KR101011679B1 - Pulse Electron Beam Amplifier using One Side of a Cavity Resonator - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 전자증폭기는 진공 상태의 공동 공진기를 사용한다. 공진기는 최소한 한쪽 면이 평평한 형태이어야 한다. 평평한 한쪽 면과 마주보는 다른 면 사이에 일정한 DC 전압을 인가한다. DC 전압을 인가하기 위해서는 두 면사이의 벽이 유전체로 되어 있거나 진공 갭을 넣어 전기적으로 절연되도록 구성한다. DC전압인가에 의한 전기장의 방향과 평행하게 전기장이 형성되도록 AC전압을 인가해야 하는데 전자기파를 공진기에 인가함으로써 강력한 AC 전압이 두 면 사이에 인가되도록 할 수 있다. 전자증폭이 일어나는 면에 대해서 전자가 수직으로만 운동하도록 DC전압과 AC전압을 인가하는 것이 바람직하다. DC전압과 AC전압을 평행한 방향이 되도록 동시에 인가되면 공동 공진기의 한쪽 면에서만 이차전자 발생 또는 소멸에 의한 전자증폭이 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 한 면에서만 전자증폭이 이루어지는 상황에서 DC와 AC의 전압 비율을 적절히 맞추면 위상 잠김(phase locking) 현상이 일어나 전자증폭현상이 강하게 일어남으로써 높은 전류밀도 조건에서도 안정적으로 전자증폭현상이 나타나도록 할 수가 있다.The electron amplifier according to the present invention uses a cavity resonator in a vacuum state. The resonator shall be at least flat on one side. A constant DC voltage is applied between the flat side and the opposite side. In order to apply a DC voltage, the wall between the two surfaces is made of a dielectric or electrically insulated by inserting a vacuum gap. AC voltage should be applied so that the electric field is formed in parallel with the direction of the electric field by applying the DC voltage. By applying electromagnetic waves to the resonator, a strong AC voltage can be applied between the two surfaces. It is preferable to apply a DC voltage and an AC voltage so that the electrons move only vertically with respect to the plane where the electron amplification occurs. When the DC voltage and the AC voltage are applied in parallel to each other at the same time, the electron amplification by the generation or disappearance of secondary electrons can be made only on one side of the cavity resonator. In addition, when the voltage ratio between DC and AC is properly adjusted in the case of electron amplification only on one side, phase locking occurs, and the electron amplification phenomenon occurs strongly, so that the electron amplification phenomenon can be stably shown even under high current density conditions. There is a number.
이차전자, 합성 전압, 절연체, 진공갭, 돌출부, 전자빔 증폭 Secondary electron, composite voltage, insulator, vacuum gap, protrusion, electron beam amplification
Description
본 발명은 펄스 전자빔 증폭기에 관한 것으로서, 특히, 일정한 DC(Direct Current: 직류) 전압이 인가된 공동 공진기에 전자기파를 통해 AC(Alternating Current: 교류)을 부가적으로 인가함으로써 공진기의 한쪽 벽에서만 안정적으로 이차전자에 의한 전자증폭현상으로 펄스 전자빔을 발생시키는 전자빔 증폭기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
이차전자를 이용한 공동 공진기(cavity resonator) 내에서의 전자증폭기술에 대한 증폭원리의 설명과 실험적 증명은 50년이 넘게 이루어져 왔다. 이미 잘 알려진 기술임에도 불구하고 현재 이러한 전자증폭기술은 산업적 또는 학술적으로 거의 응용되고 있지 않다. The explanation and experimental proof of the amplification principle of electron amplification technology in cavity resonator using secondary electrons has been done for more than 50 years. Despite the well-known technologies, these electronic amplification technologies are rarely applied industrially or academically.
