KR20180059579A - 전자 결합 변압기 - Google Patents

Abstract

입력 펄스의 증폭 버전으로서 고전압 출력 펄스를 생성하는 전자 결합 변압기는, 주축을 따른 중앙 애노드 및 상기 애노드로부터 방사상으로 이격된 그리드와 캐소드를 가지는 원통형 3극 진공관(triode) 전자 튜브를 포함한다. 애노드는 단지 직접 접지된 하나의 단부 및 접지에 대한 직접 연결부로부터 절연된 다른 단부를 가진다. 캐소드 및 그리드는 트랜스버스 일렉트릭 모드(Transverse Electric Mode)에서 접지 전위의 파를 생성하는 진행파 전자총(traveling wave electron gun)을 형성한다. 캐소드 및 그리드는, 그리드가 펄스와 접지될 때, 전자의 방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파를 형성하여, 입력 펄스의 증폭 버전이 되는 크기를 가지는, 애노드의 다른 단부에서의 전압 출력 펄스가 캐소드에 인가되도록 하며, 광속으로 애노드를 따라 파로서 스위핑된다.

Description

전자 결합 변압기{ELECTRON-COUPLED TRANSFORMER}

우선권

본 출원은 2006년 5월 30일자에 출원된 "제어된 핵융합 반응을 위한 방법 및 장치"라는 제목의 미국 가특허출원 제60/809,453호 및 2007년 5월 29일자에 출원된 커티스 에이. 버른바흐(Curtis A. Birnbach)에 의한 "제어된 핵융합 반응을 위한 방법 및 장치"라는 제목의 미국 특허출원 제11/754,928호의 우선권을 주장한다. 전술한 출원들은 그 전체 내용이 참고로 본 출원 명세서에 포함된다.

발명의 분야

본 발명은 전자 결합 변압기에 관한 것이다.

전압 출력을 제공하기 위한 변압기가 공지되어 있다. 예를 들면, 자기 선형 가산 변압기(Magnetic Linear Adder Transformer)와 같은 고속 변압기는, 일단이 접지에 연결되고 타단이 고전압 출력 단자가 되는, 1차 회로(secondary), 예를 들어 "줄기부(stalk)"를 포함한다. 일련의 환상 1차 회로들(Toroidal primaries)이 줄기부에 적층된다. 각각의 1차 회로의 펄스는 2차 회로에서의 에너지(전압)에 추가된다.

자기 선형 가산 변압기의 단점은, 이들이 너무 큰 펄스로 구동되는 경우에, 환형 1차 회로가 포화 상태가 되어, 필드를 감쇄시킨다는 것이다. 이것은 이런 형태의 변압기로부터 추출할 수 있는 에너지의 양을 제한한다. 추가 단점은 얻어지는 펄스가 매끄러운 선단(smooth leading edge)이 아니라 "계단(staircase)" 선단을 갖는다는 것이다.

따라서, 전술한 포화의 문제 및 "계단" 패턴을 가지는 펄스의 선단을 방지하는, 고전압 생성용 변압기를 제공하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명은 입력 펄스의 증폭 버전으로서 고전압 출력 펄스를 생성하는 전자 결합 변압기를 제공하는데, 전자 결합 변압기는 주축을 따른 중앙 애노드 및 상기 애노드로부터 방사상으로 이격된 그리드와 캐소드를 가지는 원통형 3극 진공관(triode) 전자 튜브를 포함한다. 애노드는 단지 직접 접지된 일단 및 접지에 대한 직접 연결부로부터 절연된 타단을 가진다.

캐소드는 캐소드 피드스루(feedthrough)를 통하여 상기 입력 펄스를 받는다. 캐소드는 전압기의 1차측을 형성하고 애노드의 2차측은 변압기의 2차측을 형성한다. 캐소드 및 그리드는 진행파 전자총(traveling wave electron gun)을 형성하며, 진행파 전자총은 원형 도파관 구조를 형성한다. 진행파 전자총은, 그리드가 위상 정합 네트워크를 통하여 접지되었을 때, 트랜스버스 전자기 모드(Transverse Electromagnetic Mode)로 접지 전위의 방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파(radially symmetric collapsing travelling wave)를 생성하여, 상기 방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파가 전자빔을 캐소드에서 애노드로 흐르게 하여 애노드의 타단에 전압 출력 펄스가 나오게 유도하며, 그 크기가 캐소드에 인가되는 상기 입력 펄스의 증폭된 버전이다. 캐소드 및 그리드는, 적어도 캐소드와 그리드의 분산 전극간 정전용량(distributed interelectrode capacitance)에 포함된 에너지가 전자 결합 변압기를 펌핑하도록 구성되어, 상기 에너지가 상기 입력 펄스에 의하여 제공된다.

