자전관
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1. 개요
자전관은 2극 진공관과 유사한 구조로, 열전자 방출을 통해 마이크로파를 발생시키는 진공관의 일종이다. 음극에서 방출된 전자가 전계와 자기장의 영향을 받아 원통 내부를 회전하며 공동공진기에 고주파 전자기장을 형성하여 마이크로파를 생성한다. 초기에는 레이더에 주로 사용되었으며, 현재는 전자레인지와 같은 다양한 분야에서 활용되고 있다. 자전관은 고전압과 마이크로파를 사용하므로, 눈의 백내장 발생 위험과 유해 물질 노출에 주의해야 한다.
1. 음극, 2. 양극, 3. 영구 자석]]
2. 원리
진공관과 마찬가지로, 히터에 의해 가열되는 음극(캐소드)과, 가열되지 않는 양극(애노드)으로 구성된다.
음극은 진공관의 공동 중앙에 배치되며, 양극은 이 음극을 둘러싸도록 배치됨과 동시에, 음극에 대해 양의 고전압이 인가된다. 음극을 히터로 가열하면 열전자가 방출되고, 양극과 음극 사이의 전계에 의해 양극 방향으로 가속된다. 이때, 진공관의 축 방향으로 영구 자석 등으로 강력한 자기장이 형성되어 있으며, 전자는 플레밍의 왼손 법칙에 따라 진행 방향과 직각 방향으로 힘을 받아 굽혀진다.
이 작용에 의해, 전자는 음극과 양극 사이에 있는 작용 공간이라고 불리는 곳에서, 사이클로이드 곡선을 그리며 진동하면서 주회 운동을 시작한다. 양극에는 규칙적으로 형성된 복수의 공동(캐비티, cavity)이 있으며, 공동의 개구부를 사이클로이드 고유 진동하고 있는 전자가 통과하면, 공동의 공진 주파수로 공동과 전자가 공진을 일으켜, 마이크로파가 발생한다. 이렇게 공동에서 발생한 마이크로파를, 결합 회로를 통해 출력 회로로 효율적으로 전파시킴으로써, 자전관 외부로 이끌어내어, 각종 이용이 가능하게 된다.
이 결합 회로에는, 전자기 결합(루프)형과 정전 결합(슬릿)형 등이 있으며, 출력 회로에는 동축형이나 도파관형이 있다.
2. 1. 기본 구조
기본적으로 자전관은 2극 진공관과 유사하며 음극의 열선에서 열전자가 방출되는 구조이다. 순동의 원통형 외곽 양극과 내부의 음극에 고압 전계가 걸리고, 위아래에 설치된 영구자석에 의해 전계와 수직 방향의 자계가 형성된다.
모든 공동 공진형 자전관은 고전압 직류 전원 공급 장치에 의해 생성된 높은 (연속 또는 펄스) 음전위를 갖는 가열된 원통형 음극으로 구성된다. 음극은 진공 상태의 엽형 원형 금속 챔버 중앙에 배치된다. 챔버의 벽은 튜브의 양극이다. 공동의 축에 평행한 자기장은 영구 자석에 의해 가해진다. 전자는 처음에는 양극 벽의 전기장에 의해 끌려 음극에서 방사상으로 바깥쪽으로 이동한다. 자기장은 전자가 로렌츠 힘의 결과로 원형 경로를 따라 바깥쪽으로 나선형으로 이동하게 한다. 챔버의 가장자리를 따라 원통형 공동이 배치되어 있다.
1. 음극, 2. 양극, 3. 영구 자석
자전관은 다른 진공관과 마찬가지로, 히터에 의해 가열되는 음극(캐소드)과, 가열되지 않는 양극(애노드)으로 구성된다.
음극은 진공관의 공동 중앙에 배치되며, 양극은 이 음극을 둘러싸도록 배치됨과 동시에, 음극에 대해 양의 고전압이 인가된다. 음극을 히터로 가열하면 열전자가 방출되고, 양극과 음극 사이의 전계에 의해 양극 방향으로 가속된다. 이때, 진공관의 축 방향으로 영구 자석 등으로 강력한 자기장이 형성되어 있으며, 전자는 플레밍의 왼손 법칙에 따라 진행 방향과 직각 방향으로 힘을 받아 굽혀진다.
2. 2. 작동 방식
기본적으로 자전관은 2극 진공관과 유사하며 음극의 열선에서 열전자가 방출되는 구조이다. 순동의 원통형 외곽 양극과 내부의 음극에 고압 전계가 걸리고, 위아래에 설치된 영구자석에 의해 전계와 수직 방향의 자계가 형성된다. 음극에서 튀어나온 전자는 전계의 영향으로 양극으로 향하고 자계의 영향을 받아 원통 내부를 회전하는 운동을 하게 된다. 전자는 양극쪽에 형성된 날개(vane)들을 지나가면서 공동공진기(cavity resonator)에 고주파 전자기장을 형성하게 된다.
진공관과 마찬가지로, 히터에 의해 가열되는 음극(캐소드)과, 가열되지 않는 양극(애노드)으로 구성된다.
음극은 진공관의 공동 중앙에 배치되며, 양극은 이 음극을 둘러싸도록 배치됨과 동시에, 음극에 대해 양의 고전압이 인가된다. 음극을 히터로 가열하면 열전자가 방출되고, 양극과 음극 사이의 전계에 의해 양극 방향으로 가속된다. 이때, 진공관의 축 방향으로 영구 자석 등으로 강력한 자기장이 형성되어 있으며, 전자는 플레밍의 왼손 법칙에 따라 진행 방향과 직각 방향으로 힘을 받아 굽혀진다.
