KR20070115815A - 냉음극 전자총을 이용한 클라이스트론 발진기 및 그발진방법 - Google Patents
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Abstract
냉음극 클라이스트론 발진기가 개시된다. 본 발명에 따른 냉음극 클라이스트론 발진기는 1차전자를 방출하는 냉음극(cold cathode)에 의한 전자원(electron source); 상기 전자원에서 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키는 제1그리드; 및 상기 제1그리드를 통과한 전자빔을 집속 및 가속시키고, 상기 제1그리드를 통과한 전자빔의 역학에너지의 일부를 전자기파 에너지로 변환하는 공진기를 포함하는 제2그리드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
클라이스트론, 2차전자, 전자총, 그리드, 발진기,
Description
본 발명은 클라이스트론(Klystron) 발진기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전자 방출에 의한 전자증폭현상을 이용함으로써 냉음극 전자총을 사용하는 냉음극 클라이스트론 발진기 및 발진방법에 관한 것이다.
공간속의 전자를 집속한 전자빔은 RF 발진 및 증폭기, 디스플레이, 가속기, 전자현미경, 센서, 각종 공정 장비 등 다양한 산업 및 연구용 장비에 널리 활용되고 있다. 전자빔을 만드는 방식은 여러 가지가 있는데 현재 널리 사용되는 방식은 금속을 가열할 때 금속표면에서 튀어나오는 열전자를 가속해 사용하는 방식이다.
이와 같은 열음극 전자총의 반대되는 기술로서 가열 없이 전압만 걸어서 전계방출(Field Emission)을 통해 전자를 얻는 냉음극 전자총이 있다.
도 1은 종래의 냉음극 전자총의 구조를 예시한 도면이다. 캐소드(200)에 전계방출구조(Field Emitter Arrays : FEAs)(110)를 적층하고, 양극으로서 그리 드(130)에 전압(V1)을 인가함으로써 전자빔을 방출하여 집속 및 가속하는 구조로 구성되어 있다.
이러한 냉음극 전자총은 열음극 전자총처럼 음극을 가열해야 하는 과정이 없이 소모 전력이 적고 구조가 간단하다는 장점이 있다. 특히 도 1에서의 FEAs(Field Emitter Arrays) 냉음극 전자총은 마이크로미터 또는 나노미터 스케일의 전계방출이 용이한 돌출부(110)와 마이크로미터 스케일의 전극을 활용할 수 있어서 전자총을 사용하는 각종 소자의 크기를 획기적으로 줄일 수 있고, 수 볼트(Volt)의 작은 전압으로도 기변조된 전자빔(Pre-modulated electron beam)을 얻을 수 있는 등의 장점이 있다.
그리고, 탄소나노튜브를 이용한 냉음극 전자총과 MEMS(Micro Electro-Mechanical System)를 이용한 마이크로미터 스케일의 진공 트라이오드(triode)를 실리콘 웨이퍼위에 가공하는데 성공하였고, 같은 기술을 이용하여 테라헤르츠(THz) 대역에서의 초소형 진공전자소자를 개발하기 위한 연구가 진행 중이다.
그러나 이 기술은 일부 마이크로웨이브 대역에서 실험적 성공에도 불구하고 아직 해결해야 하는 문제가 많이 있다. 마이크로미터 스케일의 진공전자소자에서 전자기파 발진을 위한 전자빔의 전류밀도는 현재 FEAs(Field Emitter Arrays) 냉음극 전자총을 통해 안정적으로 얻을 수 있는 전류밀도 값보다 훨씬 높다. 이 문제는 오랜 연구에도 불구하고 아직 해결되지 않은 가장 어려운 문제 중 하나이다.
이 외에도 기존의 CRT(cathode ray tube, 브라운관)처럼 음극선 발광에 의해 작동하므로 발광 효율이 높고 시야각이 넓은 장점을 가지면서도 얇은 평판 형태가 가능한 FED(Field Emission Display), 초소형 X-ray 발생기 등 다양한 기술 영역에서 기존의 열음극 전자총을 대체하려는 노력이 활발히 진행되고 있다. 그러나 대부분 냉음극을 이용한 진공 전자소자에서와 마찬가지로 냉음극을 통해 얻은 전자빔의 물리적 특성이 기존의 열음극을 대체할 수 있을 만큼 충분하지 못하다.