상기 전자 결합 변압기는 유익하게 전술한 자기 선형 가산 변압기와 관련된 포화 및 "계단" 펄스 선단 문제를 방지한다.

본 발명의 다른 이점 및 특징들은 도면과 함께 상세한 설명의 읽기로부터 분명해질 것이다.

도 1a 및 도 1b는, 각각, 전자 결합 변압기가 유도되는(derived), 기본적인 유도 X-선 이미터(SXE ; Stimulated X-ray Emitte) 에너지 드라이버의 단순화된 단면도 및 측단면도이다.
도 2a는 도 1a 및 도 1b의 SXE와 함께 이용되는 그리드 및 위상(phase) 정합 네트워크의 사시도이다.
도 2b는 도면에서 "도 2b-도 2b"로서 표시된 단면을 보여주는 도 2a의 그리드 및 위상 정합 네트워크의 도면이다.
도 2c는 도 2a의 위상 정합 네트워크의 개략적인 다이어그램이다.
도 3은 도 1에 따른 SXE의 커패시터 강화형 버전의 사시도이다.
도 4는 전자 결합 변압기의 길이에 따른 단면도이다.
도 5는 도 4의 전자 결합 변압기의 일반적인 파를 나타낸 것이다.
도 6은 결합된 SXE-버캐토르(Vircator) 드라이버의 길이에 따른 단면도이다.
도 7은 도 6의 버캐토르 RF 헤드의 길이에 따른 부분 단면도이다.
도 8은 결합된 SXE-MILO(자기 절연된 선형 발진기 ; magnetically insulated line oscillator) 드라이버의 길이에 따른 단면도이다.
도 9는 도 8의 MILO RF 헤드의 길이에 따른 부분 단면도이다.
도 10a는 도 8의 MILO RF 헤드에서 이용된 드리프트 튜브(Drift Tube)의 길이에 따른 단면도이고, 도 10b는 "도 10b"로 명명된 도 10a내의 원형 영역의 확대도이다.

도면 참조 번호의 리스트, 이들이 관련된 부품 및 그 부품을 위해 선택된 재료는 바람직한 실시예에 대한 설명의 말미에서 볼 수 있다.

도 1a와 도 1b는, 미국특허 제4,723,263호에서 본 발명의 발명자에 의해 처음 기술된 바와 같은, 기본적인 SXE 에너지 드라이버의 단면도이다. 도 1a는 단면도이고, 도 4b는 측단면도이다. 도면에 애노드(64), 그리드(66) 및 캐소드(68)이 나타나 있다. SXE는 3극 진공관 전자튜브이며, 캐소드(68)과 그리드(66)로 구성된 새로운 전자총 구조를 하고 있다. 이러한 요소들의 병렬 배치는 원형 도파로를 형성하고 있는 것과 같다. 원형 도파로는 진공에서 광속 "c" 로 전파되는 트랜스버스 일렉트릭 모드(TEM)를 지원한다. 이러한 성질은 전자선(electron beam)이 화살표로 나타낸 것처럼 애노드를 광속으로 지나가고 따라서 파의 위상 속도(phase velocity)와 군 속도(group velocity)가 일치하는 것을 보장한다는 점에서, SXE의 기능에 있어 중요하다. 이것은 감쇄 진행파(collapsing traveling wave)로 알려져 있다. 이것은 광(beam)에 의해 형성된 x-선이 항상 고도로 이온화된 영역(ionized zone)을 지나가고, 따라서 자기 흡수(self-absorption) 과정에 의해서 흡수되지 않음을 보장한다는 점에서, x-선 형성 과정에서 중요하다.

