펄스 전자빔을 방출하는 ＲＦ 전자총과 선형가속기 시스템 및 이를 이용한 펄스 전자빔 생성 방법

펄스 전자빔을 방출하는 ＲＦ 전자총과 선형가속기 시스템 및 이를 이용한 펄스 전자빔 생성 방법 {RF electron gun, linear Accelerator system and method for emitting pulse electron-beam}

본 발명은 펄스 전자빔을 방출하는 RF 전자총과 선형가속기 시스템 및 이를 이용한 펄스 전자빔 생성 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 음극과 양극 사이의 거리, DC 전기장의 세기, AC 전기장의 세기와 주파수를 조절하여 높은 주파수에서도 펄스 전자빔이 만들어지면서 전자빔이 스스로 뭉치는 현상을 발생시키는 RF 전자총과 이를 이용하여 펄스 전자빔을 생성시키는 방법과 상기 RF 전자총, 클라이스트론 및 선형가속기가 순차적으로 연결된 선형가속기 시스템에 관한 것이다.

전자빔을 생성하여 출력하는 전자원 장치는 전자총용뿐만 아니라, 전자 싱크로트론, 선형 가속기 등의 각종 장치에 전자빔을 입사하기 위한 전자빔 공급원으로서 폭넓게 이용되고 있다.

특히, 전자빔 공급원의 대표적인 응용분야는 의료분야로서 방사선 치료 및 진단 장치의 중요한 소자이며, 이외에도 방사선 가공기술로서 고분자 재료개발, 전력반도체 제조, 멸균 등의 다양한 산업분야에서 중요한 구성요소로서 적용되고 있다.

진공속 펄스 전자빔을 발생시키는 기술은 개략적으로 전원장치에서 전압 온/오프(On/Off) 스위칭을 통해 펄스 전기장을 만들고 음극과 양극사이에 인가된 펄스 전기장에 대응하는 펄스 전자빔을 방출하는 기술과 전기장의 방향이 시간에 따라 주기적으로 180도 바뀌는 AC 전기장을 음극과 양극 사이에 인가하여 최종적으로 전자빔이 펄스형태로 방출되도록 하는 기술로 크게 나눌 수 있다.

이중 높은 주파수의 펄스 전자빔을 방생시키는 전자총은 AC 전기장을 이용하는 기술인데, 일반적으로 공진기에 전자기파를 가두어 높은 주파수의 AC 전기장이 형성되도록 하는 구조를 이용한다.

일반적으로 AC 전기장을 이용하는 종래 기술은 대략 1 GHz 이하의 주파수만을 이용하는 한계가 있는데, 이는 AC 전기장의 방향이 바뀌는 주파수가 너무 높으면 음극에서 발생한 전자가 양극을 통과하기 전에 다시 음극으로 돌아가도록 하는 힘의 방향으로 전기장이 바뀌어 전자가 음극과 양극 사이 갭을 통과하지 못할 수 있기 때문이다.

이와 같은 현상은 종래 장치들에서 실제 관측되는 현상이며, 설사 전자가 음극과 양극사이를 무사히 통과하더라도 일정 주파수 이상에서는 거의 펄스 전자빔이 만들어지지 않는 문제점이 있다.

이와 같은 전자원 장치가 이용되는 대표적인 부분이 선형가속기 시스템인데, 도 1은 종래 선형가속기 시스템의 개략적인 구조도를 도시한다.

종래 선형가속기 시스템은 전자총(10a)의 전자빔을 선형 가속기(50)에 입사시켜 가속시키는데, 이때 전자빔의 가속을 위해 클라이스트론(30)으로부터 증폭된 펄스 전원 소스를 인가받는다.

클라이스트론(30)은 전자총(10b)으로부터 인가된 전자빔을 번칭 구간을 거치면서 밀도와 속도를 변조하여 펄스 빔으로 생성하여 출력하며, 끝단에 가속된 전자빔을 흡수하는 콜렉터(35)가 배치된다. 선형 가속기(50)는 클라이스트론(30)의 증폭된 펄스 전자빔을 전원 소스로 이용하여 전자총(10a)으로부터 인가되는 전자빔을 가속시킨다.

