가속기 발진기

마지막 업데이트: 2022년 3월 24일 | 0개 댓글
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▲ 전기연구원이 개발한 고출력·고효율 마그네트론 발진기.

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모든 물질의 가장 기본이 되는, 현재까지 밝혀진 물질단위는 1964년 겔만(1929~ )이 제안한 쿼크이론이다. 쿼크이론의 실험은 입자가속기의 도움으로 가능하게 된 것이다. 과학계의 이슈인 힉스입자나 빛보다 빠른 것의 존재에 대한 연구 뒤에는 입자가속기라는 거대 장치가 있다.

원자핵을 분석할 때 원자핵을 더 작게 나누기 위해서 입자가속기가 쓰인다. 구성 물질을 알아내기 위해 인위적으로 양성자나 전자와 같은 입자를 가속시켜 원자핵과 충돌시킨 후, 입자들의 운동에너지, 위치, 운동량 등을 조사하게 되는데, 이와 같이 전하를 띤 입자를 전기장과 자기장에 의해 가속시키는 장치가 입자가속기이다.

입자가속기에 의해 큰 운동에너지를 얻은 입자들은 다른 입자들과 충돌하여 새로운 소립자들을 만들어 내는데, 이러한 소립자들의 물리량을 분석하면 가속기 발진기 입자를 구성하는 물질들을 알아낼 수 있다.

전하를 띤 입자 양쪽에 전위차를 걸어 주면 입자는 전위차에 의해 힘을 받아 한 쪽으로 가속되는데, 입자가속기는 이런 원리에 의해 지속적으로 입자를 가속시켜 입자의 속력을 광속에 가깝게 증가시킬 수 있다.

가속 방식에 따라 선형 가속기, 원형 가속기로 나눌 수 있다.

선형 가속기에는 저에너지 선형 가속기(밴 더 그래프 가속기)와 고에너지 선형 가속기가 있는데,

밴 더 그래프 가속기는 가속시키고자 하는 입자를 고전압에 한 번 통과시켜 입자를 단숨에 가속하는 방식이다.

고에너지 선형 가속기는 가속시키고자 하는 입자를 비교적 낮은 전압에 반복적으로 통과시켜 고에너지를 얻어내는 방식이다.

대표적인 선형 가속기로는 길이가 3.2km이고, 전자의 에너지를 20GeV 이상 높일 수 있는 스탠퍼드 선형 가속기를 가속기 발진기 들 수 있다. 이 장치로 리히터(Burton Richter, 1931~)는 1974년에 참 쿼크(charm quark)를 발견하였으며, 그 공로를 인정받아 1976년 노벨물리학상을 받았다.

스탠퍼드 선형 가속기. 길이가 3.2km, 전자의 에너지를 20GeV 이상 높일 수 있는, 대표적인 선형 가속기다.

일반적으로 선형 가속기는 원형 가속기에 비해, 고르고 센 입자 빔을 얻을 수 있고, 제동복사에 의한 에너지 손실이 적은 장점이 있지만, 가속시키고자 하는 입자의 에너지가 커질수록 가속기의 길이가 늘어나야 하는 한계가 있다.

그래서 이러한 한계를 보완하여 개발된 것이 한정된 공간에서 가속기 발진기 입자가 나선(사이클로트론)이나 원형(베타트론, 싱크로트론)으로 돌면서 가속되는 원형 가속기이다.

과천과학관에 전시된 원형가속기

사이클로트론(Cyclotron)은 전하를 띤 입자가 균일한 자기장 속에서 로렌츠 힘을 받으면 원운동을 한다는 사실을 이용하였다. 즉, 균일한 자기장 속에서 원운동을 하는 입자의 회전 주기에 맞추어 고주파 전압(짧은 시간 동안 방향이 계속 바뀌는 전압)을 가하면 입자가 가속되는 방식이다. 1929년 미국의 물리학자 로렌스(Ernest Orlando Lawrence, 1901~1958)가 개발하였으며, 1930년에는 양성자를 80keV까지 가속시킬 수 있는 장치를 만들었다.