즉, 전자증폭기술은 공진기에 전자기파를 결합하여 공진기 양쪽 벽 사이에 주기적으로 변하는 AC전기장을 만들고 전자기파 주기의 반에 해당하는 시간 간격에 맞추어 전자가 한쪽 벽에서 다른 쪽 벽까지 이동해 충돌/흡수 되도록 함으로써 계속적으로 새로운 이차전자의 발생이 이루어지도록 하는 기술이다. 증폭을 위한 씨 앗(seed) 역할을 하는 전자를 인위적으로 공진기내에 주입하지 않아도 자연적으로 존재하는 극소량의 전자가 증폭에 사용될 최초의 일차전자(primary electron) 역할을 하는데, 충분한 시간동안 증폭이 반복되면 강력한 전자빔을 형성할 만큼 전자가 증폭되게 된다. 이때 증폭된 전자는 특정 증폭조건을 만족시켜야 하기 때문에 펄스 전자빔 상태로 발전하게 된다. 그러나 전자의 개수가 많아지면 전자간 서로 밀어내는 척력에 의해 증폭조건에서 벗어나는 전자의 비율이 증가하게 된다. 또한 인가되는 전자기파의 출력이 일정한 경우, 전자 개수가 증가함에 따라 가리움효과(screening effect)에 의해서 공진기 양쪽 벽 사이에 걸리는 전기장 세기가 약해지기 때문에 전자기파의 반주기 시간 내에 전자를 한쪽 벽에서 다른 쪽 벽까지 이동시키는데 실패할 수도 있다. 그 외에도 다양한 원인으로 인하여 점점 많은 전자들이 전자증폭조건에서 벗어나게 되어 더 이상 전자증폭이 일어나지 않는 포화(saturation) 상태에 이르게 된다. In other words, the electron amplification technology combines the electromagnetic wave with the resonator to create a periodically changing AC electric field between both walls of the resonator, and moves and collides / absorbs electrons from one wall to the other at a time interval corresponding to half the period of the electromagnetic wave. It is a technology that allows the generation of new secondary electrons continuously. Even if the electrons that act as seeds for amplification are not artificially injected into the resonator, very small amounts of naturally occurring electrons serve as the first primary electrons to be used for amplification. The electrons are amplified to form a powerful electron beam. At this time, the amplified electrons are required to satisfy a specific amplification condition and thus develop into a pulsed electron beam state. However, as the number of electrons increases, the ratio of electrons deviating from the amplification condition by the repulsive force between the electrons increases. In addition, when the output of the applied electromagnetic waves is constant, the field strength between both walls of the resonator is weakened by the screening effect as the number of electrons increases, so electrons are transferred from one wall to the other within the half-cycle time of the electromagnetic waves. It may fail to move. In addition, due to various causes, more and more electrons are released from the electron amplification conditions, leading to a saturation state where no electron amplification occurs.
도 1은 공동 공진기의 내부에 AC 전압을 인가하여 전자를 증폭하는 기존 전자증폭기의 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a conventional electron amplifier for amplifying electrons by applying an AC voltage inside the cavity resonator.
기존의 기술은 간략히 도 1에 나타낸 바와 같이 사방이 전기적으로 연결된 공진기 내부에 AC전기장(Ea)이 걸리도록 한다. 전자는 양쪽 벽 사이를 번갈아 오가며 충돌과 함께 이차전자를 발생시킨다. 한쪽 벽에서 다른 쪽 벽까지 전자가 이동하는 시간은 AC전기장 주기의 반으로써 새로운 이차전자의 발생과 AC전기장의 방향 전환이 거의 동시에 이루어진다. 한쪽 벽 또는 양 쪽 벽에 개구(grid)를 삽입하면 일부 전자가 공진기 밖으로 나오게 되는데 AC전기장의 주기만큼의 시간 간격으로 전자빔이 튀어나오게 되므로 펄스형 전자빔이 만들어진다. Existing techniques briefly take an AC electric field E a inside a resonator electrically connected in all directions as shown in FIG. 1. The electrons alternate between the walls, generating secondary electrons with collisions. The time that electrons move from one wall to the other is half the period of the AC electric field, and the generation of new secondary electrons and the redirection of the AC electric field occur almost simultaneously. Inserting a grid into one wall or both walls causes some electrons to come out of the resonator. As the electron beams come out at a time interval equal to the period of the AC electric field, a pulsed electron beam is created.
이와 같이 AC전기장과 공진기의 양쪽 벽을 이용하는 기존의 전자증폭기술에서는 전자증폭조건에서 벗어나는 전자들의 비율이 증가하는 것을 막을 수가 없다. 증폭조건에서 멀어지면 멀어질수록 더 강하게 증폭조건에서 멀어지려는 경향성을 가지기 때문에 더더욱 큰 문제가 된다. 즉, 전자들이 증폭조건에서 멀어지면 멀어질수록 더 많은 전자들이 증폭조건에서 멀어지려는 경향성을 가지기 때문이다. As such, in the conventional electron amplification technology using both walls of the AC electric field and the resonator, an increase in the ratio of electrons that deviates from the electron amplification condition cannot be prevented. The further away from the amplification condition, the greater the problem, because the more strongly there is a tendency to move away from the amplification condition. In other words, as the electrons move away from the amplification conditions, the more electrons tend to move away from the amplification conditions.