현재 열음극 전자총을 이용하면 수백 keV의 에너지를 가진 전자빔을 만들 수 있으며 전류는 수백 암페어에 이른다. 그리고 열음극 표면에서 방출되는 전자빔의 전류밀도는 대략 10 A/cm2 에 이르고 있다. FEAs(Field Emitter Arrays) 냉음극 전자총은 일부 제한된 조건에서 열음극과 동일한 수준 또는 그 이상의 물리량을 가진 전자빔을 방출 할 수 있지만 구체적인 응용에 필요한 성능 조건에서 결정적인 문제들을 가지고 있는 경우가 대부분이다.
예를 들어 전자빔의 에너지를 전자기파 에너지로 변환하는 진공전자소자의 경우 마이크로웨이브 대역에서 높은 효율의 소자를 만들기 위해서는 대략 1 A/cm2 이상의 전류밀도를 갖는 전자빔을 방출할 수 있는 전자총이 요구되고 THz 대역에서는 1000A/cm2가 필요하다.
또한, FEAs 냉음극에 사용되는 대표적인 물질인 탄소나노튜브의 경우, 수 나노미터 스케일의 지름을 갖는 튜브 단면에서 30nA을 얻을 수 있어 기존의 열음극에서 얻을 수 있는 전류밀도에 비해 매우 큰 값이다.
그러나 이는 하나의 탄소나노튜브를 통해서 얻을 수 있는 값이다. 일반적으 로 탄소나노튜브를 이용한 냉음극은 총 전류를 높이기 위해서 다수의 튜브들로 구성된 음극을 이용하는데 이러한 환경에서는 전류밀도가 급격히 감소하게 된다.
전계방출의 기본 이론인 Fowle-Nordheim 관계를 통해 알 수 있듯이 많은 전류를 얻기 위해서는 냉음극과 양극 사이의 전압을 증가시키면 된다. 그러나 전압을 높이면 방전현상이 일어나거나 전자빔 전류가 시간에 따라서 심하게 변하는 등의 문제가 발생하고 일반적으로 냉음극의 수명이 크게 감소하게 된다.
따라서 안정적인 전자빔을 방출하는 FEAs 냉음극 전자총을 통해 얻을 수 있는 전자빔의 전류 또는 전류밀도는 기존의 열음극 전자총의 경우에 비해 일반적으로 매우 작다. 따라서 소형화, 경량화, 효율 향상 등 많은 장점이 기대됨에도 불구하고 냉음극을 사용한 진공전자소자는 아직 연구단계에만 머무르고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해, 발진기 내부의 FEAs 냉음극 전자총이 안정적으로 장시간 동작할 수 있는 조건에서 전자빔을 방출할 수 있도록 하고, 이 전자빔을 일차전자로 사용하는 이차전자 방출용 냉음극을 포함하여 전자증폭현상을 유도함으로써 총 전류량을 증폭시킨다. 또한, 본 발명에 따른 클라이스트론 발진기는 이차전자에 의한 전자빔의 전류증폭과 공진기의 발진을 동시에 제어할 수 있는 구조를 제공하게 된다.
본 발명에 따른 냉음극 클라이스트론 발진기의 제1 특징은 1차전자를 방출하는 냉음극(cold cathode)에 의한 전자원(electron source); 상기 전자원에서 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키는 제1그리드; 상기 제1그리드를 통과하는 전자빔을 집속 및 가속시키고, 상기 전자빔의 역학에너지의 일부를 전자기파 에너지로 변환하는 공진기를 포함하는 제2그리드; 및 상기 제2 그리드를 통과하는 전자빔을 충돌하여 2차전자를 발생시키는 2차전자 냉음극을 포함하며, 여기서 상기 전자빔의 집속 및 가속은 직류전원을 통해 이루어지는 것으로 한다.
