KR102196768B1 - 마그네트론 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4G 마그네트론을 제공한다. 상기 마그네트론은 원통형 부재, 및 그 사이에 공진 공동부를 형성하는 상기 원통형 부재 내에 배치되는 양극 베인을 포함하는 양극; 및 가열에 적합하고 상기 양극 내에 동심적으로 위치되는 분배음극을 포함한다. 상기 마그네트론은 약 850-1050℃의 온도범위에서 작동할 수 있다. 상기 마그네트론은 전도 냉각을 포함할 수 있다. 상기 마그네트론은 독창적은 양극 및 음극 구조체를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 실질적으로 복수의 마그네트론 튜브를 동시에 준비하는 방법을 제공한다.

Description

마그네트론{MAGNETRON}

본 발명은 마그네트론에 관한 것으로, 특히 작동온도가 낮고 전자기 누설이 적은 소위 "4G" 마그네트론 및 그 제조 방법(processing method)에 관한 것이다.

본 출원은 2013년 3월 1일에 "CONDUCTION COOLING OF A MAGNETRON FOR AN ELECTRODELESS LAMP"을 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 제61/771,559호, 2013년 3월 1일에 "LOW EM LEAKAGE MAGNETRON"을 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 제61/771,594호, 2013년 3월 1일에 "4G MAGNETRON"을 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 제61/771,602호, 2013년 3월 13일에 "4G MAGNETRON"을 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 제61/779,107호, 및 2013년 3월 1일에 "PROCESSING CHAMBER FOR THE 4G MAGNETRON"을 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 제61/771,613호의 우선권을 주장한다.

본 출원은 본 발명자에 의해 동일자로 출원된 국제특허출원 "황전등(SULFUR LAMP)"에 연계되어 있다.

마그네트론은 매우 효율적이고 경제적인 마이크로파 에너지원이기 때문에 전자레인지 등 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다. 마그네트론은 본 발명자에 의해 동일자로 출원된 특허출원 "황전등(SULFUR LAMP)"에 개시된 바와 같이 예를 들어 가로등과 같은 황전등에 전력을 제공하는 데에 이용될 수도 있다. 예를 들어, 황전등은 마그네트론에 의해 구동되는 마이크로파 전력-구동, 무전극 방전 램프일 수 있다. 상기 분야에서 알려져 사용되고 있는 마그네트론은 소위 "3G" 마그네트론인데, 이는 원래 전자레인지에 이용하기 위해 개발되었다.

이러한 3G 마그네트론의 전형적인 실시예에서, 마그네트론은 주로 전자레인지용으로 채택되고, 약 3,000 시간 정도의 짧은 수명을 가지며, 약 700~1300W 정도의 높은 유효 전력을 갖는다. 또한, 일반적으로, 3G 마그네트론은 모터 및 기타 무빙 파트들(moving parts)를 갖는 팬에 의해 냉각되고, 텅스텐 필라멘트 타입(토륨 3%)의 음극을 갖는다. 또한, 3G 마그네트론은 보통 직접 가열 방식이고, 1800℃의 작동온도를 가지며, 페라이트 자석을 포함한다. 상기 페라이트 자석은 일반적으로 부피가 크고 온도에 민감하다.

비록 3G 마그네트론이 마이크로파 전력의 소스로서 매우 효율적이고 저렴하여 전자레인지용으로 적합하기는 하나, 상술한 가로등용과 같은 다른 용도로는 적합하지 않다. 조명용으로의 사용과 같은 다른 분야에 3G 마그네트론을 이용할 때 가장 심각한 문제는 3G 마그네트론의 수명이 짧다는 것이다. 예컨대, 통상적인 다른 방전 램프의 수명이 금속 할로겐 램프의 경우 약 8,000 시간이고 나트륨 램프의 경우 12,000 시간인 것에 비해, 3G 마그네트론의 수명은 매우 짧다. 이러한 수명은 때로는 10,000 시간까지 가기는 하지만, 가로등과 같은 특정 응용에 있어서는 불만족스럽다.

3G 마그네트론의 수명이 짧은 중요한 이유는 텅스텐 필라멘트가 음극으로 사용되기 때문이다. 이러한 형태의 음극은 고온에서 작동하는데, 그러면 전자방출을 돕기 위해 첨가된 토륨이 빨리 증발하게 된다. 이러한 형태의 음극이 사용되면 3G 마그네트론의 수명을 실질적으로 증가시키는 것이 어렵다.

3G 마그네트론과 관련된 또 다른 문제는 냉각 팬인데, 이 냉각 팬은 구동을 위한 전기 모터를 필요로 한다. 상기 팬 및 모터와 같은 무빙 파트는 결국 시간이 지남에 따라 고장이 나게 된다. 또한, 냉각 팬을 위해 마그네트론에 형성된 개구들(openings)은 곤충이나 먼지의 유입을 허용할 수 있다.

그럼에도, 마그네트론은 마이크로파를 발생시킴과 동시에 열도 발생시키기 때문에, 적절한 작동을 위해서는 이러한 열이 빨리 방출되어야 한다. 전자레인지에 사용되는 종래의 마그네트론에서는, 많은 얇은 알루미늄 냉각 팬이 마그네트론의 외측벽에 압입되고 상기 냉각 팬으로부터의 강제 공기 흐름에 의해 냉각된다. 이러한 냉각 방식이 가정용 전자레인지에 효율적이고 적합할 수는 있지만, 다양한 이유로 인해 조명 분야, 특히 유지보수는 최소화하면서 수년의 공칭 수명(nominal lifetime)이 요구되는 조명 분야에 이용되기는 부적합하다. 예를 들어, 상기 냉각 팬 모터는 유지보수는 최소화하면서 긴 수명이 필요한 분야에서 기계적 고장 및 서비스 문제를 일으키는 원인이 될 수 있다. 또한, 상기 냉각 팬 및 모터는 조명과 같은 특정 분야에서 순전히 필요한 것보다 많은 전력을 소모하고, 순전히 조명에 필요한 것보다 많은 공간을 차지하여 기존 조명 기구에 제공된 공간에 마그네트론을 설치하는 것을 필요 이상으로 어렵게 만든다.

대부분의 마그네트론은 구리와 같이 전기전도성이 크면서도 열전도가 우수한 재료로 형성되는 베인을 갖는 공진 공동부(resonant cavities)를 구비한다. 마그네트론에서 대부분의 열원은 마그네트론 음극에 가장 가까이 배치되는 베인의 가장자리 부근에 집중된다. 특히, 주요 열원은 음극 자체 포함하고, 이 음극은 자유전자를 생성하기 위한 음극 히터에 의해 가열된다. 따라서 상기 음극은, 이 음극에 대향하며 이에 가장 가까이 배치되는 양극 베인의 가장자리로 직접 열을 방사한다. 또한, 자유전자는 자기장의 영향을 받아 음극과 양극 사이에서 회전하는 전자빔(electron beams)으로 형성된다. 또 다른 중요한 열원은 음극과 마주하는 상기 양극 베인 가장자리에서 일어나는 전류로서, 이는 양극에 형성되는 마이크로파에 에너지를 잃고 상기 양극의 베인 단부에 모이는 상기 자유전자에 의해 형성된다.

스트랩 링(strap rings) 및 자석 등과 같은 마그네트론의 몇몇 구성요소는 상기 열에 민감하다. 스트랩 링은 뜨거운 베인 단부에 가까이 배치되기 때문에 높은 온도에 노출된다. 열이 빨리 제거되지 않으면, 상기 열은 스트랩 링의 열 변형을 일으키고, 상기 열 변형은 열 피로 및 수명 단축을 초래하고 마그네트론의 공진주파수를 바꿀 수도 있다.

3G 마그네트론의 또 다른 문제는 마그네트론의 적절한 동작에 중요한 자기장을 생성하는 데 페라이트 자석을 이용한다는 것이다. 페라이트 자석이 자기장을 만드는 데에는 싼 방법이긴 하지만 부피가 크고 온도변화에 민감하다. 페라이트 자석은 온도계수가 크기 때문에 가로등과 같은 실외용으로는 부적합하다. 이는, 부분적으로, 자석의 자기장의 세기가 증가하는 온도에 의해 악영향을 받고, 이로 인해 마그네트론의 동작에 악영향을 미치기 때문이다. 종래에, 마그네트론 양극의 측벽은 전체적으로 단일 구리 블록으로 형성되고, 자기장을 형성하는 자석이 배치되는 양극의 상면 및 하면에 열이 쉽게 전도된다. 가정용 전자레인지에 사용되는 것과 같은 종래의 마그네트론은 자석을 과도하게 가열할 수 있는 열을 소멸시키는데, 이는 복수의 얇은 알루미늄 베인들을 마그네트론 양극의 외측에 결합하고 모터에 의해 구동되는 팬으로 공기를 베인들을 통과시킴으로써 이루어진다.

또한, 마그네트론은 대부분의 마이크로파 전력을 안테나를 통해 방출시키지만, 마그네트론의 특성상, 예를 들어 마그네트론의 음극의 고전압 전력라인을 통해 적은 양의 전자기(EM) 전력이 누설되는 것을 피하기 어렵다. 이러한 누설은 마그네트론의 작동에 악영향을 미친다.

마그네트론의 음극 단부를 통한 EM 누설을 감소 또는 방지하기 위한 노력이 지속되어 왔다. 왜냐하면, 예를 들어 아주 적은 양의 EM 누설도 컴퓨터, 통신장치, 및 센서 등에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 전자기 적합성(EMC) 수준의 규제는 가정용 오븐과 같은 기타 용도보다는 가로등과 같은 특정 응용 분야에서 더욱 엄격해질 것으로 기대된다.

EM 누설을 억제하기 위한 세 단계의 노력이 실시됨으로써 규정 및 성능 요구조건을 충족시킬 수 있다. 첫 번째 단계는 발생원을 제어하는 것, 즉 음극 단부를 향해 누설되는 마이크로파의 부분을 최소화하는 방식으로 마그네트론을 설계 및 작동시키는 것이다. 두 번째 단계는 마그네트론의 밖으로 진행하는 마이크로파 전력을 흡수 또는 차단하는 것이다. 세 번째 단계는 전체 음극을 차폐박스로 차단하는 것, 즉 감싸는 것이다.

가정용 전자레인지에 사용되는 대부분의 마그네트론에서는, 예를 들어 상기 스트랩 링의 쌍 중 상면 및 하면에 동심형으로 배치되는 것들이 마그네트론의 양극을 형성하는 상기 베인들을 쇼트시킴으로써 EM 누설을 제한한다. 종래 실시예에서는 스트랩 링들이 일반적으로 양극 베인에 번갈아 부착된다. 즉, 내측 상면 스트랩 링과 같은, 동심 상면 링들 중 하나가 소정의 양극 베인과 접촉하면, 본 예에서는 내측 하면 링과 같은, 그에 상응하는 동심 하부 링이 동일한 양극 베인과 접촉하지 않는다. 이를 비대칭형 스트랩 링 구성이라 한다.