이러한 문제를 극복하기 위해 공진기 내에 인가하는 AC전기장의 세기가 충분히 큰 값이 되도록 하는 것이 가장 일반적인 방법이다. 강력한 AC전기장은 전자증폭 조건이 만족되는 시간을 증가시키는 효과가 있어 최종적으로 증폭된 전자 개수가 많아지게 한다. 그러나 이 방법을 사용하는 경우 전자기파의 주파수가 수GHz 이상일 경우 일반적으로 킬로와트(kW)급 이상으로 강한 전자기파를 공진기에 인가해야 한다. 전자기파의 주기가 올라가면 필요한 출력도 올라가는 경향성이 있기 때문에 수십 GHz 이상의 주기를 같은 AC전기장으로 전자를 증폭하고자 하는 경우는 비실용적으로 강력한 전자기파 소스를 사용해야 하는 문제가 생긴다. 이외에도, 전자기파가 손실 없이 공진기 내부에서 공진하도록 하기 위한 공진기 구조나 고출력의 전자기파 소스와 공진기를 결합하기 위한 장치 등으로 인하여 전체 장치가 복잡해지고 고비용이 요구되는 문제점도 있다.In order to overcome this problem, it is the most common method to make the intensity of the AC electric field applied to the resonator sufficiently large. A powerful AC electric field has the effect of increasing the time that the electron amplification condition is satisfied, which increases the number of finally amplified electrons. However, in this method, if the frequency of the electromagnetic wave is more than several GHz , the electromagnetic wave which is stronger than kilowatt (kW) level should be applied to the resonator. As the period of the electromagnetic wave rises, the required output also tends to increase, so if you want to amplify the electron with the same AC electric field over a period of several tens of GHz, you have to use an impractically powerful electromagnetic source. In addition, due to the structure of the resonator for resonating the electromagnetic wave inside the resonator without loss or a device for coupling the high-power electromagnetic wave source and the resonator, etc., there is a problem that the entire apparatus is complicated and expensive.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 공동 공진기에 AC전기장을 인가하면서 동시에 DC전기장을 AC전기장과 평행한 방향으로 합성 인가함으로써 AC전기장의 세기가 DC전기장의 세기만큼 이동하는 효과가 나게 하여, 그 결과 전자의 생성과 소멸이 공진기의 양쪽 벽이 아닌 한쪽 벽에서만 이루어지게 하고, 전자가 발생해서 원래의 위치로 돌아오는데 걸리는 시간이 AC전기장의 주기와 같게 되면 기존의 전자증폭기에서처럼 이차전자에 의한 전자증폭현상이 나타날 수 있는 펄스 전자빔 증폭기를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to apply an AC electric field to a cavity resonator and simultaneously apply a DC electric field in a direction parallel to the AC electric field, thereby increasing the strength of the AC electric field. The effect is to move by intensity, resulting in the generation and dissipation of electrons on only one wall, not on both walls of the resonator, and the time it takes for the electrons to generate and return to their original position equals the period of the AC electric field. It is to provide a pulsed electron beam amplifier that can exhibit the electron amplification phenomenon by secondary electrons as in the conventional electron amplifier.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 공동 공진기에 인가하는 AC전압과 DC전압의 비율을 적절히 맞추어 자체적으로 전자증폭조건을 계속 유지하려는 성질(phase locking)을 가지게 할 수 있어서, 전자증폭조건을 만족시키지 않은 전자가 전자증폭조건을 만족시키는 상태가 되도록 변화시킬 수 있고, 이에 따라 기존의 전자증폭기보다 많은 개수의 전자가 전자증폭조건을 만족하여 펄스 전자빔을 발생시킬 수 있는 펄스 전자빔 증폭기를 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a phase locking to maintain the self-amplification condition by appropriately adjusting the ratio of the AC voltage and the DC voltage applied to the cavity resonator, thereby not satisfying the electron amplification condition The present invention provides a pulsed electron beam amplifier capable of changing electrons to satisfy a condition of an electron amplification condition, and thus generating a pulsed electron beam with a larger number of electrons than a conventional electron amplifier. .
