KR101983333B1 - 진공 전자 디바이스 드리프트 관 - Google Patents

진공 전자 디바이스 드리프트 관 Download PDF

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KR101983333B1
KR101983333B1 KR1020170104376A KR20170104376A KR101983333B1 KR 101983333 B1 KR101983333 B1 KR 101983333B1 KR 1020170104376 A KR1020170104376 A KR 1020170104376A KR 20170104376 A KR20170104376 A KR 20170104376A KR 101983333 B1 KR101983333 B1 KR 101983333B1
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Abstract

중공 튜브 구조를 포함하는 진공 전자 디바이스(예를 들어, 평면 빔 클라이스트론)에 대한 기술이 설명된다. 일례로, 중공 튜브 구조는 적어도 세 개의 공진 공동 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함한다. 각 공진 공동은 장축을 따르는 공동 폭 및 단축을 따르는 공동 높이를 포함한다. 각 드리프트 관 섹션은 드리프트 관 섹션 폭 및 드리프트 관 섹션 높이를 포함하며, 공동 높이는 드리프트 관 섹션 높이보다 크다. 제1 드리프트 관 섹션은 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치된다. 제2 드리프트 관 섹션은 제2 공진 공동 및 제3 공진 공동 사이에 배치된다. 제1 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭은 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이하다.

Description

진공 전자 디바이스 드리프트 관{VACUUM ELECTRON DEVICE DRIFT TUBE}
본 출원에 다르게 표시되지 않는 한, 본 섹션에서 설명되는 접근법들은 본 출원에서의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니고 본 섹션에 포함되는 것에 의해 종래 기술인 것으로 자백되는 것이 아니다.
클라이스트론은 고 무선 주파수(RF) 증폭기(예를 들어, 마이크로파 증폭기)의 유형이며, 이는 전자 가속기들 및 레이더에 대한 극초단파(UHF) 송신기들, 텔레비전, 및 위성 통신을 위한 전원들, 뿐만 아니라 입자 가속기들을 위한 구동 전력 발생기에 사용될 수 있다. 클라이스트론은 의료, 보안 및 검사, 능동 방어, 물질 가공, 및 고에너지 물리학 적용예들에 사용될 수 있다. 클라이스트론은 고진공(예를 들어, 진공 디바이스, 진공 전자 디바이스, 또는 진공 전자 디바이스)에서 작동되는 중공 관 구조(예를 들어, 중공 금속성 도파관)를 포함하는 전자 디바이스이다. 클라이스트에서, 전자 총에 의해 발생되는 전자 빔은 전자 빔이 관(예를 들어, 드리프트 관)의 길이를 따라 공진 공동들(예를 들어, 금속 박스 또는 원통형의 형상들)을 통과함에 따라 전파들과 상호작용한다. 전자 빔은 입력 신호가 인가되는 제1 공동을 통과한다. 전자 빔의 에너지는 공진 공동들에서 신호를 증폭시키고, 증폭된 신호는 클라이스트론의 타단에서의 이후 공동에서 줄어든다. 종래 원형 빔 클라이스트론(또는 환형 빔 클라이스트론([ABK])에서, 자석에 의해 둘러싸이는 원통형 전자 빔은 다수의 공진 공동을 가로지르고 그것들과 상호작용하여, 입력 신호를 보통 30 데시벨 내지 60 데시벨(dB; 즉, 천배 내지 백만배의 이득)만큼 증폭시킨다. 공동들에 의해 발생되는 고 RF 필드들은 원통형 빔 드리프트 관에 의해 다른 공동들과 구분되며, 이는 너무 작아서 차단 주파수로서 지칭되는 특정 주파수 미만에서 RF 필드를 전파할 수 없을 수 있다. 드리프트 관, 전자 총, 및 포커싱 자기장들(예를 들어, B-필드들)의 크기는 클라이스트론의 전류, 및 그로 인해 전력에 상한을 둘 수 있다.
평면 빔 클라이스트론(SBK; sheet beam klystron)은 종래 원형 빔 클라이스트론들에 대한 보다 소형 또는 저비용 대안일 수 있는 마이크로파 전력 증폭기이고, 원형 빔 클라이스트론들보다 많은 평균 전력을 생산할 수 있으며, 원형 빔 클라이스트론들보다 용이하게 보다 고주파수들로 확장될 수 있다. SBK에서의 공동들 및 드리프트 관의 비교적 넓고 편평한 구조로 인해, SBK는 불안정할 수 있다. 중공 구조들에 국한되는 전자기(EM) 방사선은 횡방향 모드들, 이를테면 횡방향 전계(TE) 모드들, 횡방향 자계(TM) 모드들, 및 하이브리드 모드들을 가질 수 있다. 횡방향 모드는 전자기 방사선의 빔의 전파 방향에 수직한(즉, 가로 놓인) 평면에서 측정되는 방사선의 특정 전자기장 패턴이다. TE 모드(또는 H 모드)는 전파 방향에 전기장이 없는 전자기장 패턴이다(즉, 자기(H)장이 전파 방향을 따라 발생한다). TM 모드(또는 E 모드)는 전파 방향에 자기장이 없는 전자기장 패턴이다(즉, 전기(E)장이 전파 방향을 따라 발생한다). 하이브리드 모드는 전파 방향에 비-제로 전기장 및 비-제로 자기장을 갖는 전자기장 패턴이다. 공진 공동들이 입력의 RF 필드를 증폭시키는 한편 드리프트 관들과 조합된 공진 공동들이 클라이스트론의 이득 및 대역폭에 영향을 주며, 이는 보통 관으로서 지칭된다. SBK에서, 공진 공동들 및 드리프트 관은 트랩 모드들 또는 기생 모드들로서 지칭되는 몇몇 횡방향 모드가 여기 및 발달되게 할 수 있다.
클라이스트론에서의 불안정성은 양의 피드백이 전자 총(또는 전자 빔 발생기)에 의해 방출되는 유사-안정 상태 전자 빔 상의 유도 전류 및 횡방향 모드(또는 전파 모드) 사이에 발생할 때 발생할 수 있다. SBK의 넓은 드리프트 관은 전파 모드들을 지원할 수 있으며, 이는 "트랩"될 수 있으며(즉, 전자 빔을 드리프트 관 벽들 내로 유도할 수 있는 강한 횡방향 전기장들[예를 들어, TE 모드]을 갖는 정상파들을 형성할 수 있다), 이는 전자 빔이 불안정하게 되게 할 수 있다(예를 들어, TE 모드 불안정성). 클라이스트론에서의 불안정성은 도 1에 도시된 바와 같이, SBK의 관(예를 들어, 드리프트 관)의 벽들과 충돌하는 전자 빔 또는 신호의 RF 필드들의 약화를 초래할 수 있으며, 이는 RF 신호의 증폭을 감소시키거나, 출력 신호를 약화시키거나, 또는 클라이스트론에 손상을 입힐 수 있다. 도 1은 드리프트 관(162)에서의 공진 공동들(164A 내지 164G)을 통과하면서 변화되는 전자 빔(170)의 파형을 갖는 7-공동 SBK(160)를 도시하며, 이는 전자 빔(172)의 불안정성을 초래한다. 전자 빔이 제6 및 제7 공진 공동들(164F 및 164G) 사이의 드리프트 관 벽을 치는 것으로 도시되었지만, 전자 빔의 불안전성은 이미 제2 공진 공동(164B)에 발생하는 것으로 도시되며, 이는 신호의 RF 필드들의 약화를 야기할 수 있다. 불안정성은 RF 모드가 발달할 때(예를 들어, 모드 밖으로 손실될 때보다 많은 전력이 모드에 들어갈 때) 발생할 수 있다.
SBK는 불안전성 없이 작동될 때, 비교적 경량 구조와 함께 초고 평균(또는 피크) 전력을 가질 수 있으며, 이는 다양한 과학적, 상업적, 및 군사적 적용예들에 유용할 수 있다. SBK에서의 전자 빔은 편평하고 "평면"형(그로 인해 "평면 빔"이라 명명)의 측방향으로 확장될 수 있으며, 그에 따라 전자 빔은 보다 낮은 전류 밀도로 인해 보다 높은 전류를 전달할 수 있다. 여기에 설명되는 기술(시스템들, 디바이스들, 및 방법들)은 전자 디바이스, 이를테면 SBK의 전자 빔의 횡방향 모드들의 특성들을 변경하고 안정성을 개선하기 위한 메커니즘들을 제공한다.
비교적 편평한 구조를 갖는 진공 전자 디바이스들, 이를테면 평면 빔 클라이스트론(SBK)은 횡방향 전계(TE) 모드의 불안정성에 민감할 수 있다. 여기에 설명된 기술(시스템들, 디바이스들, 및 방법들)은 드리프트 관 조절들 이를테면 상이하게 드리프트 관 섹션 폭들을 변경하는 것을 제공하고, 공진 공동 조절들, 이를테면 상기 공진 공동의 요형 특징부들을 변경하는 것을 제공하며, 이는 TE 모드의 불안정성의 영향들을 감소, 최소화, 경감, 또는 몇몇 경우 심지어 제거할 수 있다. 몇몇 예에서, 상기 드리프트 관 섹션들의 상기 폭을 변경하는 것은 상기 SBK의 상기 동작 주파수에 대해 무시해도 될 정도의 영향으로 TE 모드의 불안정성의 영향들을 감소시킬 수 있다. 예에서, 상기 드리프트 관 섹션들의 상기 폭을 변경하는 것은 상기 드리프트 관 섹션들의 상기 공진 주파수를 서로 달리할 수 있고 따라서 상기 드리프트 관 섹션들의 상기 공진 주파수가 중첩되지 않게 되며, 그에 따라 TE 모드의 불안정성의 가능성을 감소시키게 된다. 요형 특징부가 입력 신호의 증폭을 위해 횡방향 모드에 전자 빔의 결합을 강화할 수 있더라도, 요형 특징부가 없는 공진 공동들은 반사 계수를 낮출 수 있고, 그렇게 함으로써 상기 드리프트 관 섹션의 부하시의 양호도를 낮출 수 있으며, 이는 불안전성을 발생시키는 횡방향 모드들의 진동들을 경감시킬 수 있다.
다른 예에서, 진공 전자 디바이스, 이를테면 SBK는 중공 튜브 구조를 포함한다. 상기 중공 튜브 구조는 적어도 세 개의 공진 공동 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함한다. 각 공진 공동은 장축을 따르는 공동 폭, 단축을 따르는 공동 높이, 및 전파축을 따르는 공동 길이를 포함하고, 상기 장축은 상기 단축에 실질적으로 직교한다. 예로, 실질적으로 직교하는은 88° 내지 92°(즉, 90°의 2° 이내)의 각도를 나타낸다. 각 드리프트 관 섹션은 상기 장축을 따르는 드리프트 관 섹션 폭, 상기 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 상기 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함한다. 예로, 상기 공동 폭은 상기 드리프트 관 섹션 폭보다 크거나 상기 공동 높이는 상기 드리프트 관 섹션 높이보다 커 상기 공진 공동들 및 상기 드리프트 관 섹션들 사이에 단절을 야기한다. 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따라 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치된다. 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제2 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따르는 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 상기 제2 공진 공동 및 제3 공진 공동 사이에 배치된다. 상기 제1 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이하다.
구성에서, 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭보다 적어도 0.3% 크거나 작다.
다른 예로, 상기 중공 튜브 구조는 적어도 두 개의 공진 공동 및 적어도 하나의 드리프트 관 섹션을 포함한다. 각 공진 공동은 장축을 따르는 공동 폭, 단축을 따르는 공동 높이, 및 전파축을 따르는 공동 길이를 포함하고, 상기 장축은 상기 단축에 실질적으로 직교한다. 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션은 상기 장축을 따르는 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 폭, 상기 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 상기 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함한다. 예로, 상기 공동 폭은 상기 드리프트 관 섹션 폭보다 크거나 상기 공동 높이는 상기 드리프트 관 섹션 높이보다 커 상기 공진 공동들 및 상기 드리프트 관 섹션들 사이에 단절을 야기한다. 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따라 상기 적어도 두 개의 공진 공동 중 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치된다. 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션의 제1 드리프트 관 섹션 폭은 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션의 제2 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이하다.
구성에서, 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 제1 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 제2 드리프트 관 섹션 폭보다 적어도 0.3% 크거나 작다.
다른 예로, 상기 중공 튜브 구조는 적어도 세 개의 공진 공동 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함한다. 각 공진 공동은 장축을 따르는 공동 폭, 단축을 따르는 공동 높이, 및 전파축을 따르는 공동 길이를 포함하고, 상기 장축은 상기 단축에 실질적으로 직교한다. 각 드리프트 관 섹션은 상기 장축을 따르는 드리프트 관 섹션 폭, 상기 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 상기 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함한다. 예로, 상기 공동 폭은 상기 드리프트 관 섹션 폭보다 크거나 상기 공동 높이는 상기 드리프트 관 섹션 높이보다 커 상기 공진 공동들 및 상기 드리프트 관 섹션들 사이에 단절을 야기한다. 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따라 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치된다. 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제2 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따르는 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 상기 제2 공진 공동 및 제3 공진 공동 사이에 배치된다. 상기 제1 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이는 상기 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이와 실질적으로 상이하고, 상기 제1 드리프트 관 섹션 및 상기 제2 드리프트 관 섹션은 끝에서 두번째 공진 공동 및 마지막 공진 공동 사이의 드리프트 관이 아니다.
구성에서, 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 길이는 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭보다 0.7% 내지 15% 크다.
다른 예로, 상기 중공 튜브 구조는 적어도 세 개의 공진 공동 및 드리프트 관 물질을 포함하는 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함한다. 각 공진 공동은 장축을 따르는 공동 폭, 단축을 따르는 공동 높이, 및 전파축을 따르는 공동 길이를 포함하고, 상기 장축은 상기 단축에 실질적으로 직교한다. 각 드리프트 관 섹션은 상기 장축을 따르는 드리프트 관 섹션 폭, 상기 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 상기 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함한다. 예로, 상기 공동 폭은 상기 드리프트 관 섹션 폭보다 크거나 상기 공동 높이는 상기 드리프트 관 섹션 높이보다 커 상기 공진 공동들 및 상기 드리프트 관 섹션들 사이에 단절을 야기한다. 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따라 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치된다. 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제2 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따르는 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 상기 제2 공진 공동 및 제3 공진 공동 사이에 배치된다. 상기 제2 드리프트 관 섹션은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 적어도 하나의 내벽을 따라 벽 물질을 포함한다. 상기 벽 물질의 전자기 속성은 상기 중공 관 구조의 나머지의 벽 물질 및 진공의 투자율 및 유전율과 실질적으로 상이하다.
상기에 제공된 발명의 내용은 예시적인 것이고 어떤 식으로도 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 상기에 설명된 예들에 더하여, 도면들, 다음 구체적인 설명, 및 첨부된 청구항들을 참조하여 본 발명의 추가 측면들, 특징들, 및 이점들이 분명해질 것이다.
도 1은 전자 빔이 7-공동 평면 빔 클라이스트론(SBK)의 벽들 상에 충돌함에 따른 불안정성의 길이 방향 측면도 시뮬레이션을 예시한다.
도 2는 예시적인 클라이스트론의 블록도를 예시한다.
도 3은 예시적인 평면 빔 클라이스트론(SBK)의 다이어그램을 예시한다.
도 4a 내지 도 4h는 5-공동 SBK의 마이크로파 공동 어셈블리에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 뷰들을 예시한다.
도 5a 내지 도 5j는 상이한 드리프트 관 섹션 폭들을 갖는 5-공동 SBK의 마이크로파 공동 어셈블리에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 뷰들을 예시한다.
도 6a 내지 도 6d는 드리프트 관 섹션 벽들에 대해 사용될 수 있는 예시적인 다항식 함수들을 예시한다.
도 6e는 드리프트 관 섹션 벽들에 대해 사용될 수 있는 예시적인 지수 함수를 예시한다.
도 6f는 드리프트 관 섹션 벽들에 대해 사용될 수 있는 지수 함수와 선형 함수의 예시적인 구분적 조합을 예시한다.
도 7은 SBK의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들을 예시한다.
도 8a 및 도 8b는 SBK의 마이크로파 공동 어셈블리 및 자기 회로의 뷰들을 예시한다.
도 9는 SBK의 공진 공동 구조들 및 드리프트 관 주위에 권취되는 솔레노이드 코일들을 예시한다.
도 10a 내지 도 10j는 SBK의 공진 공동 구조들 및 드리프트 관을 예시한다.
도 11a 내지 도 11e는 상이한 공진 공동 및 드리프트 관 섹션 구성들을 갖는 다양한 주입 모드에 대한 반사 계수 크기 대 주파수의 그래프들을 예시한다.
도 12(표 1)는 공진 공동들에서 동작하는 TM110 모드들 및 드리프트 관 섹션들에서 동작하는 TE302 모드들의 결과를 요약한다.
본 발명의 임의의 실시예들이 상세하게 설명되기 전, 본 발명은 그것의 적용시 다음 설명에 제시되거나 다음 도면들에 예시될 구성의 세부사항들 및 구성요소들의 배열에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하고 다양한 방식으로 실행 또는 수행될 수 있다. 흐름도들 및 프로세스들에 제공된 번호들은 명확성을 위해 예시적인 단계들 및 동작들로 제공되고 반드시 특정 순서 또는 시퀀스를 나타내는 것은 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 용어 "또는"은 대안예들의 선택(예를 들어, 합 연산자, 또는 배타적 합) 또는 대안예들의 조합(예를 들어, 곱 연산자, 및/또는, 논리적 합, 또는 불 논리합)을 나타낼 수 있다.
본 발명은 일반적으로 진공 전자 디바이스들에서의 횡방향 모드 불안전성을 감소 또는 경감하기 위한 조절들에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 평면 빔 클라이스트론(SBK)에서의 횡방향 전계(TE) 모드의 영향들을 감소, 최소화, 경감, 또는 몇몇 경우 심지어 제거하기 위한 드리프트 관 및 공진 공동 조절들에 관한 것이다.
예시적인 실시예들은 공진기 어셈블리의 드리프트 관 섹션들에서의 공진 주파수를 변경하거나 예시 공진 공동으로부터의 반사 계수를 변경함으로써 드리프트 관 섹션들에서의 양호도를 감소시킬 수 있는 다양한 드리프트 관 및 공진 공동 조절을 예시한다. 특히, 드리프트 관 섹션들의 드리프트 관 폭들은 공진 공동들 사이 드리프트 관의 증폭 특성들을 변경하기 위해 변경될 수 있으며, 이는 클라이스트론(예를 들어, 평면 빔 클라이스트론)의 의도된 신호 증폭에 무시해도 될 정도의 영향으로 불안정성을 야기하는 TE 모드들을 감소시킬 수 있다.
진공 전자 디바이스들, 이를테면 클라이스트론들은 수십 메가와트(MW)까지의 출력 전력을 갖는 마이크로파들의 고전력 증폭을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 통상적으로, 클라이스트론은 입력 주파수의 10% 미만의 대역폭을, 그리고 몇몇 예에서는, 입력 주파수의 1% 미만의 대역폭을 갖는 협 대역폭 디바이스이다. 종래, 대역폭은 최대 주파수 값(즉, 피크 주파수)의 어느 한 측 상의 상측 및 하측 주파수들 간 차이로서 정의되며, 여기서 상측 및 하측 주파수들은 각각 3dB-지점에 의해 정의된다. 3dB-지점은 스펙트럼 밀도가 그것의 최대 값의 절반인 지점이다. 스펙트럼 밀도는 신호를 구성하는 주파수 성분들에 대한 전력 분포이다.
마이크로파들은 극초단파(UHF; 300 MHz 내지 3 GHz), 초고주파(SHF; 3 GHz 내지 30 GHz), 및 극고주파(EHF; 밀리미터파; 30 GHz 내지 300 GHz)를 포함할 수 있는, 약 300 메가헤르츠(MHz; 1 m) 내지 300 기가헤르츠(GHz; 1 mm)의 주파수들을 갖고 범위가 1 미터(1 m)에서 1 밀리미터(1 mm)에 이르는 파장들을 갖는 전자기 방사선의 형태이다. 주파수로 범위가 대략 1 GHz에서 100 GHz에 이르는 전자기 에너지에 대해, 마이크로파 스펙트럼은 대역들, 이를테면 L(1-2 GHz), S(2-4 GHz), C(4-8 GHz), X(8-12 GHz), Ku(12-18 GHz), K(18-26.5 GHz), Ka(26.5-40 GHz), Q(33-50 GHz), U(40-60 GHz), V(50-75 GHz), W(75-110 GHz), F(90-140 GHz), 및 D(110-170 GHz)로 더 분류될 수 있다. 대역 L은 UHF와 연관되고, 대역 S 내지 Ka는 SHF와 연관되며, 대역 Q 내지 D는 EHF와 연관된다. 진공 전자 디바이스들이 통상적으로 마이크로파들과 연관되지만, 이를테면 클라이스트론이 마이크로파 증폭을 제공하지만, 여기에 설명된 조절들 및 접근법들은 또한 보다 높은 주파수 디바이스들, 이를테면 보다 낮은 적외선 스펙트럼(여기서 적외선 전자기 방사선은 300 GHz(1 mm) 내지 450 테라헤르츠(700 nm)의 주파수들을 갖고 범위가 1 밀리미터(1 mm)에서 700 나노미터(nm)에 이르는 파장들을 포함한다)에서 동작하는 디바이스들에도 적용될 수 있다. 용어 "마이크로파"에 대한 언급은 여기서 사용될 때 또한 보다 낮은 적외선 스펙트럼에서의 주파수들을 포함할 수 있다. 일례로, 용어 "마이크로파"는 300 MHz 내지 3 THz의 주파수들을 포함한다.
이제 본 발명의 예시적인 실시예들의 다양한 측면을 설명하기 위해 도면들이 참조될 것이다. 도면들은 그러한 예시적인 실시예들의 도식적이고 개략적인 표현들이고, 본 발명에 대한 제한적인 것이 아니고, 반드시 일정 축적으로 그려질 필요도 없다는 것이 이해되어야 한다.　
예시적인 클라이스트론
도 2는 예시적인 클라이스트론(180)의 블록도이다. N+2-공동 클라이스트론(180)은 공진기 어셈블리(191)에 전자 총(전자들을 방출하는)(182), N+2개의 공동(192, 194 및 196), 및 콜렉터(190)를 포함한다. 전자 총(182)은 에너지(
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(여기서 mo는 전자 빔의 질량이고 e는 전자 전하이다))를 갖고 애노드(183)를 향해 전압 전위(Vo)에 의해 속도(u0)로 가속되는 전자들의 빔(또는 전자 빔)(184)을 발생시키는 캐소드(181)를 포함한다. 전자 빔(184)은 드리프트 관들(또는 드리프트 관 섹션들)과 연관되는 공진 공동들(또는 "집군" 공동들)(192, 194 및 196)로서 지칭되는 복수의 공동을 갖는 관(또는 중공 관 구조)에 진입한다. 전자 빔은 관에 결합되어 전자 빔 결합(197)으로 지칭된다. 전자 빔은 입력 공동 또는 "집군기" 공동(192)으로 지칭되는 제1 공진 공동에서, Visinωt로 표현되고 결합 계수(M)(1보다 작은 양의 값)로 감소되는 무선 주파수(RF) 전압(186)에 따라 동작하며, 여기서 Vi는 입력 전압이고 ω는 각 주파수(ω=2πf(여기서 f는 정규 주파수(헤르츠[Hz] 단위로 측정되는)이다))이다. 클라이스트론은 직류(DC) 전자 빔(184)의 운동 에너지를 무선 주파수 전력으로 변환함으로써 RF 입력 신호를 증폭시킨다.