SXE와 청구된 전자 결합 변압기(ECT : Electron-coupled Transformer) 사이의 상호 관계는 다음과 같다. ECT는, 펄스가 입력 펄스의 증폭 버전(amplified version)이 되는, 펄스 증폭 장치이다. ECT는 전술한 SXE의 신규한 전자 튜브의 유도체(derivative)이다. SXE의 제1 단부가 직접 접지되고 제2 단부가 접지에 대한 직접 연결부로부터 절연되는 경우에, 고전압 펄스가 생성될 수 있다. 입력 펄스가 캐소드 내로 주입될 때, 출력 펄스가 애노드 출력에서 나타난다. 유도 X-선 방출의 발생에 사용될 때, SXE의 애노드는 중공(hollow)이고 레이저 물질(lasing material)로 채워진다. 유도 X-선 방출이 요구되지 않는다면, 애노드는 고체일 수 있다. 그러나, SXE는, SXE의 제1 단부를 직접 접지하고 제2 단부를 접지에 대한 직접 연결부로부터 절연시킴으로써, 동시에 유도 X-선 방출을 보여주고 고전압 펄스를 생성하는 ECT 원리를 보여줄 수 있다.

그리드 구조(도 2에서 상세히 서술함)는 매우 대칭적이다. 이것은 애노드를 향하는 파의 감쇄가 완벽하게 대칭적이 되도록 보장한다.

이제, 도 2a, 2b, 2c를 참조하면, 이런 도면들은 도 1a 및 도 1b에 따른 SXE의 그리드와 위상 정합 네트워크를 상세히 보여 준다. 도 2a는 전체적인 그리드-위상 정합 네트워크와 그리드 절연(insulation)의 상세를 나타낸다. 이 두 요소들은 실제로는 하나의 구조의 일부이다. 도 2b는 선호되는 그리드 텐셔닝(tensioning) 및 절연 장치의 상세도이다. 도 2c는 위상 정합 네트워크의 전기 개략도이다. 그리드에 대한 설계 요구는 진행파 전자총(TWEG : Traveling Wave Electron Guns)과 함께 모든 진공관에 공통으로 적용되었다. 진공관의 크기와 파전력 레벨이 어떻게 설계되든지, TWEG가 동작하기 위해서는 다음의 특성을 공통적으로 가져야 한다.

진행파 전자총(TWEG)은 트랜스버스 일렉트릭 모드(TEM : Transverse Electric Mode)를 지지하는 원형 도파로 구조를 만들기 위해 그리드(66)와 캐소드(68)의 가까운 병렬배치를 이용한다는 점에서 독특한 구조이다. 원형 도파로 내의 트랜스버스 일렉트릭 모드는 항상 진공에서 광속 "c"의 속도로 진행한다. TWEG의 극도로 빠른 라이즈타임(risetime)(전자총 길이의 각 피트 또는 30.48센티미터에 1 나노초)이 이런 TWEG의 특징으로 설명된다.

또한, 그리드는 캐소드로부터 전자를 뽑아내는데 필요한 전기장을 만드는데 그리고 그러한 전자의 흐름을 제어하는데 이용된다. 이것은 캐소드에 대하여 선택적으로 그리드에 바이어스(bias)를 가함으로써 달성된다. 스위칭 및 변조 기능은 진공관에 적절한 바이어스를 가함으로써 얻어진다.

TWEG 구조에서의 그리드를 설계할 때 반드시 충족해야 하는 다음과 같은 몇 가지의 조건이 있다.

(1) 그리드-캐소드 간격은 그리드의 전체 길이에 걸쳐서 일정해야 한다. 이것은 통상 그리드를 높은 장력(high tension) 하에 배치하거나 또는 그리드를 단단한 구조로 만듦으로써 가능하다.

(2) 그리드 내의 각 요소들의 갯수는 그리드-캐소드 영역에서의 일정하고 균일한 전기장을 보장하도록 충분히 많아야 한다.

(3) 그리드 구조의 어디에서나 날카로운 끝단 또는 버(burs)가 없어야 한다. 개별 요소들은 둥글고, 평평하거나 또는 높은 종횡비(aspect-ratio)를 갖는 타원 형태일 수 있다. 모든 끝단은 완전한 반경형(fully radiused)이어야 한다. 여기서, "완전한 반경형"은 논의되는 끝단이 그 물체의 두께의 절반과 같은 반경을 가짐을 의미한다. "완전한 반경형"의 예는 도 10a에서 125로 보여진다.