음극은 마그네트론에서 공진 양극 공동부의 중앙에 배치된다. 상기 음극은 일반적으로 가열된다. 이와 같이, 음극과 그 내부의 히터는 해당 리드선으로부터 전원을 공급받는다. 음극-히터 리드선은 EM 누설을 일정 정도 차단하는 한 쌍의 금속 판을 구비하지만, 그 성능은 만족스럽지 못하다. EM 누설을 원하는 수준까지 차단하기 위해서는 더 체계적인 측정과 완벽한 새로운 설계가 필요하다.

음극 조립체의 단부에는, 일반적으로 필터회로가 설치되어 차폐박스에 수용된다. 그러나, EM 누설에 있어서, 필터회로는 저주파수의 노이즈에만 효과가 있고 일반적인 고주파수 성분에는 그렇지 않다. 일반적으로 차폐박스는 음극 조립체에 압입되나, 주요 마이크로파 주파수 누설에 대한 그 차폐 효과가 최선인지는 의심스럽다.

본 발명자에 의해 이하에서 개시되는 4G 마그네트론에서는 디스펜서 음극 (dispenser cathode)이 사용된다. 상기 디스펜서 음극은 매우 낮은 온도(~950℃)에서 작동하고, 그 활성 물질, 즉 바륨은 텅스텐 매트릭스 구조 내에서 분배된다. 디스펜서 음극은 알려진 마그네트론보다 훨씬 더 낮은 온도에서 작동할 수도 있고, 이를 통해 상당히 긴 수명을 제공한다.

그러나, 이와 같이 긴 수명을 갖는 디스펜서 음극은 10-8 Torr 이하의 수준과 같이, UHV (Ultra High Vacuum) 환경에서 작동할 필요가 있다. 이러한 조건을 얻기 위해서는 4G 마그네트론을 제작 및 생산함에 있어 상당한 주의가 필요하다. 또한, 디스펜서 음극은 방전실험을 통해서만 확인될 수 있는 활성 처리(activation process)를 요구한다.

대량 생산 조건 하에서 4G 마그네트론을 생산하는 과정들을 수행하는 것은 과제이다. UHV 조건은 기밀 환경 하에서의 긴 진공 펌핑 및 베이크-아웃 과정을 통해서만 얻을 수 있다. 따라서, 4G 마그네트론을 생산하기 위한 연속적인 과정은 비실용적이고, 일반적으로 일괄 작업 과정이 요구된다. 또한, 4G 마그네트론은 3G 마그네트론과는 다른 음극을 이용하기 때문에 3G 마그네트론용 생산 기술들은 4G 마그네트론용 생산 시스템을 설계함에 있어 도움이 되지 못한다.

그러므로, 마그네트론의 전체적인 성능, EM 누설, 온도제어 및 생산을 개선할 필요가 있다.

본 발명은 마그네트론에 관한 것임과 동시에 이를 포함한다. 상기 마그네트론은 양극을 포함할 수 있고, 이 양극은 원통형 부재 및 상기 원통형 부재 내에 배치되어 공진 공동부를 형성하는 양극 베인들을 포함하고, 가열에 적합하면서 상기 양극 내에 동심적으로 배치된 디스펜서(dispenser) 음극을 포함할 수 있다.

상기 마그네트론은 약 850-1050℃의 온도범위에서 작동할 수 있다. 따라서, 본 발명의 마그네트론은 약 160,000 시간의 음극 수명을 가질 수 있다. 상기 디스펜서 음극은 활성 바륨 음극을 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 디스펜서 음극에 근접한 상기 양극 베인들의 단부를 위한 전도 냉각을 포함할 수 있다. 또한, 상기 음극의 가열은 간접 가열을 포함할 수 있다. 본 발명의 마그네트론은 생성된 전자기 누설 전력을 최소화하기 위해 상기 양극 베인들에 동심형으로 고정되는 복수의 스트랩 링을 더 포함할 수 있다. 상기 동심형 스트랩 링들은 서로 대칭되는 상하부 스트랩 링 부분을 형성할 수 있다.

상기 디스펜서 음극은 제1단부가 브레이징되고 제2단부가 제1라인에 결합된 히터 필라멘트를 수용하는 제 1 중공 원통형 쉘; 및 상기 제 1 중공 원통형 쉘을 적어도 부분적으로 수용하는 제 2 중공 원통형 쉘을 포함하고, 상기 제 2 중공 원통형 쉘은 상기 제1라인으로부터의 전자기 누설 전력을 제거하는 진공 수용부를 제공한다. 또한, 상기 자기장을 생성하는 상기 자석들은, SmCo 및 NdFe 중 하나를 포함하는 자석과 같이, 강한 항자력을 갖는 높은 잔류 자석을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 열전도만으로 마그네트론을 냉각하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 외벽을 구비한 양극을 포함하고, 상기 양극의 외벽은 제 1 고열전도성 재료를 갖는 구성요소를 통해 열을 대기로 전달하는 중심부 및 상기 마그네트론 자석을 상기 열로부터 격리시키는 저열전도성을 갖는 상하부를 갖는다.

본 발명은 또한 마그네트론용 고유의 양극 구조체이거나, 이를 포함한다. 상기 양극 구조체는 복수의 마이크로파 공진 공동부를 형성하는 원통형 양극을 포함한다. 상기 복수의 마이크로파 공진 공동부 각각은 원통형 양극의 각 부위 및 방사형으로 배치된 두 양극 베인에 의해 구획되고, 상기 복수의 마이크로파 공진 공동부는 가열에 적합한 중심 음극에 대한 수직축으로부터 방사형으로 배치된다. 상기 양극 구조체는 상기 양극 베인들에 대하여 동심형으로 배치되어 생성된 전자기 누설 전력을 최소화하는 복수의 스트랩 링을 포함한다. 스트랩 링들 각각은 서로에 대하여 대칭적인 상하부 스트랩 링 부분들을 형성한다.

본 발명은 마그네트론용 음극 구조체를 더 포함할 수 있다. 상기 음극 구조체는 제1단부가 브레이징되고 제2단부가 제1라인에 결합된 히터 필라멘트를 수용하는 제 1 중공 원통형 쉘; 및 상기 제 1 중공 원통형 쉘을 적어도 부분적으로 수용하는 제 2 중공 원통형 쉘을 포함한다. 상기 제 2 중공 원통형 쉘은 상기 제1라인으로부터의 전자기 누설 전력을 제거하는 진공 수용부를 제공한다.

또한, 본 발명은 복수의 마그네트론 튜브를 실질적으로 동시에 준비하는 방법을 포함한다. 상기 방법은, 복수의 마그네트론 튜브를 클린룸 내에서 프로세싱 트레이 상에 조립하되, 상기 복수의 마그네트론 튜브 각각은 적어도 음극 및 양극 블록으로 구성되고, 상기 양극 블록은 측방으로 연장하는 복수의 양극 베인을 감싸는 양극 원통에 의해 형성된 복수의 챔버로 구성되는 단계; 적어도 세 개의 구획을 갖는 프로세싱 챔버 내에서의 일괄 작업 동안 초고도 진공(UHV) 상태의 상기 프로세싱 트레이 상에서 상기 마그네트론 튜브를 처리하는 단계; 상기 적어도 세 개의 구획을 차동적으로 펌핑하는 단계; 상기 프로세싱 챔버를 가열 블록으로 감싸는 단계; 및 연장된 기간 동안 약 300℃에서, 상기 가열 블록 내의 상기 프로세싱 챔버를 베이킹-아웃하는 단계;를 포함한다. 더 나아가 상기 방법은, 공기나 물을 공급하여 상기 프로세싱 챔버를 냉각하는 단계; 상기 음극에 공급되는 전류를 이용하여 약 1100℃까지 가열하여 상기 음극을 활성화하는 단계; 및 상기 마그네트론 튜브를 핀치오프하는 단계;를 포함한다.

상기 프로세싱 트레이는 길이가 약 3m 이고 50개의 마그네트론 튜브를 수용할 수 있다. 상기 프로세싱 트레이는 4개의 버스-바를 포함할 수 있는데, 이 버스-바들은 히터 전류 및 음극 전류를 상기 음극에 공급하고, 양극 전류를 상기 양극 블록에 공급하고, 온도 감시 전류를 공급한다. 상기 음극을 가열하는 단계는 약 950℃로 가열하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 방법은 상기 약 950℃까지 가열하는 동안 상기 음극으로부터의 방출을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 핀칭 단계는 유압 칼을 이용한 핀칭 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 건조 질소로 상기 프로세싱 챔버를 청소하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 처리량을 향상시키기 위해 상기 프로세싱 챔버는 복수로 배열될 수 있다.

본 발명은 마그네트론의 전체적인 성능, EM 누설, 온도제어, 및 처리를 향상시킨다.

상기 일반적인 설명과 아래의 상세한 설명은 모두 예시적인 것으로 청구하는 본 발명을 더 설명하기 위한 것임을 이해할 것이다.

첨부된 도면들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서에 통합되어 이를 구성한다. 상기 도면들은 개시된 실시예들 및/또는 특징들을 상세한 설명과 함께 설명하고, 본 발명의 원리를 설명하는데 기여하며, 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 의해 결정된다.
도 1은 마그네트론을 도시한다.
도 2는 4G 마그네트론의 한 예를 도시한다.
도 3a는 디스펜서 음극을 도시한다.
도 3b는 음극 리드선을 위한 동심 형태를 도시한다.
도 4a는 마그네트론용 스트랩 링의 구성을 도시한다.
도 4b는 마그네트론용 대칭 스트랩 링의 구성을 도시한다.
도 4c는 마그네트론용 비대칭 스트랩 링의 구성을 도시한다.
도 5a는 대칭 및 비대칭 스트랩 링 구성의 전력효율을 도시한다.
도 5b는 대칭 및 비대칭 스트랩 링 구성의 누설전력을 도시한다.
도 6a는 음극쵸크의 실시예를 도시한다.
도 6b는 음극쵸크의 실시예를 도시한다.
도 6c는 음극쵸크의 실시예를 도시한다.
도 6d는 음극쵸크의 실시예를 도시한다.
도 7은 로우 프로파일 마그네트론을 도시한다.
도 8은 음극쵸크의 차폐효과를 설명하는 그래프이다.
도 9는 음극쵸크의 차폐효과를 설명하는 그래프이다.
도 10은 음극쵸크의 차폐효과를 설명하는 그래프이다.
도 11은 음극쵸크의 차폐효과를 설명하는 그래프이다.
도 12는 웨지형 마그네트론 양극 베인들을 도시한다.
도 13은 본 발명에 따라, 전도 냉각(conductive cooling)을 제공하도록 구성된 경우에 마그네트론을 포함하는 마이크로파 조립체 및 황전등을 포함하는 전등 조립체를 포함하는, 완전히 조립된 황전등 장치의 예를 도시하고 있다.
도 14는 도 13의 장치의 분해도로서, 본 발명에 따라 냉각핀, 깊은 외부 홈을 구비하는 냉각판, 및 일체형 음극 쉴드 커버를 포함하는 전도 냉각 블록 조립체를 도시하고 있다.
도 15는 본 발명의 전도 냉각장치의 단면도이다.
도 16은 본 발명에 따라, 일련의 연결된 고온 전도요소를 통해 음극에서 양극 베인의 단부로 흘러 대기로 방출되는 열의 경로를 도시하고 있다.
도 17은 마그네트론 안테나의 실시예를 도시한다.
도 18은 마그네트론 장착 펌핑 스트립을 도시하고 있다.
도 19는 마그네트론용 펌핑포트를 도시하고 있다.
도 20은 세 개의 보조 조립체를 구비한 마그네트론을 도시하고 있다.
도 21a는 이분(bifurcated) 직각 자석 조립체를 도시하고 있다.
도 21b는 이분(bifurcated) 챔퍼 자석 조립체를 도시하고 있다.
도 22a는 자석 조립체의 철 극부재를 도시하고 있다.
도 22b는 자석 조립체 내의 전계효과를 도시하고 있다.
도 23은 4G 마그네트론 내에서의 열의 흐름을 도시하고 있다.
도 24는 냉각판 및 음극 쉴드 커버를 구비한 마그네트론을 도시하고 있다.
도 25는 필터박스 및, 냉각판의 일부로 작동하는 냉각회로를 포함하는 마그네트론을 도시하고 있다.
도 26은 마그네트론 튜브를 도시하고 있다.
도 27a는 마그네트론 튜브 프로세싱 트레이의 실시예를 도시한다.
도 27b는 프로세싱 트레이 및 그 버스-바를 도시한다.
도 27c는 프로세싱 트레이 상의 복수의 마그네트론을 도시한다.
도 27d는 버스-바를 마그네트론 튜브에 연결한 상태를 도시한다.
도 28은 마그네트론 처리를 위한 복수의 버스-바 및 진공 플랜지를 도시한다.
도 29a는 마그네트론용 프로세싱 챔버을 도시한다.
도 29b는 프로세싱 챔버의 선단을 도시한다.
도 29c는 프로세싱 챔버의 후단을 도시한다.
도 30은 마그네트론을 처리하기 위한 복수의 가열 및 냉각요소를 도시한다.
도 31a는 마그네트론 처리용 핀치오프 장치를 도시한다.
도 31b는 마그네트론 처리용 핀치오프 시스템을 도시한다.
도 31c는 마그네트론 처리용 핀치오프 시스템을 도시한다.

