의 마그네트론과 도 9의 종래의 마그네트론을 비교하여 초기 발진 시간이 줄어드는 것을 증명하는 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션을 위해서 마그네트론의 음극과 양극 사이에서는 350 kV의 전압이 걸리고, 음극의 축 방향으로 7.2 kG의 자기장이 인가되는 조건에서, 발진회로의 음극 반지름은 1.58 cm이고 양극반지름(r_a)과 공진 회로 반지름은 각각 2.11cm, 4.11cm, 양극과 공진회로의 방위각 크기(θ_a,θ_v)는 각각 40도와 20도로 설정하였다. 본 발명의 마그네트론에서 미세변형부의 반지름(Δr_p, Δr_s)은 양극 반지름(r_a)의 3.5%되는 길이를 사용하였고, 방위각 크기(θ_p,θ_s)는 8도의 크기로 설정하였다. 도 3a는 2 nsec에서 본 발명의 제1 실시예의 마그네트론의 발진회로에서 측정한 전자빔의 분포이고 도 3b는 2 nsec에서 도 9의 종래의 마그네트론의 발진회로에서 측정한 전자빔의 분포이다. 도 3a와 도 3b를 대비하여 보면, 종래의 마그 네트론 발진회로의 전자빔 분포는 전자빔이 뭉치는 영역이 없이 방위각 방향으로 균일하게 분포되어 있지만(도 3b), 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네트론 발진회로는 전자빔이 방위각 방향으로 3개의 뭉치를 만들기 시작하는 것을 볼 수 있다(도 3a 참조) 또한, 도 4a와 도 4b는 7nsec에서 전자빔의 분포를 비교한 것으로서, 도 4b에서 종래의 마그네트론 발진회로의 구조에서는 전자빔이 일정한 공간에 모이기 시작하는데, 도 4a에서 본 발명에 따른 마그네트론 발진회로에서는 완전히 생성된 전자빔의 뭉치가 공간상에 분포하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 발진시간을 비교하기 위해 공진 회로(30, 3)에서 측정한 전압신호는 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 도 5b의 종래의 마그네트론 발진회로에서는 3.24 nsec에서 발진이 시작되고 11.88 nsec에서 안정적인 신호의 발진을 나타내는데 반하여, 도 5a에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에 따른 이용한 마그네트론은 최초 발진시간이 1.6 nsec로 종래보다 약 2배정도 빠르게 발진되고 있음을 확인할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 이렇게 단축된 초기 발진 시간이 실제로 노이즈 감소에 영향을 주었는지를 확인하여주는 주파수 성분 결과이다. 그래프에서 주파수 1.95 GHz와 3.9 GHz를 갖는 2개의 강한 성분이 각각 π 모드와 2π 모드 성분이다. 도 6b의 종래의 마그네트론 발진회로에서는 π 모드 성분 외에 π모드와 80 MHz와 120 MHz의 주파수 차이를 보이는 성분이 발생되고 있다. 반면에, 도 6a에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네트론 발진회로에서는 이러한 성분이 거의 나타나지 않아 노이즈가 감소한 것을 확인할 수 있다.

다음으로 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.

본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예와 유사하며, 미세변형부가 다른 것이다. 즉, 본 발명의 제2 실시예의 마그네트론 발진회로는 돌출부(41)만이 절반의 양극에 형성되어 있으며, 돌출부(41)가 형성된 양극(30)과 돌출부(41)가 형성되니 않은 양극(30)이 서로 교대로 배치되어 있다. 이러한 제2 실시예에서도 이러한 돌출부(41)에 의한 전자빔 뭉침 현상에 의하여 초기 발진 시간이 줄어들고 노이즈가 감소되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도시되지는 않았지만, 제2 실시예에서 돌출부(41) 대신에 오목부만이 형성되어도 비슷한 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 전술한 실시예에서 미세 변형부의 형상이 도시되었으나, 미세 변형부는 이러한 형상에 한정되는 것이 아니며, 그 단면이 직사각형, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 사다리꼴, 기타 다각형을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있고, 미세 변형부의 단면을 이루는 일부 선분이 직선, 원호 또는 기타 곡면으로 이루어질 수도 있다.

이러한 미세 변형부의 형상, 구조 및 그 배치 방법 등은 마그네트론의 설계에 따라 다양하게 변경시킬 수 있으며, 이러한 변경에 의하여 전자파 뭉침 현상을 미세하게 조정할 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 마그네트론 발진회로의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2는 베인형(vane type)의 마그네트론 발진회로인 A6 마그네트론에 미세 변형부를 형성한 것이었으나, 도 8a에 도시된 슬롯형(slot type)의 마 그네트론이나 도 8b에 도시된 라이징선형(rising sun type)의 마그네트론에도 적용이 가능할 뿐 아니라 도 8c에 도시된 바와 같이 스트랩형(strapped type) 마그네트론에도 본 발명의 적용이 가능하다. 또한, 본 발명은 도시된 형태의 마그네트론 뿐 아니라 기타 어떠한 형태의 마그네트론에도 적용이 가능하여, 마그네트론의 공진회로의 구조에 제한을 받지 않는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 마그네트론은 양극에 미세 변형부를 형성하여 추가적인 자석을 사용하지 않고도 노이즈가 감소된 전자파 발진이 가능하다. 따라서, 본 발명은 마그네트론의 크기나 무게를 증가시킴 없이 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있는 것이다.

또한, 본 발명은 마그네트론의 구조나 상호작용 회로의 구체적인 구조에 관계없이 초기 발진 시간을 감소시켜 효과적으로 노이즈를 감소시킬 수 있다.

더욱이 본 발명은 미세 변형부의 구조 및 그 배열 방법 등을 조정하여 전자빔 뭉침 현상을 미세하게 조정할 수 있어서 소망하는 마그네트론 작동을 유도할 수 있다.

이상에서 본원 발명의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다.

Claims (8)

1. 원통형의 음극;

   상기 음극과 소정 거리로 이격되어 상기 음극을 동축상으로 둘러싸고 있는 양극; 및

   양극과 연결되어 있는 공진회로;

   를 포함하고,

   상기 양극에는 방위각 방향으로 주기적으로 형성된 미세 변형부를 포함하는 마그네트론.
2. 제1항에 있어서,

   상기 양극은 복수 개로 형성되어 있고,

   상기 미세 변형부는 복수의 양극 전부에 형성되어 있으며,

   양극의 표면으로부터 돌출한 돌출부와

   양극의 표면으로부터 들어간 오목부를 포함하고,

   상기 돌출부와 오목부는 서로 교대로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
3. 제1항에 있어서,

   상기 양극은 복수 개로 형성되어 있고,

   상기 미세 변형부는 복수의 양극 중 절반의 양극에만 형성되어 있으며,

   미세 변형부가 형성된 양극과 변형부가 형성되지 않은 양극이 서로 교대로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론
4. 제3항에 있어서,

   상기 미세 변형부가 양극의 표면으로부터 돌출된 돌출부인 것을 특징으로 하는 마그네트론.
5. 제3항에 있어서,

   상기 미세 변형부가 양극의 표면으로부터 들어간 오목부인 것을 특징으로 하는 마그네트론.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 미세 변형부는 상기 음극의 축방향과 수직한 면에서의 단면이 직사각형, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 사다리꼴, 다각형을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
7. 제6항에 있어서,

   상기 미세 변형부의 단면을 이루는 선분이 직선 또는 원호 또는 곡선을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 공진 회로는 베인형(vane type), 슬롯형(slot type), 홀앤드슬롯형(hole and slot type), 라이징선형(risingsun type), 스트랩형(strapped)에서 선택되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.

Images