본문으로 이동

자전관

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
공동을 보여주기 위해 단면을 제거한 마그네트론. 중앙의 캐소드는 보이지 않는다. 왼쪽에는 마이크로파를 방출하는 안테나가 있다. 장치의 장축과 평행한 자기장을 생성하는 자석은 표시되지 않았다.
다른 단면을 제거한 유사한 마그네트론. 중앙의 캐소드가 보인다. 상단에는 마이크로파를 전도하는 안테나가 있으며 자석은 표시되지 않았다.
소련 항공기 레이더에 사용되었던 구식 9 GHz 마그네트론 관과 자석. 관은 두 개의 말발굽 모양 알니코 자석(위, 아래)의 극 사이에 끼워져 있으며, 이 자석들이 관의 축을 따라 자기장을 형성한다. 마이크로파는 상단의 도파관 개구부에서 방출되며, 사용 시에는 마이크로파를 레이더 안테나로 전도하는 도파관에 부착된다. 현대의 관은 부피가 훨씬 적은 희토류 자석, 전자석 또는 페라이트 자석을 사용한다.

공동 자전관(空洞磁電管) 또는 공동 마그네트론(cavity magnetron)[1]은 초기 레이더 시스템과 이후 전자레인지, 선형입자가속기 등에 사용된 고출력 진공관이다. 공동 마그네트론은 금속 블록에 뚫린 작고 열린 구멍들인 일련의 공동 공명기 앞을 지나는 전자 흐름과 자기장의 상호작용을 이용해 마이크로파를 생성한다. 전자가 공동 옆을 지나갈 때 마치 구멍 옆으로 공기 흐름을 불어넣을 때 소리가 나는 휘슬의 원리와 유사하게 공동 내부에서 마이크로파가 진동하게 된다. 이 장치의 공명 주파수는 공동의 물리적 치수에 의해 결정된다. 속도변조관(클라이스트론)이나 진행파관(TWT)과 같은 다른 진공관과 달리, 마그네트론은 인가된 마이크로파 신호의 강도를 높이는 앰프(증폭기) 역할을 할 수 없다. 마그네트론은 오직 진공관에 공급된 직류 전기를 마이크로파 신호로 변환하는 전자 발진기 역할만 수행한다.

전류의 흐름을 제어하는 수단으로 자기장을 사용하는 아이디어는 1906년 리 디포리스트가 오디온을 발명하면서 촉발되었다. 미국 제너럴 일렉트릭 연구소의 앨버트 헐은 디포리스트의 특허를 피하기 위해 마그네트론 개발을 시작했으나,[2] 이는 완전히 성공적이지는 못했다. 다른 실험자들이 헐의 연구를 이어받았으며, 1924년 독일의 하반(Habann)이 두 개의 캐소드를 사용하는 핵심적인 진전을 이루어냈다. 이후 1929년 일본의 오카베 킨지로가 센티미터 파장 신호의 생성을 기록한 논문을 발표하면서 전 세계적인 관심을 끌기 전까지는 추가 연구가 제한적이었다. 다중 캐소드 마그네트론의 개발은 1934년 벨 전화 연구소의 A. L. 새뮤얼에 의해 제안되었으며, 이는 1934년 포스트무스(Postumus)와 1935년 한스 홀만의 설계로 이어졌다. 생산은 필립스, 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(GEC), 텔레풍켄 등에서 맡았으나 출력은 10 W 정도로 제한되었다. 이 무렵에는 속도변조관이 더 큰 전력을 생산하고 있었기에 마그네트론은 널리 사용되지 않았으나, 1936년 소련의 알렉세레프와 말레아로프가 300 W 장치를 제작하기도 했다(1940년 발표).[2]

공동 마그네트론은 1940년 영국 버밍엄 대학교의 존 랜들과 해리 부트에 의해 획기적으로 개선되었다.[3]: 24–26 [4] 그들이 처음 만든 작동 모델은 10 cm 파장에서 수백 와트를 생산했는데, 이는 전례 없는 성과였다.[5][6] 몇 주 만에 GEC의 엔지니어들은 이를 1 킬로와트(kW) 이상으로 개선했고, 몇 달 안에 25 kW, 1941년까지 100 kW 이상, 1943년 무렵에는 메가와트 급에 도달했다. 이 고출력 펄스는 작은 책 크기만한 장치에서 생성되어 불과 몇 센티미터 길이의 안테나로 송신되었으며, 이로 인해 실용적인 레이더 시스템의 크기가 수십 분의 일로 줄어들어 야간 전투기에도 장착할 수 있게 되었다.[7] 야간 전투기, 대잠 초계기, 심지어 가장 작은 호위함에도 새로운 레이더가 등장했으며,[7] 이때부터 연합국은 독일과 일본이 결코 좁힐 수 없는 레이더 기술의 우위를 점하게 되었다. 전쟁이 끝날 무렵 거의 모든 연합군 레이더는 마그네트론을 기반으로 했다.

마그네트론은 전후 시기에도 레이더에 계속 사용되었으나, 1960년대에 고출력 속도변조관과 진행파관이 등장하면서 인기가 시들해졌다. 마그네트론의 주요 특징 중 하나는 출력 신호가 펄스마다 주파수와 위상 모두 변한다는 점이다. 이 때문에 이동 목표 식별(MTI)을 수행하거나 레이더 화면에서 "클러터"를 제거하기 위해 펄스 간 비교를 수행하는 시스템에는 덜 적합하다.[8] 마그네트론은 일부 레이더 시스템에 여전히 사용되고 있지만, 전자레인지용 저가형 광원으로 훨씬 더 흔하게 쓰이게 되었다. 이러한 형태로 현재 10억 개 이상의 마그네트론이 사용되고 있다.[8][9]

구조 및 작동 원리

[편집]

전통적인 진공관 설계

[편집]

전통적인 전자관(진공관)에서 전자는 음으로 대전되어 가열된 부품인 캐소드에서 방출되어 양으로 대전된 부품인 애노드로 끌려간다. 이 부품들은 일반적으로 동심원상으로 배치되며, 전자가 자유롭게 이동할 수 있도록 공기가 완전히 제거된 관 모양의 용기(진공관) 안에 배치된다.