이러한 설계 법칙의 실제적 수행은 그리드의 크기에 의해 결정된다. 그리드는 하나의 조각으로부터, 또는 어느 한 끝단(130, 132)에, 아크(arc)를 방지하기 위한 적절한 절연기(136, 140) 그리고 그리드 구조의 장력을 유지하는 수단과 함께 제공되는, 링(ring)을 놓음으로써 한정되는 일련의 개별 요소로부터 제작될 수 있다. 우선 실시예에서, 각 그리드 요소는 무거운 스프링(146), 와셔(washer, 148) 그리고 너트(150)의 형태로 된 장력 유지 수단과 함께 제공된다. 다양한 그리드 요소 중에서 너트는 모든 요소들 균일한 장력을 갖도록 토크 렌치 (torque wrench)로 조인다.

그리드의 입력단으로 연결되는 위상 정합 네트워크(134, 136))를 이용하여 그리드는 전기적으로 연결된다. 위상 정합 네트워크는, +/- 0.0005" (+/- 12 미크론)의 허용 오차를 갖는, 정확히 동일한 길이의 일련의 전선들(134)로 구성된다. 이 위상 정합 네트워크의 각 전선은 두 개의 인접한 그리드 요소로부터 같은 거리의 지점에서 아래의 그리드 지지 링(132)으로 연결된다. 다수의 위상 정합 네트워크 전선들이 그리드 지지 링 주위에 대칭으로 배열되어 있다.

위상 정합 네트워크 전선들의 다른 한 끝은 공통(common) 연결 요소(136)에 연결되어 있다. 이 공통 연결 요소의 한 끝에는 위상 정합 네트워크 전선들의 수만큼의 개구가 형성되어 있고, 다른 편 끝에는 한 개의 개구가 있다. 전선은 이 개구에 붙어서, 그리드 진공 피드스루(feeddthrough)를 관통한다. 전선들은 은납땜(silver soldered)되거나, 텅스텐-불활성 가스(tungsten-inert gas method: TIG)에 의해 용접(welded)된다. TIG 용접은 항상 가능하지는 않으나 선호되는 방법이다.

이러한 위상 정합 네트워크의 목적은 그리드의 전체 베이스가 제어 신호에 대해 피코(pico) 초의 범위 내에서 정확하게 동시에 반응하도록 하기 위한 것이다. 이것은 TWEG 구조에서 전파하는 고도의 대칭파(symmetrical wave)를 초래한다. 이런 접지 전위(grounded potential)의 파는, 그리드-캐소드 사이의 갭(gap)에 축적된 에너지와 그리드에 이용가능한 에너지가 애노드로 전파되도록 하는 효과를 가지며, 이러한 신호의 전도(conduction)를 초래한다. 그리드가 위상 정합 네트워크를 통하여 접지(grounded)되어 있으면, 방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파가 형성되어, TWEG 구조의 길이를 따라서 전파된다.

SXE의 에너지 저장 개선

도 3은 SXE 드라이버의 구조에 직접 집적되는 에너지 저장 커패시터(capacitor)(70)의 이용으로 개선된 SXE 드라이버의 사시도를 보여준다.

커패시터의 전체 내부 표면은 캐소드에 전기적 접촉이 잘 되도록 접착되어 있다. 또한 커패시터는, 반응에 필요한 에너지의 저장에 요구되는 정전용량을 제공하는데 적당한 직경을 가질 때까지, SXE 드라이버 주위에 감겨진다.

캐소드-그리드 전극간 공간은 그 자체로 커패시터이며, 상당량의 에너지를 저장한다. 3 인치(75㎜) 직경 구조는 대략 피트(30.48㎝) 당 200 피코(pico) 패럿(farad)을 저장한다. 2 피트(61㎝) 직경의 장치는 피트(30.48㎝) 당 대략 1.6 나노 패럿을 저장하며, 만일 500,000 볼트로 구동되면 캐소드-그리드 사이에 약 4 킬로 주울의 에너지가 저장된다.

전자 결합 변압기

도 4는 전자 결합 변환기의 단면도를 나타낸다. 전자 결합 변압기(ECT)는 SXE의 신규한 전자 튜브의 유도체이다. ECT는 펄스 증폭 장치이다. 이것은 SXE와 같이 동일한 형식의 전자건 즉, 캐소드(38) 및 그리드(66)를 이용한다. 차이점으로는 애노드(64)의 설계 및 배치가 있다.