이와 같은 종래기술에 따른 선형가속기 시스템은 선형가속기(50)와 클라이스트론(30) 각각에 전자빔을 제공하는 전자총(10a, 10b)이 별개로 구비되고 각각의 전자총(10a, 10b)마다 전원장치가 배치되어야 하므로 전체적인 시스템이 복잡해지는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 기존대비 10배 이상의 고주파수에서 펄스 전자빔을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 음극과 양극 사이 갭을 통과하여 자유공간을 진행하는 전자빔이 스스로 뭉치는 현상을 발생시킬 수 있는 방안을 제안하고자 한다.

또한 기존 선형가속기 시스템을 간략화시켜 보다 간단한 구조의 선형가속기 시스템을 제공하자고 한다.

상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명에 따른 펄스 전자빔 생성 방법은, 소정 시간에 공진기의 음극에서 방출된 전자가 상기 공진기의 양극에 도달하는데 걸리는 시간이 상기 공진기의 내부에 인가되는 AC 전기장의 주기의 정수 배의 시간만큼 걸리도록 하는 크기를 갖는 DC 전기장을 상기 공진기의 음극과 양극 사이에 인가하는 단계; 및 상기 소정 시간에 방출된 전자보다 늦게 방출된 전자의 속도가 상기 소정 시간에 방출된 전자의 속도보다 빠르도록 하고, 상기 소정 시간에 방출된 전자보다 일찍 방출된 전자의 속도가 상기 소정 시간에 방출된 전자의 속도보다 늦도록 하는 크기를 갖는 상기 AC 전기장을 상기 공진기 내부로 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 AC 전기장의 주기는, 상기 공진기의 음극과 양극 사이의 거리에 기초하여 결정될 수 있다.

또한 상기 소정 시간에 방출된 전자는, 상기 AC 전기장의 피크에 대응하는 시간에 방출된 전자를 포함할 수 있다.

나아가서 상기 펄스 전자빔 생성 방법은, 상기 공진기로부터 이격된 전극과 상기 공진기의 양전극 사이의 거리를 조절하여, 상기 펄스 전자빔의 펄스 폭을 조절하는 단계를 더 포함하되, 상기 전극에는, 상기 펄스 전자빔을 가속하는 클라이스트론, 진행파관 또는 선형가속기가 연결될 수 있다.

한걸음 더 나아가서 상기 전자 밀도를 조절하는 단계는, 상기 공진기의 양전극 및 상기 전극 사이에 DC 전기장을 인가하여 상기 펄스 전자빔을 가속시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 펄스 전자빔 생성 방법은, 공진기의 음극에서 하기 [식 3]의 t1일 때 방출된 전자가 상기 공진기의 음극과 양극 간의 갭 d를 통과하는 시간이 하기 [식 4]의 t2로 산출될 때, 하기 [식 7]의 t4일 때 방출된 전자가 상기 t1일 때 방출된 전자보다 상기 갭 d를 통과할 때의 속도가 빠르거나 늦도록 상기 음극과 양극 간의 갭 d, 상기 공진기의 양전극에 인가하는 DC 전기장의 세기 E _d , 상기 공진기의 양전극에 인가하는 AC 전기장의 세기 E _a 및 주파수 ω를 조절하며,

여기서, 상기 E _d 는 DC 전기장 세기, 상기 E _a 는 AC 전기장 세기, 상기 ω는 AC 전기장의 주파수 및 상기 α는 기설정된 값이 될 수 있다.

바람직하게는 상기 DC 전기장의 세기 E _d 와 상기 AC 전기장의 세기 E _a 는, 하기 [식 10] 및 [식 11]을 만족하도록 설정하며,

여기서, E _M 은 상기 음극의 물질을 고려하여 기설정된 상수 및 β는 전자의 자발적 뭉침 현상을 고려하여 기설정된 상수일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 펄스 전자빔을 방출하는 RF 전자총은, 공진기에 AC 전기장을 인가하는 AC 전기장 발생부; 상기 공진기에 DC 전기장을 인가하는 DC 전기장 발생부; 및 상기 AC 전기장 발생부의 AC 전기장 세기와 주파수를 조절하고 상기 DC 전기장 발생부의 DC 전기장 세기를 조절하는 전기장 제어부를 포함하며, 상기 전기장 제어부는, 상기 공진기의 음극에서 소정 시간에 방출된 전자보다 늦게 방출된 전자의 속도가 상기 소정 시간에 방출된 전자의 속도보다 빠르도록 하고, 상기 소정 시간에 방출된 전자보다 일찍 방출된 전자의 속도가 상기 소정 시간에 방출된 전자의 속도보다 늦도록, 상기 공진기의 양전극에 인가하는 DC 전기장의 세기 E _d , 상기 공진기의 양전극에 인가하는 AC 전기장의 세기 E _a 및 주파수 ω를 조절할 수 있다.