만약 캐소드와 애노드 사이에 제3의 전극(제어 그리드)을 삽입하면, 이 제3의 전극에 가해지는 전압을 변화시켜 캐소드와 애노드 사이의 전자 흐름을 조절할 수 있다. 이를 통해 결과적으로 얻어지는 전자관(3극 진공관)은 제어 그리드에 가해지는 전기 전하의 미세한 변화가 캐소드와 애노드 사이를 흐르는 훨씬 큰 전자 전류의 동일한 변화로 나타나기 때문에 앰프(증폭기) 역할을 할 수 있게 된다.[10]

헐 또는 단일 애노드 마그네트론

[편집]

그리드를 이용해 제어하는 아이디어는 1905년 노벨 물리학상을 받은 필리프 레나르트에 의해 발명되었다. 미국에서는 이후 리 디포리스트가 특허를 받았고, 이로 인해 그의 특허를 피하기 위한 대안적인 진공관 설계에 대한 상당한 연구가 이루어졌다. 한 가지 개념은 전류의 흐름을 제어하기 위해 전하 대신 자기장을 사용하는 것이었으며, 이것이 마그네트론 관의 개발로 이어졌다. 이 설계에서 진공관은 두 개의 전극으로 만들어졌는데, 일반적으로 중앙에 금속 막대 형태의 캐소드가 있고 그 주위를 애노드가 실린더 형태로 감싸고 있었다. 이 관은 자기장이 전극의 축과 평행하게 정렬되도록 배치된 말발굽 자석의 극 사이에 놓였다.[11]

자기장이 없을 때 이 관은 전자가 캐소드에서 애노드로 직접 흐르는 다이오드로 작동한다. 자기장이 존재하면 전자는 운동 방향에 직각인 힘(로런츠 힘)을 받게 된다. 이 경우 전자는 캐소드와 애노드 사이에서 곡선 경로를 따르게 된다. 경로의 곡률은 전자석을 사용하여 자기장을 변화시키거나 전극 사이의 전위차를 변경함으로써 제어할 수 있다.

자기장 설정값이 매우 높으면 전자는 강제로 캐소드로 되돌아가 전류의 흐름이 차단된다. 반대로 자기장이 없으면 전자는 캐소드에서 애노드로 직선으로 자유롭게 흐른다. 이 두 극단 사이에는 전자가 겨우 애노드에 도달하는 임계값 또는 헐 차단(Hull cut-off) 자기장(및 차단 전압)이 존재한다. 이 지점 부근의 자기장에서 장치는 3극 진공관과 유사하게 작동한다. 그러나 자기 제어는 이력 현상 및 기타 효과로 인해 기존 3극 진공관의 제어 그리드를 사용한 정전 제어보다 제어 전류에 대한 반응이 느리고 충실도가 떨어졌으며(무게와 복잡성은 말할 것도 없음), 이로 인해 마그네트론은 일반적인 전자 설계에서 제한적으로만 사용되었다.

마그네트론이 임계값에서 작동할 때 무선주파수 스펙트럼의 에너지를 방출한다는 사실이 발견되었다. 이는 일부 전자가 애노드에 도달하는 대신 캐소드와 애노드 사이의 공간에서 계속 원을 그리며 회전하기 때문에 발생한다. 현재 사이클로트론 복사로 알려진 효과로 인해, 이 전자들은 무선주파수 에너지를 방출한다. 이 효과는 그리 효율적이지 않다. 결과적으로 전자는 전극 중 하나에 충돌하므로, 특정 시간에 순환 상태에 있는 전자의 수는 전체 전류의 작은 비율에 불과하다. 또한 방출되는 복사 주파수가 관의 크기에 따라 달라진다는 사실도 발견되었으며, 마이크로파 대역의 신호를 생성하는 초기 모델들도 제작되었다.

초기의 전통적인 진공관 시스템은 고주파 대역으로 제한되었으며, 1930년대 후반에 초단파 시스템이 널리 보급되었음에도 불구하고 극초단파와 마이크로파 대역은 기존 회로의 능력을 훨씬 벗어난 영역이었다. 마그네트론은 마이크로파 대역에서 신호를 생성할 수 있는 몇 안 되는 장치 중 하나였으며, 센티미터 파장에서 고출력을 낼 수 있는 유일한 장치였다.

분할 애노드 마그네트론

[편집]
분할 애노드 마그네트론(약 1935년경). (왼쪽) 높이 약 11 cm의 노출된 관. (right) 강한 영구 자석의 극 사이에 설치되어 사용되는 모습

원래의 마그네트론은 임계값에서 작동 상태를 유지하기가 매우 어려웠고, 그때조차도 순환 상태에 있는 전자의 수가 상당히 적었다. 이는 매우 낮은 전력의 신호만을 생성했음을 의미한다. 그럼에도 불구하고 마이크로파를 생성하는 것으로 알려진 몇 안 되는 장치 중 하나였기에 장치에 대한 관심과 잠재적 개선 가능성에 대한 기대는 널리 퍼져 있었다.

첫 번째 주요 개선 사항은 부저항 마그네트론으로도 알려진 분할 애노드 마그네트론이었다. 이름에서 알 수 있듯이 이 설계는 관의 양 끝에 하나씩, 두 개로 분할된 애노드를 사용하여 두 개의 반원기둥을 형성했다. 두 애노드가 동일한 전압으로 충전되었을 때는 원래 모델처럼 작동했다. 하지만 두 전극판의 전압을 약간 다르게 하면 전자의 궤적을 수정하여 전압이 더 높은 쪽으로 자연스럽게 이동하게 할 수 있었다. 이 전극판들은 주어진 주파수에서 두 판의 상대적 전압을 반전시키는 발진기에 연결되었다.[11]

특정 순간에 전자는 자연스럽게 관의 전압이 높은 쪽으로 밀려나게 된다. 그러면 전자는 전압이 변함에 따라 앞뒤로 진동하게 된다. 동시에 원래 설계의 임계값보다 강한 강력한 자기장이 인가된다. 이는 보통 전자를 캐소드로 되돌려 보내려 하지만, 진동하는 전기장 덕분에 전자는 대신 애노드를 향해 계속 나아가는 루프 경로를 따르게 된다.[11]

흐름 속의 모든 전자가 이러한 루프 운동을 겪게 되므로 방출되는 RF 에너지의 양이 크게 향상되었다. 또한 임계값을 넘는 어떤 자기장 수준에서도 운동이 발생했기 때문에 더 이상 자기장과 전압을 정밀하게 조정할 필요가 없었으며 장치의 전체적인 안정성도 크게 개선되었다. 불행히도 더 높은 자기장은 전자가 종종 캐소드로 되돌아가 에너지를 전달함으로써 캐소드를 가열시킨다는 것을 의미하기도 했다. 이는 보통 더 많은 전자가 방출되게 하므로 때때로 폭주 효과를 일으켜 장치를 손상시킬 수 있었다.[11]

공동 마그네트론

[편집]

마그네트론 설계의 비약적인 발전은 전혀 다른 원리로 작동하는 공동 공명기 마그네트론 또는 전자 공명 마그네트론이었다. 이 설계에서 진동은 외부 회로나 자기장이 아닌 애노드의 물리적 형태에 의해 생성된다.

