KR20200053509A - 내부 변조를 가진 마그네트론 rf 소스를 사용한 펄스 전력 생성 - Google Patents

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Abstract

시스템은 하나 이상의 마그네트론을 사용해서, 가속 캐비티에 전력을 공급하기 위한 것인 등의, 펄스 무선 주파수(RF) 전력을 생성한다. 하나 이상의 마그네트론은 각각이 자가 여자 임계 전압을 갖고 있으며, 이 자가 여자 임계 전압보다 낮은 전압으로 직류 전원에 의해 전력이 공급될 때, 펄스 RF 전력을 생성하도록 펄스 RF 입력 신호를 이용해서 내부 변조를 통해 동작하도록 구성된다.

Description

내부 변조를 가진 마그네트론 RF 소스를 사용한 펄스 전력 생성
우선권 주장
본 출원은 U.S.C.§ 119(e) 하에서 2017년 8월 28일에 출원된 미국 가특허 출원 제 62/551,066 호 "HIGH-POWER PULSED MAGNETRON TRANSMITTER WITH INTERNAL HIGH VOLTAGE MODULATION"의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
기술 분야
이 문헌은 전반적으로 무선 주파수(RF) 전력 생성에 관한 것이고, 보다 상세하게는 출력 전력의 내부 펄스 변조를 가진 마그네트론 송신기에 관한 것이다. 응용예는 예를 들어, 강도-프론티어 펄스 가속기(intensity-frontier pulsed accelerator)의 초전도 RF(SRF) 캐비티(cavity)의 전력 공급을 포함할 수 있다.
최근의 강도-프론티어 초전도 펄스 가속기는, SRF 캐비티의 가속 필드의 위상 및 진폭 불안정성을 각각 1도 및 1% 미만으로 하는 것을 지원하기 위해서, 수십 킬로와트의 평균 전력으로 최대 수백 킬로와트까지의 펄스 전력을 가진 무선 주파수(RF) 소스를 필요로 한다. 마이크로포닉, LFD(Lorentz Force Detuning) 및 빔 로딩의 유해한 영향에 대한 보상은, 가속 필드 안정성을 요구되는 레벨로 지원하는 유동적인 위상 및 전력 제어에 의해서 제공된다. 이러한 제어를 성공적으로 구현하기 위해서는, RF 송신기의 충분히 넓은 대역폭이 필요하다.
클라이스트론, IOT(Inductive Output Tubes) 및 고체-상태 증폭기와 같은 종래의 RF 소스는 고가이고, 그 비용은 가속기 프로젝트 비용의 상당 부분을 차지한다. 메가와트(MW) 규모의 클라이스트론을 사용해서 캐비티의 그룹에 급전하면 약간의 비용은 절감될 수 있겠지만, MW 규모의 클라이스트론용의 변조기는 매우 고가이다. 더욱이, 이와 같은 선택은 캐비티의 그룹의 가속 전압의 벡터 합만 제어할 뿐, 종 방향의 빔 방출을 최소화하기에는 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 큰 규모의 프로젝트의 고강도 펄스 가속기는, 각 SRF 캐비티에 개별적으로 급전하며 고압 변조기없이 동작하는, 반송파 주파수 주변의 위상 및 전력이 다이나믹하게 제어되는 RF 소스가 바람직하다.
마그네트론은 전술한 종래의 RF 소스[1]보다 더 효율적이고 저렴하다. 마그네트론 전력은 자본 비용이 낮기 때문에(예를 들어, 와트당 최대 1 달러) 각 캐비티에 개별적으로 전력을 공급할 수 있으며, 이는 각 캐비티에서의 전압 및 위상의 안정성을 크게 향상시킨다. 따라서 큰 규모의 가속기 프로젝트에서 마그네트론 RF 소스를 사용하면, RF 전력 생성 시스템의 비용을 크게 줄일 수 있다.
시스템은 하나 이상의 마그네트론을 사용해서, 예를 들어 가속 캐비티에 전력을 공급하기 위한, 펄스 무선 주파수(RF) 전력을 생성한다. 하나 이상의 마그네트론은 각각이 자가 여자(self-excitation) 임계 전압을 갖고 있으며, 이 자가 여자 임계 전압보다 낮은 전압으로 직류 전원에 의해 전력이 공급되는 경우에는 펄스 RF 입력 신호를 이용해 내부 변조를 통해 동작해서 펄스 RF 전력을 생성하도록 구성된다.
일 실시예에서, 무선 주파수(RF) 전력 생성 시스템은, 펄스 마그네트론 출력 신호를 사용해서 펄스 RF 출력 신호를 생성하도록 구성된 RF 펄스 송신기를 포함할 수 있다. 펄스 RF 송신기는, 입력과, 출력과, 마그네트론과, 직류(DC) 전원을 포함할 수 있다. 입력은 펄스 RF 입력 신호를 수신한다. 출력은 펄스 RF 출력 신호를 전송한다. 마그네트론은 자가 여자 임계 전압을 가지며, 자가 여자 임계 전압보다 낮은 전압 레벨로 전력이 공급될 때 펄스 RF 입력 신호를 사용해서 내부 변조를 통해 동작해서 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. DC 전원은 마그네트론에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, RF 전력 생성 방법이 제공된다. 이 방법은 펄스 RF 입력 신호를 수신하는 단계와, 자가 여자 임계 전압을 가진 마그네트론을 동작시키는 단계와, 펄스 마그네트론 출력 신호를 이용해서 펄스 RF 출력 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 마그네트론을 동작시키는 단계는, DC 전원을 사용해서 자가 여자 임계 전압 이하의 전압 레벨로 마그네트론에 전력을 공급하는 단계와, 펄스 RF 입력 신호를 이용해서 내부 변조를 통해 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 가속 캐비티에 전력을 공급하는 시스템은 마그네트론 및 캐소드 전원 시스템을 포함할 수 있다. 마그네트론은 입력 인젝션-로킹 신호를 수신하고, 입력 인젝션-로킹 신호가 마그네트론이 마그네트론의 자가 여자에 필요한 크리티컬 전압(critical voltage) 이하인 서브크리티컬(subcritical) 캐소드 전압에서 동작하는 것을 가능하게 한다면 입력 인젝션-로킹 신호를 이용해서 인젝션-로크된 출력 신호를 생성하며, 입력 인젝션-로킹 신호가 마그네트론이 서브크리티컬 캐소드 전압에서 동작하는 것을 가능하게 하기에 충분하지 않다면 인젝션-로크된 출력 신호를 인터럽트하도록 구성된다. 캐소드 전원 시스템은 마그네트론에 연결될 수 있으며, 서브크리티컬 캐소드 전압을 공급하고 캐소드 전압을 제어함으로써 인젝션-로크된 출력 신호의 전력을 제어하도록 구성될 수 있다.
본 과제의 해결 수단은 본 출원의 일부 교시에 대한 개요로, 본 청구 대상을 배타적으로 혹은 완전하게 다루는 것을 의도한 것은 아니다. 본 청구 대상에 관한 추가적인 세부 사항은 상세한 설명 및 첨부된 청구 범위에서 찾을 수 있다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구 범위 및 그와 동등한 법적 균등물에 의해 정의된다.
도 1은 충분하게 공진 인젝트된 (인젝션-로킹) 신호에서 측정된 마그네트론 전압-전류(V-I) 특성의 예를 도시한 그래프이다.
도 2는 자가 여자의 임계값 이상 및 이하에서 연속파(CW) 방식으로 동작하는 마그네트론을 테스트하기 위한 실험 설정의 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 다양한 제어 방법에서의 전력 제어 범위에 대한 측정된 상대적인 평균 마그네트론 효율의 예를 도시한 그래프이다.