바람직하게는 상기 전원 제어부는, 상기 DC 전기장의 세기 E _d 와 상기 AC 전기장의 세기 E _a 가 하기 [식 10] 및 [식 11]을 만족하도록 제어하며,

여기서, E _M 은 상기 음극의 물질을 고려하여 기설정된 상수 및 β는 전자의 자발적 뭉침 현상을 고려하여 기설정된 상수일 수 있다.

나아가서 상기 공진기로부터 이격되어 클라이스트론, 진행파관 또는 선형가속기가 연결된 전극을 더 포함하고, 상기 공진기와 상기 전극 간의 이격 거리를 조절하여 펄스 전자빔의 펄스 폭을 조절할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 선형가속기 시스템은, 상기 RF 전자총; 클라이스트론 및 선형가속기가 순차적으로 일직선으로 연결되며, 상기 클라이스크론은, 상기 RF 전자총과 일단이 연결되어 상기 RF 전자총으로부터 인가되는 펄스 전자빔으로 증폭된 RF 전원 소스를 생성하고, 타단으로 상기 펄스 전자빔을 방출하며, 상기 선형가속기는, 상기 클라이스트론을 통과하여 타단으로 방출되는 상기 펄스 전자빔을 상기 클라이스트론으로부터 제공되는 상기 RF 전원 소스를 이용하여 가속시킬 수 있다.

바람직하게는 상기 클라이스트론은, 드리프트 통로 상의 일단에 상기 전자총으로부터 펄스 전자빔을 인가받는 전자빔 입력단이 형성되고, 상기 드리프트 통로 상의 타단에 상기 펄스 전자빔을 방출하는 전자빔 출력단이 형성되며, 상기 드리프트 통로의 일측의 입력 공동(buncher) 단에 RF 소스를 인가받는 RF 입력단과 상기 드리프트 통로의 타측의 출력 공동(catcher) 단에 증폭된 RF를 출력하는 RF 출력단이 형성되며, 상기 선형가속기는, 입력단이 상기 클라이스트론의 전자빔 출력단에 연결되고, 가속 공동(acceleration cavities) 단에 상기 클라이스트론의 RF 출력단으로부터 RF 전원 소스가 인가될 수 있다.

나아가서 상기 RF 전자총의 출력단과 상기 클라이스크론의 전자빔 입력단 사이에 이격 구간을 형성할 수도 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 공진기 상의 음극과 양극 사이의 거리, DC 전기장의 세기, AC 전기장의 세기와 주파수를 최적의 조건으로 조절함으로써, 수 Ghz 내지 수십 GHz 이상의 높은 주파수의 인가시에서도 펄스 전자빔이 만들어지면서 또한 공진기로부터 방출되는 전자빔이 자유공간을 진행하면서 자발적으로 뭉치는 현상을 유발시켜 효과적인 펄스 전자빔의 생성이 가능해진다.