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은, 모든 면이 금속판으로 접합된 일반적인 공동 공진기에서는 양쪽 벽사이에 DC전압을 인가할 수 없는 것과는 달리, 두 판사이의 벽을 굴절률이 큰 유전체로 만들거나 금속면의 일부를 절개하여 진공갭(vacuum gap)을 형성하거나, 또는 주기적으로 배열된 유전체로 광결정(photonic crystal)을 만드는 방법 등으로, DC전압을 인가하는 두 판 사이를 전기적으로 절연시켜서, DC전압 만큼 편향된 합성 AC 전압을 두 판사이에 인가할 수 있도록 하여, 전자증폭이 한쪽 벽에서만 일어남과 동시에 전자증폭조건을 유지시키는 위상 잠김(phase locking)을 형성하여 펄스 전자빔을 발생시킬 수 있는 펄스 전자빔 증폭기를 제공하는 데 있다.Further, another object of the present invention is to make a wall between two plates made of a dielectric having a high refractive index, or a metal surface, unlike in a common cavity resonator in which all surfaces are joined by a metal plate, a DC voltage cannot be applied between both walls. By cutting a portion to form a vacuum gap or by making a photonic crystal with a regularly arranged dielectric, it is electrically isolated between two plates applying a DC voltage and deflected by DC voltage. By providing a composite AC voltage between the two plates, providing a pulse electron beam amplifier capable of generating a pulsed electron beam by forming a phase locking to maintain the electron amplification conditions at the same time the electron amplification occurs only on one wall There is.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전자빔 증폭기는, 내부가 진공 상태인 공동 공진기 구조로서, 상기 공동 공진기의 양쪽 면 사이에 직류 및 교류 전압에 의한 전기장이 평행하도록 상기 직류 및 교류 전압의 합성 전압을 인가하여, 상기 공동 공진기의 양쪽 면 중 어느 한 면에서 전자의 생성과 소멸이 반복되도록 하여 전자증폭현상을 통한 펄스 전자빔을 발생하는 것을 특징으로 한다.First, to summarize the features of the present invention, the electron beam amplifier according to one aspect of the present invention for achieving the above object of the present invention is a cavity resonator structure having a vacuum inside, a direct current between both sides of the cavity resonator And applying a combined voltage of the direct current and alternating voltage so that the electric field by the alternating current voltage is parallel, and generating and dissipating electrons on either side of the cavity resonator to generate a pulsed electron beam through the electron amplification phenomenon. Characterized in that.
상기 공동 공진기 구조는, 두 금속판 사이가 절연되도록 진공갭으로 분리하고, 상기 두 금속판 사이에 상기 합성 전압을 인가하는 구조를 포함한다.The cavity resonator structure includes a structure in which a vacuum gap is separated so that the two metal plates are insulated from each other, and the composite voltage is applied between the two metal plates.
상기 공동 공진기 구조는, 절연수단을 이용하여 두 평행 금속판 사이를 절연시키고, 상기 두 평행 금속판 사이에 상기 합성 전압을 인가하는 구조를 포함한다.The cavity resonator structure includes a structure that insulates between two parallel metal plates using insulating means, and applies the synthesized voltage between the two parallel metal plates.
상기 절연 수단은 소정 유전율을 가지는 절연체, 또는 주기적으로 배열된 광결정 구조의 유전체 막대를 포함한다.The insulating means comprises an insulator having a predetermined dielectric constant, or a dielectric rod of a photonic crystal structure arranged periodically.
상기 교류 전압으로서의 전자기파를 상기 유전체 막대를 통과하도록 인입시켜서 전자 증폭을 일으킬 수 있다.Electromagnetic amplification can be caused by drawing an electromagnetic wave as the alternating voltage through the dielectric rod.
상기 두 평행 금속판 중 어느 한 금속판에 개구를 형성하여 펄스 전자빔을 방출할 수 있다.An opening may be formed in one of the two parallel metal plates to emit a pulsed electron beam.
상기 두 평행 금속판 중 어느 하나 이상에 전자빔이 방출되는 방향과 수직한 길이 방향으로 돌출된 면을 형성할 수 있다.A surface protruding in a longitudinal direction perpendicular to the direction in which the electron beam is emitted may be formed in any one or more of the two parallel metal plates.
