KR101717235B1 - 고주파 창을 갖는 클라이스트론 출력기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 창을 개시하고 있다. 상기 고주파 창은 세라믹, 상기 세라믹을 중심으로 하여 외부를 둘러싸도록 형성된 진공의 원기둥형 공동, 상기 원기둥형 공동과 연결된 직사각형 형태의 마주하는 복수의 도파관 및 상기 원기둥형 공동과 상기 복수의 도파관 사이에 형성되어 상기 원기둥형 공동과 상기 복수의 도파관을 연결시키는 결합 구멍을 포함하되, 상기 결합 구멍을 이용하여 상기 원기둥형 공동 내의 상기 세라믹 표면에 회전하는 전기장을 형성한다.

Description

고주파 창, 고주파 창의 동작 방법 및 클라이스트론 출력기{RF WINDOW, RF WINDOW OPERATION METHOD AND KLYSTRON OUTPUT APPARATUS}

본 발명은 고주파 창(RF window)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고출력 고주파(high power RF)는 통과 시키되 진공 기밀은 유지하는 고주파 창에 관한 것이다.

고주파 창이란 고주파 부품의 하나로써, 고주파 신호는 통과시키되, 진공 기밀은 유지하는 역할을 한다. 많은 고출력 부품들은 내부에 진공이 유지되는 환경에서 작동을 하며 특히, 전자나 이온을 발생시키는 장비의 경우 진공기밀을 통해 진공 환경이 유지되어야 한다. 따라서, 진공을 유지해야 하는 고주파 부품에서 고주파 신호를 입력시키거나 출력하기 위해서는 고주파 신호는 통과할 수 있으나 진공 기밀은 유지할 수 있는 소재를 사용하는 고주파 창이 필수적이다. 일반적으로 고주파 창은 세라믹으로 제작하는데 세라믹 구조의 두께가 두꺼워지면 진공에 의한 힘을 잘 견딜 수 있으나 고주파 신호의 감쇠가 두드러지게 되어 최적의 두께를 갖도록 설계하게 된다. 그런데, 고출력 고주파를 전송시킬 경우, 세라믹 물질의 높은 이차전자생성률(secondary emission coefficient) 때문에 어느 순간 다량의 전자가 발생하여 진공 수준을 나쁘게 하여 고주파 부품의 작동 성능을 낮추고 더 진행되면 결국 세라믹 부품이 손상되어 진공 기밀이 깨지는 현상이 발생하는데, 이는 고출력 고주파 부품 고장의 많은 부분을 차지한다. 이를 방지하기 위해, 많은 방안이 제시되고 있다. 예컨대, 세라믹 표면에 이차전자생성률이 낮은 티타늄(Ti-N) 막을 얇게 입히는 방안이 있다. 이렇게 함에도 불구하고 오랜 기간 동안 동작할 때, 고주파 창의 결함으로 인해, 전체 고주파 장비가 사용불능이 되는 문제점이 있다.

도 1은 WR284 사각 도파관(rectangular waveguide) 사이에 원기둥형 공동(cylindrical cavity)이 달려 있는 구조를 도시한 도면이다. 즉, 도 1은 S-밴드(S-band: 1550~5200MHz, 2856MHz) 고주파 창의 실시예를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 입력단에서 고주파는 TE10 모드의 형상을 가지고 있다가 모드 전환 구간(130)을 통과하면서 원기둥형 공동(120)에서는 TE111 모드를 갖게 된다. 이 공동(120)의 가운데에 세라믹(100)이 위치하게 된다. 이때, 세라믹(100) 표면에는 전기장이 걸리게 되고, 이 전기장이 일정 수준을 넘게 되면, 갑자기 전자 방출이 증가하면서 진공도가 나빠지는 고주파 단락(RF breakdown) 현상이 생기게 된다. 특히, 세라믹(100)의 표면에 수직 방향의 전기장은 아주 위험한 요소가 될 수 있다. 고주파 창을 통해 전달되는 고주파 파워가 커질수록 세라믹 표면에 가해지는 전기장의 세기가 강해지고, 이에 따라 고주파 창의 최대 통과 고주파 파워가 제한된다. 또한, 고주파 창을 제한 파워 미만으로 운용하더라도 시간이 지남에 따라 세라믹(100) 및 코팅의 열화로 어느 순간에 고주파 창이 손실을 받게 되므로, 가능한 한 낮은 부하가 걸리도록 운용을 해야 한다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 더 높은 고주파 파워에도 안정적인 운용을 위해 종래 고주파 창보다 세라믹에 걸리는 전기장의 세기를 줄일 수 있는 변형된 고주파 창, 상기 고주파 창의 동작 방법 및 상기 고주파 창을 이용한 클라이스트론 출력기를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고주파 창은 세라믹, 상기 세라믹을 중심으로 하여 외부를 둘러싸도록 형성된 진공의 원기둥형 공동, 상기 원기둥형 공동과 연결된 직사각형 형태의 마주하는 복수의 도파관 및 상기 원기둥형 공동과 상기 복수의 도파관 사이에 형성되어 상기 원기둥형 공동과 상기 복수의 도파관을 연결시키는 결합 구멍을 포함하되, 상기 결합 구멍을 이용하여 상기 원기둥형 공동 내의 상기 세라믹 표면에 회전하는 전기장을 형성할 수 있다.

