속도변조관
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1. 개요
속도변조관은 마이크로파 영역에서 고출력을 내는 진공관의 일종으로, 전자빔의 속도 변조를 통해 고주파 신호를 증폭하거나 발진시키는 데 사용된다. 1930년대에 러셀과 시구르드 바리안 형제에 의해 개발되었으며, 클라이스트론, 다중 공동 클라이스트론, 반사형 클라이스트론, 자이로클라이스트론 등 다양한 종류가 있다. 레이더, 통신, 방송, 의료, 과학 연구 등 다양한 분야에서 활용되며, 반도체 마이크로파 장치보다 더 높은 출력을 낼 수 있다는 장점이 있다.
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2. 역사
클라이스트론은 마이크로파 영역에서 상당한 출력을 내는 최초의 전파원이었다. 그전에는 바르크하우젠-쿠르츠 진공관과 분할 애노드 마그네트론만이 존재했는데, 이들은 매우 낮은 출력으로 제한되었다.[5] 스탠퍼드 대학교에서 러셀과 시구르드 바리안(Russell and Sigurd Varian) 형제에 의해 발명되었으며, 1937년 8월 30일에 그들의 시제품이 완성되어 성공적으로 시연되었다.[3] 1939년에 발표되자, 클라이스트론에 대한 소식은 즉시 레이더 장비를 연구하던 미국과 영국의 연구원들의 작업에 영향을 미쳤다.[3] 바리안 형제는 이 기술을 상용화하기 위해 바리안 어소시에이츠(Varian Associates)를 설립했다.[5] 그들의 연구는 1935년 A. 아르세니예바-하일(A. Arsenjewa-Heil)과 오스카 하일(Oskar Heil) (부부)에 의한 속도 변조에 대한 설명에 앞서 있었지만, 바리안 형제는 아마도 하일 부부의 연구를 알지 못했을 것이다.[6]
물리학자 W. W. 헨슨(W. W. Hansen)의 연구는 클라이스트론 개발에 중요한 역할을 했으며, 1939년 바리안 형제의 논문에서 인용되었다.[1] 그의 공진기는 바리안 형제에 의해 "람바트론(rhumbatron)"이라고 불렸다.[1] 헨슨은 베릴륨 산화물(BeO)에 노출된 결과 1949년 베릴륨 질환으로 사망했다.
제2차 세계 대전 동안, 추축국은 주로 (당시 저출력이고 파장이 긴) 클라이스트론 기술을 레이더 시스템 마이크로파 생성에 사용한 반면, 연합국은 훨씬 강력하지만 주파수가 드리프트되는 공동 마그네트론 기술을 훨씬 더 짧은 파장의 센티미터파 마이크로파 생성에 사용했다. 그 이후로 싱크로트론과 레이더 시스템과 같은 매우 높은 전력 응용을 위한 클라이스트론 관 기술이 개발되었다.
전쟁 직후, AT&T(American Telephone and Telegraph)는 미국 전역을 커버하는 새로운 네트워크의 마이크로파 중계 링크에 4와트 클라이스트론을 사용했다.[7] 웨스턴 유니온(Western Union Telegraph Company)도 당시 약 64km 간격의 중간 중계국을 사용하여 송수신기 모두에 2K25 반사형 클라이스트론을 사용하는 지점 간 마이크로파 통신 링크를 구축했다. 일부 응용 분야에서는 클라이스트론이 반도체 트랜지스터로 대체되었다.[8]
2. 1. 한국에서의 역사
3. 원리
직진형 속도변조관은 음극에서 나온 전자가 집속전극, 가속전극을 지나 입력공동(cavity)을 통과한다. 이 때 입력신호에 따라 전자가 가속 또는 감속된다(속도변조). 또 전자가 주행하는 동안에, 감속을 받은 전자의 뒤에 가속을 받은 전자가 따라 붙어 전자의 흐름이 조밀한 무리를 이룬다(밀도변조). 이것이 출력공동을 통과할 때 출력에 에너지를 주게 된다.