이 작용에 의해, 전자는 음극과 양극 사이에 있는 작용 공간이라고 불리는 곳에서, 사이클로이드 곡선을 그리며 진동하면서 주회 운동을 시작한다. 양극에는 규칙적으로 형성된 복수의 공동(캐비티, cavity)이 있으며, 공동의 개구부를 사이클로이드 고유 진동하고 있는 전자가 통과하면, 공동의 공진 주파수로 공동과 전자가 공진을 일으켜, 마이크로파가 발생한다. 이렇게 공동에서 발생한 마이크로파를, 결합 회로를 통해 출력 회로로 효율적으로 전파시킴으로써, 자전관 외부로 이끌어내어, 각종 이용이 가능하게 된다.
이 결합 회로에는, 전자기 결합(루프)형과 정전 결합(슬릿)형 등이 있으며, 출력 회로에는 동축형이나 도파관형이 있다.
3. 종류
3. 1. 초기 마그네트론
필리프 레나르트가 제어 그리드를 사용하는 아이디어를 발명했고, 리 드 포레스트가 특허를 받았다. 이 특허를 회피하기 위한 연구로 자기장을 이용해 전류 흐름을 제어하는 마그네트론 튜브 개발이 이루어졌다.[8] 마그네트론은 음극과 양극, 그리고 U자형 자석으로 구성되며, 자기장이 없을 경우 전자는 음극에서 양극으로 흐르지만, 자기장이 존재하면 로렌츠 힘에 의해 곡선 경로를 따른다. 자기장이 강하면 전자는 음극으로 되돌아가고, 약하면 자유롭게 흐르는데, 이 중간 지점에서 사이클로트론 방사 효과로 전자가 무선 주파수 에너지를 방출한다. 초기에는 효율이 낮았지만, 마이크로파 대역에서 신호를 생성할 수 있는 유일한 장치였다.[8]
초기 자전관은 작동 유지가 어렵고, 낮은 전력 신호를 생성했다. 주요 개선 사항은 '''분할 애노드 자전관'''(''음성 저항 자전관'')으로, 양극을 두 부분으로 분할하여 각 부분의 전압을 조절하여 전자의 궤적을 수정했다. 두 플레이트의 전압을 약간 변경하면 전자가 낮은 전압 쪽으로 이동하게 할수 있었고, 발진기를 사용하여 주어진 주파수에서 두 플레이트의 상대 전압을 반전 시키는 방식으로 작동한다. 전압 변화에 따라 전자는 앞뒤로 진동하고, 강한 자기장으로 인해 전자는 애노드 쪽으로 루핑 경로를 따르며, 방사되는 RF 에너지의 양이 크게 향상되었다.[8] 하지만, 강한 자기장은 전자가 음극으로 되돌아가 장치를 손상시킬 수 있는 문제점이 존재했다.[8]
3. 2. 공동 공진형 마그네트론 (Cavity magnetron)
현대 마그네트론의 주류를 이루는 공동 공진형 마그네트론은 양극 내부에 여러 개의 공동 공진기를 배치하여 발진 효율을 높인 형태이다. 발진은 외부 회로나 필드가 아닌 애노드의 물리적 형태에 의해 생성된다.[9]
기계적으로 공동 자전관은 원형 면의 중앙에 구멍이 뚫린 크고 단단한 금속 원통으로 구성되며, 음극 역할을 하는 전선이 구멍 중앙으로 내려오고 금속 블록 자체가 양극을 형성한다. 이 구멍 주변은 "상호 작용 공간"으로 알려져 있으며, 여기에 짧은 채널로 연결된 여러 개의 유사한 구멍("공진기")이 뚫려 있다. 초기 모델은 콜트 권총 지그를 사용하여 절단되었다.[9] AC 회로에서 전자가 도체의 표면을 따라 이동한다는 점을 고려하면, 슬롯의 평행면은 커패시터 역할을 하고 둥근 구멍은 인덕터를 형성한다. 즉, 치수에 의해 완전히 정의되는 공진 주파수를 가진 고체 구리로 만들어진 LC 회로이다.
자기장은 임계 값보다 낮은 값으로 설정되어 전자가 양극을 향해 곡선 경로를 따른다. 전자가 양극에 부딪히면 해당 영역이 음전하를 띠게 된다. 이 과정은 무작위이므로 일부 영역은 전압 차이가 발생하고, 이로 인해 전류가 나타나 균일해진다. 전류는 공동의 바깥쪽을 흘러야 하므로 이 과정에는 시간이 걸린다. 그 시간 동안 추가 전자는 핫스팟을 피하고 양극을 따라 더 멀리 침전되며, 주변으로 흐르는 추가 전류가 도착하기 때문에 진동 전류가 형성된다.[10]
공동을 둘러싸는 진동 전류와 튜브 내의 전자 흐름에 미치는 영향은 공동에서 대량의 마이크로파 무선 주파수 에너지를 생성한다. 공동은 한쪽 끝이 열려 있어 전체 메커니즘은 단일의 더 큰 마이크로파 발진기를 형성한다. "탭"(일반적으로 루프로 형성된 전선)은 공동 중 하나에서 마이크로파 에너지를 추출한다. 일부 시스템에서는 탭 와이어가 열린 구멍으로 대체되어 마이크로파가 도파관으로 흐르도록 한다.
발진 설정에 시간이 걸리고 본질적으로 시작 시 무작위이므로 이후 시작 시 다른 출력 매개변수가 발생한다. 위상은 거의 보존되지 않으므로 자전관은 위상 배열 시스템에서 사용하기 어렵다. 주파수도 펄스마다 변동하며, 더 광범위한 레이더 시스템에 더 어려운 문제이다.
마그네트론은 다른 진공관과 마찬가지로, 히터에 의해 가열되는 음극(캐소드)과, 가열되지 않는 양극(애노드)으로 구성된다.
