KR20230060217A - 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고출력 마그네트론에서 캐소드 구조에 그루브(Groove) 패턴을 구비하여, 전체 마그네트론의 구조를 유지하고 공진 주파수의 변화를 최소화하면서도 출력을 개선할 수 있는 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론에 관한 것이다.
본 발명에서는, 고출력 마그네트론에 있어서, 캐소드(cathode); 및 상기 캐소드에 대향하여 배치되는 베인(vane);을 포함하며, 상기 캐소드에는 상기 베인에 대응하는 그루브(groove) 패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네트론을 개시한다.

Description

그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론 {Magnetron including cathode with groove pattern}

본 발명은 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고출력 마그네트론에서 캐소드 구조에 그루브(Groove) 패턴을 구비하여, 전체 마그네트론의 구조를 유지하고 공진 주파수의 변화를 최소화하면서도 출력을 개선할 수 있는 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론에 관한 것이다.

전자기파 발생 장치는 마그네트론(Magnetron Oscillator)과 같이 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되는 교차장이 존재하는 고진공 속에서 발생된 전자빔의 전기 에너지를 고출력 전자기파(Electromagnetic Wave) 에너지로 변환하여 방사하는 장치이다.

이러한 마그네트론은 1930년대 최초로 고안되었으며, 제2차 세계대전을 기점으로 레이더(Radar) 응용을 위해 영국과 미국을 중심으로 본격적으로 연구개발되기 시작했다. 현재에는, 마그네트론의 특성을 이용한 산업, 국방, 의료, 환경, 과학, 에너지 분야 등에서 널리 사용되고 있다.

마그네트론은 전자빔을 발생시키는 음극(Cathode)과 일정한 동작 주파수를 가지는 공진회로(Resonator), 그리고 공진회로에서 발생된 전자기파를 외부로 방사시키기 위한 안테나 구조를 갖는 출력부로 구성될 수 있다. 예를 들어, 음극과 양극 사이에 인가되는 전압에 의한 전기장과, 축 방향으로 인가되는 자기장에 의해, 음극에서 발생된 전자빔은 로렌츠 힘(Lorentz Force)에 따라 각 방향으로 회전운동을 하게 된다. 이 때, 회전 운동하는 전자빔은 공진회로와 특정 주파수에서 공진이 일어나고, 이를 통해 공간적으로 뭉치게 되어 AC 성분을 가지게 된다.

이러한 전자빔이 갖는 AC 성분에 의하여 공진회로 안에서 동작 주파수를 갖는 전자기파가 발생되고, 발생된 전자기파는 안테나로 구성된 출력부를 통해 외부로 방사된다. 마그네트론에서 발생되는 전자기파의 주파수는 공진을 일으키는 조건에 따라, 마이크로파(Microwave) 대역부터 테라헤르츠파(Terahertz wave) 대역까지의 전자기파를 발생시킬 수 있다.

그런데, 마그네트론에서 전압과 자기장을 높이면서 일정 수준 출력을 증가시킬 수 있으나, 고전압에 의한 브레이크다운(breakdown) 문제와 영구 자석 기반의 자기 회로를 적용하는 구조적 제약으로 인하여 보다 높은 자기장을 얻기가 용이하지 않다는 문제점이 있다.

이에 따라, 전체 마그네트론의 구조를 유지하고 공진 주파수의 변화를 최소화하면서도 출력을 높일 수 있는 방안이 지속적으로 요구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0111784호(2013년 10월 11일 공개)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 전체 마그네트론의 구조를 유지하고 공진 주파수의 변화를 최소화하면서도 출력을 개선할 수 있는 마그네트론을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그 외 본 발명의 세부적인 목적은 아래에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론은, 고출력 마그네트론에 있어서, 캐소드(cathode); 및 상기 캐소드에 대향하여 배치되는 베인(vane);을 포함하며, 상기 캐소드에는 상기 베인에 대응하는 그루브(groove) 패턴을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론에서는, 캐소드 구조에 그루브(Groove) 패턴을 구비하여 전체 마그네트론의 구조를 유지하고 공진 주파수의 변화를 최소화하면서도 출력을 효과적으로 증가시킬 수 있게 된다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시 예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론의 구조를 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론에서 캐소드에 그루브 패턴을 구비하는 구조와 구비하지 않는 구조에 대한 전기장 분포와 전자빔 시뮬레이션 결과를 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 적용한 X-band 마그네트론의 구조를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론에서 캐소드에서의 그루브 패턴의 유무와 그루브 폭에 따른 X-band 마그네트론의 발진 특성을 예시하는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.

이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

종래 통상의 고출력 마그네트론의 경우 산업뿐만 아니라 의료 등 광범위한 영역에서 사용되고 있다.

보다 구체적인 예를 들어, 최근 고출력 마그네트론 기반의 선형가속기(LINAC)는 비파괴 검사뿐만 아니라 의료용 암치료기 등에 활용되고 있다.

그런데, 상기 선형가속기를 구동하기 위해서는 고출력의 RF(Radio Frequency) 소스가 필요하게 된다.

보다 구체적으로, 고출력 RF 소스로서 클리노트론(Clinotron)과 마그네트론(Magnetron)이 가장 널리 활용되고 있으며, 특히 소형 고출력의 마그네트론은 장비와의 결합이 용이하다는 장점을 가지고 있다.