SXE에 있어서, 애노드는 둥근형상의 중공이며 레이저 물질로 채워진다. 입력단(도 4에서 좌측 하부)은 항상 접지에 연결되어 있다. 본 발명의 발명자는 기본 SXE 구조가 "선형 가산 변압기"로 알려진 고속 변압기의 등급과 매우 유사함을 깨달았다. 이 장치에 있어서, 2차 회로는 일단이 접지에 부착되고 타단이 고압 출력단에 부착된 "줄기부(stalk)"이다. 일련의 환상 1차 회로가 줄기부에 적층된다. 이들은 순차적으로 펄싱되고, 펄스 간의 시간은 줄기부로의 펄스의 전파 시간과 동일하다. 각 2차 회로의 펄스는 2차 회로에서의 에너지(전압)에 추가된다.

자기 선형 가산 변압기의 단점은, 이들이 너무 큰 펄스로 구동되는 경우에, 환형 1차 회로가 포화 상태가 되어, 필드를 감쇄시킨다는 것이다. 이것은 이런 형태의 변압기로부터 추출할 수 있는 에너지의 양을 제한한다

본 발명의 발명자는 선형 가산-변압기와 SXE 간에는 상당한 유사성이 있음을 깨달았다. 그들 모두는 "줄기부"에 통합된다. 양자는 순차 구동 기구를 이용하지만, SXE는 그의 냉간 캐소드의 큰 전류 처리 용량으로 인해서 훨씬 큰 전류 처리 용량을 갖는다. 초기의 SXE 실험에 있어서, 애노드의 양단은 접지되어 아무런 고전압이 관찰되지 않았다. 실험은 SXE의 버전이 단지 일단만 접지되고 타단은 상당히 절연되어 구축된 2006년 말에 실행되었다. 이 테스트에는 고체 애노드(도 4의 64)가 이용되었다. 펄스는 캐소드에 인가하였고, 애노드 출력을 측정하였다. 선형 가산 전압기와 ECT 간의 최종 차이는 선형 가산-변압기에 있어서, 1차 회로가 분리된 별개의 실체라는데 있다. 결과적으로 펄스는 "계단식" 최선단을 갖는다. ECT는, 그의 바람직한 실시예에 있어서, 연속적인 1차 회로(캐소드)를 가짐으로써, 그의 펄스에 대해 원활한 최선단을 갖는다. ECT는 자기 코어의 부족으로 인해서 선형 가산기 보다 훨씬 가볍다. 100KV 100KA ECT는 200파운드(90.7Kg) 덜 나간다.

도 5는 상술한 테스트의 결과를 나타낸다. 입력 펄스(86)와 출력 펄스(84)는 고속 오실로스코프 상에서 동일한 전압 분할기로 측정하였다. 출력 펄스는 입력 펄스보다 몇배 더 크며, 그로 인해 ECT의 작동적인 개념을 변화시킨다.

도 4를 참조하면, ECT가 SXE(도 1)의 형태와 거의 동일하지만, 치수, 애노드, 및 출력은 다르다는 것을 알 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, ECT는 Glass Vaccum Envelope(유리 진공 밀폐체)(76)에 의해 감싸져 있다. 출력단에는 튼튼한 고전압 절연체(80)가 있는데, 이것은 외부에 일정한 임피던스 전기 접속을 제공한다. 그리드 및 캐소드 신호는 각각, 관통접속단자(74, 72)를 통해 공급된다. 전체 장치는 형성되는 횡방향 방사장을 포함하는 리드 방사 차폐체(78)에 감싸져 있다. 차폐체(78)의 두께는 캐소드 전압의 기능을 하며, 방사 안전 차폐의 결정을 위한 통상적인 수단에 의해 계산한다.

양자 모두 "SXE의 에너지 저장 향상" 에서 상술한 동축 커패시터 에너지 향상 방식을 이용하여 실현 가능하며 실용적임을 주목해야 한다.

