KR101773884B1 - 3극 전자총용 rf신호 제공장치 - Google Patents

3극 전자총용 rf신호 제공장치 Download PDF

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채종서
이승현
문상철
전우정
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성균관대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3극 전자총용 RF신호 제공장치에 관한 것으로서, 의료용 또는 산업용에서 사용되는 열전자 발생용 전자총의 그리드에 RF신호를 인가시킴으로써 전자총에서 빔 번칭이 생성되도록 하는 3극 전자총용 RF신호 제공장치에 관한 것이다. 이를 위해 펄스신호를 생성하여 공급하는 펄스신호 발생부, 및 제1 RF신호를 생성하여 공급하는 제1 RF신호 발생부를 포함하며, 제1 RF신호는 펄스신호에 포함되어 전자총의 그리드에 공급됨으로써 빔의 번칭이 형성되는 것을 특징으로 하는 3극 전자총용 RF신호 제공장치가 개시된다.

Description

3극 전자총용 RF신호 제공장치{RF signal apparatus for 3 pole elcectron gun}
본 발명은 3극 전자총용 RF신호 제공장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 의료용 또는 산업용에서 사용되는 열전자 발생용 전자총의 그리드에 RF신호를 인가시킴으로써 전자총에서 빔 번칭이 생성되도록 하는 3극 전자총용 RF신호 제공장치에 관한 것이다.
본 출원인이 기 출원한 출원번호 제10-2015-0011576(발명의 명칭 : 의료용 전자가속기의 전자총 전원공급장치) 및 제10-2015-0009176(발명의 명칭 : 전자총 전원공급장치) 발명에서는 3극 전자총의 그리드에 DC 펄스신호를 인가함으로써 10~20kV의 저에너지 전자를 방출시켰다. 이때, 전자를 발생시킨 후 가속관으로 전자빔이 전달되는데 저에너지 전자빔을 가속시키기 위해서는 번칭셀 등의 추가 부품이 가속관에 포함되어야 하기 때문에 전자 가속기의 구성이 복잡해지는 문제점이 있었다.
일본국 선행문헌 : JP06046551 일본국 선행문헌 : JP2009167483 일본국 선행문헌 : JP2011512004
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 전자총의 그리드에 공급되는 신호를 기존의 DC 펄스신호 대신에 RF신호를 DC 펄스신호에 같이 실어 그리드에 공급함으로써 전자총에서 출력되는 빔을 번칭 빔 형태로 생성할 수 있는 발명을 제공하는데 그 목적이 있다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 펄스신호를 생성하여 공급하는 펄스신호 발생부, 및 제1 RF신호를 생성하여 공급하는 제1 RF신호 발생부를 포함하며, 제1 RF신호는 펄스신호에 포함되어 전자총의 그리드에 공급됨으로써 빔의 번칭이 형성되는 것을 특징으로 하는 3극 전자총용 RF신호 제공장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 펄스신호는 DC 펄스신호로서 제1 RF신호가 DC 펄스신호의 하이 또는 로우 상태 중 어느 하나에 주기적으로 실린다.
또한, DC 펄스신호보다 제1 RF신호의 주파수가 더 높다.
또한, 전자총에서 발생된 전자 빔을 입력받아 전자를 가속하는 가속관, 및 가속관에 제2 RF신호를 생성하여 공급하는 제2 RF신호 발생부를 더 포함한다.
또한, 제1,2 RF신호의 주파수 및 진폭의 크기를 서로 동일하게 함으로써 가속관을 통과한 전자 빔의 효율을 높일 수 있다.
또한, DC 펄스신호 및 제1 RF신호의 동기를 맞추거나, 제1,2 RF신호의 동기를 맞추는 트리거부를 더 포함한다.