공동 공명기 마그네트론의 단면도. 자기력선은 이 구조의 기하학적 축과 평행하다.

기계적으로 공동 마그네트론은 원형 면의 중심을 관통하는 구멍이 뚫린 거대하고 단단한 금속 실린더로 구성된다. 캐소드 역할을 하는 철사가 이 구멍의 중심을 따라 지나가며, 금속 블록 자체가 애노드를 형성한다. "상호작용 공간"으로 알려진 이 구멍 주위에는 상호작용 공간과 평행하게 뚫린 다수의 유사한 구멍들("공명기")이 있으며, 이들은 짧은 채널을 통해 상호작용 공간과 연결되어 있다. 결과적으로 블록은 약간 큰 중앙 구멍이 있는 리볼버의 실린더와 비슷하게 생겼다. 초기 모델은 콜트 제조회사의 권총 지그를 사용해 절삭되었다.[12] AC 회로에서 전자가 도체의 중심이 아닌 표면을 따라 이동(표피효과)한다는 점을 기억하면, 슬롯의 평행한 측면은 축전기 역할을 하고 둥근 구멍은 유도자 역할을 한다. 즉, 단단한 구리로 만들어진 LC 회로가 되며, 공명 주파수는 전적으로 그 치수에 의해 정의된다.

자기장은 임계값보다 훨씬 낮게 설정되어 전자는 애노드를 향해 곡선 경로를 따르게 된다. 전자가 애노드에 부딪히면 그 부위를 음으로 대전시킨다. 이 과정은 무작위적이므로 일부 영역은 주변보다 더 많이 또는 더 적게 대전된다. 애노드는 전도성이 매우 높은 물질(거의 항상 구리)로 만들어지므로, 이러한 전압 차이는 이를 균일하게 만들기 위한 전류를 발생시킨다. 전류가 공동의 외부를 돌아 흘러야 하므로 이 과정에는 시간이 걸린다. 그 시간 동안 추가적인 전자들은 뜨거운 지점을 피하게 되며, 주변을 도는 추가 전류가 도착함에 따라 애노드의 더 먼 곳에 쌓이게 된다. 이로 인해 전류가 한 지점을 평형화하고 다시 다른 지점을 평형화하려 하면서 진동 전류가 형성된다.[13]

공동 주위를 흐르는 진동 전류와 그것이 관 내부의 전자 흐름에 미치는 영향으로 인해 공동 내부에 막대한 양의 마이크로파 무선주파수 에너지가 생성된다. 공동들의 한쪽 끝이 열려 있어 전체 메커니즘이 하나의 거대한 마이크로파 발진기를 형성한다. 일반적으로 고리 모양으로 만들어진 철사인 "탭"이 공동 중 하나에서 마이크로파 에너지를 추출한다. 일부 시스템에서는 탭 철사 대신 열린 구멍을 사용하여 마이크로파가 도파관으로 흐르게 한다.

진동이 설정되는 데 시간이 걸리고 시작 시 본질적으로 무작위적이기 때문에, 이후의 재가동 시 출력 매개변수가 달라질 수 있다. 위상은 거의 보존되지 않으며, 이로 인해 마그네트론은 위상배열 시스템에서 사용하기 어렵다. 주파수 또한 펄스마다 변동(드리프트)하는데, 이는 광범위한 레이더 시스템에서 더 어려운 문제다. 하지만 이 중 어느 것도 연속파 레이더나 전자레인지에서는 문제가 되지 않는다.

일반적인 특징

[편집]
1984년 공동 마그네트론의 절개도. 오른쪽 자석과 구리 애노드 블록의 일부를 절개하여 캐소드와 공동을 보여준다. 이 구형 마그네트론은 두 개의 말발굽 모양 알니코 자석을 사용하며, 현대의 관은 희토류 자석을 사용한다.

모든 공동 마그네트론은 고전압 직류 전원 공급 장치에 의해 생성된 높은(연속 또는 펄스) 음전위의 가열된 원통형 캐소드로 구성된다. 캐소드는 진공 처리된 엽(lobe) 모양의 원형 금속 챔버 중앙에 위치한다. 챔버의 벽은 관의 애노드가 된다. 영구 자석에 의해 공동의 축과 평행한 자기장이 가해진다. 전자는 처음에 애노드 벽의 전기장에 끌려 캐소드에서 바깥쪽 방사형으로 이동한다. 자기장은 로런츠 힘의 결과로 전자가 원형 경로를 그리며 나선형으로 바깥쪽으로 나가게 한다. 챔버의 가장자리 주위에는 원통형 공동들이 배치되어 있다. 중앙의 공동 공간으로 열리는 슬롯들이 공동의 길이를 따라 잘려 있다. 전자가 이 슬롯들을 훑고 지나갈 때 각 공명 공동에 고주파 무선 장장을 유도하며, 이는 다시 전자들을 무리로 뭉치게 만든다. 무선주파수 에너지의 일부는 도파관(일반적으로 직사각형 단면의 금속관)에 연결된 짧은 결합 루프에 의해 추출된다. 도파관은 추출된 RF 에너지를 부하로 보내는데, 이는 전자레인지의 조리실이거나 레이더의 경우 고이득 안테나일 수 있다.