결합 SXE & RF 에너지 드라이버

도 6은 RF 발생수단에 결합된 SXE를 나타내고, 도 7은 RF 발생수단을 나타낸다. 특히, 가상 캐소드 오실레이터(버캐토르)로 일반적으로 알려진 분리관이 도 7에서 SXE의 출력단(우측에 도시) 상에 장착된다. 이 구성에 있어서, SXE 프로세서에 의해서 생성되어 가상 캐소드 오실레이터의 캐소드(90)에 직접 인가되는 고전압 펄스를 이용하는 전자 결합 변압기(ECT) 원리의 이점을 취하였다. 가상 캐소드 오실레이터 몸체는 캐소드의 방전시에 발진하는 공명 공동(98)을 형성한다. 그리드(92)는 가상 캐소드 오실레이터의 방전을 제어한다. 제어 신호는 SXE의 그리드의 출력단자(142)로부터 얻어지는데, 이것은 위상 정합 네트워크의 타단에 위치한다. 트리거 펄스는 SXE 그리드의 순회파 작용의 결과로서 가상 캐소드 오실레이터에 순차적으로 가해진다. 캐소드 및 그리드는 그들의 중앙에 x선 펄스를 전파하는 개구를 갖는다.

상술한 시스템의 신규성은 그들 스스로 알려진 2가지 기술, 즉 직접 x선 구동 및 RF 가열의 결합에 있으며, 그로 인해 증가된 시스템 효율을 실현할 수 있다. 이 개념은 SXE가 이것의 이용여부에 관계없이 고전압 DC 펄스를 생성하기 때문에 실용적이다. 그러나, RF 히터를 채용하지 않으면, SXE 출력은 접지되며, 아무런 고전압 DC 펄스는 발생하지 않는다. 다음에 전기 에너지는 접지로 복귀하는 전류 펄스 형태로 시스템을 떠난다. 그러나, HVDC 펄스를 이용할 수 있기 때문에, 이것의 이용을 가능케 하며, 이것는 x선 출력에 영향을 주지 않는 것을 이용하므로 실용적이다.

도 7은 가상 캐소드 오실레이터 RF 헤드의 단면도를 나타낸다. 원리적인 구성요소는 캐소드(90), 그리드(92), 메쉬 애노드(94), 공명 공동(98), 및 출력 윈도우(96)이다. 구동 펄스는 SXE(12)의 애노드으로부터 직접 나오는데, 이것은 캐소드 접속관통단자(102)를 통해서 가상 캐소드 오실레이터의 캐소드에 직접 부착된다. 가상 캐소드 오실레이터는 SXE 그리드(142)로부터의 출력 신호에 의해 트리거된다. 가상 캐소드 오실레이터가 트리거되면, RF 에너지의 일부는 공명 공동(98) 내의 발진에 의해서 형성된다. 이 에너지는 공동(98)의 치수에 의해 결정되는 스펙트럼 분포를 갖는다. 특히, 이 에너지는 200㎒ 내지 2.5㎓ 사이이다. 에너지는 가상 캐소드 오실레이터를 빠져나와 출력 윈도우(96)에 의해 목표 챔버(10)로 들어간다. 가상 캐소드 오실레이터는 시스템의 작동 성능을 증가시키기 위해 SXE(12)에 결합될 수 있는 RF 소스의 한 가지 타입니다. 가상 캐소드 오실레이터의 캐소드(90)은 SXE로부터의 x선 펄스가 목표 챔버(10) 내로 통과하는 개구부(93)를 그의 중앙에 갖는다.

도 8은 SXE의 출력단(우측에 도시)에서 자기적으로 절연된 선형 오실레이터(MILO)와 결합된 SXE의 단면도를 나타낸다. MILO는 고전압 RF소스로도 잘 알려져 있다. 커다란 차이는 가상 캐소드 오실레이터보다 훨씬 높은 주파수를 생성할 수 있는데 있다. 구조적으로, 주요한 차이는 도 10a의 드리프트 튜브(drift tube)(122)를 포함하고, 가상 캐소드 오실레이터의 평탄 캐소드(90) 및 그리드(92) 대신에 순회파 전자건(TWEG)의 이용에 있다. 공명 공동(98)을 구비하며, 드리프트 튜브(도 10a의 122)의 치수와 관련한 그의 치수는 출력 범위를 결정한다. 통상적인 MILO 장치는 300㎒ 내지 3.5㎓ 사이의 출력을 갖는다. 본 발명의 발명자는 도 10b에 도시한 바와 같이, 드리프트 튜브(도 10a의 122)의 내부면 상에 접촉면을 위치시킴으로써 실험적으로 변형시켰으며, 이것은 매끄러운 개구의 드리프트 튜브(122)로부터 얻을 수 있는 것보다 높은 주파수에서 RF를 발생하는 것이 가능하다. 이 RF의 소스는 접촉면(123)과 관련 전자 빔의 상호작용으로 기술되는 스미스-퍼셀 효과(Smith-Purcell Effect)로 인한 것이다. THz 범위에서의 출력이 가능하다. 접촉면은 여러 가지 방법으로 형성할 수 있다. 공간, 대면각 및 접촉 기하학은 모두 얻어진 주파수(도 10b)에서 결정된다. 드리프트 튜브의 바람직한 실시예에 있어서, 접촉은 도 10a 및 10b에 도시한 바와 같이, 내부 나사에 의해 결정된다. 나사의 인자를 변경함으로써, 출력 주파수는 변경된다. 드리프트 튜브(125) 단부의 반경은 공명 공동(98) 내부의 바람직하지 않은 전기장 섭동의 형성을 최소화하도록 형성된다.