또한, 제2 RF신호 발생부에서 생성된 RF신호는 도파관을 거쳐 가속관으로 공급된다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 전자총에서 출력되는 빔이 번칭 빔 형태로 가속관에 제공됨으로 가속관의 구성을 단순화시킬 수 있고, 또한, 빔의 효율을 종래와 비교하여 높일 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3극 전자총용 RF신호 제공장치의 전체 구성을 나타낸 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 DC 펄스신호(f1)를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 DC 펄스신호(f1)에 RF신호(f2)를 같이 실은 것을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전자총의 그리드에 DC 펄스신호를 공급했을 때의 전자총에서 출력되는 빔의 형상을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전자총의 그리드에 RF신호가 포함된 DC 펄스신호를 공급했을 때의 전자총에서 출력되는 번칭 빔의 형상을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자가속기용 마그넷트론의 주파수-출력파워를 동시에 제어하기 위한 구성을 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자가속기용 마그넷트론의 주파수-출력파워를 각각 제어하기 위한 순차적인 절차를 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다. 또한, 종래 기술 및 당업자에게 자명한 사항은 설명을 생략할 수도 있으며, 이러한 생략된 구성요소(방법) 및 기능의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 충분히 참조될 수 있을 것이다.
(3극 전자총용 RF신호 제공장치)
본 발명의 일실시예에 따른 3극 전자총용 RF신호 제공장치는 종래의 펄스신호에 RF신호를 실어 보냄으로써 가속관에 포함된 번칭셀을(buncher cavity) 생략할 수 있어 전자 가속기의 구성을 단순화시킬 수 있다. 한편, 종래의 전자총을 포함한 펄스신호 제공장치의 구성 및 기능은 본 출원인이 기 출원한 출원번호 제10-2015-0011576(발명의 명칭 : 의료용 전자가속기의 전자총 전원공급장치) 및 제10-2015-0009176(발명의 명칭 : 전자총 전원공급장치)에 기재된 내용을 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 참조할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전자총(400)은 의료용 및 산업용에 널리 사용되는 열전자 발생용 전자총으로서 이에 대한 자세한 설명은 본 출원인이 기 출원한 상술한 2건의 특허출원에 기재된 내용에 갈음하기로 한다. 다만, 여기에서는 3극 전자총을 기준으로 설명하기로 하며 따라서 전자총(400)에는 캐소드(410)와 그리드(420)가 포함된다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 펄스신호 발생부(100)는 도 2와 같은 펄스신호를 생성하여 캐소드(410) 및 그리드(420)로 펄스신호를 공급한다. 다만, 필요에 따라 펄스신호 발생부(100)는 각각 제1 펄스신호 발생부 및 제2 펄스신호 발생부로 분리되어 캐소드(410) 및 그리드(420)로 각각 펄스신호를 공급할 수도 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 캐소드(410) 및 그리드(420)로 공급되는 펄스신호(f1)는 전자총을 가속시키기 위해 대략 -25kV ~ 0[v]의 전압 크기를 가지며, 펄스신호의 주기(또는 주파수)는 10 ~ 300Hz이고, 하이 신호(high signal) 일때의 펄스폭은 0.00001 ~ 10us일 수 있다. 다만, 상술한 펄스신호의 형태는 필요에 따라 다양하게 변경 가능하다. 또한, 펄스신호 발생부(100)의 구성 및 기능은 상술한 본 출원인이 기 출원한 2건의 특허출원에 의해 참조될 수 있다. 도 2의 펄스신호(f1)는 일예로서 -25kV의 전압 크기를 가지며, 주파수는 100Hz인 신호를 나타낸 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제1 RF신호 발생부(200)는 그리드(420)에 공급할 RF신호를 생성한다. 생성된 RF신호는 펄스신호 발생부(100)에서 생성한 펄스신호에 같이 실려 그리드(420)에 공급된다. 기 출원한 특허출원번호 제10-2015-0011576에서는 RF신호를 전자총의 캐소드에 공급하였으나 본 발명에서는 그리드에 공급하며 RF신호의 주파수도 크게 차이가 난다. 제1 RF신호 발생부(200)에서 생성되는 RF신호는 도 3에 도시된 바와 같이 펄스신호 발생부(100)에서 생성된 펄스신호(f1)에 RF신호(f2)를 같이 실어 그리드(420)에 공급한다. 이때, 생성되는 RF신호(f2)는 펄스신호(f1)가 하이 신호(이때 하이 신호의 의미는 도 3에서 0v 이외의 값을 가질때를 의미하며 일예로서 -25kV) 일때 실리는 신호로서 대략 9.250GHz ~ 9.350GHz의 주파수를 가진다. 또한, RF신호(f2)의 진폭(전압의 크기)은 펄스신호(f1)에 비해 대략 0.1kV 차이값을 가지며 따라서 -25.1kV ~ -24.9kV의 진폭 값을 가진다. 다만, 상술한 RF신호(f2)의 형태는 필요에 따라 바뀔 수 있다.