공동의 크기가 공명 주파수를 결정하며, 그에 따라 방출되는 마이크로파의 주파수가 결정된다. 그러나 주파수를 정밀하게 제어할 수는 없다. 작동 주파수는 부하 파동 임피던스의 변화, 공급 전류의 변화, 그리고 관의 온도에 따라 달라진다.[14] 이는 가열 용도나 수신기가 부정확한 마그네트론 주파수에 동기화될 수 있는 일부 형태의 레이더에서는 문제가 되지 않는다. 정밀한 주파수가 필요한 곳에서는 속도변조관(클라이스트론)과 같은 다른 장치가 사용된다.

마그네트론은 전원 공급 장치 외에 외부 요소가 필요 없는 자가 발진 장치이다. 발진이 형성되기 전에 명확히 정의된 임계값 애노드 전압이 인가되어야 한다. 이 전압은 공명 공동의 치수와 인가된 자기장의 함수이다. 펄스 응용 분야에서는 발진기가 완전한 피크 전력에 도달하기까지 몇 사이클의 지연이 있으며, 애노드 전압의 상승은 발진기 출력의 상승과 조율되어야 한다.[14]

공동의 수가 짝수인 경우, 두 개의 동심원 링이 교차하는 공동 벽들을 연결하여 비효율적인 발진 모드를 방지할 수 있다. 이를 파이-스트래핑(pi-strapping)이라고 하는데, 두 개의 스트랩이 인접한 공동 사이의 위상차를 π 라디안(180°)으로 고정하기 때문이다.

현대의 마그네트론은 상당히 효율적인 장치이다. 예를 들어 전자레인지에서 1.1 kW의 입력은 일반적으로 약 700 W의 마이크로파 전력을 생성하며, 이는 약 65%의 효율이다. (고전압과 캐소드의 특성이 마그네트론의 전력을 결정한다.) 대형 S 밴드 마그네트론은 평균 출력 3.75 kW와 함께 최대 2.5 MW의 피크 전력을 생산할 수 있다.[14] 일부 대형 마그네트론은 수냉식이다. 마그네트론은 높은 전력이 필요하지만 주파수와 위상의 정밀한 제어가 중요하지 않은 역할에서 여전히 널리 사용되고 있다.

응용 분야

[편집]

레이더

[편집]
1947년 초기 상업용 공항 레이더를 위한 9.375 GHz 20 kW(피크) 마그네트론 조립체. 마그네트론(오른쪽) 외에도 TR(송수신) 전환관과 슈퍼헤테로다인 수신기 전단부, 2K25 반사형 속도변조관 국부 발진기, 1N21 게르마늄 다이오드 믹서가 포함되어 있다. 도파관 개구부(왼쪽)는 안테나로 가는 도파관과 연결된다.

레이더 세트에서 마그네트론의 도파관은 안테나에 연결된다. 마그네트론은 매우 짧은 전압 펄스로 작동하여 고출력 마이크로파 에너지의 짧은 펄스를 방출한다. 모든 기본 레이더 시스템과 마찬가지로 타겟에서 반사된 방사선은 분석되어 화면에 레이더 지도를 생성한다.

마그네트론 출력의 몇 가지 특성은 이 장치를 레이더에 사용하는 데 있어 다소 문제를 일으킨다. 첫 번째 요인은 송신기 주파수에 내재된 마그네트론의 불안정성이다. 이 불안정성은 한 펄스에서 다음 펄스로의 주파수 이동뿐만 아니라 개별 송신 펄스 내에서의 주파수 이동도 초래한다. 두 번째 요인은 송신 펄스의 에너지가 상대적으로 넓은 주파수 스펙트럼에 퍼져 있어 수신기가 그에 상응하는 넓은 대역폭을 가져야 한다는 점이다. 이 넓은 대역폭은 주변 전기 노이즈가 수신기로 유입되게 하여 약한 레이더 에코를 어느 정도 가리게 되며, 결과적으로 전체 수신기의 신호 대 잡음비와 성능을 저하시킨다. 세 번째 요인은 응용 분야에 따라 다르지만, 고출력 전자기파 사용으로 인한 방사선 위험이다. 예를 들어 레저용 선박에 장착된 항해용 레이더의 경우 2~4 kW 출력의 마그네트론 레이더가 승무원이나 승객이 있는 장소와 매우 가깝게 장착되는 경우가 많다. 실제 사용에서는 이러한 요인들이 극복되었거나 단순히 수용되었으며, 수천 대의 마그네트론 기반 항공 및 해상 레이더 유닛이 사용되고 있다. 최근 항공 기상 회피 레이더와 해상 레이더의 발전으로 마그네트론은 출력 주파수 범위가 더 좁은 마이크로파 반도체 발진기로 성공적으로 대체되었다. 이를 통해 더 좁은 수신기 대역폭을 사용할 수 있게 되었고, 더 높은 신호 대 잡음비 덕분에 송신기 출력을 낮출 수 있어 전자기파 노출을 줄일 수 있게 되었다.

가열

[편집]
장착 상자 안에 자석과 함께 들어있는 전자레인지용 마그네트론. 수평 판들은 팬의 공기 흐름에 의해 냉각되는 히트 싱크를 형성한다. 자기장은 두 개의 강력한 링 자석에 의해 생성되며, 그 중 아래쪽 자석이 살짝 보인다. 상단 스터브는 마그네트론에서 생성된 전자기 에너지를 마이크로파 조리실로 전파하기 위한 전송선으로서 짧은 직사각형 도파관에 삽입된다. 거의 모든 현대식 오븐 마그네트론은 이와 유사한 배치와 외형을 가지고 있다.

전자레인지에서 도파관은 조리실 내부로 향하는 무선주파수 투과 포트로 연결된다. 챔버의 고정된 치수와 마그네트론과의 물리적 근접성으로 인해 보통 챔버 내부에 정지파 패턴이 생성되므로, 도파관 내의 모터 구동 팬 모양 모드 스터러(상업용 오븐에서 더 흔함)나 음식을 회전시키는 회전판(가정용 오븐에서 가장 흔함)을 통해 패턴을 무작위화한다. 이 응용 분야의 초기 사례는 1954년 영국 과학자들이 전자레인지를 이용해 냉동되었던 햄스터를 소생시킨 일이다.[15]

조명

[편집]

황등과 같은 마이크로파 여기 조명 시스템에서 마그네트론은 도파관을 통해 빛을 방출하는 물질(예: 황, 금속 할로겐화물 등)이 들어있는 조명 공동으로 전달되는 마이크로파 장을 제공한다. 이 램프들은 효율적이기는 하지만 다른 조명 방식보다 훨씬 복잡하여 일반적으로 사용되지는 않는다. 더 현대적인 변형 모델들은 마그네트론 대신 HEMT나 GaN-on-SiC 전력 반도체 소자를 사용하여 마이크로파를 생성하는데, 이는 구조가 훨씬 단순하며 PID 제어기를 사용하여 광 출력을 최대화하도록 조정할 수 있다.