공진 공동들(192, 194, 및 196)의 구조는 특정 공진 주파수, 보통 입력 주파수 부근에서 정재파들을 생성하도록 설계되며, 이는 전자 빔에 작용하는 발진 전압을 만든다. 전계는 전계가 전자들의 모션에 반하는 경우 공진 공동을 통과하는 전자들이 느려진다는 점에서, 그리고 전계가 전자들의 모션과 동일한 방향에 있는 경우 공진 공동을 통과하는 전자들이 가속된다는 점에서, 전자들이 "집군(bunch)"하게 하여, 이전에 연속적이었던 전자 빔이 입력 주파수에서 또는 그 부근에서 집군들을 형성하게 한다. 집군 작용을 강화시키기 위해, 클라이스트론은 추가 공진 공동들 또는 "집군기" 공동들(184)을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, "집군기" 공동(또는 "집군" 공동)은 제1 공진 공동을 지칭한다. 다른 예에서, "집군기" 공동들은 제1 공진 공동 및 추가 공진 공동들을 지칭한다. 도 2에 도시된 예에서, 클라이스트론은 입력 공동(192) 및 출력 공동(196) 외에도 N개의 공진 공동(194)을 갖는다. 공진 공동들(예를 들어, N개의 공진 공동(194))은 또한 중간 공진 공동들로서도 지칭된다. 통상적으로, 정상 동조형 구성들을 갖는 종래 클라이스트론들의 경우 각 공진 공동은 이득을 대략 10 데시벨(dB)만큼 증가시킨다. 보다 많은 공진 공동을 추가하면 RF 이득 또는 대역폭을 증가시키게 될 수 있다. 그 다음 전자 빔(184)은 보다 빠른 전자들이 보다 느린 전자들을 따라잡는 "드리프트" 관을 통과하여, "집군들"을 생성한 후, 출력 공동 또는 "캐처(catcher)" 공동(196)을 통과한다. 출력 "캐처" 공동(196)에서, 전자들의 각 집군은 전계가 전자들의 모션에 반하고, 그렇게 함으로써 전자들을 둔화시키는 경우 순환에서 일시에 공동에 진입한다. 그에 따라 전자들의 운동 에너지가 전계의 에너지로 변환되어, 진동폭을 증가시킨다. 출력 공동(196)에서 여기되는 진동들은 증폭된 RF 출력 신호를 생성하기 위해 (187)(또는 다른 예들에서, 동축 케이블)를 통해 밖으로 결합된다. 전계의 도파관(187)에 대한 결합은 도파관 결합(198)으로 지칭된다. 소비되어 에너지가 감소된 전자 빔은 집전극 또는 콜렉터(190)에 의해 포획된다.
예시적인 평면 빔 클라이스트론
도 3은 예시적인 평면 빔 클라이스트론(SBK)(100)의 다이어그램이다.SBK는 전자 총 어셈블리(110), 공진기 어셈블리(또는 마이크로파 공동 어셈블리)(120), 마이크로파 출력 도파관 어셈블리(130), 및 콜렉터 어셈블리(140)를 포함한다. 전자 총 어셈블리(110)는 공진기 어셈블리(120)의 제1 단부 상에 있고, 콜렉터 어셈블리(140)는 공진기 어셈블리(120)의 제2 단부 상에 있다. 전자 총 어셈블리(110)는 전자 방출기(미도시)를 포함하는 전자 총(미도시)을 포함한다. 공진기 어셈블리(120)는 솔레노이드 코일 연결기들(126) 및 냉각 인터페이스들(124)(예를 들어, 입력들 및 출력들)을 갖는 자기 박스(122)(이는 또한 냉각 박스로서의 기능을 할 수도 있다)를 포함한다. 자기 리턴 박스(122)는 공진 공동들(라벨링되지 않음) 및 드리프트 관 섹션들(라벨링되지 않음)을 봉입할 수 있다. 자기 리턴 박스(122)는 입력 측(또는 전자 총 측) 상에 전자 총 측 자극편(미도시됨)을 갖고 봉입되고 출력 측(또는 콜렉터 측) 상에 콜렉터 측 자극편(128)을 갖고 봉입될 수 있다. 전자 총 측 자극편은 도 3에 도시되지 않았고 따라서 자기 리턴 박스(122) 내부 공진 공동들 및 드리프트 관이 보이지 않을 수 있다. 마이크로파 출력 도파관 어셈블리(130)는 다양한 도파관 구성요소들, 이를테면 출력 도파관 H-면 만곡부(132), 출력 도파관 이단 E-면 변환기(134), 출력 도파관 윈도우(135), 출력 도파관 E-면 만곡부(136), 및 출력 마이크로파 결합기 또는 출력 도파관 E-형 티 접합기(138)를 포함할 수 있다. 마이크로파 출력 도파관 어셈블리(130)는 출력 신호를 특정 위치로 보내 결합시킨다. 콜렉터 어셈블리(140)는 집전극(미도시)을 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4h는 5-공동 SBK의 마이크로파 공동 어셈블리(200)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 뷰들을 예시한다. 도 4a는 마이크로파 공동 어셈블리(200)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 사시도를 도시하고, 도 4b는 상면도를 도시하고, 도 4c는 측면도를 도시하며, 도 4h는 정면도(전자 빔의 이동 방향에서 바라보는)를 도시한다. 도 4d는 마이크로파 공동 어셈블리(200)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 사시 단면도를 도시하고 도 4e는 측단면도를 도시하며, 단면은 y-z 면에서 마이크로파 공동 어셈블리의 중앙부를 따라 취해진다. 도 4f는 마이크로파 공동 어셈블리(200)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 사시 단면도를 도시하고 도 4g는 상부 단면도를 도시하며, 단면은 x-z 면에서 마이크로파 공동 어셈블리의 중앙부를 따라 취해진다.
마이크로파 공동 어셈블리(200)의 구조들은 전자 빔 및 RF 신호를 위한 도파관들로서의 역할을 한다. 마이크로파 공동 어셈블리(200)의 구조에 의해 형성되는 공동들 및 공극들은 전자 빔 및 RF 입력 신호를 증폭된 RF 출력 신호로 변환하기 위해 사용되는 정재파들 및 공진 주파수들을 발생시키기 위한 특징들을 제공한다. 마이크로파 공동 어셈블리(200)는 관의 드리프트 관 영역(220)에서의 드리프트 관 섹션들(230A 내지 230F)에 의해 결합되는 공진 공동들(210)을 포함한다. 클라이스트론에서의 공진 공동들(210) 및 드리프트 관들(220)은 적합한 고 전기 전도 및 고 열 전도 물질로 제조될 수 있으며, 이는 예를 들어, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 또는 세라믹 복합 재료(CMC들; 예를 들어, 세라믹 섬유 강화 세라믹[CFRC] 또는 탄소-섬유-강화 탄화 규소[C/SiC])를 포함할 수 있다. 종래 원형 빔 클라이스트론(미도시)에서, 공진 공동들 및 드리프트 관은 반경, 직경, 또는 반-주축들을 갖는 원통형, 원환형, 또는 타원형을 갖는다. SBK에서, 공진 공동들 및 드리프트 관 튜브는 실질적으로 직육면체 또는 직사각형 직육면체 형상 또는 실질적으로 타원형 원통형 형상을 가질 수 있다. 전자 빔은 전자 빔이 z-방향으로(또는 z-축을 따라) 이동 또는 전파하고, 전자 빔의 넓은 방향이 x-방향으로(또는 x-축을 따라) 있으며, 전자 빔의 얇은 방향이 y-방향으로(또는 y-축을 따라) 있도록 배향된다. 각 공진 공동(210A 내지 210E)의 공극 및 드리프트 관(220)의 각 드리프트 관 섹션(230A 내지 230F)은 폭, 높이, 및 길이를 갖는다. 여기서 사용될 때, 폭은 x-축(202)(또는 장축)에 따른 거리를 지칭하고, 높이는 y-축(204)(또는 단축)에 따른 거리를 지칭하며, 길이는 z-축(206)(또는 전파축; 전자 빔의 전파 축)에 따른 거리를 지칭한다.
예를 들어, 각 공진 공동(210A 내지 210E)은 공동 폭(212(공동들(210A-210D)에 대한) 및 218(출력 공동(210E)에 대한)), 공동 높이(214A(공동들(210A-210D)에 대한) 및 214E(출력 공동(210E)에 대한)), 및 공동 길이(216)를 갖는다. 공동들(210A-210D)에 대한 공동 높이(214A)가 유사한 것으로 도시되었지만, 각 공진 공동은 상이한 공동 높이를 가질 수 있다(공진 공동에 대해 원하는 공진 무선 주파수 필드에 기초하여). 출력 공동 폭(218)은 공동 폭(212(공동들(210A-210D)에 대한))과 상이하고 출력 공동 높이(214E)는 공동 높이(214A(공동들(210A-210D)에 대한))와 상이하다. 공동들(210A-210D)에 대한 공동 폭(212)이 유사한 것으로 그리고 출력 공동 폭(218)과 상이한 것으로 도시되었지만, 각 공진 공동은 유사하거나 상이한 공동 폭을 가질 수 있다(공진 공동에 대한 디자인 원하는 공진 무선 주파수 필드에 기초하여).
공진 공동들은 공진 공동들의 특성들(예를 들어, 횡방향 모드들, 전자 빔, 또는 RF 신호의 특성들)을 변경하기 위해 다양한 특징부, 이를테면 바벨 특징부(또는 덤벨 특징부)(246) 또는 요형 특징부(240)를 가질 수 있다. 바벨 특징부(또는 바벨 구조)를 갖는 공진 공동은 바벨 공동(바벨형 공동, 덤벨 공동, 또는 덤벨형 공동)으로 지칭될 수 있다. 바벨 공동은 덤벨 공동 또는 H-블록 공동으로 지칭될 수 있으며, 이는 바벨 공동의 약간의 변화를 가질 수 있다. 바벨 특징부는 전자 빔의 폭에 따라 크게 변하지 않는 RF 필드를 생성함으로써 편평한 전자기장의 형상을 개선할 수 있다. 바벨 특징부는 내측 공동 폭(211)(바벨 내부), 바벨 폭(213(공동들(210A 내지 210D)에 대한)) 또는 출력 공동 바벨 폭(213E(출력 공동(210E)에 대한)), 및 바벨 높이(215(공동들(210A 내지 210C)에 대한)), 제4 공동 바벨 높이(215D(공동(210D)에 대한)), 또는 출력 공동 바벨 높이(215E(출력 공동(210E)에 대한))를 갖고 공진 공동들을 더 정의할 수 있다. 공동들(210A 내지 210C)에 대한 바벨 높이(215)가 유사한 것으로 도시되었지만, 각 공진 공동은 상이한 바벨 높이들을 가질 수 있다. 출력 공동 바벨 폭(213E)은 바벨 폭(213(공동들(210A 내지 210D)에 대한))과 상이하고 제4 공동 바벨 높이(215D) 및 출력 공동 바벨 높이(215E)는 바벨 높이(215(공동들(210A 내지 210C)에 대한))와 상이하다. 공동들(210A 내지 210C)에 대한 바벨 폭들(215)이 유사한 것으로 그리고 제4 공동 바벨 높이(215D) 및 출력 공동 바벨 높이(215E)와 상이한 것으로 도시되었지만, 각 공진 공동은 상이하거나 유사한 바벨 폭들을 가질 수 있다(원하는 관 특성들에 기초하여). 도 4a 내지 도 9j는 바벨 특징부를 갖는 공진 공동들을 예시한다. 다른 예들에서, 공진 공동은 다른 유형들의 평면 빔 유형 공동들, 이를테면 직사각형 직육면체 형상(즉, 직사각형 필박스 또는 정육면체 공동), 기다란 구멍의 이랑이 만들어져 있는 도파관, 또는 십자-개구 공동을 가질 수 있다.
요형 특징부(240)(또는 요형 구조)는 공진 공동에서의 전자기장에 대한 전자 빔의 결합을 개선할 수 있다. 요형 특징부는 공극으로의 돌출부(예를 들어, 공진 공동)를 지칭한다. 요형 특징부는 상이한 형상들 또는 구성들, 이를테면 삼각형, 삼각 기둥, 또는 비스듬한 큐폴라 형상(도 10d의 242), 또는 직사각형 또는 직사각형 직육면체 형상(도 4e 및 도 5e의 240)을 가질 수 있다. 요형 특징부의 다른 형상들 또는 구성들이 또한 사용될 수 있다. 공진 공동의 각 측 상의 요형 특징부 간 공극의 가장 작은 또는 최소 거리는 요형 갭 길이(217)로서 지칭된다. 통상적으로, 요형 갭 길이(217)는 공동 길이(216)보다 작다.
드리프트 관 영역(220)에서의 드리프트 관들(230A 내지 230F)은 드리프트 관 폭(222), 드리프트 관 높이(224), 및 드리프트 관 영역 길이(226)를 갖는다. 공진 공동들(210A 내지 210E) 간, 애노드 및 제1 공진 공동(또는 입력 공진 공동 또는 "집군기" 공동)(210A) 간, 그리고 마지막 공진 공동(또는 출력 공진 공동 또는 "캐처" 공동 또는 최종 공진 공동)(210E) 및 콜렉터 간 드리프트 관 영역은 각각 드리프트 관 섹션들(230A 내지 230F)로서 지칭될 수 있다. 각 드리프트 관 섹션(230A 내지 230F)은 드리프트 관 섹션 폭(또는 관 섹션 폭)(232A 내지 232F), 드리프트 관 섹션 높이(또는 관 섹션 높이)(224), 및 드리프트 관 섹션 공극 길이(또는 관 섹션 길이 또는 관 섹션 공극 길이)(236A 내지 236F)을 갖는다. 종래, 드리프트 관 섹션 폭(232A 내지 232F)은 드리프트 관 섹션들(230A 내지 230F)에 대해 균일 및 유사하고 드리프트 관 폭(222)으로 총칭되며, 드리프트 관 섹션 높이들(224)은 드리프트 관 섹션들(230A 내지 230F)의 각각에 대해 균일 및 유사하고 드리프트 관 높이(224)로 총칭된다. 드리프트 관 섹션 폭들(232A 내지 232F) 및 드리프트 관 섹션 높이들(224)은 드리프트 관의 구조 또는 내벽들에 의해 정의된다. z-축에서, 드리프트 관 섹션들은 공진 공동의 공극으로 연장된다. 드리프트 관 섹션 공극 길이(236A 내지 236F)는 공진 공동 내 지점(예를 들어, 중간 지점)에 의해 정의될 수 있다. 다른 예들(미도시)에서, 드리프트 관 섹션 공극 길이는 드리프트 관 섹션 및 근접 공진 공동 간 경계 또는 단절에 의해 정의될 수 있다. 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션(230B 내지 230D)은 유사하거나 상이한 드리프트 관 섹션 공극 길이들(236B 내지 236D)을 가질 수 있다. 제4 공진 공동 및 출력 공진 공동 간 드리프트 관 섹션(230E)은 출력 신호에 대한 전자 빔을 둔화시키도록 조절(예를 들어, 단축)될 수 있다.
공동 폭은 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들 간 공극에 단절을 야기하기 위해 드리프트 관 섹션 폭과 상이하다. 예로, 공동 폭(212 또는 218)은 드리프트 관 섹션 폭(232A 내지 232F)보다 크다. 다른 구성에서, 공동 높이는 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들 간 공극에 단절을 야기하기 위해 드리프트 관 섹션 높이와 상이하다. 예로, 공동 높이(214A 및 214E)는 드리프트 관 섹션 높이(224)보다 크다. 몇몇 예에서, 공동 높이는 드리프트 관 섹션 높이의 거리의 두 배이다.
공동은 구조들(예를 들어, 공진 공동들 또는 드리프트 관 섹션들)을 z-방향으로 도파관의 단부들에 배치함으로써 형성될 수 있으며, 이는 구조가 특정 고유 주파수들(즉, 공진 주파수)에서 특정 고유 모드들을 지원하게 한다. 진동 시스템의 고유 모드(또는 정상 모드)는 시스템의 모든 부분이 동일 주파수 및 고정 상 관계를 갖고 정현 곡선으로 움직이는 모션의 패턴이다. 고유 주파수(또는 진동의 공진 주파수)는 고유 모드가 발생하는 주파수이다. 많은 진공 전자 디바이스, 이를테면 클라이스트론은 전자 빔과 상호작용하는 전자기 모드들(또는 횡방향 모드들, 전파 모드들, 또는 고유 모드들)을 가짐으로써 동작된다. 직사각형 도파관 및 공동들(즉, 중공 직사각형 구조들)에서, 직사각형 모드 번호들이 모드 유형에 부착되는 둘 또는 세 개의 접미사 번호에 의해, 이를테면 TEmn 또는 TMmn, 및 TEmnp 또는 TMmnp로 지정되며, 여기서 m은 도파관의 폭에 걸친 반파 패턴들의 수이고, n은 도파관의 높이에 걸친 반파 패턴들의 수이며, p는 공동의 길이에 걸친 반파 패턴들의 수이다.
전자 빔과의 횡방향 모드 상호작용들은 보통 횡방향 모드 상호작용들을 증대시키기 위한 방식으로 성형된 구조를 통해 전자 빔을 전달함으로써 발생한다. 상호작용은 전자 빔을 따라 불연속 위치들에서 또는 구조의 전반적 볼륨들 전체에 걸쳐 발생할 수 있다. 변경들 또는 증대들은 특정 방식으로 전자 빔과 상호작용하도록 벽들 또는 구조들을 성형함으로써 발생된다.
통상적으로, 공진 공동들 및 드리프트 관들, 특히 공진 공동들은 원하는 이득 및 대역폭을 시도 및 획득하도록 공진 공동들의 공진 주파수들을 배열함으로써 클라이스트론의 이득 또는 대역폭을 증대하도록 설계된다. 보통 TM110 모드(또는 공진 공동들의 실용 모드 또는 일차 모드)에 중점을 둔다. 다른 모드들이 진공 전자 디바이스들(예를 들어, 클라이스트론)에 존재할 수도 있다. SBK의 것이 보통 직사각형 유형 기하학적 구조에 기초하기 때문에, 직사각형 도파관 구조에서의 전파 모드들은 횡방향 전계(TE) 및 횡방향 자계(TM) 모드들의 항들로 표현될 수 있다. 직사각형 공동에 대해, TEmnp 및 TMmnp 모드들에 대한 공진 주파수들은 식 1에 의해 근사치로 계산될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00002
여기서 m, n, 및 p는 음이 아닌 정수이고 m, n, 및 p 중 적어도 두 개는 양의 정수이며(즉, TE 모드들에 대해 m = 0,1, 2, .. , n = 0, 1, 2, ..., p = 1, 2, .. 여기서 m 및 n 양자는 동시에 0일 수 없음 또는 TM 모드들에 대해 m = 1, 2, ..., n = 1, 2, ..., 그리고 p = 0, 1, 2...), 색인들 m, n, 및 p는 도파관들이 지원하는 모드들의 필드 구조들과 관련되고, μ은 매질 또는 물질의 합성 투자율을 나타내고, ε은 매질 또는 물질의 합성 유전율을 나타내고, 'a'는 공극 또는 공동의 폭(또는 넓은 방향)을 나타내고, 'b'는 공극 또는 공동의 높이(또는 좁은 방향)을 나타내며, 'd'는 z-방향으로 형성되는 공극 또는 공동의 폭(또는 너비 방향)을 의 길이를 나타낸다. 투자율(μ)은 그 자체 내 자기장의 형성을 지원할 수 있는 물질의 능력의 측정치이다. 유전율(ε)은 매질에 전기장을 형성하는 경우 대립되는 저항의 측정치이다. 공진 공동들 및 드리프트 관들이 직사각형 도파관 구조에 개구들(및 때때로 특징부들)을 갖기 때문에, 식 1이 보정 계수들로 공진 공동들 및 드리프트 관들에서의 공진 주파수들의 근사치를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 보정 계수는 구조의 시뮬레이션들에 의해 결정될 수 있다.
전자기파(또는 횡방향 모드)는 주파수(또는 모드 주파수)가 차단 주파수로서 지칭되는 파 전파에 대한 보다 낮은 임계 주파수 또는 최소 주파수를 초과하는 경우 전파된다. 전자기 모드들은 전자기 모드들이 두 개의 공진 공동을 연결하는 도파관들(예를 들어, 드리프트 관 섹션)에서 전파하도록 허용되는 경우, "트랩"되게 될 수 있어, 트랩 모드들로서 지칭된다. 드리프트 관 섹션(또는 다른 도파관 특징부들)이 전자기 모드들이 전파하는 것을 방지하는 경우 전자기 모드들은 차단된다. 전자기 모드의 주파수가 차단 주파수 미만인 경우, 전자기 모드들은 도파관 구조에서 전파될 수 없고 차단으로 지칭된다. TEmn 및 TMmn 모드들에 대한 차단 주파수는 식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00003
여기서 m 및 n은 음이 아닌 정수들이고 m 및 n 중 적어도 하나는 양의 정수이며(즉, m 및 n 중 단지 하나만 0일 수 있다; 예를 들어, TE 모드들에 대해 m = 0,1, 2, ..., n = 0, 1, 2, .., m 및 n은 양자가 0일 수 없음 또는 TM 모드들에 대해 m = 1, 2, ..., n = 1, 2, ....), m 및 n은 도파관이 지지하는 모드들의 필드 구조들과 관련되고, μ은 매질 또는 물질의 투자율을 나타내고, ε은 매질 또는 물질의 유전율을 나타내고, 'a'는 공극 또는 공동의 폭(또는 넓은 방향)을 나타내며, 'b'는 공극 또는 공동의 높이(또는 좁은 방향)을 나타낸다. 식 2는 식 1에 관해 이전에 논의된 바와 같이, 보정 계수들로 공진 공동들 및 드리프트 관들에서의 차단 주파수들의 근사치를 계산하기 위해 사용될 수 있다.
공진 공동들은 진공 전자 디바이스의 "의도적" 공동들로서 지칭될 수 있으며, 여기서 RF 구조들이 전자 빔과 상호작용할 목적으로 설계되고 배치된다. 드리프트 관 또는 드리프트 관 섹션들은 "비의도적" 공동들로서 지칭될 수 있으며, 여기서 드리프트 관의 공동들 또는 공극들은 공진 공동들(또는 "의도적" 공동들) 사이에 트랩 모드들(또는 기생 모드들)을 발생시킨다. 명확히 하기 위해, 전자기 모드들로부터의 공진 주파수들 및 진동들은 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들 양자에서 발생할 수 있으며, 여기서 공진 공동들은 공진 주파수들 또는 진동들을 강화하려고 "의도"되고, 드리프트 관 섹션들은 도파관 구조의 "비의도적" 결과들이다. 이와 같이, 드리프트 관 또는 드리프트 관 섹션들(또는 도파관 구조의 다른 부분들)의 구조를 변경하면 트랩 모드들의 공진 주파수들을 변경하고 진동들을 약화시키게 할 수 있다. 관(또는 진공 전자 디바이스)의 변화들은 또한 의도적 공동들의 기능 및 성능에도 영향을 미칠 수 있기 때문에, 공진 공동들의 기능 및 성능에 미치는 무시해도 될 정도의 또는 최소한의 영향에 따른 몇몇 변경이 이행하는 데 보다 바람직할 수 있다. 드리프트 관 또는 드리프트 관 섹션들의 설계는 공진 공동들의 접근법(즉, 공진 공동 접근법, 이는 의도적 공동 주파수들을 중첩시킴으로써 클라이스트론의 이득을 증대 또는 최대화하려고 시도한다)과 반대의 접근법(즉, 드리프트 관 접근법)을 취한다. 드리프트 관 접근법에 대해, 드리프트 관 섹션의 공극들 또는 공동들에 의해 발생되는 비의도적 공동 주파수들은 주파수들 사이에 간격을 두고 배열되고 트랩 모드들 또는 기생 모드들에 대한 이득을 낮게 유지하기 위해 주파수들의 중첩을 최소화한다. 전자 빔과 무시할 수 없는 상호작용을 하는 모드들에 대해 부하시의 대역폭들의 합보다 크게 주파수가 분리될 상이한 드리프트 관 공동들에 대응하는 공진 모드들의 피크들을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
많은 평면 빔 디바이스에서, 다시 식 1 및 식 2를 참조하면, 드리프트 관 섹션들(또는 공진 공동들을 연결하는 도파관들에서)에서 'b'는 'a'보다 훨씬 더 작다. 이와 같이, n = 0을 갖는 TE 필드들은 0보다 큰 n을 갖는 TM 모드들 및 TE 모드들보다 훨씬 더 낮은 차단 주파수를 가질 수 있다.