더하여, 상기 전자원(electron source)은 전계방출구조(Field Emitter Arrays: FEAs)로 형성된 것이 바람직하고, 상기 직류전원은 상기 전자원과 상기 제1그리드 사이에 제1전압이 인가되고, 상기 제1그리드와 상기 제2그리드 사이에 제2 전압이 인가되며, 상기 제2그리드와 상기 2차전자 냉음극 사이에 제3전압이 인가되는 것이 역시 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 제3전압은 상기 제2전압과 극성이 반대이고, 그 크기가 상기 제2전압 보다 작은 것일 수 있고, 상기 2차전자 냉음극에서 1차전자와 충돌하는 부분에 MgO, GaP, GaAs, MgF2, CaF2, LiF, Al2O3, ZnO, CaO, SrO, SiO2 및 La2O3 중 어느 한 물질로 된 층이 형성된 것일 수 있으며, 상기 전자빔의 집속을 위해 전자석 또는 영구자석을 더 포함하는 것이 바람직 할 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 제2 특징으로서, 다중 냉음극 클라이스트론 발진기는 제1항의 상기 냉음극 클라이스트론 발진기의 구조를 적어도 하나 이상 병렬로 더 연결하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 제3 특징으로서, 전자파 발진 방법은 전자빔을 통한 전자파를 발진하는 방법에 있어서, 냉음극 전자원(electron source)에 의하여 1차전자를 방출하는 단계; 상기 방출된 전자빔을 제1그리드 및 제2 그리드에 의하여 집속 및 가속하는 단계; 상기 제2 그리드를 통과한 전자빔을 제2전자를 전계방출구조를 갖는 2차전자 냉음극에 충돌시켜 2차전자를 발생시켜 상기 전자빔을 증폭하는 단계; 및 상기 제2그리드에 포함된 공진기에 의해 상기 증폭된 전자빔의 역학에너지의 일부를 전자기파 에너지로 전환하여 전자파를 발진하는 단계를 포함한다.
그리고, 본 발명에 따른 제4특징으로서, 다중 전자파 발진 방법은 제9항의 전자빔 증폭방법을 이용한 구조를 적어도 2개 이상 병렬로 연결하는 다중 전자파 발진 방법을 제공한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 냉음극 전자총의 내부 구조를 예시한 도면이다. 도 5는 본 발명에 따른 클라이스트론 발진기와 대응되는 전자파 발진방법의 흐름도를 예시한 도면이다. 이하 양자를 대응시켜 상세히 설명하기로 한다.
도 2에서 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 냉음극 전자총은 전자를 발생하는 전자원(11), 전자빔을 집속 및 가속하는 제1그리드(20), 공진기를 포함하는 제2그리드(30) 및 2차전자를 발생하고 전자빔을 증폭하는 2차전자 냉음극(40)으로 구성된다. 그리고 이렇게 발생된 1차전자 및 2차전자는 전자원, 제1그리드, 제2그리드 및 2차전자 냉음극에 인가된 직류전압에 의해 가속 및 제어된다.
여기서 전자원은 전극 기판(10)에 전계방출구조(Field Emitter Arrays)(11)가 적층되어 형성되고, 제1그리드(20)와의 제1전압에 의해 전자가 방출된다. 또한 전자원은 전계방출구조(Field Emitter Arrays :FEAs)(11)로 형성된 것이 바람직하다.
전계방출(Field Emission)에 대한 이론적 배경을 설명하면 다음과 같다. 강한 전계가 가해졌을 때 평판 금속 및 반도체 표면에서 진공 중으로 전자 (cold electron)가 터널링(tunneling)한다는 것은 이미 양자역학에서 예견된 사실이었으며, 이는 전자의 가상 포텐셜(image potential)과 가해진 전계에 의한 포텐셜 에너 지의 합으로 설명될 수 있다.
특히 5 kV/㎛ 이상의 강한 전계가 표면에 가해지면 전체 포테셜이 변해 전자의 터널링(tunneling)이 가능해진다. 그러나 평면 에미터(emitter)의 FED 적용시 5 kV/㎛이하의 전장에서 대부분의 금속은 휘스커(whisker) 형성 등에 의한 진공 브레이크다운(vacuum breakdown) 등의 문제가 발생되기 쉬우므로, 전계가 높게 집중되는 첨예한 팁 구조에 대한 연구가 진행되어지고 있다.