역사

[편집]

1910년 지멘스사의 한스 게르디엔(1877~1951)이 마그네트론을 발명했다.[16][17] 1912년 스위스 물리학자 하인리히 그라이나허는 전자의 질량을 계산하는 새로운 방법을 찾고 있었다. 그는 자석 중앙에 놓인 막대 모양의 캐소드를 감싸는 원통형 애노드 다이오드로 구성된 시스템을 채택했다. 관 내부에 충분한 진공을 구현하지 못해 전자 질량 측정 시도는 실패했다. 그러나 이 연구의 일환으로 그라이나허는 교차된 자기장과 전기장 내에서의 전자 운동에 대한 수학적 모델을 개발했다.[18][19]

미국에서 앨버트 헐은 웨스턴 일렉트릭의 3극 진공관 특허를 우회하기 위해 이 연구를 활용했다. 웨스턴 일렉트릭은 "그리드"를 통한 전기장을 이용해 전류 흐름을 제어하는 리 디포리스트의 특허를 사들여 이 설계를 독점하고 있었다. 헐은 캐소드에서 애노드로 흐르는 전자의 흐름을 제어하기 위해 정전기장 대신 가변 자기장을 사용하고자 했다. 스커넥터디에 있는 제너럴 일렉트릭 연구소에서 근무하던 헐은 자기장과 전기장 강도의 비율을 제어하여 스위칭을 제공하는 진공관을 제작했다. 그는 1921년에 이 개념에 대한 여러 논문과 특허를 발표했다.[20]

헐의 마그네트론은 원래 VHF(초단파) 전자기파를 생성하기 위한 목적이 아니었다. 그러나 1924년 체코 물리학자 아우구스트 자체크[21](1886~1961)와 독일 물리학자 에리히 하반[22](1892~1968)은 독립적으로 마그네트론이 100 MHz에서 1 GHz의 파동을 생성할 수 있음을 발견했다. 프라하 카를로바 대학교의 교수였던 자체크가 먼저 발표했으나, 발행 부수가 적은 학술지에 게재하여 큰 주목을 받지는 못했다.[23] 예나 대학교의 학생이었던 하반은 1924년 박사 학위 논문으로 마그네트론을 연구했다.[24] 1920년대 내내 헐을 비롯한 전 세계 연구자들은 마그네트론 개발을 위해 노력했다.[25][26][27] 이러한 초기 마그네트론 대부분은 다중 애노드를 가진 유리 진공관이었다. 그러나 분할 애노드 마그네트론으로도 불린 이극 마그네트론은 효율이 상대적으로 낮았다.

제2차 세계 대전 중에 레이더가 개발되면서 당시 진공관 기반 발전기들이 낼 수 있었던 50~150 cm (200 MHz)보다 짧은 10 cm (3 GHz) 근처의 파장에서 작동하는 고출력 마이크로파 발생기가 절실해졌다. 다중 공동 공명 마그네트론은 1935년 베를린에서 한스 홀만에 의해 이미 개발되어 특허를 받은 상태였다.[28] 그러나 독일 군부는 홀만의 장치가 가진 주파수 변동(드리프트) 현상을 바람직하지 않게 여겨 레이더 시스템의 기반으로 대신 속도변조관(클라이스트론)을 선택했다. 하지만 당시의 클라이스트론은 마그네트론이 결국 도달하게 될 높은 출력을 낼 수 없었다. 이것이 일선 항공기용으로 UHF 하단 대역을 벗어나지 못했던 독일 야간 전투기 레이더가 영국 레이더의 상대가 되지 못했던 한 이유였다.[25]: 229  마찬가지로 영국에서도 앨버트 보몬트 우드가 1937년 금속 블록에 "6개 또는 8개의 작은 구멍"을 뚫는 시스템을 제안했는데, 이는 진공 밀봉 측면을 제외하면 나중의 생산 모델과 거의 흡사했다. 그러나 그의 아이디어는 진공관 부서가 이를 고려하기에 너무 바쁘다는 이유로 해군에 의해 거절당했다.[29]

1940년 영국 버밍엄 대학교에서 개발된 존 랜들과 해리 부트의 오리지널 공동 마그네트론. 현재 과학박물관 (런던) 소장.
랜들과 부트의 오리지널 마그네트론과 함께 사용된 전자석. 런던 과학박물관 소장.
랜들과 부트가 개발한 공동 마그네트론의 부품인 애노드 블록

1940년 영국 버밍엄 대학교에서 존 랜들과 해리 부트는 약 400 W를 생산하는 공동 마그네트론의 작동 시제품을 제작했다.[6] 일주일 만에 이는 1 kW로 향상되었고, 이후 몇 달 동안 수냉식 장치와 많은 세부 변경을 거쳐 10 kW, 그리고 25 kW까지 향상되었다.[6] 주파수 변동 문제를 해결하기 위해 그들은 출력 신호를 샘플링하여 실제로 생성되는 어떤 주파수에도 수신기가 동기화되도록 했다. 1941년에는 제임스 세이어스가 마그네트론 내부의 교차 공동들을 결합("스트래핑")하여 주파수 불안정성을 5~6배 감소시킴으로써 문제를 해결했다.[30] (부트와 랜들의 설계를 포함한 초기 마그네트론 설계에 대한 개요는 다음을 참조.[31])