그에 비해, 중공 원형 구조는 중공 직사각형 구조에 비해 보다 낮은 차단 주파수를 가질 수 있고, 따라서 종래 원형 빔 클라이스트론들은 불안전성이 이슈화하기 전에 훨씬 더 높은 실용 주파수를 필요로 할 수 있다. 대부분의 종래 원형 빔 클라이스트론들에서, 원통형 드리프트 관의 좁은 치수들(예를 들어, 반경 또는 직경)은 이들 다른 TE 및 TM 모드가 전파할 수 없도록 전자기 모드들의 대부분을 차단한다. SBK의 드리프트 관 섹션들의 기하학적 구조에 기인하여, 전자기 모드들은 트랩되게 될 수 있고 역효과들, 이를테면 횡방향 전계 모드가 여기되고 모드가 디바이스의 전지 빔의 의도적 동작을 변경하기에 충분히 간섭하는 지점까지 발달되는 전자 빔의 TE 모드 불안정성을 발생시킬 수 있다. TE 모드 불안전성은 또한 다른 비-평면 빔 전자 디바이스들, 이를테면 원형 빔 상대론적 클라이스트론(예를 들어, 상대론적 클라이스트론 증폭기) 또는 확장 상호작용 클라이스트론에서도 발생할 수 있다. 예를 들어, 원형 빔 상대론적 클라이스트론에서, TE 모드 전파 또는 불안정성과 유사한 문제가 발생하며, 여기서 드리프트 관은 공진 공동들 사이를 차단하지 않는다. TE 모드 전파 또는 불안전성(또는 유사한 문제들)은 또한 평면 빔 가속기들에도 존재할 수 있다.
SBK의 발달은 직사각형 구조 및 편평한 전자 빔과 연관된 전기적 및 기계적 문제들에 의해 지연되어 왔다. 도입될 때, 넓은 드리프트 관 섹션 섹션들이 트랩 모드들이 여기되게 하기 때문에 전기적 문제가 발생하며, 이는 TE 모드 불안정성을 야기할 수 있다. 공동들(예를 들어, 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들)은 오버모드(예를 들어, 다중 모드가 전파하게 하는 것)될 수 있다.
편평한 전자 빔을 발생시키는 진공 전자 디바이스들(예를 들어, SBK)이 문제들을 가질 수 있더라도, 편평한 전자 빔을 발생시키는 이들 진공 전자 디바이스는 또한 몇몇 뚜렷한 장점을 갖는다. 예를 들어, SBK는 빔의 폭을 변경함으로써 전류 밀도의 증가 없이 빔 전류의 증가를 가능하게 하며, 이는 캐소드 전류 밀도 감소를 가능하게 한다. 감소된 전류 밀도는 집속 자기장(또는 B-필드) 요건을 감소시킬 수 있고 캐소드 부하를 감소시킬 수 있다. 자기장의 감소는 적어도 부분적으로 보다 낮은 공간 전하 힘에 기인하며, 이는 보다 용이할 수 있는 영구 자석 집속 기법들이 이행되게 한다. 편평한 전자 빔의 보다 큰 표면적은 또한 전력 손실(예를 들어, i2R 손실)이 보다 큰 표면적에 분산됨에 따라, 온도를 감소시키고 냉각 요건을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 주파수에 따른 전력 감쇠는 원형 빔들에 대한 경우와 같이 약(즉, 대략) 1/주파수의 제곱[(1/f)2]가 아닌 약 1/주파수(1/f)이며, 이는 SBK가 고 주파수 설계들(예를 들어, 75 GHZ를 초과하는 주파수들), 이를테면 약 94 GHz에 대해 개발되는 W-대역 SBK 또는 약 1 THz에서 동작하는 SBK에 보다 적합하게 한다.
식 1 및 식 2 외에도, 많은 다른 관계, 질 또는 양이 또한 공동들을 특징 짓는 데 뿐만 아니라 공동들이 전자 빔과 상호작용하는 것을 지지하는 고유 모드들의 능력에 도움이 될 수 있다. 하나의 관계는 식 3에 의해 주어진 바와 같이, 공동의 총 양호도이다.
Figure 112017079531973-pat00004
여기서 총 양호도(QT)는 두 개의 성분, 전자 빔과의 상호작용을 설명하는 빔 부하시의 양호도(Qb), 및 공동에 기인하는 양호도이고 어떤 전자 빔도 존재하지 않을 때 종료되는 부하시의 양호도(Ql)를 가질 수 있다. 부하시의 양호도(Ql)는 무부하시의 양호도(Qo) 및 외적 양호도(Qe)에서 기인된다.
주어진 모드에 대해, 양호도는 식 4에 표현된 바와 같이, 일정 기간 동안 손실되는 전력 양에 비한 공동이 에너지를 저장할 수 있는 능력의 측정치이다.
Figure 112017079531973-pat00005
여기서 ω는 각 주파수(2π*f; 또는 방사 주파수 또는 라디안 주파수)이고, Wo는 공동에서의 총 시간 평균 에너지이며, 다양한 Ps는 전력 손실을 나타낸다(예를 들어, Pb는 빔 부하에 기인하는 전력 손실이고, Po는 손실이 많은 물질들에 기인하는 전력 손실이며, Pe는 공동 밖으로의 에너지 방사 또는 전파[형상 및 설계]에 기인하는 전력 손실이다). Qb에 대해 손실되는 전력은 전자 빔에 대한 결합에서 오고, Qo에 대해 손실되는 전력은 저항 또는 손실이 많은 물질들 때문이며, Qe에 대해 손실되는 전력은 공동 밖으로의 전력 방사 또는 전파 때문이다.
공동을 설명하는 데 도움을 주는 데 유용한 다른 관계는 R/Q(즉, R/Q는 R 나누기 Q가 아니라, 심볼을 나타낸다)이다. 옴(Ω)의 단위를 갖는 R/Q는 주어진 에너지 저장량에 대한 공동의 가속 전압을 설명한다. R/Q의 물리적 설명은 식 5로 표현된 바와 같이 공동의 상호작용 갭에 걸친 전압(V)의 제곱과 공동에 저장된 에너지(W)의 비로서 설명될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00006
여기서 Vc는 상호작용 갭(공동에서의)에 걸친 전압이고, ωo는 공진 주파수(
Figure 112017079531973-pat00007
, 여기서 L은 공동 또는 회로의 인덕턴스이고 C는 공동 또는 회로의 커패시턴스이다)이며, W는 공동에서의 평균 에너지이다. 클라이스트론들은 일반적으로 다소 제한된 대역폭을 갖는 공진하는, 협대역 디바이스들이다. 클라이스트론의 대역폭은 입력이 관심 대역에 걸쳐 출력 회로를 구동하기에 충분한 기본-주파수 RF 전류(Ii)를 생성할 때, 주로 출력 회로의 R/Q에 의해 설정된다. R/Q는 또한
Figure 112017079531973-pat00008
로서 표현될 수도 있다.
구조에서의 제n 공동의 임피던스(Zn(ω))는 식 6으로 표현된 바와 같이, 주파수의 함수와 동형으로 표현될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00009
여기서
Figure 112017079531973-pat00010
은 제n 공동에 대한 R/Q이고,
Figure 112017079531973-pat00011
은 제n 공동에 대한 총 양호도이고, ωo는 제n 공동에 대한 공진 주파수이며, ω는 디바이스의 입력 또는 동작 주파수이다.
이들 공동 파라미터를 갖고, 클라이스트론은 통상적으로 전자 빔과 관련되는 조금 더 많은 파라미터 또는 관계를 사용한다. 먼저 전자 빔은 전자 총 전압(Vo)에 의해 가속되고, 주어진 DC 전류(Io) 및 속도(uo)를 갖는다. 식 7에 주어진 빔 전파 계수(또는 파상수)(βe), 식 8에 주어진 플라즈마 파상수(βp), 및 식 9에 주어진 감소된 플라즈마 파상수(βq)는 클라이스트론 디바이스 설계 및 클라이스트론 동작을 이해하는 데 유용한 몇몇 파라미터이다. 파상수(또는 파수)는 파의 공간 주파수(예를 들어, 단위 거리당 사이클들 또는 단위 거리당 라디안들)이다.
Figure 112017079531973-pat00012
Figure 112017079531973-pat00013
Figure 112017079531973-pat00014
여기서 ωp는 플라즈마 주파수이고, R은 플라즈마 저감 계수이다. 플라즈마 저감 계수는 집군들 간 공간 전하의 영향들을 감소시키는 데 드리프트 관 벽들의 영향을 고려한다. 넓은 평면 빔에서, 상호작용의 대부분이 드리프트 관 높이에서(즉, 드리프트 관의 넓은 치수들 사이에서) 발생하기 때문에 플라즈마 저감 계수(R)는 고정된 빔 폭에 대해 드리프트 관의 폭에 단지 보다 적게 의존할 수 있다. 그에 따라, 드리프트 관의 폭은 감소된 플라즈마 파상수(βq)를 변경하는 데 단지 작은 또는 무시해도 될 정도의 영향만 미치며 고정된 빔 폭에 대해 변경될 수 있다.
갭 결합 계수(M1)는 식 10으로 주어진다.
Figure 112017079531973-pat00015
여기서 x는 공동(예를 들어, 공진 공동 또는 드리프트 관 섹션)에서의 갭의 거리이고, β는 파상수(또는 파수 또는 축 파수)이고, EC는 회로 필드(예를 들어, 회로에 의해 발생되는 전기장)이며, ξ는 회로 필드가 존재하는 빔에 따른 통합 경로이다. 갭 결합 계수(M1(x, βe))는 보통 제m 공동의 평균 갭 결합 계수(M(βe))를 제공하기 위해 전자 빔에 걸쳐 평균을 낸다. 제m 공동은 제n 공동 이전의 공동을 나타낸다.
클라이스트론 이론으로부터, RF 변조가 전자 빔 상에 길이 방향으로(즉, z-축을 따라) 놓이고 상호작용이 별개의 영역들에 걸쳐 발생하며 드리프트 관이 차단될 때, 두 개의 공동(예를 들어, 두 개의 공진 공동) 간 상호 컨덕턴스(gmn)는 식 11로 표현될 수 있고 두 개의 공동 간 대응하는 전압 이득(Gmn)은 식 12로 표현될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00016
Figure 112017079531973-pat00017
Vm은 이전 공동(m)의 갭에 걸친 전압이고, In은 전압(Vm)에서 기인하는 공동(n)에서의 구동 전류이고, Vn은 공동(n)의 갭에 걸친 전압이고, lmn은 제m 및 제n 공동 간 길이(즉, 드리프트 관 섹션 길이)이고, Vo는 전자 총 전압이고, Io는 전자 총 전류이고, ωq는 감소된 플라즈마 주파수이고, Mm은 제m 공동의 갭 결합 계수이며, Mn은 제n 공동의 갭 결합 계수이다. 길이(lmn)는 보통 전자 빔 및 결합에 관한 파라미터들에 의해 설정된다.
이들 식(예를 들어, 식 1 내지 식 12)은 가능한 피드 포워드 전류 경로들에 걸쳐 합산함으로써 N 공동 클라이스트론의 총 이득을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 그 결과로 생긴 절대 전력 이득(G(p))은 식 13으로 표현될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00018
여기서 Z1은 제1 공진 공동의 임피던스이고, GN1은 N개의 공동에 걸친 전압 이득이고, Qe1은 제1 공진 공동의 외적 양호도이고, QeN은 제N 공진 공동(또는 마지막 공진 공동)의 외적 양호도이고, (R/Q)1은 제1 공동에 대한 R/Q이고, (R/Q)N은 제N 공동(즉, 마지막 공동)에 대한 R/Q이고, A는 다양한 회로 및 빔 파라미터를 구현하는 상수이고, p는 절대 전력 이득의 극이고,, pn들은 N개의 공동의 공진 공동들의 극들이고, zn들은 이득 함수가 영점으로 가는 복소 주파수들이고, Qe1은 제1 공진 공동의 외적 양호도이고, QeN은 제N 공진 공동(또는 마지막 공진 공동)의 외적 양호도이다. 일반적으로, 단일-동조 공진 공동들을 갖는 다중-공동 클라이스트론들의 이득 함수들은 극들(p)보다 두 개 적은 영점(z)을 갖는다. 식 13에서, N개의 극은 공진 공동들에서 기인하고 N-2개의 영점은 상호 컨덕턴스과 관련된 피드 포워드 경로들에 기인한다. 중간 공진 공동들은 클라이스트론의 이득 및 대역폭을 증대시키기 위해 사용된다. 보통 공동들의 공진 주파수들은 바람직한 이득 및 대역폭을 얻도록 배열된다. 통상적으로, 각 공진 공동은 이득을 대략 10 dB씩 증가시킬 수 있다. 보다 많은 공진 공동을 추가하면 특히 그것들의 공진 주파수들이 중첩할 때, RF 이득을 증가시킬 수 있게 된다.
기생 모드 또는 트랩 모드들은 전자 빔 상에 유도된 전류 및 모드 간에 양의 피드백이 발생할 때 발달될 수 있으며, 이는 전자 빔의 불안정성을 발생시킨다. 이들 전자 빔 불안정성은 총 전압에 의존할 수 있으며(이는 또한 Io, uo, 및 식 7 내지 식 9로 표현되는 파상수들을 초래한다), 음의 총 양호도(QT)를 기초로 예측될 수 있다. 전자 빔에 의해 유발되는 기생 모드들은 횡방향 모드들이 충분히 로딩되지 않을 때 발달될 수 있고 진공 전자 디바이스(즉, 관; 예를 들어, 클라이스트론) 동작을 방해할 수 있다. 적어도 두 개의 요인이 진동을 유발한다, 첫째로, 빔은 모드에 전력을 전달하고, 둘째로, 저항성 또는 손실이 많은 물질 때문에 손실되는 전력 및 에너지가 공동들에서 떠나 방사됨으로써 손실되는 전력은 전자 빔으로부터 획득되는 전력보다 적으며, 이는 그 결과 모드 에너지의 순 이득이 되고 진동들을 발달시킨다. 영점보다 적은 총 양호도(QT < 0)를 얻기 위해, Qb는 음이 될 필요가 있고, 총 양호도의 역이 보다 음일 수록, 자기-여자가 모드를 보다 용이하게 발생시킬 수 있으며, 이는 전자 빔의 불안정성을 발생시킨다. 상기한 관계들, 식들, 및 설명들로부터, 원치 않는 모드들이 발달하는 것을 감소시키는 데 도움을 주기 위해 첫째로, 전자 빔 및 기생 모드 또는 트랩 모드 간 결합을 감소시키는 것(예를 들어, Qb를 증가시키는 것), 둘째로, 옴 유형 손실을 증가시키는 것(예를 들어, Qo를 낮추는 것), 셋째로, 모드가 전력을 공동 밖으로 방사 또는 전파하게 하는 것(예를 들어, Qe를 낮추는 것)을 포함하는 적어도 세 개의 접근법 또는 이들 접근법의 조합이 사용될 수 있다.
예시적인 확장 상호작용 클라이스트론
원치 않는 진동들이 SBK 외에도 많은 유형의 클라이스트론 애플리케이션에서 발생한다. 특히 하나의 영역은 확장 상호작용 공동들 또는 확장 상호작용 클라이스트론들(EIK들; extended interaction klystrons)의 분야이다. EIK들은 고 주파수(예를 들어, ≥8 GHz), 고 전력(예를 들어, ≥75 MW), 또는 고 전압(예를 들어, ≥500 킬로볼트[kV]) 애플리케이션들, 이를테면 전자-양전자 선형 충돌형 가속 장치에 대해 고-피크 전력을 제공할 수 있다. 확장 상호작용 출력 공동들은 RF 전압을 몇몇 출력 공동 상호작용 갭에 걸쳐 분산시키기 위해 그리고 RF 파괴를 방지하기 위해 사용될 수 있다. 공동에 대한 최대 전기장(E)은 RF 파괴에 의해 제한된다. RF 파괴시, 국부적인 고 전기장은 고체 표면들(예를 들어, 공동 벽들)로부터의 이온들의 필드 증착 및 균열을 야기한다. 설명된 식들 및 관계들 중 많은 식 및 관계, 이를테면 식 11은 몇몇 이산적인 갭에서 발생하는 모드들 및 빔 간 상호작용에 의존적이다. EIK들은 다중-갭이 사용되거나 상호작용이 확장 영역에 걸쳐 발생할 때 발생한다. 위에서 논의된 파라미터들 중 많은 파라미터가 또한 EIK 회로들을 분석하는 데 관련된다. EIK들에서, 일반적 클라이스트론 이론은 일반적인 영역에 걸쳐 일반화된 RF 필드와 상호작용할 때 적용된다. 그러한 RF 필드들은 함께 밀접하게 배치되는 공동들에 대응하는 몇몇 이산적인 필드 영역일 수 있거나 또는 필드들은 결합된 갭 구조의 연속적인 필드일 수 있다. EIK들은 보통 큰 전력 출력, 넓은 주파수 대역폭, 또는 높은 이득을 얻기 위해 보다 높은 주파수(예를 들어, 밀리미터[mm] 파 회로들)에서 사용된다. 이들 공동에서 평균 갭 결합 계수(M)의 크기는 확장 공동의 위상 속도를 빔 속도에 동기화시킴으로써 최적화될 수 있고 공동들의 안정성은 양의 빔 부하 시의 컨덕턴스(Gb)에 의존적일 수 있다. 빔 상의 길이 방향 파들(z-방향에서의)에 대해, Gb는 식 14로 표현될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00019
여기서 βe는 전자 파상수이고, βq는 감소된 플라즈마 파상수이고, Vo는 전자 총 전압이고, Io는 플라즈마전자 총 전류이며, M은 평균 갭 결합 계수이다.
빔 부하시의 양호도(Qb)는 식 15의 관계를 사용하여 계산될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00020
빔 부하시의 양호도(Qb)는 또한 식 16을 사용하여 주어진 모드로부터 빔으로 결합되는 전력(Pb)(즉, 빔 전력)을 검토함으로써 직접 계산될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00021
여기서 Jm은 전자 빔에 대한 전류 밀도이고, Em은 전자 빔의 전기장이며, 빔의 볼륨(V)에 대해 적분이 취해지고 일정한 시간 기간(T) 동안 평균된다.
예시적인 상대론적 클라이스트론 증폭기들
기생 모드들이 형성될 수 있는 다른 클라이스트론 구조는 상대론적 클라이스트론 증폭기들(RKA들; relativistic klystron amplifiers)에 있다. RKA는 상대론적 전자 빔들을 사용하며, 여기서 상대론적 전자 총에 의해 발생되는 전자들의 스트림들이 상대론적 속도들로 움직인다. RKA는 통상적으로 높은 전력 및 높은 이득을 제공하기 위해 높은 전류(예를 들어, 종래 ABK의 암페어[A] 범위가 아니라 킬로 암페어[kA] 범위의)를 사용한다. 몇몇 RKA에서, 중간 공동들 사이에는 보다 높은 모드들(또는 보다 높은 차수의 모드들)이 주로 발달되며, 여기서 원형 드리프트 관은 차단되지 않는다. 예를 들어, 기생 모드들의 여기는 양의 피드백의 형태이다. 기생 모드들을 여기하는 것을 방지하기 위해, 임계 전류가 증가될 수 있다(예를 들어, 임계 전류가 빔 전류보다 상당히 클 때). 임계 전류는 중간 공진 공동들의 수에 비례할 수 있고, 따라서 보다 많은 중간 공동은 기생 모드들을 여기할 가능성을 증가시킨다. 기생 모드들을 약화시키기 위해 사용될 수 있는 하나의 메커니즘은 저항성 또는 손실이 많은 물질들을 드리프트 관의 벽들 내에 두거나 추가하는 것이며, 이는 무부하시의 양호도(Qo)를 변경(예를 들어, 감소)한다. 무부하시의 양호도(Qo)의 감소는 기생 모드들을 억제하는 데 도움을 줄 수 있으며 이는 몇몇 RKA의 성능을 향상시킬 수 있다.
예시적인 자계 집속
SBK에서, TEm0 모드들은 드리프트 관에서 전파될 수 있으며, 여기서 m은 드리프트 관의 폭(x-축)에 걸친 반파 패턴들의 수이다. TE 모드들은 제조 및 전하 밀도 변동시 발생할 수 있는 오정렬 및 기계가공 오류들(예를 들어, 공진 공동들의 매칭 또는 출력 갭 임피던스 및 빔 임피던스 간 매칭)에 기인하여 여기될 수 있다. 이들 TE 모드가 드리프트 관에서 동작하는 경우, 모드들이 전기장의 y-방향 성분을 가져 빔을 인근의 드리프트 관 벽들을 향해 차기 때문에 TE 모드들은 일반적으로 문제들을 야기한다. TEm0 모드의 자가-여자는 불안정성으로 인해 상이한 SBK 설계들에 문제가 되어 왔다. TE 모드들은 드리프트 관 섹션 및 공진 공동 간 불연속성(?를 들어, 공극 특징들의 변화)로 인해 트랩될 수 있다. 주기적으로 끝이 커프스 자석(PCM; periodically cusped magnet) 필드들 및 위글러 필드들을 집속시키는 주기적인 영구 자석(PPM)이 전자 빔을 집속시키고 수송하려는 시도로 사용되어 왔지만, 궁극적으로 이들 설계는 TE 모드 불안전성을 발생시키는 필드의 크기로 인해 불안정적이게 지속되었다.
솔레노이드 집속이 TE 모드 불안정성에 덜 민감할 수 있는 강성 빔을 만들기 위해 사용될 수 있다. 설명된 접근법들에 더하여, 솔레노이드 집속은 이전에 식 16으로 제시된 바와 같이. 빔 중심이 y-방향으로 덜 진동하게 할 수 있고 주어진 횡방향 모드로부터 빔으로의 전력 결합을 감소시킬 수 있다. 그러나, 전자 총이 자기장(예를 들어, B-필드) 및 드리프트 관으로부터 어긋나게 되는 경우 또는 어긋나게 될 때(이는 일반적으로 실제 어느 정도 발생한다), 전자 빔 상에 상당한 진동들이 계속해서 발생할 수 있으며, 이 진동은 계속해서 TE 모드들에 결합할 수 있다.
드리프트 관 높이 변경 또는 초크 공동들 추가
공진 공동들 및 드리프트 관의 다양한 변하는 트랩 모드에 영향을 미칠 수 있다. 예로, 드리프트 관 높이를 증가시키는 것은 RF 필드들의 일부가 공동 밖으로 방사되게 하여, 외적 양호도(Qe)를 감소시킨다. 그러나, 드리프트 관 높이를 드리프트 관 섹션들 전체에 걸쳐 균일하게 변경하는 것은 또한 공진 공동의 총 양호도(QT)를 감소시키고 R/Q를 감소시킴으로써 의도적 공동(또는 공진 공동)의 동작에도 영향을 미칠 수 있다. 다른 예로, 드리프트 관 섹션에서의 좁은 벽(y-방향의)에서의 기다란 구멍 또는 드리프트 관 벽에서의 드리프트 관에서의 RF 흡수체(예를 들어, 드리프트 관 섹션의 기다란 구멍이 나 있는 좁은 벽 내에 삽입되는 저항성 또는 손실이 많은 물질)가 또한 트랩 모드들을 억제하기 위해 사용될 수 있다. 드리프트 관에서의 기다란 구멍들 및 RF 흡수체는 계속해서 전자 빔과 상호작용할 수 있고 클라이스트론의 제조 비용을 증가시킬 수 있다. 다른 예로, 손실이 많은 물질(예를 들어, 드리프트 관의 벽들 내) 또는 4분의 1(¼) 람다 초크 공동들이 또한 트랩 모드들을 억제하기 위해 사용될 수 있다. ¼ 람다 초크 공동(또는 초크 접속기)은 드리프트 관 섹션의 넓은 벽(예를 들어, 상부, 하부, 또는 양 벽)에서의 공진 공동의 말단에서 떨어져 (동작 주파수의) 4분의 1의 홀수 배수의 파장들에 배치되는 좁은 공동이다. 초크 공동 접근법은 또한 동조될 필요가 있을 수 있는 공동들의 추가 세트를 사용하고 초크 공동들의 위치는 모드에 툭정하며, 이는 제조 복잡도 및 비용을 추가할 수 있다. 손실이 많은 물질 및 다른 보다 복잡한 변경들을 구조에 삽입하는 것은 또한 특히 클라이스트론의 주파수가 증가되고 클라이스트론의 특징부들이 보다 작게 될 때, 보다 어려울 수 있고 생산하기에 비용이 많이 들수 있다.
