[논문]전자빔 다이오드 구조개선에 의한 대전력 후진파발진기의 구현

김원섭

doi:10.4313/jkem.2009.22.10.897

전자빔 다이오드 구조개선에 의한 대전력 후진파발진기의 구현
Implementation of a High Power Backward Wave Oscillator on Electron Beam Diode Structure Improvement 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.22 no.10, 2009년, pp.897 - 903

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We have designed the backward wave oscillator. A power-pulsed generator oscillated at 24 GHz has higher frequency than current one. It is very inportant to prevent microwave from going into the beam diode, since intence microwave will harmfully affect beam generation. Due to the axial mode operation, there exist a critial value of beam energy for the oscillation. By changing the condition at the SWS end, an enhanced performance of the K-band oversized BWO is observed in a low magnetic field region about 0.8T.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

종래의 후진파발진기의 실험결과를 보면 8GHz 대의 낮은 주파수 범위에서 이루어졌는데 아직 발진의 안정성과 긴 펄스화의 발생이 미흡하다. 따라서 본 연구에서는 지금까지의 연구결과보다 높은 주파수 대인 24 GHz 이상에서발진하도록 전자빔의 질을 향상시키기 위하여 다이오드 제작에 주력하였다[6]. 다이오드는 원형으로 컵 모양을 하고 있으며 전자빔이 균일한 모양으로 발생하도록 유전체 조직인 벨벳을 부착하여 실험하였으며, 이를 이용하여 실험한 결과 비교적 양질의 전자빔이 발생되어 전파함으로서 충돌 전리 단면적의 증가와 밀도 증가가 이루어졌다.
본 연구에서는 대 전력 펄스 파워 발생기의 개발을 위하여 후진파발진기를 설계·제작하였다.
다이오드는 원형으로 컵 모양을 하고 있으며 전자빔이 균일한 모양으로 발생하도록 유전체 조직인 벨벳을 부착하여 실험하였으며, 이를 이용하여 실험한 결과 비교적 양질의 전자빔이 발생되어 전파함으로서 충돌 전리 단면적의 증가와 밀도 증가가 이루어졌다. 이에 따라 발진의 안정화, 롱 펄스의 발생, 발진효율 증대, 출력증대 등을 통한 24 GHz대에서 발진하는 후진파발진기에서 대전력 마이크로파 출력을 발생시킬 수 있어 본 연구의 목표를 달성 할 수 있었다.

가설 설정

다이오드는 양극과 음극으로 구성되며 고 전압을 인가하여 미세한 돌기로부터 전자가 방출된다. 따라서 본 실험은 그림 4(a)과 같은 다이오드를 제작하였고 또한 그림 4(b)와 같은 벨벳을 부착하여 음극 표면의 미세돌기로부터 표면 경계에서 전자 빔의 발생이 용이하다. 따라서 그림 5와 같은 전자빔이 발생되는 형태를 얻었으며 측정에는 전자 빔이 발생 순간 진공관 내에 감열지를 이용하여 종이에 나타난 형상을 측정하였다.

제안 방법

따라서 본 실험은 그림 4(a)과 같은 다이오드를 제작하였고 또한 그림 4(b)와 같은 벨벳을 부착하여 음극 표면의 미세돌기로부터 표면 경계에서 전자 빔의 발생이 용이하다. 따라서 그림 5와 같은 전자빔이 발생되는 형태를 얻었으며 측정에는 전자 빔이 발생 순간 진공관 내에 감열지를 이용하여 종이에 나타난 형상을 측정하였다. 그림 5의 결과에서 밸벳 유전체를 부착했을 때 전자 빔의 폭이 더 크게 생성된 것은 벨벳이 표면의 미세한 구조사이에 전자를 모아서 전자 빔을 방출하는 역할을 하며 3중점 효과에 의하여 전자 빔의 발생이 용이해지기 때문이다.
본 연구에서 지금까지의 마이크로파 발진 실험에서 K-band 후진파발진기는 약 24 GHz의 범위내에서 실험을 하여 출력은 약 130 kW가 얻어졌고 또 40 GHz대의 범위에서 발진하는 Q-band 후 진파발진기는 마이크로파 출력이 약 200 kW의 발진출력을 관측하였다. 이것을 그림 8의 그림으로 표시하였다.
그림 4(a)에는 설계 제작한 다이오드 모형이고 그림 4(b)는 음극의 표면에 부착된 벨벳에 대하여 나타냈다. 지금까지 원통형, 원뿔형, 테이퍼형등 여러가지 형태의 다이오드를 이용하여 전자 빔을 발생시켜 실험하였으나[8], 균일한 전자 빔의 밀도와 질적인 면에서 만족한 효과를 얻지 못했으므로, 본연구에서는 양질의 전자 빔을 발생시킬 수 있는 컵 모양의 다이오드를 제작하였다. 그림 4(a)에서 보면 음극과 양극은 약 25 mm이고 전자빔의 반경은 24 mm에서 최대 28 mm까지 범위를 정하였다.
그림 10. 지파도파관의 발진 출력 특성 분석.
도파관의 끝에는 전자 빔을 회수하기 위한 역 테이퍼 모양의 금속 혼이 부착되어 있고 도파관이 들어있는 진공 파이프 끝에는 유리창 모양의 플랜지를 부착하여 마이크로파를 출력 시킨다. 출력부 전체는 전파 흡수체에 의하여 감싸있고 마이크로파 수신용 안테나와 동축 도파관 변환기가 놓여 있으며 마이크로파 출력 파형은 오실로스코프를 이용하여 관찰한다. 후진파발진기에서는 전자 빔과 전자계와의 상호작용에 의하여 마이크로파 출력이 얻어지는데 전자빔 발생이 중요하다[7].