이런 형태의 에미터(emitter)에 인가된 전계와 방출되는 전자에 의한 전류밀도는 일반적으로 Fowler-Nordheim 식으로 기술된다. 즉, 전자 터털링(tunneling) 길이 및 투과도는 에미터(emitter)의 일 함수(work function) 및 인가된 전기장과 밀접한 관계가 있다는 것을 알 수 있다.
이처럼 Fowler-Nordheim 방정식으로 기술되는 가해진 전계와 방출 전류사이의 관계는, 일반적으로 에미터(emitter)의 곡률반경, 게이트 홀 반경, 에미터 물질의 일함수가 작아지고, 게이트 전압이 커질수록, 양극 전류(anode current)가 커진다는 것이다.
이는 물질의 고유 특성인 일함수 이외의 요소들은 공정 개발 및 구조적 요소의 변형을 통해서 일정 개선될 수 있으며, 결과적으로 낮은 일함수 물질 및 대면적 미세 리쏘그라피 기술 개발과 함께 고효율의 에미터 팁을 제조할 수 있게 된다.
이처럼 전자원으로서, 에미터 팁의 개발을 통해 보다 효율적인 전자총 전자원이 될 수 있고, 전자총의 구조적 변경과 직류전원의 가변을 통해 효율적인 제어가 가능하다는 큰 장점이 있다.
전자원에서 방출(S100)되어 제1그리드(20)를 통과한 전자빔은 제1그리드(20)과 제2그리드(30) 사이에 인가된 제2전압(60)에 의해 집속 및 가속되어(S200) 제2그리드(30)를 통과하게 된다. 통과된 전자빔은 2차전자 냉음극(40)에 충돌하게 되고, 2차전자 냉음극(40) 표면에는 2차전자 방출 수율이 높은 물질을 적층하여, 하나의 냉음극으로 작용하게 되어 2차전자 방출을 유도하게 된다.
이렇게 방출된 2차전자와 전자원(11)에서 방출된 1차전자에 의해 전자빔의 밀도가 증가하게 되는 전자빔 증폭현상이 일어나게 된다.(S300) 즉, 구간 3에서 발생된 2차전자는 구간 2 까지 가속되나, 구간 3에서 인가된 제3전압(70)과 반대극성인 제2전압(60)에 의해 저지되고, 다시 1차전자와 함께 증폭된 전자빔을 형성하여, 공진기를 포함하는 제2그리드에서 이 전자빔의 운동에너지의 일부가 전자파 에너지로 전환하여 전자파를 발진하게 된다.(S400)
도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 냉음극 클라이스트론 발진기는 2차전자를 통한 증폭구조를 갖는 FEAs 냉음극 전자총에 공진기를 부가한 구조로서, 구간 2(Region 2)와 구간 3(Region 3)이 본 발명의 특징이다. 도 2에서 본 발명의 구조물의 각 치수는 전자증폭현상을 제어 및 공진기를 포함하는 전자파 발진을 제어하는 역할을 하게 된다.
제1그리드(20)와 공진기(35)를 포함하는 제2그리드(30)의 구조는 전자빔의 통과율을 결정짓는 요소인데, 제2그리드(30)의 전자빔 통과율은 이차전자에 의한 전자증폭 현상에 직접적으로 영향을 주어 전체 전자총에서 전자빔의 증폭률을 결정짓는 중요한 요소이다. 그리드(격자) 구조는 다양한 구조가 가능하고 원리상 모든 격자구조를 통해 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
또한 제2그리드(30)는 공진기(35)의 일부에 해당됨으로 진공전자소자의 발진 특성에 영향을 주게 된다. 역시 제2그리드의 격자구조는 원리상 진공전자소자에 활용되는 모든 격자구조를 통해 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 제2그리드는 2중의 격자 구조로 되어 있고, 격자의 양쪽에 공진관을 포함하는 공진기(35)가 연결되어 있다. 이러한 구조를 통하여 제2그리드(30)를 통과하는 특히, 2차전자에 의해 증폭된 전자빔의 운동에너지의 일부를 공진기에서 흡수하여 전자파 에너지로 전환하는 클라이스트론 발진형태의 구조로 구성된다.