웸블리의 GEC는 1940년 8월에 12개의 공동 마그네트론 시제품을 제작했고, 그중 12번 제품이 티저드 사절단과 함께 에드워드 조지 보언에 의해 미국으로 보내져 1940년 9월 19일 앨프리드 루미스의 아파트에서 공개되었다. 미국 NDRC 마이크로파 위원회는 그 전력 수준에 경악했다. 그러나 벨 연구소의 소장은 X선 촬영 결과 GEC 도면의 6개 구멍이 아닌 8개 구멍이 있는 것을 보고 화를 냈다. 대서양 횡단 케이블을 통해 GEC의 진공관 전문가인 에릭 미가우 박사에게 연락한 결과, 미가우는 시제품 12개를 요청받았을 때 10개는 6구멍으로, 하나는 7구멍, 하나는 8구멍으로 만들라고 지시했으며 도면을 수정할 시간이 없었다고 회상했다. 그리고 8구멍이 있는 12번 모델이 티저드 사절단용으로 선택되었던 것이다. 그래서 벨 연구소는 그 샘플을 복제하기로 결정했고, 초기 영국 마그네트론은 6개 공동이었던 반면 미국산은 8개 공동을 갖게 되었다.[32]

RAF 대공 레이더 박물관의 앤디 매닝에 따르면, 랜들과 부트의 발견은 "엄청나게 거대한 돌파구"였으며 "지금(2007년)까지도 많은 이들에 의해 제2차 세계 대전에서 나온 가장 중요한 발명품으로 간주된다"고 한다. 또한 캐나다 빅토리아 대학교의 군사 역사학 교수인 데이비드 짐머만은 다음과 같이 서술했다.

마그네트론은 모든 종류의 단파 무선 신호를 위한 핵심적인 무선 진공관으로 남아 있다. 항공 레이더 시스템의 개발을 가능케 함으로써 전쟁의 흐름을 바꿨을 뿐만 아니라, 오늘날 여러분의 전자레인지 중심부에 놓여 있는 핵심 기술로 남아 있다. 공동 마그네트론의 발명은 세상을 바꾸었다.[6]

프랑스가 막 나치에 함락되었고 영국은 마그네트론을 대규모로 개발할 자금이 없었기에, 윈스턴 처칠은 헨리 티저드 경이 미국의 금융 및 산업적 도움을 받는 대가로 마그네트론을 미국에 제공하는 것에 동의했다.[6] 런던 웸블리의 GEC 연구소에서 제작된 초기 10 kW 버전은 1940년 9월 티저드 사절단에 의해 전달되었다. 레이더에 관한 토론이 시작되자 미 해군 대표들은 자신들의 속도변조관이 겨우 10 W밖에 내지 못한다고 불평하며 단파장 시스템의 문제점들을 늘어놓았다. 이때 에드워드 "태피" 보언이 당당하게 마그네트론을 꺼내 들며 이것은 그 1000배의 전력을 낸다고 설명했다.[6][33]

벨 전화 연구소는 이 샘플을 받아 즉시 복제품 제작에 들어갔으며, 1940년 말 이전에 마그네트론을 이용한 다양한 유형의 레이더를 개발하기 위해 매사추세츠 공과대학교 캠퍼스에 방사선 연구소가 세워졌다. 1941년 초까지 휴대용 센티미터급 항공 레이더가 미국과 영국 항공기에서 테스트되었다.[6] 1941년 말, 영국의 통신 연구소(TRE)는 마그네트론을 사용하여 H2S라는 암호명의 혁신적인 항공 지형 매핑 레이더를 개발했다. H2S 레이더는 부분적으로 앨런 블룸라인과 버어드 로벨에 의해 개발되었다.

공동 마그네트론은 제2차 세계 대전 중 마이크로파 레이더 장비에 널리 사용되었으며, 연합군 레이더에 독일 및 일본 레이더보다 상당한 성능 우위를 제공함으로써 전쟁 결과에 직접적인 영향을 미친 것으로 평가받는다. 훗날 미국 역사학자 제임스 피니 백스터 3세는 이를 가리켜 "우리 해안으로 가져온 화물 중 가장 가치 있는 것"이라고 묘사했다.[34]

공동 마그네트론으로 가능해진 센티미터 레이더는 훨씬 더 작은 물체를 탐지하고 훨씬 더 작은 안테나를 사용할 수 있게 해주었다. 작은 공동 마그네트론, 작은 안테나, 그리고 고해상도의 결합으로 작고 고품질인 레이더를 항공기에 장착할 수 있었다. 해상 초계기는 이를 이용해 잠수함의 잠망경처럼 작은 물체도 탐지할 수 있었고, 이는 이전에는 공중에서 탐지할 수 없었던 잠항 중인 잠수함을 공격하여 파괴할 수 있게 했다. H2S와 같은 센티미터 파장의 윤곽 매핑 레이더는 이를 탐지하기 위한 독일의 나소스(Naxos) 장치가 있었음에도 불구하고 전략 폭격 캠페인에서 연합군 폭격기의 정확도를 높였다. 센티미터 파장의 사격 통제 레이더 또한 구형 기술보다 훨씬 정확했다. 이는 연합군의 대구경 전함을 더 위협적으로 만들었고, 새로 개발된 근접신관과 함께 대공포를 공격해오는 항공기에 훨씬 더 위험한 존재로 만들었다. 이 두 기술이 결합되어 런던으로 향하는 독일 V-1 비행폭탄의 경로를 따라 배치된 대공 포대들은 많은 비행폭탄이 목표에 도달하기 전에 격추하는 성과를 거두었다.

그 이후로 수천만 개의 공동 마그네트론이 제조되었는데, 일부는 레이더용이지만 대다수는 전자레인지용이다. 레이더 분야에서의 사용은 더 정밀한 신호가 요구됨에 따라 개발자들이 속도변조관(클라이스트론)과 진행파관 시스템으로 옮겨가면서 어느 정도 줄어들었다.

건강상의 위험

[편집]
ISO 7010 경고 표지: 비전리 방사선

특히 한 가지 위험은 잘 알려져 있으며 문서화되어 있다. 눈의 수정체에는 냉각을 위한 혈류가 없기 때문에 마이크로파 방사선에 노출될 때 과열되기 쉽다. 이러한 가열은 훗날 백내장 발생률을 높이는 원인이 될 수 있다.[35]

또한 마그네트론은 고전압 전원 공급 장치가 필요하므로 상당한 전기적 위험도 존재한다.