상기 합성 전압의 설정에 따라 상기 돌출된 면 또는 상기 돌출된 면을 제외한 해당 금속판에서 전자 증폭을 일으킬 수 있다.According to the setting of the synthesis voltage, electron amplification may be caused in the metal plate except for the protruding surface or the protruding surface.
상기 직류 전압의 방향을 바꾸어 인가하여 전자증폭이 발생하는 면을 다른 면으로 바꿀 수 있다.By changing the direction of the DC voltage is applied to the other surface can be changed to the surface where the electron amplification occurs.
상기 양쪽 면 중 전자증폭이 발생하는 면에 이차전자 방출 특성을 변화시키는 금속 또는 절연막을 코팅한 것을 이용할 수 있다.It is possible to use a coating of a metal or an insulating film for changing the secondary electron emission characteristics on the surface on which the electron amplification occurs on both surfaces.
본 발명에 따른 펄스 전자빔 증폭기에 따르면, DC전압과 AC전압을 평행한 방향으로 동시에 인가함으로써 공동공진기의 한쪽 벽에서만 이차전자 발생/소멸에 의한 전자증폭이 이루어지도록 하고, DC와 AC 전압의 적절한 전압 비율로 위상 잠김(phase locking) 현상을 일으켜 높은 전류밀도 조건에서도 안정적으로 전자증폭현상이 유지되도록 할 수 있다. According to the pulsed electron beam amplifier according to the present invention, by simultaneously applying the DC voltage and the AC voltage in a parallel direction, the electron amplification by the secondary electron generation / extinction is made only on one wall of the cavity resonator, and the appropriate voltage of the DC and AC voltage The ratio of phase locking can be achieved to maintain stable electron amplification even under high current density conditions.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. Like reference numerals in the drawings denote like elements.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 전자빔 증폭기(100)의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a pulsed
도 2의 단면도와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 전자빔 증폭기(100)는, 내부가 진공 상태인 공동 공진기(110)에 AC전기장(Ea)과 DC전기장(Ed)이 평행하도록 AC 전압 및 DC 전압을 합성한 전압이 인가될 수 있는 구조를 가진다. 즉, 공진기(110) 양쪽 면에 적절한 단자를 통하여 AC전압과 DC전압의 합성 전압을 인가함으로써 공진기(110) 한쪽 면에서만 전자의 생성과 소멸에 의한 전자증폭현상이 나타나도록 할 수 있다. 전자는 양쪽 면 사이의 공간을 운동하며 한쪽면에 충돌과 함께 이차전자를 발생시킨다. 한쪽 면 또는 양 쪽 면에 개구(grid)를 삽입하면 일부 전자가 공진기 밖으로 나오게 되는데 AC전기장의 주기만큼의 시간 간격으로 전자빔이 튀어나오게 되므로 펄스형 전자빔이 만들어진다. DC전압의 방향을 반대로 바꾸면 전자가 증폭되는 면이 반대 면으로 바뀔 수 있다.As shown in the cross-sectional view of Figure 2, the pulsed
여기서, DC전압의 크기는 반드시 AC전압 크기의 최대값보다 작게 인가되는 것이 바람직하다. 이에 따라, AC전압과 DC전압의 비율을 적절히 조절함으로써 전자가 공진기(110) 한쪽 면에서만 생성과 소멸이 반복되도록 할 수 있다. DC전압의 방향이 바뀌면 전자의 생성과 소멸이 이루어지는 면이 반대쪽으로 바뀌게 된다. 시간에 따라 변하는 AC전압의 특정위상에서 생성되어 운동을 시작한 전자는 AC전압이 같은 위상이 되었을 때 원래의 위치로 돌아와 공진기면에 충돌함으로써 새로운 이차전자를 만들게 된다. 이와 같은 특정한 위상을 공진위상(resonance phase)라고 한다. Here, the magnitude of the DC voltage is preferably applied smaller than the maximum value of the magnitude of the AC voltage . Accordingly, by properly adjusting the ratio of the AC voltage and the DC voltage, the electrons can be repeatedly generated and dissipated only on one side of the