클라이스트론은 직류(DC) 음극선(Cathode ray)의 운동 에너지를 고주파(Radio frequency, RF) 전력으로 변환하여 고주파 신호를 증폭한다. 진공 상태에서 전자총이나 열음극(Hot cathode, thermionic cathode)에서 방출된 전자빔이 고전압 전극(일반적으로 수만 볼트)에 의해 가속된다.
이 빔은 입력 공진기(cavity resonator)를 통과한다. 고주파 에너지는 입력 공진기의 공진 주파수(resonant frequency) 또는 그 근처 주파수로 공급되어 정재파(standing wave)를 생성하고, 이는 전자빔에 작용하는 진동 전압을 생성한다. 전기장은 전자들을 "군집화"시킨다. 즉, 전기장이 전자의 운동을 방해할 때 통과하는 전자는 속도가 느려지고, 전기장이 같은 방향일 때 통과하는 전자는 가속되어 이전에 연속적이었던 전자빔이 입력 주파수에서 덩어리(bunch)를 형성한다.
군집화를 강화하기 위해 클라이스트론에는 추가적인 "번칭(buncher)" 공진기가 포함될 수 있다.
그런 다음 빔은 "드리프트(drift)" 관을 통과하는데, 여기서 빠른 전자가 느린 전자를 따라잡아 "덩어리"를 형성한 후 "캐쳐(catcher)" 공진기를 통과한다.
출력 "캐쳐" 공진기에서 각 덩어리는 전기장이 전자의 운동을 방해하는 순간에 공진기에 진입하여 감속된다. 따라서 전자의 운동 에너지는 장의 퍼텐셜 에너지로 변환되어 진동(oscillations)의 진폭이 증가한다. 캐쳐 공진기에서 여기된 진동은 동축 케이블(coaxial cable)이나 도파관(waveguide)을 통해 외부로 결합된다.
에너지가 감소된 사용 후 전자빔은 집전극(collector electrode)에 의해 포획된다.
발진기를 만들기 위해 출력 공진기를 동축 케이블(coaxial cable)이나 도파관(waveguide)으로 입력 공진기(들)에 결합할 수 있다. 양의 피드백은 공진기의 공진 주파수에서 자발적인 진동을 여기시킨다.
3. 1. 종류
클라이스트론은 다양한 종류가 있으며, 그 작동 원리와 용도에 따라 분류된다.
직진형 클라이스트론은 "집속기(buncher)"와 "포착기(catcher)" 두 개의 마이크로파 공진기를 사용하는 가장 간단한 형태의 클라이스트론이다.[10] 증폭기로 사용될 때, 증폭될 약한 마이크로파 신호는 동축 케이블이나 도파관을 통해 집속기 공진기에 인가되고, 증폭된 신호는 포착기 공진기에서 추출된다. 집속기 그리드 너머에는 ''드리프트 공간(drift space)''이 있어 가속된 전자가 이전 시간에 감속된 전자를 따라잡아 빔 축을 따라 세로로 "다발(bunches)"을 형성한다. 포착기에서는 전자 다발이 공진기에서 정재파를 여기시키고, 전자는 감속되며 운동 에너지가 전기 퍼텐셜 에너지로 변환되어 공진기 내의 진동 전계의 진폭을 증가시킨다. 즉, 포착기 공진기의 진동 전계는 집속기 공진기에 인가된 신호의 증폭된 복사본이 된다.[10] 여러 개의 공동 공진기를 사용하여 높은 출력과 효율을 얻을 수 있다.