상기 세라믹을 상기 전기장의 노드 부분에 위치시킬 수 있다.

상기 회전하는 전기장의 모드는 TE012 모드일 수 있다.

상기 결합 구멍은 상기 원기둥형 공동과 하나의 도파관 사이에 두 개 이상 형성될 수 있다.

상기 복수의 도파관은 결합 특성을 조절하기 위한 결합 기둥(coupling post)을 더 포함할 수 있다.

상기 세라믹의 직경은 70mm 이상일 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고주파 창의 동작 방법은 입력 도파관을 통해 고주파을 입력받는 단계 및 상기 입력 도파관과 원기둥형 공동 사이에 형성된 결합 기둥을 통해 상기 입력되는 고주파의 모드를 변형하여 상기 원기둥형 공동 - 원기둥형 공동은 세라믹을 중심으로 하여 세라믹 외부를 둘러싸도록 형성된 진공의 원기둥 형태의 공동임 - 내의 세라믹 주변에 회전하는 전기장을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 클라이스트론 출력기는 클라이스트론 S-밴드(Klystron S-band) 송신관, 상기 송신관의 양단에 연결되어 서로 마주하는 복수 개의 제 1 도파관, 상기 복수 개의 제 1 도파관이 결합하는 합류기 및 상기 합류기와 연결된 고주파 창을 포함하되, 상기 고주파 창은 세라믹, 상기 세라믹을 중심으로 하여 외부를 둘러싸도록 형성된 진공의 원기둥형 공동, 상기 원기둥형 공동과 연결된 직사각형 형태의 마주하는 복수 개의 제 2 도파관 및 상기 원기둥형 공동과 상기 복수의 제 2 도파관 사이에 형성되어 상기 원기둥형 공동과 상기 복수의 도파관을 연결시키는 결합 구멍을 포함하고, 상기 결합 구멍을 이용하여 상기 원기둥형 공동 내의 상기 세라믹 표면에 회전하는 전기장을 형성할 수 있다.

상기 세라믹을 상기 전기장의 노드 부분에 위치시킬 수 있다.

상기 회전하는 전기장의 모드는 TE012 모드일 수 있다.

상기 결합 구멍은 상기 원기둥형 공동과 하나의 도파관 사이에 두 개 이상 형성될 수 있다.

상기 복수의 도파관은 결합 특성을 조절하기 위한 결합 기둥(coupling post)을 더 포함할 수 있다.

상기 세라믹의 직경은 70mm 이상일 수 있다.

본 발명의 고주파 창, 상기 고주파 창의 동작 방법 및 상기 고주파 창을 이용한 클라이스트론 출력기에 따르면, 고주파 첨단 파워를 일정 세기 이항 가했을 때, 세라믹 표면에 걸리는 전기장의 세기가 절반 정도로 줄어들어 큰 고주파 출력에 견딜 수 있음은 물론 장시간 운용시의 고장 발생률을 감소시키는 효과가 있다.

도 1은 WR284 사각 도파관 사이에 원기둥형 공동이 달려 있는 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창의 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창과 종래 고주파 창과 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창의 전기장 분포 및 최대값을 나타낸 도면,
도 4는 종래 고주파 창을 사용한 클라이스트론 출력단을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창을 사용한 클라이스트론 출력단을 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창의 구조를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창은 세라믹(200), 복수의 도파관(210), 원기둥형 공동(220), 결합 구멍(230) 및 결합 기둥(240)을 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 세라믹(200)은 원기둥형 공동(220)의 중심 부분에 위치할 수 있다. 여기서, 세라믹의 두께(L)는 2 내지 5mm 사이를 가질 수 있다. 다만, 반드시 위 두께에 한정되는 것은 아니다. 세라믹(200)은 높은 고주파 출력에도 견딜 수 있도록 비교적 두꺼운 두께를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 70mm 이상의 직경을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 85mm에서 153mm 사이로 늘리는 것이 전기장을 최소로 줄일 수 있다.