나아가서 본 발명은, RF 전자총, 클라이스트론 및 선형가속기를 순차적으로 연결하여, 하나의 RF 전자총만으로 고주파 펄스 전자빔을 생성하여 이를 클라이스트론과 선형가속기에 인가하여 RF 전원 소스를 생성하고 상기 RF 전원 소스로 상기 펄스 전자빔을 가속화시키는 보다 간단한 구조의 선형가속기 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 선형가속기 시스템의 개략적인 구조를 도시하며,
도 2는 본 발명에서 적용되는 공진기의 일실시예에 대한 개략적인 단면도를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따라 전자 속도별 갭 통과 시간을 계산한 결과 그래프를 나타내며,
도 4는 본 발명에 따라 각 전자의 궤적을 추적하여 전자빔의 밀도를 계산한 결과 그래프를 도시하며,
도 5는 본 발명에 따른 펄스 전자빔을 방출하는 RF 전자총에 대한 실시예의 개략적인 구성도를 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 펄스 전자빔 생성 방법의 시뮬레이션을 위한 RF 전자총의 구성도와 시뮬레이션 설정 조건을 나타내며,
도 7은 상기 도 6의 시뮬레이션에 따른 전자 속도별 갭 통과 시간을 시뮬레이션한 결과 그래프를 나타내며,
도 8은 상기 도 6의 시뮬레이션에서 구간 D 상의 각 지점에서 전자 속도별 통과 시간에 대한 시뮬레이션 결과 그래프를 도시하며,
도 9는 상기 도 6의 시뮬레이션에 따라 구간 D에서 각 전자의 궤적을 추적하여 전자빔의 밀도를 시뮬레이션한 결과 그래프를 도시하며,
도 10은 본 발명에 따른 선형가속기 시스템의 일실시예에 대한 개략적인 구조를 도시하며,
도 11은 본 발명에 따른 선형가속기 시스템에서 RF 전자총과 클라이스트론이 연결되는 구간의 일실시예에 대한 구조를 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은, 공진기의 음극과 양극 사이의 거리, DC 전기장의 세기, AC 전기장의 세기와 주파수를 조절하여 높은 주파수에서도 펄스 전자빔이 만들어지면서 전자빔이 스스로 뭉치는 현상을 발생시키는 RF 전자총과 이를 이용하여 펄스 전자빔을 생성하는 방법을 개시한다.

도 2는 본 발명에서 적용되는 공진기의 일실시예에 대한 개략적인 단면도를 도시한다.

전기장이 하기 [식 1]에 따른 E로 공진기의 음극(110)과 양극(130)사이에 인가되면 전자가 받는 힘은 하기 [식 2]의 F로 표현할 수 있다.

여기서, E _d 는 전극 사이에 인가된 DC 전기장이고, E _a 는 전극 사이에 인가된 AC 전기장이며, ω는 AC 전기장의 주파수이다.

열음극이나 전계방출 냉음극 모두 전자가 가장 많이 방출되는 시간 t1이 하기 [식 3]일 때, 본 발명에서는 상기 시간 t1에서 방출된 전자가 하기 [식 4]의 시간 t2 경과 후 거리 로 정의된 공진기의 음극(110)과 양극(130)사이 갭을 통과하도록 E _d , E _a 및 ω값을 설정한다.

여기서, T는 AC 전기장의 한 주기이다.

하기 [식 5]에 기초하여 전자들이 갭 d를 통과할 때 속도는 상기 [식 2]에 따른 전자가 받는 힘을 시간에 대해서 적분하면 구할 수 있다.

이때, 속도는 코사인(cosine)함수를 포함하는 형태의 함수로 주어진다. 그런데, 상기 시간 t1일 때 방출된 전자가 갭 d를 통과하는 시간이 t2로 주어졌기 때문에 코사인(cosine)함수의 값은 항상 0이 되어 속도는 삼각함수와 무관한 함수로 표현된다.

만약, 하기 [식 6]의 t3보다 시간만큼 먼저 또는 늦게 방출되어 운동을 시작한 전자는 상기 t1일 때 방출된 전자보다 갭 d를 통과하는 속도가 느리거나 빠른 값을 갖게 된다. 여기서 상기 α는 T에 비해 충분히 작고 전자 방출 값이 충분히 큰 값으로 정의한다.

이때, 상기 t1 보다 만큼 크거나 작은 하기 [식 7]의 t4의 경우, 이를 코사인(cosine)함수에 대입하면 가 0이 아니기 때문에 코사인의 값은 항상 0보다 크거나 작은 값을 갖게 된다.

따라서, 상기 t4일 때 방출된 전자는 상기 t1일 때 방출된 전자보다 갭 d를 통과했을 때 속도가 더 빠르거나 느리게 된다.

보다 세부적으로 살펴보자면, 상기에서 정의한 적절한 조합에 의해서, 하기 [식 8]의 t5일 때 방출된 전자는 상기 t1일 때 방출된 전자보다 갭 d를 통과할 때 속도가 느리게 된다. 즉, 시간 t1보다 만큼 이른 시간인 t5일 때 방출된 전자는 t1일 때 방출된 전자보다 갭 d를 통과할 때의 속도가 느리게 된다.