트랩 전자기 모드들 변경
적어도 두 개의 상이한 메커니즘들이 증폭된 신호에 미미한 또는 무시해도 될 정도의 영향을 갖는 전자 빔과 상호작용하는 트랩 전자기 모드들의 효과를 변경하기 위해 사용될 수 있다. 의도적 신호를 증폭시키는 것에 보다 큰 영향을 미치는 다른 메커니즘들이 사용될 수 있다. 몇몇 변경은 증폭된 신호(또는 동작 주파수)에 미미한 또는 무시해도 될 정도의 영향을 미칠 수 있는 한편 다른 변경들은 증폭된 신호에 보다 유의한 영향을 미칠 수 있다.
전자 빔과 상호작용하는 트랩 전자기 모드들의 효과를 변경하기 위한 제1 방법은 다중 공동이 구조를 따라 형성될 때 유용할 수 있다. 클라이스트론 이론 그리고 보다 일반적으로 확장 상호작용 클라이스트론 이론과 매우 유사하게, 전자 빔 경로에 따른 공동들의 주파수는 상이한 공동들에서의 RF 필드들 및 전자 빔 간 상호작용에 큰 영향을 미칠 수 있다. 형성되는 공동들(예를 들어, 공동들의 치수들)을 조작함으로써, 공진 주파수가 변경될 수 있다. 공진 주파수를 변경하는 것은 다중 공동이 사용될 때 이득 및 대역폭 간 관계에 유의한 영향을 미칠 수 있다. 상이한 공동 주파수들은 전자 빔 및 전자기 모드들 간 결합에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 증가된 대역폭을 희생시키고 드리프트 관 공동들에서의 트랩 TE 모드들의 이득을 감소시키는 것이 바람직하다.
제2 방법은 공동(예를 들어, 드리프트 관 섹션)을 생성하는, 적어도 두 개의 대상(예를 들어, 불연속성)이 구조를 따라 배치될 때 형성되는 전자기장들을 조작하는 것을 수반한다. 이들 구조 또는 구조들의 단부들 사이에 형성되는 공동을 조작함으로써, 형성된 공동에 저장되는 에너지가 변경될 수 있다. 프로세스의 부분으로서, 반사 계수가 주어진 횡방향 모드에 대해, 공동을 형성하는 대상들(예를 들어, 드리프트 관 벽들)의 각각으로부터의 주파수 함수로서 결정될 뿐만 아니라 특정한 횡방향 모드에 대한 공동의 공진 주파수를 결정할 수 있다. 그 다음, 대상들이 변경될 수 있거나 대상들 사이에서의 공동(예를 들어, 공진 공동)이 변경되어 주파수 함수로서의 반사 계수들을 변경 또는 공동의 공진 주파수를 변경함으로써 RF 필드들이 공동 밖으로 방사되게 할 수 있다.
이들 기술이 일반적으로 진공 전자 디바이스들 또는 진공 관들에 적용될 수 있지만, 제시된 예들은 평면 빔 디바이스들, 이를테면 평면 빔 클라이스트론들의 드리프트 관들에 형성되는 트랩 모드들에 적용된다. 설명된 기술, 메커니즘들, 및 접근법들은 또한 다른 진공 전자 디바이스들, 이를테면 확장 상호작용 클라이스트론들(EIK들) 및 상대론적 클라이스트론 증폭기들(RKA들)에 적용될 수도 있다.
드리프트 관에서의 트랩 모드들의 주파수들 변경
클라이스트론들은 기능이 공동들의 주파수들에 의존적인 협대역 디바이스들이다. 식 6, 식 11 및 식 12에 관해 이전에 설명된 바와 같이, 디바이스 이득(또는 도파관 이득)(G)은 식 17로 표현된 바와 같이, 신호 경로들을 거치는 드리프트 관 섹션 상호 컨덕턴스들(gmn) 및 공동 임피던스(Zn(ω))의 곱들의 합이다.
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여기서 ω는 각 주파수이고, Vin은 디바이스의 입력 전압이고, Vout은 디바이스의 출력 전압이고, n은 공동들의 수이고, 상호 컨덕턴스(gmn)는 식 11로 표현되고, 임피던스(Zn(ω))는 식 6으로 표현되며, 전압 이득(Gmn)은 식 12로 표현된다. 그 결과로 생긴 총 전력 이득은 또한 이전에 식 13으로 표현되었다. 분모 다항식들(예를 들어, (p-p1)...(p-pN))은 바람직한 주파수 응답을 얻도록 조절되는 공동 임피던스들에 의존적이다. 클라이스트론들은 다양한 피드 포워드 항들로 인해 유한한 영점들을 갖는다. 일반적으로, 단일-동조 공동들을 갖는 다중-공동 클라이스트론들의 이득 함수들은 극들(pN)보다 두 개 적은 영점(예를 들어, zN-2)을 갖는다. 이득 피크들은 극들의 반대 편에서 발생하고 이득 저하들은 영점들의 반대 편에서 발생한다. 통상적인 클라이스트론 설계들에서, 공동들의 공진 주파수들은 이득이 관심 대역 내에서 적정하게 편평하도록 배열된다. 이득이 영점들의 부근에서 저하되기 때문에, 극 배열은 일반적으로 영점가 대역 외측으로 이동되거나 인접한 극에 의해 상쇄된다는 것(즉, 극 영점 상쇄)을 제공한다. 종래, 이득 대역폭 트레이드오프는 주어진 수의 중간 공동에 대해 발생한다. 예를 들어, 클라이스트론이 높은 이득을 가질 때, 클라이스트론은 일반적으로 보다 낮은 대역폭을 갖는다. 클라이스트론은 동시에 동조될 수 있으며, 여기서 모든 공진 공동이 동일 주파수로 또는 매우 유사한 주파수로 동조된다. 동시 동조는 최대 이득을 야기하나, 대역폭은 매우 작을 수 있다. 클라이스트론 설계는 또한 공진 공동들의 주파수들을 적당하게 배열 또는 이격시킴으로써 광대역(즉, 넓은 대역폭)에 대해서도 동조될 수 있으며, 이는 이득을 적게할 수 있다.
종래 클라이스트론 이론에서, 전자 빔 및 RF 필드들 간 상호작용은 상이한 공동들에 걸쳐 이산적인 위치들에서 발생한다. 식 12에 의해 제시된 바와 같이, 공동에서의 갭에 걸쳐 발달되는 전압(예를 들어, Vn)은 공동 임피던스(Zn(ω))에 의존적이다. 공진 시, 공동 임피던스(Zn)는 높고 따라서 빔 전류의 이러한 주파수 성분에서 유도되는 전압이 높다. 확장 상호작용 클라이스트론들(EIK들)에서, 상호작용은 많은 갭에 걸쳐 또는 확장된 영역 전체에 걸쳐 발생한다. 비의도적 공동들은 드리프트 관이 차단되지 않을 때 두 개의 의도적 공동 사이의 드리프트 관 섹션에 형성될 수 있다. 이들 비의도적 공동은 "의도적 클라이스트론" 설계 내에서 동작하는 "비의도적 클라이스트론"의 부분으로 고려될 수 있다. 비의도적 클라이스트론은 조애 클라이스트론과 유사한 몇몇 속성 뿐만 아니라 많은 차이를 가질 수 있다. 하나의 차이는 비의도적 클라이스트론들에서의 전기장, RF 필드, 또는 E-필드가 단지 길이 방향(즉, z-방향 또는 z-축을 따라)으로가 아니라 y-방향의(y-축을 따르는) 전자 빔 상에서 상호작용할 수 있다는 점이다. 이러한 속성은 종래 클라이스트론들에 대해 사용되는 분석을 변경할 수 있다. 그러나, 몇몇 개념, 관계 및 식은 여전히 유지될 수 있고 사용될 수 있다. 예를 들어, 비의도적 공동들(뿐만 아니라 의도적 공동들)은 강한 공진 주파수들을 가질 수 있다. 공동 임피던스는 이들 공진 부근에서 높다(식 12 참조). 전자 빔 모션이 공동 공진 부근에서 중첩하는 주파수 성분을 가질 때, 강한 상호작용이 공동의 RF 필드들 및 전자 빔 간에 발생한다. 그에 따라, 이러한 전자 빔 및 드리프트 관 섹션 간 효과를 최소화하기 위해, 비의도적 공동 주파수들이 그것들의 공진들이 중첩하지 않도록 조절된다. 따라서, 드리프트 관 설계(또는 드리프트 관 접근법)는 종래 공진 공동 설계(즉, 공진 공동 접근법)에 대한 반대 접근법을 취하며, 이는 이득을 증대 또는 최대화시킨다. 드리프트 관 설계는 트랩 또는 기생 모드들에 대해 이득을 낮게 유지하기 위해 주파수들(예를 들어, 공진 주파수들 및 빔 진동 주파수)의 중첩을 최소화하도록 비의도적 공동 주파수들을 배열한다.
불행하게도, 드리프트 관 섹션들의 유사한 설계들로 인해, 많은 종래 평면 빔 클라이스트론 설계들은 유사한 주파수들로 동조되는 많은 비의도적 공동을 가지며, 이는 트랩 또는 기생 모드들이 발달되게 한다. 공진 공동들 간 거리를 정의하는 드리프트 관 섹션들의 파라미터들의 몇몇, 이를테면 드리프트 관 섹션 길이(예를 들어, 236A 내지 236F)는 보통 다른 파라미터들에 의해 설정되거나 공진 공동들의 성능 또는 설계를 가져온다. 따라서, 많은 드리프트 관 섹션은 보통 유사한 길이 또는 이러한 길이의 배수들을 갖는다. 보통 실용 모드들의 주파수들이 유사하기 때문에 의도적 공동들 또는 공진 공동들의 공동 높이들(예를 들어, 214A 또는 214E)은 보통 유사하다. 공동 높이들의 높이의 변경은 트랩 또는 기생 모드의 주파수에 보다 실용 모드의 주파수에 훨씬 더 큰 영향을 미치며, 이는 아래에 제공될 시뮬레이션 데이터에 의해 뒷받침된다. 그에 따라, 동일한 주파수 부근으로 동조되는 다중 비의도적 공동(즉, 드리프트 관 섹션)을 갖고, 이득 및 상호작용이 높다. 드리프트 관 섹션의 공진 주파수를 변경하기 위한 하나의 방법은 드리프트 관 섹션 폭을 변경하는 것이며, 이는 의도적 클라이스트론에 대한 실용 모드들의 주파수들 또는 다른 중요한 파라미터드레 거의 영향을 미치지 않고, 진공 전자 디바이스들, 이를테면 SBK에서 횡방향 전계(TE) 모드 불안정성의 영향들을 감소, 최소화, 또는 제거할 수 있다.
도 5a 내지 도 5j는 드리프트 관 섹션 폭들을 변경하는 5-공동 SBK의 마이크로파 공동 어셈블리(250)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 실시예들의 뷰들을 예시한다. 도 5a 내지 도 5j는 기본 설게로서 도 4a 내지 도 4h에 이전에 제시된 5-공동 SBK를 사용하는 드리프트 관 섹션 폭들에 대한 다양한 변경을 도시한다. 도 5a는 마이크로파 공동 어셈블리(250)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 사시도를 도시하고, 도 5b는 상면도를 도시하고, 도 5c는 측면도를 도시하며, 도 5h는 정면도(전자 빔의 이동 방향에서 바라보는)를 도시한다. 도 5d는 마이크로파 공동 어셈블리(250)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 사시 단면도를 도시하고 도 5e는 측단면도를 도시하며, 단면은 y-z 면에서 마이크로파 공동 어셈블리의 중앙부를 따라 취해진다. 도 5f는 마이크로파 공동 어셈블리(250)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 사시 단면도를 도시하고 도 5g는 상부 단면도를 도시하며, 단면은 x-z 면에서 마이크로파 공동 어셈블리의 중앙부를 따라 취해진다.
마이크로파 공동 어셈블리(250)의 구조들은 전자 빔 및 RF 신호에 대한 도파관들로서의 역할을 한다. 마이크로파 공동 어셈블리(250)의 구조에 의해 형성되는 공동들 및 공극들은 전자 빔 및 RF 입력 신호를 증폭된 RF 출력 신호로 변환하기 위해 사용되는 정재파들 및 공진 주파수들을 발생시키기 위한 특징들을 제공한다. 마이크로파 공동 어셈블리(250)는 관의 드리프트 관 영역(270)에서의 드리프트 관 섹션들(280A 내지 280F)에 의해 결합되는 공진 공동들(260)을 포함한다. 클라이스트론에서의 공진 공동들(260) 및 드리프트 관들(270)은 마이크로파 공동 어셈블리(200)에 관해 이전에 설명된 바와 유사한 기하학적 구조들 및 물질들로 제조될 수 있다. 각 공진 공동(260A 내지 260E)의 공극 및 드리프트 관(270)의 각 드리프트 관 섹션(280A 내지 280F)은 폭, 높이, 및 길이를 갖는다.
예를 들어, 각 공진 공동(260A 내지 260E)은 공동 폭(262(공동들(260A-260D)에 대한) 및 268(출력 공동(260E)에 대한)), 공동 높이(264), 및 공동 높이(266A(요형 특징부를 갖는 공동들(260A 및 260E)에 대한) 및 요형 특징부가 없는 266D(공동들(260B 내지 260D)에 대한))를 갖는다. 공진 공동이 요형 특징부를 가질 때, 공진 공동(260B 내지 260D)은 또한 요형 갭 길이(267)를 가지며, 이는 요형 특징부들 간 공극의 거리이다. 공동들(260A-260D)에 대한 공동 높이(264)가 유사한 것으로 도시되었지만, 각 공진 공동은 상이한 공동 높이를 가질 수 있다(공진 공동에 대해 원하는 공진 무선 주파수 필드에 기초하여). 출력 공동 폭(268)은 공동 폭(262(공동들(260A-260D)에 대한))과 상이하거나 유사할 수 있고 공동 높이(264)는 공동 높이들(264)은 공동들(260A-260E)에 대해 서로 상이하거나 유사할 수 있다. 도 5d 및 도 5e는 공동 높이들(264)을 유사한 것으로 예시한다. 공동들(260A-260D)에 대한 공동 폭(262)이 유사한 것으로 그리고 출력 공동 폭(268)과 상이한 것으로 도시되었지만, 각 공진 공동은 유사하거나 상이한 공동 폭을 가질 수 있다(공진 공동에 대한 디자인 원하는 공진 무선 주파수 필드에 기초하여). 통상적으로, SBK들에서, 공동 폭(262 또는 268)은 공동 높이(264)의 거리의 적어도 두 배이다. 몇몇 예에서, 공동 폭은 공동 높이의 거리의 적어도 네 배 또는 열 배일 수 있다.
마이크로파 공동 어셈블리(250)는 바벨 특징부(247), 요형 특징부(240), 및 비-요형 특징부(244)(즉, 요형 특징부가 없는 공동)를 갖는 것으로 도시된다. 바벨 특징부는 내측 공동 폭(261)(바벨 내부), 바벨 폭(263(공동들(260A 내지 260D)에 대한)) 또는 출력 공동 바벨 폭(263E(출력 공동(260E)에 대한)), 및 입력 공동 바벨 높이(265A(공동(260A)에 대한)), 제2 공동 바벨 높이(265B(공동(260B)에 대한)), 제3 공동 바벨 높이(265C(공동(260C)에 대한)), 제4 공동 바벨 높이(265D(공동(260D)에 대한)), 또는 출력 공동 바벨 높이(265E(출력 공동(260E)에 대한))를 가질 수 있다. 공동들(260A 내지 260E)에 대한 바벨 높이들(265A 내지 265E)가 상이한 것으로 도시되었지만, 다른 예들(미도시)에서, 바벨 높이들은 공진 공동들에 따라 유사하거나 상이할 수 있다(원하는 디바이스 특성들에 기초하여).
드리프트 관 영역(270)에서의 드리프트 관들(280A 내지 280F)은 다양한 드리프트 관 폭(282A 내지 282F), 드리프트 관 높이(274), 및 드리프트 관 영역 길이(276)를 갖는다. 공진 공동들(260A 내지 260E) 간, 애노드 및 제1 공진 공동(또는 입력 공진 공동 또는 "집군기" 공동)(260A) 간, 그리고 마지막 공진 공동(또는 출력 공진 공동 또는 "캐처" 공동 또는 최종 공진 공동)(260E) 및 콜렉터 간 드리프트 관 영역은 각각 드리프트 관 섹션들(230A 내지 230F)로서 지칭될 수 있다. 각 드리프트 관 섹션(230A 내지 230F)은 드리프트 관 섹션 폭(또는 관 섹션 폭)(282A 내지 232F), 드리프트 관 섹션 높이(또는 관 섹션 높이)(274), 및 드리프트 관 섹션 공극 길이(또는 관 섹션 길이 또는 관 섹션 공극 길이)(286A 내지 286F)을 갖는다. 드리프트 관 섹션 높이들(274)은 드리프트 관 섹션들(230A 내지 230F)의 각각에 대해 균일 및 유사하고 드리프트 관 높이(274)로 총칭된다. 다른 예들(미도시)에서, 드리프트 관 섹션 높이들은 설계 파라미터들에 기초하여 서로 다를 수 있다. 드리프트 관 섹션 폭들(282A 내지 282F) 및 드리프트 관 섹션 높이들(274)은 드리프트 관의 구조 또는 내벽들에 의해 정의된다. 통상적으로, SBK들에서, 드리프트 관 섹션 폭들(282A 내지 282F)은 드리프트 관 섹션 높이(274)의 거리의 적어도 두 배이다. 몇몇 예에서, 드리프트 관 섹션 폭들은 드리프트 관 섹션 높이의 거리의 적어도 네 배 또는 열 배일 수 있다. 예를 들어, 드리프트 관 섹션 높이가 10 mm인 경우, 드리프트 관 섹션 폭은 20 mm(드리프트 관 섹션 높이의 적어도 두 배), 40 mm(드리프트 관 섹션 높이의 적어도 네 배), 또는 100 mm(드리프트 관 섹션 높이의 적어도 열 배) 이상일 수 있다.
z-축에서, 드리프트 관 섹션들은 공진 공동의 공극으로 연장된다. 드리프트 관 섹션 공극 길이(286A 내지 286F)는 공진 공동 내 지점(예를 들어, 중간 지점)에 의해 정의될 수 있다. 다른 예들(미도시)에서, 드리프트 관 섹션 공극 길이는 드리프트 관 섹션 및 근접 공진 공동 간 경계 또는 단절에 의해 정의될 수 있다. 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션(280B 내지 280D)은 유사하거나 상이한 드리프트 관 섹션 공극 길이들(286B 내지 286D)을 가질 수 있다. 제4 공진 공동(끝에서 두번째 공동 또는 끝에서 두번째 공진 공동으로 지칭되는 마지막에서 두번째 공동) 및 출력 공진 공동(또는 최종 공진 공동) 간 드리프트 관 섹션(280E)은 출력 신호에 대한 전자 빔을 둔화시키도록 조절(예를 들어, 단축)될 수 있다.
공동 폭(262 또는 268)은 공진 공동들(260A 내지 260E) 및 드리프트 관 섹션들(280A 내지 280F) 간 공극에 단절을 야기하기 위해 드리프트 관 섹션 폭(282A 내지 282F)과 상이하다. 예로, 공동 폭(262 또는 268)은 드리프트 관 섹션 폭(282A 내지 282F)보다 크다. 다른 구성에서, 공동 높이는 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들 간 공극에 단절을 야기하기 위해 드리프트 관 섹션 높이와 상이하다. 예로, 공동 높이(264)는 드리프트 관 섹션 높이(274)보다 크다. 몇몇 예에서, 공동 높이는 드리프트 관 섹션 높이의 거리의 두 배이다.
드리프트 관 섹션 폭(232A 내지 232F)을 실질적으로 달리 함으로써, 드리프트 관 섹션의 RF 필드들의 공진 주파수가 서로 상이해질 수 있고 공진 공동들의 의도적 주파수, 이득, 또는 대역폭에 최소한의 영향을 미치며 트랩 또는 기생 모드들의 이득을 감소시킬 수 있다. 드리프트 관 섹션 폭을 달리 하는 것은 횡단 모드들의 RF 필드들의 일부가 공동 밖으로 방사되게 하여, 외적 양호도(Qe)를 감소시킨다. 일례로, 적어도 두 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282A 및 282B, 282B 및 282C, 282C 및 282D, 또는 282D 및 282E)은 서로 상당히 상이할 수 있다. 상당한 변화량 또는 차이는 진공 전자 디바이스의 제조 공차를 특정 배수만큼 초과(예를 들어, 제조 공차의 세 배 또는 다섯 배)하는 차이이다. 통상적으로, 제조 공차를 초과하는 것은 디바이스가 규정된 명세를 벗어나 동작(예를 들어, 부적절하게 동작)하게 한다. 서로 상당한 변화량 또는 차이를 갖는 두 개의 치수는 서로 비유사한(예를 들어, 제조 공차를 벗어난; 또는 의도적으로 상이한) 두 개의 치수이다.
구성에서, 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282C)은 다른 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282D)보다 적어도 0.3% 크다. 일례로, 상이한 드리프트 관 섹션 폭들을 갖는 드리프트 관 섹션들은 서로 인접한다(공진 공동 하나만큼 떨어진다). 예를 들어, 약 2.856 GHz에서 동작하도록 설계된 5 공동 S-대역 SBK에서, 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들은 2.856 GHz 입력 신호를 증폭시키도록 구성될 수 있다. 드리프트 관 섹션 폭들은 공진 공동들 1 내지 5(260A 내지 260E) 간에 160 mm에서 150 mm까지 다양할 수 있다. 하나의 드리프트 관 섹션 또는 제1 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280D)이 153 mm의 폭(예를 들어, 282D)을 갖는 경우라면, 다른 드리프트 관 섹션 또는 제2 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280C)은 153 mm보다 적어도 0.46 mm(0.3%) 큰 폭(예를 들어, 282C)을 갖는다(153.46 mm 이상의 폭에 대해). 제조 공차가 ± 76.2 ㎛(152.4 ㎛의 총 공차에 대해)인 경우라면, 적어도 0.46 mm는 제조 공차의 적어도 세 배(예를 들어, 특정 배수)이다. 다른 예로, 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282C)은 다른 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282D)보다 적어도 2% 크고, 그에 따라 예에도 적용되어, 다른 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282C)은 적어도 156 mm이다. 다른 예로, 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282C)은 다른 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282D)의 두 배 미만이고, 그에 따라 예에도 적용되어, 다른 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282C)은 306 mm 미만이다. 다른 예로, 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282C)은 다른 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282D)의 1 ½배 미만이고, 그에 따라 예에도 적용되어, 다른 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282C)은 299.5 mm 미만이다.
중공 관 구조가 제3 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280B)을 포함하는 예에서, 제3 드리프트 관 섹션(예를 들어, 282B)은 제1 드리프트 관 섹션(예를 들어, 282D) 및 제2 드리프트 관 섹션(예를 들어, 282C)과 실질적으로 상이할 수 있다(예를 들어, 적어도 0.3%). 제3 드리프트 관 섹션은 공진 공동(예를 들어, 제4 공진 공동(260B))에 의해 제1 드리프트 관 섹션 또는 제2 드리프트 관 섹션으로부터 떨어질 수 있다.