베타트론(Betatron)은 변화하는 자기장이 만드는 유도 기전력을 이용하여 입자를 가속시키는 방식이다. 즉, 원형의 전자석이 있는 극 사이에 도넛형 가속관을 설치하고, 전자석에 교류 전류를 흐르게 하면, 자기력 변화로 기전력이 유도되어 전자가 가속관 안에서 원형 궤도로 가속되게 된다.

1941년 미국의 물리학자 커스트(Donald W. Kerst, 1911~1993)가 제작에 성공하였으며, 주로 전자를 가속시킬 때 사용되는데, 입자가속기의 이름도 방사선 물질에서 가속기 발진기 방출되는 베타선(전자)과 관련지어 베타트론으로 정해졌다. 가속관 안에서 전자가 한 주기를 도는 동안에 얻을 수 있는 에너지는 100eV 정도로 작지만, 짧은 시간 동안에 전자가 궤도를 수십만 번 회전하기 때문에 수십 MeV의 에너지를 얻을 수 있다.

싱크로트론. 원형 궤도를 따라 놓여진 전자석이 가속입자의 운동량에 따라 변화하며, 입자의 궤도를 일정하게 한다.

싱크로트론(Synchrotron)은 시간에 따라 자기장과 전기 발진기의 진동수에 변화를 주어 원형궤도로 가속되는 입자의 반지름을 일정하게 유지시켜주는 원형 가속기이다. 싱크로트론은 사이클로트론의 문제점을 보완하기 위해 만들어졌는데, 사이클로트론의 경우 운동하는 입자의 속력이 광속의 10% 이상을 넘을 경우 상대론적 질량은 속도와 함께 증가하게 되고, 입자의 회전 진동수는 속도에 따라 감소하게 된다. 이렇게 되면, 입자의 회전 진동수와 입자를 가속시켜 주는 전기 발진기의 진동수가 일치하지 않아 입자의 에너지를 증가 시킬 수 없게 된다. 또한, 고에너지 입자를 원형으로 가속시키기 위해서는 매우 큰 전자석이 필요하다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 싱크로트론은 시간에 따라 자기장과 전기 발진기 진동수에 변화를 준 것이다.

싱크로트론은 1945년 맥밀란(Edwin Mcmilan, 1907~1991)과 벡슬러(Vladimir Veksler, 1907~1966)에 의해 각각 고안되었는데, 이들은 전자 입자의 에너지를 크게 증가시키는 데 기여했다. 고에너지 입자를 생성하기 위해서는 센 자기장을 걸어주는데, 입자의 원운동 반지름을 크게 하면, 비교적 약한 자기장으로도 고에너지 입자를 얻을 수 있다. 각 국가에서 건설하고 있는 고에너지 입자가속기는 싱크로트론이 많은데, 유럽원자핵공동연구소(CERN)에는 세계 최대규모의 싱크로트론인 거대강입자충돌가속기(LHC, Large Hardron Collider)가 있다. LHC의 규모는 고에너지 입자를 얻기 위해 지름이 9km, 둘레가 27km나 된다.

유럽원자핵공동연구소의 거대강입자충돌가속기(LHC). 세계 최대 규모의 싱크로트론으로, 지름이 9km, 둘레가 27km나 된다.

가속 입자의 종류에 따라 입자가속기는 전자 가속기, 양성자 가속기로 나눌 수 있다.

전자 가속기 중 고에너지 가속기는 모두 선형 가속기인데, 그 이유는 전자와 같이 질량이 매우 가벼운 입자들은 직선 가속이 아닌 원형 가속을 할 경우, 제동복사로 많은 에너지를 잃을 수 있기 때문이다.

반면, 양성자 가속기는 대부분 원형 가속기를 사용하는데, 질량이 큰 양성자의 경우, 입자를 원형 궤도에 따라 가속시킬 때 생기는 제동복사 손실량이 작고, 상대적으로 높은 기술 수준을 요하는 선형 가속기보다 원형 가속기가 제작에 이득인 점이 있기 때문이다.