이와 반대로 만큼 늦게 방출된 전자는 갭 d를 통과할 때의 속도가 상기 시간 t1일 때 방출된 전자보다 상대적으로 더 빠르게 된다.

나아가서, 값이 너무 크지 않은 일정 값 안에서는 의 값이 클수록 전자의 속도차가 커지는 경향성이 있다.

도 3은 본 발명에 따라 전자 속도별 갭 통과 시간을 계산한 결과 그래프이다.

상기 도 2와 같은 공진기를 적용하여 전자 속도별 갭 통과 시간을 이론적으로 계산하기 위해서, 양극과 음극 간 거리 d, DC 전기장 E _d 및 AC 전기장 E _a 를 하기 [식 9]와 같이 설정하였다.

여기서, 는 공진기 형태에 따른 상수 값이다. AC 전기장의 주파수 는 이론적으로 어떠한 값이라도 상관없는데, ω는 양극과 음극 간의 거리 d에 영향을 주므로 공진기의 실 제작시 상황에 따른 갭 d의 설정치에 의해 달라질 수 있다.

그리고 상기 [식 3]의 t1이 0.25T일 때 방출된 전자가 갭 d를 통과하는 시간인 상기 [식 4]의 t2가 0.25T+5T가 되도록 갭 d를 설정하였다.

상기 t1일 때 방출된 전자가 갭 d를 통과할 때의 속도를 1로 설정하고 이를 기준으로 다른 시간에 방출된 전자의 속도를 세로축으로 나타내었다. 가로축은 각기 다른 시간에 방출된 전자가 갭 d을 통과할 때의 시간을 로 정규화시킨 시간축을 나타낸다.

즉, 시간 일 때 방출된 전자는 가로축에서 5.25에 해당하고, 이 때 속도는 앞서 정의한 바와 같이 1로 보정하였다.

상기 [식 7]에 따라 시간 t4에서 는 최대 0.1T인데, 전계방출의 경우 최대 일 때 방출되는 전자의 전류밀도는 최대값에 대해서 10%이고 그래프의 가로축 구간이 0.5주기보다 작기 때문에 상기 도 2의 그래프에 나타난 바와 같이 대부분 전자가 펄스형태, 즉 공간적으로 뭉친 상태로 갭을 통과하였음을 알 수 있다.

또한 상기 도 3의 그래프는 AC 전기장의 주파수가 어떤 값이든 전극간 거리 d, DC 전기장 세기 E _d 및 AC 전기장 세기 E _a 를 적절히 설정하면 나올 수 있는 값이다. 따라서 기존 RF 펄스 전자총이 가지는 주파수 상한에서 크게 벋어날 수 있음을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따라 펄스 전자빔을 만드는 펄스 전자총의 조건은 특히 높은 주파수를 가지는 RF 펄스 전자총에 효과적으로 적용할 수 있다.

그러나 전자 간의 반발력 및 갭을 통과할 때 생기는 펄스지연효과 등 다양한 원인으로 인해 펄스형태로 발생한 전자빔은 발생시 펄스폭보다 더 펄스폭이 증가된 형태의 전자빔으로 갭을 통과하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상기 도 2에 도시된 공진기의 전극을 통과한 전자가 구간 D를 통과하면서 전자들이 일정한 한 점에 모이는 현상을 발생시키는데, 이와 같은 전자뭉침 현상은 상대 속도를 계산한 상기 도 3의 그래프를 통해서 정성적으로 예측할 수 있다.

상기 도 3의 그래프에서 펄스 전자빔의 중심에 해당하는 가로축 5.25에 대응된 전자를 기준으로 갭 d를 통과하는 시간이 빠를수록 전자의 속도가 더 느리고 반대로 갭 d를 통과하는 시간이 느릴수록 전자의 속도가 더 빠르기 때문에 결국 모든 전자가 일정 시간동안 운동하고 나면 중간점에서 뭉치는 현상이 발생된다.

이를 통해 각 전자의 궤적을 추적하여 전자빔의 밀도를 계산한 결과에 따른 전자의 자발적 뭉침현상에 대한 실시예로서 도 4의 그래프를 도시하였다.

상기 도 4에서 가로축은 정규화된 시간축을 나타내고, 세로축은 임의의 단위로 정의된 전자밀도를 나타낸다.