다중 공동 클라이스트론은 첫 번째 "집속기"와 "포착기" 사이에 추가적인 "집속기" 공진기를 사용하여 클라이스트론의 이득을 증가시키거나 대역폭을 향상시킨다.[10]
반사형 클라이스트론(서튼 관이라고도 함)은 단일 공진기를 사용하는 저출력 클라이스트론으로, 주로 저출력 발진에 사용된다.[11] 전자빔은 단일 공진기를 통과한 후 음전하를 띤 반사 전극에 의해 반사되어 다시 공진기를 통과한 후 수집된다. 전자 덩어리의 형성은 반사 전극과 공진기 사이의 이동 공간에서 일어난다. 반사 전극의 전압을 조정하여 전자빔이 공진기에 다시 들어갈 때 덩어리 형성이 최대가 되도록 한다. 1950년대와 1960년대에는 일부 레이더 수신기의 국부 발진기와 마이크로파 송신기의 변조기로 사용되었지만, 현재는 반도체 마이크로파 소자에 의해 대체되어 사용되지 않는다.[12]
자이로클라이스트론은 사이클로트론 공명 조건에 따라 동작하는 마이크로파 증폭기이다.[13] 클라이스트론과 유사하게 전자빔의 변조에 의존하지만, 축 방향 밀집 대신 변조력이 사이클로트론 주파수를 변경하여 운동의 방위각 성분을 변경하여 위상 밀집을 발생시킨다.[14] 출력 공동에서, 올바른 감속 위상으로 도착하는 전자는 에너지를 공동장에 전달하고 증폭된 신호를 결합하여 출력할 수 있다. 기존 클라이스트론보다 더 큰 공동 치수를 사용할 수 있어 매우 높은 주파수에서 고출력을 제공할 수 있다.[14]
광학 클라이스트론은 자유전자 레이저(FEL)에 사용되는 클라이스트론의 일종으로, 언듈레이터를 이용하여 광학 주파수의 빛을 생성한다.[15] 전자빔은 언듈레이터를 통과하는데, 여기서 레이저 광선이 전자의 밀집을 유발한다. 그런 다음 빔은 두 번째 언듈레이터를 통과하는데, 여기서 전자 밀집이 진동을 일으켜 두 번째이자 더 강력한 광선을 생성한다.[15]
부유 드리프트 튜브 클라이스트론은 단일 원통형 공동을 사용하며, 주파수 변경에 필요한 동조 요소가 하나뿐이라는 장점이 있다. 전자원을 나온 전자는 드리프트 튜브를 통과하면서 전기장에 의해 속도 변조되고, 다발 형태로 목적지 공동에 도달하여 공동의 발진에 전력을 공급한다. 드리프트 튜브의 직류 바이어스는 통과 시간을 변경하도록 조정할 수 있으므로 발진 주파수의 일부 전자적 동조가 가능하다.
4. 응용 분야
클라이스트론은 반도체 마이크로파 장치(예: 건 다이오드)보다 훨씬 더 높은 마이크로파 출력을 생성할 수 있다. 현대 시스템에서는 UHF(수백 메가헤르츠)에서 수백 기가헤르츠(예: 클라우드샛 위성의 확장 상호 작용 클라이스트론)까지 사용된다. 클라이스트론은 레이더, 위성 및 광대역 고출력 통신( 텔레비전 방송 및 EHF 위성 단말기에서 매우 일반적임), 의학(방사선 종양학), 그리고 고에너지 물리학(입자 가속기 및 실험용 원자로)에서 사용된다.[16] 예를 들어 SLAC에서는 2856MHz에서 50 MW(펄스) 및 50 kW(시간 평균) 범위의 출력을 가진 클라이스트론을 일상적으로 사용한다.[16]
''파퓰러 사이언스''#REDIRECT
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4. 1. 레이더
클라이스트론은 반도체 마이크로파 장치보다 훨씬 더 높은 마이크로파 출력을 생성할 수 있어 레이더에 사용된다.[16] 현대 시스템에서는 UHF(수백 메가헤르츠)에서 수백 기가헤르츠까지 사용된다.[16] 예를 들어 SLAC에서는 2856MHz에서 50 MW(펄스) 및 50 kW(시간 평균) 범위의 출력을 가진 클라이스트론을 일상적으로 사용한다.[16]4. 2. 통신