다른 구성에서, 제1 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282C)을 갖는 제1 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280C)은 제1 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되고 제2 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282D)을 갖는 제2 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280D)은 제2 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되며, 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대해 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크의 적어도 0.6%만큼 제2 드리프트 공진 RF 필드의 피크에서 벗어난다(여기서 두 개의 드리프트 관 섹션에서의 RF 필드들은 동일한 지수들(m, n 및 p)을 갖는다). 드리프트 공진 RF 필드 피크들의 차이는 모드 불안전성, 이를테면 TE 모드 불안전성에 영향을 주는 횡방향 모드들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 약 2.856 GHz에서 동작하도록 설계된 S-대역 SBK의 예를 사용하여, 153.3 mm의 드리프트 관 섹션 폭(282D)을 갖는 드리프트 관 섹션(280D)은 TE302 모드에 대해 4.025 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되고 150 mm의 드리프트 관 섹션 폭(282E)을 갖는 드리프트 관 섹션(280E)은 TE302 모드에 대해 4.072 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성된다(다른 치수들, 파라미터들, 및 특징부들이 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들 간에 유사할 때). 드리프트 관 폭의 변경으로 인한 피크 드리프트 공진 RF 필드들 간 차이는 47 MHz이며, 이는 4.025 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드의 1.17%이며, 이는 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크의 적어도 0.6%(즉, 24 MHz)이다. 다른 예로, 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크는 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크의 적어도 0.25%만큼 제2 드리프트 공진 RF 필드의 피크에서 벗어난다. 그에 따라 예에 적용되어, 150 mm의 드리프트 관 섹션 폭(282E)이 TE302 모드에 대해 4.072 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드를 갖는 경우, 드리프트 관 섹션 폭(282D)은 드리프트 관 섹션 폭(282D)에 대한 TE302 모드에 대해 피크 드리프트 공진 RF 필드가 4.072 GHz에서 적어도 10 MHz(즉, 0.25%)만큼 상이하도록 선택된다(즉, > 4.082 GHz 또는 < 4.052 GHz). 다른 예로, 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크는 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크의 적어도 1%만큼 제2 드리프트 공진 RF 필드의 피크에서 벗어난다. 그에 따라 예에 적용되어, 150 mm의 드리프트 관 섹션 폭(282E)이 TE302 모드에 대해 4.072 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드를 갖는 경우, 드리프트 관 섹션 폭(282D)은 드리프트 관 섹션(280E)에 대한 TE302 모드에 대해 피크 드리프트 공진 RF 필드가 4.072 GHz에서 적어도 41 MHz(즉, 1%)만큼 상이하도록 선택된다(즉, > 4.113 GHz 또는 < 4.031 GHz).
중공 관 구조가 제3 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280B)을 포함하는 예에서, 제3 드리프트 관 섹션은 제3 드리프트 공진 주파수를 발생시키도록 구성될 수 있다. 제3 드리프트 공진 주파수는 제1 드리프트 공진 주파수에서 제3 드리프트 공진 주파수의 적어도 0.7%만큼 벗어나고 제2 드리프트 공진 주파수에서 제3 드리프트 공진 주파수의 적어도 0.6%만큼 벗어난다.
피크 드리프트 공진 RF 필드들 간 차이는 또한 상징적으로 표현될 수도 있다. 식 1이 주로 폐쇄된 직사각형 공동에 대한 횡방향 모드들에 대해 공진 주파수들을 결정하기 위해 주로 사용되지만, 식 1은 일부 변경 및 수정되어 공진 공동들에 인접하여 개방 단부들을 갖는 드리프트 관 섹션들의 횡방향 모드들에 대해 공진 주파수들을 근사치로 계산하기 위해 사용될 수 있다. 각 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 드리프트 공진 주파수는 식 1에 의해 근사치로 계산될 수 있고, 드리프트 공진 주파수들의 피크들 간 델타 드리프트 공진 주파수가 발생될 수 있다. 드리프트 관 섹션들 간 드리프트 관 섹션 폭의 변경은 델타 드리프트 공진 주파수를 발생시킬 수 있다. 예로, 델타 드리프트 공진 주파수는 각 횡방향 모드에 대해 적어도 0.25%이다. 다른 예로, 델타 드리프트 공진 주파수는 각 횡방향 모드에 대해 적어도 0.5%이다. 다른 예로, 델타 드리프트 공진 주파수는 각 횡방향 모드에 대해 적어도 1%이다.
이전에 제시되고 논의된 바와 같이, 드리프트 관 섹션들은 드리프트 관 섹션 길이의 각 단부 상에 개구들을 갖고, 그에 따라 식 1에서 'd'로 표현된 z-방향으로 형성되는 드리프트 관 섹션의 공극 또는 공동의 길이가 근사치로 계산되며 드리프트 관 섹션의 각 단부의 공진 공동의 기하학적 구조 또는 특징부(예를 들어, 요형 특징부 또는 바벨 특징부)에 대해 보정 계수가 추가된다. 예를 들어, 제1 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제1 드리프트 공진 주파수는 식 18에 의해 근사치로 계산되고, 제2 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제2 드리프트 공진 주파수는 식 19로 표현되며, 델타 드리프트 공진 주파수는 식 20으로 표현된다.
Figure 112017079531973-pat00023
Figure 112017079531973-pat00024
Figure 112017079531973-pat00025
여기서 μ1은 합성 투자율이고 ε1은 제1 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고; w1은 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282D)이고; h1은 드리프트 관 섹션 높이(예를 들어, 274)이며; l1은 제1 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이(예를 들어, 286D), 제1 공진 공동의 공동 높이(예를 들어, 264)의 절반, 제2 공진 공동의 공동 높이(예를 들어, 264)의 절반의 근사치이고, 보정 계수는 제1 공진 공동, 제1 드리프트 관 섹션, 및 제2 공진 공동의 특징부들에 대한 것이며, 여기서 μ2는 합성 투자율이고 ε2는 제2 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고; w2는 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282E)이고; h2는 드리프트 관 섹션 높이(예를 들어, 274)이며; l2는 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이(예를 들어, 286E), 제2 공진 공동의 공동 높이(예를 들어, 264)의 절반, 제3 공진 공동의 공동 높이(예를 들어, 264)의 절반의 근사치이고, 보정 계수는 제2 공진 공동, 제2 드리프트 관 섹션, 및 제3 공진 공동의 특징부들에 대한 것이다.
제1 및 제2 드리프트 관 섹션들(즉, 식 18 및 식 19의 파라미터들)에 대한 특징들 및 기하학적 구조들이 드리프트 관 섹션 폭을 제외하고 유사한 경우, 식 18 및 식 19가 각각, 식 21 및 식 22로 표현될 수 있다.
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Figure 112017079531973-pat00027
여기서 μ는 합성 투자율이고 ε은 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고; w1은 제1 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282D)이고; w2는 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282E)이고, h는 드리프트 관 섹션 높이(예를 들어, 274)이며; l은 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이(예를 들어, 286B 내지 286D), 드리프트 관 섹션의 각 단부 상의 공진 공동들의 공동 높이(예를 들어, 264)의 절반의 근사치이고, 보정 계수는 드리프트 관 섹션의 특징부들 및 드리프트 관 섹션의 각 단부 상의 공진 공동들에 대한 것이며; m, n 및 p는 횡방향 모드를 나타내는 음이 아닌 정수들이고 m 및 n 양자는 제로가 아니다.
다른 구성에서, 제1 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280D)은 제1 드리프트 대역폭을 갖는 제1 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되고 제2 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280E)은 제2 드리프트 대역폭을 갖는 제2 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되며, 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크는 제2 드리프트 공진 RF 필드의 피크에서 제1 드리프트 부하시의 대역폭 및 제2 드리프트 부하시의 대역폭의 합의 적어도 1 ½배만큼 벗어나며, 여기서 드리프트 부하시의 대역폭은 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대해 공진 주파수 나누기 부하시의 양호도(fo.nmp/Ql)로 주어진다. 예를 들어, 약 2.856 GHz에서 동작하도록 설계된 S-대역 SBK 예를 사용하여, 153.3 mm의 드리프트 관 섹션 폭(282D)을 갖는 드리프트 관 섹션(280D)은 TE302 모드 및 900의 부하시의 양호도에 대해 4.025 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되어, 4.5 MHz의 드리프트 부하시의 대역폭, 및 150 mm의 드리프트 관 섹션 폭(282E)을 갖는 드리프트 관 섹션(280E)을 제공하고(다른 치수들, 파라미터들, 및 특징들이 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들 간에 유사할 때), TE302 모드 및 840의 부하시의 양호도에 대해 4.071 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되어, 4.8 MHz의 드리프트 부하시의 대역폭을 제공한다. 두 개의 공진 주파수 피크 간 차이는 46 MHz(즉, 4.071 GHz - 4.025 GHz)이며, 이는 13.95 MHz보다 크다(즉, 두 개의 드리프트 부하시의 대역폭의 합의 1 ½배―1.5 * [4.5 MHz + 4.8 MHz]).
도 5a 내지 도 5h는 드리프트 관 섹션들(280A 내지 280F)을 드리프트 관 섹션들을 따라 균일한 폭들을 갖는 직육면체 형상을 갖는 것으로 도시하며 여기서 드리프트 관 섹션들(280A, 280E, 및 280F)은 유사한 폭들(예를 들어, 최소 드리프트 관 폭(272))을 갖고 드리프트 관 섹션들(280B 내지 280D)은 드리프트 관 섹션(280B 내지 280E)으로부터 감소하는 단차 패턴으로 증분적으로 보다 큰 폭을 갖는다. 다른 예들로, 드리프트 관 섹션들은 y-방향 및 z-방향들 양자에서 상이한 형상들(즉, 비-균일) 및 폭 구성들을 가질 수 있다. 도 5i 및 도 5j는 z-축이 따른 변경들을 예시한다. 도 5i는 상부 측단면도로부터 보이는 바와 같이, 실질적으로 사다리꼴 형상 또는 직선 형상을 형성하는 드리프트 섹션들(290A 내지 290F)에서의 드리프트 관 섹션 폭들(282A 내지 282F)의 테이퍼를 예시한다. 도 5j는 상부 측단면도로부터 보이는 바와 같이, 이중 계단식 형상을 형성하는 드리프트 섹션들(291A 내지 291F)에서의 드리프트 관 섹션 폭들(282A 내지 282F)의 계단 함수를 예시한다. 드리프트 관 섹션의 폭에 따라, 다른 함수들 및 형상들, 이를테면 지수 형상, 다항식 형상, 또는 상이한 형상들의 구분적 조합이 또한 사용될 수 있다. 도 6a 내지 도 6d는 각각, 2차, 3차, 4차, 및 5차 다항식들의 예들을 예시한다. 다른 차수의 다항식들이 또한 사용될 수 있다. 도 6e는 예시적인 지수 함수를 예시한다. 다른 연속 함수들이 또한 사용될 수 있다. 도 6f는 지수 함수와 선형 함수의 예시적인 구분적 조합의 예를 예시한다. 다른 구분적 조합들이 또한 사용될 수 있다.
구성에서, 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 290B 내지 290D 또는 291B 내지 291D)은 서로 상당히 상이한 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282B 내지 282E)을 갖는다. 일례로, 각 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282A 내지 282F)은 드리프트 관 섹션 높이(예를 들어, 274)의 적어도 두 배이다. 다른 예로, 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282B 내지 282E)은 드리프트 관 섹션 내 다른 드리프트 관 섹션 폭(예를 들어, 282B 내지 282E)과 적어도 0.3% 상이하다(예를 들어, 보다 크다).
도 7은 공진 공동들(또는 공진기 공동들 또는 공진기 공극들)(310A 내지 310E) 및 드리프트 관 공극들(320 또는 320A 내지 320F)을 포함하는 마이크로파 공동들(302) 5 공동 SBK를 예시한다. 도 8a는 SBK의 마이크로파 공동 어셈블리 및 자기 회로의 사시도를 예시하고, 도 8b는 마이크로파 공동 어셈블리(120) 및 자기 회로에서의 공진 공동들(310) 및 드리프트 관 공극들(320)의 사시 단면도를 도시하며, 단면은 y-z 면에서 마이크로파 공동 어셈블리의 중앙부를 따라 취해진다. 도 9는 공진 공동 구조들(312A 내지 312E) 및 마이크로파 공동 어셈블리의 드리프트 관 주위에 권취되는 솔레노이드 코일들(344A 내지 344F)을 예시한다. 이전에 논의된 바와 같이, 마이크로파 공동 어셈블리(120)는 애노드 단 자극편(판)(332)(또한 입력 박스 자극편 또는 전차 총 측 자극편으로서도 지칭되는), 콜렉터 단 자극편(판)(336)(또한 출력 박스 자극편 또는 콜렉터 측 자극편으로서 지칭되는), 마이크로파 공동 어셈블리 및 열 교환기 사이에서 냉각제를 순환시키기 위한 냉각 인터페이스들 또는 냉각 어댑터들(340), 및 솔레노이드 코일 연결기들(342)을 갖는 자기 리턴 회로 또는 박스(122)를 포함한다. 자기 리턴 박스(122)는 또한 출력 도파관(348)에 개구를 제공할 수 있다. 애노드 단 자극편(332)은 애노드(334)를 포함할 수 있다. 전자 총은 애노드(334)를 통해 마이크로파 공동 어셈블리(즉, 드리프트 관 섹션들 및 공진 공동들을 포함하는 중공 관 구조)에 전기적으로 결합될 수 있다. 자극편들(332 및 336)은 공진 공동 구조들(312 또는 312A 내지 312E)에 의해 획정되는 공진 공동들(310) 또는 드리프트 관(322)에 의해 획정되는 드리프트 관 공동들(320 또는 320A 내지 320F)과 마이크로파 공동 어셈블리(도 10a 내지 도 10j에서 300)를 지지할 수 있다. 마이크로파 공동 어셈블리에서 전자 빔의 집속을 돕기 위해 사용되는 자석 또는 자석 집속 어셈블리(예를 들어, 솔레노이드 코일(344A 내지 244F[전자석], 영구 자석, 또는 전자석 및 영구 자석의 조합)의 일부는 x-y 면에서 드리프트 관 섹션들을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다.
도 10a 내지 도 10j는 도 3 및 도 7 내지 도 9에 도시된 5 공동 SBK의 공진 공동 구조들(312A 내지 312E) 및 드리프트 관 섹션들(324A 내지 324F)을 예시한다. 도 10a는 마이크로파 공동 어셈블리(300)의 정면 사시도를 도시하고, 도 10b는 측면 사시도를 도시하고, 도 10i는 정단면도를 도시하며, 도 10j는 정면 사시 단면도를 도시하며, 단면은 x-y 면에서 입력 공진 공동(310A)의 중앙부를 따라 취해진다. 도 10c는 마이크로파 공동 어셈블리(300)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 사시 단면도를 도시하고 도 10d는 측단면도를 도시하며, 단면은 y-z 면에서 마이크로파 공동 어셈블리의 중앙부를 따라 취해진다. 도 10e는 마이크로파 공동 어셈블리(300)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 사시 단면도를 도시하고 도 10f는 상부 단면도를 도시하며, 단면은 x-z 면에서 마이크로파 공동 어셈블리의 중앙부를 따라 취해진다. 도 10g는 마이크로파 공동 어셈블리(300)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 정단면도를 도시하며, 단면은 x-y 면에서 제3 공진 공동(310C)의 중앙부를 따라 취해진다. 도 10h는 마이크로파 공동 어셈블리(300)에서의 공진 공동들 및 드리프트 관 공극들의 정단면도를 도시하며, 단면은 x-y 면에서 제2 공진 공동(310B) 및 제3 공진 공동(310C) 사이 드리프트 관 섹션(324C)의 중앙부를 따라 취해진다.
RF 입력 신호는 입력 신호 개구(328)를 통해 제1 공진 공동(312A)(또는 입력 공진 공동 또는 입력 공동) 내로 주입될 수 있고 증폭된 RF 출력 신호는 출력 도파관들(348)을 통해 마지막 공진 공동(312E)(또는 출력 공진 공동 또는 출력 공진 공동)으로부터 밖으로 채널링될 수 있다. 해당 기술분야에 공지된 메커니즘들을 사용하여, 각 공진 공동은 정확한 주파수로 동조될 수 있다. 공진 공동들(312A 내지 312E)은 바벨 특징부들(248)을 포함한다. 다른 예들(미도시)에서, 공진 공동들은 다른 평면 빔 유형 공동 구성들을 가질 수 있다. 입력 공동(312A) 및 출력 공동(312E)은 요형 특징부(242)를 갖고, 중간 공진 공동들(312B 내지 312D)은 비-요형 특징부(244)(즉, 요형 특징부가 없는 공동 또는 비-요형 공진 공동)를 갖는다.
공진 공동 구조(312 또는 312A 내지 312E)는 x-z 면에서 공진 공동의 길이 및 폭에 따른 공진 공동 넓은 상측벽(316A 내지 316E) 및 공진 공동 넓은 하측벽(317A 내지 317E), x-y 면에서 공진 공동의 폭 및 높이에 따른 공진 공동 전단벽(318A 내지 318E) 및 공진 공동 후단벽(319A 내지 319E), 및 y-z 면에서 공진 공동의 길이 및 높이에 따른 공진 공동 측벽들 또는 공진 공동 좁은 벽들(314A 내지 314D)을 포함한다. 공진 공동 측벽(316A 내지 316E 또는 317A 내지 317E)은 공동 폭(플러스 각 단부 상 벽의 두께) 및 공동 길이(플러스 각 단부 상 벽의 두께)에 의해 정의되고 공동 높이를 정의한다. 공진 공동 말단 벽(318A 내지 318E 또는 319A 내지 319E)은 공동 바벨 높이(또는 바벨 유형 특징부가 없이 공동 높이)(플러스 각 단부 상 벽의 두께) 및 공동 폭(플러스 각 단부 상 벽의 두께)에 의해 정의되고, 공동 길이를 정의하며, 드리프트 관 공동(320A 내지 320F)에 대한 개구를 포함하고 드리프트 관 섹션(324A 내지 324F)에 결합한다. 공진 공동 좁은 벽(314A 내지 314D)은 공동 바벨 높이(또는 바벨 유형 특징부가 없이 공동 높이)(플러스 각 단부 상 벽의 두께) 및 공동 폭(플러스 각 단부 상 벽의 두께)에 의해 정의되고 공동 폭을 정의한다. 출력 공진 공동 구조(312E)는 이리스(iris) 또는 개구(315), 이를테면 공진 공동 넓은 벽(316E 또는 317E)에서의 단절을 가질 수 있으며, 이는 출력 도파관(348)에서 출력 공진 공동 구조(312E)를 분리한다. 다른 예들(미도시)에서, 단절은 출력 공진 공동 말단 벽(318E 또는 319E)에서 발생할 수 있다.
드리프트 관 섹션들(324A 내지 324F)은 x-z 면에서 드리프트 관의 길이 및 폭을 따라 드리프트 관 넓은 상측벽(326A 내지 326F) 및 드리프트 관 넓은 하측벽(327A 내지 327F)을 포함하고, y-z 면에서 드리프트 관의 길이 및 높이를 따라 드리프트 관 측벽들 또는 드리프트 관 좁은 벽들(325A 내지 325F)을 포함한다. 드리프트 관 넓은 벽(326A 내지 326F 또는 327A 내지 327F )은 드리프트 관 섹션 폭(382A 내지 382F)(플러스 각 단부 상 벽의 두께) 및 드리프트 관 섹션 공극 길이(또는 그 미만)에 의해 정의되고 드리프트 관 섹션 높이를 정의한다. 드리프트 관 넓은 벽(326A 내지 326F 또는 327A 내지 327F )은 또한 장축을 따르는 장 벽으로 지칭될 수도 있다. 드리프트 관 넓은 벽(326A 내지 326F 또는 327A 내지 327F)의 비교적 넓은 드리프트 관 섹션 폭(382A 내지 382F) 및 드리프트 관 섹션들(및 디바이스 및 또한 공동 구조들) 상에 발생되는 고 진공으로 인해, 드리프트 관 넓은 벽은 강화될 수 있거나 보다 두꺼운 벽을 가질 수 있다. 몇몇 예에서, 보다 강성 물질(즉, 제2 물질)이 드리프트 관 넓은 벽 상에 레이어링될 수 있다. 드리프트 관 좁은 벽(325A 내지 325F)은 드리프트 관 섹션 높이(플러스 각 단부 상 벽의 두께) 및 드리프트 관 섹션 공극 길이(또는 그 미만)에 의해 정의되고 드리프트 관 섹션 폭(382A 내지 382F)을 정의한다. 드리프트 관 좁은 벽(325A 내지 325F)은 또한 장축을 따르는 단 벽으로 지칭될 수도 있다.
도 10h는 드리프트 관 좁은 또는 측 벽들(325C 내지 325F) 간 섹션들 간 드리프트 관 폭의 변경(386)을 도시하고, 도 10i는 드리프트 관 좁은 또는 측 벽들(325B 내지 325F) 간 섹션들 간 드리프트 관 폭의 변경(384)을 도시한다. 다른 예들(미도시)에서, 다양한 드리프트 관 좁은 또는 측 벽(325A 내지 325F)은 상이한 형태들, 표면들, 또는 텍스처들, 이를테면 도 5i 내지 도 5j 및 도 6a 내지 도 6f에 도시된 것들을 가질 수 있다.
종래, 입력 공진 공동 및 중간 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션 길이들은 유사하다. 이전에 논의된 바와 같이, 출력 공진 공동 및 이전의 공진 공동(즉, 끝에서 두번째 공동) 간 드리프트 관 섹션 길이는 출력 신호를 발생시키기 위해 진공 전자 디바이스의 실용 주파수의 4분의 1 파장 함수로서 단축될 수 있다.
예로, 진공 전자 디바이스(예를 들어, SBK)의 중공 관 구조는 적어도 세 개의 공진 공동(예를 들어, 입력 공진 공동 또는 중간 공진 공동들, 그러나 출력 공진 공동은 아님) 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함한다. 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션은 적어도 세 개의 공진 공동 중 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치되고, 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제2 드리프트 관 섹션은 적어도 세 개의 공진 공동 중 제2 공진 공동 및 제3 공진 공동 사이에 배치된다. 도 5e를 참조하면, 제1 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280C)의 드리프트 관 섹션 길이(예를 들어, 286C)는 제2 드리프트 관 섹션(예를 들어, 280D)의 드리프트 관 섹션 길이(예를 들어, 286D)와 상당히 상이하다. 구성에서, 제1 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이는 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이와 0.7% 내지 15% 상이한 한편 여전히 실용 주파수의 10분의 1(1/10) 파장 미만이다. 예를 들어, 제1 드리프트 관 섹션 길이(286D)가 55 mm인 경우라면, 제2 드리프트 관 섹션 길이(286C)는 55.4 mm 초과(즉, 제1 드리프트 관 섹션 길이보다 390 ㎛ 또는 0.7% 크고) 63.3 mm 미만(즉, 제1 드리프트 관 섹션 길이보다 8.25 mm 또는 15% 크다)이다. 다른 예로, 제1 드리프트 관 섹션 및 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이 간 차이는 제조 공차(예를 들어, 2.856 GHz 디바이스에 대해 76.2 ㎛의 공차; 또는 제조 공차의 5배의 특정 배수에 대해 적어도 0.381 mm)의 특정 배수(예를 들어, 다섯 배)만큼 크고 실용 주파수의 10분의 1(1/10) 파장 미만(예를 들어, 대략 1.05 cm)이다.
다른 구성에서, 제1 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제1 드리프트 공진 주파수는 식 18에 의해 근사치로 계산되고, 제2 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제2 드리프트 공진 주파수는 식 19로 표현되며, 델타 드리프트 공진 주파수는 식 20으로 표현되며, 여기서 델타 드리프트 공진 주파수는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 각 횡방향 모드에 대해 적어도 0.6%이다. 예를 들어, 약 2.856 GHz에서 동작하도록 설계된 S-대역 SBK 예를 사용하여, 55 mm의 드리프트 관 섹션 폭(286D)을 갖는 드리프트 관 섹션(280D)은 TE302 모드에 대해 4.035 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되고, 56 mm의 드리프트 관 섹션 길이(286C)를 갖는 드리프트 관 섹션(280C)은 TE302 모드에 대해 4.072 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성된다(다른 치수들, 파라미터들, 및 특징부들은 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들 간에 유사하다). 드리프트 관 섹션(280D) 및 드리프트 관 섹션(280C) 간 피크 드리프트 공진 RF 필드들 간 차이는 37 MHz이며, 이는 4.035 GHz 피크 드리프트 공진 RF 필드의 0.9%이며, 이는 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크의 적어도 0.6%(즉, 24.4 MHz)이다. 다른 예로, 델타 드리프트 공진 주파수는 각 횡방향 모드에 대해 적어도 0.8%이다.
드리프트 관 섹션 길이의 변경은 인접한 공진 공동들의 실용 주파수을 변경할 수 있다. 인접한 공진 공동들에 대해 유사한 실용 주파수를 유지하기 위해 인접한 공진 공동들의 공동 높이와 같은, 다른 치수들 및 파라미터들이 달라지거나 변경될 수 있다.