상기 도 4의 그래프에서 펄스들은 상기 도 3에 도시된 5.25에 있던 전자가 6.25, 6.75, 7.25, 7.75, 8.25, 8.75, 9.25 및 9.75에 해당하는 시간동안 운동할 때의 펄스 전자빔의 모습을 보인 것으로서 하나의 펄스가 시간에 따라서 변화해가는 모습으로 나타나는 것으로 볼 수 있다.

공진기에서 전자는 한 주기마다 주기적으로 계속 방출되기 때문에 실제 공간 상에서는 상기 도 4와 같이 다른 밀도분포를 가지는 여러 전자뭉치의 흐름이 존재하게 된다.

따라서 상기 도 2 상의 D 구간에 가속 전압을 가하면 전자들의 속도가 증가하지만 상기 도 4의 그래프에서 가로축은 시간을 표현하기 때문에 시간변화에 따른 전자밀도 변화는 거의 동일하게 나타난다.

이와 같이 전자들이 상기 t1일 때 방출된 전자를 중심으로 뭉쳐서 상기 t2 시간에 갭 d를 통과하도록 본 발명에서는 양극과 음극 간 거리 d, DC 전기장 E _d 및 AC 전기장 E _a 와 주파수 ω를 설정한다.

이를 위해서 본 발명에서는 하기 [식 10] 및 [식 11]의 조건을 만족하도록 DC 전기장 E _d 및 AC 전기장 E _a 를 설정한다.

그리고 상기 [식 10]와 [식 11]을 만족하면서, 상기 [식 7]의 t4에서 α값을 충분히 작게 설정하고, 주파수 ω 또는 전극간 거리 d를 설정함으로써, 전자들의 자발적 뭉침 현상을 발생시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 E _M 은 음극의 물질을 고려하여 기설정된 상수이고, 상기 [식 11]에서

_M 보다 크지 않다는 구속 조건이며, 상기 β는 대부분의 전자가 갭 d를 통과한 후 자발적 뭉침을 만들기 위한 조건상수로서, 일예로서 하기 [식 12]와 같이 설정할 수 있다.

이상과 같은 조건을 적용함에 따라 상기 도 2 상의 가속 구간 D에서 전자빔이 가속되면서 자발적 전자뭉침 현상에 의해서 고밀도 펄스빔으로 변해가며, 상기 공진기로부터 이격된 구간 D의 끝단에는 펄스 전자빔을 가속하는 클라이스트론, 진행파관 또는 선형가속기가 연결된 전극이 위치되고 상기 공진기의 양 전극 사이의 갭 d를 조절하여, 상기 구간 D를 통과하는 펄스 전자빔의 펄스 폭을 조절할 수 있다.

나아가서 상기 D 구간 뒤에 위치하는 클라이스트론, 진행파관(TWT), 선형가속기 등의 다양한 장치 특성에 따라 빔의 가속을 줄이거나 가속세기를 조정할 수도 있다.

또한 상기 D 구간의 길이를 조정함으로써 펄스빔의 전자밀도를 적절히 조절하여 해당 장치의 특성에 맞추어 활용할 수도 있다. 나아가서 상기 D 구간에 전기장 렌즈구조를 삽입해 전자가 운동방향에 수직으로 퍼지는 것을 방지하거나 집속된 전자빔을 만들 수 있다. 상황에 따라서는 일반적으로 전자빔 집속 및 유도에 활용되는 자석구조도 적용할 수 있다.

본 발명에서는 상기에서 살펴본 펄스 전자빔 생성 방법을 적용하기 위한 RF 전자총을 제시하는데, 도 5는 본 발명에 따른 펄스 전자빔을 방출하는 RF 전자총에 대한 실시예의 개략적인 구성도를 도시한다.

상기 도 5에 도시된 실시예에서 공진기의 구조와 펄스 전자빔을 생성하는 조건에 대해서는 앞서 살펴보았으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 펄스 전자빔을 방출하는 RF 전자총은 개략적으로 공진기에 AC 전기장을 인가하는 AC 전기장 발생부(210)와 DC 전기장을 인가하는 DC 전기장 발생부(230)를 포함하며, AC 전기장 발생부(210)의 AC 전기장 세기와 주파수를 조절하고 DC 전기장 발생부(230)의 DC 전기장 세기를 조절하는 전기장 제어부(250)를 포함한다.