여기서 공진기는 회전 대칭축이 있지만 공진기의 모양은 원통형, 다면체형 등 제한이 없으며 공진기의 개수에도 제한이 없다. 제1 그리드와 제2그리드는 전자빔이 통과할 수 있는 모든 형태의 패턴이 가능하고, 발진기로서의 역할 및 전자빔의 집속 및 가속의 기능을 잘 수행 할 수 있는 적절한 패턴인 것이 바람직하다.
또한 공진기(35)를 포함하는 제2그리드(30)는 전극으로서의 역할을 하게 되는데, 공진기는 제2그리드의 격자에서 돌출된 전극 구조로 되어 있는데, 이 구조는 두 가지 기능이 있다. 구간 2와 구간 3에서 전자빔을 적절히 집속하여 2차전자 방출에 의한 전자증폭현상이 원활하게 이루어지도록 하는 기능과 공진기를 발진시키는 전자빔이 발진조건에 적합한 조건을 갖도록 물리적 특성을 제어한다.
그리고, 도 2에서 2차전자 냉음극의 일면은 2차전자를 방출하는 냉음극으로 써 일반적으로 최대 2차전자 방출계수(δmax)가 큰 물질을 사용할수록 전자증폭현상이 크게 일어나지만, 도 2에서 발진기 구조의 각 치수 및 전압과 가리움 효과(Screening Effect) 또는 공간전하에 의한 반발력 등을 고려해서 최적의 2차전자 방출계수 δop가 달라질 수 있다.
여기서, 2차전자의 발생 원리는 시료표면에 조사되는 입사전자(1차전자)(Primary electron)의 에너지가 시료를 구성하고 있는 원자의 궤도에 있는 전자와 상호작용하여 궤도전자에 에너지를 전달하고, 궤도전자는 외부로 방출하는 원리를 말한다. 즉, 입사 전자빔과 시료와의 비탄성산란에 의해 발생하는 것이고, 시료표면의 굴곡 정도에 따라 방출 2차전자의 양이 다르며, 표면의 2차원적인 모양의 정보를 갖고 있게 된다.
그러므로 이차전자 방출용 냉음극은 2차전자 방출계수가 높은 MgO, GaP, GaAs, MgF2, CaF2, LiF, Al2O3, ZnO, CaO, SrO, SiO2 및 La2O3 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 그 밖에 다양한 재료를 금속 또는 전극이 형성된 실리콘 (Si) 웨이퍼 등 다양한 기판에 적층하여 만들 수가 있다.
도 2에서 나타낸 바와 같이 본 발명에 의한 클라이스트론 발진기는 최소 3개의 전압 설정이 필요하다. 제2전압(V2)(60)과 제3전압(V3)(70)은 각각 구간 2와 구간 3에 걸리는 전압인데, 제2전압(V2)(60)은 제1전압(V1)(50)에 의해 가속된 전자빔이 계속 같은 방향으로 가속되도록 하고, 제3전압(V3)(70)는 이 전자빔이 감속되도 록 한다. 제1전압 V1(50)은 구간 1(Region 1)에서 전자가 얻는 최종 에너지를 결정짓는 전압으로 구간 2에 들어 올 때 전자는 eV1의 에너지를 갖는다.
이처럼 전자빔을 제어하기 위해 인가되는 전원을 직류전원으로 하는 것이 바람직한데, 교류전원일 경우 회로의 구성이 복잡하고, 펄스형 전자빔만을 형성할 수 있다는 단점이 있는데, 직류전원을 사용하는 경우 회로 구성이 간단하고 그제어가 용이하며, 펄스형 및 연속형 전자빔 모두를 선택적으로 형성할 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 전자가 eVδ max를 가지고 이차전자 물질에 흡수될 때 일차전자에 의한 2차전자의 이득(yield)이 최대가 된다면 이차전자 방출용 냉음극(45)에서 2차전자 방출이 최대가 되기 위한 V1(50), V2(60), V3(70) 사이의 관계는 Vδ max = V1 + V2 - V3가 된다. 그리고, V2(60)는 항상 V3(70) 보다 크도록 구성되는 것이 역시 바람직하다.