대상 데이터

도파관의 크기는 20주기를 이용하였으며 자계 B=0.8T이고 음극은 컵 모양의 형상을 이용하였으며 음극과 양극간 거리는 9 mm에 밸벳을 부착하였다.

데이터처리

표 2. 실험 결과와 X-band 후진파발진기의 비교.

성능/효과

결과를 보면 전자 빔의 반경과 발진 주파수, 그리고 빔 에너지가 본 연구결과가 더 크며 정해진 길이에서 발진조건을 결정하는 시간적 성장률은 작지만 공간적 성장률에 대한 결과는 차이가 나지 않았다. 따라서 본 연구결과를 활용하면 작고 간단하며 효율 좋은 대 전력 마이크로파 출력장치를 만들 수 있을 것으로 생각되며 이를 이용하면 차세대 에너지개발 및 재료가공과 핵융합 가열장치등 많은 응용분야에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
다음은 그림 5에 발생된 전자 빔의 단면도에 대하여 나타냈다. 금속으로 제작된 음극에서 발생되는 전자 빔의 형태는 음극의 형상에 따라 여러 형태로 발생되며 유전체의 벨벳이 없는 것은 균열된 모양으로 발생되지만 벨벳을 부착하여 전자 빔을 발생시켰을 때 균질한 형태를 얻을 수 있었다. 전자 빔의 크기는 설계대로 24∼28 mm였으며 전자빔의 두께가 크면 전자파와의 작용할 수있는 폭이 넓어져 에너지의 교환이 쉽게 이루어질 수 있다[9,10].
따라서 본 연구에서는 지금까지의 연구결과보다 높은 주파수 대인 24 GHz 이상에서발진하도록 전자빔의 질을 향상시키기 위하여 다이오드 제작에 주력하였다[6]. 다이오드는 원형으로 컵 모양을 하고 있으며 전자빔이 균일한 모양으로 발생하도록 유전체 조직인 벨벳을 부착하여 실험하였으며, 이를 이용하여 실험한 결과 비교적 양질의 전자빔이 발생되어 전파함으로서 충돌 전리 단면적의 증가와 밀도 증가가 이루어졌다. 이에 따라 발진의 안정화, 롱 펄스의 발생, 발진효율 증대, 출력증대 등을 통한 24 GHz대에서 발진하는 후진파발진기에서 대전력 마이크로파 출력을 발생시킬 수 있어 본 연구의 목표를 달성 할 수 있었다.
그림 5의 결과에서 밸벳 유전체를 부착했을 때 전자 빔의 폭이 더 크게 생성된 것은 벨벳이 표면의 미세한 구조사이에 전자를 모아서 전자 빔을 방출하는 역할을 하며 3중점 효과에 의하여 전자 빔의 발생이 용이해지기 때문이다. 또 본 장치의 실험결과에서 보듯이 비교적 약한 전계에서도 마이크로파 발진 출력을 측정하였을 경우 가스를 이용하여 플라즈마를 발생하였을 때는 플라즈마 효과에 의하여 비교적 균일하고 용이하게 전자방출이 된 것을 알 수 있었다. 벨벳은 미세한 털이 있는 융 모양의 헝겊과 같은 재질로서 가열에 약하고 소모품이므로 보다 더 긴 펄스를 생성하기 위해서는 재질에 대하여 앞으로 개선해야할 과제다.
또한 생성된 플라즈마에 의하여 마이크로파 출력이 증대되는것을 확인하였으며 이는 발진시간이 증대되는 경향을 알았다.
여기서 볼 때 축 방향의 모-드 변화에 따른 출력 변화는 크게 나타나지 않았으며 이것은 π 모-드에 가까울수록 군 속도의 절대치가 작아져 축방향 모드의 분포가 높은 밀도를 갖게 되는 부분에서 발진이 일어나는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 대 전력 펄스 파워 발생기의 개발을 위하여 후진파발진기를 설계·제작하였다. 연구 결과를 종합하면 균일하고 보다 좋은 양질의 전자 빔을 발생시켜 마이크로파 출력을 얻기 위하여 다이오드를 컵 모양으로 개선하였으며 그 결과 양질의 전자빔을 얻어 마이크로파 출력을 증대시켰다. 이것은 컵모양의 다이오드에 밸벳을 부착시켜 전자 빔을 발생케하여 전자파와의 상호작용의 효과를 가져와 빔 에너지 80 kV에서 주파수 24 GHz부근에서 최대출력 500 kW를 얻었다.
이 그림에서 음극전압은 상대론적인 전자 빔을 이용하여 전자파와의 에너지의 교환에 의한 발진이 일어나기 때문에 발진 주파수가 긴 펄스를 만드는 것이 중요하다. 위의 실험결과 그림 6에서 보면 펄스 폭이 약 100ns정도의 결과가 얻어졌으며 이는 다이오드의 형태에의한 동작이 개선된 것으로 판단 할 수 있고,또한 전자 빔의 전류의 시간 간격의 차이는 200ns 정도로 미세함을 알 수 있어 음극에서 발생된 전자 빔이 양호한 것을 알 수 있다. 그림 7은 가스를 이용하여 플라즈마의 생성 효과에 의한 마이크로파 출력을 나타냈다.