도 7의 그래프는 AC 전압(Ea,s)과 DC 전압(Ed,s)의 비율(β)에 따른 공진위상(θ0)의 값을 보여준다. θc는 전기장에 의한 힘이 0이 되는 위상으로서 θc보다 큰 공진위상(θ0)에서는 전자에 의한 전자증폭이 이루어지는 금속판(전압이 높은 금속판)에서 멀어지는 쪽으로 힘을 받는다. n=1은 전자가 원래의 위치로 돌아오는데 걸리는 시간이 AC전기장 주기의 1배, 즉, 같다는 의미인데 일반적으로 n은 1이상의 자연수가 모두 가능하다. γ가 0인 경우는 최초 이차전자가 공진기 내부에서 생성될 때 가진 에너지가 0인 것을 의미한다. 일반적으로 γ는 0이상의 값을 갖는데 AC 전압과 DC 전압의 크기가 충분히 크면 γ를 0으로 간주해도 무방하다. 도 6의 그래프는 n = 1, γ= 0인 특정의 경우이다. The graph of Figure 7 shows the value of the resonance the phase (θ 0) of the ratio (β) of the AC voltage (E a, s) the DC voltage (E d, s). θ c is a phase force by the electric field is zero forced toward the facing away from the metal plate (a high voltage metal plate) formed of the electron amplification by electron resonance in the large phase (θ 0) than θ c. n = 1 means that the time it takes for the electron to return to its original position is equal to one times, or equal, the period of the AC electric field. Generally, n is a natural number of 1 or more. When γ is zero, it means that the energy of the first secondary electrons generated inside the resonator is zero. In general, γ has a value greater than or equal to 0. If the magnitudes of the AC and DC voltages are large enough, γ may be regarded as 0. The graph of Figure 6 is n = 1, γ = 0 is the specific case.
도 3은 본 발명의 개념에 따른 공진기 구조에 DC 전압을 인가할 수 있게 한 펄스 전자빔 증폭기(200) 구조의 일례이다.3 is an example of a structure of a pulsed
도 3의 단면도와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전자빔 증폭기(200)는, 절연체(130)에 의하여 전기적으로 절연된 두 평행 금속판(110, 120) 사이에 전원장치를 통해 DC 전압과 AC 전압을 동시에 인가하여 두 금속판(110, 120) 중 한 쪽 금속판에서 펄스 전자빔이 증폭되도록 하는 구조이다. 평평한 두 금속판(110, 120)은 평행하게 놓이는 것이 바람직하나 적절한 설계에 의해서 각 금속판에 곡률을 주거나 요철을 줄 수도 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 전자빔 증폭기(200)는 두 금속판(110, 120)과 절연체(130)에 의하여 둘러싸인 내부 공간이 진공 상태인 구조를 이룬다.As shown in the cross-sectional view of Figure 3, the
절연체(130)에 의하여 두 금속판(110, 120)이 전기적으로 연결되지 않도록 구성되며, DC 전압과 AC 전압이 합성되어 나오는 두 단자가 각각 두 금속판(110, 120)에 하나씩 연결되어 전원을 인가 받을 수 있다. 이에 따라 DC 전압(150)이 높은 한 쪽 금속판에서 증폭된 펄스 전자빔은 다른쪽 DC 전압(150)이 낮은 금속판에 형성한 소정의 개구(grid)(도시 하지 않음)를 통하여 공진기 밖으로 방출시킬 수 있다. 또는 전자증폭이 이루어지는 면에 개구를 형성하여 전자빔을 방출 시킬 수도 있다. 여기서, 두 금속판(110, 120)을 절연시키는 절연체(130)는 전기장의 손실을 줄이기 위하여 굴절률이 높은 물질로 채우는 것이 바람직하다. The
도 4는 본 발명의 개념에 따른 공진기 구조에 DC 전압을 인가할 수 있게 한 펄스 전자빔 증폭기(300) 구조의 다른 예이다.4 is another example of the structure of the pulsed
도 4의 단면도와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자빔 증폭기(300)는, 진공 상태에 있는 두 금속판(310, 320)을 서로 분리시켜서, 두 금속판(110, 120) 사이가 진공갭(330)으로 서로 절연될 수 있도록 한 구조이다. 전자 증폭의 원리는 도 2에서 기술한 바와 유사하게, 두 금속판(110, 120) 사이에 전원장치를 통해 DC 전압과 AC 전압을 동시에 인가하여 두 금속판(110, 120) 중 한 쪽 금속판에서 펄스 전자빔이 증폭되도록 하는 구조이다. 위와 같은 공진위상 조건에서 발생되는 펄스 전자빔은 두 금속판(110, 120) 중 어느 하나에 형성한 소정의 개구(도시 하지 않음)를 통하여 공진기 밖으로 방출시킬 수 있다.As shown in the cross-sectional view of FIG. 4, the
