KR19980071724A - 평판형 마그네트론 - Google Patents

Abstract

평판형 마그네트론은 전자를 방출하기 위한 음극과 일정 간격으로 배치된 다수의 베인을 가진 양극을 가지며, 작용 공간을 형성한다. 작용 공간의 양단에 길이의 신축성이 있는 벨로우즈로 형성된 한 쌍의 폴 피스, 및 조절 가능한 자석부가 제공된다. 자석 간 거리를 변경하는데 사용되는 요크는 마이크로파의 주파수를 변경할 수 있도록 배치된다. 엔드 햇도 배치되며, 이들에 인가된 전압이 변하여 마이크로파의 출력 전력을 변화시키게 된다.

Description

평판형 마그네트론

본 발명은 마이크로파 등의 고주파 가열 기기에 사용되는 평판형 마그네트론에 관한 것으로, 특히, 소망의 출력 및 주파수를 갖는 마이크로파를 효과적으로 제공하는 다목적 평판형 마그네트론에 관한 것이다.

자석은 자계 및 전계가 전자관의 작용 공간 내에서 상호 직교하여 발생되는 교차 계자 디바이스(crossed-field device)이고, 그 발진 모드는 두가지, 즉, A형 발진 및 B형 발진이 있다.

A형 발진은 자계 강도에만 의존하며, 자계에 의해 발생된 전자의 주기적인 회전 운동에 의해 발생된다. 이러한 발진의 파장은 후술되는 B형 발진 모드와는 달리 외부 회로로서 공동 공진기(cavity resonator)에 의해 그다지 영향을 받지 않기 때문에, 발진 파장은 자계에 의해서만 결정되며 다음 수학식으로 표현될 수 있다.

λ = α/H

여기에서, λ는 발진 파장, H는 자계 강도, α는 2πmc/e이다. m은 전자의 질량이고 e는 전자의 전하를 나타내므로, 정수 α는 이론적으로 10,650이지만, 실험적으로는 10,000 내지 13,000 값을 갖는다.

A형 발진에서는 두가지의 전자 궤도가 존재하며, 그 중 하나는 교류 전계로부터 에너지를 얻는 궤도이고 다른 하나는 교류 전계에 에너지를 주는 궤도이며, 전자의 궤도에서 전자를 제거하는 것이 필요하다.

도 1을 참조하여, B형 발진에 관하여 설명하고자 한다.

도 1은 종래의 원통형 마그네트론 구성을 도시한 도면이다. 이 도면에서 도시된 바와 같이, 원통형 양극(21)에는 복수의 베인(vane: 22)이 방사상으로 중심을 향해 연장되어 공동 공진기를 형성하게 된다. 음극(23)에는 원통형 양극의 중심축에 제공되어 음극(3)과 베인(22) 간의 작용 공간을 한정하게 된다.

양극(21)의 상하단에는 폴 피스(pole piece: 24)가 제공되며, 이들 각각은 요크(25)를 갖는 자석(26)에 밀착하여 부착되어 있다. 양극(21)과 요크(25) 사이에는 양극 손실에 의해 발생된 열을 방출시키기 위한 방열판(27)이 제공되어 있다. 이러한 양극 손실은 전자가 음극(23)으로부터 방출되고 양극(21)에 충돌하는 양극 전압에 의해 가속될 때 발생된다.

한 쌍의 전극(엔드 햇: end hat, 30)은 작용 공간에 개재된 자계 방향에 교차하거나 그 방향에 직각으로 제공된다. 이들 엔드 햇(30)에 부의 전압이 인가되어, 작용 공간 내에 전자를 가둔다.

이러한 구성에서, 양극(21) 내부의 공간은 진공으로 감압된다. 자석(26)에 의해 작용 공간에 형성된 자계에서 전원 입력부(28)를 사용하여 음극(23) 및 베인(22)에 고전압을 인가할 때, 음극(23)으로부터 베인(22)을 향하여 전자가 방출된다.

이에 따라 방출된 전자들은 나선 또는 사이크로이드 경로(spiral or cycloidal path)를 따라 자석(26)로부터 베인(22)을 향하는 자계의 영향하에서 운동한다. 결과적으로, 이들 전자는 에너지를 공동 공진기에 에너지를 주어, 마이크로파 출력부(29)를 통하여 마이크로파로서 출력이 되는 고주파 전계를 발생시킨다.