후속연구

결과를 보면 전자 빔의 반경과 발진 주파수, 그리고 빔 에너지가 본 연구결과가 더 크며 정해진 길이에서 발진조건을 결정하는 시간적 성장률은 작지만 공간적 성장률에 대한 결과는 차이가 나지 않았다. 따라서 본 연구결과를 활용하면 작고 간단하며 효율 좋은 대 전력 마이크로파 출력장치를 만들 수 있을 것으로 생각되며 이를 이용하면 차세대 에너지개발 및 재료가공과 핵융합 가열장치등 많은 응용분야에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
또 본 장치의 실험결과에서 보듯이 비교적 약한 전계에서도 마이크로파 발진 출력을 측정하였을 경우 가스를 이용하여 플라즈마를 발생하였을 때는 플라즈마 효과에 의하여 비교적 균일하고 용이하게 전자방출이 된 것을 알 수 있었다. 벨벳은 미세한 털이 있는 융 모양의 헝겊과 같은 재질로서 가열에 약하고 소모품이므로 보다 더 긴 펄스를 생성하기 위해서는 재질에 대하여 앞으로 개선해야할 과제다.
플라즈마를 이용하여 대전력 마이크로파 출력에 있어 PFL에 의한 펄스를 발생시켜 동작시키는데 있어 도중에 순간적으로 발진이 정지하는 현상이 발생하였다. 이것은 상대론적 전자 빔을 이용한 경우 전극간에 플라즈마가 순간적으로 생성될 때 발생하는 현상으로 생각할 수 있는데 이것을 없애기 위하여 전자 빔과 밸벳에 의한 양극의 플라즈마 충돌과 음극에 쌓은 플라즈마를 생각할 수 있어 다음 실험에서 보다 더 좋은 결과를 낼 수 있어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대 전력 마이크로파 발생장치는 무엇이 있는가?	대 전력 마이크로파 발생장치는 전자사이크로트론, 쟈이로트론, 크라이스트론, 마그네트론, 후진파발진기, 진행파관 등이 있다. 그중에서도 후진파발진기(Backward Wave Oscillator:BWO)는 전자빔을 축 방향과 평행으로 전파시켜 마이크로파를 발생시키는 원리에 의하여 간단하면서도 콤팩트한 장치의 하나로서 연구 개발 되고 있다[1].
	후진파발진기는 어떤 작용에 의해 입자의 가, 감속의 변화가 일어나는가?	따라서 여러 가지 형태의 주기구조를 갖는 도파관을 이용하여 전자파의 위상 속도를 광속도 보다 느리게 함으로서 전자빔과 상호작용이 가능하게 되는데 이원리가 바로 후진파 발진기의 원리다. 후진파 발진기는 전자빔이 지파도파관(Slow wave Structure : SWS) 에 축 방향으로 전파하여 수직으로 된 전자계 성분과 상호작용에 의하여 입자의 가,감속의 변화가 일어난다[2,3]. 여기서 전자빔과 SWS의 대칭축 방향으로 전계성분 전파에 필요한 모-드는 전자파 TM01 모드이다[4,5].
	후진파발진기란?	대 전력 마이크로파 발생장치는 전자사이크로트론, 쟈이로트론, 크라이스트론, 마그네트론, 후진파발진기, 진행파관 등이 있다. 그중에서도 후진파발진기(Backward Wave Oscillator:BWO)는 전자빔을 축 방향과 평행으로 전파시켜 마이크로파를 발생시키는 원리에 의하여 간단하면서도 콤팩트한 장치의 하나로서 연구 개발 되고 있다[1]. 일반적으로 평면 도파관에서는 전자파의 전파속도인 위상속도가 광 속도보다 빠르거나 거의 같지만 전자빔의 속도는 광속도 보다 늦으므로 전자파와 전자빔의 결합이 약하여 에너지의 변화가 일어나기 어렵다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
K. Ogura, Y. Miyazawa, H. Tanaka, Y. Kiuchi, S. Aoyama, and A. Sugawara, "Weakly relativistic K-band oversized backward wave oscillator with bragg reflector at beam entrance of slow wave structure", Plasma Fusion Res., Vol. 2, No. S1041, 2007.

상세보기
S. Kobayashi, M. Botton, Y. Carmel, T. M. Antonsen, J. Rodgers, A. G. Shkvarunets, and V. L. granatstein, "Electromagnatic properties of periodic cavities coupled aq radiating antenna", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 26, p. 947, 1998.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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