도 5는 본 발명의 개념에 따른 공진기 구조에 DC 전압을 인가할 수 있게 한 펄스 전자빔 증폭기(400) 구조의 또 다른 예이다.5 is another example of the structure of the pulsed
도 5의 단면도와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자빔 증폭 기(400)는, 도 2의 구조와 다른 구성은 유사하고, 다만, 두 금속판을 광결정(photonic crystal) 구조의 주기적으로 배열된 유전체 막대(430)로 전기적으로 절연시킨 구조이다. 두 금속판은 원형, 사각형 등 여러가지 모양의 판형이 가능하고, 유전체 막대(430)는 매트릭스 구조로 주기적으로 배열될 수 있다. 반도체 물질 등으로 형성한 광결정 구조의 유전체 막대(430)에서 AC 전기장(전자기파)이 전반사되면서, 두 금속판과 광결정 구조의 유전체 막대(430)로 둘러싸인 진공 상태의 공간에 AC 전기장(전자기파)을 가둘 수 있다. 광결정 구조로 주기적으로 배열된 유전체 막대(430)에 의하여 포토닉 밴드 갭 (photonic band gap) 현상이 발생하여 전자기파의 손실이 적은 공진기의 형성이 가능하다. 두 금속판 사이에 DC 전압을 가하면서 두 금속판과 광결정 구조의 유전체 막대(430)로 둘러싸인 진공의 공간에 AC 전기장(전자기파)을 인입시키는 경우에, 공진위상 조건에서 두 금속판중 한 쪽 금속판에서 펄스 전자빔이 증폭될 수 있다. 공진위상 조건에서 발생되는 펄스 전자빔은 두 금속판 중 어느 하나에 형성한 소정의 개구(도시 하지 않음)를 통하여 공진기 밖으로 방출시킬 수 있다.As shown in the cross-sectional view of FIG. 5, the
도 6은 본 발명의 개념에 따른 공진기 구조에 DC 전압을 인가할 수 있게 한 펄스 전자빔 증폭기(500) 구조의 또 다른 예이다.6 is another example of the structure of a pulsed
도 6의 단면도와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자빔 증폭기(300)는, 도 5의 구조와 유사하게 두 금속판(510, 520)과 광결정 구조의 유전체 막대(530)로 이루지고, 도 5의 구조와 다른 점으로서 전자 증폭이 이루어지는 금속판(520)이 내부적으로 돌출된 면(521)을 가지는 공진기 구조이다. 돌출된 면(521)은 전자빔이 나오는 방향과 수직한 길이 방향으로 형성되며, 두 금속판(510, 520) 사이에 DC 전압(Vo)이 인가되고 광결정 구조의 유전체 막대(530) 사이를 통과하도록 AC 전압으로서 전자기파(RF)를 인입시킨다. 이때, DC 전압(Vo)과 전자기파(RF) 크기의 적절한 설정에 따라, 돌출된 면(521)에서 전자증폭이 이루어져 전자빔이 발생되도록 하거나, 또는 해당 금속판의 돌출된 면(521)을 제외한 면(돌출된 면(521)과 평행한 해당 금속판의 다른 내면)에서 전자증폭이 이루어져 전자빔이 발생되도록 할 수 있다. DC 전압(Vo)과 인입되는 전자기파(RF) 크기의 적절한 조절에 따라 금속판의 돌출된 면(521) 또는 그외 면에서 전자가 충돌하여 새로운 이차전자를 만들수 있는 공진위상 조건을 만들 수 있기 때문이다. 여기서, 돌출된 면(521)이 두 금속판 중 어느 하나에만 형성된 것을 예로 들었으나, 이에 한정되지 않으며 경우에 따라서는 양쪽 금속판에 모두 위와 같은 형태의 돌출된 면을 형성하는 것도 가능하다. As shown in the cross-sectional view of FIG. 6, the
전자증폭이 일어나는 면의 선택은 DC전압의 방향을 바꿈으로써 가능하다. 도 6과 같은 평행한 두 개의 금속판(510, 520) 중 어느 하나에 돌출된 면(521)을 가지도록 하는 구조 이외에도, 공진기의 기하하적 구조는 매우 다양한데 필요에 따라 다르게 사용할 수가 있다. The choice of the plane on which the electron amplification occurs is possible by changing the direction of the DC voltage. In addition to the structure of having the
전자증폭은 전자의 생성과 소멸이 반복되는 금속면 주위의 AC 전압과 DC 전압에 의해서만 결정되므로 절연된 두 금속면의 기하학적 구조는 전자증폭을 일으키기 위한 절대적인 요인은 아니다. 전자증폭이 이루어지는 금속면 내부에 절연막 또는 금속을 전면 코팅하여 사용할 수도 있는데, 일반적으로 이차전자 방출계수가 크고 이차전자 방출계수가 1이 되도록 하는 입사전자의 에너지가 작은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 적절한 재료선택을 통해 전자증폭을 위한 최소 DC 및 AC 전압의 세기를 낮출 수가 있기 때문이다. AC 전압과 DC 전압의 비율을 적절히 맞추어 주면 도 8의 그래프와 같이 다른 위상(예를 들어, 위상차0.432)에서 출발한 전자들이 시간이 지남에 따라 같은 위상 근처(예를 들어, 위상차 0.143)로 모이도록 할 수가 있다. 