여기에서 제공되는 도면 및 설명은 본 발명이 명확히 이해되도록 관련된 구성요소를 설명하기 위해 단순화하고, 또한 명확성을 위해 종래의 일반적인 시스템 및 방법의 기타 구성요소들을 제거했을 수도 있다. 당업자는 기타 구성요소 및/또는 단계가 여기서 언급하는 장치, 시스템, 및 방법을 구형하는 데에 바람직하고 및/또는 필수적이라는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나 이러한 구성요소 및 단계는 종래에 잘 알려져 있기 때문에, 그리고 본 발명의 이해를 더 용이하게 하지는 않기 때문에, 이들을 여기서는 설명하지 않을 수도 있다. 본 발명은 이와 같은 구성요소, 변경, 및 관련 분야의 당업자에게 알려져 있을 수 있는 공지의 구성요소 및 방법에 대한 변형을 모두 포함한다.

마그네트론은, 도 1의 단면도에 도시한 바와 같이, 간접성(coherent) 마이크로파 방사를 생성하는 전자 튜브로 구성된다. 도시된 마그네트론(1)에서, 중앙 음극(10)으로부터 전체적으로 양극(12)인 일련의 진공 공동부(resonant cavities)까지 이동하는 전자들은 복수의 영구자석들(14)이 형성한 자기장에 의해 경로가 설정된다. 전자 운동의 원형 성분은 양극을 포함하는 공진 공동부(14)에 유도되는 전압에서 마이크로파-주파수 진동을 초래하고, 상기 양극은 마이크로파를 방출하는 안테나(16)에 연결된다. 마그네트론은 레이더, 전자레인지 및 조명 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

특히, 전자는 생성된 전기장에 의해 음극(10)을 떠난 후 양극 베인들(18)로 가속되고, 이 양극 베인들(18)은 본 명세서 전반에 걸쳐 언급하는 공진 공동부의 벽을 구성한다. 음극과 양극 사이의 챔버 또는 공동부에 형성되는 강한 자기장은 전기장 및 전자 속도 벡터에 수직한 힘을 각각의 전자에 가하고, 이로 인해 전자는 가변곡선의 경로를 따라 음극에서 나선형으로 멀어진다. 이러한 전자 구름은 양극에 접근함에 따라 상기 장들의 영향을 받으며 양극 베인 단부로 떨어진다. 전자들은 반대 장을 만나면 속도가 떨어질 것이고, 지원 장(aiding field) 근방에 놓이면 가속될 것이다.

상기 구름이 양극에 접근할 때의 결과는 전자 "스포크들"의 집합이고, 각 스포크들은 반대 장을 갖는 공진기에 위치한다. 진동의 이후 반 사이클에서는, 장의 패턴이 극성을 역전시킬 것이고, 스포크 패턴은 반대 장에 남기 위해 회전할 것이다. 교차 장 장치에서의 상기 전자 스포크 패턴과 상기 장 극성 간 동시성으로 인해 마그네트론은 넓은 범위의 입력 파라미터들에 걸쳐 비교적 안정적인 작동을 유지할 수 있다.

본 발명인 "4G 마그네트론"의 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 상기 4G 마그네트론은 전자레인지, 레이더 등과 같은 종래의 응용 분야에 사용될 수 있고, 추가적으로 예를 들어 가로등 분야에서 황전등을 구동하기 위해 사용될 수도 있다.

1. 디스펜서 음극 ( Dispenser Cathode )

4G 마그네트론의 디스펜서 음극(100)은 약 100,000 시간 이상의 긴 수명을 제공한다. 또한, 냉각 시스템(120)은 전체적으로 전도성 및 대류성을 가지므로, 3G 마그네트론에서 일반적으로 이용되는 냉각팬이 제거될 수 있다. 또한, 양극 공진기 챔버(140)가 편평하게 설계되어 있어, SmCo 또는 NdFe 자석과 같은 매우 얇은 자석이 사용될 수 있다. 또한, 상기 자석은 더 낮은 온도로 유지될 수 있는데, 이는 상기 양극 챔버(140)의 설계로 인해 상기 자석이 상기 음극(100)에 의해 발생되는 열로부터 완전히 격리되어 있기 때문이다.

특히, 여기서 논의되는 4G 마그네트론은 예를 들어 100,000 시간 또는 160,000 시간 이상의 긴 수명을 제공할 수 있다. 4G 마그네트론을 위한 전력은 약 250-400W의 범위로서 3G 마그네트론에 비해 낮은 수준이고, 상기 4G 마그네트론에는 냉각팬 모터나 기타 무빙 파트들이 불필요한 형태의 전도가 채택될 수 있다.

또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 언급하는 바와 같이, 상기 4G 마그네트론은 내부 히팅 코일을 구비하는 상기 디스펜서 음극을 채택할 수 있고, 또한 약 850℃ 내지 1050℃의 범위에서, 950℃ 내외의 작동온도를 가질 수 있다. 본 발명의 이러한 낮은 온도, 양극 챔버 설계, 및 도전성 냉각 시스템으로 인해, SmCo 또는 NdFe 자석과 같은 얇은 자석을 사용하여 4G 마그네트론에서 장을 발생시킬 수 있다. 또한 상기 4G 마그네트론은 음극측 펌핑(NEG/Ti)을 채택할 수 있고, 핀치오프될 수 있다.

도 3은 디스펜서 음극(100)의 예를 도시하고 있는데, 이는 본 발명에서 기존의 텅스텐 필라멘트 음극 대신에 제공되는 것이다. 상기 디스펜서 음극(100)은 기존의 텅스텐 필라멘트 음극보다 훨씬 낮은 온도에서 작동하기 때문에, 매우 긴 수명을 제공한다. 클라이스트론(klystron)과 같은 대부분의 고전력 튜브는 보통 적어도 1,050℃에서 작동하고 그 수명은 40,000 시간이다. 당업자는 작동온도가 50℃ 감소할 때마다 음극의 수명이 두 배가 된다는 것을 잘 알 것이다.

도시한 바와 같이, 상기 디스펜서 음극은 탑햇(top hat)(210), 활성 음극부(220), 포티드(potted)(222), 바텀햇(bottom hat)(224), 및 히터(226)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 히터는 리드선(230)으로부터 전력을 전달받을 수 있다. 일 예로 상기 활성 음극부가 활성 바륨 음극일 수 있는 상기 디스펜서 음극을 이용할 때의 장점은 저온 구동이 가능하다는 것이고, 이 경우 물론 요구 가열 전력 및 해당 냉각 부담이 감소한다. 음극은 작동온도의 1/4 전력에 비례하는 열을 방출하기 때문에, 방출에 의한 히터 전력 손실은, 950℃에서 작동할 때, 1,800℃에서 작동하는 음극의 방출손실의 12%에 불과하다.

특히, 상기 리드선을 통한 전도손실을 포함한 전체 히터 요구 전력은 텅스텐 필라멘트 음극을 이용하는 경우 40W인 것에 비해, 상기 디스펜서 음극을 이용하는 경우 10W 미만이다. 히터전력의 30W 절감은 400W 급 마그네트론의 전체 효율이 약 7.5% 증가한 것과 같다.

음극에서 방출된 열은 상기 음극과 근접하게 마주하는 양극 베인 단부(18)로 주로 전달된다. 디스펜서 음극의 음극 열 방출로 인해 베인 단부에 걸리는 열부하는 텅스텐 필라멘트 음극의 경우에 비해 12%에 불과하다. 이와 같은 실질적인 열부하의 감소로 인해 전도에 의한, 예를 들어 냉각팬 없이, 마그네트론 냉각 시스템을 채용하는 것이 더 쉬워진다.

또한, 상기 디스펜서 음극은 별도의 히터(226)를 구비하는 간접 가열형으로 구성될 수 있다. 상기 활성 음극부는 그 내부에 히터 필라멘트를 구비한 제 1 중공 원통형 쉘(240)일 수 있다. 상기 히터 필라멘트의 일단은 상기 음극의 탑햇(210)에 결합될 수 있다. 타단은 몰리브덴 히터 리드선과 같은 리드선(230)에 연결될 수 있다. 리드선(230)은 얇은 쉘 형태의 음극 리드선에 의해 차폐될 수 있다. 이러한 형태의 차폐구조를 이용하는 이유는 아크를 방지하고 EM 누설을 차단하기 위함이다. 이러한 구성은 아래에 보다 상세히 설명될 것이다.

2. 스트랩 링( Strap Rings )

마그네트론에서, (도 2에 150으로 표시된) 스트랩 링(도 4A에 더 상세히 도시됨)은 상기 마그네트론이 안정적으로 그리고 높은 효율로 작동하는 것을 가능케 하는 중요한 역할을 한다. 4G 마그네트론의 양극의 특성은, 3G 마그네트론에서 비대칭형 스트랩 링(ARS)(도 4C)이 주로 이용되는 것과 달리, 도 4B에 도시한 대칭형 스트랩 링(SSR)(150)이 이용된다는 것이다. 상기 대칭형 스트랩 링의 전력효율은 도 5A의 그래프에 나타낸 바와 같이 비대칭형 스트랩 링에 비해 높다. 대칭형 스트랩 링의 효율은 89%에 달하며 이는 이러한 주파수 영역의 마그네트론에 있어 최고의 효율이다.