도 4는 마그네트론의 다양한 전력 레벨에서의 반송파 주파수의 측정된 오프셋 및 자가 여자의 임계값 이상과 이하의 마그네트론 전압의 로킹 신호의 예를 도시한 그래프이다.
도 5(a)~5(c)는 자가 여자의 임계값 이상 및 이하에서 동작하는 마그네트론의 측정된 노이즈 전력 스펙트럼 밀도의 예를 나타내는 그래프이다.
도 6은 자가 여자 임계값 이하에서 동작하며 전력이 충분한 펄스 공진 인젝트된 무선 주파수(RF) 신호에 의해 구동되는 마그네트론의 온-오프 제어를 연구하는 데 사용되는 펄스 고전압(HV) 전원의 실시예를 도시한 블록도이다.
도 7은 자가 여자 임계값 이하에서 동작하며 펄스 공진 인젝트된 RF 신호에 의해 구동되는 마그네트론의 온-오프 제어를 연구하기 위한 실험 설정의 실시예를 도시한 블록도이다.
도 8은 마그네트론에 전력을 공급하는 측정된 펄스 HV 신호 및 마그네트론의 입력과 출력에서 측정된 RF 신호의 예를 나타내는 그래프이다.
도 9는 인젝션-로킹 신호 및 마그네트론의 출력 신호의 트레이스의 보다 상세한 형상의 예를 나타내는 그래프이다.
도 10은 인젝트된 펄스 공진 RF 신호에 의해 제어되는 내부 변조를 가진 단일-스테이지 펄스 마그네트론 송신기의 실시예를 도시한 블록도이다.
도 11은 인젝트된 펄스 공진 RF 신호에 의해 제어되는 내부 변조를 가진 2-스테이지 펄스 마그네트론 송신기 및 이 송신기에 의해 전력이 공급되는 초전도 RF(SRF) 캐비티를 포함하는 시스템의 실시예를 도시한 블록도이다.
본 청구 대상에 관한 이하의 상세한 설명은, 본 청구 대상이 실시될 수 있는 특정 측면 및 실시예를 예시로서 나타내고 있는 첨부 도면 내의 청구 대상을 언급하는 것이다. 이러한 실시예는 당업자가 본 청구 대상을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되었다. 본 개시에서 "어느", "하나의" 또는 "다양한" 실시예를 참조한다는 것은 반드시 같은 실시예에 대한 것이 아닐 수도 있으며, 2개 이상의 실시예를 고려한 것이다. 이하 상세한 설명은 예시를 위한 것이며, 한정의 의미가 아니다. 본 청구 대상의 범위는 첨부된 특허 청구 범위 및 이 특허 청구 범위의 권리가 주어지는 법적 등가물의 전체 범위에 의해 정의된다.
본 청구 대상은 마그네트론 상호 작용 공간에서 동기 파장과 전자의 공진 상호 작용의 모델을 사용하여 예측된 특이한 현상에 기초하여 개발되었다[2]. 이 특이한 현상은 본 발명자에 의해, 마그네트론의 "내부 변조"라고 지칭되며, 자가 여자 임계치보다 약간 낮게 직류(DC) 전원에 의해 전력이 공급되고 충분한 전력(마그네트론 공칭 전력의 약 10%)을 가진 펄스 공진 인젝트된 신호에 의해 구동되는 마그네트론의 펄스 인젝션-로크된 발전(generation)을 포함한다. 예측 이후에, 이 특이한 현상의 발견은, 마그네트론이 펄스 변조기 없이 DC 전원에 의해 전력을 공급받고 자가 여자 임계값보다 약간 낮게 동작하는 경우에 펄스 공진 인젝트된 신호에 의해 높은 효율로 마그네트론을 스위칭 온-오프한다는 것을 보여줌으로써, 입증되었다.
본 문서는, 특히, 예를 들어 강도-프론티어 펄스 가속기의 캐비티에 전력을 공급하는데, 펄스 변조기를 사용하지 않고, 내부 변조를 가진 하나 이상의 마그네트론을 각각 포함하는 고효율 고전력 송신기들의 시스템을 설명한다. 인젝트된 공진 신호에 의해 제어되는 내부 펄스 변조를 가진 마그네트론 송신기의 동작 원리에 대한 개념 증명은 실험으로 입증되었다. 이 송신기는, SRF 캐비티에서의 마이크로포닉, LFD(Lorentz Force Detuning) 및 빔 로딩을 억제하기 위해서, 위상 및 진폭 제어 피드백 루프를 사용해서 인젝션-로킹 신호의 주파수에서 각각의 속도를 갖고 위상 및 전력을 제어하는 것을 가능하게 한다. 이 개념은 적절한 전력을 가진 공명 인젝트된(인젝션-로킹) 신호에 의한 마그네트론의 여자를 사용한다. 송신기 출력 마그네트론은 고전압(HV) DC 전원에 의해 자가 여자 임계값보다 낮은 전압으로 전력을 공급받는다. 이는, 펄스 변조기없이, 공진 여자 RF 신호에 의해 스위칭 온-오프되는 고출력 인젝션-로크된 마그네트론의 펄스 동작을 구현한다. 이 개념의 초기 실험 연구는, 펄스형의 CW(Continuous Wave) 방식으로 동작하는 2.45GHz, 1kW, CW 전자레인지 마그네트론으로 수행되었다. 제안된 개념의 입증 결과는 본 문헌에 제시되고 설명된다.
마그네트론은, 그 캐소드 공급 전압이 자가 여자 임계값을 초과하면 일관되게 발전하는, 공지된 저렴한 자가 여자 발진기이다. 마그네트론의 자가 여자 임계값은 마그네트론의 크리티컬 캐소드 전압이라고도 하는 임계 전압이다. 자가 여자의 임계값보다 낮은 전압은 서브크리티컬(subcritical) 캐소드 전압이라고 지칭될 수 있다. 공급 전압이 자가 여자의 임계값보다 낮은 경우, 마그네트론 상호 작용 공간에 동기 파장이 존재하지 않거나 혹은 진폭이 충분하지 않다. 이것은, 마그네트론 애노드를 향해 드리프트하는 전하의 필요한 위상 그룹화를 불가능하게 하고, 이동 전하는 동기 파장이 마그네트론 상호 작용 공간에서 회전하는 에너지까지 증가될 수 없다. 이것은 동기 파장의 댐핑을 유발하고 마그네트론의 일관된 발전을 불가능하게 한다[2]. 충분한 진폭을 가진 동기 파장(예를 들어, 충분한 공진 인젝트된 신호에 의한)이 있다면, 이는 마그네트론 전압이 자가 여자 임계값보다 다소 낮을 때에도 일관된 안정 발진을 개시하기 위해 "스포크(spokes)" 내에서 전하를 적절하게 형성하기에 충분한 조건이 된다. 충분한 진폭을 가진 동기 파장이 존재한다는 것은, 마그네트론의 안정된 일관적인 발전의 필요 조건이다.
현재, 마그네트론의 펄스 동작을 위해서는, 마그네트론의 전력 생성을 온오프하는 HV 펄스 변조기가 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 초전도 가속기용 변조기는 긴 펄스의 고전압 펄스 변압기를 취급해야 하기 때문에, 대형화되고, 무거워지며, 가격이 상승된다. 본 청구 대상은 자가 여자 임계값 아래에서 마그네트론을 시동하는 최근 개발된 기술[3]을 사용한 펄스 마그네트론 RF 발전을 제공한다. 공진 인젝트된 신호에 의해 구동되는 마그네트론에서 동기 파장과 전자 흐름의 공진 상호 작용을 모델링함으로써[2], 마그네트론을 스위칭 온오프하는 펄스 RF 공진 인젝트된 신호에 의해 DC 전원에 의해 전력을 공급받는 마그네트론의 펄스 동작이 구현된다는 것을 나타냈다.