음극은 진공관의 공동 중앙에 배치되며, 양극은 이 음극을 둘러싸도록 배치됨과 동시에, 음극에 대해 양의 고전압이 인가된다. 음극을 히터로 가열하면 열전자가 방출되고, 양극과 음극 사이의 전계에 의해 양극 방향으로 가속된다. 이때, 진공관의 축 방향으로 영구 자석 등으로 강력한 자기장이 형성되어 있으며, 전자는 플레밍의 왼손 법칙에 따라 진행 방향과 직각 방향으로 힘을 받아 굽혀진다.
전자는 음극과 양극 사이에 있는 작용 공간에서 사이클로이드 곡선을 그리며 진동하면서 주회 운동을 시작한다. 양극에는 규칙적으로 형성된 복수의 공동(캐비티)이 있으며, 공동의 개구부를 사이클로이드 고유 진동하고 있는 전자가 통과하면, 공동의 공진 주파수로 공동과 전자가 공진을 일으켜, 마이크로파가 발생한다. 이렇게 공동에서 발생한 마이크로파를, 결합 회로를 통해 출력 회로로 효율적으로 전파시켜, 마그네트론 외부로 이끌어낸다.
4. 응용
마그네트론이 발생시키는 마이크로파는 레이더나 전자레인지 등에 응용된다.
마이크로파는 전파의 범주에서 고주파 대역을 나타내는 개념으로, 저주파보다 넓은 주파수 대역을 통신에 사용할 수 있다. 그 결과, 일정 시간 동안 저주파보다 많은 정보를 전송할 수 있다.
또한, 발생하는 마이크로파는 강력하고 파장이 짧기 때문에 직진성도 높아서, 반사파가 돌아오는 시간과 그 방향을 측정하여 떨어진 지점에 있는 물체의 거리와 방향을 탐지할 수 있으며, 이 원리를 이용한 장치를 레이더(전파 탐지기, radar영어)라고 한다.
한편, 마그네트론은 기본적으로 발진관 본체가 튼튼하고 견고하며, 고출력으로 안정된 마이크로파를 발진할 수 있지만, 발진 주파수를 가변하는 것은 일반적으로 어렵고, 클라이스트론이나 진행파관（TWT영어）처럼 단독으로 진폭 변조나 주파수 변조를 하는 것도 어렵다. 따라서, 통신의 "변조된 정보"를 전송하는 용도의 무선 장치에는 적합하지 않다.
전자레인지에 사용되는 주파수는 다른 응용 분야의 전파 대역과 간섭하여 장애를 일으키지 않도록 국제 규격으로 '2,450 MHz（ISM 밴드）'로 통일되어 있지만, 아메리카 대륙에 한해 915 MHz의 이용도 인정되고 있다. 전자레인지에 의한 가열의 원리는 극성 분자인 유전체에 마이크로파를 조사하면, 고주파 전계의 주기에 따라 분자 회전(분자간 진동)을 여기시켜, 그 회전 에너지가 산일됨으로써 열이 발생하는 것을 이용한 것이다.(마이크로파 가열 참조).
전자레인지의 작동 주파수가 '2,450MHz로 통일되어 있는' 이유는, 다른 마이크로파 대역에 악영향을 미치지 않기 때문이며, 물 자체의 유전 손실에 의한 흡수의 피크는, 더욱 1자리수 정도 높은 주파수(온도에 따라 변화하지만, 20 - 80GHz 전후)이다.
즉, 2,450MHz는 물이 회전 에너지로 흡수하는 피크 주파수에서는 크게 벗어나 있지만, 물의 마이크로파 흡수 특성의 폭이 매우 넓기 때문에, 주파수가 이 정도 벗어나 있어도 충분한 흡수가 일어나 가열을 할 수 있다. 아메리카 대륙에서의 전자레인지가 더 낮은 주파수인 915MHz를 사용해도 가열을 충분히 할 수 있는 것도 같은 이유에서이다(다만 효율은 약간 떨어진다).
4. 1. 레이다
레이더 세트에서 마그네트론의 도파관은 안테나에 연결된다. 마그네트론은 매우 짧은 전압 펄스로 작동하여 짧은 고출력 마이크로파 에너지가 방사되도록 한다. 모든 1차 레이더 시스템과 마찬가지로 목표물에서 반사된 방사선을 분석하여 화면에 레이더 지도를 생성한다.마그네트론 출력의 여러 특성은 이 장치를 레이더에 사용하는 데 약간의 문제를 야기한다. 마그네트론의 송신기 주파수 불안정성은 펄스 간 주파수 변동뿐만 아니라 개별 전송 펄스 내에서도 주파수 변동을 야기한다. 또한 전송 펄스의 에너지가 비교적 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 퍼져 있어 수신기의 대역폭이 그에 따라 넓어야 한다. 이 넓은 대역폭은 주변의 전기적 노이즈를 수신기에 허용하여 약한 레이더 반사를 다소 가리게 되므로 전체 수신기의 신호 대 잡음비가 감소하고 성능이 저하된다. 이외에도 고출력 전자기파 방사로 인한 방사선 위험이 있다.
이러한 요인은 극복되었거나 단순히 받아들여졌으며, 오늘날 수천 대의 마그네트론 항공 및 해상 레이더 장치가 사용되고 있다. 최근에는 마그네트론을 마이크로파 반도체 발진기로 대체했는데, 이는 더 좁은 출력 주파수 범위를 가지므로 더 좁은 수신기 대역폭을 사용할 수 있으며, 더 높은 신호 대 잡음비는 차례로 더 낮은 송신기 전력을 허용하여 EMR에 대한 노출을 줄인다.
마그네트론이 발생시키는 마이크로파는 강력하고 파장이 짧기 때문에 직진성도 높아서, 반사파가 돌아오는 시간과 그 방향을 측정하여 떨어진 지점에 있는 물체의 거리와 방향을 탐지할 수 있으며, 이 원리를 이용한 장치를 레이더(전파 탐지기, radar영어)라고 한다.