음극 단부로 누설되는 전력을 도 5B의 그래프로 나타내었다. 우선, 3G 마그네트론에서는 리드선 구조가 다소 복잡하고 실질적으로 이 경로를 통해 누설이 일어난다. 3G 마그네트론에서는 음극 단부가 내부의 필터회로로 덮여있지만 차폐가 불충분하다. 물론 이와 같은 수준의 누설은 더 엄격한 규제가 가해지는 적용 분야, 예를 들어 조명 분야에서는 허용될 수 없다. 4G 마그네트론에 대칭형 스트랩 링을 적용하면 상기 누설 수준이 3G 마그네트론에 비대칭형 스트랩 링을 적용하는 경우의 10분의 1이 된다.

보다 구체적으로, 그리고 도 2, 4B, 및 4C의 단면도에 도시한 바와 같이, 양극 베인들(18)은 원통형 외측 양극 구조체(22)에서 방사상으로 배치된다. 이 양극 구조체는 복수의 마이크로파 공진 공동부를 정의하고, 여기서 상기 복수의 마이크로파 공진 공동부 각각은 원통형 양극(22)의 각 부분 및 방사상으로 배치된 두 양극 베인(18)에 의해 구분된다. 상기 양극 베인(18) 각각은 동심 스트랩 링의 쌍을 위 및 아래에 포함하고, 각각의 동심 쌍(양극 베인의 위 및 아래)은 상부 스트랩 링의 쌍(150a) 및 하부 스트랩 링의 쌍(150b)을 형성한다. 마그네트론의 스트랩 링(150)은 경쟁(competing)모드와 메인 작동모드를 분리하고, 이에 따라 작동의 안정성 및 효율을 향상시킨다. 공지의 스트랩 링(150)은 회전하는 전자빔을 따르는 각도 방향 및 음극을 따르는 축 방향 모두로 비대칭 장 분포를 유도한다. 따라서 종래에는 일반적으로 도 4C에 도시된 바와 같이 상부 및 하부 스트랩 링이 서로에 대해 비대칭적으로 각각의 양극 베인과 접촉한다. 보다 구체적으로, 도 4C에 도시한 스트랩 링(150)에서의 양극 베인 접촉의 비대칭은 상부 쌍 링들 중 하나와 스트랩 링의 하부 쌍 중 대응하는 하나의 접촉을 변화시킴으로써 원하지 않는 누설/노이즈를 평균하는 것으로 이미 설명하였다.

도 4B는 대칭적으로 접촉된 상부(150a) 및 하부(150b) 스트랩 링의 쌍을 포함하는 양극 구성의 단면도이다. 이러한 대칭 스트랩 링 구성에서는, 전력효율이 도 5A의 그래프에 도시한 바와 같이, 비대칭형 스트랩 구성에 필적하거나 이보다 크다.

또한, 대칭형 스트랩 링 구성은 도 5B에 도시한 바와 같이 비대칭형 구성에 비해 음극을 향해 누설되는 전력을 덜 발생시킨다. 이와 같이 누설 전력이 감소하는 이유는 대칭형 스트랩 링 구성 역시 음극의 축을 따라 대칭형 장 분포를 유도하기 때문이다.

언급한 바와 같이, 마그네트론에서 음극은 상기 음극과 양극 베인 사이의 공간에서 발생되는 마이크로파를 취하기 위한 안테나로 작동할 수 있다. 음극 표면을 따른 장의 세기는 여기서 기술하는, 그리고 도 4C에 도시한 대칭형 스트랩 링 구성에 있어 거의 일정하게 유지되는 반면, 비대칭형 구성에서는 변화한다. 비대칭형 구성에서 음극 표면을 따른 이러한 변화는 음극을 따라 전달되어 음극 단부로 누설되는 동축 모드를 유도한다. 따라서, 누설 전력은 본 발명의 대칭형 스트랩 링 구성을 적용함으로써 상당량 제거될 수 있다.

3. 음극 쵸크(Cathode Choke)

누설 전력을 더 감소시키기 위해 도 3A 및 3B에 도시한 바와 같이 음극 리드선이 동축선 형태로 구성할 수 있다. 또한, 음극 쵸크는 음극 구조체에 포함될 수 있다. 예를 들어, 음극 쵸크에 대한 4개의 다른 구성이 도 6A, 6B, 6C, 및 6D에 도시되어 있다. 음극 쵸크(310)는 리드선(230)을 지지하는 음극의 내부 구조체에 장착될 수 있고, 또는 가열 요소를 포함하는 제 1 중공 원통형 쉘(240)의 외벽에 장착될 수 있다. 이 중 어떠한 음극 쵸크도 전자기 전력 누설을 적어도 -35dB까지 차단한다. 요컨대, 음극 쵸크를 구비하는 대칭형 스트랩 링의 구성은, 음극 쵸크가 없는 비대칭형 스트랩 링의 구성보다 -45dB까지 누설을 최소화할 수 있다. 추가적인 누설 전력 및 주파수 노이즈는 차폐 필터 커버(350)에 의해 수용되는 필터 회로에 의해 흡수될 수 있다.

조명 분야와 같은 몇몇 응용에서, 마그네트론은 가능한 소형인 것이 바람직하다. 소형 마그네트론은 편평한 마그네트론 공동부, 즉, 도 7에 도시한 바와 같은 양극 챔버(140)를 포함할 수 있고, 이와 함께 얇은 자석들이 사용되어(도 2에 도시된 바와 같이) 프로파일을 더 최소화할 수 있다. 음극 쵸크는 이러한 최소화 프로파일 설계에서 누설을 추가적으로 제한할 수 있다.

특히, 본 발명은 도 3B의 단면도에 도시한 바와 같이 마그네트론(1)을 위한 신규 음극 구조체(100)를 더 포함할 수 있다. 도 3B에 도시한 바와 같이, 상기 음극 구조체(100)는 제 1 중공 원통형 쉘(240)(음극 지지부라고도 함) 형태의 음극선을 포함할 수 있고, 이때 상기 제1 중공 원통형 쉘(240)은 히터 필라멘트(226)를 위한 히터 리드선(230)을 수용한다. 상기 음극 구조체(100)는 제1 중공 원통형 쉘(240)과 대향하는 음극(100)의 일단에 위치하는 탑햇(210) 및 쉘(240)의 최상부에 위치하는 바텀햇(224)를 더 포함한다. 따라서, 동축선이 형성되어 노이즈 및 누설가 경감하고, 이때 상기 음극 구조체(100)가 상기 동축선의 중심 전도체로 기능한다.

히터 리드선(230)의 차폐되지 않은 노출부 및/또는 음극 리드선은 마그네트론 내부의 마이크로파를 취하여 음극(100)을 따라 전달시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 상기 음극 리드선이 얇은 제1 중공 원통형 쉘(240)로 대체될 수 있다. 상기 음극의 하부 중 적어도 일부를 제 2 중공 원통형 쉘(245)로 더 차폐함으로써, 상기 리드선(230, 240)이 전력 누설용 안테나로서 작동할 가능성이 적어도 실질적으로 제거된다. 요컨대, 도 6A, 6B, 6C, 및 6D에 더 도시된 본 실시예에서, 음극(100)은 상기 쉘들(240, 245) 사이에 형성되는 진공 수용부에 더 포함되는 동축선 내에서 동축 전도체를 형성한다.

또한, 음극 쵸크가 외측 원통 쉘(245) 내부에 제공될 수 있다. 예를 들어, 두 가지 형태의 음극 쵸크가 도 6A 및 6B, 그리고 도 6C 및 6D에 각각 도시되어 있다. 도면에서, 음극 쵸크(135)는 도 6A 및 6B에 도시된 바와 같이 내부의 제1 중공 원통형 쉘(240)의 외벽에 제공될 수 있다. 도 6A 및 6B는 음극 초크(135)의 지지점과 바텀햇(224) 간 근접 정도에 있어서 상이하다. 도 6A 및 6B에 도시된 구성의 전자기 전력 누설의 차폐효과가 도 8 및 도 9에 그래프로 각각 표시되었다.

제2 중공 원통형 쉘(245)의 내벽 상에 배치된 음극 쵸크(135)가 도 6C 및 도 6D에 도시되어 있다. 도 6C 및 6D 또한 음극 쵸크(135)의 지지점과 바텀햇(224) 간 근접 정도에 있어서 상이하다. 도 6C 및 6D에 도시한 구성의 전자기 전력 누설의 차폐효과가 도 10 및 도 11에 그래프로 각각 표시되었다.

4. 냉각(Cooling)

도 12에 도시된 추가 실시예에서, 양극 베인(410)은 냉각 전도성 향상을 위해 웨지 형태로 형성된다. 상기 웨지형 베인의 단부는 보다 양호한 효율을 위한 빔 임피던스를 증가시키도록 더 두꺼운 헤드를 갖는다. 대칭형 스트랩 링의 구성과 결합될 경우, 4G 마그네트론은 빔 전력을 마이크로파 전력으로 전환하는 데 있어 89%까지 그 효율을 발휘할 수 있다. 상기 대칭형 스트랩 링은 또한 음극 단부로 향하는 누설 전력을 비대칭 스트랩 링에 비해 10분의 1까지 감소시킨다.

또한, 마그네트론의 냉각과 관련하여, 도 13은 마그네트론을 포함하는 완전히 조립된 전등 장치의 실시예를 도시하되, 상기 마그네트론은 전구와 연동하는 마이크로파를 생성한다. 상기 마그네트론은 수용부(181) 내에 배치되어 도면에서는 보이지 않는다. 본 명세서 전반에 걸쳐 언급하는 바와 같이, 상기 마그네트론은 공진 공동부를 갖는 양극을 구비하고, 상기 공진 공동부는 외벽의 중심부 및 내부 양극 구조체, 즉, 모두 구리와 같은 높은 전기 전도성 재료로 형성되는 베인들에 의해 형성된다. 상기 베인은 마이크로파가 생성되는 동안 가열된다. 이러한 열은 전도만을 통해, 즉, 모터 구동 팬 없이 가능한 빨리 주변 대기로 분산될 수 있다.

도 14는 도 13 장치의 분해도이다. 도 14는 냉각핀, 냉각판(185), 및 상기 냉각판에 형성된 깊은 외부 홈(187)을 포함하는 전도 냉각 블록 조립체를 도시하고 있다. 도 15는 도 14의 장치의 단면도로서, 전등 장치의 구성 및 구조를 더 상세히 도시하고 있다. 도 16은 도 15에서 점선 박스로 표시된 부분의 확대도로서, 상기 장치를 통해 마그네트론의 음극에서 대기로의 열 흐름을 도시하고 있다.