통념과 달리, 대부분의 소비자용 마그네트론은 절연체로 훨씬 더 위험한 산화 베릴륨 대신 산화 알루미늄(알루미나)을 사용한다.[36] 소비자용 마그네트론에는 알루미나가 훨씬 저렴하며, 파손되더라도 산화 베릴륨 조각과 같은 건강상의 위험을 초래하지 않는다. 일부 고출력 마그네트론과 아주 오래된 전자레인지는 산화 베릴륨을 사용하며, 적어도 현대의 마그네트론에는 일반적으로 산화 베릴륨 경고 라벨이 붙어 있다.

분해된 마그네트론의 또 다른 위험은 필라멘트의 텅스텐에 섞인 토륨이다. 약 10,000볼트 이상에서 작동하는 고출력 마그네트론은 양이온 충격이 토륨 금속을 손상시키기 때문에 순수 텅스텐(칼륨 도핑)을 사용하는 예외가 있다. 토륨은 방사성 금속이지만 반감기가 수십억 년 단위로 방사능이 매우 낮아 암 위험이 증가할 가능성은 비현실적이다. 필라멘트를 마그네트론에서 꺼내 미세하게 가루를 내어 흡입하는 경우(그럴 가능성은 낮지만)에만 건강에 위험을 초래할 수 있다.[37][38][39]

같이 보기

[편집]