이하 도 3 및 도 4는 일차전자 및 이차전자 발생 및 구간 1 ~ 3 내에서의 진행을 보여주는 개념도를 통해 본 발명의 구성 및 원리를 설명하기로 한다.
도 3은 1차전자의 전계방출 및 전자빔의 각 구간에서의 진행과 발진기 내부 구조를 나타낸 도면이다. 발진기의 FEAs 냉음극 전자원에서 발생된 1차전자빔은 구간 2에서 계속 가속된 후 구간 3에서 감속되어 일부(90)는 2차전자 방출 물질에 충돌, 흡수되어 2차전자를 방출하게 된다. 여기서, 이차전자 방출 물질에 흡수된 1 차전자빔의 전자가 갖는 에너지는 e(V1 + V2 - V3)이고 이 값은 대략 eVδ max가 되도록 한다.
제1 그리드(20)와 제2 그리드(30)를 포함한 각각의 평판의 구조는 전자빔이 적절히 집속된 상태를 유지하며 이차전자 물질에 흡수되도록 설정된다. 또한 선형전자빔의 집속을 원활히 하기 위한 전자석 또는 영구자석을 더 포함하는 것이 바람직한데, 발진기의 측면 또는 적절한 위치에 위치하여 균일한 집속 및 방향 제어에도 큰 역할을 할 수 있다는 장점이 있다.(도시하지 않음)
도 4는 1차전자를 흡수한 2차전자 방출용 냉음극에서의 전계방출에 의한 전자빔 방출과 전자빔의 구간 2와 구간 3에서의 진행 및 본 발명에 따른 전체 발진기 내부의 구조를 나타낸 도면이다.
2차전자 냉음극(40) 위치에서 발생한 2차전자(95)는 구간 3에서 전압 V3(70)에 의해서 가속되어 구간 2로 들어가는데 구간 2내에서는 V2(60) 의해 감속되고 구간 2내에서 멈춘 후 진행 방향을 바꾸어 구간 3으로 다시 들어가게 된다. (항상 V2는 V3보다 크다.) 이 때 전자총 내부구조의 각 치수 값 특히 제1 그리드(20) 및 제2그리드(30)를 포함하는 평판의 구조는 전자빔을 적절히 집속하도록 설정 되어야 하는데, V1, V2, V3 값과 전자빔의 전류 값을 포함한 모든 기학학적 구조가 영향을 미치게 된다.
그리고, 구간 2에서 구간 3에 들어오기 전에 전자빔은 다시 공진기(35)를 포 함하는 제2그리드(30)를 통과하게 되는데 적절한 조건을 만족시키면 전자빔의 운동에너지가 전자기파(37) 에너지로 변환되며 공진기를 발진시킨다. 이 발진 과정은 기존의 반사형 클라이스트론(Klystron)의 발진원리와 같다.
즉, 구간 2에서 반사되어 다시 공진기를 지나는 전자빔의 역학적 에너지의 일부가 전자기파(37) 에너지로 변환하게 되고, 도 4에 나타낸 바와 같이 공진기(35)를 외부부하와 연결하는 부위의 구체적인 구조는 생략하고, 이 공진기에서 일부 전자기파(37)가 발생되어 외부 부하와 연결되게 된다.(도시하지 않음)
또한 제2그리드(30)를 통과한 전자빔은 구간 3에서 다시 감속되어 2차전자 냉음극(40) 근처에서 거의 모든 운동에너지를 잃게 된다. 자세히 살펴보면, 일부 전자들은 2차전자 냉음극 표면에 도달했을 때 0 이상의 운동에너지를 가지고 일부는 구간 3에 들어올 때 충분한 운동에너지를 가지지 못해서 2차전자 냉음극(40)에 도달하지 못한다.
이와 같은 에너지 분포의 편차는 2차전자 냉음극(40)에서 발생한 초기 2차전자의 에너지 분포에서보다 훨씬 커지게 되는데, 이는 가리움 현상(screening effect) 및 공간전하력에 의한 퍼짐과 각각의 전극(20,30,40)에 의한 집속, 공진기(35)와의 에너지 교환 등 다양한 요인에 의해서 결정되어진다.