다양한 실시예에서, 마그네트론의 펄스 RF 전력은 공칭 마그네트론 전력보다 약간 낮을 수 있다. 그러나, 공진 상호 작용 모델[2]에 따르면, 마그네트론 RF 소스의 효율과 수명은 증가될 수 있다.
적절한 진폭을 가진 구동 공진 신호가 존재하면 마그네트론 상호 작용 공간에서의 공진 회전(동기) 파장을 여자시키고, 이로써 충분한 파장 진폭에서의 마그네트론의 시동을 가능하게 한다는 것이 입증되었다(예를 들어, 참조 문헌 [2, 3]). 이로써, 마그네트론 공급 전압이 자가 여자의 임계값보다 다소 낮더라도, 공진 신호의 주파수에서의 일관된 발진을 가능하게 한다. 이 경우의 일관된 발진은 주파수가 정확하고 안정된 것으로, 위상 및 전력이 폭넓게 제어될 수 있다. 인젝트된 공진 신호를 스위칭 오프하는 등 함으로써, 동기 파장을 현저하게 감소시키면, 마그네트론 발생을 고속으로 댐핑하고 정지시킨다[2]. 따라서, 마그네트론 전압이 자가 여자 임계값보다 수 퍼센트 낮을 때 공진 구동 파장의 존재하는지 또는 존재하지 않는지에 따라서, 마그네트론 구동 신호의 주파수에서의 일관된 발진을 온오프할 수 있으며 즉, 마그네트론은 저렴한 DC 전원으로부터 전력을 공급받고 적절한 펄스 RF 소스로 구동되는 펄스 방식으로 동작할 것이다. 이것이 본 청구 대상의 개념적 기초이다. 이 개념을 입증하는 실험 테스트는 펄스형의 CW HV 전원에 의해 공급되는 2.45GHz, 1kW 마그네트론으로 수행되었다. 결과는 이하에 제시되고 설명된다.
개념의 이론적 입증
본 마그네트론 송신기 개념의 이론적 입증은 전하 드리프트 근사(charge drift approximation) 이론 [4], 마그네트론에 적용되는 섭동 이론 [3], 및 키네틱 모델에 기초해서 개발된, 마그네트론에 대한 공진 상호 작용 이론 [2]에 기초한다.
본 마그네트론 송신기 개념의 간단한 설명은 기본 에너지 보존 법칙에 기초한다. 에너지 보존 법칙에 따라 마그네트론에 인젝트된 공진 구동 신호는 마그네트론 캐비티 및 상호 작용 공간에 저장되는 RF 에너지를 증가시킨다. 마그네트론의 RF 에너지가 정전기 필드에 의해 결정되므로, 인젝트된 공진 신호는 마그네트론 공급 전압의 증가와 등가하다. 따라서, 인젝트된 공진 신호 전력이 충분하면, 마그네트론 공급 전압이 자가 여자의 임계값보다 수 퍼센트 낮은 경우에도 마그네트론이 시동될 수 있다. 이를 통해서, 프리 런(free run)에서 사용할 수 있는 것보다 낮은 전류로 마그네트론을 안정적으로 동작시킬 수 있다. 낮은 마그네트론 전류에 의해 유도되는 동기 파장에서의 RF 전압의 부족은, 충분한 공진 인젝트된 신호에 의해 구동될 때의 마그네트론의 안정적인 동작을 제공하는 인젝션-로킹 신호에 의해 보상된다. 공진 인젝트된 신호를 스위칭 오프하면 동기 파장이 댐핑이 되고[2], 마그네트론의 전력 생성을 급격하게 중단한다.
도 1은 충분한 공진 인젝션(인젝션-로킹) 신호(공칭 마그네트론 전력의 약 10%)에서 측정된 마그네트론 전압-전류(V-I) 특성의 예를 도시한 그래프이다. 1.2 kW, 타입 2M137-IL 마그네트론(미국 일리노이주, LaFox의 Richardson Electronics에 의한)의 V-I 특성은 로킹 전력 PLock=100W에서 CW 방식으로 측정되었다[3]. 실선 곡선(B-스플라인 피트)은 주어진 로킹 전력(PLock=100W)에서 마그네트론이 안정적으로 동작할 때의 사용 가능한 전류 범위를 나타낸다. V-I 특성은 자가 여자의 임계값 이하에서 마그네트론이 안정적으로 동작한다는 것을 나타낸다.
전형적인 마그네트론의 자가 여자에 충분한 동기 파장의 최소 전력의 대략적인 추정으로부터, 마그네트론 공칭 전력의 약 1/10이 얻어진다 [3]. 실험으로 입증된 바와 같이(예를 들어, 참고 문헌 [3]), 공진 구동 신호의 이러한 전력 값은, 마그네트론 전압이 자가 여자 발진의 임계 전압보다 수 퍼센트 낮아도 마그네트론에서의 자극된(stimulated) 일관된 발진을 시동한다.
이 실험은, 자가 여자의 전압보다 낮은 공급 전압에서 공칭 전력의 약 -10dB의 전력을 갖는 공진(인젝션-로킹) 파장에 의해 구동되는 전형적인 마그네트론이, 광범위한 출력 전력(10dB)에서의 마그네트론의 안정된 동작을 제공한다는 것을, 보여주었다. 자가 여자의 임계값보다 낮은 전압에 의해 공급되는 마그네트론의 RF 전력은, 충분한 공진 사전 여자(인젝션-로킹) 신호에서 전류를 변경하는 5dB 범위까지 제어될 수 있다. 따라서, RF 신호의 존재 및 부재에 따라서 마그네트론의 동작을 각각 시동 및 정지하기 때문에, 자가 여자의 임계값보다 낮은 전압이 공급되는 사전 여자된 마그네트론은, 구동 인젝션-로킹 RF 신호에 의해 스위치 온-오프되는 RF 인젝션-로크된 일관된 발진기로서 동작할 수 있다. 이러한 마그네트론의 방식에서의 RF 발진의 스위칭 온-오프 시간은, 크기 (10QL)/πf 정도의 동기 파장의 성립 및 댐핑을 이용하는 천이 프로세스의 시간에 의해 결정될 것이며, 여기서 QL은 Q-팩터(QL
Figure pct00001
100) 부하의 마그네트론 캐비티이고, f는 마그네트론 주파수이다. 2.45GHz 마그네트론의 경우, 스위칭 시간은 200ns를 초과하지 않는다. 구동 RF 신호가 오프되면, 마그네트론에 의한 HV 전원의 에너지 소비는 실제로는 없다. 따라서, "자가-변조" 인젝션-로크된 마그네트론의 자극된 생성, 즉 내부 펄스 변조를 통한 동작은 매우 효율적이다.
개념의 실험적인 입증
제안된 개념의 실험적 검증은, 자가 여자의 임계값 미만의 전압을 공급받는 펄스 및 CW 방식으로 동작하는 2.45 GHz, 1kW 마그네트론으로 수행되었다. 마그네트론이 충분한 인젝트된 공진 신호에 의해 구동되면, 마그네트론이 자가 여자 임계값보다 낮은 캐소드 전압에서 낮은 노이즈로 안정되게 동작한다는 것을 보여주었다[2, 3]. 보다 구체적인 측정은 2.5GHz 1.2kW 마그네트론 타입 2M137-IL을 사용해서 CW 방식으로 수행되었다.
도 2는 자가 여자의 임계값 이상 및 이하에서 CW 방식으로 동작하는 마그네트론을 테스트하는 실험 설정의 실시예를 도시한 블록도이다. 이 마그네트론은, 전류 소스로서 동작하면서 전류 제어를 가능하게 하는 알터(Alter) 스위칭 HV 전원 타입 SM445G(미국 매사추세츠 앤도버 소재 MKS 인스트러멘트의)에 의해 공급되었다. 마그네트론은, HP 8341A 발전기에 의한 공진(주파수-로킹) 신호가 고체 상태 증폭기 및 36.6dB TWT(Traveling Wave Tube) 증폭기를 거쳐서 전달되어서 구동되되어서 최대 100W의 CW 로킹 전력을 제공했다.