SXE-MILO 드라이버의 밸런스는 SXE-가상 캐소드 오실레이터의 밸런스와 동일하다. 실제로, RF 헤드 가상 캐소드 오실레이터 및 MILO는 상호 교환가능하다. SXE-가상 캐소드 오실레이터의 경우에서와 같이, MILO의 TWEG는 x선이 지나는 중공 중심공을 갖는다. TWEG로부터의 전자 출력은 드리프트 튜브(122)에 의해 압축되며, 공명 공동(98)에서 발진한다.

본 발명에 따르면, 전술한 것은 자기 선형 가산 변압기에 고유한, 포화의 문제 및 "계단" 패턴을 가지는 펄스의 선단을 방지하는 전자 결합 변압기를 설명한다.

본 발명은 도면의 도시를 통해 특정 실시예에 대해서 기술하였으나, 많은 수정예 및 변경예가 당업자에게 가능할 것이다. 따라서, 첨부한 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 및 사상을 벗어나지 않는 범위내에 있는 한 그러한 모든 수정예 및 변경예를 포함하도록 의도되어 있음을 이해해야 한다.

[부호의 설명]

도면 참조번호

다음의 도면 참조번호 리스트는 3개의 칼럼을 갖는다. 제 1칼럼은 도면 참조번호를 포함하고; 제 2칼럼은 참조번호와 관련된 부품을 특정하며; 제 3칼럼은 부품에 대한 (적용가능한) 바람직한 물질을 언급한다.

참조번호 리스트 바람직한 물질

62 쇠퇴 순회파 전자기파

64 애노드 내화금속; Hi-Z

66 그리드 내화금속

68 캐소드 흑연(바람직한 실시예)

70 동축 커패시터 유전체/금속층

72 캐소드 관통공급 세라믹&금속

74 그리드 관통공급 세라믹&금속

76 유리 진공 밀폐체 유리(세라믹. 스테인리스 스틸)

78 방열 차폐체 납

80 애노드 출력 절연체 세라믹

84 ECT 입력파 n/a

86 ECT 출력파 n/a

90 버캐토르 캐소드 흑연

92 버캐토르 그리드 내화금속

93 버캐토르 캐소드 내의 개구부 n/a

94 애노드 메쉬 내화금속

96 출력 윈도우 RF 투명 저급-Z 세라믹

98 공명 원형 공동 스테인리스 스틸 또는 구리

100 장착 플랜지 스테인리스 스틸

102 캐소드 관통공급 세라믹&금속

104 캐소드 서포트 내화금속

106 그리그 관통공급 세라믹&금속

108 그리드 서포트 내화금속

110 게터 펌프 n/a

112 게터 펌프 관통공급 세라믹&금속

114 MILO 캐소드 흑연

116 MILO 캐소드 서포트 내화금속

118 MILO 그리드 내화금속

120 MILO 그리드 서포트 내화금속

122 드리프트 튜브 내화금속

124 드리프트 튜브 서포트 세라믹

125 드리프트 튜브와 방사단 내화금속

126 내부 애노드 절연체 세라믹

128 그리드 절연체 세라믹

130 상부 그리드 지지링 스테인리스 스틸

132 하부 그리드 지지링 스테인리스 스틸

134 위상 정합 네트워크 선 스테인리스 스틸

136 위상 정합 네트워크 커넥터 스테인리스 스틸

138 내부 애노드 절연체 세라믹

140 위상 정합 네트워크단 절연체 세라믹

142 그리드 출력단자 내화금속

144 그리드 관통공급용 와이어 세라믹&금속

146 그리드 인장 스프링 스테인리스 스틸

148 와셔 스테인리스 스틸

150 헥스 너트 스테인리스 스틸

152 위상 정합 네트워크 절연체 세라믹

Claims (4)