이처럼 에너지 분포 편차의 커짐 현상에 의해서 일부 2차전자 방출 물질에 재 흡수된 2차전자들은 또 다른 2차전자를 충분히 많이 생성할 수 있는 에너지를 가질 수 있다. 이처럼 일부 2차전자는 새로운 2차전자를 생성하는 1차전자가 될 수 있다. 원리상 이 연쇄반응은 무한히 반복되어 구간 2와 구간 3내에서의 전자의 개 수를 계속 증대시키다가 결국 주어진 회로의 조건에 따라서 일정한 값에 수렴하게 된다.
구간 3과 제2그리드(30)를 통과해 구간 2로 들어왔다가 다시 제2그리드(30)로 들어가는 모든 전자들은 공진기의 발진에 기여할 가능성이 있다. 그러나 본 발명에서 제시한 진공전자소자의 일예인 반사형 클라이스트론의 경우, 구간 1을 통해 공급된 전자빔은 공진기의 발진에 거의 영향을 미치지 않는다.
이 전자들은 단지 2차전자 냉음극(40)에 1차전자로서만 작용한다. 구간 2, 구간 3과 제2그리드(30) 사이에서, 적절한 조건에 의해서 생성된 2차전자의 개수는 일차전자의 수보다 수 ~ 수십 배 이상 크게 됨으로 가리움 현상 및 공간전하력에 의한 현상 등은 2차전자에 의한 효과가 지배적이다.
전자빔으로부터 변환된 전자기 에너지는 공진기에 누적되면서 일부는 공진기에서 소멸되고 일부는 전자빔의 속도변조에 소모되고 일부는 외부부하에 전달할 수가 있다. 이와 같이 공진기와 외부부하를 연결하기 위한 구조는 도 3에 나타난 공진기(35)의 구조와 같다. 이러한 구조는 진공전자소자의 공진기에 활용되는 일반적인 모든 방식이 활용 가능하다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 2의 구조를 기본 구조로 하는 전자총 여러 개를 병렬로 연결하면 증폭된 다중 전자빔을 (Multi-Electron Beam)을 형성하여, 그에 따른 전자파 발진 장치를 만들 수도 있다. 이렇게 병렬로 연결된 다중 클라이스트론 발진기는 도 2에서 나타난 본 발명의 일례와 동일하고, 각 구조의 치수설정과 전원의 변경으로 다양한 빔을 형성함으로써, 그에 따른 다양한 주파수 의 전자파를 발진할 수 있다.(도시하지 않음) 즉, 다양한 특성을 갖는 다중 전자빔을 생성하여 다양한 전자파를 발진 할 수 있는 고효율의 다중 전자파 발진방법을 제공하고, 그 방법을 이용하여 냉음극 다중 클라이스트론 발진기를 제공 할 수 있게 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 클라이스트론 발진기 및 그 발진방법을 제공하게 되면, 발진기의 일 구성요소로소, 냉음극 전자총은 기존의 냉음극 전자총에 이차전자에 의한 전자증폭현상을 추가함으로써 기존보다 수십 - 수백배 높은 전류밀도를 가지는 선형 전자빔을 안정적으로 방출할 수 있도록 한다.
또한 본 발명에서 제공하는 전자증폭 회로를 이용하면 일차전자를 제공하는 FEAs 냉음극에서의 전류밀도를 낮게 하면서도 최종 전자빔의 전류밀도를 높일 수 있으므로 냉음극 진공전자소자가 안정적으로 작동하는 시간을 연장시키는 효과가 있다.
이렇게 하여 증폭된 이차전자를 진공전자소자의 발진에 사용하게 됨으로 출 력 또는 발진가능한 주파수 대역을 높일 수 있고, 공진기가 전자총을 구성하는 전극과 진공전자소자의 회로의 역할을 동시에 수행함으로써, 전체 회로구성에 필요한 전극의 개수를 최소화 하고 소자의 크기를 최소화 하며, 전자빔의 이동경로를 최소화함으로써 전자빔의 손실을 줄여 소자의 전체 효율을 증대시킨다.