마그네트론의 전자원으로서는, 현재 열음극(thermionic cathod)이 주로 사용되고 있다. 열전자 방출은 열전자 방출이 전자원을 제공하는 음극이다. 열전자 방출은 물질을 1500 내지 2500。K 온도까지 가열하여 전도대의 자유 전자에 물질의 일함수와 같거나 큰 에너지를 줌으로써 물질 표면의 포텐셜 장벽을 넘어 전자를 방출하는 메카니즘이다. 열음극으로는 순금속 또는 금속 산화물 등으로 형성되지만, 현재는 Ba 화합물(5BaO·2Al₂O₃·CaO 등) 및 W 분말을 혼합하고 이 화합물의 프레스 소결하여 생긴 소결형(sintered type)과, 다공성 W에 Ba 화합물을 용융 상태로 함침하여 된 함침형(impregnation type)이 주류를 이룬다. 이들 중의 하나는 전자의 방출 밀도가 높고 진공 배기중의 가스가 덜 방출되며, 바륨 알루미네이트 효과로 인하여 대기에 노출될 경우에 재활성화될 수 있다는 이점을 추가로 갖는다.

전자원의 다른 유형으로는 냉음극이 있다. 냉음극은 열전자 방출 대신에 전계에 기초한 전자를 방출하는 음극이다. 전계 방출은 물질 표면에 그리고 그 근방에 높은 전계가 인가됨으로써 표면에서 포텐셜 장벽을 저하시켜 터널 효과에 의해 전자를 방출하게 되는 전자 방출법이다. 이 음극은 열전자 음극과는 달리 가열될 필요가 없기 때문에 냉음극이라 한다. 전류-전압 특성은 Fowler-Nodeheim 식에 근사할 수 있다. 도 2는 냉음극의 구성 단면도를 도시한다. Si 등의 금속이나 반도체로 이루어진 에미터부(90)는 주변에 고 전압 기울기를 형성하도록 포인트 구조로 되어 있으며, SiO2막 등의 절연층(80)이 개재된 게이트(70)를 형성하는 금속막으로 도포된다. 전압이 게이트(70)에 인가될 경우에, 에미터의 첨단에 강 전계가 발생되어, 전자를 방출시킨다. 냉음극은 열음극 상에서는 동작 온도가 열음극보다 낮고 배열된 형태로 그들을 제공함으로써 높은 전류 밀도를 얻을 수 있는 이점이 있다.

마이크로파 오븐 등의 고주파 가열 기기에 현재 사용되는 마그네트론은 원통형이 우세하다. 하지만, 평판형 마그네트론을 사용하는 것들이 있다. 도 3 및 4는 냉음극을 사용하는 평판형 마그네트론을 도시한 각각의 단면도 및 사시도이다.

도 3에 도시한 평판형 양극(41)은 음극(43) 및 소울부(sole portion: 51) 상에, 그리고 그에 수직인 다수의 베인(42)을 가지며, 이는 공동 공진기를 구성한다. 여기에서, 소울부(51)는 음극(43)과 같은 전위에 있으나, 음극(43)과는 달리 전자의 방출에 기여하지 않는 부분을 지시한다. 음극(43)은 양극(41)의 좌단 하부에 배열되어 있다. 양극(41)과 소울(51)-베인(42) 간의 공간은 작용 공간을 형성한다. 작용 공간 내에 균일한 자계를 이루기 위한 폴 피스(pole piece)는 양극(41)의 양측면 중의 하나에 요크의 자석에 부착된다. 이 요크는 양극 손실에 기인하여 발생된 열을 방출하는 방열판(47)을 갖는다.

이 구성에서, 양극(41)의 내부 공간은 진공 압축된다. 자석(46)에 의해 자계가 작용 공간에 형성되어 있으며 게이트(60)와 소울(51)-베인(42) 사이 및 양극(41)과 소울(51)-베인(42) 사이에 전원 입력부로터 전압이 인가될 때, 전자들은 도 2를 사용하여 설명한 바와 같이 음극(43)으로부터 베인(42)쪽으로 방출된다.

이에 따라 방출된 전자들은 작용 공간에서 도 2에서 자석(46)로부터 우측으로의 자계의 영향하에서 운동하여, 원통형 마그네트론에서와 같은 방식으로 나선상 경로를 따르게 된다. 운동시, 이들 전자는 공동 공진기에 에너지를 주어, 마이크로파 출력부(49)를 통하여 마이크로파로서 출력되는 고주파 전계를 발생시키게 된다.