실험 연구는 HV 전원으로부터의 마그네트론의 전력 소비, 인젝션-로킹 신호 및 마그네트론 출력 신호의 RF 스펙트럼, 마그네트론에 의해 생성된 RF 전력 및 인젝션-로킹 신호의 전력의 측정을 포함했다. 마그네트론에서의 폭 넓은 범위(10dB)의 전력 제어는, 자가 여자 임계값 이상 및 이하에서 동작해서 마그네트론 전류를 변경함으로써 구현되었다.
도 3은 다양한 제어 방법에서의 전력 제어 범위에 대한 측정된 상대적인 평균 마그네트론 효율의 예를 도시한 그래프이다. 도 3에서, 트레이스 D는 -10dB의 인젝트된 공진 신호에 의해 구동되고 딥(deep) 마그네트론 전류 제어에서 측정된 1.2kW 마그네트론의 평균 효율을 보여주며, 트레이스 E는 벡터 전력 제어를 가진 1kW 마그네트론의 평균 효율을 보여준다[3, 5]. 도 3에 도시된 바와 같은 측정 결과는, 이러한 폭 넓은 전력 제어 하에서의 마그네트론의 최대 효율을 입증했다. 전류 변경에 의한 전력 제어의 추정 대역폭은 현재, 스위칭 DC HV 전원을 이용하는 경우 약 10kHz일 수 있다[2].
도 4는 마그네트론의 다양한 전력 레벨 PMag에서 반송파 주파수의 측정된 오프셋 및 CW 방식에서 측정된 자가 여자의 임계값 이상 및 이하의 마그네트론 전압의 로킹 신호 PLock의 예를 도시한 그래프이다. 트레이스 PMag=0.0W, PLock=30W는 마그네트론 HV이 오프되어 있을 때 인젝션-로킹 신호의 스펙트럼을 보여준다. 모든 트레이스에서 보여지는 측대역은, 마그네트론과 TWT 증폭기의 스위칭 전원의 저주파 변조에 의해 발생된다. 10dB 범위의 다양한 전력 레벨에서 자가 여자의 임계값 이상 및 이하의 전압이 공급되는 인젝션-로크된 CW 마그네트론의 반송파 주파수의 스펙트럼은 정확하게 안정되어 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 확장(broadening) 또는 시프팅(shifts)은 보여주지 않았다[3]. 제시된 스펙트럼은, 초전도 가속기의 요건에 대한 자가 여자 임계값 이하에서 동작하는 마그네트론에 기초해서, 제안된 송신기 개념의 적합성을 보여준다. 마그네트론 전력, PMag=300W 및 PMag=100W의 트레이스는, 자가 여자 임계값 이하에서 측정되었다.
도 5는 1,000W의 출력 전력의 자가 여자의 임계값 이상(트레이스 A)에서 및 100W의 출력 전력의 자가 여자의 임계값 이하(트레이스 B)에서 동작하는 주파수 로크된 마그네트론에 대해 측정된 노이즈 전력 스펙트럼 밀도의 예를 나타내는 그래프이다. 트레이스 C는 인젝션-로킹 신호의 스펙트럼 전력 밀도이다. 플롯 A, B 및 C는 평균 스펙트럼 밀도를 보여주는 트레이스를 포함한다. 도 5에 도시된 측정 결과는 넓은 전력 범위에서의 마그네트론의 낮은 노이즈를 보여준다. 도 5에 도시된 바와 같이, 트레이스 C는 인젝트된 공진 신호의 스펙트럼 전력 밀도를 나타내며, 여기서 측대역은 TWT 증폭기의 스위칭 전원에 의해 야기되는 반면, 트레이스 A 및 B는 마그네트론 HV 전원 타입 SM445G의 스위칭에 의해 야기된 측대역도 포함한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 실험 설정을 사용하여 수행된 측정 결과는, SRF 캐비티의 펄스 전력 요건을 만족시키기 위해서 공진 인젝트된 신호에 의한 여자를 이용해서 자가 여자의 전압 이하로 마그네트론을 동작시키는 본 마그네트론 송신기 개념의 적합성을 입증했다. 수행된 측정은, 자가 여자의 임계값보다 낮은 전압에서 동작하는 CW 마그네트론이, 적절한 레벨을 갖고 마그네트론을 여자시키고 인젝션-로킹하는 공진 파장에 의해 스위칭 온되는 능력을 보여준다. 약 -10dB인 여자 인젝션-로킹 신호의 전력에서, 마그네트론 출력 전력은 이 경우 낮은 노이즈로 5dB 범위의 캐소드 전압에 의해 제어될 수 있다.
자가 여자의 임계값 이하에서 동작하고 펄스 공진 인젝트된 신호에 의해 구동되는 마그네트론의 온-오프 스위칭 제어를 945W, 2.45MHz 타입 2M219G 전자레인지 마그네트론(예를 들어, 대한민국 서울의 LG) 및 펄스 HV 전원을 사용해서 연구했다[1]. 펄스 HV 전원은 1~5kV 범위의 안정된 전압을 제공하며, 최대 5ms까지의 펄스 시간에서 무시할만한 낮은 리플을 제공하다. 도 6은 Behlke MOSFET IGBT 10 kV/800A 스위치를 가진 펄스 HV 전원의 실시예를 나타내는 블록도이다. 도 7은 자가 여자 임계값 이하에서 동작하고 펄스 공진 인젝트된 신호에 의해 구동되는 마그네트론의 온-오프 제어를 연구하기 위한 실험 설정의 실시예를 도시한 블록도이다. 예시된 실험 설정은, 펄스 생성기에 의해 게이팅된 밸런싱된 믹서를 사용해서 공진 주파수에서 RF 펄스의 트레인을 형성한다. RF 펄스는 고체 상태 증폭기 및 TWT 증폭기에 의해 최대 140W의 전력 레벨로 증폭된다. RF 펄스는 마그네트론을 구동하다. 인젝트된 마그네트론 출력 RF 신호가 교정된 RF 제로-바이어스 쇼트키 검출기로 측정되었다.
도 8은 마그네트론에 전력을 공급하는 측정된 펄스 HV 신호 및 마그네트론의 입력과 출력에서 측정된 RF 신호의 예를 나타내는 그래프이다. 도 8의 트레이스들은 5ms의 펄스 지속 시간을 갖는 전원 전압 동안(트레이스 3)의 공진 인젝트된 13㎲ 신호(트레이스 1) 및 마그네트론의 출력 신호(트레이스 2)의 20kHz 트레인을 보여준다. 인젝션-로킹 신호 및 마그네트론의 출력 신호의 측정된 펄스 전력은 각각 약 110W 및 770W이다.
도 9는, 감소된 적분 시간(integration time)을 가진 교정 쇼트키 검출기에 의해 측정될 때의, 마그네트론의 인젝션-로킹 신호 및 출력 RF 신호의 트레이스의 보다 상세한 형태의 예를 나타내는 그래프이다. 도 9의 트레이스는 로킹 신호 PLock의 다양한 전력에 대한 마그네트론의 인젝션-로킹 신호(트레이스 1 및 3) 및 출력 신호(트레이스 2 및 4)의 트레인을 도시한다. 트레이스 1 및 2는 각각 약 90W와 130W의 PLock에 대한 것이다. 트레이스 2 및 4는 각각 약 780W 및 830W의 출력 신호 POut의 전력에 대한 것이다. 측정 결과, 자가 여자 임계값 이하에서 동작하고 인젝트된 공진 신호에 의해 스위치 온오프되는 마그네트론의 상승 및 하강 시간은 약 200ns임을 알 수 있다.