원형 가속기에서 입자의 에너지가 커질수록 상대론적 효과에 의해 강력한 전자기파가 발생되는데, 초기에는 이런 전자기파를 쓸모없는 것으로 생각하였다. 하지만, 이런 전자기파를 이용해서 물질 내 원자의 배열 상태나 전기적인 성질을 밝히는 등 다양한 연구가 가능하다는 것을 알게 되었다.

그래서 이러한 연구를 위해 우리나라에서는 1988년에 포항 방사광 가속기를 설치하였다. 포항 방사광 가속기는 길이가 160m인 선형 가속기, 둘레가 280m인 저장링, 빔라인으로 이루어져 있다. 전자총에서 쏘아진 전자는 선형 가속기에서 가속되어 광속의 99.999997%까지 빨라진다.

광속에 가깝게 가속된 전자는 원형의 저장링에서 10시간 이상 쉬지 않고 돌게 되는데, 저장링에는 36개의 전자석이 있어서 전자가 전자석을 지날 때마다 10도씩 방향을 바꾸어 원형 궤도를 돌게 된다. 방향을 바꿀 때마다 전자는 빛(방사광)을 뿜어내는데 이 빛을 빔라인으로 끌어내어 고분자 가속기 발진기 태양전지 재료, 마이크로 의학용 로봇, 신약 개발 등 다양한 분야의 연구에 활용하고 있다.

한국전기연구원(KERIㆍ원장 김호용) 창의원천연구본부 나노융합기술연구센터 정순신 박사가 ‘이달의 KERI인상’ 수상자로 선정됐다.

정 박사는 미국, 영국, 러시아 등의 일부 OECD 국가에서만 보유한 915MHz 마그네트론 발진기(Magnetron Ocillator) 기술을 국내 최초로 개발하고, 관련 설계 및 시험기술을 기술이전한 공로를 인정받았다.

마그네트론 발진기는 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되는 교차장이 존재하는 고(高)진공 공간에서 발생하는 전자빔의 전기에너지를 고출력 전자기파 에너지로 변환해 방사하는 장치다. 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리 및 해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용된다.

정 박사팀이 개발한 915MHz 마그네트론 발진기는 고전압의 직류(DC) 전력을 고효율로 변환해 915MHz의 마이크로파(Microwave)를 발생시킬 수 있다. 특히 교체가 쉬운 음극부 결합 구조와 2차 고조파를 저감하는 음극부 초크 기술을 해당 시스템에 적용됐다.

마그네트론 발진기의 수명은 보통 음극부에 의해 결정된다. 용접이나 브레이징 등으로 접합하지 않고 고진공을 유지하며, 탈부착이 용이한 음극부 결합 구조를 적용해 마그네트론 음극부의 교체 시간 및 비용을 크게 절감할 수 있게 됐다.

또 수십 kW 이상의 마이크로파 출력을 발생하는 마그네트론 발진기의 음극부 급전선에 마이크로파 초크 구조를 구성해 2차 고조파 잡음을 10분의 1 수준으로 저감하고 외부 누설을 최소화한 것도 특징이다.

이전 기업은 이 기술을 적용해 에너지 저소비형 산업용 마이크로파 가열장치에 적용할 예정이다. 직접가열, 선택가열, 내부가열 등의 특성을 갖는 마이크로파 가열을 통해 에너지를 획기적으로 절감하는 기술 상용화와 신시장 창출을 도모하고 있다.

전기연구원 관계자는 “이번 개발로 미국, 유럽 등에서 수입하는 산업용 마그네트론을 순수 국내 기술로 대체할 수 있게 됐다”며 “수입대체와 기술자립 효과를 통해 국내 산업용 마이크로파 시스템 가속기 발진기 시장(가열, 건조, 플라즈마 등)의 확대에 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.

한편 ‘이달의 KERI인상’은 한국전기연구원의 연구개발 및 시험인증 등 분야에서 탁월한 성과를 보인 연구자 등에게 주어지는 상이다.

▲ 전기연구원이 개발한 고출력·고효율 마그네트론 발진기.