양극 분할을 이용한 마그네트론의 경우, 분할수에 의존하여 여러가지 다양한 모드를 발생시킬 수 있다. B형 발진에 주로 사용되는 모드는 연속 공진기들 간의 위상차는 π 라디안이고 그들 간의 상호 작용이 가장 강한 π-모드라 한다.

하지만, 마그네트론의 발진에서, 이러한 π-모드에서의 발진 주파수에 가까운 발진 주파수를 갖는 다른 모드가 있을 경우, π-모드에서 다른 모드로의 모드 점핑은 동작 조건의 작은 변화에 의해 유발된다. 결과적으로, 발진 주파수 및 출력이 급변하게 된다. 따라서, 공진기들 간의 결합을 가능한 한 조밀하게 함으로써 모드의 공진 주파수를 가능한 한 이산적으로 할 필요가 있다.

종래의 마그네트론에서, 다른 양극 분할 및 베인은 균압환(equalized ring)을 형성하는 도체를 통하여 접속되어 한 모드에서 다른 모드로 분리하게 된다. 이 균압환은 하나 걸러서의 양극 분할이 동일 위상에서 전압 발진을 갖도록 하므로, 발진의 가능 모드를 π-모드 및 0-모드(양극 분할 및 베인은 모두 동일 위상에서 발진함)로 제한하는 것이 가능하다.

종래의 마그네트론은 요크에 부착된 자석에 의해 작용 공간으로 일정 자계가 인가되는 것이 일정 주파수 및 일정 출력 전력을 갖는 마이크로파를 발생시키는데 사용되도록 구성되었다. 이에 따라, 얻어진 출력 전력과 주파수는 그 사용에 따라 변화될 수 없다.

마그네트론은 극히 유용한 특성 즉, 발진 효과가 저비용으로 큰 출력을 얻을 수 있으므로, 마이크로파 오븐과 다른 광범위한 기술 분야에 응용되는 것이 요구된다. 이에 따라, 통신, 레이더, 전자 기기 등의 각종 분야에서 광범위하게 응용될 수 있는 다목적 마그네트론이 어떻게 실현될 수 있는가가 중요한 과제이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제를 해결하고, 다목적용으로 사용될 수 있으며 필요한 출력 및 주파수를 갖는 마이크로파를 효과적으로 생성할 수 있는 평판형 마그네트론을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같이 구성된다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 평판형 마그네트론은

전자를 방출하기 위한 음극;

복수의 베인이 일정 간격으로 배치되어 있는 양극;

음극과 양극 사이에 개재된 작용 공간에 균일한 자계를 생성하기 위한 자석부; 및

작용 공간의 양측에서 상호 대향하며 균일 자계에 수직으로 배치된 한 쌍의 전극

을 포함하며, 자석부는 작용 공간에 발생된 자계 강도를 변화시키도록 조정가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 양상에 따르면, 상기 제1 특성을 갖는 평판형 마그네트론에 있어서, 상기 자석부는 작용 공간의 양측에서 상호 대향하여 배치된 한 쌍의 폴 피스; 및 각각이 폴 피스에 부착되어 있고, 자석 결합을 이루기 위해 요크에 가깝게 접촉하여 세트된 한 쌍의 자석을 포함하는데, 이 자석은 이동에 적합하다.

본 발명의 제3 양상에 따르면, 상기 제1 특성을 가진 평판형 마그네트론에 있어서, 상기 자석부는 작용 공간의 양측에 상호 대향하여 배치된 한 쌍의 폴 피스; 및 각각이 폴 피스에 부착되어 있고, 자석 결합을 이루도록 요크에 가깝게 접촉하여 세트되어 있는 한 쌍의 자석을 포함하며, 상기 폴 피스의 길이는 가변적이다.

본 발명의 제4 양상에 따르면, 상기 제1 특성을 가진 평판형 마그네트론에 있어서, 상기 자석부는 작용 공간의 양측에서 상호 대향하여 배치되는 한 쌍의 폴 피스; 및 각각이 폴 피스에 부착되어 있고, 자석 결합을 이루도록 요크에 가깝게 접촉하여 세트되어 있는 한 쌍의 자석을 포함하며, 상기 요크의 길이는 가변적이다.