1. 입력 펄스의 증폭 버전으로서 고전압 출력 펄스를 생성하기 위한 전자 결합 변압기에 있어서,
   a) 튜브의 주축에 따르는 중앙 애노드 및 상기 애노드로부터 방사상으로 이격된 그리드와 캐소드를 갖는 원통형 3극(triode) 전자 튜브를 포함하고,
   상기 애노드는 직접 접지되는 제1 단부 및 접지에 대한 직접 연결부로부터 절연되는 제2 단부를 가지며, 상기 캐소드는 캐소드 피드스루를 통하여 상기 입력 펄스를 받으며 전자 결합 변압기의 1차 회로를 형성하고, 상기 애노드의 제2 단부는 전자 결합 변압기의 2차 회로를 형성하며;
   b) 캐소드 및 그리드가 진행파 전자총를 구성하며; 진행파 전자총은 원형 도파관 구조를 형성하여, 그리드가 위상 정합 네트워크를 통하여 접지되었을 때, 진행파 전자총을 구성하여 트랜스버스 전자기 모드(Transverse Electromagnetic Mode)에서 접지 전위의 방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파를 발생하며 상기 접지 전위의 방사상으로 대칭적인 감쇄 진행파는 전자 빔이 캐소드에서 애노드로 진행하여 전압 출력 펄스가 상기 애노드의 제2 단부에 발생하게 하며, 그 크기가 캐소드에 주입된 입력 펄스의 증폭된 버전이며;
   c) 캐소드와 그리드가 구성되어 최소한 캐소드와 그리드의 분산 전극간 정전 용량내에 포함된 에너지가 전자 결합 변압기를 펌프하며, 상기 에너지가 상기 입력펄스에 의하여 공급되는 것을 특징으로 하는 전자 결합 변압기.
2. 제1항에 있어서,
   추가적인 에너지가 전자 결합 변압기에 이용가능하도록 상기 캐소드의 외부 표면상에 동심원으로(concentrically) 감겨지는 동축 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 결합 변압기.
3. 제1항 또는 제2항의 전자 결합 변압기와,
   가상 캐소드 오실레이터의 결합체에 있어서,
   상기 전자 결합 변압기의 그리드는 상기 전자 결합 변압기의 제1 종방향 단부에서 위상 정합 네트워크에 부착되며;
   상기 가상 캐소드 오실레이터는 상기 전자 결합 변압기의 제2 종방향 단부에 부착되고,
   상기 전자 결합 변압기로부터의 고전압 출력 펄스를 수신하는 캐소드; 및
   상기 전자 결합 변압기의 제2 종방향 단부에 배치된 상기 전자 결합 변압기의 그리드의 단부로부터 제어 신호를 수신하여, 상기 가상 캐소드 오실레이터의 방전을 제어하기 위한 그리드를 포함하며,
   상기 가상 캐소드 오실레이터는, 상기 그리드가 상기 제어 신호를 수신할 때, RF 에너지의 버스트를 제공하는 것을 특징으로 하는 전자 결합 변압기와 가상 캐소드 오실레이터의 결합체.
4. 제1항 또는 제2항의 전자 결합 변압기와,
   자기 절연된 선형 발진기(MILO)의 결합체에 있어서,
   상기 전자 결합 변압기의 그리드는 상기 전자 결합 변압기의 제1 종방향 단부에서 위상 정합 네트워크에 부착되며;
   상기 자기 절연된 선형 발진기는 상기 전자 결합 변압기의 제2 종방향 단부에 부착되고,
   상기 전자 결합 변압기로부터 고전압 출력 펄스를 수신하는 캐소드; 및
   상기 전자 결합 변압기의 제2 종방향 단부에 배치된 전자 결합 변압기의 그리드의 단부로부터 제어 신호를 수신하여, 상기 자기 절연된 선형 발진기의 방전을 제어하기 위한 그리드를 포함하며,
   상기 자기 절연된 선형 발진기의 그리드가 제어 신호를 수신할 때, 상기 자기 절연된 선형 발진기는 RF 에너지를 제공하는 것을 특징으로 하는 전자 결합 변압기와 자기 절연된 선형 발진기(MILO)의 결합체.

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