도 1은 종래의 냉음극 전자총의 구조를 예시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 전자증폭 회로를 부착한 냉음극과 진공전자소자를 포함하는 클라이스트론 발진기의 내부구조를 예시한 개략도,
도 3은 1차전자의 전계방출 및 전자빔의 각 구간에서의 진행과 발진기 내부 구조를 나타낸 도면,
도 4는 1차전자를 흡수한 2차전자 방출용 냉음극에서의 전계방출에 의한 전자빔 방출과 전자빔의 구간 2와 구간 3에서의 진행 및 본 발명에 따른 전체 발진기 내부의 구조를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 클라이스트론 발진기와 대응되는 전자파 발진방법의 흐름도를 예시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전극 기판, 11 : 전계방출구조(FEAs), 20 : 제1그리드, 30 : 제2그리드, 35 : 공진기 40 : 2차전자 냉음극, 50 : 제1전압, 60 : 제2전압,
70 : 제3전압
Claims (9)
1차전자를 방출하는 냉음극(cold cathode)에 의한 전자원(electron source);
상기 전자원에서 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키는 제1그리드;
상기 제1그리드를 통과한 전자빔을 집속 및 가속시키고, 상기 제1그리드를 통과한 전자빔의 역학에너지의 일부를 전자기파 에너지로 변환하는 공진기를 포함하는 제2그리드; 및
상기 제2그리드를 통과한 전자빔과 충돌하여 2차전자를 발생시키는 2차전자 냉음극을 포함하며,
여기서, 상기 제1그리드 및 상기 제2그리드를 통과하는 전자빔의 집속 및 가속은 직류전원을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉음극 클라이스트론 발진기.
제1항에 있어서,
상기 전자원(electron source)은 전계방출구조(Field Emitter Arrays: FEAs)로 형성된 것을 특징으로 하는 냉음극 클라이스트론 발진기.
제1항에 있어서,
상기 직류전원은 상기 전자원과 상기 제1그리드 사이에 제1전압이 인가되고, 상기 제1그리드와 상기 제2그리드 사이에 제2전압이 인가되며, 상기 제2그리드와 상기 2차전자 냉음극 사이에 제3전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 냉음극 클라이스트론 발진기.
제3항에 있어서,
상기 제3전압은 상기 제2전압과 극성이 반대이고, 그 크기가 상기 제2전압 보다 작은 것을 특징으로 하는 냉음극 클라이스트론 발진기.
제1항에 있어서,
상기 2차전자 냉음극에서 1차전자와 충돌하는 부분에 MgO, GaP, GaAs, MgF2, CaF2, LiF, Al2O3, ZnO, CaO, SrO, SiO2 및 La2O3 중 어느 한 물질로 된 층이 형성된 것을 특징으로 하는 냉음극 클라이스트론 발진기.
제1항에 있어서,
상기 제1그리드 및 상기 제2그리드는, 통과하는 전자빔의 집속을 위한 전자석 또는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극 클라이스트론 발진기.
제1항의 상기 냉음극 클라이스트론 발진기의 구조를 적어도 하나 이상 병렬로 더 연결하는 것을 특징으로 하는 다중 냉음극 클라이스트론 발진기.
전자빔을 통한 전자파를 발진하는 방법에 있어서,
냉음극 전자원(electron source)에 의하여 1차전자를 방출하는 단계;
상기 방출된 1차전자의 전자빔을 제1그리드 및 제2 그리드에 의하여 집속 및 가속하는 단계;
상기 제2그리드를 통과한 전자빔을 2차전자 냉음극에 충돌시켜 2차전자를 발생시켜 상기 제2그리드를 통과한 전자빔을 증폭하는 단계; 및
상기 제2그리드에 포함된 공진기에 의해 상기 증폭된 전자빔의 역학에너지의 일부를 전자기파 에너지로 전환하여 전자파를 발진하는 단계를 포함하는 전자파 발진 방법.
제8항의 전자파 발진 방법을 이용한 구조를 적어도 2개 이상 병렬로 연결하는 다중 전자파 발진 방법.
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