전기장 제어부(250)는 앞서 살펴본 바와 같이 높은 주파수에서도 펄스 전자빔이 만들어지면서 전자빔이 스스로 뭉치는 현상을 발생시키기 위해서 DC 전기장 세기 E _d , AC 전기장 세기 E _a 및 주파수 ω를 제어한다.

이때 전기장 제어부(250)는 상기 [식 10], [식 11] 및 [식 12]의 조건을 만족하도록 각각의 설정치를 제어하며, 또한 ω는 공진기의 전극간 갭 d에 따라 설정한다.

이와 같은 본 발명에 따른 펄스 전자빔을 방출하는 RF 전자총을 이용하여 상기에서 살펴본 본 발명에 따른 펄스 전자빔 생성 방법을 적용함으로써, 공진기의 음극에서 상기 [식 6]의 t1일 때 방출된 전자가 상기 공진기의 음극과 양극 간의 갭 d를 통과하는 시간이 상기 [식 7]의 t2로 나타나고, 상기 [식 9]의 t4일 때 방출된 전자가 상기 갭 d를 통과할 때의 속도가 d, E _d , E _a 및 ω에 의해 조절됨으로써 전자의 자발적 뭉침 현상을 유도할 수 있게 된다.

또한 상기 공진기로부터 이격되어 클라이스트론, 진행파관 또는 선형가속기가 연결된 전극을 더 포함하며, 상기 공진기와 상기 전극 간의 이격 거리를 조절하여 펄스 전자빔의 펄스 폭을 조절할 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명에 따른 펄스 전자빔 생성 방법을 적용한 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 살펴보기로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 펄스 전자빔 생성 방법의 시뮬레이션을 위한 RF 전자총의 구성도와 시뮬레이션 설정 조건을 나타낸다.

상기 도 6의 실시예에 대한 시뮬레이션에서, DC 전기장으로 음극(110)에 -15keV를 인가하고 양극(130)을 접지시켜 0V를 인가하였는데, 이를 위해 V1은 15kV로 설정하고 V2는 0V로 설정하였다. 또한 AC 전기장으로 최고세기 1V/um에 주파수 10GHz를 인가하였다. 물론 이와 같은 DC 전기장과 AC 전기장은 상기 [식 10] 내지 [식 12]의 조건을 만족하도록 설정한 것이다.

이때, AC 전기장과 DC 전기장의 설정 조건은 어느 하나가 먼저 설정된 후 나머지를 상기 [식 10] 내지 [식 12]의 조건을 만족하도록 설정할 수 있다. 가령 일례로서, 공진기의 음극(110)에서 방출된 전자가 공진기의 양극(130)에 도달 시간을 공진기의 내부에 인가되는 AC 전기장 주기의 정수 배의 시간만큼 걸리도록 하는 크기를 갖는 DC 전기장을 공진기의 음극(110)과 양극(130) 사이에 먼저 인가한 후 상기 DC 전기장에 기초하여 상기 [식 3]의 t1일 때 방출된 전자보다 만큼 늦게 방출된 전자의 속도가 갭 d의 통과시에 상기 t1일 때 방출된 전자의 속도보다 빠르도록 하고, 상기 t1일 때 방출된 전자보다 만큼 일찍 방출된 전자의 속도가 갭 d의 통과시에 상기 t1일 때 방출된 전자의 속도보다 늦도록 하는 크기를 갖는 AC 전기장을 공진기 내부로 인가할 수 있다.

반대로, 먼저 AC 전기장을 설정하여 인가한 후 상기 [식 10] 내지 [식 12]의 조건을 만족시키는 DC 전기장을 설정하여 인가할 수도 있다.

그리고 시뮬레이션 설정은 주기 T를 0.1ns로 설정하고, 시뮬레이션 시간 간격을 0.001ns 즉, 0.01T로 설정하였으며, 상기 도 5의 (b)와 같은 시뮬레이션 설정 조건으로 본 발명에 따른 펄스 전자빔 생성 방법을 수행하였다.

도 7은 상기 도 6의 시뮬레이션에 따른 전자 속도별 갭 통과 시간을 나타내는데, 상기 도 7의 (a)는 앞서 살펴본 이론적 계산 결과에 따른 그래프이고, 상기 도 7의 (b)은 상기 도 6의 시뮬레이션 결과에 따른 그래프를 나타낸다.