도 16에 도시된 바와 같이, 전자 구름의 생성을 위해 가열되는 음극(100)은 양극(410)에 열을 가하는데, 이는 음극(100)의 높은 온도와 음극(100)이 제공하는 전자들이 양극을 통해 전류 형태로 흐르며 양극을 가열하기 때문이다. 일반적으로, 상기 양극은 손쉽게 열을 전도하는 구리 블록, 바람직하게는 소위 무산소 고열전도성(OFHC) 구리로 형성된다.

바람직한 실시예에서, 상기 양극의 측벽은 양극의 내부 구조와 동일한 재질의 중심부(22)만으로 이루어지되, 상기 중심부 위 및 아래의 상부 및 하부는 스테인리스 스틸과 같이 열전도가 나쁜 재질로 만들어진다. 따라서, 열은 상기 외벽의 중심부로는 손쉽게 통과하나 상부 및 하부로는 그렇지 않다. 상기 상부 및 하부는 자석들로의 과도한 열전도 없이 상기 자석들로 진행하거나, 에어 갭(425)와 같이 낮은 열전도를 갖는 타 구성들과 열적으로 결합한다. 에어 갭(425)과 같은 타 구성들도 자석들로의 과도한 열전도 없이 상기 자석들로 진행한다.

일 실시예에서, OFHC 구리와 같이 열전도성이 높은 물질로 이루어지거나 포함하는 두꺼운 냉각핀(430)이 양극 외벽의 중심부에 브레이징 또는 솔더링으로 고정되어, 상기 양극을 관통하는 열의 대부분을 전도를 통해 방출한다. 상기 열은 두꺼운 구리 냉각핀을 통해 수송되어 하나 이상의 두꺼운 냉각핀(440)으로 전달된다. 여기서 상기 두꺼운 냉각핀(440)은 알루미늄과 같이 높은 열전도성을 갖는 제 2 고열전도성 재료로 이루어지거나 포함한다. 상기 알루미늄 냉각핀은 상기 구리 냉각핀 사이에 끼워져 슬라이딩으로 설치된다. 그러나 구리 냉각핀에서 알루미늄 핀으로의 효과적인 열 전달을 위해 상기 구리 및 알루미늄 냉각핀은 큰 중복 영역을 갖도록 배치된다. 이때 상기 구리 및 알루미늄 냉각핀의 결합에 열 에폭시가 사용되지 않는 것이 바람직한데, 이는 열 에폭시가 조명 분야에 필요한 긴 수명 동안 부식 및 품질저하를 일으킬 수 있기 때문이다. 또한, 상기 알루미늄 냉각핀은 상기 구리 냉각핀에 견고하게 결합되지 않기 때문에, 마그네트론 벽에 기계적 스트레스가 원치 않게 가해지지 않는다. 만일 그렇지 않다면 열이 통과하는 높은 열전도성 요소의 열팽창 및 열수축으로 인해 상기 기계적 스트레스가 일어나게 된다.

일 실시예에서, 상기 알루미늄 냉각핀으로 전도되는 열은 상기 알루미늄 냉각핀과 결합되거나 일체로 형성된 전도 냉각 블록을 통해 전도된다. 상기 전도 냉각 블록의 외측면에서 상기 열이 대기로 전도된다. 일 실시예에서, 상기 전도 냉각 블록의 외측면에는 전도 냉각 블록과 대기 간의 접촉 면을 증가시키기 위해 홈이나 핀이 형성되는데, 이에 따라 열을 상기 전도 냉각 블록으로부터 대기로 전도하는 성능이 향상된다. 즉, 상기 전도 냉각 블록은 제 2 고열전도성 재료를 포함하고, 제 1 넓은 표면 및 제 2 넓은 표면을 가지며, 상기 제1 넓은 표면은 상기 냉각핀들의 넓은 표면에 인접하게 배치됨으로써 상기 전도 냉각 블록을 상기 냉각핀들에 열적으로 결합시키고, 상기 제 2 넓은 표면은 대기에 노출됨으로써 상기 전도 냉각 블록을 상기 대기에 열적으로 결합시킨다.

도 15에 도시한 바와 같이, 일 실시예에서, 전도 냉각 블록은 음극 쉴드 커버에 결합되거나 이와 일체로 형성될 수 있다. 상기 전도 냉각 블록 및 상기 음극 쉴드 커버는 모두 알루미늄과 같이 열전도성이 좋은 물질로 형성될 수 있고, 또한 외측면의 면적을 증가시키기 위해 복수의 외측 홈 또는 핀을 구비할 수 있다. 상기 전도 냉각 블록 및 음극 쉴드 커버의 홈은 주변 대기와 접촉하는 큰 표면적을 제공하도록 구성되고, 종래에서와 같이 강제로 공기를 공급하는 팬 없이도 마그네트론 양극으로부터 전달되는 열을 신속하게 대기로 방출할 수 있도록 구성된다.

또한, 열은 자석에서 가능한 멀리 유지시켜야 하는데, 왜냐하면 자석의 온도가 증가하면 이들이 형성하는 자기장이 감소하고, 또한 마그네트론의 작동이 이와 같은 자기장의 변화에 상당히 민감하기 때문이다. 양극의 열로부터의 자석의 열적 고립은 스테인리스 스틸과 같이 중심부보다 낮은 열전도성을 갖는 재료로 만들어지는 상하부를 갖는 양극 외측벽에 의해 부분적으로 제공된다. 상부 및 하부 양극 커버가 상기 양극과 자석 사이에 삽입될 수 있는데, 이때 상기 상부 및 하부 양극 커버는 열전도성이 매우 낮은 얇은 스테인리스 스틸 플레이트과 같은 물질 또는 다른 낮은 열전도성 물질로 이루어진다. 그러면 마그네트론 자석이 상기 양극의 상부 및 하부 양극 커버와 매우 가깝게 배치될 수 있으면서도, 마그네트론의 작동에 의해 생성되는 열로부터 상당히 양호하게 고립될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 상부 및 하부 양극 커버는 도 14에 도시된 자기 회로(magnetic circuit) 내측에 수용될 수 있다. 도 16도 참조하면, 상기 자기 회로는 적어도 두 개의 자석(450)을 포함하고, 이들 각각은 제 1 및 제 2 자석 반부(A, B)를 포함하며, 이 반부들 모두는 자기 회로가 조립되었을 때 마그네트론의 자기장을 제공하거나 지지하는 자기장을 형성하도록 구성된다. 이러한 두 개의 반부 쌍(A, B)은 두 개의 자기 플럭스 반사체(455)의 반부(A, B) 각각에 고정된다. 두 개의 극 조각의 두 개의 반부들은 각각의 자석 반부에 고정된다. 각각의 극 조각의 반부는 절두 원추형 중심부(460) 및 자석의 가장자리 또는 그 근처까지 연장하는 얇고 평평한 외측부(465)를 갖도록 구성된다. 상기 극 조각들은 상기 자석에 의해 생성된 자기장을 마그네트론 양극의 중앙 공동부로 집중시키도록 구성된다. 상기 중앙 공동부로는 상기 음극으로부터 방출된 전자들이 통과해야 한다. 상기 자석, 극 조각, 및 플럭스 반사체는 조립 시 자기 회로를 형성하고, 상기 자기 회로에서는 자기 플러스 경로가 상기 양극 및 그 상부 및 하부 양극 커버를 감싼다.

도 14 및 16에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 두 개의 조립된 자석 및 두 개의 조립된 극 조각이 제공되고, 각 자석과 극 조각은 반부들로 이루어진다. 상기 극 조각들 중 하나의 외측면은 황전등 조립체의 베이스에 고정될 수 있고, 황전등 장치의 전도 냉각 블록에 분리가능하게 결합될 수 있다. 전등 케이지가 열을 분산시키기 위한 넓은 표면적을 갖기 상기 전등의 베이스는 대기온도에 가깝게 유지된다.

5. 안테나 (Antenna)

예시적인 안테나(520)는 도 17에 도시한 바와 같이 외측 스트랩 링(150)의 바로 외측의 한 베인(18)에 부착되는 전압 결합형일 수 있다. 상기 안테나는 중심을 향해 급격하게 굽혀지고, 상부를 향해 다시 급격하게 굽혀진다. 안테나 로드는 얇은 세라믹 창에 의해 적어도 부분적으로 덮여질 수 있다.

6. 구조(Formation)

또한, 도 17에 도시한 바와 같이, 양극 블록(530)은 단일체 형태, 예를 들어 압출 또는 용접에 의한 무산소 고열전도성(OFHC) 구리 재질로 형성될 수 있다. 양극 블록(530)의 측벽은 마그네트론 공진기의 측벽의 중간부를 구성할 수 있다. 상기 양극 블록의 외측면에는 하나 이상의 냉각핀(540)이 형성되는데, 상기 냉각핀은 두꺼운 것이 바람직하며, 알루미늄 냉각핀에 부착되거나, 그렇지 않으면 슬라이딩 끼움 방식 등으로 알루미늄 냉각핀에 결합될 수 있다.

또한, 마그네트론 공진기 측벽은 도 7의 예에 도시한 바와 같은 하이브리드 형태일 수 있고, 이때 상하부는 얇은 스테인리스 스틸 원통으로 구성된다. 이러한 구성은 자석을 향한 열흐름을 감소시킨다. 상기 공진기의 상부 및 하부 양극 커버 또한 얇은 스테인리스 스틸로 구성될 수 있고, 양극 단부 근처에 위치한 열원으로부터 상기 자석을 상당히 잘 격리시킨다.

디스펜서 음극은 텅스텐 필라멘트 음극보다 상당히 높은 수준의 진공을 요구한다. 사용할 재료의 합리적 선택, 그리고 특정 제조방법 및 세정과정을 통해 10-9 Torr 수준의 초고진공(UHV)이 구현될 수 있다.

그러나, 외부 펌핑에 의한 고온 베이크-아웃이 완료된 후에도 가스를 완전히 제거하는 것은 불가능하다. 외부 펌핑으로부터의 핀칭오프 후에 기체를 흡수하기 위해서, NEG(Non-Evaporating Getter) 펌프 스트립(610) 및 TSP(Titanium Sublimation Pump)가 채택될 수 있다. 도 18의 실시예에 도시되어 있듯이, 상기 NEG 스트립은 마그네트론의 하부 커버에 레이저 용접될 수 있고, 상기 TSP는 음극 햇(210)의 상부에 배치될 수 있다.

4G 마그네트론의 펌핑 포트(710)는 도 19에 도시한 바와 같이 음극의 단부에 위치될 수 있다. 이러한 구성은 특히 용이한 제조를 위해 선택된다.

상기 4G 마그네트론은 제조의 용이와 같은 이유로 도 20의 실시예에 도시된 바와 같이 세 개의 서브 조립체로 구성될 수 있다. 상기 세 개의 서브 조립체는 양극 조립체(820), 음극 조립체(830), 및 상부 양극 커버/안테나 조립체(810)일 수 있다. 이러한 세 개의 서브 조립체는 제공되는 용접 조인트들(840)을 용접함으로써 결합될 수 있다.

