WO2023075281A1 - 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 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

본 발명은 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 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.

마그네트론(Magnetron Oscillator)은 전자기파 발생 장치의 일종으로, 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 연구 개발되기 시작했다. 현재에는, 마그네트론의 특성을 이용한 산업, 국방, 의료, 환경, 과학, 에너지 분야 등에서 널리 사용되고 있다.

마그네트론은 전자빔을 발생시키는 캐소드(Cathode)와 일정한 동작 주파수를 가지는 공진회로(Resonator), 그리고 공진회로에서 발생된 전자기파를 외부로 방사시키기 위한 안테나 구조를 갖는 출력부를 포함한다. 캐소드에서 발생된 전자빔은 캐소드와 애노드(anode) 사이에 인가되는 전압에 의한 전기장과, 캐소드의 축 방향으로 인가되는 자기장에 의해, 로렌츠 힘(Lorentz Force)에 따라 각 방향으로 회전운동을 하게 된다. 이때, 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. 마그네트론은 공진을 일으키는 조건에 따라, 마이크로파(Microwave) 대역부터 테라헤르츠파(Terahertz wave) 대역까지의 전자기파를 발생시킬 수 있다.

마그네트론에서 전압과 자기장을 높이면 일정 수준 출력을 증가시킬 수 있으나, 고전압에 의한 브레이크다운(breakdown) 문제로 전압을 높이기 어렵고, 영구 자석 기반의 자기 회로를 적용하는 구조적 제약으로 인하여 높은 자기장을 얻기가 용이하지 않아 일정 수준 이상으로 출력을 증가시키기 어렵다. 그리고, 마그네트론 공진 주파수가 공진회로 구조에 의해 결정되기 때문에 마그네트론의 구조 변경으로 공진회로의 구조가 달라질 경우 공진 주파수가 변하게 되므로, 출력 증가를 위해 마그네트론 구조를 변경하는 것 역시 쉽지 않다.이에 따라, 전체 마그네트론의 구조를 유지하고 공진 주파수의 변화를 최소화하면서도 출력을 높일 수 있는 방안이 지속적으로 요구되고 있다.

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 실시예들에 따른 마그네트론은, 캐소드(cathode); 및 상기 캐소드에 대향하여 배치되는 다수의 베인(vane);을 포함하며, 상기 캐소드는 상기 다수의 베인에 대응하는 다수의 그루브(groove) 패턴을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 그루브 패턴은 양측 모서리가 대응하는 베인의 모서리와 근접하게 배치되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 다수의 그루브 패턴은 상기 다수의 베인 전부에 대응하도록 구성될 수 있다.본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 다수의 그루브 패턴은 상기 캐소드의 외주연을 따라서 일정한 주기로 배치되되, 이웃하는 2개 이상의 베인 중 하나의 베인에 대응하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 캐소드는 상기 그루브 패턴 양측에 돌기를 더 구비할 수 있다. 상기 돌기는 상기 그루브 패턴의 양측에 마련된 양각부의 모서리 부분에 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 그루브 패턴은 중심부로 갈수록 깊이가 깊어지도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 그루브 패턴은 단면 형태가 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 삼각형, 오각형 이상의 다각형, 반원, 호를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 다수의 베인의 적어도 하나는 상기 캐소드를 향해 돌출된 돌기를 더 포함할 수 있다. 상기 돌기는 상기 캐소드와 인접한 베인의 선단부 모서리 부분에 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론은, 캐소드(cathode); 및 상기 캐소드의 주변에 배치되는 다수의 공진회로(Resonator);를 포함하며, 상기 캐소드는 상기 다수의 공진회로에 대응하는 다수의 양각부를 구비할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 다수의 양각부는 상기 다수의 공진회로에 각각 개별적으로 대응하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 다수의 양각부는 이웃하는 2개 이상의 공진 회로 및 그들 사이에 위치하는 베인에 대응하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 캐소드는 상기 양각부의 모서리 부분에 배치된 돌기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론은, 캐소드(cathode); 상기 캐소드의 주변에 배치되는 베인(vane);을 포함하며, 상기 캐소드는 상기 베인에 대응하는 변형 패턴를 구비할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서, 상기 변형 패턴은 그루브 패턴 및 돌출 패턴의 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예들에 의하면, 캐소드 구조에 그루브 패턴을 구비하여 전체 마그네트론의 구조를 유지하고 공진 주파수의 변화를 최소화하면서도 출력을 효과적으로 증가시킬 수 있게 된다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 캐소드에 베인에 대응하는 그루브 패턴을 구비하여 캐소드와 베인 사이의 전기장을 변형시키고 그 세기를 증가시켜 전자빔 뭉침이 빠르게 생성되도록 하여 초기 발진 시간을 단축시킬 수 있으므로 발진 시간 지연으로 인해 초래되는 불필요한 노이즈를 제거하여 발진 출력 및 효율을 향상시킬 수 있다.

