가상음극발진기의 이극관 간격 변화에 따른 고출력 마이크로파의 발생 = Measurement of Power of Microwave by Diode Gap Spacing Variation in Virtual Cathode Oscillator

국문 초록 (Abstract)

상대론적 전자빔을 이용한 고출력 마이크로파 발생 장치인 가상 음극 발진기(Virtual Cathode Oscillator : Vircator)는 진공 도파관을 진행하는 상대론적 전자빔이 공간 전하 한계 전류를 초과할 때 생기는 가상 음극 현상을 이용한 것으로, 다른 마이크로파 발생장치에 비해 효율은 떨어지지만, 출력이 수 GW로 매우 크고, 구조가 간단하기 때문에 활발한 연구가 진행되고 있다. 가상 음극 발진기는 음극의 모양과 크기, 음극과 양극의 거리 등 이극관의 구조 변인에 따라, 발생되는 마이크로파의 출력이 달라지는데, 본 실험에서는 상대론적 전자빔 발생 장치인 “천둥” 장치(최대 600 kV, 85 kA, 60 ns)를 이용하여 제작된 가상 음극 발진기에서 이극관의 간격 변화에 대한 마이크로파의 출력 변화를 살펴보았다. 지름 3 cm 탄소전극을 음극으로, 스텐레스 망을 양극으로 사용하였으며, diode 압력이 5×10-5 Torr 이하이고, Marx generator의 충전 전압이 300 kV일 때, diode 최대 출력은 6.4 GW이며, 마이크로파의 최대 출력은 53 MW로 나타났다. 전극 간격이 1 mm에서 8 mm까지 늘어남에 따라, diode 출력은 점점 감소하였고, 마이크로파의 출력은 증가 곡선을 이루다가 4 mm를 최대로 하여 다시 줄어들었다. 마이크로파의 발생 시점은 음극과 양극에서 형성된 플라즈마의 이동에 의해 전극 간격이 3～4 mm가 될 때이며, 이를 기하학적 factor인 perveance(I/V3/2)를 이용해 얻어내었다. 발생되는 마이크로파의 주요 주파수 대역은 5～8 GHz이며, 5.25 GHz에서 최대 출력을 나타냈고, 이때 전력 변환 효율은 약 1.5 %로 측정되었다. 또한, 가상음극발진기에서 발생되는 마이크로파에 의한 PDP의 방전실험을 통하여, 전극 간격에 따른 마이크로파의 출력 변화를 거시적으로 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Virtual Cathode Oscillator(vircator) is the high-power microwave generator using the virtual cathode formed when the relativistic electron beam current in the drift tube exceeds the space charge limiting current. The power of microwave in the vircator depends on the diode condition such as the shape or the size of the cathode, the diode gap spacing(A-K gap), etc. In this study, it is investigated that diode gap spacing variation has an effect on the microwave power. The vircator was fabricated with　"Chundoong"(600 kV, 85 kA, 60 ns), the relativistic electron beam generator. The carbon disc(diameter 3 cm) was used for the cathode, and the stainless steel mesh was for the anode. When the pressure in the diode was under 5×10-5 Torr, and the charged voltage in the Marx generator was 300 kV, the maximum power of the diode was 6.4 GW, and the maximum power of microwave was 53 MW. As the diode gap spacing increased from 1 mm to 8 mm, the diode power decreased, and the microwave power came out highest at 4 mm. The point of time that microwave was generated was when the diode gap became 3~4 mm by the movement of plasma formed at the cathode and at the anode. And that was acquired by geometric factor, 'perveance'(I/V3/2). The main frequency range of generated microwave was 5~8 GHz, and the maximum power came out at 5.25 GHz. At that time the power conversion efficiency was calculated to be about 1.5 %. Also through the experiment that microwave generated in the vircator caused AC-PDP cell to discharge, it was macroscopically confirmed that diode gap spacing variation has an effect on the microwave power.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 본론 2
• 1. 가상 음극 발진기의 소개 2
• 1.1 천둥장치 2
• 1.1.1. Marx generator 2
• 1.1.2. 펄스 형성관(PFL) 6
• 1.1.3. 이극관(diode) 11
• 1.2. 가상 음극의 형성(Virtual Cathode Formation) 13
• 1.2.1. 공간 전하 한계 전류(Space Charge Limiting Current) 13
• 1.2.2. 가상 음극의 형성 16
• 1.3. 가상 음극 발진기의 동작 원리 및 특성 18
• 2. 실험 21
• 2.1. 실험 장치 및 방법 21
• 2.2. 실험 결과 및 분석 22
• 2.2.1. 전자빔의 출력 측정 22
• 2.2.2. 마이크로파의 출력 측정 34
• Ⅲ. 결론 42
• 참고문헌 43