다른 예로, 진공 전자 디바이스(예를 들어, SBK)의 중공 관 구조는 적어도 세 개의 공진 공동 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함하며 제1 드리프트 관 섹션은 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치되고 제2 드리프트 관 섹션은 제2 공진 공동 및 제3 공진 공동 사이에 배치된다. 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션은 드리프트 관 물질을 포함할 수 있다. 드리프트 관 물질은 중공 관 구조의 나머지의 벽 물질과 유사할 수 있다. 제2 드리프트 관 섹션은 제2 드리프트 관 섹션의 적어도 하나의 내벽(예를 들어, 드리프트 관 좁은 벽(325A 내지 325F)의 단 내벽 또는 드리프트 관 넓은 벽(326A 내지 326F 또는 327A 내지 327F)의 장 내벽)을 따라 물질(예를 들어, 벽 물질)을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 적어도 하나의 내벽을 따르는 물질은 벽의 나머지 또는 중공 관 구조의 나머지(예를 들어, 다른 드리프트 관 섹션들 및 공진 공동들)의 물질과 상이한 물질일 수 있다. 물질의 전자기 속성은 진공의 투자율 및 유전율과 상당히 상이하다. 전자기 속성은 투자율 또는 유전율을 포함한다. 진공의 투자율 또는 진공 투자율은 μ0=4π × 10-7 암페어 제곱당 뉴튼(N/A2) T
Figure 112017079531973-pat00028
1.2566370614 × 10-6 N/A2으로 표현된다. 상대 투자율(μr)은 특정 매질의 투자율(μ) 대 진공 투자율(μ0)의 비이며, #로서 표현된다. 진공 투자율과 상당히 상이한 투자율을 갖는 물질은 실온(예를 들어, 25℃) 및 입력 주파수에서 20보다 큰 상대 투자율을 갖는다. 진공의 유전율 또는 진공 유전율은 ε0 = 8.8541878176 × 10-12 미터당 패럿(F/m)으로 표현된다. 상대 유전율(εr)은 특정 매질의 유전율(ε) 대 진공 유전율(ε0)의 비이며,
Figure 112017079531973-pat00029
로서 표현된다. 진공 유전율과 상당히 상이한 유전율을 갖는 물질은 실온(예를 들어, 25℃) 및 입력 주파수에서 2보다 큰 상대 유전율을 갖는다.
다른 구성에서, 제1 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제1 드리프트 공진 주파수는 식 18에 의해 근사치로 계산되고, 제2 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제2 드리프트 공진 주파수는 식 19로 표현되며, 델타 드리프트 공진 주파수는 식 20으로 표현되며, 여기서 델타 드리프트 공진 주파수는 각 횡방향 모드에 대해 적어도 0.6%이다. 다른 예로, 델타 드리프트 공진 주파수는 차단 주파수의 두 배 미만인 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만인 각 횡방향 모드에 대해 적어도 0.8%이다.
반사 계수 변경에 의한 기생 공동 양호도 감소
제2 방법 또는 접근법에서, 트랩 또는 기생 모드에서 보다 많은 RF 전력이 드리프트 관 섹션의 밖으로(예를 들어, 비의도적 공동) 방사되게 된다. 외적 양호도(Qe)는 낮아지고 총 양호도(1/QT)는 드리프트 관 섹션에 대해 증가되며, 이는 진동에 대한 임계치를 증가시키고 트랩 또는 기생 모드에 대한 발달률을 감소시킨다.
전송 선로 이론으로부터, 선로에 따른 임피던스의 변경은 선로 상에서 전파되는 필드들 중 일부의 반사를 야기한다. 반사 계수(예를 들어, 전압 반사 계수)(Γ)는 식 23으로 표현될 수 있다.
Figure 112017079531973-pat00030
여기서 Zo는 전송 선로 임피던스이고 Z는 선로 상의 교란의 임피던스를 나타낸다. 직사각형 또는 직육면체 도파관(예를 들어, SBK 드리프트 관 섹션 또는 공진 공동)에 대해, TEmn 모드에 대한 파 임피던스(Zω,mn)는 식 24로 주어진다.
Figure 112017079531973-pat00031
여기서 μ는 매질 또는 물질(예를 들어, 전송 매질)의 투자율을 나타내고, ε은 매질 또는 물질의 유전율을 나타내고, fc,mn은 공동과 상호작용하는 TEmn 모드의 차단 주파수이며, f는 디바이스의 입력 또는 동작 주파수이다. 전송 선로가 단락(Z=0) 또는 개방(Z=무한)으로 종단되는 경우, 전체 필드는 다시 반사되고 반사 계수(Γ)의 크기는 일(1)이다. 식 6을 참조하면, 공동 임피던스는 공진 시 피크를 갖는다. 공진 시, 공동 임피던스(Zn(ω))는 순수하게 실수이고(즉, 허수 부분이 없고) QT *(R/Q)와 동일하다. 그에 따라, 드리프트 관에서 전파되는 TE 모드가 공동(예를 들어, 드리프트 관 섹션) 상에 입사될 때, 큰 반사 계수가 TE 모드에 대한 공진 부근에서 발생할 수 있다. 전파되는 TE 모드에 대한 응답을 변경하기 위해, 다양한 파라미터, 이를테면 전송 선로 임피던스(Zω,mn), 공동과 상호작용하는 모드에 대한 공진 주파수, 무부하시의 양호도(Qo), 외적 양호도(Qe) 또는 공동과 상호작용하는 TE 모드에 대한 R/Q가 변경될 수 있다.
드리프트 관 공동은 개방 공진기와 유사한 방식으로 모델링될 수 있다. 두 개의 공진 공동으로부터의 반사는 공진기를 형성한다. 공진에 대한 관계를 얻기 위해, 식 25로 주어진 위상 상 관계가 대략적으로 충족되어야 한다. 결과로 초래된 외적 양호도는 식 26으로 주어지고 식 25가 대략적으로 충족될 때 식 27로 제시된 것과 대략적으로 동일하다.
Figure 112017079531973-pat00032
여기서
Figure 112017079531973-pat00033
Figure 112017079531973-pat00034
Figure 112017079531973-pat00035
βg는 관 파상수이고, Γ1은 제1 공진 공동에서의 반사 계수이고, Γ2는 제2 공진 공동에서의 반사 계수이고, L은 공진기들(예를 들어, 중간 지점 대 중간 지점) 간 길이이고, q는 정수이고, ω는 공진기의 입력 또는 동작 각 주파수이고, μ는 매질 또는 물질의 투자율을 나타내고, ε은 매질 또는 물질의 유전율을 나타내고, f는 입력 또는 동작 주파수이고, fc는 차단 주파수이고, α는 매질의 손실을 나타내기 위한 상수(또는 진공에 대해 0)이며, c는 진공에서의 빛의 속도이다. 1 부근 반사 계수에 대해
Figure 112017079531973-pat00036
또는
Figure 112017079531973-pat00037
라는 것을 주의하자. 식 25 내지 식 27은 도파관의 말단에서의 말단-효과들 및 주변 필드들로 인해 근사치들이고, 그에 따라 말단-효과들 및 주변 필드들을 고려하기 위해 보정 계수들이 사용된다. 양호도의 변경으로 인한 차이는 식 28로 주어진다.
Figure 112017079531973-pat00038
여기서 Q는 양호도(즉, 제1 양호도)이고, Q'는 다른 양호도(즉, 제2 양호도)이고, Γ1은 제1 공진 공동에서의 반사 계수(즉, 제1 공진 공동에서의 제1 반사 계수)이고, Γ2는 제2 공진 공동에서의 반사 계수(즉, 제2 공진 공동에서의 제1 반사 계수)이고, Γ1'는 제1 공진 공동에서의 다른 반사 계수(즉, 제1 공진 공동에서의 제1 반사 계수)이고, Γ2'는 제2 공진 공동에서의 다른 반사 계수(즉, 제2 공진 공동에서의 제2 반사 계수)이다.
시뮬레이션 데이터
드리프트 관 섹션들(및 공진 공동들), 이를테면 드리프트 관 섹션 폭의 변경들은 트랩 모드들에 대한 공진 주파수를 달리할 뿐만 아니라, 이들 변경은 반사 계수를 달리할 수도 있다. 시뮬레이션 데이터는 드리프트 관 섹션들 및 공진 공동들의 변경들로 인한 효과들(예를 들어, 공진 주파수들 및 반사 계수들)을 실증하기 위해 제공된다. 컴퓨터 시뮬레이션들(공동들의 실용 모드, TM110 모드에 대한 Ansoft 고 주파수 구조 시뮬레이터[HFSS] 고유 문제 풀이 프로그램 결과들을 포함)은 2.856 GHz에서 동작하도록 의도된 다른 어떤 손실이 많은 물질들을 갖지 않고 구조들에 대해 사용되는 무산소는 구리(OFC)를 사용하는 5 공동 평면 빔 클라이스트론 설계에 기초한다. 제3 공진 공동(210C)의 치수들은 2.793 GHz의 공진 주파수를 발생시키도록 조절되었고 제4 공진 공동(210D)의 치수들은 2.895 GHz의 공진 주파수를 발생시키도록 조절되었다(즉, TM110 모드에 대해 공동 높이(214A 또는 214E)의 mm당 대략 40 MHz 내지 45 MHz 변경을 달리한다). 공동 높이(214A)는 주파수가 시뮬레이션들에서 사용되는 상이한 구성들에 대해 유의하게 변경되지 않도록 변경되었다. 비교를 위해 시뮬레이션들에서 사용되는 기본 드리프트 관 섹션(230A 내지 230F)에 대한 치수들은 150 mm의 드리프트 관 폭(222) 및 9 mm의 드리프트 관 높이를 가지며 측정치들은 제3 공진 공동(210C) 및 제4 공진 공동(210D) 상에서 취해졌다. 드리프트 관 섹션 공극 길이(236E)(끝에서 두번째 공동(210D) 내지 최종 공동(210E) 간에 이격된 중간 지점에 의해 정의되는)가 보다 짧다는 점을 제외하고, 드리프트 관 섹션 공극 길이(236B 내지 236D)(공진 공동들(210A 내지 210D)의 중간 지점들에 의해 정의되는)는 56 mm이다. 시뮬레이션 A 및 구성 A에서, 제3 공진 공동(210C)(제3 공동 또는 공동 3)은 52.157 mm의 공동 높이(214A) 및 82.089 mm의 바벨 높이(215)를 갖고, 제4 공진 공동(210D)(제4 공동 또는 공동 4)은 50.205 mm의 공동 높이(214A) 및 74.359 mm의 바벨 높이(215D)를 가지며, 제3 및 제4 공동들(210C 및 210D)은 9 mm의 공동 높이(216) 및 6 mm의 요형 갭 길이(217)를 갖는 요형 구조를 갖는다. 제3 및 제4 공동들에 대한 무부하시의 양호도(Qo)는 각각, 5270 및 5310이었고, R/Q는 대략 11.5(Ω)였다. 시뮬레이션 B 및 구성 B에서, 제4 공동은 시뮬레이션 A와 유사하고 공동 3이 요형 구조를 갖지 않게 그리고 7 mm의 공동 길이(216), 56.549 mm의 공동 높이(214A), 및 99.0 mm의 바벨 높이(215)로 재-설계되었다. 제3 공동에 대한 무부하시의 양호도(Qo)는 4880이었고, R/Q는 대략 9.5(Ω)였다(요형 구조 없이). 시뮬레이션 C 및 구성 C에서, 제3 공진 공동(210C)은 52.231 mm의 공동 높이(214A) 및 82.089 mm(시뮬레이션 A와 유사)의 바벨 높이(215)를 갖고, 제4 공진 공동(210D)은 50.220 mm의 공동 높이(214A) 및 74.359 mm(시뮬레이션 A와 유사)의 바벨 높이(215D)를 가지며, 제3 및 제4 공동들(210C 및 210D)은 9 mm의 공동 높이(216) 및 6 mm의 요형 갭 길이(217)를 갖는 요형 구조를 갖는다. 제3 및 제4 공동들(210C 및 210D) 간 드리프트 관 섹션(230D)의 드리프트 관 섹션 폭(222)은 153.3 mm로 변경되었다. 제3 및 제4 공동들에 대한 무부하시의 양호도(Qo)는 각각, 5250 및 5310이었고(시뮬레이션 A와 유사), R/Q는 대략 11.5(Ω)였다(시뮬레이션 A와 유사). 갭 결합 계수(M)는 시뮬레이션 A 내지 C에 대해 대략 0.8이었다. 제3 공동(210C)을 요형 공동에서 비-요형 공동으로 변경하는 것에서 기인되는 무부하시의 양호도(Qo) 및 R/Q의 가장 큰 변경, 및 드리프트 관 섹션 폭 변경은 공진 공동들에 대한 무부하시의 양호도(Qo) 및 R/Q에 무시해도 될 정도의 영향을 미친다.
반사 계수는 컴퓨터 시뮬레이션 기술(CST; Computer Simulation Technology) 시간 도메인 문제 풀이 프로그램을 사용하고 드리프트 관 섹션(230D)의 일단에 신호를 주입함으로써 계산되었으며, 이는 공진 공동(210D)을 향해 전파된 것이다. 네 개의 상이한 모드(TE10, TE20, TE30, 및 TE40)가 드리프트 관 섹션(230D)을 나타내는, 도파관 내에 주입되었다. 도 11a 내지 도 11e는 상이한 공진 공동 및 드리프트 관 구성들로부터 반사되는 다양한 주입 모드에 대한 반사 계수 크기 대 주파수의 그래프들을 예시한다. 도 11a는 TE10에 대한 반사 계수 크기를 도시한다.도 11b는 TE20에 대한 반사 계수 크기를 도시한다. 도 11c는 TE30에 대한 반사 계수 크기를 도시하고, 도 11d는 도 11c의 확대된 플롯 뷰를 도시한다. 도 11e는 TE40에 대한 반사 계수 크기를 도시한다. Cav3 요형은 구성 A로부터의 제3 공동을 나타내고, Cav4 요형은 구성 A로부터의 제4 공동을 나타내고, Cav3 비 요형은 구성 B로부터의 제3 공동을 나타내며, Cav3 요형 153.3 mm는 구성 C로부터의 제3 공동을 나타낸다. 요형 Cav3 플러스 1 mm는 1 mm만큼 증가된(예를 들어, 구성 D에서 52.157 mm에서 53.157 mm로) 공동 높이(214A)를 갖고 그 외 구성 A와 유사한 제3 공동(210C)을 나타낸다. 상이한 결과에 제시된 바와 같이, 반사 계수는 주파수에 대한 강한 의존성을 갖는다. 일반적으로, 요형 특징부를 갖는 공진 공동들은 보다 높은 R/Q 및 무부하시의 양호도(Qo)(요형 특징부가 없는 공진 공동들에 비해) 뿐만 아니라 보다 넓은 피크를 가지며, 이는 요형 공동들이 보다 큰 주파수 대역에 걸쳐 반사함을 의미한다. 제3 공동의 공동 높이가 반사 계수의 피크가 발생하는 경우 변위되어 1 mm만큼 증가된 구성 D에서, 공동 높이의 변경은 또한 실용 모드의 공진 주파수를 2.793 GHz에서 2.752 GHz로 변경한다(41 MHz의 변경 그리고 다른 파라미터들에 미미한 영향을 미침). 구성 C에서, 드리프트 관 섹션 폭(222)을 변경하는 것은 또한 도 4d에 도시된 바와 같이, 반사 계수의 피크가 발생하는 경우에서 약간의 변이(즉, 감소)를 야기했다. 가장 큰 효과는 요형 구조가 없는 제3 공동에 대한 것이었으며, 여기서 R/Q 및 Qo가 구성 B에서와 같이, 반사 계수의 크기의 약간의 변경(즉, 감소)과 함께 변경되었다.
도 11a 내지 도 11e에 도시되고 위에서 논의된 결과들로부터, 공진 공동들은 특정 주파수 대역들에 걸쳐 도파관 내로 주입되는 TE 모드로부터의 입사 필드의 대부분을 반사한다. 이들 주파수에서의 반사는 반사 계수의 크기가 주파수에 관계없이, 일이라는 점을 제외하고는(무시해도 될 정도의 저항손 및 차단 위의 도파관을 가정하여) 도파관의 단부를 개방 또는 단락시키는 것과 유사하다. 식 1에 관해 논의된 바와 같이, 직사각형 공동은 도파관의 단부들에 컨덕터를 배치함으로써 형성된다. 그러나, 임피던스 변경으로 인해, 반사가 공동으로부터 발생될 수 있다. 공동들이 직사각형 도파관의 단부에 위치되는 경우, 다른 공동(즉, 드리프트 관 섹션)이 형성된다. 구조에 대한 비의도적 공동은 의도적 공동들 또는 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션에 의해 형성된다.
도 12 또는 표 1은 아래에 더 상세하게 설명될 바와 같이, 공진 주파수들(GHz 단위), 부하시의 양호도(Ql)(Cu에 대한), 공진 공동들에서의 중간 섹션들(드리프트 관 섹션 공극 길이(236D) 및 공동 높이(214A)에 의해 정의되는)을 사용하여 계산된 드리프트 관 섹션들의 공진 주파수들, 및 공진 공동들에서의 중간 섹션들 및 말단 섹션(바벨 특징부 및 바벨 높이(215 및 215D)에 의해 정의되는)을 사용하여 계산된 드리프트 관 섹션들의 공진 주파수들을 포함하는 공진 공동들 및 드리프트 관 섹션들의 상이한 구성들의 결과들을 예시한다. 표 1에서, 샘플 또는 케이스 1 내지 6은 의도적 공동들 또는 공진 공동들에서 동작하는 TM110 모드들에 대한 다양한 결과를 요약한다. 샘플 또는 케이스 7 내지 15는 드리프트 관 섹션들 및 공진 공동들의 상이한 순열들에 의해 형성되는 비의도적 공동에서 동작하는 TE302 모드에 대한 결과들을 제공한다. 공진 공동에 대한 부하시의 양호도(Ql)를 계산하기 위해, 시뮬레이션들은 구리 및 드리프트 관 섹션들에 포함되지 않는 RF 전력이 배경 시뮬레이션 도메인에 흡수되었음(시뮬레이션 경계에 대해 개방된 드리프트 관들의 말단들에 완벽히 매칭된 레이어[PML] 경계를 사용하여)을 가정하였다.
도 11a 내지 도 11e로부터 도시된 바와 같이, 특정 모드에 대해 공동들을 갖고 공진 부근에 높은 반사 계수들을 갖는 모드들은 드리프트 관 공동이 높은 양호도(Q)를 갖게 할 수 있다. 반사 계수의 크기의 가장 큰 값은 피크 크기이다. 표 1(도 12)에 제시된 바와 같이, 약 1200 이상의 Q가 공칭인 것으로 고려될 수 있다(TE302 모드에 대해). 모드의 반사 계수를 낮추는 것은 양호도를 감소시킨다. 양호도의 적어도 33% 차이를 갖기 위해, Q는 드리프트 관 공진 시 800보다 낮아질 필요가 있으며, 이는 양호도의 33%의 퍼센트 차이를 제공하는 예에서 바람직하게 된다. 3.5의 경험적 상수(α)를 갖고 식 26 또는 식 27을 사용하면, 반사 계수는 양호도가 대략 800(Q~800)이 되거나 1200으로부터 낮아질 때까지 변경될 수 있다. 두 개의 반사 계수의 곱(즉, Γ1 * Γ2)이 대략 0.97 (0.985*0.985=0.97)인 경우라면, 양호도는 대략 800이다. 반사 계수 곱 또는 0.97은 Q의 1000으로부터의 20% 변화 및 1200으로부터의 33.3% 변화를 나타낸다. 0.985 반사 계수는 또한 -0.13 dB의 반사 계수로서도 표현될 수 있다. 0.98*.98 (-.176 dB) 반사 계수들의 곱은 Q를 ~600까지 감소시키고, 975*.975 (-.22 dB) 반사 계수들의 곱은 Q를 ~500까지 감소시키며, .97*.97 (-.265 dB) 반사 계수들의 곱은 Q를 ~400까지 감소시킨다는 것을 주의하자. 반사 계수가 상대적으로 고정되어 유지되는 경우, 양호도는 주파수 또는 드리프트 관 섹션 길이의 변경들에 매우 민감하다(즉, 민감도는 주로 식 28로 표현되는 1/(1-Γ1Γ2) 계수에서 온다).
적어도 세 개의 공진 공동 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함하는 진공 전자 디바이스의 중공 관 구조를 갖는 예에서, 각 횡방향 모드에 대한 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션으로부터의 반사 계수의 피크 크기는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대한 적어도 하나의 드리프트 관 섹션에 대한 횡방향 모드에 대한 드리프트 공진 주파수에서 0.13 dB 미만이다.
적어도 세 개의 공진 공동 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함하는 진공 전자 디바이스의 중공 관 구조를 갖는 예에서, 드리프트 관 섹션의 각 단부 상의 두 개의 공진 공동으로부터의 반사 계수들(또는 반사 계수들의 곱)의 크기의 피크 곱은 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대한 적어도 하나의 드리프트 관 섹션에 대한 횡방향 모드에 대해 0.97 미만이다.
케이스 10은 구성 A를 사용하여 비의도적 공동(230D)에 대한 TE302 모드(즉, 기생 모드)의 HFSS 고유 문제 풀이 프로그램 시뮬레이션의 결과들을 제공한다. 시뮬레이션에서, 전기장(E-필드)의 y-성분(즉, y-축에 따른)은 드리프트 관 벽들을 향하여 존재하는 전자들을 차는 역할을 한다. 케이스 10에서, 시뮬레이션은 구리가 구조에 대해 사용될 때 4.072 GHz의 공진 주파수 및 1000의 부하시의 양호도 (1/Qo + 1/Qe)-1를 제공한다. 큰 양호도(즉, 1000)는 드리프트 관 섹션에 의해 형성되는 비의도적 공동이 꽤 강하고 (전자 빔을 통해) 모드 내로 결합되는 전력에 대해 발달하기 위한 전위를 갖는다는 것을 나타낸다. 케이스 10의 부하시의 양호도(즉, 대략 1000)는 그것들의 실용 모드(즉, TM110 모드)에서 공진 공동들에 대한 양호도들과 동위이다(즉, 대략 5000). 구성 A에서의 드리프트 관 섹션에 대한 공진 주파수의 개략적인 예측은 식 1을 사용하여 근사치로 계산되거나 추정될 수 있다. 드리프트 관 섹션 폭(222)은 'a'에 대한 치수를 제공하고 드리프트 관 섹션 높이(224)는 'd'에 대한 치수를 제공한다. 'd'에 대해, 각 공진 공동에 대한 공동 높이(214A)의 절반 뿐만 아니라 드리프트 관 섹션 공극 길이(236A 내지 236F)가 사용될 수 있다. 케이스 10에 대해, 중간 섹션들(즉, 공동 높이의 절반)을 사용하여 계산된 드리프트 관 섹션(230D)의 공진 주파수는 4.100 GHz이다. RF 필드의 일부는 또한 공진 공동의 측부 또는 영역(즉, 바벨 영역)으로 간다. 공진 주파수에 대해 조금 더 정확한 예측이 상기한 계산을 반복하여 그러가 공동 높이 계산의 93% 및 측 영역들로 인한 7%(경험적으로 찾아진 공식)를 포함하여 계산되어, 4.067 GHz의 공진 주파수를 제공할 수 있다. 중간 섹션들을 사용하여 계산된 드리프트 관 섹션의 공진 주파수(중간 섹션들을 사용하여 계산된 공진 주파수) 및 중간 및 말단 섹션들을 사용하여 계산된 드리프트 관 섹션의 공진 주파수(중간 및 말단 섹션들을 사용하여 계산된 공진 주파수)가 또한 케이스 7 내지 9 및 11 내지 15에 대해 생성될 수 있다.
케이스 1은 구성 A에서의 제3 공진 공동에 대한 결과들을 제공하고, 케이스 2는 구성 A에서의 제4 공진 공동에 대한 결과들을 제공한다. 케이스 3은 구성 B에서의 제3 공진 공동에 대한 결과들을 제공한다. 케이스 4는 구성 C에서의 제3 공진 공동에 대한 결과들을 제공하고, 케이스 5는 구성 C에서의 제4 공진 공동에 대한 결과들을 제공한다. 케이스 6은 구성 D에서의 제3 공진 공동에 대한 결과들을 제공한다.