전자레인지 40여대가 발생시키는 마이크로파를 한꺼번에 출력할 수 있는 고출력·고효율 마그네트론 발진기가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국전기연구원(원장 박동욱) 테라헤르츠파전문연구랩 정순신·김대호 박사팀은 최근 지식경제부 산하 에너지관리공단과 전기연구원 자체 지원을 통해 (주)스펙, 서울대학교(위탁) 등과 공동으로 연속출력 30kW, 효율 약 80%의 고출력·고효율 마그네트론 발진기 기술을 개발하는데 성공했다고 23일 밝혔다.

마그네트론 발진기는 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리·해동, 자외선 광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용되고 있는 고출력·고효율의 마이크로파 발생 장치다. 나노물질 합성, 다이아몬드 코팅, 폐타이어 자원화, 바이오디젤 합성, 신약 합성, 무선전력전송 등 다양한 분야에도 적용할 수 있다.

이번에 개발된 발진기의 연속 출력 30kW는 가정용 전자레인지 30~40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파의 출력에 해당한다.

현재 가전제품에 사용되는 1kW급 마그네트론 발진기는 국내 가전회사가 세계적으로 높은 시장점유율을 보이고 있다. 그러나 5kW급 이상의 산업용 고출력 마그네트론 발진기나 구동전원의 경우 몇몇 선진국에서만 확보하고 있는 기술로 에너지·환경, 화학, 제약, 재료, 식품, 고무 등 다양한 산업에서 활용되고 있음에도 불구하고 국내 기술 개발이 이뤄지지 않아 선진국에서 전량 고가에 수입하고 있는 실정이다.

이번에 전기연구원이 30kW급 마그네트론 발진기 기술을 개발함으로써 전기융합기술 분야에서 ▲고출력 마이크로파 기술 ▲전자빔 기술 ▲고전압 기술 ▲고진공 기술 ▲정밀 접합 기술 등이 융합한 고출력 마이크로파 기술을 자체적으로 확보했다는 점에서 기술적 의의가 큰 것으로 분석된다.

특히 이번에 개발된 마그네트론 발진기는 3차원 컴퓨터 프로토타이핑 기술을 이용해 개발비용과 시간을 줄이고 설계 정밀도를 높였다. 또한 마그네트론 발진기의 수명을 결정하는 음극을 쉽고 빠르며 값싸게 교체할 수 있는 기술과 마그네트론 발진기의 전극을 통해 방사되는 고조파(harmonic) 노이즈를 1/10 이하로 가속기 발진기 줄일 수 있는 기술을 개발해 적용했다. 이와 관련, 2건의 특허가 등록됐고 2건의 특허가 출원됐다.

지난 3월 42kW급 인버터방식 마그네트론 구동전원 개발에 성공한 전기연구원은 이번에 30kW급 마그네트론 발진기 기술까지 확보하게 됨으로써 고출력 마이크로파 기술의 전문연구기관으로 자리매김할 것으로 기대된다.

아울러 전량 수입에 의존해 오던 고출력 산업용 마그네트론을 국산화함으로써 연간 80억 원의 수입대체 효과가 기대된다.

한편, 전기연구원은 이번에 확보한 고출력 마그네트론 발진기의 핵심기술을 이용해 미국과 일본 등에서 미래 10대 기술로 선정한 바 있는 테라헤르츠(terahertz) 기술로 발전시켜 관련 업계 최대 이슈인 고출력 테라헤르츠 소스 및 시스템의 핵심기술을 개발해 나갈 계획이다.

가속기 발진기

선형 가속기 라고도, 선형 가속기 의 유형 입자 가속기 ( QV )을 부여하는 입자 양자 에너지에 비교적 작은 증가의 시리즈들이 선형 구조 설정 교번 전계의 시퀀스를 통과한다. 작은 가속도는 함께 추가되어 한 섹션에서만 사용되는 전압으로 얻을 수있는 것보다 더 큰 에너지를 입자에 제공합니다.