클라이스트론은 반도체 마이크로파 장치보다 훨씬 더 높은 마이크로파 출력을 생성할 수 있다.[16] 현대 시스템에서는 UHF(수백 메가헤르츠)에서 수백 기가헤르츠까지 사용된다.[16] 클라이스트론은 레이더, 위성 및 광대역 고출력 통신(텔레비전 방송 및 EHF 위성 단말기에서 매우 일반적임)등에 사용된다.[16] 예를 들어 SLAC에서는 2856MHz에서 50 MW(펄스) 및 50 kW(시간 평균) 범위의 출력을 가진 클라이스트론을 일상적으로 사용한다.[16]4. 3. 방송
클라이스트론은 레이더, 위성 및 광대역 고출력 통신, 텔레비전 방송, 의학, 고에너지 물리학 등에 사용된다.[16] 특히 UHF TV 방송 송신기와 같은 고출력 방송 장비에 사용된다.[16]4. 4. 의료
클라이스트론은 방사선 종양학에서 암 치료를 위한 방사선 치료 장비에 사용된다.[16] 고에너지 전자는 암세포를 파괴하는 데 사용된다.4. 5. 과학 연구
클라이스트론은 건 다이오드와 같은 반도체 마이크로파 장치보다 훨씬 높은 마이크로파 출력을 생성할 수 있다.[16] 현대 시스템에서는 UHF(수백 메가헤르츠)에서 수백 기가헤르츠(예: 클라우드샛 위성의 확장 상호 작용 클라이스트론)까지 사용된다.[16] 레이더, 위성 및 광대역 고출력 통신(텔레비전 방송 및 EHF 위성 단말기에서 매우 일반적임), 의학(방사선 종양학), 그리고 고에너지 물리학(입자 가속기 및 실험용 원자로)에서 사용된다.[16] 예를 들어 SLAC에서는 2856MHz에서 50 MW(펄스) 및 50 kW(시간 평균) 범위의 출력을 가진 클라이스트론을 일상적으로 사용한다.[16]''파퓰러 사이언스''는 "Best of What's New 2007"에서 현재는 없어진 회사인 Global Resource Corporation이 클라이스트론을 사용하여 일상적인 재료, 자동차 폐기물, 석탄, 오일 셰일, 오일 샌드의 탄화수소를 천연가스와 경유로 변환하는 것을 설명했다.[19]
4. 6. 기타
클라이스트론은 반도체 마이크로파 장치보다 훨씬 더 높은 마이크로파 출력을 생성할 수 있어, 레이더, 위성 및 광대역 고출력 통신, 의학, 고에너지 물리학 등 다양한 분야에서 활용된다.[16] 예를 들어 SLAC에서는 2856MHz에서 50 MW(펄스) 및 50 kW(시간 평균) 범위의 출력을 가진 클라이스트론을 일상적으로 사용한다.[16]또한, ''파퓰러 사이언스''는 현재는 없어진 회사인 Global Resource Corporation이 클라이스트론을 사용하여 일상적인 재료, 자동차 폐기물, 석탄, 오일 셰일, 오일 샌드의 탄화수소를 천연가스와 경유로 변환하는 기술을 소개하기도 했다.[19]
5. 동축 선형 속도 변조 발진관
1935년 독일의 A. 아르세니예바 하일/A. Arsenjewa Heilde과 오스카 하일/Oskar Heilde에 의해 속도 변조의 개념과 함께 동축 선형 속도 변조 발진관(Coaxial-line velocity modulated oscillator valve)이 고안되었다.[21][22][23] 영국의 스탠더드 텔레폰 앤드 케이블(STC)사에서 맨체스터와 에든버러 간 통신 회선용 장치의 국부 발진관으로 실용화되었다.[22]
이 발진관은 반사형 클라이스트론과는 달리, 빔이 직진하여 콜렉터에 들어가고, 그 사이에 두 개의 간극을 통과하며, 이 두 개의 간극이 하나의 공동 공진기에 결합되어 반결합이 이루어져 발진하는 방식이다. 소형이고 동작 전압이 비교적 저전압인데도 출력이 크지만, 집속 자계나 빔 전압에 의한 전자 동조 등의 문제가 있어, 반사형 클라이스트론의 성능 향상에 따라 사용되지 않게 되었다.[22]
6. 룸바트론
고주파 전압을 사용하여 전자를 가속할 때 폐쇄된 공동이 공진기로서 효과적으로 작동한다는 사실이 밝혀지면서 개발되었다.[22]
참조
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