다음과 같이, 개발된 공진 상호작용 이론 모델[2, 3]로부터, 약 -10dB의 인젝트된 공진 신호는 마그네트론 상호 작용 공간에서 회전하는 "스포크(spoke)"에서의 전하의 위상 그룹화를 향상시킨다. 이는 전체 RF 시스템의 마그네트론에서 RF 에너지를 현저하게 증가시킨다. 검출기를 사용해서 마그네트론의 출력 신호를 측정한 결과, 인젝션-로킹 신호에 의해 스위치 온-오프되는 마그네트론은 마그네트론 공칭 전력의 약 80% 이상을 제공할 수 있다는 것을 보여준다. 또한, 위상 그룹화가 개선됨으로써, 마그네트론 캐소드를 과열시키는 전자 역류(electron back-stream)를 감소시킨다. 이는 마그네트론의 수명을 증가시킨다.
응용예
다양한 실시예에서, 필요한 펄스 RF 전력이 수십 킬로와트로 제한된다면, 펄스 RF 전력 생성을 위한 시스템은, 마그네트론 출력에서 펄스 RF 신호를 생성하도록 구성된 RF 펄스 송신기를 포함할 수 있다. 송신기는 마그네트론, 페라이트 서큘레이터 또는 페라이트 서큘레이터 시스템 및 DC 전원을 포함할 수 있다. 페라이트 서큘레이터(또는 페라이트 서큘레이터 시스템)는, 이들 구성 요소의 지향성에 의해서 마그네트론의 내부 변조를 제어하는 입력 펄스 RF 신호를 펄스 마그네트론 출력 신호로부터 분리하는데 사용된다. DC 전원은 자가 여자 임계값 전압보다 약간 낮은 전압 레벨로 마그네트론에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 마그네트론을 제어하는 입력 펄스 신호는, 마그네트론을 스위칭 온오프하고(마그네트론 공칭 전력의 약 10%를 요구함) 튜브(tube)가 자가 여자 임계 전압 이하의 전력을 공급받을 때 펄스 출력 RF 신호를 생성하기에 충분하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 약 100kW 이상의 펄스 RF 전력으로 가속 캐비티에 전력을 공급하기 위한 RF 펄스 송신기를 포함하는 시스템은, 자가 여자 임계값보다 약간 낮게 저전력 튜브에 전력을 공급하도록 구성된 DC 전원을 가진 저전력 마그네트론(송신기의 요구 전력의 약 10%의 전력을 가진)을 포함할 수 있다. 입력 인젝트된 공진(인젝션-로킹) 신호는, 고전력 마그네트론 자가 여자 임계값보다 약간 낮게 DC 전원에 의해 공급되는 제 2의 고전력 마그네트론을 스위치 오프하기에 충분한 전력으로 인젝션-로킹 출력 펄스 신호를 생성하기 위해서, 자가 여자 임계값 이하로 전력이 공급되는 저전력 마그네트론을 스위칭 온-오프하는 제 2의 고전력 마그네트론의 공칭 전력의 약 1%의 전력으로 구성된다. 저전력 마그네트론 및 고전력 마그네트론의 입력-출력은 페라이트 서큘레이터에 의해 분리될 수 있다. 필요한 출력 송신기 전력의 약 1%의 전력을 갖는 인젝트된 공진 신호는, 고출력 펄스 SRF 가속기에 필요한 인젝션-로킹 펄스 생성의 정확하게 안정된 자극(내부) 펄스 변조를 제어한다.
다양한 실시예에서, 서큘레이터 또는 서큘레이터 시스템은 RF 펄스 송신기를 반사파로부터 보호한다. 시스템 동작 시작시에는 SRF 캐비티는 RF 펄스 전송기와 정합되어 있지 않다. 이로 인해서 큰 크기 및 큰 펄스 전력을 가진 파장이 RF 펄스 송신기의 출력으로 반사되게 된다. 서큘레이터 또는 서큘레이터 시스템은 반사파를 정합된 부하로 향하게 해서 정합된 부하에 의해 흡수되게 한다. 서큘레이터 또는 서큘레이터 시스템이 없다면, 이 반사파는 마그네트론을 파괴할 수도 있다. 저전력 마그네트론과 고전력 마그네트론을 가진 시스템에서, 이는 고전력 마그네트론에서 방전이 있을 때 일어날 수 있다. 이는 저전력 마그네트론에서 방전을 일으키기에 충분한 진폭을 갖고 저전력 마그네트론으로 파장을 반사시킨다. 이 경우 서큘레이터 또는 서큘레이터 시스템은 유사하게 이 반사파를 정합된 부하로 향하게 해서 정합된 부하에 의해 흡수되게 한다.
도 10은 최대 수십 킬로와트의 전력을 출력하기 위해, 인젝트된 펄스 공진 RF 신호에 의해 제어되는 내부 변조를 가진 비용 효율적인 단일 스테이지 펄스 마그네트론 송신기의 실시예를 도시한 블록도이다. 송신기는 펄스 초전도 가속기에 전력을 공급하기 위한, 저가의 구성 요소를 사용해서 구현될 수 있다.
단일 스테이지 펄스 마그네트론 송신기는 입력(1002)에서 펄스 입력 RF 신호를 측정하기 위한 지향성 커플러(1001A), 출력(1003)에서 펄스 출력 RF 신호를 측정하기 위한 지향성 커플러(1001B), 입력 RF 신호와 출력 RF 신호를 분리하기 위한 서큘레이터(1004A-B)(예를 들어, 2개의 T형 페라이트 서큘레이터, 이는 대안적으로 단일 4-포트 서큘레이터로 대체될 수도 있음), 마그네트론(1005) 및 자가 여자 임계값 이하로 마그네트론(1005)에 급전하기 위한 DC HV 전원(1006)을 포함할 수 있다. 송신기의 내부 변조를 제어하는(HV 변조기 없이 마그네트론 온-오프 스위칭) 입력 신호는 마그네트론 공칭 전력의 약 10%의 전력을 가진 펄스 RF 소스에 의해 제공된다. LLRF(Low Level RF) 시스템(1007)은 입력 RF 신호와 출력 RF 신호의 측정과 동조, 및 DC HV 전원(1006)의 제어를 제공한다. 예시된 송신기는 SRF 가속기에 전력을 공급하기에 적합한 속도로 RF 출력 신호의 위상 및 전력 제어를 제공할 수 있다.
도 11은 인젝트된 펄스 공진 RF 신호에 의해 제어되는 내부 변조를 가진 2-스테이지 펄스 마그네트론 송신기 및 이 송신기에 의해 전력이 공급되는 초전도 RF(SRF) 캐비티를 포함하는 시스템의 실시예를 도시한 블록도이다. 송신기는 수백 킬로와트의 출력 전력에 대해 비용 효율이 높아야 한다. 예시된 송신기는 DC 전원에 의해 전력을 공급받을 수 있고, HV 고출력 펄스 변조기를 필요로 하지 않으며, SRF 가속기에 전력을 공급하기에 적합한 속도로 RF 출력 신호의 위상 및 전력 제어를 제공할 수 있다. 도 11에서 참조 번호는 다음과 같이 시스템의 다양한 요소를 나타낸다.