선형 가속기

선형 양성자 공명 가속기의 개략도

1924 년 스웨덴의 물리학자인 Gustaf Ising은 자기장이 가속을 위해 잘못된 방향에있을 때 반주기 동안 입자를 보호하기 위해 적절한 간격으로 배치 된 "드리프트 튜브"를 사용하여 가속기 발진기 교류 전기장을 사용하는 가속 입자를 제안했습니다. 4 년 후 노르웨이 엔지니어는 Rolf Wideröe 는 이런 종류 의 최초의 기계 를 만들어 칼륨 이온을 50,000 전자 볼트 (50 킬로 전자 볼트)의 에너지로 성공적으로 가속 시켰습니다 .

같은 양성자와 전자 등의 가벼운 입자를 가속을위한 선형 기계를 위해 개발 된 강력한 무선 주파수 가속기 발진기 발진기의 출현 기다려온 레이더 동안 차 세계 대전 . 양성자 리낙은 일반적으로 약 200MHz의 주파수에서 작동하는 반면 전자 리낙의 가속력은 약 3,000MHz 의 마이크로파 주파수를 갖는 전자기장 에 의해 제공됩니다 .

그만큼 미국 물리학자인 Luis Alvarez 가 1946 년에 디자인 한 proton linac은 Wideröe 구조의보다 효율적인 변형입니다. 이 가속기에서 전기장은 중심 축을 따라 매달려있는 드리프트 튜브와 함께 원통형 금속 "공명 캐비티"내에 정재파로 설정됩니다. 가장 큰 양성자 linac은 미국 뉴 멕시코 주 로스 알 라모스 소재의 클린턴 P. 앤더슨 메슨 물리학 시설; 길이는 875m (2,870 피트)이며 양성자를 8 억 전자 볼트 (800 메가 전자 볼트)로 가속합니다. 길이의 대부분에 대해이 기계는 다음과 같은 구조적 변형을 활용합니다. 측면에 장착 된 공동에 의해 함께 결합 된 축상 셀에서 가속이 발생하는 측면 결합 공동 가속기 . 이러한 커플 링 캐비티는 가속 셀의 공진 가속기 발진기 주파수 변화에 대한 가속기의 성능을 안정화시키는 역할을합니다.

Electron linac 은 정상파보다는 진행파를 사용합니다. 질량이 작기 때문에 전자 는 5 메가 전자 볼트만큼 낮은 에너지로 빛 의 속도 에 가깝게 이동합니다 . 따라서 그들은 가속 파동과 함께 linac을 따라 이동할 수 있으며, 사실상 파동의 볏을 타고 항상 가속 장을 경험할 수 있습니다. 세계에서 가장 긴 전자 linac은 3.2km (2 마일) 기계입니다. Stanford (University) Linear Accelerator Center, Menlo Park , 캘리포니아, 미국; 그것은 전자를 500 억 전자 볼트 (50 기가 전자 볼트)로 가속시킬 수 있습니다. 양성자와 전자 유형의 훨씬 더 작은 linac은 의학 및 산업 분야에서 중요한 실제 응용 분야를 가지고 있습니다.

가속기 발진기

마그네트론 발진기 (Magnetron oscillator) 는 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되는 교차장 (Crossed field)이 존재하는 고진공속에서 발생된 전자빔 (Electron beam)의 전기에너지를 고출력 전자기파 (Electromagnetic wave) 에너지로 변환하여 방사하는 고효율, 고출력의 전자기파 발생장치 이다. 마그네트론 발진기는 1930년대 최초로 고안되었고, 제2차 세계대전을 기점으로 레이더 (Radar) 응용을 위해 영국과 미국을 중심으로 본격적으로 연구개발 되었으며, 그 후 전자기파의 정보 전달과 에너지 전달의 특성을 이용한 산업, 국방, 의료, 환경, 과학, 에너지 분야 등에 응용되어 다양하게 사용되고 있다.