본 발명의 제5 양상에 따르면, 평판형 마그네트론은

전자를 방출하기 위한 음극;

복수의 베인이 일정 간격으로 배치되어 있는 양극;

음극과 양극 사이에 개재된 작용 공간에 균일한 자계를 생성하는 자석부; 및

작용 공간의 양측에서 상호 대향하며 균일 자계에 수직으로 배치된 한 쌍의 전극

을 포함하며, 정전압이나 부전압이 전극에 선택적으로 인가될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기한 내용에서, 출력 전력은 전극의 전위 변화에 따라서 가변적인 반해, 주파수는 자석간의 거리에 따라서 가변적이다. 또한, 정전압이 전극에 인가될 때, 발진을 방해할 수 있는 전자를 작용 공간으로부터 제거하는 것이 가능하다.

도 1은 종래의 원통형 마그네트론을 도시한 구성도.

도 2는 종래의 냉음극의 구성을 도시한 단면도.

도 3은 종래의 평판형 마그네트론을 도시한 단면도.

도 4는 종래의 평판형 마그네트론을 도시한 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 평판형 마그네트론을 도시한 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11 : 양극

12 : 베인

13 : 음극

14 : 폴 피스

15 : 요크

16 : 자석

20 : 엔드 햇

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 관하여 설명하고자 한다.

도 5는 본 발명에 따라 평판형 마그네트론을 도시한 단면도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 이러한 평판형 마그네트론은 양극(11), 베인(12), 음극(13), 폴 피스(14), 요크(15), 자석(16) 및 엔드 햇(20)으로 구성된다.

수직 방향으로 배치된 양극(11)과 음극(13) 사이에 개재된 공간은 작용 공간을 한정한다. 작용 공간(18)의 수평 방향의 양측에는 정전압 및 부전압이 인가되는 한 쌍의 전극 또는 엔드 햇(20)이 상호 대향하여 배치된다. 작용 공간(18)에 필요한 자계를 발생시키기 위한 한 쌍의 폴 피스(14)는 엔드 햇(20)의 외측에서 상호 대향하여 배치되어 있다. 한 쌍의 자석(16)은 폴 피스(14)의 외측에 제공된다. 자석(16)은 양극(11)과 접촉하여 배치되어 있는 요크(15)를 갖는다. 작용 공간(18)에 자계를 형성하는데 기여하는 요소들에는 자석(16), 폴 피스(14) 및 요크가 있으며, 이들은 상호 자기적으로 결합되어 있다. 이들 요소를 총괄적으로 자기부라 한다.

여기에서, 자석(16)은 페라이트형이며 하우징의 측벽에 고정된다. 요크(15)가 양극 손실로부터 발생된 열을 방출시키기 위한 방열판으로서 작용하기도 하므로, 아연 도금된 철 재료로 이루어진다.

이러한 평판형 마그네트론에 있어서, 작용 공간(18)에서 자계 강도에 영향을 주는 자석부의 간극(자석부의 간극 거리)은 자석부의 간극 거리의 20㎜의 변동이 달성될 수 있도록 벨로우즈(bellows) 형태로 폴 피스(14) 및 요크(15)를 제공함으로써 변화 가능하다. 자석(16)은 이 거리의 변화에 따라 이동될 수 있다.

양극(11)은 일본 특개평 8-315,742호에 개시된 평판형 마그네트론 양극의 제조 방법으로 생성된 것이다.

다음, 평판형 마그네트론의 동작 개요에 관하여 설명하고자 한다.

먼저, 필요한 자계가 작용 공간(18)에 형성되도록 폴 피스(14) 및 요크(15)의 벨로우즈를 조작함으로써 자석부의 간극 거리를 원하는 대로 설정한다. 도 3을 참조하여 종래의 마그네트론에 관하여 기술한 바와 같은 방식으로 전압을 인가할 경우, 전자는 음극(13)으로부터 방출되며, 이러한 자계의 영향하에서 작용 공간(18)을 사이클로이드 경로를 따라 운동한다. 결과적으로, 이들 전자는 공동 공진기에 에너지를 주어 고주파 전계를 발생시킨다. 이에 따라, 자석들 간의 거리 및 폴 피스(14) 및 요크(15)의 조절량에 대응하는 주파수 및 출력을 갖는 마이크로파가 추출될 것이다.

도 5에 도시된 평판형 마그네트론에서, 엔드 햇(20)에 정 또는 부 전압이 선택적으로 인가될 수 있으며, 자석(16)은 이동에 적합하고, 요크 길이 및 폴 피스 길이는 필요한 출력 및 주파수를 갖는 마이크로파를 제공하도록 변화가능하게 된다. 달리 말하면, 이 평판형 마그네트론은 발진을 방해하게 될 전자가 엔드 햇(20)으로의 정 전압 인가에 의해 작용 공간으로부터 제거되도록 구성되며, 이 전압은 출력을 제어하도록 변화된다.