이때, 이러한 고출력 마그네트론은 다양한 주파수 발진이 가능(S-band, C-band, X-band 등)하다.

그런데, 고출력 마그네트론에서 높은 출력을 얻기 위해서는 높은 전압과 자기장이 요구되나, 높은 전압과 자기장 만으로는 일정 수준 출력을 증가시키는데 한계를 가지게 된다.

보다 구체적으로, 고출력 마그네트론에서는 고전압에 의한 브레이크다운(breakdown) 문제와 영구 자석 기반의 자기 회로를 적용하는 구조적 제약으로 인하여 보다 높은 자기장을 얻기가 어렵고, 마그네트론 발진 주파수(공진 주파수)는 공진 회로 구조에 의해 결정됨에 따라 구조적으로 변화하는데 한계를 가지게 된다.

이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론에서는 고출력 마그네트론에서 캐소드 구조에 그루브(Groove) 패턴을 구비하여, 전체 마그네트론의 구조를 유지하고 공진 주파수의 변화를 최소화하면서도 출력을 개선할 수 있게 된다.

보다 구체적으로 도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 마그네트론에서의 그루브 패턴을 구비하는 캐소드의 구조를 예시하고 있다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 마그네트론은, 캐소드(cathode); 및 상기 캐소드에 대향하여 배치되는 베인(vane);을 포함하며, 상기 캐소드에는 상기 베인에 대응하는 그루브(groove) 패턴을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 마그네트론에서는, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 캐소드(Cathode) 구조에 그루브(Groove) 패턴을 추가하여 마그네트론의 출력을 개선할 수 있게 된다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 마그네트론에서는, 전체 구조의 변경 없이도 출력을 용이하게 개선할 수 있게 된다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 마그네트론에서는, 기존 설계된 마그네트론의 캐소드(Cathode) 구조에 그루브(Groove) 패턴을 추가하여 용이하게 마그네트론의 출력을 개선할 수 있다는 장점을 가진다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 마그네트론에서는, 기존 설계된 마그네트론에 대하여 전압 및 자기장 제어를 통한 출력 개선보다 용이하게 출력을 개선하는 것이 가능다다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 마그네트론에서는, 기존 설계된 마그네트론의 구조를 전체적으로 유지하면서 캐소드(Cathode) 구조만을 변경하여 적용 가능하며, 본 발명에 따라 캐소드 구조를 변경하더라도 이에 따른 동작 주파수의 변화도 1% 미만으로 거의 변화가 없이 적용이 가능하게 된다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 마그네트론에서는, 기존 설계된 마그네트론의 구조를 전체적으로 유지하면서 캐소드(Cathode) 구조만을 변경함으로써 출력을 17% 이상 개선 가능하며, 이때 동작 주파수의 변화는 0.15% 이내로 거의 변화 없이 유지 가능하며, 나아가 초기 발진 안정화도 빠르다는 장점도 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트론에서, 캐소드에 그루브 패턴을 구비하지 않는 구조(도 2의 (a))와 캐소드에 그루브 패턴을 구비하는 구조(도 2의 (b))에 대한 전기장 분포와 전자빔 시뮬레이션 결과를 예시를 도시하고 있다.

또한, 도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 적용한 X-band 마그네트론의 구조를 예시하고 있다.

나아가, 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 적용한 X-band 마그네트론에서, 캐소드에서의 그루브 패턴의 유무와 그루브 폭에 따른 X-band 마그네트론의 발진 특성을 예시하고 있다.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 적용한 X-band 마그네트론에서는, 그루브 패턴이 없는 캐소드를 구비하는 경우(도 4의 (a)) 피크 전압이 40.7kV이고 피크 전력이 2.04MW이며, 이때 공진 주파수는 2.9823GHz인데 반하여, 0.8mm 폭의 그루브 패턴이 있는 캐소드를 구비하는 경우(도 4의 (b)) 피크 전압이 44.0kV이고 피크 전력이 2.38MW이며, 이때 공진 주파수는 2.9855GHz로서, 출력이 117%까지 증가하면서도 공진 주파수는 단지 3.2MHz 증가하는데 그치고 있다.

또한, 도 4의 (c)에서는 1.0mm 폭의 그루브 패턴이 있는 캐소드를 구비하는 경우를 예시하고 있으며, 이때는 피크 전압이 45.2kV이고 피크 전력이 2.51MW이며, 이때 공진 주파수는 2.9862GHz로서, 출력이 123%까지 증가하면서도 공진 주파수는 단지 3.9MHz 증가하는데 그쳤음을 알 수 있다

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론에서는, 고출력 마그네트론에서 캐소드 구조에 그루브(Groove) 패턴을 구비하여, 기존 설계된 마그네트론의 구조를 전체적으로 유지하면서 캐소드(Cathode) 구조만을 변경함으로써 출력을 17% 이상 개선 가능하며, 이때 동작 주파수의 변화는 0.15% 이내로 거의 변화 없이 유지 가능하며, 나아가 초기 발진도 빠르게 안정화시킬 수 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 마그네트론치
110 : 캐소드
111 : 그루브
120 : 베인

Claims (1)

1. 고출력 마그네트론에 있어서,
   캐소드(cathode); 및
   상기 캐소드에 대향하여 배치되는 베인(vane);을 포함하며,
   상기 캐소드에는 상기 베인에 대응하는 그루브(groove) 패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
   

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