1. 마그네트론 발진기 동작원리

마그네트론 발진기는 전자빔을 발생시키는 음극 (Cathode)과 일정한 동작주파수를 갖는 공진회로 (Resonator), 그리고 공진회로에서 발생된 전자기파를 외부로 방사시키기 위한 안테나 구조를 갖는 출력부로 구성되어 있다. 음극과 양극 (Anode) 사이에 인가된 DC 전압에 의한 전기장과 축 방향으로 인가된 자기장에 의하여, 음극에서 발생된 전자빔은 로렌츠 힘 (Lorentz force)에 의해 각 방향으로 회전운동을 하게 된다. 이때, 회전 운동하는 전자빔은 공진회로와 특정 주파수에서 공진 이 일어나고, 이를 통해 그림 1에 보이는 동작 후의 전자빔 분포와 같이 공간적으로 뭉치게 되어 AC 성분을 갖게 가속기 발진기 가속기 발진기 된다. 이러한, 전자빔이 갖는 AC 성분에 의하여 공진회로 안에서 동작주파수를 갖는 전자기파가 발생되고, 발생된 전자기파는 안테나로 구성된 출력부를 통해 외부로 방사된다. 마그네트론 발진기에서 발생되는 전자기파의 주파수는 공진을 일으키는 조건에 따라 마이크로파 (Microwave) 대역부터 테라헤르츠파 (Terahertz wave) 대역까지의 전자기파를 발생 시킬 수 있다.

[그림 1] 마그네트론 발진기의 구조와 전자빔 분포


2. 마그네트론 발진기 응용분야

마그네트론 발진기의 응용 분야는 그림 2에 보이는 것과 같이 동작 주파수와 출력에 따라 915 MHz 마그네트론 발진기를 이용한 대형식품 조리/해동을 위한 산업용 해동/가열 시스템, 마이크로파 플라즈마 토치, 2.45 GHz 대역의 마그네트론 발진기를 적용한 전자레인지 (Microwave oven), 플라즈마 조명장치, 반도체 공정장비, 의료용 가속기, 그리고 선박, 기상, 항공용 레이더 응용을 위해 9.5 GHz와 35 GHz 대역의 마그네트론 발진기가 사용되고 있다. 또한, 최근에는 Pulsed DNP (Dynamic Nuclear Polarization)을 위한 전자스핀공명 (Electron spin resonance) 응용과 보안 검색용 이미징을 위하여 테라헤르츠파 (Terahertz wave) 대역의 마그네트론 발진기의 개발 및 응용이 연구되고 있다.

[그림 2] 마그네트론 발진기의 응용 분야


전자레인지의 응용 은 1940년대 레이더에 적용되는 마그네트론 발진기를 실험하는 중, 실험하고 있던 연구원의 주머니에 있는 초콜릿 바가 녹는 것이 발견되었고, 그 후 옥수수 낱알 및 달걀 등을 가열하는 실험을 통해 전자레인지의 개발이 시작 되었으며, 레이더에 사용되는 전파를 이용해 음식을 조리할 수 있기 때문에 초기에는 “Radarange"라고 불렀다. 마그네트론 발진기에서 발생된 마이크로파 에너지를 이용하여 음식 등을 가열하는 것은 유전체를 가열하는 원리가 적용된 것이다. 유전체는 [그림 3]에서 보이는 것처럼 외부에서 인가된 전기장 내에 노출되면, 전기적으로 평형 상태가 교란된다. 2.45 GHz의 전자기파가 인가된 경우, 1초에 24억 5천만번만큼 가속기 발진기 전기장 (Electric field) 방향이 변화하고, 이러한 변화에 유전체의 쌍극자 (Dipole)는 회전으로 반응하여, 주위의 분자 간 내부 마찰에 의해 열이 발생한다. 이러한 마이크로파를 이용한 가열 방식 은 물체 내부에서부터 균일하게 가열이 가능하여 가열/건조 시간을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있어, 식품, 곡물, 고무공업, 목재, 유리 제조 뿐만 아니라, 나노물질 합성, 바이오디젤 합성, 신약 합성 등의 분야에도 활용 되고 있다.