케이스 7(즉, 구성 E)은 제3 및 제4 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션에 대한 결과들을 제공하며, 여기서 제3 및 제4 공진 공동들 양자는 구성 A에서의 제3 공진 공동과 유사한 치수들을 갖는다. TE302 모드 케이스들(즉, 케이스 7 내지 15) 중, 케이스 7은 가장 높은 부하시의 양호도(Ql)(즉, 1550)를 갖는다. 도 11d에 의해 예시된 바와 같이, TE302 모드에 대한 공진 주파수는 비의도적 공동의 단부들을 형성하는 공진 공동들에서의 반사 계수가 가장 큰 경우 발생한다. 케이스 8(즉, 구성 F)은 제3 및 제4 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션에 대한 결과들을 제공하며, 여기서 제3 및 제4 공진 공동들 양자는 구성 D에서의 제3 공진 공동과 유사한 치수들을 갖는다.
케이스 8은 단지 기생 모드(즉, TE302 모드)에 대한 공진 주파수를 15 MHz(즉, 케이스 7 및 8로부터 4.047 GHz-4.032 GHz)만큼 변경하나, 실용 모드(즉, TM110 모드들)의 공진 주파수는 41 MHz(즉, 케이스 1 및 6으로부터의 2.793 GHz-2.752 GHz)만큼 변경한다. 케이스 8에 의해 제시된 바와 같이, 공진 주파수에서의 작은 이동은 부하시의 양호도(Ql)를 약간 이동시켰다(즉, 1550에서 1300으로).
케이스 9(즉, 구성 G)은 제3 및 제4 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션에 대한 결과들을 제공하며, 여기서 제3 및 제4 공진 공동들 양자는 요형 구조 없이 구성 B에서의 제3 공진 공동과 유사한 치수들을 갖는다. 케이스 9에서, 공진 주파수는 보다 큰 공동 높이(즉, 대략 52.157 mm이 아닌 56.549 mm)로 인해 82 MHz(즉, 4.047 GHz-3.965 GHz)만큼 변경됐다. 도 11d로부터, 드리프트 관 섹션에 대한 반사 계수에서의 피크는 낮아져(적어도 0.15 dB만큼), 유의하게 더 낮은 부하시의 양호도 270을 초래했다.
이전에 논의된 바와 같이, 케이스 10은 구성 A를 사용하여 제3 및 제4 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션에 대한 결과들을 제공한다.
케이스 11은 구성 D를 사용하여 제3 및 제4 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션에 대한 결과들을 제공하며, 이는 케이스 10과 유사하며 제3 공동에 대한 공동 높이에 1 mm가 추가된다. 특히 의도적 공동 또는 공진 공동의 공진 주파수의 변경(즉, 케이스 1 및 6 간 41 MHz = 2.793 GHz-2.752 GHz)과 비교할 때, 드리프트 관 섹션의 공진 주파수의 단지 작은 변경(즉, 8 MHz = 4.067 GHz-4.059 GHz)이 발생한다. 케이스 11은 반사 계수들의 변경으로 인해 케이스 10의 부하시의 양호도(즉, 1000)에 비해 보다 낮은 부하시의 양호도(즉, 800)를 갖는다.
케이스 12(즉, 구성 H)는 케이스 11과 유사하나 요형 구조 없는 제3 공동을 가져 그 결과 4.023 GHz의 공진 주파수 및 170의 부하시의 양호도가 된다. 반사 계수들의 오프셋(즉, 반사 계수들이 거의 겹치지 않음)으로 인해, 부하시의 양호도가 낮아진다.
케이스 13(즉, 구성 I)에 대해, 구성 H가 사용되었으나, 드리프트 관 섹션 공극 길이(즉, 공진 공동들 간 거리)는 55 mm까지 1 mm만큼 감소됐다. 드리프트 관 섹션 공극 길이의 변경은 17 MHz의 공진 주파수의 증가(케이스 12 및 13 간 4.040 GHz-4.023 GHz)를 야기했으며, 이는 부하시의 양호도를 150까지 더 낮췄다. 제4 공동에서 증가된 반사 계수로부터 얻어진 것보다 많은 RF 필드 또는 에너지가 제3 공동 밖으로 손실되었기 때문에 부하시의 양호도가 부분적으로 낮아졌다.
케이스 14는 구성 C를 사용하여 제3 및 제4 공진 공동들 간 드리프트 관 섹션에 대한 결과들을 제공한다. 케이스 14에서, 구성 C는 구성 A와 유사하나 두 개의 공진 공동 간 드리프트 관 섹션 폭은 3.3 mm로 증가된다. 드리프트 관 섹션 폭의 작은 변경은 47 MHz 공진 주파수 변경(즉, 케이스 10 및 14 간 4.067 GHz-4.020 GHz)을 야기했다. 이전에 논의된 바와 같이, 고정된 전자 빔에 대해 드리프트 관 섹션 폭을 변경하는 것은 진공 전자 디바이스(예를 들어, 클라이스트론)의 다른 파라미터들에 무시해도 될 정도의(즉, 매우 미미한) 영향을 미쳐, 드리프트 관 섹션 폭의 변경이 드리프트 관 섹션에 의해 형성되는 비의도적 공동의 주파수를 변경하기에 매우 효과적인 방법이 되게 한다. 케이스 14에 대해, 공진 주파수의 47 MHz 변경은 양호도를 1000에서 900으로 약간 감소시켰다.
케이스 15(즉, 구성 J)에 대해, 구성 H가 사용되었으나 제3 공동(201C)(드리프트 관 섹션(230D)에 의해 형성되는 비의도적 공동의 부분이 아닌)의 입력 측 상의 드리프트 관 섹션(230C)이 153.3 mm로 변경(즉, 3.3 mm만큼 증가)되었다. 드리프트 관 섹션의 공진 주파수는 거의 변경되지 않았으나(4.067 GHz에서) 양호도는 1000에서 840으로 변경되었다. 보다 낮은 부하시의 양호도 케이스들(예를 들어, 케이스 9, 12 및 13)에 대한 E-필드들의 크기들에 대해 RF 필드들은 드리프트 관 섹션들에 의해 형성되는 비의도적 공동들에서 떨어져 방사된다. 비의도적 공동(즉, 드리프트 관 섹션)의 단부들에서 드리프트 관 섹션들 간 반사 계수를 변경하는 것은 또한 RF 필드들이 드리프트 관 섹션들 밖으로 방사되게 하고 총 양호도를 보다 낮추는 데 유용할 수 있다. 제시된 바와 같이, 다양한 구조적 변경은 드리프트 관 섹션의 공진 주파수를 변경하기 위해 이루어질 수 있다.
공동들 간 드리프트 관 섹션 공극 길이의 변경이 또한 공진 주파수에 영향을 미친다는 것이 또한 표 1로부터 제시된다(예를 들어, 케이스 13). 그러나, 드리프트 관 섹션 공극 길이의 변경은 또한 의도적 클라이스트론(예를 들어, 공진 공동들)의 동작을 변경할 수도 있다. 공동 설계를 변경하는 것, 이를테면 요형 구조에서 요형 구조를 갖지 않는 것으로 가는 것이 또한 공진 주파수를 변경했다. 비-요형 구조의 효과는 상이한 공동 높이에 기인한 것이었다(유사한 공진 주파수를 발생시키기 위한). 그러나, 비-요형 공동은 또한 R/Q 및 무부하시의 양호도(Qo)를 감소시켰다. 1보다 큰 상대 유전율 또는 투자율을 갖는 물질을 추가하는 것은 또한 공진 주파수들을 변경하거나 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 진공 전자 디바이스에 상이한 물질들을 사용하는 것은 특히 치수들이 보다 작은 경우 보다 높은 주파수들에서, 제조하기 더 어려울 수 있다.
설명된 구조들 및 설계 파라미터들은 트랩 모드들에서의 이득을 감소시키기 위해 드리프트 관 섹션들의 서로 중첩하는 주파수를 감소시키기 위해 드리프트 관 섹션들에 의해 형성되는 비의도적 공동들의 공진 주파수를 변경할 수 있으며, 이는 드리프트 관이 차단되지 않는 다중 공동을 갖는 평면 빔 클라이스트론들의 설계 시 유익할 수 있다. 설명된 바와 같이, 많은 메커니즘 및 구조는 드리프트 관 섹션들의 공진 주파수를 변경할 수 있다. 예를 들어, SBK에서, 의도적 클라이스트론 동작(예를 들어, 공진 공동들의 공진 주파수)에 가장 작은 영향을 미치는 변경들 중 하나는 드리프트 관 섹션 폭을 달리하는 것이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 공진 공동의 형상을 변경하는 것, 이를테면 공동 폭을 변경하는 것 또는 요형 또는 비-요형 특징부들을 전환하는 것, 또는 드리프트 관 섹션 공극 길이를 변경하는 것은 또한 드리프트 관 섹션들의 공진 주파수를 변경할 수 있다(그러나 다른 파라미터들에 대한 변경들이 드리프트 관 섹션 폭을 변경하는 것보다 유의할 수 있다). 이들 다른 변경은 의도적 클라이스트론의 성능에 영향을 미칠 수 있으나, 클라이스트론 설계에 기초하여 수락할만한 트레이드오프일 수 있다.
설명된 기술(예를 들어, 개념들, 원리들, 메커니즘들, 구조들, 특징들, 파라미터들, 방법들, 시스템들 및 디바이스들)은 평면 빔 클라이스트론들의 유용성을 손상시켰던 TE 모드 불안정성의 영향들을 감소, 최소화, 경감, 또는 몇몇 경우 심지어 제거할 수 있다. RF 소스들로서 사용하기 위한 SBK의 매력은 다음에서 유래된다: 증가된 표면적에서 기인하는 에너지 및 열적 밀도 감소; 빔이 더 넓어지게 됨에 따라 가능한 전류 밀도 감소; 전류 밀도 감소에서 기인하는 자기장 감소, 캐소드 로딩 및 몇몇 불안정성의 감소; 및 보다 낮은 디바이스 비용에 대한 가능성. 설명된 기술을 사용하는 것은 이들 혜택을 실현하는 데 도움이 될 수 있다.
논의된 구조들, 특징들, 및 파라미터들이 평면 빔 클라이스트론들과 예시되었지만, 유사한 기술들, 구조들, 특징들, 및 파라미터들이 또한 다른 진공 전자 디바이스들, 이를테면 확장 상호작용 클라이스트론들(EIK들) 및 상대론적 클라이스트론 증폭기들(RKA들)의 기생 모드들을 억제하는 것을 돕기 위해 사용될 수도 있다.
개념들이 특정 예들(예를 들어, 특정 주파수들에서의)에 적용되었지만, 기술은 보다 일반적이고 특정 예들에서 논의된 파라미터들 중 많은 파라미터에 의존적이지 않다. 기술은 디바이스의 주파수에 의존적이지 않고 임의의 주파수 대역에 걸쳐, 특히 마이크로파 대역들에서 구현될 수 있다. 기술은 사용되는 집속 자기장의 유형에 관계가 없고 전자석(예를 들어, 솔레노이드), 영구 자석, 및 주기적 자석 유형 집속에 대해 사용될 수 있다. 평면 빔 디바이스에 대해 제시된 바와 같이, 드리프트 관 섹션 폭은 다른 파라미터들에 미미한 또는 무시해도 될 정도의 영향을 미치며 변경될 수 있다. 기하학적 구조를 예시하는 예들은 반드시 최적인 것이 아니고, 예시를 위해 사용된 것이다. 유사하게, 비의도적 공동의 공진 주파수의 변경은 또한 공동 벽들을 변경하기 보다는 공진 주파수를 변경하기 위해 드리프트 관 섹션들에 일(1)보다 큰 투자율 또는 유전율을 갖는 물질을 배치함으로써 얻어질 수 있으나, 추가된 부가 물질들은 제조를 보다 어렵고 값비싸게 만들 수 있다. 드리프트 관 섹션들에서의 물질들로 인한 공진 주파수의 변경은 식 1에서의 투자율 및 유전율의 의존도를 검토함으로써 알 수 있다. 폭(α) 또는 길이(d)를 변경하는 대신 μ 및/또는 ε에 영향을 미치기 위해 물질을 변경할 수 있다. 설명된 기술은 또한 평면 빔들을 사용할 수 있는 다중 및 확장 상호작용 유형 공동들에 대해 사용될 수 있다.
진공 전자 디바이스 설계, 이를테면 SBK 설계 동안, 드리프트 관 섹션 폭 또는 드리프트 관 섹션 길이는 상기한 설명에 따라 달라질 수 있다.
예에서, 횡방향 전계 모드의 불안전성을 감소시키기 위한 중공 관 수단을 갖는 진공 전자 디바이스가: 전자 빔을 사용하여 신호를 증폭시키기 위한 적어도 두 개의 공진 공동 수단으로서, 각 공진 공동 수단은 장축에 따른 공동 폭, 단축에 따른 공동 높이, 및 전파축에 따른 공동 길이를 포함하고, 장축은 단축에 실질적으로 직교하는, 상기 적어도 두 개의 공진 공동 수단; 적어도 두 개의 공진 공동 수단을 분리시키기 위한 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단으로서, 각 드리프트 관 섹션은 장축을 따르는 드리프트 관 섹션 폭, 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함하고, 공동 높이가 드리프트 관 섹션 높이보다 큰; 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단; 적어도 두 개의 공진 공동 수단 중 제1 공진 공동 수단 및 제2 공진 공동 수단 사이에 배치되는 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단 중 제1 드리프트 관 섹션 수단; 중공 관 수단이 적어도 세 개의 공진 공동 수단 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 수단을 포함할 때, 적어도 세 개의 공진 공동 중 제2 공진 공동 수단 및 제3 공진 공동 수단 사이에 배치되는 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제2 드리프트 관 섹션; 및 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단에서 트랩 모드의 진동들을 약화시키기 위해 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단에서 트랩 모드의 주파수들을 달리하기 위한 수단, 또는 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단으로부터 트랩 모드의 무선 주파수(RF) 필드들을 방출하기 위해 적어도 두 개의 공진 공동 수단의 트랩 모드의 반사 계수를 변경하기 위한 수단을 포함한다.
중공 관 수단의 예들은 평면 빔 클라이스트론, 상대론적 클라이스트론 및 확장 상호작용 클라이스트론을 포함한다. 횡방향 전계 모드를 완화시키기 위한 중공 관 수단의 예들은 위에서 설명된 바와 같은 도 5a 내지 도 5i, 도 7 내지 도 9, 도 10a 내지 도 10j의 부분들, 및 관련 구조들 및 특징부들을 포함한다.
전자 빔을 사용하여 신호를 증폭시키기 위한 공진 공동 수단의 예들은 위에서 설명된 바와 같은 260A 내지 260E, 310A 내지 310E, 312A 내지 312E, 및 관련 구조들 및 특징부들을 포함한다.
공진 공동 수단을 분리시키기 위한 드리프트 관 섹션 수단의 예들은 위에서 설명된 바와 같은 280B 내지 280E, 290B 내지 290E, 291B 내지 291E, 320B 내지 320E, 324B 내지 324E, 325B 내지 325E, 326B 내지 326E, 327B 내지 327E, 및 관련 구조들 및 특징부들을 포함한다.
드리프트 관 섹션 수단에서 트랩 모드들의 진동들을 약화시키기 위한 드리프트 관 섹션 수단에서의 트랩 모드들(예를 들어, 횡방향 전계 모드들)의 주파수들을 달리하기 위한 수단의 예들은 다양한 드리프트 관 폭(282B 내지 282E), 도 5i 및 도 5j 및 도 6a 내지 도 6f에 제시된 비-균일한 폭들, 다양한 드리프트 관 섹션 길이(286B 내지 286D), 적어도 하나의 내벽(예를 들어, 드리프트 관 좁은 벽(325B 내지 325E)의 단 내벽 또는 드리프트 관 넓은 벽(326B 내지 326E 또는 327B 내지 327E)의 장 내벽)을 따르는 상이한 벽 물질, 및 관련 구조들 및 특징부들을 포함한다.
드리프트 관 섹션 수단으로부터 RF 필드들을 밖으로 방사시키기 위한 공진 공동 수단의 반사 계수를 변경하기 위한 수단 및 드리프트 관 섹션 수단의 양호도(예를 들어, 부하시의 양호도)를 낮추기 위한 수단의 예들은 비-요형 특징부(244), 다양한 드리프트 관 폭(282B 내지 282E), 도 5i 및 도 5j 및 도 6a 내지 도 6f에 제시된 비-균일한 폭들, 다양한 드리프트 관 섹션 길이(286B 내지 286D), 적어도 하나의 내벽(예를 들어, 드리프트 관 좁은 벽(325B 내지 325E)의 단 내벽 또는 드리프트 관 넓은 벽(326B 내지 326E 또는 327B 내지 327E)의 장 내벽)을 따르는 상이한 벽 물질, 및 관련 구조들 및 특징부들을 포함한다.
다른 예에서, 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단에서 상기 트랩 모드의 주파수들을 달리하기 위한 수단, 또는 적어도 두 개의 공진 공동 수단의 트랩 모드의 반사 계수를 변경하기 위한 수단은: 중공 관 수단이 적어도 세 개의 공진 공동 수단 적어도 세 개의 공진 공동 수단 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 수단을 포함할 때 제2 드리프트 관 섹션 수단의 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이한 제1 드리프트 관 섹션 수단의 드리프트 관 섹션 폭; 또는 적어도 하나의 드리프트 관 섹션의 제2 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이한 적어도 하나의 드리프트 관 섹션의 제1 드리프트 관 섹션 폭; 또는 중공 관 수단이 적어도 세 개의 공진 공동 수단 적어도 세 개의 공진 공동 수단 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 수단을 포함할 때 제2 드리프트 관 섹션 수단의 드리프트 관 섹션 길이와 실질적으로 상이한 제1 드리프트 관 섹션 수단의 드리프트 관 섹션 길이를 더 포함하되, 제1 드리프트 관 섹션 수단 및 제2 드리프트 관 섹션 수단은 끝에서 두번째 공진 공동 및 마지막 공진 공동 사이의 드리프트 관이 아니거나; 또는중공 관 수단이 적어도 세 개의 공진 공동 수단 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 수단을 포함할 때 제2 드리프트 관 섹션 수단은 적어도 하나의 내벽을 따르는 벽 물질을 포함하되, 벽 물질의 전자기 속성은 중공 관 수단의 나머지의 벽 물질 및 진공의 투자율 및 유전율과 실질적으로 상이하다.
다른 예에서, 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단에서 트랩 모드의 주파수들을 달리하기 위한 수단은: 제1 드리프트 공진 트랩 RF 필드를 발생시키기 위한 제1 드리프트 관 섹션 수단; 제2 드리프트 공진 트랩 RF 필드를 발생시키기 위한 제2 드리프트 관 섹션 수단을 더 포함하며; 그리고 제1 드리프트 공진 트랩 RF 필드의 피크가 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 트랩 모드에 대한 제2 드리프트 공진 트랩 RF 필드의 피크에서 실질적으로 벗어나되, 제1 드리프트 관 섹션 수단 및 제2 드리프트 관 섹션 수단은 끝에서 두번째 공진 공동 및 최종 공진 공동 사이의 드리프트 관 섹션이 아니다.
다른 예에서, 적어도 두 개의 공진 공동 수단의 트랩 모드의 반사 계수를 변경하기 위한 수단은, 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단의 트랩 모드의 부하시의 양호도를 낮추기 위한 수단을 더 포함한다.
여기에 나열된 모든 참조 문헌은 그 전체가 구체적 참조로 여기에 통합된다.
특징들, 특성들, 구조들, 디바이스들, 방법들, 및 시스템들이 특정한 실시예들에 따라 설명되었지만, 해당 기술분야에서의 통상의 기술자는 특정한 실시예들에 대한 많은 변경, 및 임의의 변형이 그에 따라 여기에 개시된 원리들, 개념들, 및 범위 내인 것으로 고려되어야 한다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 따라서, 많은 변경이 해당 기술분야에서의 통상의 기술자에 의해 첨부된 청구항들의 원리들, 개념들, 및 범위에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 뿐만 아니라, 설명된 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 이전 설명에서, 많은 구체적인 세부사항은 본 발명의 실시예들에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 제공된다(예를 들어, 레이아웃들 및 설계들의 예들). 그러나, 관련 기술분야에서의 통상의 기술자는 본 발명이 구체적인 세부사항들 중 하나 이상 없이 또는 다른 방법들, 구성요소들, 레이아웃들로 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 경우들에서, 주지된 구조들, 구성요소들, 또는 동작은 본 발명의 측면들을 모호하지 않게 하기 위해 구체적으로 제시 또는 설명되지 않았다.
이렇게 기록된 개시 내용 다음의 청구항들은 이에 의해 현재 기록된 개시 내용 내에 명시적으로 통합되며, 각 청구항은 그 자체가 개별 실시예로서 독립적이다. 본 개시 내용은 독립 청구항들의 그것들의 종속 청구항들로의 모든 치환을 포함한다. 게다가, 다음에 나오는 독립 및 종속 청구항들로부터 파생될 수 있는 추가 실시예들이 또한 현재 기록된 설명 내에 명시적으로 통합된다. 이들 추가 실시예는 구 "청구항 [x]로 시작되어 이것 직전의 청구항으로 끝나는 청구항들 중 어느 하나에 있어서"(여기서 괄호로 묶은 용어 "[x]"는 가장 최근에 인용된 독립 청구항의 숫자로 대체된다)로 주어진 종속 청구항의 종속을 대신함으로써 결정된다. 예를 들어, 독립 청구항 1으로 시작되는 제1 청구항 세트에 대해, 청구항 3은 청구항 1 및 2의 어느 하나로부터 종속할 수 있으며, 이들 별개의 종속항은 두 개의 별개의 실시예를 초래하고; 청구항 4는 청구항 1, 2, 또는 3 중 어느 하나로부터 종속할 수 있으며, 이들 별개의 종속항은 세 개의 별개의 실시예를 초래하며; 청구항 5는 청구항 1, 2, 3 또는 4 중 어느 하나로부터 종속할 수 있으며, 이들 별개의 종속항은 네 개의 별개의 실시예를 초래하는 등이다.
청구항들에서 특징 또는 요소에 대한 용어 "제1"의열거는 반드시 제2 또는 추가의 그러한 특징 또는 요소의 존재를 내포하지는 않는다. 본 명세서 전체에 걸쳐 "예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치에서의 단어들 "예" 또는 "실시예"의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 나타내는 것은 아니다. 특히 기능식 청구항 형식으로 나열되는 요소들은 만약에 있다면, 35 U.S.C. § 112 ¶ 6에 따라 여기에 설명된 대응하는 구조, 물질, 또는 동작들 및 그 등가물들을 커버하는 것으로 간주되도록 의도된다. 배타적 속성 또는 권리가 청구되는 본 발명의 실시예들이 다음과 같이 정의된다.