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 실시예들에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론의 구조를 예시하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론의 동작을 설명하기 위한 도면이다.도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 캐소드에 구비된 그루브 패턴의 다른 예시를 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 캐소드에 구비된 그루브 패턴의 또 다른 예시를 보여주는 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드 구조의 다른 예시를 보여주는 도면이다.

도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서 베인 구조의 다른 예시를 보여주는 도면이다.

도 7a 및 도 7b는 마그네트론에서 캐소드에 그루브 패턴을 구비하지 않는 구조와 구비하는 구조에 대한 전기장 분포 시뮬레이션 결과를 예시하는 도면이다.

도 8a 및 도 8b는 마그네트론에서 캐소드에 그루브 패턴을 구비하지 않는 구조와 구비하는 구조에 대한 전자빔 분포 시뮬레이션 결과를 예시하는 도면이다.

도 도 9는 X-band 마그네트론에서 캐소드에서의 그루브 패턴의 유무와 그루브 패턴의 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.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서의 그루브 패턴을 구비하는 캐소드의 구조를 예시하고 있다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론은, 캐소드(cathode, 20); 및 상기 캐소드(20)에 대향하여 배치되는 베인(vane, 12);을 포함하며, 상기 캐소드(20)는 상기 베인(12)에 대응하는 그루브(groove) 패턴(100)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로 살펴보면, 대략 원통 형상의 애노드(anode, 10)의 중심축 상에 캐소드(20)가 위치하고, 애노드(10)의 내벽에 설치된 다수의 베인(12)이 캐소드(20) 주변에 방사상으로 배치되어 있다.

다수의 베인(12)은 캐소드(20)와의 사이에 환 형태의 작용 공간(40)을 가지도록 캐소드(20)와 간격을 갖고 캐소드(20) 주위에 주기적으로 배치된다. 인접한 한 쌍의 베인(12)과 애노드(10) 내벽에 의해 확보된 공간에는 고주파 전계가 인가되는 공진회로(50)가 구성된다.

캐소드(20)는 원통형으로, 캐소드(20)의 외주면에는 다수의 그루브 패턴(100)이 형성되어 있다. 다수의 그루브 패턴(100)은 다수의 베인(12)에 각각 대응되며, 각각 대응하는 베인(12)과 마주하도록 배치될 수 있다. 그루브 패턴(100)의 양측에는 양각부(22)가 위치한다.

자세히 도시하지 않았지만, 베인(12)은 캐소드(20)의 축 방향(도면에 수직인 방향)으로 연장되는 형태를 가질 수 있다. 이러한 베인(12)의 구조에 대응하여 그루브 패턴(100)도 캐소드(20)의 축 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다.

이와 같이, 캐소드(20)에 그루브 패턴(100)을 형성하면 베인(12)과 캐소드(20) 사이에서 전기장이 변형되고 전기장의 세기가 국부적으로 증가하여 전자빔이 빠르게 뭉쳐지게 되므로 초기 발진 시간을 단축시킬 수 있다. 따라서, 초기 발진 시간 지연으로 인해 초래되는 불필요한 노이즈를 제거하여 발진 출력 및 효율을 향상시킬 수 있다.

그루브 패턴(100)은 양 측벽이 대응하는 베인(12)의 모서리에 근접하게 배치되도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 그루브 패턴(100)의 양 측벽을 베인(12)의 모서리에 근접하게 배치하면 베인(12)의 모서리 부분에서 전기장의 변형 및 세기 증가가 더욱 커지게 되므로 전자빔이 뭉쳐지는 속도를 더 높여줄 수 있다.

캐소드(20)의 외주연을 따라서 주기적으로 배치되는 다수의 베인(12)에 대응하여, 다수의 그루브 패턴(100)이 캐소드(20)의 외주연을 따라서 주기적으로 배치될 수 있다. 다수의 그루브 패턴(100)은 다수의 베인(12) 전부에 각각 대응하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우, 양각부(22)는 다수의 공진회로(50)에 각각 개별적으로 대응될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드를 포함하는 마그네트론의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 캐소드(20)에 전원이 인가되면 캐소드(20)로부터 다량의 전자가 방출되고, 이 전자가 베인(12)과 캐소드(20) 사이에 인가되는 전기장과, 애노드(10)의 상, 하부에 설치된 영구 자석(32,34)에 의해 캐소드(20)의 축 방향으로 인가되는 자기장에 의한 로렌츠 힘을 받아 작용 공간(40)을 주회하게 되는데, 이때 공진회로(50)에 의한 경계 조건을 만족하는 여러 개의 모드 중 발진을 위하여 사용된 특정 공진 모드와의 상호 작용으로 전자빔 뭉침이 발생하게 되어 AC 성분을 가지게 되며, 이러한 전자빔이 갖는 AC 성분에 의하여 공진회로(50) 안에서 동작 주파수를 갖는 전자기파가 발생되고, 발생된 전자기파는 안테나로 구성된 출력부를 통해 외부로 방사되게 된다