복수 개의 도파관(210)은 입력 부분과 출력 부분에 각각 배치될 수 있다. 즉, 복수 개의 도파관(210)은 입력 도파관과 출력 도파관을 포함할 수 있다. 입력 도파관 및 출력 도파관 내에는 TE10 모드의 형상을 가지고 있는 고주파가 있을 수 있다. 입력 도파관과 출력 도파관은 동일한 도파관일 수 있다. 입력 도파관은 입력단과 원기둥형 공동(220)을 연결하는 도파관이고, 출력 도파관은 원기둥형 공동(220)과 출력단을 연결하는 도파관이다. 여기서, 상기 복수개의 도파관(210)으로는 사각 도파관(rectangular waveguide)이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관(210)으로는, WR284 시리즈의 도파관이 사용될 수 있다.

원기둥형 공동(220)은 세라믹(200)을 중심으로 하여 형성된 원기둥 형태의 공동으로, 내부는 진공상태일 수 있다. 원기둥형 공동(220)은 세라믹(200)의 표면에 수직 방향의 전기장이 걸리는 TE111 모드 대신 전기장이 회전하는 TE012 모드를 형성시킬 수 있다. 또한, 전기장의 노드 부분에 세라믹(200)을 위치시키면 세라믹이 받는 전기장을 최소로 줄일 수 있다. 상기 TE012 모드의 회전하는 전기장을 형성하기 위해 두 개의 결합 구멍(230)을 이용하여 도파관(210)과 원기둥형 공동(220)을 연결할 수 있다. 이때 결합 구멍(230)의 크기와 위치 및 원기둥형 공동(220)의 길이는 시뮬레이션 결과를 통해 결정될 수 있다. 예컨대, 결합 구멍(230)은 원기둥형 공동(220)의 원의 중심 부분 및 원주 부분에 위치할 수 있다. 또한, 도파관(210)과 원기둥형 공동(220)과의 하나의 연결 부분에 복수 개의 결합 구멍(230)을 배치하여 회전하는 TE012 모드의 전기장을 형성시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 원하는 결합 특성을 위해서 적절한 위치에 결합 기둥(240: coupling post)를 배치할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창과 종래 고주파 창과 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창의 전기장 분포 및 최대값을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, S-밴드 고주파 창에서 세라믹 표면에서의 전기장의 세기를 확인할 수 있다. 고주파 첨단 파워를 80MW 인가했을 때, 세라믹 표면에 걸리는 전기장의 최대값은 종래 고주파 창의 경우, 3.37 MV/m 정도였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창의 경우 1.61MV/m로 절반 정도로 줄어든다는 것을 알 수 있다. 특히, 민감한 영향을 갖는 수직 방향(z)의 전기장은 종래 고주파 창에서는 2.84MV/m였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창에서는 0.27MV/m로 1/10 정도로 현저히 줄어듬을 확인할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창의 경우, 더 큰 고주파 출력을 견딜 수 있음은 물론이고, 장시간 운용시의 고장 발생률도 현저히 줄일 수 있다.

도 4는 종래 고주파 창을 사용한 클라이스트론 출력단을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 종래 클라이스트론 출력단은 클라이스트론 S-밴드 송신관(400), 도파관(410), 고주파창(420) 및 합류기(430)를 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 클라이스트론 S-밴드 송신관(400)은 약 80MW의 첨단 파워로 신호를 증폭할 수 있다. 즉, 클라이스트론 S-밴드 송신관(400)를 통해 고주파 신호를 생성할 수 있다.

클라이스트론 S-밴드 송신관(400)을 통해 생성된 고주파 신호는 클라이스트론 S-밴드 송신관(400) 양 단에 배치된 적어도 두 개의 도파관(410)을 통해 고주파 창(420)으로 전달된다.

고주파 창(420)은 양 측의 적어도 두 개의 도파관(410)을 통해 전달되는 고주파 신호를 수신하여 고주파 신호만을 통과시키고 진공 기밀은 유지할 수 있다. 이때, 고주파 창(420) 내의 도파관에는 TE10 모드의 고주파가 제공되고, 원기둥형 공동에서는 TE111 모드의 수직 형태의 전기장이 생성될 수 있다.

