자이로트론

자이로트론(Gyrotron)은 강한 자기장 내에서 전자의 사이클로트론 공명을 이용하여 밀리미터파 전자기파를 생성하는 고출력 선형 빔 진공관의 일종이다. 출력 진동수는 약 20에서 527 GHz 범위이며,^[1][2] 마이크로파에서 테라헤르츠 갭의 경계까지의 파장을 포함한다. 일반적인 출력 일률은 수십 킬로와트에서 1~2 메가와트에 이른다. 자이로트론은 펄스 또는 연속 작동용으로 설계할 수 있다. 자이로트론은 소련 과학자들^[3]이 니즈니노브고로드에 본사를 둔 NIRFI에서 발명했다.

벤델슈타인 7-X 핵융합 실험 장치의 플라스마 가열용 고출력 140GHz 자이로트론, 독일.

원리

자이로트론은 강한 자기장을 통과하는 전자의 자극 사이클로트론 공명에 의해 고주파 전자기 복사를 생성하는 자유 전자 메이저의 일종이다.^[4][5] 고속파 장치로서, 그 치수가 복사 파장보다 훨씬 클 수 있기 때문에 밀리미터파 파장에서 고출력을 생성할 수 있다. 이는 단일 모드 공명 공동, 즉 느린 파 구조에 의해 파장이 결정되는 클라이스트론 및 마그네트론과 같은 기존의 마이크로파 진공관과는 다르다. 따라서 작동 주파수가 증가함에 따라 공명 공동 구조의 크기가 줄어들어야 하며, 이는 전력 처리 능력을 제한한다.

단면도를 갖는 자이로트론 (오른쪽). 전자 경로는 파란색으로 표시되고, 생성된 마이크로파 복사는 분홍색으로 표시된다.

자이로트론에서 튜브 한쪽 끝의 전자총 (1)에 있는 뜨거운 전기 필라멘트는 고리 모양(속이 빈 관형)의 전자 빔 (6)을 방출한다. 이 빔은 고전압 직류 애노드 (10)에 의해 가속된 후, 일반적으로 튜브 주위에 있는 초전도 전자석 (8)에 의해 생성된 강한 축 방향 자기장 내의 큰 관형 공명 공동 구조 (2)를 통과한다. 자기장은 전자가 튜브를 따라 길이 방향으로 이동할 때 자기장 선 주위를 좁은 원으로 나선형으로 움직이게 한다. 자기장이 최대에 도달하는 튜브의 위치 (2)에서 전자는 튜브의 축과 평행하게 사이클로트론 공명 주파수에서 전자기파를 방출한다. 밀리미터파 복사는 개방형 공명기 역할을 하는 튜브 내에서 정상파를 형성하며 빔으로 구성된다. 빔은 모드 변환기 (9)에 의해 변환되고 거울 (4)에 의해 반사되어 튜브 측면의 창 (5)을 통해 마이크로파 도파관 (7)으로 향한다. 컬렉터 전극은 튜브 끝 (3)에서 사용된 전자 빔을 흡수한다.^[4][6]

다른 선형 빔 마이크로파 튜브와 마찬가지로 출력 전자기파의 에너지는 가속 애노드 전압 (10)으로 인한 전자 빔의 운동 에너지에서 나온다. 자기장 강도가 증가하는 공명 공동 이전 영역에서, 자기장은 전자 빔을 압축하여 종방향 표류 속도를 횡방향 궤도 속도로 변환하는데, 이는 플라스마 가둠에 사용되는 자기 거울에서 발생하는 과정과 유사하다.^[5] 전자의 궤도 속도는 축 방향 빔 속도의 1.5 ~ 2배이다. 공명 공동의 정상파로 인해 전자가 "뭉쳐진다". 즉, 전자의 위상이 코히어런트 (동기화)되어 동시에 궤도의 같은 지점에 있게 된다. 따라서 코히어런트 복사를 방출한다.

자이로트론의 전자 속도는 약간 상대론적이다 (광속에 가깝지는 않지만 그 정도). 이는 다른 원리로 작동하며 전자가 고도로 상대론적인 자유 전자 레이저 (및 엑스레이저)와 대조된다.

응용 분야

자이로트론은 많은 산업 및 첨단 가열 응용 분야에 사용된다. 예를 들어, 자이로트론은 핵융합 연구 실험에서 플라스마를 가열하고, 제조 산업에서 유리, 복합 재료, 세라믹 가공 및 어닐링(태양광 및 반도체)에서 빠른 가열 도구로 사용된다. 군사 응용 분야에는 능동 거부 시스템이 포함된다.

유형

마이크로파 빔이 나오는 튜브의 출력 창은 두 곳에 있을 수 있다. 횡방향 출력 자이로트론에서는 빔이 튜브 측면의 창을 통해 나온다. 이를 위해서는 전자 빔이 부딪히지 않도록 한쪽에 위치한 공동 끝에 45도 거울이 마이크로파 빔을 반사해야 한다. 축방향 출력 자이로트론에서는 빔이 전자를 수집하는 원통형 수집기 전극의 먼 쪽 끝에 있는 튜브 끝의 창을 통해 나온다.

1964년에 개발된 원래 자이로트론은 발진기였지만, 그 이후로 자이로트론 증폭기가 개발되었다. 나선형 자이로트론 전자 빔은 클라이스트론과 같은 고전적인 마이크로파 튜브에서 직선 전자 빔이 증폭하는 방식과 유사하게 인가된 마이크로파 신호를 증폭할 수 있으므로, 이러한 튜브와 유사하게 작동하는 일련의 자이로트론이 있다. 이들의 장점은 훨씬 더 높은 주파수에서 작동할 수 있다는 것이다. 자이로-모노트론(자이로-발진기)은 발진기 역할을 하는 단일 공동 자이로트론이다. 자이로-클라이스트론은 클라이스트론 튜브와 유사하게 작동하는 증폭기이다. 전자 빔을 따라 두 개의 마이크로파 공동이 있는데, 증폭할 신호가 인가되는 상류 입력 공동과 출력이 나가는 하류 출력 공동이 있다. 자이로-TWT는 진행파관 (TWT)과 유사하게 작동하는 증폭기이다. TWT와 유사한 느린 파 구조가 빔과 평행하게 있으며, 입력 마이크로파 신호가 상류 끝에 인가되고 증폭된 출력 신호는 하류 끝에서 나온다. 자이로-BWO는 역파 발진기 (BWO)와 유사하게 작동하는 발진기이다. 전자 빔과 반대 방향으로 이동하는 발진을 생성하며, 튜브의 상류 끝에서 출력된다. 자이로-트위스트론은 클라이스트론과 TWT를 결합한 튜브인 트위스트론과 유사하게 작동하는 증폭기이다. 클라이스트론과 마찬가지로 상류 끝에 입력 공동이 있고 전자를 뭉치게 하는 번처 공동이 뒤따르며, 그 뒤에는 증폭된 출력 신호를 개발하는 TWT 유형의 느린 파 구조가 있다. TWT와 마찬가지로 넓은 대역폭을 가지고 있다.

제조사

자이로트론은 소련에서 발명되었다.^[7] 현재 제조사로는 커뮤니케이션스 앤 파워 인더스트리스 (미국), 자이콤 (러시아), 탈레스 그룹 (EU), 교토 퓨저니어링 (일본), 도시바 (일본, 현재 캐논, 일본)^[8], 브리지12 테크놀로지스가 있다. 시스템 개발사로는 자이로트론 테크놀로지스가 있다.

같이 보기

• 전자 사이클로트론 공명
• 핵융합 발전
• 테라헤르츠파