4. 2. 전자레인지
가정용 및 상업용 전자레인지에서 마그네트론은 마이크로파를 생성하는 데 사용된다. 이 마이크로파는 물 분자를 진동시켜 열을 발생시킨다. 작동 주파수는 다른 응용 분야의 전파 대역과 간섭하여 장애를 일으키지 않도록 국제 규격으로 '2,450 MHz (ISM 밴드)'로 통일되어 있다. 아메리카 대륙에서는 915 MHz의 이용도 허용된다.전자레인지에 의한 가열의 원리는 극성 분자인 유전체에 마이크로파를 조사하면, 고주파 전계의 주기에 따라 분자 회전(분자간 진동)을 여기시켜, 그 회전 에너지가 산일됨으로써 열이 발생하는 것을 이용한 것이다(마이크로파 가열).
전자레인지의 작동 주파수가 '2,450MHz로 통일되어 있는' 이유는, 다른 마이크로파 대역에 악영향을 미치지 않기 때문이다. 물 자체의 유전 손실에 의한 흡수의 피크는, 더욱 1자리수 정도 높은 주파수(온도에 따라 변화하지만, 20 - 80GHz 전후)이다. 즉, 2,450MHz는 물이 회전 에너지로 흡수하는 피크 주파수에서는 크게 벗어나 있지만, 물의 마이크로파 흡수 특성의 폭이 매우 넓기 때문에, 주파수가 이 정도 벗어나 있어도 충분한 흡수가 일어나 가열을 할 수 있다. 아메리카 대륙에서의 전자레인지가 더 낮은 주파수인 915MHz를 사용해도 가열을 충분히 할 수 있는 것도 같은 이유에서이다(다만 효율은 약간 떨어진다).
전자레인지에서 도파관은 조리실로 들어가는 무선 주파수 투명 포트로 이어진다. 챔버의 고정된 치수와 마그네트론과의 근접성으로 인해 일반적으로 챔버 내에 정재파 패턴이 생성되므로, 패턴은 도파관 내의 전동 팬형 ''모드 교반기''(상업용 오븐에서 더 흔함) 또는 음식을 회전시키는 턴테이블(소비자용 오븐에서 가장 흔함)에 의해 무작위화된다.
4. 3. 기타 응용
마그네트론은 다양한 분야에 응용된다. 마그네트론이 발생시키는 마이크로파는 레이더나 전자레인지 등에 사용된다. 마이크로파는 고주파 대역으로, 넓은 주파수 대역을 통신에 사용할 수 있어 일정 시간 동안 많은 정보를 전송할 수 있다. 또한, 강력하고 파장이 짧아 직진성이 높기 때문에 반사파를 이용해 물체의 거리와 방향을 탐지하는 레이더(전파 탐지기)에 활용된다.
전자레인지의 경우, ISM 밴드인 2,450 MHz 주파수를 사용하며, 아메리카 대륙에서는 915 MHz도 사용이 허용된다. 극성 분자인 유전체에 마이크로파를 조사하면 분자 회전이 일어나고, 이 회전 에너지가 열로 변환되는 마이크로파 가열 원리를 이용한다.
황 램프와 같이 마그네트론을 사용하여 빛을 생성하는 방식도 있다. 마그네트론이 도파관을 통해 빛을 내는 물질이 있는 조명 공간으로 마이크로파를 전달하는 방식이다.
5. 역사
1910년 지멘스(Siemens Corporation)의 한스 게르디엔(Hans Gerdien, 1877–1951)은 마그네트론을 발명했다.[13][14] 1912년, 스위스 물리학자 하인리히 그라이나허는 전자 질량을 계산할 새로운 방법을 찾던 중, 교차하는 자기장과 전기장 내에서 전자의 움직임에 대한 수학적 모델을 개발했다.[15][16]
앨버트 헐은 웨스턴 일렉트릭의 트라이오드 특허를 우회하고자, 정전기장 대신 가변 자기장을 사용하여 음극에서 양극으로의 전자 흐름을 제어하는 연구를 진행, 1921년에 자기장과 전기장의 세기 비율을 제어하여 스위칭을 제공하는 튜브를 만들고, 이 개념에 대한 여러 논문과 특허를 발표했다.[17]
헐의 마그네트론은 초단파(VHF) 전자기파 생성을 위한 것은 아니었지만, 1924년 체코 물리학자 아우구스트 자체크[18](1886–1961)와 독일 물리학자 에리히 하반[19](1892–1968)은 마그네트론이 100메가헤르츠에서 1기가헤르츠의 파장을 생성할 수 있다는 것을 독립적으로 발견했다. 자체크는 프라하 카렐 대학교 교수로 먼저 발표했지만 소규모 발행 잡지에 게재되어 주목받지 못했고,[20] 하반은 예나 대학교 학생으로 1924년 박사 학위 논문에서 마그네트론을 연구했다.[21] 1920년대 내내 헐과 전 세계 연구자들은 효율이 낮은 분할 양극 마그네트론을 포함, 다양한 마그네트론을 개발하기 위해 노력했다.[22][23][24]
1927년 도호쿠 제국대학의 오카베 킨지로에 의해 "분할 양극형 마그네트론"이 개발되어, 마이크로파의 발진이 가능하게 되었다. 1928년에는 미국의 학회에서 야기 안테나와 함께 영문 논문도 발표되었으며, 오카베는 1928년 1월 25일에 마그네트론 특허를 취득했다 (75255호).
1935년에 독일의 Hans Hollmann이 "다분할 공진 공동 마그네트론"으로 개량 발명했다.