양극 조립체(820)는 마그네트론 공진기의 주 몸체를 포함하고 세 개의 섹션, 즉 양극 블록(822), 상부 측벽(824), 및 하부 측벽(826)으로 구성될 수 있다. 양극 블록(822)은 양극 베인(18), 스트랩 링(150), 안테나(16/520), 상기 측벽의 중간부, 및 냉각핀을 포함할 수 있다. 이러한 부재들은 OFHC 구리로 형성되고, 용접과 같은 방법에 의해 조립될 수 있다. 상기 양극 베인은 EDM 에 의해 또는 압출 및 EFM 조합에 의해 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 측벽의 상부 및 하부 부재(824, 826)는 얇은 스테인리스 스틸 원통으로 형성되며, 일 예로 양극 블록의 부재들과 동시에 상기 양극 블록에 용접될 수 있다. 양극 조립체(820)가 제조된 후, 냉각 테스트 방법을 통해 공진 주파수가 측정될 수 있고, 스트랩 링을 변형시킴으로써 2.45GHz로 튜닝될 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 4G 마그네트론에서는 디스펜서 음극이 긴 수명을 가질 수 있고, 이 대가로 UHV 진공이 필요하며, 이는 음극 조립체(830)의 처리에 있어 상당한 주의를 요구한다. 상기 디스펜서 음극은 간접 가열 형태일 수 있고, 이때 히터 필라멘트는 상기한 바와 같이 중공 원통형 쉘 형태의 활성 음극부에 내장된다. 상기 히터 필라멘트의 일단은 음극의 탑햇에 고정될 수 있고, 타단은 음극의 바텀햇의 홀로부터 돌출될 수 있다. 내부의 음극 지지 리드선 및 히터 리드선은 알루미나 세라믹으로 적절히 격리된 터미널들에 연결될 수 있다. 이러한 터미널들은 열팽창 계수가 낮은 코바(kovar)로 형성될 수 있고, 견고한 진공 밀봉을 위해 알루미나 세라믹에 용접될 수 있다. 상기 튜브 또한 진공 펌핑 포트를 위한 마지막 세라믹 링에 부착될 수 있다. 상기 베이크-아웃과 NEG 및 음극의 구동이 완료된 후, 상기 펌핑 포트는 최종 진공 밀봉을 위해 핀치오프될 수 있다.

안테나 조립체(810)는 단부가 세라믹 돔으로 형성되는 긴 튜브를 포함할 수 있다. 상기 안테나가 양극 조립체에 용접되었을 때, 상기 튜브 및 안테나는 마이크로파 출력을 전달하기 위한 동축선을 형성한다. 상기 안테나는 상기 돔의 내부까지 연장되고, 상기 돔 세라믹을 통과하는 마이크로파를 방출한다. 따라서 상기 돔 세라믹은 마이크로파 창의 역할을 하면서 견고한 진공 밀봉을 제공한다.

빔-RF 상호작용 영역에서 요구되는 자기장을 발생시키기 위한 부담은 상기한 바와 같이 편평한 공진기로 인해 크게 감소될 수 있다. 조명 분야와 같은 몇몇 응용들에서는 소형화 및 경량화가 중요하므로, 상기 자석(14/114)을 가능한 얇게 형성할 수 있다. 자석이 얇기 위해서는, 상기 자석이 높은 잔류 자성 및 강한 항자력(coercive force)을 갖는 것이 바람직한데, 이러한 조건들은 적어도 SmCo 및 NdFe 자석에 의해 충족될 수 있다. 또한, 실외 응용을 위해서는 낮은 온도계수가 바람직한데, 이는 자석이 적은 자기장 변화로도 큰 온도변화를 견뎌야 하기 때문이다. 낮은 온도계수를 갖는 자석은 자기장의 변화가 비교적 적은데, 이를 통해 마그네트론의 작동에 있어 안정성을 향상시킬 수 있다.

상기 NdFe 자석은 보통 상기 SmCo 자석보다 싸지만, 온도계수는 더 크다. NdFe 자석의 최대 온도는 매우 낮고, 이에 더 큰 주의가 있어야 차게 유지될 수 있다. 상기 SmCo는 더 비싸지만, 더욱 가혹한 온도조건을 견딜 수 있다.

대부분의 3G 마그네트론에 이용되는 페라이트 자석은 4G 마그네트론에 이용하기에는 적합하지 않은데, 왜냐하면 낮은 잔류 자성 및 매우 높은 온도계수를 갖기 때문이다. 3G 마그네트론의 초기 모델에 이용되던 알니코(Alnico) 자석 또한 4G 마그네트론에 적용하기에는 부적합한데, 이는 비록 온도계수가 매우 낮더라도 그 항자력이 매우 낮기 때문이다. 항자력이 작은 자석은 얇게 만들 수가 없는데, 왜냐하면 이러한 자석은 얇으면 강한 자기 소거력(demagnetizing force)에 저항할 수 없기 때문이다.

적어도 두 개의 자석, 즉 상부(810a) 및 하부(810b)는 소프트 아이언(iron) 플레이트 또는 바로 구성되는 자성 플럭스 반사 회로(820)에 의해 연결될 수 있다.자성 플럭스 반사 회로(820)의 베이직 플레이트는 도 21A에 도시되어 있고, 도 21B에 도시된 바와 같이 모따기가 된 형태로 변경될 수 있다. 또한 상기 모따기 된 형태는 빛의 전파에 유용한 아이언 바들로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 상호작용 영역과 마주하는 각 자석의 표면에는 도 22A에 도시된 바와 같이 아이언 극 조각이 제공될 수 있는데, 상기 아이언 극 조각은 도 22B에 도시된 바와 같이 빔-RF 상호작용 영역에서 균일한 장을 형성하도록 부착될 수 있다.

상술한 바와 같이, 냉각팬의 제거를 위해서는 전도 냉각 방법이 적용될 수 있다. 마그네트론에는 두 개의 주요 열원이 있는데, 그 중 하나는 음극 히터이고, 나머지 하나는 마이크로파 변환 후의 잔류 에너지를 갖는 양극 베인에 모이는 전자빔이다. 이 두 열원들로부터의 열은 대부분 상기 베인들의 끝 또는 그 근처에 존재한다. 이 열이 적절히 소멸하지 않으면, 너무 높은 온도가 형성되어 마그네트론이 안정적으로 작동하지 못하거나 초기에 고장이 날 수 있다. 두 개의 구성요소가 높은 온도에 특히 민감한데, 그 중 하나가 스트랩 링이고 나머지 하나가 자석이다.

상기 스트랩 링의 온도를 합리적인 수준으로 유지하기 위해, 열은 베인 단부 영역으로부터 냉각핀의 외부와 같은 곳으로 가능한 빨리 제거되어야 한다. 이러한 목적으로 인해 웨지형 베인을 사용하여 외측으로의 열전도를 증가시킨다.

자석을 허용가능한 온도로 유지하기 위해, 상기 자석은 열전도 경로로부터 격리될 수 있다. 이를 위해, 마그네트론 측벽은 하이브리드 형태일 수 있고, 그 중간 부분은 베인 구조에 연속하는 OFHC 구리로 형성될 수 있다. 상기 상부 및 하부는 얇은 스테인리스 스틸로 이루어져 상기 중간 부분에 용접될 수 있다. 상기 측벽의 스테인리스 스틸 부분은 자석으로 흐르는 열을 차단하기 위한 매우 효과적인 수단이다. 열유동의 주요 경로가 도 13의 예에 도시되어 있다.

상기 중간 부분의 외벽에는 구리 냉각핀이 용접되고, 슬라이딩 결합과 같은 방식으로 알루미늄 냉간핀과 결합할 수 있다. 상기 알루미늄 냉각핀은 도 24에 도시한 바와 같이 충분한 냉각 표면 영역을 제공하는 냉각홈을 통해 열을 상기 냉각판과 음극 쉴드 커버로 전달한다. 냉각팬이 없는 이러한 전도 냉각 시스템은 대부분의 응용에서 충분히 작다.

4G 마그네트론의 전체 운영전력은 40W의 벽 플러그 전력, 30W(7.5%)의 전력공급 손실(인버터형), 10W(2.5%)의 히터전력, 300W(85%)의 마이크로파 전환 전력, 및 버려지는 빔형태로 베인 단부에 전달되는 60W를 포함할 수 있다. 히터전력의 반 (5W)이 방출에 의해 양극 베인 단부에 전달된다고 할 때, 나머지 반은 리드선을 통해 전도되고, 상기 양극 베인 단부에 걸리는 총 열은 65W이며, 이는 냉각팬 없이 단지 전도에 의해서만 제공되는 소형 냉각 시스템으로서는 매우 합리적인 범위이다.

음극으로는 히터전력과 함께 고전압 전력이 공급될 수 있다. 이러한 전력 공급 라인들은 마이크로파 전력 및 기타 누설 EM 노이즈를 위한 도관을 제공할 수 있다. 인덕터와 커패시터로 구성되는 필터 회로(1010)가 삽입될 수 있고, 이러한 누설을 피하기 위해 전체 음극 터미널 조립체가 차폐박스로 감싸질 수 있다. 따라서, 외계(outside world)와의 유일한 연결은 고전압 커패시터를 통해 이루어지고, 상기 커패시터는 상기 필터 회로의 일 부분이다. 상기 필터 박스는 알루미늄으로 일체로 이루어질 수 있고, 냉각 회로는 도 25의 실시예에 도시된 바와 같이 냉각판의 일부로 기능할 수 있다.

7. 처리(Processing)

간접성 마이크로파 복사를 생성하는 마그네트론 튜브가 도 26의 단면도에 도시되어 있다. 도시한 바와 같은 마그네트론 튜브(1)에서, 중앙 음극(100)으로부터 총괄하여 양극(12)인 일련의 진공 공동부들로 이동하는 전자들은 복수의 영구자석에 의해 형성된 자기장의 경로에 놓인다.

최종 처리가 준비된 소위 "4G" 마그네트론 튜브(1)가 도 26에 도시되어 있다. 4G 마그네트론은 전자레인지, 레이더 등과 같은 종래의 응용에 사용될 수 있고, 더 나아가 가로등 분야에서 황전등을 구동하기 위해 사용될 수 있다. 4G 마그네트론의 냉각 시스템은 전체적으로 전도성 및 대류성을 가질 수 있고, 3G 마그네트론에서 일반적으로 이용되는 냉각팬은 제거될 수 있다. 또한, 4G 마그네트론의 양극 공진기 챔버는 편평성을 갖도록 설계될 수 있어, SmCo 또는 NdFe 자석과 같은 매우 얇은 자석들이 사용될 수 있다. 또한, 이 자석들은 더 낮은 온도로 유지될 수 있는데, 이는 양극 챔버(140)의 설계로 인해 상기 자석들이 음극(140)에서 발생한 열로부터 거의 완전하게 격리되어 있기 때문이다.