마그네트론이 밀리미터파 대역에서 동작하기 위해서는 다수의 공진 모드가 존재하는 미세 가공된 공진회로(50)를 이용하는데, 주파수가 올라갈수록 공진 모드의 수는 증가하게 되고, 이로 인해 동작 모드의 발진이 늦어지고 원하지 않는 노이즈가 발생하여 전체적인 발진 출력 및 효율이 낮아질 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서는, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 캐소드(20) 구조에 그루브 패턴을 추가하여, 베인(12)과 캐소드(20) 사이에 인가되는 전기장을 변형시키고 전기장의 세기를 증가시켜 전자빔이 빠른 속도로 뭉쳐지도록 함으로써, 초기 발진 시간을 단축시키고 불필요한 노이즈를 제거하여 마그네트론의 출력을 개선할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서는, 캐소드 구조에 그루브 패턴을 추가하여 마그네트론 구조를 전체적으로 변경하지 않아도 출력을 용이하게 개선할 수 있게 된다.

특히, 본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서는, 기존 설계된 마그네트론의 캐소드 구조에 그루브 패턴을 추가하여 용이하게 마그네트론의 출력을 개선할 수 있다는 장점을 가진다.

이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 고출력 마그네트론에서는, 기존 설계된 마그네트론에 대하여 전압 및 자기장 제어를 통한 출력 개선 수준에 비해서 향상된 수준으로 출력을 개선하는 것이 가능하다.

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

이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 고출력 마그네트론에서는, 기존 설계된 마그네트론의 구조를 전체적으로 유지하면서 캐소드 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.

도 1에는 그루브 패턴(100)이 다수의 베인(12) 전부에 대응하도록 구성된 경우를 나타내었지만, 그루브 패턴(100)은 다수의 베인(12)의 일부에 대응하도록 구성될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 캐소드에 구비된 그루브 패턴의 다른 예시를 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 다수의 베인(12) 중 절반의 베인에 대응하는 그루브 패턴(100)이 형성될 수 있다. 베인(12)은 번갈아 배치되는 다수의 제1 베인(12A) 및 다수의 제2 베인(12B)을 포함할 수 있고, 그루브 패턴(100)은 다수의 제1 베인(12A)에만 대응하도록 형성될 수 있다. 다수의 제2 베인(12B)에 대응하는 그루브 패턴은 형성되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 양각부(22)는 2개의 공진회로(50) 및 이들 사이에 위치하는 1개의 베인(12)에 대응될 수 있다.

캐소드(20)에 제1 베인(12A)에 대응하는 다수의 그루브 패턴(100)을 구성하여, 제1 베인(12A)과 그루브 패턴 사이에서 전기장을 변형시키고 전기장의 세기를 증가시켜 전자빔이 빠르게 뭉쳐지게 할 수 있으므로 초기 발진 시간을 단축시키고 불필요한 노이즈를 제거하여 발진 출력 및 효율을 향상시킬 수 있다.

도시하지 않았지만, 다수의 그루브 패턴(100)은 캐소드(20)의 외주연을 따라서 일정한 주기로 배치되되, 인접한 3개 이상의 베인(12) 중에서 하나의 베인(12)에 대응하여 형성될 수도 있다. 이 경우, 양각부(22)는 인접한 3개 이상의 공진회로(50) 및 이들 사이에 위치하는 베인(12)에 대응될 수 있다.

도 1 및 도 3에서는 그루브 패턴(100)의 깊이가 일정한 경우를 나타내었으나, 그루브 패턴(100)의 깊이는 일정하지 않을 수도 있다.

도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 캐소드에 구비된 그루브 패턴의 또 다른 예시를 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, 그루브 패턴(100)은 에지에서 중심부로 갈수록 깊이가 깊어지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 그루브 패턴(100)은 반원 구조의 단면 형상을 가질 수 있다. 도시하지 않았지만, 그루브 패턴(100)은 베인(12)과 마주하는 측벽이 오목한 호 형상일 수도 있다.