적어도 두 개의 고주파 창(420)을 통과한 고주파 신호는 합류기(430)를 통해 합류되어 출력단으로 나가게 된다.

종래의 클라이스트론 출력단은 두 개의 고주파 창(420)이 사용되어 시간이 지남에 따라 도파관의 변형이 올 수 있다. 따라서, 고주파 창(420)의 교환이 불가능해 질 수 있다. 또한 두 개의 창이 사용되기 때문에 고장이 날 확률도 높아질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창을 사용한 클라이스트론 출력단을 나타낸 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 클라이스트론 출력단은 클라이스트론 S-밴드 송신관(500), 도파관(510), 합류기(520) 및 고주파창(530)을 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 클라이스트론 S-밴드 송신관(500)은 종래의 클라이스트론 S-밴드 송신관(400)과 동일한 기능을 수행할 수 있다. 즉, 고주파 신호를 생성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 클라이스트론 S-밴드 송신관(500)은 80MW의 첨단 파워를 생성할 수 있다.

도파관(510)은 클라이스트론 S-밴드 송신관(500)의 양단에 배치되어 생성된 고주파 신호를 합류기(520)로 전달할 수 있다. 도파관(510)은 WR284 시리즈의 도파관이 사용될 수 있다. 또한, 양 단의 도파관(520)은 서로 마주하는 위치에 배치될 수 있다.

합류기(520)는 양단의 도파관(510)을 하나로 합류시키는 기능을 수행할 수 있다. 합류기(520)를 통해 양단의 도파관(510)에서 전달되는 고주파 신호는 하나로 합쳐질 수 있고, 합쳐진 고주파 신호는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창(520)으로 전달된다. 또한, 합류기(520)가 양단의 도파관(510)과 고주파 창(530) 사이에 배치됨으로써, 고주파 창(530)이 복수 개 사용되어 야기되는 도파관 변형이라든지 고장 확률 증가와 같은 문제점을 극복할 수 있다.

고주파 창(530)은 합류기(520)에 연결되어, 높은 고주파 신호에도 안정적인 운용이 가능하도록 한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 창(530)은 원기둥형 공동에 회전하는 TE012 모드의 전기장을 형성시키고, 전기장의 노드 부분에 세라믹을 위치시킴으로써 세라믹이 받는 전기장을 최소로 줄일 수 있다. 이때, 두 개의 결합 구멍을 이용하여 고주파 창(530) 내의 도파관과 원기둥형 공동을 연결하여 TE012 모드가 형성되도록 할 수 있다. 또한, 세라믹의 직경을 적절한 수준(예컨대, 70mm 이상, 보다 바람직하게는 85mm 에서 153 mm 이하)까지 키워서 큰 고주파 파워에 견딜 수 있도록 구성될 수 있다.

이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 클라이스트론 S-밴드(Klystron S-band) 송신관;
   상기 송신관의 양단에 연결되어 서로 마주하는 복수 개의 제 1 도파관;
   상기 복수 개의 제 1 도파관이 결합하는 합류기; 및
   상기 합류기와 연결된 고주파 창을 포함하되, 상기 고주파 창은
   세라믹;
   상기 세라믹을 중심으로 하여 외부를 둘러싸도록 형성된 진공의 원기둥형 공동;
   상기 원기둥형 공동과 연결된 직사각형 형태의 마주하는 복수 개의 제 2 도파관; 및
   상기 원기둥형 공동과 상기 복수의 제 2 도파관 사이에 형성되어 상기 원기둥형 공동과 상기 복수의 도파관을 연결시키는 결합 구멍을 포함하고,
   상기 결합 구멍을 이용하여 상기 원기둥형 공동 내의 상기 세라믹 표면에 회전하는 전기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 클라이스트론 출력기.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 세라믹을 상기 전기장의 노드 부분에 위치시키는 것을 특징으로 하는 클라이스트론 출력기.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전하는 전기장의 모드는 TE012 모드인 것을 특징으로 하는 클라이스트론 출력기.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 결합 구멍은 상기 원기둥형 공동과 하나의 도파관 사이에 두 개 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 클라이스트론 출력기.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 도파관은 결합 특성을 조절하기 위한 결합 기둥(coupling post)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클라이스트론 출력기.
13. 제 8 항에 있어서,
    상기 세라믹의 직경은 70mm 이상인 것을 특징으로 하는 클라이스트론 출력기.

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