이와 같이 특정한 공진위상(resonance phase)으로 위상이 고정되는 위상 잠김(phase locking) 현상은 전자증폭 현상이 강하게 유지되도록 만든다. Electron amplification is determined solely by the AC and DC voltages around the metal surface where electrons are generated and destroyed repeatedly, so the geometry of the two insulated metal surfaces is not an absolute factor for generating an electron amplification. An insulating film or a metal may be coated on the entire surface of the metal surface where the electron amplification is performed, and in general, it is preferable to use a material having a small secondary electron emission coefficient and a small energy of incident electrons such that the secondary electron emission coefficient is 1. Proper material selection can lower the minimum DC and AC voltage levels for electron amplification. By properly adjusting the ratio of AC voltage to DC voltage, electrons from different phases (e.g., phase difference 0.432) gather around the same phase (e.g., phase difference 0.143) over time as shown in the graph of FIG. You can do that. This phase locking phenomenon, in which the phase is locked to a specific resonance phase, makes the electron amplification phenomenon strong .
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.
도 1은 공동 공진기의 내부에 AC 전압을 인가하여 전자를 증폭하는 기존 전자증폭기의 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a conventional electron amplifier for amplifying electrons by applying an AC voltage inside the cavity resonator.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 전자빔 증폭기의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a pulsed electron beam amplifier according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 개념에 따른 공진기 구조에 DC 전압을 인가할 수 있게 한 펄스 전자빔 증폭기 구조의 일례이다.3 is an example of a pulsed electron beam amplifier structure capable of applying a DC voltage to the resonator structure according to the inventive concept.
도 4는 본 발명의 개념에 따른 공진기 구조에 DC 전압을 인가할 수 있게 한 펄스 전자빔 증폭기 구조의 다른 예이다.4 is another example of a pulsed electron beam amplifier structure capable of applying a DC voltage to the resonator structure according to the inventive concept.
도 5는 본 발명의 개념에 따른 공진기 구조에 DC 전압을 인가할 수 있게 한 펄스 전자빔 증폭기 구조의 또 다른 예이다.5 is another example of the structure of a pulsed electron beam amplifier capable of applying a DC voltage to the resonator structure according to the inventive concept.
도 6은 본 발명의 개념에 따른 공진기 구조에 DC 전압을 인가할 수 있게 한 펄스 전자빔 증폭기 구조의 또 다른 예이다.6 is another example of a pulsed electron beam amplifier structure that enables the application of a DC voltage to the resonator structure according to the inventive concept.
도 7은 AC 전압과 DC 전압의 비율에 따른 공진위상의 값을 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing the value of the resonance phase according to the ratio of the AC voltage and the DC voltage.
도 8 서로 다른 위상에서 출발한 전자들이 시간이 지남에 따라 같은 위상 근처로 모이는 모습을 보여주는 그래프이다.8 is a graph showing electrons starting from different phases gathering near the same phase over time.
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