4G 마그네트론 특유의 이러한 특성 및 기타 특성을 구현하기 위해, 도 26에 도시된 마그네트론 튜브와 같은 4G 마그네트론 튜브의 최종 처리는 진공 펌핑, 베이크-아웃, 음극 구동, 방출 실험, 및 핀칭오프를 포함한다. 디스펜스 전극의 사용으로 인해, 상기 과정들은 UHV(Ultra High Vacuum)하에서 수행되어야 하고, 일괄적인 작업으로 프로세싱 챔버에서 수행되어야 한다. 또한, 이러한 처리는 가로등과 같은 다양한 대량의 응용들에서 사용되기에 적합할 정도로 경제적인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 대량 생산을 위해 경제적으로 실현 가능한 처리는 일 예로 일부 또는 모든 과정이 제자리에서 이루어지도록 하면서도 개방을 수반하지 않는 프로세싱 챔버를 이용함으로써 제공될 수 있다. 예를 들어, 처리 준비가 된 복수의 마그네트론 튜브들이 클린룸 등의 내부에 위치하는 프로세싱 트레이 상에 제공될 수 있다. 이러한 프로세싱 트레이(105)의 한 예가 도 27A에 도시되어 있다. 예를 들어 길이가 약 3m이고 마그네트론을 50개까지 수용할 수 있는 트레이를 생각할 수 있지만, 당업자는 길이가 다른 그리고/또는 수용 가능한 마그네트론의 수가 다른 트레이를 이용할 수도 있다.

상기 트레이(105)는 두 개의 타이어(107, 109)를 갖도록 제공될 수 있고, 상기 마그네트론은 도 27B에 도시된 바와 같이 트레이(들)에 놓일 수 있다. 상기 마그네트론의 하부에 형성된 펌핑 포트(111)는 양 데크들의 대응 홀(113, 115)을 관통하도록 설치될 수 있다. 상기 홀의 크기는 상기 펌핑 모트가 자유로우면서도 무리 없이 끼워지도록 형성될 수 있다.

상기 트레이에는 네 개의 버스-바가 장착될 수 있는데, 이 중 세 개는 트레이(105) 상의 일부 또는 모든 마그네트론에 전류를 공급할 수 있다. 두 개의 하부 버스-바는 히터 전류(121) 및 음극 전류(123)를 공급할 수 있고, 상부 버스-바 중 하나는 양극 전류(125)를 공급할 수 있다. 네 번째 버스-바(127)는 하나 이상의 마그네트론의 온도를 감시하기 위한 열전대(thermocouple) 게이지 와이어를 복수로, 예컨대 열 개 포함할 수 있다.- 예를 들어 마그네트론 다섯 개 당 하나가 감시될 수 있다. 상기 버스-바들은 알루미늄 세라믹(129)을 통해 상기 트레이로부터 적절히 절연될 수 있다. 이 버스-바들 각각은, 특별히 한정적이지는 않지만, 두께가 0.5"이고 길이가 3m인 구리 로드일 수 있는데, 그러면 상기 트레이 상의 50개의 마그네트론에 대한 모든 히터전력을 처리할 수 있다. 상기 버스-바들은 알루미나 튜브를 통해 지지부(135)로부터 절연될 수 있다.

도 27C는 프로세싱 트레이(105) 상에 설치된 복수의 4G 마그네트론(1)을 도시하고 있다. 각각의 마그네트론 튜브(1)는, 도 27D에 도시한 바와 같이, 히터(121), 음극(123), 양극(125), 및 열전대 게이지 와이어(127)를 위한 해당 버스-바들에 연결될 수 있다.

상기 트레이(105)의 앞단은 10인치 진공 플랜지와 같은 진공 플랜지(211)에 부착될 수 있고, 이때 네 개의 버스-바들(121, 123, 125, 127)은 도 28에 도시된 바와 같이 적절한 피드-쓰루(feed-through)에 연결된다. 이제 상기 트레이(105)는 프로세싱 챔버 내에 설치될 수 있다.

상기 4G 마그네트론을 UHV (Ultra High Vacuum ~10-8 Torr) 환경에서 처리하기 위해, 프로세싱 챔버에서의 일괄 작업은 매우 적합한 선택이다. 프로세싱 챔버(411)는 도 29A에 도시한 바와 같이 두 개의 원통형 파이프(413, 415) 및 이들 사이의 한 직사각형 파이프(417)로 형성된 세 개의 칸을 포함할 수 있다. 도 29A는 프로세싱 트레이의 두 타이어(107, 109)가 설치된 상태의 챔버(411)를 도시한 단면도이다. 상기 트레이의 타이어(107, 109)는 상부 파이브(413)의 하면 및 하부 파이프(415)의 상면에 제공되는 시트(seat)에 결합된다.

상기 트레이가 설치된 프로세싱 챔버의 앞단이 도 29B의 단면도에 도시되어 있다. 트레이의 10인치 진공 플랜지(211)가 챔버 플랜지(611)와 짝을 이룬다. 히터 및 방출 실험을 위한 전원이 필요한 게이지 및 측정기(meter)를 포함하면서 챔버 플랜지의 측단부에 결합될 수 있다. 핀치오프로부터의 잔여물을 청소하기 위해 상기 챔버의 하면에 더 작은 플랜지(613)가 선택적으로 제공될 수 있는데, 이는 아래에서 더 설명한다.

상기 챔버의 뒷단은 진공 펌핑을 위한 기능을 제공할 수 있고, 따라서 세 개의 플랜지(711a, b, c)가 도 29C에 도시한 바와 같이 설치될 수 있다. 이 플랜지들에는 세 개의 다른 진공 펌프들이 적절한 진공 게이지들과 함께 연결될 수 있는데, 그러면 마그네트론 튜브의 처리에 필수적인 진공 펌핑이 제공될 수 있다.

상기 프로세싱 챔버(411)가 세 개의 개별적인 칸(413, 415, 417)으로 분리되면, 차동 펌핑 시스템이 허용될 수 있다. 이러한 칸들 간 진공 격리는 일반적으로 불완전한데, 이는 상기 트레이(105) 시트(seat)와 마그네트론 펌핑 포트(111)가 느슨하게 결합되어 약간의 간극이 불가피하기 때문이다. 그러나, 이 시트 및 피팅 홀들에는 상기 간극들을 통한 진공 전도를 제한하는 하이 칼라(high collar)가 제공될 수 있고, 따라서 진공 누설률은 감소될 수 있다. 상기 세 챔버들(413, 415, 417) 간 이러한 낮은 누설, 그리고 각 챔버에 대한 상이한 전도 및 별도의 펌프로 인해, 차동 펌핑이 구현될 수 있다.

상부 파이프(413)용 진공펌프는 주로 마그네트론들의 외측 부분들을 처리할 수 있다. 상부 파이프(413)의 내부는 다소 붐비는데, 그래서 상기 상부 파이프에서는 넓은 표면적으로부터의 기체 방출이 일어나고, 펌핑 컨덕턴스(pumping conductance)가 제한적이다. 이 상부 파이프(413)는 350 ℃의 베이크-아웃 동안 10-6 Torr로 낮게 유지되어야 하고, 실온으로 냉각할 때는 10-7 Torr로 낮게 유지되어야 한다.

상기 중간 파이프(417)는 핀치오프의 날 끝 및 진공 벨로우를 포함할 수 있고, 상부 파이프(413)와 하부 파이프(415) 간의 중간 진공챔버로 제공된다. 상기 중간 파이프(417)는 350 ℃의 베이크-아웃 동안 10-7 Torr로 낮게 유지되어야 하고, 실온에서는 10-8 Torr로 유지되어야 한다.

하부 파이프(415)는 마그네트론의 내측 부분을 펌핑할 수 있다. 이 파이프(415)는 모든 마그네트론 펌핑 포트(111)에 UHV 조건을 제공하기 위해 큰 펌핑 컨덕턴스를 가질 수 있다. 상기 UHV 조건은 하부 파이프(415) 전체에 걸쳐 유지될 수 있어, 상기 파이프가 사실상 각각의 마그네트론에 연결되는 UHV 펌프를 제공하게 된다. 350 ℃의 베이크-아웃 동안, 그리고 음극 구동을 위한 최대 히터전력이 제공되는 동안, 상기 하부 파이프(415)는 10-9 Torr의 낮은 진공을 유지해야 한다. 실온으로 냉각될 때, 상기 진공은 10-9 Torr로 낮게 유지되어야 한다.

비증발형 게터(NEG) 펌프가 얇은 스트립의 형태로 제공될 수 있고, 몇몇 작은 조각들이 레이저 용접 등으로 마그네트론의 하부 양극 커버에 용접될 수 있다. UHV 조건하에서, 상기 NEG는 300℃에서 미리 정해진 긴 시간 동안, 또는 400℃에서 더 짧은 시간 동안 활성화되는 과정을 요구한다. 상기 4G 마그네트론은 긴 베이크-아웃 시간을 필요로 하기 때문에, 300 ℃에서의 긴 활성화가 선택되어 NEG 구동과 겹치는 조건을 만족시킨다.

마그네트론의 베이크-아웃 및 상기 NEG 활성화 위해, 도 30에 도시한 바와 같이, 상기 프로세싱 챔버는 가열 스트립들을 포함하는 가열 블록으로 구성된 히터(711)에 의해 감싸질 수 있다. 상기 베이크-아웃 및 NEG 활성화 스케줄은 상기 챔버 내의 진공 상태에 따라 컴퓨터로 제어될 수 있다. 상기 베이크-아웃 및 NEG 활성화 이후, 상기 히터는 정지하고, 상기 챔버는 가열 재킷과 상기 챔버 사이로 팬에 의해 공급되는 공기(713)에 의해 냉각될 수 있다.

상기 디스펜서 음극은 1,100 ℃에서 활성화될 필요가 있다. 이 활성화는 AC 히터 전류를 상기 하부 피드-쓰루 쌍, 즉 상기 음극 및 히터를 위한 피드-쓰루들을 통해 공급함으로써 이루어질 수 있다. 이후 상기 음극의 온도를 표시하기 위해 전압 및 전류가 주의 깊게 측정될 수 있다. 상기 활성화가 이루어지는 동안, 상기 UHV 조건은 10-8 Torr 범위에서 유지되어야 하고, 상기 음극 활성화가 완료되었는지는 방출 테스트를 통해 가늠될 수 있다.

상기 음극의 활성화 이후에, 히터 온도를 950 ℃의 작동온도까지 서서히 낮춰주면서 방출 실험이 수행될 수 있다. 상기 방출 실험을 위해, 각 마그네트론의 양극 벽은 양극 버스-바에 연결될 수 있고, DC 전원이 양극 버스-바와 음극 버스-바 사이에 연결될 수 있다. 상기 방출 실험에는 상대적으로 낮은 0 내지 100V의 DC 전압이 사용될 수 있다. 상기 양극 전류는 퍼비언스(perveance) 계산을 위해 전압의 함수로서 그래프로 표시될 수 있는데, 이는 상기 음극 활성화가 완료되었는지 여부를 말해준다.