각주

[편집]
  1. ↑ 《Massachusetts Institute of Technology Radiation Laboratory Series, Volume 6, Microwave Magnetrons, edited by George B. Collins, 1948》.
  2. 1 2 Redhead, Paul A., "The Invention of the Cavity Magnetron and its Introduction into Canada and the U.S.A.", La Physique au Canada, November 2001
  3. ↑ Fine, Norman (2019). 《Blind Bombing: How Microwave Radar brought the Allies to D-Day and Victory in World War II》. Nebraska: Potomac Books/University of Nebraska Press. 24–26쪽. ISBN 978-1640-12279-6.
  4. ↑ “The Magnetron”. Bournemouth University. 1995–2009. 2011년 7월 26일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2009년 8월 23일에 확인함.
  5. ↑ Fine 2019, 24–26쪽.
  6. 1 2 3 4 5 6 7 Angela Hind (2007년 2월 5일). “Briefcase 'that changed the world'”. 《BBC News》. 2007년 11월 15일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2007년 8월 16일에 확인함.
  7. 1 2 Schroter, B. (Spring 2008). 《How important was Tizard's Box of Tricks?》 (PDF). 《Imperial Engineer》 8. 10쪽. 2011년 6월 17일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2009년 8월 23일에 확인함.
  8. 1 2 Brookner, Eli (2010년 4월 20일). 〈From $10,000 magee to $7 magee and $10 transmitter and receiver (T/R) on single chip〉. 《2010 International Conference on the Origins and Evolution of the Cavity Magnetron》. 1–2쪽. doi:10.1109/CAVMAG.2010.5565574. ISBN 978-1-4244-5609-3.
  9. ↑ Ma, L. "3D Computer Modeling of Magnetrons 보관됨 2008-10-10 - 웨이백 머신." University of London Ph.D. Thesis. December 2004. Accessed 2009-08-23.
  10. ↑ White, Steve. “Electric Valves: Diodes, Triodes, and Transistors”. 《zipcon.net》. 2017년 8월 25일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 5월 5일에 확인함.
  11. 1 2 3 4 “The Magnetron”. 《electriciantraining.tpub.com》. 2016년 3월 3일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 5월 5일에 확인함.
  12. ↑ J. Brittain (1985). 《The Magnetron and the Beginnings of the Microwave Age》. 《Physics Today》 38. 60–67쪽. Bibcode:1985PhT....38g..60B. doi:10.1063/1.880982.
  13. ↑ “Magnetron Operation”. 《hyperphysics.phy-astr.gsu.edu》. 2017년 9월 11일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 5월 5일에 확인함.
  14. 1 2 3 L.W. Turner,(ed), Electronics Engineer's Reference Book, 4th ed. Newnes-Butterworth, London 1976 ISBN 9780408001687, pp. 7-71 to 7-77
  15. ↑ Smith, A. U.; Lovelock, J. E.; Parkes, A. S. (June 1954). 《Resuscitation of Hamsters after Supercooling or Partial Crystallization at Body Temperatures Below 0°C.》. 《Nature》 173. 1136–37쪽. Bibcode:1954Natur.173.1136S. doi:10.1038/1731136a0. ISSN 0028-0836. PMID 13165726. S2CID 4242031.
  16. ↑ See:
  17. ↑ Goerth, Joachim (2010). 〈Early magnetron development especially in Germany〉. 《International Conference on the Origins and Evolution of the Cavity Magnetron (CAVMAG 2010), Bournemouth, England, UK, 19–20 April 2010》. Piscataway, New Jersey: IEEE. 17–22쪽.
  18. ↑ Greinacher, H. (1912). 《Über eine Anordnung zur Bestimmung von e/m》 [On an apparatus for the determination of e/m] (독일어). 《Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft》 14. 856–64쪽.
  19. ↑ Wolff, Dipl.-Ing. (FH) Christian. “Radar Basics”. 《www.radartutorial.eu》. 2017년 12월 23일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 5월 5일에 확인함.
  20. ↑ See:
  21. ↑ Biographical information about August Žáček:
  22. ↑ Biographical information about Erich Habann:
    • Günter Nagel, "Pionier der Funktechnik. Das Lebenswerk des Wissenschaftlers Erich Habann, der in Hessenwinkel lebte, ist heute fast vergessen" (Pioneer in Radio Technology. The life's work of scientist Erich Habann, who lived in Hessenwinkel, is nearly forgotten today.), Bradenburger Blätter (supplement of the Märkische Oderzeitung, a daily newspaper of the city of Frankfurt in the state of Brandenburg, Germany), 15 December 2006, page 9.
    • Karlsch, Rainer; Petermann, Heiko 편집 (2007). 《Für und Wider "Hitlers Bombe": Studien zur Atomforschung in Deutschland》 [For and Against "Hitler's Bomb": Studies on atomic research in Germany] (독일어). New York: Waxmann Publishing Co. 251 footnote쪽.
  23. ↑ See:
    • Žáček, A. (May 1924). 《Nová metoda k vytvorení netlumenych osc일레이션》 [New method of generating undamped oscillations] (체코어). 《Časopis Pro Pěstování Matematiky a Fysiky》 53. 378–80쪽. doi:10.21136/CPMF.1924.121857. Available (in Czech) at: Czech Digital Mathematics Library 보관됨 2011-07-18 - 웨이백 머신.
    • Žáček, A. (1928). 《Über eine Methode zur Erzeugung von sehr kurzen elektromagnetischen Wellen》 [On a method for generating very short electromagnetic waves] (독일어). 《Zeitschrift für Hochfrequenztechnik》 32. 172–80쪽.
    • Žáček, A., "Spojení pro výrobu elektrických vln" [Circuit for the production of electrical waves], Czechoslovak patent no. 20,293 (filed: 31 May 1924; issued: 15 February 1926). Available (in Czech) at: Czech Industrial Property Office 보관됨 2011-07-18 - 웨이백 머신.
  24. ↑ Habann, Erich (1924). 《Eine neue Generatorröhre》 [A new generator tube] (독일어). 《Zeitschrift für Hochfrequenztechnik》 24. 115–20, 135–41쪽.
  25. 1 2 Kaiser, W. (1994). 〈The Development of Electron Tubes and of Radar technology: The Relationship of Science and Technology〉. Blumtritt, O.; Petzold, H.; Aspray, W. (편집). 《Tracking the History of Radar》. Piscataway, NJ: IEEE. 217–36쪽.
  26. ↑ Brittain, James E. (1985). 《The magnetron and the beginnings of the microwave age》. 《Physics Today》 38. 60–67쪽. Bibcode:1985PhT....38g..60B. doi:10.1063/1.880982.
  27. ↑ See for example:
    • Soviet physicists:
    • Slutskin, Abram A.; Shteinberg, Dmitry S. (1926). 《[Obtaining oscillations in cathode tubes with the aid of a magnetic field]》 (러시아어). 《Жур날 루스코고 피지코-키미체스코고 오브셰스트바 [Zhurnal Russkogo Fiziko-Khimicheskogo Obshchestva, Journal of the Russian Physico-Chemical Society]》 58. 395–407쪽.
    • Slutskin, Abram A.; Shteinberg, Dmitry S. (1927). 《[Electronic oscillations in two-electrode tubes]》 (우크라이나어). 《우크라인스키 피지치니 자피스키 [Ukrainski Fizychni Zapysky, Ukrainian Journal of Physics]》 1. 22–27쪽.
    • Slutzkin, A. A.; Steinberg, D. S. (May 1929). 《Die Erzeugung von kurzwelligen ungedämpften Schwingungen bei Anwendung des Magnetfeldes》 [The generation of undamped shortwave oscillations by application of a magnetic field] (독일어). 《Annalen der Physik》 393. 658–70쪽. Bibcode:1929AnP...393..658S. doi:10.1002/andp.19293930504.
    • Japanese engineers:
    • Yagi, Hidetsugu (1928). 《Beam transmission of ultra-short waves》. 《Proceedings of the Institute of Radio Engineers》 16. 715–41쪽. Magnetrons are discussed in Part II of this article.
    • Okabe, Kinjiro (March 1928). 《[Production of intense extra-short radio waves by a split-anode magnetron (Part 3)]》 (일본어). 《Journal of the Institute of Electrical Engineering of Japan》. 284ff쪽.
    • Okabe, Kinjiro (1929). 《On the short-wave limit of magnetron oscillations》. 《Proceedings of the Institute of Radio Engineers》 17. 652–59쪽.
    • Okabe, Kinjiro (1930). 《On the magnetron oscillation of new type》. 《Proceedings of the Institute of Radio Engineers》 18. 1748–49쪽.
  28. ↑ Hollmann, Hans Erich, "Magnetron," 보관됨 2018-01-14 - 웨이백 머신 U.S. patent no. 2,123,728 (filed: 1936 November 27; issued: 1938 July 12).
  29. ↑ Lythall, B. W. (1995). 〈Basic science and research for naval radar, 1935-1945〉. Kingsley, F. A. (편집). 《The Development of Radar Equipments for the Royal Navy, 1935–45》. London, England: Macmillan Press Ltd. 68–69쪽.
  30. ↑ Barrett, Dick. “M.J.B.Scanlan; Early Centimetric Ground Radars – A Personal Reminiscence”. 《www.radarpages.co.uk》. 2016년 3월 4일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 5월 5일에 확인함.
  31. ↑ Willshaw, W. E.; L. Rushforth; A. G. Stainsby; R. Latham; A. W. Balls; A. H. King (1946). 《The high-power pulsed magnetron: development and design for radar applications》. 《Journal of the Institution of Electrical Engineers - Part IIIA: Radiolocation》 93. 985–1005쪽. doi:10.1049/ji-3a-1.1946.0188. 2018년 5월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 6월 22일에 확인함.
  32. ↑ Fine 2019, 56–64쪽.
  33. ↑ Harford, Tim (2017년 10월 9일). “How the search for a 'death ray' led to radar”. 《BBC World Service》. 2017년 10월 9일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2017년 10월 9일에 확인함. The magnetron stunned the Americans. Their research was years off the pace.
  34. ↑ Baxter, James Phinney (III) (1946). 《Scientists Against Time》. Boston, Massachusetts: Little, Brown, and Co. 142쪽. (Baxter was the official historian of the Office of Scientific Research and Development.)
  35. ↑ Lipman, R. M.; Tripathi, B. J.; Tripathi, R. C. (1988). 《Cataracts induced by microwave and ionizing radiation》. 《Survey of Ophthalmology》 33. 200–10쪽. doi:10.1016/0039-6257(88)90088-4. OSTI 6071133. PMID 3068822.
  36. ↑ “Microwave Ovens”. 《Ecotech Services》. 2025년 7월 29일에 확인함.
  37. ↑ Australian Nuclear Science; Technology Organisation. “In the home – ANSTO”. 《www.ansto.gov.au》. 2017년 9월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 5월 5일에 확인함.
  38. ↑ “EngineerGuy Video: microwave oven”. 《www.engineerguy.com》. 2017년 9월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 5월 5일에 확인함.
  39. ↑ EPA, OAR, ORIA, RPD, US (2014년 7월 16일). “Radiation Protection”. 《US EPA》. 2006년 10월 1일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 5월 5일에 확인함.

외부 링크

[편집]
원본 주소 "https://ko.wikipedia.org/w/index.php?title=자전관&oldid=41813589"