Claims (21)

  1. 진공 전자 디바이스로서,
    중공 튜브 구조를 포함하며, 상기 중공 튜브 구조는:
    적어도 세 개의 공진 공동으로서, 각 공진 공동은 장축을 따르는 공동 폭, 단축을 따르는 공동 높이, 및 전파축을 따르는 공동 길이를 포함하고, 상기 장축은 상기 단축에 실질적으로 직교하는, 상기 적어도 세 개의 공진 공동;
    적어도 두 개의 드리프트 관 섹션으로서, 각 드리프트 관 섹션은 상기 장축을 따르는 드리프트 관 섹션 폭, 상기 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 상기 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함하고, 상기 공동 높이가 상기 드리프트 관 섹션 높이보다 큰; 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함하되;
    상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션은 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치되고;
    상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제2 드리프트 관 섹션은 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 상기 제2 공진 공동 및 제3 공진 공동 사이에 배치되며; 그리고
    상기 제1 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이한, 진공 전자 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서, 각 드리프트 관 섹션에 대해:
    상기 드리프트 관 섹션 폭이 상기 드리프트 관 섹션 높이의 적어도 두배이거나; 또는
    상기 공동 폭이 상기 공동 높이의 적어도 두배이거나; 또는
    상기 공동 폭이 상기 드리프트 관 섹션 폭보다 큰, 진공 전자 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭보다 적어도 0.3% 큰, 진공 전자 디바이스.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 드리프트 관 섹션은 제1 드리프트 공진 무선 주파수(RF) 필드를 발생시키도록 구성되고 상기 제2 드리프트 관 섹션은 제2 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되며, 상기 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대해 상기 제1 드리프트 공진 RF 필드의 상기 피크의 적어도 0.6%만큼 상기 제2 드리프트 공진 RF 필드의 피크에서 벗어나되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 및 상기 제2 드리프트 관 섹션은 끝에서 두번째 공진 공동 및 최종 공진 공동 사이의 드리프트 관 섹션이 아니거나; 또는
    상기 제1 드리프트 관 섹션은 제1 드리프트 대역폭을 갖는 제1 드리프트 공진 무선 주파수(RF) 필드를 발생시키도록 구성되고 상기 제2 드리프트 관 섹션은 제2 드리프트 대역폭을 갖는 제2 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되며, 상기 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대해 상기 제1 드리프트 대역폭 및 상기 제2 드리프트 대역폭의 합의 적어도 1.5배만큼 상기 제2 드리프트 공진 RF 필드의 피크에서 벗어나되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 및 상기 제2 드리프트 관 섹션은 끝에서 두번째 공진 공동 및 마지막 공진 공동 사이의 드리프트 관 섹션이 아니되, 상기 제1 드리프트 대역폭은 (
    Figure 112018103282784-pat00039
    )으로 주어지고 상기 제2 드리프트 대역폭은 (
    Figure 112018103282784-pat00040
    Figure 112018103282784-pat00041
    )으로 주어지며,
    Figure 112018103282784-pat00042
    는 횡방향 모드에 대한 상기 제1 드리프트 관 섹션의 공진 주파수이고,
    Figure 112018103282784-pat00043
    는 상기 횡방향 모드에 대한 상기 제2 드리프트 관 섹션의 공진 주파수이고,
    Figure 112018103282784-pat00044
    는 상기 제1 드리프트 관 섹션의 부하시의 양호도이며,
    Figure 112018103282784-pat00045
    는 상기 제2 드리프트 관 섹션의 부하시의 양호도인, 진공 전자 디바이스.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제1 드리프트 공진 주파수는
    Figure 112018103282784-pat00118
    에 의해 근사치로 계산되며, 상기 식에서 μ1은 상기 제1 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 투자율이고 ε1은 상기 제1 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고; w1은 상기 드리프트 관 섹션 폭이고; h1은 상기 드리프트 관 섹션 높이이며; l1은 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 길이, 상기 제1 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 상기 제2 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 및 상기 제1 공진 공동, 상기 제1 드리프트 관 섹션, 및 상기 제2 공진 공동의 특징들에 대한 보정 계수의 근사치이며; m, n, 및 p는 상기 횡방향 모드를 나타내는 음이 아닌 정수들이고 m 및 n 양자는 제로가 아니며; 상기 제2 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제2 드리프트 공진 주파수는
    Figure 112018103282784-pat00119
    으로 표현되며, 상기 식에서 μ2는 상기 제2 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 투자율이고 ε2는 상기 제2 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고; w2는 상기 드리프트 관 섹션 폭이고; h2는 상기 드리프트 관 섹션 높이이며; l2는 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 길이, 상기 제2 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 상기 제3 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 및 상기 제2 공진 공동, 상기 제2 드리프트 관 섹션, 및 상기 제3 공진 공동의 특징들에 대한 보정 계수의 근사치이며; 델타 드리프트 공진 주파수(
    Figure 112018103282784-pat00120
    )는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 각 횡방향 모드들에 대해 적어도 0.6%이되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 및 상기 제2 드리프트 관 섹션은 끝에서 두번째 공진 공동 및 최종 공진 공동 사이의 드리프트 관 섹션이 아니거나; 또는
    상기 제1 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제1 드리프트 공진 주파수는
    Figure 112018103282784-pat00121
    에 의해 근사치로 계산되며, 상기 식에서 μ는 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 투자율이고 ε은 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고, w1은 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭이고, h는 상기 드리프트 관 섹션 높이이며, l은 상기 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 길이, 상기 드리프트 관 섹션의 각 단부 상의 공진 공동들의 상기 공동 높이의 절반, 및 상기 드리프트 관 섹션 및 상기 드리프트 관 섹션의 각 단부 상의 상기 공진 공동들의 특징들에 대한 보정 계수의 근사치이며; m, n, 및 p는 상기 횡방향 모드를 나타내는 음이 아닌 정수들이고 m 및 n 양자는 제로가 아니고, 상기 제2 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제2 드리프트 공진 주파수는
    Figure 112018103282784-pat00122
    으로 표현되며, 상기 식에서 w2는 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭이고, 델타 드리프트 공진 주파수(
    Figure 112018103282784-pat00123
    Figure 112018103282784-pat00124
    )는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 각 횡방향 모드들에 대해 적어도 0.6%이되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 및 상기 제2 드리프트 관 섹션은 끝에서 두번째 공진 공동 및 마지막 공진 공동 사이의 드리프트 관 섹션이 아닌, 진공 전자 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    각 횡방향 모드에 대한 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션으로부터의 반사 계수의 피크 크기는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대한 적어도 하나의 드리프트 관 섹션에 대한 상기 횡방향 모드에 대해 드리프트 공진 주파수에서 0.13 데시벨(dB) 미만이거나; 또는
    상기 드리프트 관 섹션의 각 단부 상의 두 개의 공진 공동으로부터의 반사 계수들의 크기의 피크 곱은 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대한 적어도 하나의 드리프트 관 섹션에 대한 횡방향 모드에 대해 0.97 미만인, 진공 전자 디바이스.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션은 실질적으로 직육면체 형상 또는 실질적으로 타원 원통 형상을 갖거나; 또는
    상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 적어도 하나는 바벨 공동, 덤벨 공동, H-블록 공동, 정육면체 공동, 기다란 구멍의 이랑이 만들어져 있는 도파관, 및 십자-개구 공동으로 이루어지는 군에서 선택되는 평면 빔 유형의 공동을 포함하거나; 또는
    상기 진공 전자 디바이스가 평면 빔 클라이스트론을 포함하는, 진공 전자 디바이스.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전파축을 따라 상기 중공 튜브 구조의 제1 단부에 결합되는 전자 총 어셈블리; 또는
    상기 전파축을 따라 상기 중공 튜브 구조의 제2 단부에 결합되는 콜렉터 어셈블리; 또는
    전자 빔의 초점을 맞추도록 구성된 상기 중공 튜브 구조의 적어도 일부를 둘러싸는 자기 포커싱 어셈블리를 더 포함하거나; 또는
    상기 자기 포커싱 어셈블리가 영구 자석, 주기적인 영구 자석, 또는 전자석을 포함하는, 진공 전자 디바이스.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 중공 튜브 구조는:
    상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제3 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따라 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 상기 제3 공진 공동 및 제4 공진 공동 사이에 배치되며; 그리고
    상기 제3 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭 및 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션과 실질적으로 상이한, 진공 전자 디바이스.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제3 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭과 적어도 0.3% 상이하거나 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭과 적어도 0.3% 상이하거나; 또는
    상기 제3 드리프트 관 섹션은 상기 제3 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제3 드리프트 공진 주파수를 발생시키도록 구성되고, 상기 제3 드리프트 공진 주파수는 제1 드리프트 공진 주파수에서 상기 제3 드리프트 공진 주파수의 적어도 0.7%만큼 벗어나고 제2 드리프트 공진 주파수에서 상기 제3 드리프트 공진 주파수의 적어도 0.6%만큼 벗어나는, 진공 전자 디바이스.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 적어도 하나가 요형 특징부를 포함하거나; 또는
    상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 상기 적어도 하나가 요형 특징부를 포함하고 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 상기 적어도 하나는 비-요형 특징부를 포함하거나; 또는
    상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 적어도 하나가 비-요형 특징부를 포함하고, 요형 특징부가 없는 각 공진 공동은 비-요형 공진 공동으로 지칭되고, 비-요형 특징부를 갖는 공진 공동과 형성되는 적어도 하나의 드리프트 관 섹션의 부하시의 양호도는 요형 특징부를 갖는 공진 공동들에 의해 형성되는 유사한 드리프트 관 섹션의 부하시의 양호도보다 적어도 20% 미만인, 진공 전자 디바이스.
  12. 진공 전자 디바이스로서,
    중공 튜브 구조를 포함하며, 상기 중공 튜브 구조는:
    적어도 두 개의 공진 공동으로서, 각 공진 공동은 장축에 따른 공동 폭, 단축에 따른 공동 높이, 및 전파축에 따른 공동 길이를 포함하고, 상기 장축은 상기 단축에 실질적으로 직교하는, 상기 적어도 두 개의 공진 공동;
    상기 장축을 따르는 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 폭, 상기 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 상기 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함하는 드리프트 관에서의 적어도 하나의 드리프트 관 섹션으로서, 상기 공동 높이가 상기 드리프트 관 섹션 높이보다 큰; 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션을 포함하되;
    상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션은 상기 적어도 두 개의 공진 공동 중 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치되며; 그리고
    상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션 폭은 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션의 제2 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이한, 진공 전자 디바이스.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 드리프트 관 섹션 폭 및 상기 제2 드리프트 관 섹션 폭은 각각 상기 드리프트 관 섹션 높이의 적어도 두 배이거나; 또는
    상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션은 상기 장축 및 상기 전파축에 의해 형성되는 평면을 따라 실질적인 사다리꼴 형상, 이중 계단식 형상, 지수 함수적 형상, 다항식 형상, 선형적 형상, 또는 구분적 조합을 갖거나; 또는
    상기 제1 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제2 드리프트 관 섹션 폭보다 적어도 0.3% 큰, 진공 전자 디바이스.
  14. 진공 전자 디바이스로서,
    중공 튜브 구조를 포함하며, 상기 중공 튜브 구조는:
    적어도 세 개의 공진 공동으로서, 각 공진 공동은 장축을 따르는 공동 폭, 단축을 따르는 공동 높이, 및 전파축을 따르는 공동 길이를 포함하고, 상기 장축은 상기 단축에 실질적으로 직교하는, 상기 적어도 세 개의 공진 공동;
    적어도 두 개의 드리프트 관 섹션으로서, 각 드리프트 관 섹션은 상기 장축을 따르는 드리프트 관 섹션 폭, 상기 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 상기 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함하고, 상기 공동 높이가 상기 드리프트 관 섹션 높이보다 큰; 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함하되;
    상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션은 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치되고;
    상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제2 드리프트 관 섹션은 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 상기 제2 공진 공동 및 제3 공진 공동 사이에 배치되며; 그리고
    상기 제1 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이는 상기 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 길이와 실질적으로 상이하되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 및 상기 제2 드리프트 관 섹션은 끝에서 두번째 공진 공동 및 마지막 공진 공동 사이의 드리프트 관이 아니고,
    상기 제1 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이한, 진공 전자 디바이스.
  15. 청구항 14에 있어서,
    각 드리프트 관 섹션에 대해, 상기 드리프트 관 섹션 폭은 상기 드리프트 관 섹션 높이의 적어도 두 배이거나; 또는
    상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 길이는 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 폭보다 0.7% 내지 15% 크거나; 또는
    상기 제1 공진 공동, 상기 제2 공진 공동, 및 상기 제3 공진 공동은 출력 공진 공동이 아니거나; 또는
    상기 제1 드리프트 관 섹션은 제1 드리프트 공진 무선 주파수(RF) 필드를 발생시키도록 구성되고 상기 제2 드리프트 관 섹션은 제2 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되며, 상기 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대해 상기 제1 드리프트 공진 RF 필드의 상기 피크의 적어도 0.6%만큼 상기 제2 드리프트 공진 RF 필드의 피크에서 벗어나거나; 또는
    상기 제1 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제1 드리프트 공진 주파수는
    Figure 112018103282784-pat00125
    에 의해 근사치로 계산되며, 상기 식에서 μ1은 상기 제1 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 투자율이고 ε1은 상기 제1 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고; w1은 상기 드리프트 관 섹션 폭이고; h1은 상기 드리프트 관 섹션 높이이며; l1은 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 길이, 상기 제1 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 상기 제2 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 및 상기 제1 공진 공동, 상기 제1 드리프트 관 섹션, 및 상기 제2 공진 공동의 특징들에 대한 보정 계수의 근사치이며; m, n, 및 p는 상기 횡방향 모드를 나타내는 음이 아닌 정수들이고 m 및 n 양자는 제로가 아니며; 상기 제2 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제2 드리프트 공진 주파수는
    Figure 112018103282784-pat00126
    로 표현되며, 상기 식에서 μ2는 상기 제2 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 투자율이고 ε2는 상기 제2 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고; w2는 상기 드리프트 관 섹션 폭이고; h2는 상기 드리프트 관 섹션 높이이며; l2는 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 길이, 상기 제2 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 상기 제3 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 및 상기 제2 공진 공동, 상기 제2 드리프트 관 섹션, 및 상기 제3 공진 공동의 특징들에 대한 보정 계수의 근사치이며; 델타 드리프트 공진 주파수(
    Figure 112018103282784-pat00127
    )는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 각 횡방향 모드들에 대해 적어도 0.6%이거나; 또는
    상기 제1 드리프트 관 섹션은 (
    Figure 112018103282784-pat00128
    )로 주어지는 제1 드리프트 대역폭을 갖는 제1 드리프트 공진 무선 주파수(RF) 필드를 발생시키도록 구성되고 상기 제2 드리프트 관 섹션은 제2 드리프트 대역폭(
    Figure 112018103282784-pat00129
    )을 갖는 제2 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되며, 상기 식에서
    Figure 112018103282784-pat00130
    은 횡방향 모드에 대한 상기 제1 드리프트 관 섹션의 공진 주파수이고,
    Figure 112018103282784-pat00131
    은 상기 횡방향 모드에 대한 상기 제2 드리프트 관 섹션의 공진 주파수이고,
    Figure 112018103282784-pat00132
    은 상기 제1 드리프트 관 섹션의 부하시의 양호도이며,
    Figure 112018103282784-pat00133
    은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 부하시의 양호도이고, 상기 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대해 상기 제1 드리프트 대역폭 및 상기 제2 드리프트 대역폭의 합의 적어도 1.5배만큼 상기 제2 드리프트 공진 RF 필드의 피크에서 벗어나되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 및 상기 제2 드리프트 관 섹션은 끝에서 두번째 공진 공동 및 최종 공진 공동 사이의 드리프트 관 섹션이 아닌, 진공 전자 디바이스.
  16. 진공 전자 디바이스로서,
    중공 튜브 구조를 포함하며, 상기 중공 튜브 구조는:
    적어도 세 개의 공진 공동으로서, 각 공진 공동은 장축을 따르는 공동 폭, 단축을 따르는 공동 높이, 및 전파축을 따르는 공동 길이를 포함하고, 장축은 단축에 실질적으로 직교하는, 상기 적어도 세 개의 공진 공동;
    드리프트 관 물질을 포함하는 드리프트 관에서의 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션으로서, 각 드리프트 관 섹션은 상기 장축을 따르는 드리프트 관 섹션 폭, 상기 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 상기 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함하고, 상기 공동 높이가 상기 드리프트 관 섹션 높이보다 큰, 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션을 포함하되;
    상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제1 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따라 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 제1 공진 공동 및 제2 공진 공동 사이에 배치되고;
    상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제2 드리프트 관 섹션은 상기 전파축을 따라 상기 적어도 세 개의 공진 공동 중 상기 제2 공진 공동 및 제3 공진 공동 사이에 배치되고; 상기 제2 드리프트 관 섹션은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 적어도 하나의 내벽을 따라 벽 물질을 포함하되;
    상기 벽 물질의 전자기 속성은 상기 중공 튜브 구조의 나머지의 벽 물질 및 진공의 투자율 및 유전율과 실질적으로 상이하고,
    상기 제1 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이한, 진공 전자 디바이스.
  17. 청구항 16에 있어서,
    적어도 하나의 내벽은 상기 단축을 따르는 단 내벽 또는 상기 장축을 따르는 장 내벽을 포함하거나; 또는
    상기 제1 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제1 드리프트 공진 주파수는
    Figure 112018103282784-pat00134
    에 의해 근사치로 계산되며, 상기 식에서 μ1은 상기 제1 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 투자율이고 ε1은 상기 제1 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고; w1은 상기 드리프트 관 섹션 폭이고; h1은 상기 드리프트 관 섹션 높이이며; l1은 상기 제1 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 길이, 상기 제1 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 상기 제2 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 및 상기 제1 공진 공동, 상기 제1 드리프트 관 섹션, 및 상기 제2 공진 공동의 특징들에 대한 보정 계수의 근사치이며; m, n, 및 p는 상기 횡방향 모드를 나타내는 음이 아닌 정수들이고 m 및 n 양자는 제로가 아니며; 상기 제2 드리프트 관 섹션의 횡방향 모드에 대한 제2 드리프트 공진 주파수는
    Figure 112018103282784-pat00135
    으로 표현되며, 상기 식에서 μ2는 상기 제2 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 투자율이고 ε2는 상기 제2 드리프트 관 섹션에서의 물질의 볼륨의 합성 유전율이고; w2는 상기 드리프트 관 섹션 폭이고; h2는 상기 드리프트 관 섹션 높이이며; l2는 상기 제2 드리프트 관 섹션의 상기 드리프트 관 섹션 길이, 상기 제2 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 상기 제3 공진 공동의 상기 공동 높이의 절반, 및 상기 제2 공진 공동, 상기 제2 드리프트 관 섹션, 및 상기 제3 공진 공동의 특징들에 대한 보정 계수의 근사치이며; 델타 드리프트 공진 주파수(
    Figure 112018103282784-pat00136
    )는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 각 횡방향 모드들에 대해 적어도 0.6%이되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 및 상기 제2 드리프트 관 섹션은 끝에서 두번째 공진 공동 및 마지막 공진 공동 사이의 관 섹션이 아니거나; 또는
    상기 제1 드리프트 관 섹션은 (
    Figure 112018103282784-pat00137
    )로 주어지는 제1 드리프트 대역폭을 갖는 제1 드리프트 공진 무선 주파수(RF) 필드를 발생시키도록 구성되고 상기 제2 드리프트 관 섹션은 제2 드리프트 대역폭(
    Figure 112018103282784-pat00138
    )을 갖는 제2 드리프트 공진 RF 필드를 발생시키도록 구성되며, 상기 식에서
    Figure 112018103282784-pat00139
    은 횡방향 모드에 대한 상기 제1 드리프트 관 섹션의 공진 주파수이고,
    Figure 112018103282784-pat00140
    은 상기 횡방향 모드에 대한 상기 제2 드리프트 관 섹션의 공진 주파수이고,
    Figure 112018103282784-pat00141
    은 상기 제1 드리프트 관 섹션의 부하시의 양호도이며,
    Figure 112018103282784-pat00142
    은 상기 제2 드리프트 관 섹션의 부하시의 양호도이고, 상기 제1 드리프트 공진 RF 필드의 피크는 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 횡방향 모드들에 대한 상기 제1 드리프트 대역폭 및 상기 제2 드리프트 대역폭의 합의 적어도 1.5배만큼 상기 제2 드리프트 공진 RF 필드의 피크에서 벗어나되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 및 상기 제2 드리프트 관 섹션은 끝에서 두번째 공진 공동 및 최종 공진 공동 사이의 드리프트 관 섹션이 아닌, 진공 전자 디바이스.
  18. 횡방향 전계 모드의 불안전성을 감소시키기 위해 중공 관 수단을 갖는 진공 전자 디바이스로서,
    전자 빔을 사용하여 신호를 증폭시키기 위한 적어도 두 개의 공진 공동 수단으로서, 각 공진 공동 수단은 장축에 따른 공동 폭, 단축에 따른 공동 높이, 및 전파축에 따른 공동 길이를 포함하고, 상기 장축은 상기 단축에 실질적으로 직교하는, 상기 적어도 두 개의 공진 공동 수단;
    상기 적어도 두 개의 공진 공동 수단을 분리시키기 위한 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단으로서, 각 드리프트 관 섹션은 상기 장축을 따르는 드리프트 관 섹션 폭, 상기 단축을 따르는 드리프트 관 섹션 높이, 및 상기 전파축을 따르는 드리프트 관 섹션 길이를 포함하고, 상기 공동 높이가 상기 드리프트 관 섹션 높이보다 큰; 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단;
    상기 적어도 두 개의 공진 공동 수단 중 제1 공진 공동 수단 및 제2 공진 공동 수단 사이에 배치되는 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단 중 제1 드리프트 관 섹션 수단;
    상기 중공 관 수단이 적어도 세 개의 공진 공동 수단 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 수단을 포함할 때, 상기 적어도 세 개의 공진 공동 수단 중 상기 제2 공진 공동 수단 및 제3 공진 공동 수단 사이에 배치되는 상기 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 중 제2 드리프트 관 섹션 수단; 및
    상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단에서 트랩 모드의 진동들을 약화시키기 위해 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단에서 상기 트랩 모드의 주파수들을 달리하기 위한 수단, 또는
    상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단으로부터 상기 트랩 모드의 무선 주파수(RF) 필드들을 방출하기 위해 상기 적어도 두 개의 공진 공동 수단의 상기 트랩 모드의 반사 계수를 변경하기 위한 수단을 포함하는, 진공 전자 디바이스.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단에서 상기 트랩 모드의 주파수들을 달리하기 위한 수단, 또는 상기 적어도 두 개의 공진 공동 수단의 상기 트랩 모드의 반사 계수를 변경하기 위한 수단은:
    상기 중공 관 수단이 적어도 세 개의 공진 공동 수단 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 수단을 포함할 때 상기 제2 드리프트 관 섹션 수단의 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이한 상기 제1 드리프트 관 섹션 수단의 드리프트 관 섹션 폭; 또는
    상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션의 제2 드리프트 관 섹션 폭과 실질적으로 상이한 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션의 제1 드리프트 관 섹션 폭; 또는
    상기 중공 관 수단이 적어도 세 개의 공진 공동 수단 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 수단을 포함할 때 상기 제2 드리프트 관 섹션 수단의 드리프트 관 섹션 길이와 실질적으로 상이한 상기 제1 드리프트 관 섹션 수단의 드리프트 관 섹션 길이를 더 포함하되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 수단 및 상기 제2 드리프트 관 섹션 수단은 끝에서 두번째 공진 공동 및 마지막 공진 공동 사이의 드리프트 관이 아니거나; 또는
    상기 중공 관 수단이 적어도 세 개의 공진 공동 수단 및 적어도 두 개의 드리프트 관 섹션 수단을 포함할 때 상기 제2 드리프트 관 섹션 수단은 적어도 하나의 내벽을 따르는 벽 물질을 포함하되, 상기 벽 물질의 전자기 속성은 상기 중공 관 수단의 나머지의 벽 물질 및 진공의 투자율 및 유전율과 실질적으로 상이한, 진공 전자 디바이스.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단에서 트랩 모드의 주파수들을 달리하기 위한 수단은:
    제1 드리프트 공진 트랩 RF 필드를 발생시키기 위한 상기 제1 드리프트 관 섹션 수단;
    제2 드리프트 공진 트랩 RF 필드를 발생시키기 위한 상기 제2 드리프트 관 섹션 수단을 더 포함하며; 그리고
    상기 제1 드리프트 공진 트랩 RF 필드의 피크가 공진 주파수가 동작 주파수의 두 배 미만이고 공진 주파수가 차단 주파수의 두 배 미만인 트랩 모드에 대해 상기 제2 드리프트 공진 트랩 RF 필드의 피크에서 실질적으로 벗어나되, 상기 제1 드리프트 관 섹션 수단 및 상기 제2 드리프트 관 섹션 수단은 끝에서 두번째 공진 공동 및 최종 공진 공동 사이의 드리프트 관 섹션이 아닌. 진공 전자 디바이스.
  21. 청구항 18에 있어서, 상기 적어도 두 개의 공진 공동 수단의 상기 트랩 모드의 반사 계수를 변경하기 위한 수단은:
    상기 적어도 하나의 드리프트 관 섹션 수단의 상기 트랩 모드의 부하시의 양호도를 낮추기 위한 수단을 더 포함하는, 진공 전자 디바이스.
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