· 1121 : 인젝트된 펄스 공진 RF 신호를 수신하기 위한 입력,
· 1122 : 인젝트된 펄스 공진 RF 신호에 의해 구동되고 자가 여자 임계값 이하로 급전되는 저전력 마그네트론,
· 1123 : 캐소드 전압에 의해 제어되는 고출력 인젝션-로크된 마그네트론,
· 1124A-B : 제 1 및 제 2 RF 정합 부하,
· 1125A-B : 제 1 및 제 2 4포트 서큘레이터,
· 1126 : 고전력 마그네트론에 의해 구동되는 가속 캐비티(예를 들어, SRF 가속 캐비티),
· 1127A-B : 제 1 및 제 2 RF 커플러(1127A는 SRF 캐비티의 급전을 위한 것이고, 1127B는 SRF 캐비티 내 가속 필드의 위상 및 진폭 측정을 위한 것임),
· 1128 : 고전력 마그네트론을 위한 HV DC 전원,
· 1129 : 저전력 마그네트론을 위한 HV DC 전원,
· 1130 : RF 프로브(SRF 캐비티 내의 가속 필드의 위상 및 진폭을 측정하기 위한),
· 1131 : LLRF 시스템 내의 위상 및 전력 제어기,
· 1132 : 펄스 RF 고전력 마그네트론 출력.
이중 선 화살표는 정보 흐름의 방향을 나타낸다. 굵은 선 화살표는 RF 전력 흐름의 방향을 나타낸다.
도 11에 도시된 송신기는, HV 변조기를 사용하지 않고 SRF 캐비티에 펄스 급전하기 위한 내부 변조를 가진 비용 효율적인 고출력 펄스 2-스테이지 [6] RF 전력원일 수 있다. RF 소스는 SRF 펄스 가속기가 가속 전압을 안정화시키기에 적합한 속도로 RF 출력 신호의 위상 및 전력 제어를 제공할 수 있다. 예시된 송신기는 인젝션-로크된 2-케스케이드 마그네트론 시스템에 기초한다. RF 프로브에 의해 측정된 캐비티 내의 가속 전압의 진폭 및 위상을, 요구되는 파라미터와 비교함으로써 제어가 실현될 수 있다. 예시된 실시예에서, 입력(1121)에 의해 수신된 인젝트된 펄스 공진 RF 신호는 제 1 4-포트 서큘레이터(1125A)를 통해 저전력 마그네트론(1122)을 구동한다. 저전력 마그네트론(1122)은 자가 여자의 임계값 이하에서 동작하고 인젝트된 펄스 공진(인젝션-로킹) RF 신호에 의해 스위치 온-오프된다. 저전력 마그네트론(1122)의 인젝션-로크된 펄스 출력 RF 신호는, 4-포트 서큘레이터(1125A-B)를 통해 자가 여자 임계값 이하로 동작하는 고전력 마그네트론(1123)으로 들어간다. 고전력 마그네트론(1123)의 출력 펄스 RF 전력은 제 1 RF 커플러(1127A)를 통해 SRF 캐비티(1126)을 구동한다. 출력 RF 신호는, 인젝트된 펄스 공진 RF 신호의 위상과 LLRF 시스템을 제어하는 위상 피드백 루프 내의 RF 프로브(1130)에 의해 측정된 신호의 위상을 비교하는 위상 및 전력 제어기(1131)를 사용하여 넓은 대역에서 위상이 제어된다. 제어는, 참고 문헌 [3]에 설명된 바와 같이, 입력 인젝션-로킹 신호의 위상 변조를 사용한다. 저전력 마그네트론(1123)은, 자가 여자 임계값 이하의 공급 전압으로 안정적으로 동작하고 저전력 마그네트론(1122)에 의해 스위칭 온-오프되는 고전력 마그네트론(1123)의 광대역 위상 제어를 위해서, 필요한 인젝션-로킹 펄스 RF 신호를 제공한다. SRF 캐비티(1126)를 구동하는 출력 신호의 전력 제어는, 위상 및 전력 제어기(1131)를 통해 HV DC 전원(1128)을 제어하는 고전력 마그네트론(1123)의 전류의 변화에 의해, RF 프로브(1130)에 의해 가속 캐비티(1126) 내의 펄스 RF 가속 필드의 진폭의 크기의 측정 결과에 기초해서, 구현될 수 있다.
자가 여자의 임계값 이하에서 동작하는 2개의 캐스케이드 마그네트론을 사용함으로써, 인젝트된(입력된) 펄스 공진 RF 신호의 제어 전력이 출력 RF 전력의 약 1%가 될 수 있다.
본 청구 대상의 일부 비한정 예시(실시예 1~20)는 다음과 같이 제공된다.
예시 1에서, RF 전력 생성 시스템은 RF 펄스 송신기를 포함할 수 있다. RF 펄스 송신기는 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 사용해서 펄스 RF 송신기 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있고, 송신기 입력과, 송신기 출력과, 제 1 마그네트론과, 제 1 직류(DC) 전원을 포함할 수 있다. 송신기 입력은 펄스 RF 송신기 입력 신호를 수신할 수 있다. 송신기 출력은 펄스 RF 송신기 출력 신호를 전송할 수 있다. 제 1 마그네트론은 제 1 자가 여자(self-excitation) 임계 전압을 가지며, 제 1 자가 여자 임계 전압보다 낮은 제 1 전압 레벨로 전력이 공급될 때 펄스 RF 송신기 입력 신호를 사용해서 내부 변조를 통해 동작해서 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 제 1 직류(DC) 전원은 제 1 마그네트론에 전력을 공급하도록 구성된다.
예시 2에서, 예시 1의 청구 대상은 선택적으로, 송신기 출력에 연결되고, 펄스 RF 송신기 출력 신호를 수신하며 펄스 RF 송신기 출력 신호에 의해 전력을 공급받도록 구성된 초전도 RF 가속 캐비티를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
예시 3에서, 예시 1 또는 2의 청구 대상은 선택적으로, RF 펄스 송신기가 펄스 RF 송신기 입력 신호를 제 1 마그네트론으로 및 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 송신기 출력으로 동시에 보내도록 구성된 하나 이상의 서큘레이터를 더 포함하게, 구성될 수 있다. 하나 이상의 서큘레이터는 또한 RF 펄스 송신기를 반사파로부터 보호한다.
예시 4에서, 예시 1 내지 3 중 어느 하나의 청구 대상은 선택적으로, RF 펄스 송신기가 제 1 지향성 커플러 및 제 2 지향성 커플러 중 하나 이상을 더 포함하게, 구성될 수 있다. 제 1 지향성 커플러는 송신기 입력과 제 1 마그네트론 사이에 연결되고, 펄스 RF 송신기 입력 신호를 측정하는 것을 가능하게 하도록 구성된다. 제 2 지향성 커플러는 제 1 마그네트론과 송신기 출력 사이에 연결되고, 펄스 RF 송신기 출력 신호를 측정하는 것을 가능하게 하도록 구성된다.
예시 5에서, 예시 4의 청구 대상은 선택적으로, RF 펄스 송신기는, 펄스 RF 송신기 입력 신호 및 펄스 RF 송신기 출력 신호를 측정하고, 측정의 결과를 이용해서 제 1 DC 전원을 제어하도록 구성된 저 레벨 RF 시스템을 더 포함하게, 구성될 수 있다.
예시 6에서, 예시 1 또는 2의 청구 대상은 선택적으로, RF 펄스 송신기가 제 2 마그네트론 및 제 2 직류(DC) 전원을 더 포함하게, 구성될 수 있다. 제 2 마그네트론은 제 2 자가 여자 임계 전압을 갖고, 제 1 마그네트론과 직렬로 접속되며(신호 전파에서), 제 2 자가 여자 임계 전압보다 낮은 제 2 전압 레벨로 전력이 공급될 때 펄스 RF 송신기 입력 신호를 사용해서 내부 변조를 통해 동작해서 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 제 2 직류(DC) 전원은 제 2 마그네트론에 전력을 공급하도록 구성된다. RF 펄스 송신기는 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 송신기 출력으로 보내서 펄스 RF 송신기 출력 신호로서 송신하도록 구성된다.