본 발명의 일실시예 따른 트리거부(300)는 펄스신호 발생부(100)에서 생성된 펄스신호(f1)에 제1 RF신호 발생부(200)에서 생성한 RF신호(f2)를 실을 때 서로 간의 동기를 맞추기 위한 제1 동기신호를 생성하여 RF신호(f2)가 펄스신호(f1)의 하이신호에 정확히 동기되어 실리도록 한다. 또한 트리거부(300)는 후술하는 제2 RF신호 발생부(600)에서 생성한 RF신호와 제1 RF신호 발생부(200)에서 생성한 RF신호의 동기를 맞추도록 제2 동기신호를 생성한다. 제1 RF신호 발생부(200)에서 생성한 RF신호와 제2 RF신호 발생부(200)에서 생성한 RF신호가 서로 주파수 및 동기가 맞지 않은 경우에는 가속관(500)의 번칭셀을 통과한 번칭빔의 효율(대략적으로 번칭빔의 효율이 동기가 맞을때는 50~60%이나 동기가 맞지 않을때는 대략 30% 대임)이 많이 떨어지게 되며 따라서 서로간의 주파수 및 동기를 맞추는 것이 중요하다.
상술한 펄스신호(f1) 및 펄스신호(f1)에 RF신호(f2)를 실은 신호를 각각 전자총(400)의 캐소드(410) 및 그리드(420)에 공급하면 전자빔이 생성되어 가속관(500)으로 공급된다. 이때, 기존에는 펄스신호(f1)만을 전자총에 공급함으로써 가속관(500)의 번칭셀 모듈이 필요했으나 본 발명에서는 그리드(420)에 RF신호(f2)가 실린 펄스신호(f1)를 공급함으로써 전자총(400)에서 생성되는 전자빔이 번칭 형태로 저에너지 전자빔(번칭 빔)이 발생되어 가속관(500)으로 공급되므로 종래의 번칭셀 모듈이 필요 없게 된다.
빔 번칭에 대해서 좀 더 자세히 설명하면, 빔 번칭은 전자총 또는 양성자 발생 소스 등의 초기 이온 소소의 빔 효율을 높일 수 있도록 하는 구조이다. 종래의 펄스신호만을 그리드에 공급하는 경우에는 도 4와 같은 빔(10)이 전자총에서 생성되어 가속관으로 공급되며, 이때에는 가속관에서 번칭 빔을 생성할 수 있는 번칭셀 모듈(bunching cavity)이 필요하게 된다. 그러나 본 발명에서는 펄스신호에 RF신호를 같이 실어 그리드에 공급함으로써 도 5와 같은 빔 번칭(20)이 전자총에서 생성되어 가속관으로 공급된다. 따라서 번칭셀 모듈이 가속관에 필요 없게 되어 가속관(또는 가속기)의 크기를 최소화시키고 나아가 빔 효율을 최대한으로 높일 수 있어 전자총 효율과 가속기 빔 집속-가속 효율을 극대화시킬 수 있다. 한편, 이러한 본 발명은 대전력 빔 발생이 필요한 산업용 가속기에 사용될 수 있으며, X-선 및 양성자를 이용한 방사선 치료에 효과적으로 이용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 제2 RF신호 발생부(600)는 마그네트론으로 구체화될 수 있으며, 후술하는 고전압 발생장치(1100)로부터 펄스 전압을 공급받아 펄스신호에 RF신호를 실어 도파관(700)을 통해 가속관(500)으로 신호를 공급한다. 이때, 제2 RF신호 발생부(600)에서 생성되는 펄스신호 및 펄스신호에 같이 실려지는 RF신호는 제1 RF신호 발생부(200)에서 생성되는 신호와 동일한 신호인 것이 바람직하다. 제1 RF신호 발생부(200) 및 제2 RF신호 발생부(600)에서 생성되는 각각의 펄스신호 및 펄스신호에 실려지는 RF신호가 서로 동기가 맞지 않는 경우에는 가속관(500)을 통과한 빔의 효율이 대략 30% 정도로서 서로 동기가 맞는 경우의 대략 50~60% 효율에 비해 효율이 많이 떨어진다. 따라서 트리거부(300)에 의해 제1 RF신호 발생부(200) 및 제2 RF신호 발생부(600)에서 생성되는 각각의 신호가 서로 동기가 맞도록 생성된다. 