제2차 세계 대전 중 레이더가 개발되는 동안, 10 cm (3 GHz) 정도의 짧은 파장에서 작동하는 고출력 마이크로파 발생기가 필요했다. 베를린의 한스 홀만이 1935년에 다중 공진형 마그네트론을 개발하여 특허를 받았다.[25] 그러나 독일군은 홀만의 장치의 주파수 드리프트를 원치 않아 클라이스트론을 기반으로 레이더 시스템을 구축했고, 이는 독일 야간 전투기 레이더가 저UHF 대역에서 벗어나지 못하고 영국의 레이더에 미치지 못한 이유 중 하나였다.[22]
1940년, 영국 버밍엄 대학교에서 존 랜드올과 해리 부트는 수냉식 고출력 마그네트론을 개발하여 레이다 기술 발전에 획기적인 전기를 마련했다.[30] 1941년, 제임스 세이어스는 마그네트론 내의 번갈아 가며 있는 공동을 연결("스트래핑")하여 주파수 불안정성 문제를 해결했다.[27]
GEC는 1940년 8월에 12개의 프로토타입 공동 마그네트론을 제작했으며, 미국의 NDRC 마이크로파 위원회는 생산된 전력 수준에 놀랐다. 벨 연구소는 샘플을 복사하기로 결정했고, 초기 영국 마그네트론은 6개의 공동을 가졌지만, 미국의 마그네트론은 8개의 공동을 가졌다.
RAF 공군 방어 레이더 박물관의 앤디 매닝에 따르면 랜드올과 부트의 발견은 "엄청난, 엄청난 획기적인 발전"이었고 "지금[2007]까지도 많은 사람들에 의해 제2차 세계 대전에서 나온 가장 중요한 발명품으로 여겨진다"고 말했다.[30]
윈스턴 처칠은 서 헨리 티자드가 미국의 재정적, 산업적 지원을 대가로 마그네트론을 미국인들에게 제공해야 한다고 동의했다.[30] 제너럴 일렉트릭 컴퍼니 연구소에서 영국 웸블리에서 제작된 초기 10 kW 버전은 1940년 9월 Tizard Mission에 실려갔다.[30][29] 벨 전화 연구소는 이 예를 가져와서 빠르게 복사를 시작했고, 1940년 말 이전에 방사선 연구소가 매사추세츠 공과대학교 캠퍼스에 세워져 마그네트론을 사용하여 다양한 유형의 레이더를 개발했다.
공동 마그네트론은 제2차 세계 대전 동안 연합군 레이더가 독일과 일본 레이더보다 상당한 성능 우위를 차지하는 데 기여한 것으로 여겨지며, 이는 전쟁의 결과에 직접적인 영향을 미쳤다. 그것은 나중에 미국 역사가 제임스 피니 박스터 3세에 의해 "[우리 해안으로 가져온] 가장 가치 있는 화물"로 묘사되었다.[31]
대일본제국은 분할 양극형에 의한 마이크로파용 마그네트론과 야기·우다 안테나라는 요소 기술을 타국에 앞서 발명했지만, 미국 주도로 영일 동맹을 파기당하는 등 영미와 기술 교류가 끊어졌기 때문에, 일본군과 산업계는 여러 국가의 정보를 얻어 종합적으로 유용성을 판단할 수 없었다.
1946년에 퍼시 스펜서(Percy Spencer)에 의해 마그네트론에서 발생하는 마이크로파가 식품의 온도를 상승시키는 효과가 발견되어, 이것이 전자 레인지의 시초가 되었다.
5. 1. 초기 연구 (1910년대 ~ 1930년대)
지멘스 (Siemens Corporation)의 한스 게르디엔(Hans Gerdien, 1877–1951)은 1910년에 마그네트론을 발명했다.[13][14] 1912년, 스위스 물리학자 하인리히 그라이나허는 전자 질량을 계산할 새로운 방법을 찾던 중, 교차하는 자기장과 전기장 내에서 전자의 움직임에 대한 수학적 모델을 개발했다.[15][16]앨버트 헐은 웨스턴 일렉트릭의 트라이오드 특허를 우회하고자, 정전기장 대신 가변 자기장을 사용하여 음극에서 양극으로의 전자 흐름을 제어하는 연구를 진행, 1921년에 자기장과 전기장의 세기 비율을 제어하여 스위칭을 제공하는 튜브를 만들고, 이 개념에 대한 여러 논문과 특허를 발표했다.[17]
헐의 마그네트론은 초단파(VHF) 전자기파 생성을 위한 것은 아니었지만, 1924년 체코 물리학자 아우구스트 자체크[18](1886–1961)와 독일 물리학자 에리히 하반[19](1892–1968)은 마그네트론이 100메가헤르츠에서 1기가헤르츠의 파장을 생성할 수 있다는 것을 독립적으로 발견했다. 자체크는 프라하 카렐 대학교 교수로 먼저 발표했지만 소규모 발행 잡지에 게재되어 주목받지 못했고,[20] 하반은 예나 대학교 학생으로 1924년 박사 학위 논문에서 마그네트론을 연구했다.[21] 1920년대 내내 헐과 전 세계 연구자들은 효율이 낮은 분할 양극 마그네트론을 포함, 다양한 마그네트론을 개발하기 위해 노력했다.[22][23][24]
1927년 도호쿠 제국대학의 오카베 킨지로에 의해 "분할 양극형 마그네트론"이 개발되어, 마이크로파의 발진이 가능하게 되었다. 1928년에는 미국의 학회에서 야기 안테나와 함께 영문 논문도 발표되었으며, 오카베는 1928년 1월 25일에 마그네트론 특허를 취득했다 (75255호).[38]
1935년에 독일의 Hans Hollmann이 "다분할 공진 공동 마그네트론"으로 개량 발명했다.