예시 7에서, 예시 6의 청구 대상은 선택적으로, RF 펄스 송신기가, 펄스 RF 송신기 입력 신호를 제 1 마그네트론으로, 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 제 2 마그네트론으로, 그리고 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 송신기 출력으로 동시에 보내도록 구성된 4-포트 서큘레이터를 더 포함하게 구성될 수 있다. 4-포트 서큘레이터는 RF 펄스 송신기를 반사파로부터 보호하도록 더 구성된다.
예시 8에서, 예시 6 또는 7의 청구 대상은 선택적으로, RF 펄스 송신기가, 제 2 DC 전원을 제어함으로써 펄스 RF 송신기 출력 신호의 전력을 제어하도록 구성된 위상 및 전력 제어기를 더 포함하게, 구성될 수 있다.
예시 9에서, 예시 6 내지 8 중 어느 하나의 청구 대상은 선택적으로, 송신기 출력에 연결되고, 펄스 RF 송신기 출력 신호를 수신하며 펄스 RF 송신기 출력 신호에 의해 전력을 공급받도록 구성된 초전도 RF 가속 캐비티를 더 포함하고, RF 펄스 송신기는 SRF 가속 캐비티의 펄스 RF 가속 필드의 위상 및 진폭을 측정하도록 구성된 RF 프로브를 더 포함하게 구성되고, 그리고 위상 및 전력 제어기는, 펄스 RF 가속 필드의 측정된 위상과 펄스 RF 송신기 입력 신호의 위상의 비교에 기초해서 펄스 RF 가속 필드의 위상을 제어하고, 펄스 RF 가속 필드의 측정된 위상에 기초해서 펄스 RF 가속기 출력 신호의 전력을 제어하도록 구성되게, 구성될 수 있다.
예시 10에서, 무선 주파수(RF) 전력 생성 방법이 제공된다. 이 방법은 펄스 RF 송신기 입력 신호를 수신하는 단계와, 제 1 자가 여자 임계 전압을 가진 제 1 마그네트론을 동작시키는 단계와, 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 이용해서 펄스 RF 송신기 출력 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 마그네트론을 동작시키는 단계는, 제 1 직류(DC) 전원을 사용해서, 제 1 자가 여자 임계 전압 이하의 제 1 전압 레벨로 제 1 마그네트론에 전력을 공급하는 단계와, 펄스 RF 송신기 입력 신호를 이용해서 내부 변조에 의해 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
예시 11에서, 예시 6의 청구 대상은 선택적으로, 펄스 RF 송신기 출력 신호를 이용해서 초전도 RF 가속 캐비티에 전력을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시 12에서, 예시 10 또는 11의 청구 대상은 선택적으로, 하나 이상의 서큘레이터를 사용해서 펄스 RF 송신기 입력 신호로부터 펄스 RF 송신기 출력 신호를 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시 13에서, 예시 10 내지 12 중 어느 하나의 청구 대상은 선택적으로, 펄스 RF 송신기 입력 신호 및 펄스 RF 송신기 출력 신호를 측정하는 단계와, 측정의 결과를 이용해서 제 1 DC 전력 공급을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시 14에서, 예시 10 또는 11의 청구 대상은 선택적으로, 제 2 자가 여자 임계 전압을 가진 제 2 마그네트론을 동작시키는 단계와, 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 펄스 RF 송신기 출력 신호로서 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제 2 마그네트론을 동작시키는 단계는, 제 2 DC 전원을 이용해서 제 2 자가 여자 임계 전압 이하의 제 2 전압 레벨로 제 2 마그네트론에 전력을 공급하는 단계와, 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 이용해서 내부 변조에 의해 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
예시 15에서, 예시 14의 청구 대상은 선택적으로, 서큘레이터를 사용해서, 펄스 RF 송신기 입력 신호를 제 1 마그네트론에, 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 제 2 마그네트론에, 그리고 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 펄스 RF 송신기 출력 신호를 전송하는 출력에 동시에 보내는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시 16에서, 예시 14 또는 15의 청구 대상은 선택적으로, 펄스 RF 송신기 출력 신호를 이용해서 초전도 RF(SRF) 가속 캐비티에 전력을 공급하는 단계와, SRF 캐비티에서 펄스 RF 가속 필드의 위상 및 진폭을 측정하는 단계와, 측정의 결과를 이용해서 펄스 RF 송신기 입력 신호의 위상 및 제 2 DC 전원의 전압을 제어함으로써 펄스 RF 송신기 출력 신호의 위상 및 진폭을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시 17에서, 가속 캐비티에 전력을 공급하는 시스템은 마그네트론과, 캐소드 전원 시스템을 포함할 수 있다. 마그네트론은 입력 인젝션-로킹 신호를 수신하고, 입력 인젝션-로킹 신호가 마그네트론이 마그네트론의 자가 여자에 필요한 크리티컬 전압(critical voltage) 이하인 서브크리티컬(subcritical) 캐소드 전압에서 동작하는 것을 가능하게 한다면, 입력 인젝션-로킹 신호를 이용해서 인젝션-로크된 출력 신호를 생성하며, 입력 인젝션-로킹 신호가 마그네트론이 서브크리티컬 캐소드 전압에서 동작하는 것을 가능하게 하기에 충분하지 않다면, 인젝션-로크된 출력 신호를 인터럽트하도록 구성될 수 있다. 캐소드 전원 시스템은 마그네트론에 연결되어 있으며, 서브크리티컬 캐소드 전압을 공급하고 캐소드 전압을 제어함으로써 인젝션-로크된 출력 신호의 전력을 제어하도록 구성될 수 있다.
예시 18에서, 예시 17의 청구 대상은 선택적으로, 캐소드 전원 시스템이 서브크리티컬 캐소드 전압을 공급해서 입력 인젝션-로킹 신호를 제어함으로써 마그네트론이 온 및 오프될 수 있게 하도록 구성될 수 있다.
예시 19에서, 예시 17 또는 18의 청구 대상은 선택적으로, 마그네트론에 직렬로 접속된 추가 마그네트론을 더 포함하도록 구성될 수 있다. 추가 마그네트론은 인젝션-로크된 출력 신호를 수신하고, 추가 마그네트론의 자가 여자에 필요한 크리티컬 전압 이하인 추가의 서브크리티컬 캐소드 전압에서 동작함으로써 추가 출력 신호를 생성하고 추가 출력 신호의 전력을 제어하도록 구성된다.
예시 20에서, 예시 19의 청구 대상은 선택적으로, 추가 마그네트론이, 초전도체 RF 가속 캐비티인 가속 캐비티에 전력을 공급하기에 적합한 무선 주파수(RF) 펄스 신호인 추가 출력 신호를 생성하도록 구성될 상기 있다.
본 출원은 본 청구 대상의 응용예 또는 변형예를 포함하도록 했다. 상기 설명은 예시적인 것으로, 한정이 아니라는 것을 이해할 것이다. 본 청구 대상의 범위는 첨부된 청구 범위를 참조하며, 이 청구 범위라는 이름의 법적 동등물의 전체 범위에 따라 결정되어야 한다.
참고 문헌
하기 참고 문헌은 상기에서 괄호 안의 참조 번호로 인용되어 있으며, 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다.