도 1, 도 3 및 도 4에서 그루브 패턴(100)의 형상이 도시되었으나, 그루브 패턴(100)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 그루브 패턴(100)의 단면 형상은 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 삼각형, 오각형 이상의 다각형, 반원, 호를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

그루브 패턴(100)의 형상 및 배치 방법 등은 마그네트론의 설계에 따라 다양하게 변경시킬 수 있으며, 이러한 변경에 의해 전기장을 변형시켜 전자빔 뭉침을 미세하게 조정할 수 있다.

베인(12)과 그루브 패턴(100) 사이의 전기장을 변형시키기 위하여, 캐소드(20) 및 베인(20)의 적어도 하나에 돌기를 추가로 형성할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 그루브 패턴을 구비하는 캐소드 구조의 다른 예시를 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 마그네트론에서 베인 구조의 다른 예시를 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 그루브 패턴(100)의 양측에 돌기(110)가 구성될 수 있다. 돌기(110)는 그루브 패턴(100) 양측에 위치하는 양각부(22)의 모서리 부분에 배치될 수 있다. 이와 같이, 그루브 패턴(100)의 양측에 돌기(110)를 구성하여 전기장을 변형시키어 전자파 뭉침을 미세하게 조정할 수 있다.

도 6을 참조하면, 캐소드(20)에 대향하는 베인(12)의 선단부에 돌기(14)가 구성될 수 있다. 예시적으로, 돌기(14)는 베인(12)의 양측 모서리 부분에서 캐소드(20)를 향해 돌출되도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 베인(12)의 선단부에 돌기(14)를 구성함으로써, 전기장을 변형시켜 전자파 뭉침을 미세하게 조정할 수 있다.

한편, 도 5 및 도 6에서는, 캐소드(20) 및 베인(12)의 어느 하나에만 돌기를 구성한 경우를 나타내었지만, 캐소드(20) 및 베인(12) 모두에 돌기를 구성할 수도 있다.

이상, 도면을 참조로 하여 설명된 실시예들에서는 전기장 변형을 위하여 캐소드(20)에 베인(12)에 대응하는 그루브 패턴(100)을 형성하였으나, 그루브 패턴(100) 외에 전기장 변형을 일으킬 수 있는 다른 변형 패턴을 형성하여도 유사한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 도시하지 않았지만 캐소드(20)에 다수의 베인(12)에 대응하는 다수의 돌출 패턴을 형성할 수도 있다. 이러한 변형 패턴의 형태는 마그네트론의 설계에 따라 변경할 수 있다.

이와 같이, 캐소드에 베인에 대응하는 변형 패턴을 형성하면 베인과 캐소드 사이에서 전기장이 변형되고 그 세기가 증가하여 전자빔이 보다 빠르게 뭉쳐지게 되므로 초기 발진 시간을 단축시킬 수 있다. 따라서, 발진 시간 지연으로 인해 초래되는 원하지 않는 노이즈를 제거하여 발진 출력 및 효율을 향상시킬 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 마그네트론에서 캐소드에 그루브 패턴을 구비하지 않는 구조와 캐소드에 그루브 패턴을 구비하는 구조에 대한 전기장 분포의 시뮬레이션 결과를 예시하는 도면이고, 도 8a 및 도 8b는 마그네트론에서 캐소드에 그루브 패턴을 구비하지 않는 구조와 구비하는 구조에 대한 전자빔 분포의 시뮬레이션 결과를 예시하는 도면이다.

보다 구체적으로, 도 8a 및 도 9a는 마그네트론에서 캐소드에 그루브 패턴을 구비하지 않는 구조에 대한 전기장 및 전자빔 분포의 시뮬레이션 결과이고, 도 8b 및 도 9b는 마그네트론에서 캐소드에 그루브 패턴을 구비하는 구조에 대한 전기장 및 전자빔 분포의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 중에, 그루브 패턴의 유무를 제외한 다른 조건은 두 비교 대상에 동일하게 적용하였다.

도 7a 및 도 7b를 대비해 보면, 캐소드에 그루브 패턴을 구비하는 구조(도 7b)에서의 전기장(E2)이, 캐소드에 그루브 패턴을 구비하지 않는 구조(도 7a)에서의 전기장(E1)보다 더 짙은 색으로 표시되는 것을 확인할 수 있다. 이는 E2가 E1보다 크다는 것을 의미한다.