5. 2. 공동 공진형 마그네트론의 개발과 제2차 세계 대전 (1930년대 ~ 1940년대)
1910년 지멘스 (Siemens Corporation)의 한스 게르디엔(Hans Gerdien, 1877–1951)이 마그네트론을 발명했고,[13][14] 1912년 스위스 물리학자 하인리히 그라이나허는 교차하는 자기장과 전기장 내에서 전자의 움직임에 대한 수학적 모델을 개발했다.[15][16] 미국 앨버트 헐은 웨스턴 일렉트릭의 특허를 우회하기 위해 자기장을 사용하여 전자 흐름을 제어하는 마그네트론을 연구, 1921년에 관련 논문과 특허를 발표했다.[17]1924년, 체코 물리학자 아우구스트 자체크[18](1886–1961)와 독일 물리학자 에리히 하반[19](1892–1968)은 마그네트론이 100메가헤르츠에서 1기가헤르츠의 파장을 생성할 수 있다는 것을 독립적으로 발견했다.[20][21] 예나 대학교의 학생인 하반은 1924년 박사 학위 논문에서 마그네트론을 연구했다.[21] 1920년대 내내 헐과 전 세계의 다른 연구자들은 마그네트론을 개발하기 위해 노력했다.[22][23][24]
1927년 도호쿠 제국대학의 오카베 킨지로에 의해 "분할 양극형 마그네트론"이 개발되어 마이크로파의 발진이 가능하게 되었다. 1928년에는 미국의 학회에서 야기 안테나와 함께 영문 논문도 발표되었다.
제2차 세계 대전 중 레이더가 개발되는 동안, 10 cm (3 GHz) 정도의 짧은 파장에서 작동하는 고출력 마이크로파 발생기가 필요했다. 베를린의 한스 홀만이 1935년에 다중 공진형 마그네트론을 개발하여 특허를 받았다.[25] 그러나 독일군은 홀만의 장치의 주파수 드리프트를 원치 않아 클라이스트론을 기반으로 레이더 시스템을 구축했고, 이는 독일 야간 전투기 레이더가 저UHF 대역에서 벗어나지 못하고 영국의 레이더에 미치지 못한 이유 중 하나였다.[22]
|thumb|upright=1.22|랜드올과 부트의 초기 마그네트론과 함께 사용된 전자기석, 런던 과학 박물관에 전시]]
|thumb|upright=1.22|right|랜드올과 부트가 개발한 공동 마그네트론의 일부인 양극 블록]]
1940년, 영국 버밍엄 대학교에서 존 랜드올과 해리 부트는 수냉식 고출력 마그네트론을 개발하여 레이다 기술 발전에 획기적인 전기를 마련했다.[30] 1941년, 제임스 세이어스는 마그네트론 내의 번갈아 가며 있는 공동을 연결("스트래핑")하여 주파수 불안정성 문제를 해결했다.[27]
GEC는 1940년 8월에 12개의 프로토타입 공동 마그네트론을 제작했으며, 미국의 NDRC 마이크로파 위원회는 생산된 전력 수준에 놀랐다. 벨 연구소는 샘플을 복사하기로 결정했고, 초기 영국 마그네트론은 6개의 공동을 가졌지만, 미국의 마그네트론은 8개의 공동을 가졌다.
RAF 공군 방어 레이더 박물관의 앤디 매닝에 따르면 랜드올과 부트의 발견은 "엄청난, 엄청난 획기적인 발전"이었고 "지금[2007]까지도 많은 사람들에 의해 제2차 세계 대전에서 나온 가장 중요한 발명품으로 여겨진다"고 말했다.[30]
윈스턴 처칠은 서 헨리 티자드가 미국의 재정적, 산업적 지원을 대가로 마그네트론을 미국인들에게 제공해야 한다고 동의했다.[30] 제너럴 일렉트릭 컴퍼니 연구소에서 영국 웸블리에서 제작된 초기 10 kW 버전은 1940년 9월 Tizard Mission에 실려갔다.[30][29] 벨 전화 연구소는 이 예를 가져와서 빠르게 복사를 시작했고, 1940년 말 이전에 방사선 연구소가 매사추세츠 공과대학교 캠퍼스에 세워져 마그네트론을 사용하여 다양한 유형의 레이더를 개발했다.
공동 마그네트론은 제2차 세계 대전 동안 연합군 레이더가 독일과 일본 레이더보다 상당한 성능 우위를 차지하는 데 기여한 것으로 여겨지며, 이는 전쟁의 결과에 직접적인 영향을 미쳤다. 그것은 나중에 미국 역사가 제임스 피니 박스터 3세에 의해 "[우리 해안으로 가져온] 가장 가치 있는 화물"로 묘사되었다.[31]
대일본제국은 분할 양극형에 의한 마이크로파용 마그네트론과 야기·우다 안테나라는 요소 기술을 타국에 앞서 발명했지만, 미국 주도로 영일 동맹을 파기당하는 등 영미와 기술 교류가 끊어졌기 때문에, 일본군과 산업계는 여러 국가의 정보를 얻어 종합적으로 유용성을 판단할 수 없었다.
1946년에 퍼시 스펜서(Percy Spencer)에 의해 마그네트론에서 발생하는 마이크로파가 식품의 온도를 상승시키는 효과가 발견되어, 이것이 전자 레인지의 시초가 되었다.