[그림 3] 마이크로파에 의한 가열


마그네트론 발진기에서 발생된 마이크로파를 이용한 무선전력전송 (Wireless power transmission) 기술은 전기에너지를 가속기 발진기 마이크로파 에너지로 변환하여 무선으로 전송 하고, 이를 안테나로 집속하여 다시 전기에너지로 변환하여 사용하는 것으로써, 우주에서 태양광 에너지를 모아 지구로 보내는 우주 태양광 발전 에 응용될 수 있다. 1960년대 우주 태양광 발전에 대한 개념이 제안되었으나 경제성의 문제로 지연 되다가, 최근에 미국, 일본 등에서 차세대 청정에너지원으로 여겨지는 태양광 발전소 설립에 대한 계획이 구체화 되고 가속기 발진기 있으며, 태양광 발전에 응용되기 위해 마그네트론 발진기의 위상 제어를 통한 다수의 마그네트론 발진기로 구성된 모듈 개발과 발생 신호의 노이즈 절감 및 효율 향상에 대한 연구가 진행되고 있다.

전자기파의 정보전달 기능을 이용한 레이더 (Radar) 는 전자기파를 물체에 방사하여 되돌아오는 신호로부터 물체의 위치를 파악하기 위한 것으로, 마그네트론 발진기는 전자기파를 방사시키는 송신기에서 전자기파 발생장치로 사용 되고 있다. 9.5 GHz 주파수를 갖는 전자기파를 이용하는 선박용 레이더는 해상에서의 장해물, 다른 선박, 해안 등을 탐지하기 위해 사용되고 있고, 고 해상도를 필요로 하는 항공, 기상 관측, 공항 검색용 레이더에는 밀리미터파 (Millimeter wave) 대역인 35 GHz와 95 GHz 대역의 마그네트론 발진기가 응용되고 있다. 특히, 산림 감시 및 소방용 헬리콥터 등에 적용되는 레이더는 35 GHz 전자기파를 이용할 경우 3 km 떨어진 거리에서 10 mm의 전선을 구별할 수 있는 해상도를 가져, 운행 중 발생 할 수 있는 위험을 사전에 예방할 수 있는 기술로 사용되고 있다.


3. 마그네트론 발진기 기술추세

산업용 및 가정용 응용을 위해 사용되고 있는 마그네트론 발진기의 주파수인 915 MHz와 2.45 GHz 대역은 전파법에 따라 설정된 ISM (Industrial Scientific Medical) 주파수 대역으로써, 산업, 과학, 의료용 응용을 위해 사용되고 있는 주파수 대역이다. 또한, 이 주파수 대역은 다양한 통신기기들이 사용하고 있는 주파수 대역으로서 마그네트론 발진기가 적용되는 응용시스템에서 누설되는 전자기파에 의한 전자파 간섭 (EMI, Electromagnetic interference) 문제 를 발생 시킬 수 있다. 최근에 다양하게 사용되고 있는 통신기기로 인하여 가속기 발진기 응용시스템에서 누설되는 전자파 잡음 (Noise)에 대한 규제가 강화되고 있고, 이로 인해 마그네트론 발진기에서 발생되는 잡음을 저감하기 위한 연구 가 전자빔의 운동과 회로의 구조를 제어하는 방식으로 활발히 연구되고 있다. 또한, 마그네트론 발진기의 수명을 결정하는 음극의 수명을 증가 시키기 위해서 고온으로 가열해서 전자빔을 발생시키는 열음극 (Thermionic cathode) 기술이 아닌, 이차전자빔 (Secondary electron beam)을 이용하는 냉음극 (Cold cathode)을 적용 한 마그네트론 발진기 기술도 연구되고 있다.

최근에는 의료, 보안, 국방, 통신 등의 다양한 응용분야에 적용 가능한 0.1 THz - 10 THz 주파수 대역인 테라헤르츠파를 발생시키기 위해, 반도체 공정을 이용한 회로 가공 등의 기술을 적용하여 테라헤르츠파 대역의 마그네트론 발진기 개발 에 대한 연구도 진행되고 있다.


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