다만, 상황에 따라 신호의 진폭의 크기 및 주파수는 달라질 수 있다. 한편, 트리거부(300)는 제1 RF신호 발생부(200) 및 제2 RF신호 발생부(600)에서 생성된 신호를 피드백 받아 양자의 신호가 서로 동기 및 위상이 같아지도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 제1 RF신호 발생부(200)에서 생성되는 제1의 RF신호가 실린 펄스신호를 그리드(420)에 공급하여 번칭 빔을 가속관(500)에 공급함과 동시에 제2 RF신호 발생부(600)에서 생성되는 제2의 RF신호가 실린 펄스신호를 도파관(700)을 통해 가속관(500)에 공급함으로써 가속관(500)을 통과한 빔의 효율을 극대화시킬 수 있다. 이때, 제1의 RF신호가 실린 펄스신호와 제2의 RF신호가 실린 펄스신호는 서로 동기가 맞는 것이 바람직하다.
한편, 펄스신호 발생부(100)와 제1 RF신호 발생부(200)에서 생성되는 신호는 각각 합성되어 그리드(420)에 공급되어야 하므로 이러한 각각의 신호를 합성하는 신호 합성부가 더 추가되거나, 또는 어느 하나에서 다른 쪽의 신호를 입력받아 최종 신호를 합성하여 그리드(420)에 공급할 수도 있다.
(전자가속기용 마그네트론 주파수-출력파워 동시 제어장치)
도 6에 도시된 바와 같이 고전압 발생장치(1100)는 대략 38~40[kV]의 펄스전압을 제2 RF신호 발생부(1200)에 공급한다. 제2 RF신호 발생부(1200)는 마그네트론으로 구체화될 수 있으며, 제2 RF신호 발생부(1200)는 고전압 발생장치(1100)로부터 공급된 펄스신호를 공급받아 대략 9.3GHz의 주파수를 생성하여 도파관(1300)을 통해 가속관(1500)으로 공급한다. 다만, 제2 RF신호 발생부(1200)로부터 생성되는 RF신호의 진폭 및 주파수는 상황에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 가속관(1500) 대신에 안테나(1500)에도 RF신호가 공급될 수 있다. 이때 생성되는 RF신호는 상술한 바와 같이 펄스신호에 실린 신호일 수 있다.
RF 픽업 샘플부(1400)는 도파관(1300)으로부터 출력된 신호를 샘플링하며, RF파워 측정부(1700)는 RF 픽업 샘플부(1400)로부터 샘플링된 신호를 이용하여 RF파워를 측정한다. 또한, 주파수 측정부(1800)는 가속관 또는 안테나(1500)로부터 신호를 공급받아 주파수를 측정한다. 따라서 RF파워 측정부(1700) 및 주파수 측정부(1800)에 의해 가속관 또는 안테나(1500)를 거친 신호의 RF전력 및 주파수를 측정할 수 있다.
측정된 RF파워 및 주파수는 제어부(1600)로 공급되며, 제어부(1600)는 이를 기초로 전압 변환부(1610)에 의해 고전압 발생장치(1100)의 출력전압을 변경하며, 주파수 변환부(1620)는 제2 RF신호 발생부(1200)의 주파수를 변경하도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 제2 RF신호 발생부(1200)에서 출력되는 신호의 출력파워 및 주파수를 동시에 변경하기 위한 것으로서 좀 더 상세히 설명하면 도 7에 도시된 바와 같이 가속관 또는 안테나(1500)를 거친 신호의 주파수 및 파워를 입력받고, 입력된 주파수는 주파수를 동기화하여 현재의 공진 주파수를 출력하도록 하고, 입력된 파워는 전달 파워는 최대로 하고 반사 파워는 최소로 한다. 공진 주파수 및 출력 안정화에 필요한 정보를 계산하고, 기존 주파수 및 파워값과 비교하여 주파수 또는 파워의 변경 여부 판단한다.