5. 3. 한국의 마그네트론 연구와 발전
5. 4. 전후 발전과 현재 (1940년대 이후)
1940년 영국 버밍엄 대학교의 존 랜드올과 해리 부트는 공동 마그네트론의 작동 프로토타입을 제작하여 400W의 출력을 냈으며, 이후 수냉식 장치와 여러 개선을 통해 출력을 25kW까지 향상시켰다.[30] 제2차 세계 대전 동안 레이더 개발에 필수적인 고출력 마이크로파 발생기가 필요했는데, 한스 홀만의 다중 공진형 마그네트론은 주파수 드리프트 문제로 독일군에서 채택되지 않았고, 클라이스트론은 충분한 출력을 낼 수 없었다.[22] 제임스 세이어스는 마그네트론 내 공동을 연결하는 방식으로 주파수 불안정성 문제를 5~6배 줄였다.[27]GEC는 1940년 8월 12개의 프로토타입 공동 마그네트론을 제작했으며, 그중 8개의 구멍을 가진 12호가 Tizard Mission에 보웬과 함께 미국으로 보내져 공개되었다. 벨 전화 연구소는 이 샘플을 복사하여 생산하기 시작했고, 1941년 초에는 휴대용 센티미터 항공 레이더가 미국과 영국의 항공기에서 시험되었다.[30] H2S 레이더는 앨런 블럼레인과 버나드 러벨에 의해 부분적으로 개발되었다.
공동 마그네트론은 제2차 세계 대전 중 마이크로파 레이더 장비에 널리 사용되어 연합군 레이더의 성능 우위에 기여했다.[31] 센티미터 레이더는 소형 안테나를 사용하여 작은 물체를 감지할 수 있게 했고, 해상 초계기는 잠망경처럼 작은 물체를 감지하여 잠수함을 공격할 수 있었다. H2S와 같은 센티미터 등고선 매핑 레이더는 전략 폭격 작전의 정확도를 향상시켰고, 센티미터 대공포 레이더는 이전 기술보다 훨씬 정확했다.
대일본제국은 분할 양극형 마그네트론과 야기·우다 안테나라는 요소 기술을 타국보다 먼저 발명했지만, 영미와의 기술 교류 단절과 정보 부족으로 마그네트론 펄스 레이더를 실용화하지 못했다.[39] 도모나가 신이치로는 마그네트론의 진동 이론을 완성하여 학사원상을 수상했다.[37][38] 그러나 강력한 영구 자석에 필요한 희소 재료 부족과 기술 산업 기반 부족으로 일본의 마그네트론은 동작 불안정 문제를 겪었다.
1946년 퍼시 스펜서(Percy Spencer)는 마그네트론의 식품 가열 효과를 발견하여 전자레인지 개발의 계기를 마련했다.
2014년 현재에도 마그네트론은 레이더, 전자레인지의 고주파원으로 이용되고 있으며, 디지털 신호 처리의 발달로 실시간 코히어런트 처리가 가능해졌다.
6. 위험성
자전관은 고전압을 사용하고 마이크로파를 방출하므로, 안전에 유의해야 한다.
눈의 수정체는 혈류 냉각이 없기 때문에, 마이크로파 방사선에 노출될 경우 과열되기 쉽다. 이러한 가열은 나중에 백내장 발생률을 높일 수 있다.[32][40]
또한 자전관 주변에는 고전압 전원 공급 장치가 필요하므로 상당한 전기적 위험이 존재한다.
대부분의 자전관에는 소량의 산화 베릴륨과 토륨이 텅스텐과 혼합되어 열음극 필라멘트에 포함되어 있다. 토륨은 방사성 금속이지만, 정상적인 사용에서는 공기 중에 떠돌아다니지 않으므로 암 위험은 낮다. 필라멘트를 자전관에서 꺼내 미세하게 분쇄하여 흡입하는 경우에만 건강에 위험을 줄 수 있다.[33][34][35][41][42][43]
일부 자전관은 산화 베릴륨의 세라믹 절연체를 사용하고 있으며, 그것을 파괴하여 흡입하거나 입에 넣는 것은 위험하다. 한 번 또는 만성적인 노출은 치료 불가능한 베릴륨 폐를 초래할 수 있다. 게다가 산화 베릴륨은 사람에게 발암성이 확인된 것으로 국제 암 연구 기관(IARC)의 목록에 게재되어 있다. 따라서 부서진 세라믹 절연체나 자전관을 직접 다루어서는 안 된다.
6. 1. 고전압 위험
자전관은 작동을 위해 고전압 전원 공급 장치가 필요하며, 이로 인한 감전 위험이 존재한다.[32] 눈의 수정체는 혈류 냉각이 없어 마이크로파 방사선에 노출될 경우 과열되기 쉬우며, 이는 백내장 발생률을 높일 수 있다.[40]
대부분의 자전관에는 소량의 산화 베릴륨과 토륨이 텅스텐과 혼합되어 열음극 필라멘트에 포함되어 있다. 토륨은 방사성 금속이지만, 정상적인 사용에서는 공기 중에 떠돌아다니지 않으므로 암 위험은 낮다. 필라멘트를 자전관에서 꺼내 미세하게 분쇄하여 흡입하는 경우에만 건강에 위험을 줄 수 있다.[33][34][35][41][42][43]
일부 자전관은 산화 베릴륨 세라믹 절연체를 사용하는데, 파괴하여 흡입하거나 섭취하면 위험하다. 1회 또는 만성 노출은 치료 불가능한 베릴륨 폐를 유발할 수 있다. 산화 베릴륨은 국제 암 연구 기관(IARC)에서 인체 발암성 확인 물질로 분류되어 있으므로, 부서진 세라믹 절연체나 자전관을 직접 다루어서는 안 된다.
6. 2. 마이크로파 노출 위험
자전관에서 나오는 마이크로파에 장시간 노출되면 인체에 유해한 영향을 줄 수 있다. 특히 눈의 수정체는 혈류를 통한 냉각이 이루어지지 않아 마이크로파에 취약하며, 과열될 경우 백내장 발병률을 높일 수 있다.[32][40]
6. 3. 유해 물질
일부 자전관에는 산화 베릴륨 세라믹 절연체가 사용되는데, 파손되어 흡입되거나 입에 들어갈 경우 위험하다.[41][42][43] 한 번 또는 만성적으로 노출되면 치료 불가능한 베릴륨 폐를 유발할 수 있다.[41][42][43] 또한, 산화 베릴륨은 국제 암 연구 기관(IARC)에서 확인된 인체 발암 물질로 등재되어 있다. 따라서 부서진 세라믹 절연체나 자전관을 직접 다루어서는 안 된다.