그리고, 도 8a 및 도 8b를 대비해 보면, 캐소드에 그루브 패턴을 구비하지 않는 구조(도 8a)에서는 전자빔이 이제 뭉치기 시작하여 전자빔 뭉치(EB1)의 크기가 작은 반면에, 같은 시간 동안에 캐소드에 그루브 패턴을 구비하는 구조(도 8b)에서는 전자빔 뭉침이 상당히 진행되어 전자빔 뭉치(EB2)의 크기가 큰 것을 확인할 수 있다.

도 7a 내지 도 8b의 시뮬레이션 결과에서 보듯이, 본 발명의 실시예들에 하면 캐소드에 베인에 대응하는 그루브 패턴을 형성하여 베인과 캐소드 사이의 전기장을 변형시키고 그 세기를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 전자빔이 빠른 속도로 뭉쳐지게 되므로 초기 발진 시간을 단축시킬 수 있고, 불필요한 노이즈를 제거하여 발진 출력 및 효율을 향상시킬 수 있다.

도 10은 X-band 마그네트론에서 캐소드에서의 그루브 패턴의 유무와 그루브 패턴의 폭에 따른 X-band 마그네트론의 발진 특성을 보여주는 도면이다.

여기서, 도 9의 (a)는 그루브 패턴이 없는 캐소드를 구비하는 경우를 나타내고, 도 9의 (b)는 0.8mm 폭의 그루브 패턴이 있는 캐소드를 구비하는 경우를 나타내고, 도 9의 (c)는 1.0mm 폭의 그루브 패턴이 있는 캐소드를 구비하는 경우를 나타낸다.

도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 그루브 패턴이 없는 캐소드를 구비하는 경우(도 9의 (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 9의 (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, 1.0mm 폭의 그루브 패턴이 있는 캐소드를 구비하는 경우(도 9의 (c)) 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 패턴을 구비하여, 기존 설계된 마그네트론의 구조를 전체적으로 유지하면서 캐소드구조만을 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.

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본 특허출원은 2021년 10월 27일 한국에 출원한 특허출원번호 제10-2021-0144694호에 대해 미국 특허법 119(a)조 (35 U.S.C §에 따라 우선권을 주장하며, 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다. 아울러, 본 특허출원은 미국 이외의 국가에 대해서도 위와 동일한 이유로 우선권을 주장하며 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다.

Claims (16)

1. 캐소드(cathode); 및

   상기 캐소드에 대향하여 배치되는 다수의 베인(vane);을 포함하며,

   상기 캐소드는 상기 다수의 베인에 대응하는 다수의 그루브(groove) 패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
2. 제1항에 있어서,

   상기 그루브 패턴은 양측 모서리가 대응하는 베인의 모서리와 근접하게 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
3. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 그루브 패턴은 상기 다수의 베인 전부에 각각 대응하도록 구성된 것을 특징으로 하는 마그네트론.
4. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 그루브 패턴은 상기 캐소드의 외주연을 따라서 일정한 주기로 배치되되, 이웃하는 2개 이상의 베인 중 하나의 베인에 대응하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
5. 제1항에 있어서,

   상기 캐소드는 상기 그루브 패턴의 양측에 돌기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
6. 제5항에 있어서,

   상기 돌기는 상기 그루브 패턴의 양측에 마련된 양각부의 모서리 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
7. 제1항에 있어서,

   상기 그루브 패턴은 단면 형태가 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 삼각형, 오각형 이상의 다각형, 반원, 호를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
8. 제1항에 있어서,

   상기 그루브 패턴은 중심부로 갈수록 깊이가 깊어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 마그네트론.
9. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 베인의 적어도 하나는 상기 캐소드를 향해 돌출된 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
10. 제9항에 있어서,

    상기 돌기는 상기 캐소드와 인접한 베인의 선단부 모서리 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
11. 캐소드(cathode); 및

    상기 캐소드의 주변에 배치되는 다수의 공진회로(Resonator);를 포함하며,

    상기 캐소드는 상기 다수의 공진회로에 대응하는 다수의 양각부를 구비하는 마그네트론.
12. 제11항에 있어서,

    상기 다수의 양각부는 상기 다수의 공진회로에 각각 개별적으로 대응하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
13. 제11항에 있어서,

    상기 다수의 양각부는 이웃하는 2개 이상의 공진 회로 및 그들 사이의 베인에 대응하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
14. 제11항에 있어서,

    상기 캐소드는 상기 양각부의 모서리 부분에 배치된 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.
15. 캐소드(cathode); 및

    상기 캐소드의 주변에 배치되는 베인(vane);을 포함하며,

    상기 캐소드는 상기 베인에 대응하는 변형 패턴를 구비하는 마그네트론.
16. 제15항에 있어서,

    상기 변형 패턴은 그루브 패턴 및 돌출 패턴의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론.

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