자석(16)이 이동가능해지고 벨로우즈형 폴 피스(14) 및 요크(15)가 요크 길이 및 폴 피스 길이를 변화시키도록 조절됨으로써, 자석부의 간극 거리가 변경되어 주파수를 제거하게 된다.

예시적으로, 양극 전압이 100V로, 양극 소울 거리가 0.5㎜로, 자계 강도가 1,360 가우스(자석간 거리는 30㎜로 설정)로, 및 엔드 햇이 -10V 전압으로 설정될 경우, 2.1A의 방출 전류가 흐르고 160W(2.5GHz) 발진의 출력 전력을 얻을 수 있다.

자계 강도가 1,090 가우스로 변경될 때, 3 내지 7 W의 발진 출력과 함께 3.1 내지 5.1GHz 주파수를 가진 마이크로파를 얻을 수 있다. 또한, +10V 전압이 엔드 햇(20)에 인가될 때, 전자에 비해 약 3배의 출력인 10 내지 20 W의 발진 출력과 함께 3.1 내지 5.1GHz 주파수를 가진 마이크로파를 발생시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제1 내지 제4 특성에 따르면, 자석부는 작용 공간에 발생된 자계 강도를 변화시키도록 구성될 수 있으므로, 자계 강도를 변화시킴으로써 발진 주파수를 변경하는 것이 가능하다. 특히, 자석, 폴 피스의 길이 및 요크 길이는 자석부의 간극 거리에 따라 자계 강도를 변경하도록 조절되어, 주파수를 변경하는 것이 가능해진다.

제5 특성에 따르면, 정 또는 부 전압이 인가될 수 있는 전극이 제공되므로, 이들 전극에 정 전압이 인가될 경우, 발진을 방해하는 전자를 작용 공간으로부터 제거하는 것이 가능하다.

냉음극을 사용하는 실시예에 관하여 설명하였으나, 열전자 음극을 사용하는 것도 가능하다.

Claims (5)

1. 전자를 방출하기 위한 음극;

   복수의 베인(vane)이 일정 간격으로 배치되어 있는 양극;

   상기 음극과 상기 양극 사이에 낀 작용 공간에 균일한 자계를 발생시키기 위한 자석부; 및 상기 작용 공간의 양측에 상기 균일한 자계에 수직으로 상호 대향하여 배치된 한 쌍의 전극을 포함하며, 상기 자석부는 상기 작용 공간에 발생된 상기 자계 강도를 가변시키도록 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 평판형 마그네트론(plate-type magnetron).
2. 제1항에 있어서, 상기 자석부는 상기 작용 공간의 양측에 상호 대향하여 배치된 한 쌍의 폴 피스; 및 각각이 상기 폴 피스에 부착되고 요크에 밀착되어 자석 결합을 이루는 한 쌍의 자석을 포함하며, 상기 자석은 이동가능한 것을 특징으로 하는 평판형 마그네트론.
3. 제1항에 있어서, 상기 자석부는 상기 작용 공간의 양측에 상호 대향하여 배치된 한 쌍의 폴 피스; 및 각각이 상기 폴 피스에 부착되고 요크에 밀착되어 자석 결합을 이루는 한 쌍의 자석을 포함하며, 상기 폴 피스는 길이에 있어 가변적인 것을 특징으로 하는 평판형 마그네트론.
4. 제1항에 있어서, 상기 자석부는 상기 작용 공간의 양측에 상호 대향하여 배치된 한 쌍의 폴 피스; 및 각각이 상기 폴 피스에 부착되고 요크에 밀착되어 자석 결합을 이루는 한 쌍의 자석을 포함하며, 상기 요크는 길이에 있어 가변적인 것을 특징으로 하는 평판형 마그네트론.
5. 전자를 방출하기 위한 음극; 복수의 베인이 일정 간격으로 배치되어 있는 양극;

   상기 음극과 상기 양극 사이에 낀 작용 공간에 균일한 자계를 발생시키는 자석부; 및 상기 작용 공간의 양측에 상기 균일한 자계에 수직으로 상호 대향하여 배치된 한 쌍의 전극을 포함하며, 상기 전극에 정 또는 부 전압이 선택적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 평판형 마그네트론.