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Claims (20)

  1. 무선 주파수(RF) 전력 생성 시스템으로서,
    제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 사용해서 펄스 RF 송신기 출력 신호를 생성하도록 구성된 RF 펄스 송신기를 포함하고,
    상기 RF 펄스 송신기는,
    펄스 RF 송신기 입력 신호를 수신하는 송신기 입력과,
    상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 전송하는 송신기 출력과,
    제 1 자가 여자(self-excitation) 임계 전압을 가지며, 상기 제 1 자가 여자 임계 전압보다 낮은 제 1 전압 레벨로 전력이 공급될 때 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호를 사용해서 내부 변조에 의해 동작해서 상기 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하도록 구성된 제 1 마그네트론과,
    상기 제 1 마그네트론에 전력을 공급하도록 구성된 제 1 직류(DC) 전원
    을 포함하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기 출력에 연결되고, 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 수신하며 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호에 의해 전력을 공급받도록 구성된 초전도 RF 가속 캐비티를 더 포함하는
    시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 RF 펄스 송신기는, 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호를 상기 제 1 마그네트론으로 및 상기 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 상기 송신기 출력으로 동시에 보내고 상기 RF 펄스 송신기를 반사파로부터 보호하도록 구성된 하나 이상의 서큘레이터를 더 포함하는
    시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 펄스 송신기는 제 1 지향성 커플러 및 제 2 지향성 커플러 중 하나 이상을 더 포함하고,
    상기 제 1 지향성 커플러는 상기 송신기 입력과 상기 제 1 마그네트론 사이에 연결되고, 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호를 측정하는 것을 가능하게 하도록 구성되며, 상기 제 2 지향성 커플러는 상기 제 1 마그네트론과 상기 송신기 출력 사이에 연결되고, 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 측정하는 것을 가능하게 하도록 구성되는
    시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 RF 펄스 송신기는, 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호 및 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 측정하고, 상기 측정의 결과를 이용해서 상기 제 1 DC 전원을 제어하도록 구성된 저 레벨 RF 시스템을 더 포함하는
    시스템.
  6. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서,
    상기 RF 펄스 송신기는,
    제 2 자가 여자 임계 전압을 갖고, 상기 제 1 마그네트론과 직렬로 접속되며, 상기 제 2 자가 여자 임계 전압보다 낮은 제 2 전압 레벨로 전력이 공급될 때 상기 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 사용해서 내부 변조를 통해 동작해서 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하도록 구성된 제 2 마그네트론과,
    상기 제 2 마그네트론에 전력을 공급하도록 구성된 제 2 직류(DC) 전원
    을 더 포함하고,
    상기 RF 펄스 송신기는 상기 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 상기 송신기 출력으로 보내서 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호로서 송신하도록 구성되는
    시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 RF 펄스 송신기는, 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호를 상기 제 1 마그네트론으로, 상기 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 상기 제 2 마그네트론으로, 그리고 상기 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 상기 송신기 출력으로 동시에 보내고, 상기 RF 펄스 송신기를 반사파로부터 보호하도록 구성된 4-포트 서큘레이터를 더 포함하는
    시스템.
  8. 제 6 항 및 제 7 항에 있어서,
    상기 RF 펄스 송신기는, 상기 제 2 DC 전원을 제어함으로써 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호의 전력을 제어하도록 구성된 위상 및 전력 제어기를 더 포함하는
    시스템.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신기 출력에 연결되고, 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 수신하며 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호에 의해 전력을 공급받도록 구성된 초전도 RF 가속 캐비티를 더 포함하고,
    상기 RF 펄스 송신기는 상기 SRF 가속 캐비티의 펄스 RF 가속 필드의 위상 및 진폭을 측정하도록 구성된 RF 프로브를 더 포함하고,
    상기 위상 및 전력 제어기는, 상기 펄스 RF 가속 필드의 상기 측정된 위상과 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호의 위상의 비교에 기초해서 상기 펄스 RF 가속 필드의 상기 위상을 제어하고, 상기 펄스 RF 가속 필드의 상기 측정된 위상에 기초해서 상기 펄스 RF 가속기 출력 신호의 상기 전력을 제어하도록 구성되는
    시스템.
  10. 무선 주파수(RF) 전력 생성 방법으로서,
    펄스 RF 송신기 입력 신호를 수신하는 단계와,
    제 1 자가 여자 임계 전압을 가진 제 1 마그네트론을 동작시키는 단계 - 상기 제 1 마그네트론을 동작시키는 단계는, 제 1 직류(DC) 전원을 사용해서, 상기 제 1 자가 여자 임계 전압 이하의 제 1 전압 레벨로 상기 제 1 마그네트론에 전력을 공급하는 단계와, 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호를 이용해서 내부 변조를 통해 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하는 단계를 포함함 - 와,
    상기 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 이용해서 펄스 RF 송신기 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는
    방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 이용해서 초전도 RF 가속 캐비티에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    하나 이상의 서큘레이터를 사용해서 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호로부터 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 분리하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 RF 송신기 입력 신호 및 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 측정하는 단계와,
    상기 측정의 결과를 이용해서 상기 제 1 DC 전력 공급을 제어하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  14. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    제 2 자가 여자 임계 전압을 가진 제 2 마그네트론을 동작시키는 단계 - 상기 제 2 마그네트론을 동작시키는 단계는, 제 2 DC 전원을 이용해서 상기 제 2 자가 여자 임계 전압 이하의 제 2 전압 레벨로 상기 제 2 마그네트론에 전력을 공급하는 단계와, 상기 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 이용해서 내부 변조에 의해 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 생성하는 단계를 포함함 - 와,
    상기 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호로서 송신하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    서큘레이터를 사용해서, 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호를 상기 제 1 마그네트론에, 상기 제 1 펄스 마그네트론 출력 신호를 상기 제 2 마그네트론에, 그리고 상기 제 2 펄스 마그네트론 출력 신호를 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 전송하는 출력에 동시에 보내는 단계를 더 포함하는
    방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 펄스 RF 송신기 출력 신호를 이용해서 초전도 RF(SRF) 가속 캐비티에 전력을 공급하는 단계와,
    상기 SRF 캐비티에서 펄스 RF 가속 필드의 위상 및 진폭을 측정하는 단계와,
    상기 측정의 결과를 이용해서 상기 펄스 RF 송신기 입력 신호의 위상 및 상기 제 2 DC 전원의 전압을 제어함으로써 상기 펄스 RF 송신기 출력 신호의 상기 위상 및 상기 진폭을 제어하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  17. 가속 캐비티에 전력을 공급하는 시스템으로서,
    입력 인젝션-로킹(injection-locking) 신호를 수신하고, 상기 입력 인젝션-로킹 신호가 마그네트론이 상기 마그네트론의 자가 여자에 필요한 크리티컬 전압(critical voltage) 이하인 서브크리티컬(subcritical) 캐소드 전압에서 동작하는 것을 가능하게 한다면, 상기 입력 인젝션-로킹 신호를 이용해서 인젝션-로크된 출력 신호를 생성하며, 상기 입력 인젝션-로킹 신호가 상기 마그네트론이 상기 서브크리티컬 캐소드 전압에서 동작하는 것을 가능하게 하기에 충분하지 않다면, 상기 인젝션-로크된 출력 신호를 인터럽트하도록 구성된 상기 마그네트론과,
    상기 마그네트론에 연결되어 있으며, 상기 서브크리티컬 캐소드 전압을 공급하고 상기 캐소드 전압을 제어함으로써 인젝션-로크된 출력 신호의 전력을 제어하도록 구성된 캐소드 전원 시스템
    을 포함하는 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 캐소드 전원 시스템은 상기 서브크리티컬 캐소드 전압을 공급해서 상기 입력 인젝션-로킹 신호를 제어함으로써 상기 마그네트론이 턴 온 및 턴 오프될 수 있게 하도록 구성되는
    시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 마그네트론에 직렬로 접속된 추가 마그네트론을 더 포함하고,
    상기 추가 마그네트론은 상기 인젝션-로크된 출력 신호를 수신하고, 상기 추가 마그네트론의 자가 여자에 필요한 크리티컬 전압 이하인 추가의 서브크리티컬 캐소드 전압에서 동작함으로써 추가 출력 신호를 생성하고 상기 추가 출력 신호의 전력을 제어하도록 구성되는
    시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 추가 마그네트론은, 초전도체 RF 가속 캐비티인 상기 가속 캐비티에 전력을 공급하기에 적합한 무선 주파수(RF) 펄스 신호인 상기 추가 출력 신호를 생성하도록 구성되는
    시스템.
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