대부분의 자전관은 소량의 토륨이 텅스텐과 혼합되어 열음극 필라멘트에 포함되어 있다.[33][34][35] 토륨은 방사성 금속이지만, 정상적인 사용 조건에서는 공기 중으로 방출되지 않아 암 위험은 낮다.[41][42][43] 필라멘트를 자전관에서 꺼내 미세하게 분쇄하여 흡입하는 경우에만 건강에 위험을 줄 수 있다.[33][34][35][41][42][43]
눈의 수정체는 냉각을 위한 혈류가 없기 때문에, 마이크로파를 쬘 때 특히 과열되기 쉽다.[32][40] 이 과열은 후년에 백내장 발병률을 높일 가능성이 있다.[32][40] 또한 자전관은 고전압을 필요로 하므로 감전 등의 중대한 위험성이 있다.
참조
[1]
간행물
"The Invention of the Cavity Magnetron and its Introduction into Canada and the U.S.A."
2001-11
[2]
서적
Blind Bombing: How Microwave Radar brought the Allies to D-Day and Victory in World War II
Potomac Books/University of Nebraska Press
[3]
웹사이트
The Magnetron
http://histru.bourne[...]
Bournemouth University
1995–2009
[4]
논문
How important was Tizard's Box of Tricks?
http://www3.imperial[...]
2008-03
[5]
서적
2010 International Conference on the Origins and Evolution of the Cavity Magnetron
2010-04-19
[6]
학위논문
3D Computer Modeling of Magnetrons
http://www.elec.qmul[...]
University of London
2004-12
[7]
웹사이트
Electric Valves: Diodes, Triodes, and Transistors
http://zipcon.net/~s[...]
[8]
웹사이트
The Magnetron
http://electriciantr[...]
[9]
논문
The Magnetron and the Beginnings of the Microwave Age
[10]
웹사이트
Magnetron Operation
http://hyperphysics.[...]
[11]
서적
Electronics Engineer's Reference Book, 4th ed.
Newnes-Butterworth
[12]
논문
Resuscitation of Hamsters after Supercooling or Partial Crystallization at Body Temperatures Below 0°C.
1954-06
[13]
서적
Taschenbuch der drahtlosen Telegraphie und Telephonie
https://books.google[...]
Springer Verlag
1927
[14]
서적
International Conference on the Origins and Evolution of the Cavity Magnetron (CAVMAG 2010), Bournemouth, England, UK, 19–20 April 2010
IEEE
2010
[15]
논문
Über eine Anordnung zur Bestimmung von e/m
http://babel.hathitr[...]
1912
[16]
웹사이트
Radar Basics
http://www.radartuto[...]
[17]
논문
The effect of a uniform magnetic field on the motion of electrons between coaxial cylinders
https://books.google[...]
1921
[18]
논문
Prof. August Žáček
1962
[19]
뉴스
Pionier der Funktechnik. Das Lebenswerk des Wissenschaftlers Erich Habann, der in Hessenwinkel lebte, ist heute fast vergessen
Bradenburger Blätter
2006-12-15
[20]
논문
Nová metoda k vytvorení netlumenych oscilací
1924-05
[21]
논문
Eine neue Generatorröhre
1924
[22]
서적
Tracking the History of Radar
IEEE
1994
[23]
논문
The magnetron and the beginnings of the microwave age
1985
[24]
논문
[Obtaining oscillations in cathode tubes with the aid of a magnetic field]
1926
[25]
특허
Magnetron
http://pdfpiw.uspto.[...]
[26]
서적
The Development of Radar Equipments for the Royal Navy, 1935–45
Macmillan Press Ltd.
1995
[27]
웹사이트
M.J.B.Scanlan; Early Centimetric Ground Radars – A Personal Reminiscence
http://www.radarpage[...]
[28]
논문
The high-power pulsed magnetron: development and design for radar applications
https://ieeexplore.i[...]
[29]
뉴스
How the search for a 'death ray' led to radar
https://www.bbc.co.u[...]
2017-10-09
[30]
뉴스
Briefcase 'that changed the world'
http://news.bbc.co.u[...]
2007-02-05
[31]
서적
Scientists Against Time
Little, Brown, and Co.
1946
[32]
논문
Cataracts induced by microwave and ionizing radiation
[33]
웹사이트
In the home – ANSTO
http://www.ansto.gov[...]
[34]
웹사이트
EngineerGuy Video: microwave oven
http://www.engineerg[...]
[35]
웹사이트
Radiation Protection
http://www.epa.gov/r[...]
2014-07-16
[36]
서적
Radar Origins Worldwide: History of Its Evolution in 13 Nations Through World War II
https://books.google[...]
Trafford Publishing
2009-11-25
[37]
서적
ある原子物理学者の生涯
新人物往来社
[38]
간행물
小谷‐朝永のマグネトロン研究
https://doi.org/10.1[...]
日本物理学会
2020-10-17
[39]
간행물
防衛技術ジャーナル（防衛技術協会） 令和3年12月号 元防衛庁技術研究本部第2研究所長 山岸文夫
防衛技術協会
令和3年12月
[40]
간행물
Cataracts induced by microwave and ionizing radiation
[41]
웹사이트
In the home - ANSTO
http://www.ansto.gov[...]
2018-05-05
[42]
웹사이트
EngineerGuy Video: microwave oven
http://www.engineerg[...]
2018-05-05
[43]
웹사이트
Radiation Protection - US EPA
http://www.epa.gov/r[...]
2014-07-16
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