좀 더 자세히 설명하면 공진주파수(안테나 또는 가속관의 출력 주파수)의 경우 제2 RF신호 발생부(1200)에서 출력된 RF신호의 주파수와 정확히 일치해야 한다. 이때, 가속관 또는 안테나의 공진주파수 및 출력전력이 사용자가 원하는 주파수를 출력하고 있는지 지속적으로 체크해야 한다. 따라서 공진주파수 및 출력전력 측정을 통해 우리가 알고자 하는 주파수의 RF 신호가 제대로 출력되고 있는지 확인한다. 이때, 기 설정된 가속관 또는 안테나의 주파수와 제2 RF신호 발생부(1200, 마그넷트론)의 RF신호가 일치하게 될 경우 가속관 또는 안테나로 전달되는 파워는 최대가되고, 반사 파워는 최소가 된다. 일부 온도 변화, 환경 변화 등에 의하여 설계한 가속관 또는 안테나의 공진주파수가 달라질 수 있으므로(가속관이나 안테나는 특히 온도변화에 민감하며, 최대 1~10 MHz 이상 변하기도 한다. 이 경우 RF신호를 마그넷트론에서 발생시켜도 반사파가 높아질 수 있다) 이를 방지하기 위하여 주파수 측정과 파워 측정을 항상 동시에 한다. RF 파워 출력 효율(최대 전달 파워, 최소 반사 파워)이 발생하게 되면 RF 전달 효율이 높아지게 되고, 자연적으로 빔 번칭 동기화 및 빔 발생 효율은 높아지게 된다(빔 전류 및 전압 손실을 최소화 시키게 된다).
상술한 본 발명은 전자총의 3극관 뿐만아니라 2극관 등에서도 적용 가능하다. 상술한 각부의 구성 및 기능에 대한 설명은 설명의 편의를 위하여 서로 분리하여 설명하였을 뿐 필요에 따라 어느 한 구성 및 기능이 다른 구성요소로 통합되어 구현되거나, 또는 더 세분화되어 구현될 수도 있다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 및 그 구성 또는 본 발명의 각 구성에 대한 결합관계에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
10 : 빔
20 : 번칭 빔
100 : 펄스신호 발생부
200 : 제1 RF신호 발생부
300 : 트리거부(또는 동기부)
400 : 전자총
410 : 캐소드
420 : 그리드
500 : 가속관
600 : 제2 RF신호 발생부(마그네트론)
700 : 도파관(wave guide)
1100 : 고전압 발생장치
1200 : 제2 RF신호 발생부(마그네트론)
1300 : 도파관
1400 : RF 픽업 샘플부
1500 : 가속관 또는 안테나
1600 : 제어부
1610 : 전압 변환부
1620 : 주파수 변환부
1700 : RF 파워 측정부
1800 : 주파수 측정부

Claims (2)

  1. 삭제
  2. 펄스신호를 생성하여 공급하는 펄스신호 발생부;
    제1 RF신호를 생성하여 공급하는 제1 RF신호 발생부;
    전자총에서 발생된 전자 빔을 입력받아 전자를 가속하는 가속관, 및
    상기 가속관에 제2 RF신호를 생성하여 공급하는 제2 RF신호 발생부를 포함하고,
    상기 펄스신호는 DC 펄스신호로서 상기 제1 RF신호가 상기 DC 펄스신호의 하이 또는 로우 상태 중 어느 하나에 주기적으로 실리며,
    상기 DC 펄스신호보다 상기 제1 RF신호의 주파수가 더 높고,
    상기 제1,2 RF신호의 주파수 및 진폭의 크기를 서로 동일하게 함으로써 상기 가속관을 통과한 전자 빔의 효율을 높이며,
    상기 제2 RF신호 발생부에서 생성된 RF신호는 도파관을 거쳐 가속관으로 공급되고,
    제1 RF신호는 펄스신호에 포함되어 전자총의 그리드에 공급됨으로써 빔의 번칭이 형성되는 것을 특징으로 하는 3극 전자총용 RF신호 제공장치.
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