방출 실험이 완료되면, 핀치오프 공정에 의해 각 마그네트론이 영구적으로 밀봉될 수 있다. 상기 핀치오프는 유압 펌프에 의해 구동되는 핀치오프 날들에 의해 수행될 수 있다. 하나의 마그네트론을 핀치오프하는 데에는 약 10톤의 힘이 필요하기 때문에, 챔버의 유압 실린더들(811)은 도 31A에 도시된 바와 같이 양 방향으로 배열되는 것이 유리하다. 그러면 인접한 두 챔버들로부터의 반발력들이 상쇄되어, 상기 유압 챔버는 상기 배열의 양끝에 구비된 것 이외의 추가 지지구조를 필요로 하지 않는다.

도 31B에 도시한 바와 같이, 유압 펌프(811) 두 세트에 의해 구동되는 한 쌍의 핀치오프 날들로 열 개까지의 마그네트론이 처리될 수 있다. 각 유압 실린더(811)는 예컨대 약 50톤의 힘을 가할 수 있는 능력을 갖는다. 도 31C는 핀치오프 과정이 수행된 이후의 상태를 도시하고 있다. 이제 프로세싱 트레이를 꺼내기 위해 상기 프로세싱 챔버를 열 준비가 되었다. 이때, 상기 챔버는 건조 질소로 청소될 수 있다.

상기 4G 마그네트론의 대량 생산을 위해, 복수의 프로세싱 챔버가 필요할 수 있고, 이 챔버들을 나란한 배열 형태로 배치하는 것이 유리하다. 이러한 배열 형태의 가장 큰 이점은 상기 핀치오프 유압 실린더들이 서로에 대해 평형을 이루게 되어서, 지지구조의 부담이 상기 배열의 외측 단부 외에서 크게 감소한다는 것이다.

두 번째 이점은 상기 베이크-아웃 및 NEG 활성화를 위한 가열 에너지가 절감된다는 것이다. 이를 위해서는 여러 개의 층을 적층하는 것이 유리하다. 이러한 구성은 또한 공장의 공간도 절약시킨다. 천장의 높이 및 작업의 편리성을 고려할 때, 다섯 내지 여섯 개의 층이 적당하다. [[[케이스 8 끝]]]

약간의 특수성을 갖는 실시예들로 본 발명이 설명 및 도시되었지만, 이러한 설명 및 도시들은 단지 예에 불과하다. 부품 및 단계의 구성, 조합 및/또는 배열의 구체적 부분에 있어서 많은 변경이 가능할 것이다. 따라서 이러한 변경들은 본 발명에 포함되어야 하고, 그 권리범위는 아래의 청구범위에 의해 결정되어야 한다.

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27. 음극의 주변에 배치되는 복수의 공진 공동부를 형성하는 내부 구조체 및 외벽을 갖되, 상기 외벽은 상기 음극에 직교하는 평면에 있는 중심부를 갖고 제 1 고열전도성 재료를 포함하는 마그네트론의 양극;
    넓은 표면을 갖고, 상기 제 1 고열전도성 재료를 포함하며, 상기 양극의 외벽의 중심부에 견고하게 결합된 복수의 냉각핀; 및
    제 2 고열전도성 재료를 포함하고, 제 1 넓은 표면 및 제 2 넓은 표면을 갖는 전도 냉각 블록;을 포함하고,
    상기 제1 넓은 표면은 상기 냉각핀들의 넓은 표면에 인접하게 배치됨으로써 상기 전도 냉각 블록을 상기 냉각핀들에 열적으로 결합시키고, 상기 제 2 넓은 표면은 대기에 노출됨으로써 상기 전도 냉각 블록을 상기 대기에 열적으로 결합시키는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
28. 제27항에 있어서,
    상기 제 1 고열전도성 재료는 무산소 고열전도성 (OFHC) 구리이고, 상기 복수의 냉각핀은 상기 양극의 외벽의 중심부에 브레이징 또는 솔더링되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
29. 제27항에 있어서,
    상기 제 2 고열전도성 재료는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 마그네트론.
30. 제27항에 있어서,
    상기 전도 냉각 블록의 제 1 넓은 표면은 상기 복수의 냉각핀 사이에 슬라이딩 방식으로 끼워지는 상기 전도 냉각 블록 상의 적어도 하나의 두꺼운 냉각핀에 의해 제공되고, 상기 전도 냉각 블록의 제 2 넓은 표면은 대기에 노출되는 복수의 홈에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
31. 제27항에 있어서,
    상기 전도 냉각 블록은 음극 쉴드 커버와 일체로 형성되거나 결합되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
32. 제27항에 있어서,
    상기 양극의 외벽은 각각 상기 중심부의 상하로 배치되는 상하부를 구비하고, 저열전도성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
33. 제32항에 있어서,
    상기 양극의 외벽의 상하부에 각각 부착되고, 동일하거나 상이한 저열전도성 재료를 각각 포함하는 상부 및 하부 양극 커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
34. 제32항에 있어서,
    상기 마그네트론의 자기장을 발생 또는 지지하도록 상하로 배치되는 두 개의 자석; 및
    자기회로를 형성하도록 상기 자석에 각각 결합되고, 동일하거나 상이한 저열전도성 재료를 포함하는 두 개의 자기 플럭스 반사체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
35. 제34항에 있어서,
    상기 자석에 각각 고정되게 부착되는 두 개의 극 조각;을 더 포함하되,
    상기 극 조각은 상기 부착된 자석의 중심과 동심인 절두 원추형 중심부를 갖고, 상기 중심부로부터 상기 부착된 자석의 외측 가장자리까지 또는 그 부근까지 연장하는 얇고 편평한 외측부를 가지며, 동일하거나 상이한 저열전도성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
36. 제32항 또는 제33항 또는 제34항 또는 제35항에 있어서,
    모든 저열전도성 재료는 아이언 및 스틸 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
37. 제34항에 있어서,
    상기 자기 플럭스 반사체는 각각 황전등 조립체의 반부품 각각의 하면에 고정적으로 부착된 것을 특징으로 하는 마그네트론.
38. 복수의 마이크로파 공진 공동부를 형성하는 원통형 양극; 및
    두 쌍의 스트랩 링;을 포함하되,
    상기 복수의 마이크로파 공진 공동부 각각은 원통형 양극의 각 부위 및 방사형으로 배치된 두 양극 베인에 의해 구획되고, 상기 복수의 마이크로파 공진 공동부는 가열에 적합한 중심 음극에 대한 수직축으로부터 방사형으로 배치되고,
    상기 스트랩 링의 각 쌍은 상기 양극 베인들의 상하부에서 상기 양극 베인들에 대하여 동심형으로 배치되어 생성된 전자기 누설 전력을 최소화하고, 동심적으로 대응되는 상하부 스트랩 링 쌍들 각각은 서로에 대하여 대칭적으로 상기 양극 베인과 접촉하는 양극 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
39. 제38항에 있어서,
    상기 스트랩 링의 대칭은 상기 중심 음극에 근접한 지점에서 상기 마이크로파 공진 공동부를 위한 전자기 누설 전력을 최소화하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
40. 제38항에 있어서,
    상기 음극 표면을 따른 장의 세기는 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 마그네트론.
41. 탑햇;
    바텀햇;
    상기 탑햇과 상기 바텀햇 사이에 연결되는 활성 음극부;
    상기 활성 음극부에 의해 수용되고, 리드선에 의해 전력을 공급받는 히터; 및
    상기 리드선을 적어도 부분적으로 수용하고, 상기 활성 음극부에 전력을 공급하기에 적합한 제 1 중공 원통형 쉘;을 포함하는 음극 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
42. 제41항에 있어서,
    상기 제 1 중공 원통형 쉘을 적어도 부분적으로 수용하는 제 2 중공 원통형 쉘;을 더 포함하고,
    상기 제 2 중공 원통형 쉘은 전자기 누설 전력을 최소화하는 진공 수용부를 제공하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
43. 제42항에 있어서,
    상기 제 1 중공 원통형 쉘과 상기 제 2 중공 원통형 쉘 사이에 배치되고, 전력 누설을 차폐하는 음극 쵸크;를 더 포함하고,
    상기 음극 쵸크는 상기 제 2 중공 원통형 쉘의 내벽에 고정되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
44. 삭제
45. 제42항에 있어서,
    상기 제 1 중공 원통형 쉘과 제 2 중공 원통형 쉘 사이에 배치되고, 전력 누설을 차폐하는 음극 쵸크를 더 포함하고,
    상기 음극 쵸크는 상기 제 1 중공 원통형 쉘의 외벽에 고정되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
46. 복수의 마그네트론을 클린룸 내에서 프로세싱 트레이 상에 조립하되, 상기 복수의 마그네트론 각각은 적어도 음극 및 양극 블록으로 구성되고, 상기 양극 블록은 측방으로 연장하는 복수의 양극 베인을 감싸는 양극 원통에 의해 형성된 복수의 챔버로 구성되는 단계;
    적어도 세 개의 구획을 갖는 프로세싱 챔버 내에서의 일괄 작업 동안 초고도 진공(UHV) 상태의 상기 프로세싱 트레이 상에서 상기 마그네트론을 처리하는 단계;
    상기 적어도 세 개의 구획을 차동적으로 펌핑하는 단계;
    상기 프로세싱 챔버를 가열 블록으로 감싸는 단계;
    연장된 기간 동안 300℃에서, 상기 가열 블록 내의 상기 프로세싱 챔버를 베이킹-아웃하는 단계;
    공기나 물을 공급하여 상기 프로세싱 챔버를 냉각하는 단계;
    상기 음극에 공급되는 전류를 이용하여 1100℃까지 가열하여 상기 음극을 활성화하는 단계; 및
    상기 마그네트론 튜브를 핀치오프하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 제조 방법.
47. 제46항에 있어서,
    상기 프로세싱 트레이는 길이가 3m이고 50개의 마그네트론을 수용하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 제조 방법.
48. 제46항에 있어서,
    상기 프로세싱 트레이는 히터 전류 및 음극 전류를 상기 음극에 공급하고, 양극 전류를 상기 양극 블록에 공급하고, 온도 감시 전류를 공급하는 네 개의 버스-바를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 제조 방법.
49. 제46항에 있어서,
    상기 차동 펌핑 단계는, 상기 세 개의 구획 중 하부 구획의 내부를 고진공으로 유지하는 단계, 상기 세 개의 구획 중 상부 구획의 내부를 저진공으로 유지하는 단계 및 이들 사이에 고진공 차동을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 제조 방법.
50. 제49항에 있어서,
    상기 차동적으로 펌핑하는 단계는 상기 상부 구획을 위한 제 1 펌프를 이용하여 펌핑하는 단계 및 상기 하부 구획을 위한 제 2 펌프를 이용하여 펌핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 제조 방법.
51. 제46항에 있어서,
    상기 음극을 950℃까지 가열하는 단계; 및
    상기 950℃까지 가열하는 동안 상기 음극으로부터의 방출을 측정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 제조 방법.
52. 제46항에 있어서,
    상기 핀칭 단계는 유압 칼을 이용한 핀칭 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 제조 방법.
53. 제46항에 있어서,
    건조 질소로 상기 프로세싱 챔버를 청소하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 제조 방법.
54. 제46항에 있어서,
    처리량을 향상시키기 위해 상기 프로세싱 챔버를 복수로 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 제조 방법.

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