상기 도 7의 (b)는 불연속적인 그래프로 도시되었는데, 이는 시뮬레이션 시간 간격과 결과값의 오차 범위에 따라 나타난 결과로서 실제 본 발명의 적용시에는 상기 도 7의 (a)와 같은 연속적인 결과를 얻을 수 있다.

상기 도 7의 (a)에서 A 부분은 전자의 속도가 상대적으로 빠르지만 갭 d를 통과하는 부분에 상대적으로 늦게 도착함으로써 전자빔 뭉치가 발생되는 부분이고, B 부분은 전자의 속도가 느리지만 갭 d를 통과하는 부분에 상대적으로 빨리 도착함으로써 전자빔 뭉치가 발생되는 부분이다.

상기 도 5의 시뮬레이션에 따른 결과인 상기 도 7의 (b)를 살펴보면, 시뮬레이션 결과 그래프가 실질적으로 상기 도 7의 (a)에 도시된 이론적 결과 그래프와 유사하게 나타남을 볼 수 있다.

즉, 상이한 시간에 방출된 전자가 갭 d를 통과할 때의 속도를 본 발명에 따른 조건 설정에 따른 d, E _d , E _a 및 ω값으로 조절함으로써 자발적 전자 뭉침 현상을 시뮬레이션 결과로 얻을 수 있었다.

여기서 갭 d를 통과하는 구간은 전자 뭉침을 준비하는 구간으로 볼 수 있으며, 상기 도 6의 D 구간에서 자발적 전자빔 뭉침 현상을 유도한다.

도 8은 상기 도 6의 시뮬레이션에서 구간 D 상의 각 지점에서 전자 속도별 통과 시간에 대한 시뮬레이션 결과 그래프를 도시한다.

상기 도 8의 (a), (b), (c) 및 (d)는 각각 상기 도 6의 구간 D에서 전자 속도별 M1, M2, M3 및 M4 지점 통과 시간에 대한 시뮬레이션 결과 그래프를 나타낸다.

상기 구간 D를 통과하면서 전자 뭉침 현상이 더욱 유발되는데, 상기 도 8의 (a) 내지 (d)를 참조하여 각 지점을 통과할 때의 전자 뭉침 현상을 살펴보면, 상기 M1 지점, M2 지점, M3 지점 및 M4 지점을 순차적으로 통과하면서 전자 뭉침을 더욱 조밀하게 유발되어 전자 빔의 펄스 폭을 조절할 수 있게 된다. 즉, 상기 M1 지점의 통과시에 전자 빔은 0.178T 폭으로 나타나고 상기 M4 지점의 통과시에 전자 빔은 0.141T 폭으로 나타남으로써 상기 D 구간을 통과하면서 전자 빔이 더욱 조밀하게 뭉치는 결과가 나타난다.

도 9는 상기 도 6의 시뮬레이션에 따라 구간 D에서 각 전자의 궤적을 추적하여 전자빔의 밀도를 시뮬레이션한 결과 그래프를 도시한다.

상기 도 9의 결과 그래프는 상기 도 8의 결과 그래프에 대응될 수 있는데, 전자 빔이 구간 D를 진행하면서 점차적으로 더욱 첨예한 펄스 형태로 형성되는 것을 볼 수 있다.

이와 같은 상기 도 6 내지 도 9의 본 발명에 따른 펄스 전자빔 생성 방법의 시뮬레이션 결과에서 보듯이 본 발명에 따른 펄스 전자빔 생성 방법을 적용함으로써 10GHz 이상의 고주파에서도 펄스 전자빔이 만들어지면서 또한 음극과 양극 사이 갭 d를 통과하면서 전자 뭉침 현상이 준비되어 자유공간인 구간 D를 진행하면서 전자빔이 더욱 자발적으로 뭉쳐짐에 따라 상기 구간 D의 통과시에 전자 빔의 펄스 폭이 조절됨으로써 더욱 첨예한 펄스 전자빔이 형성될 수 있다.

나아가서 본 발명에서는 앞서 살펴본 본 발명에 따른 RF 전자총을 적용하는 선형가속기 시스템을 제공하는데, 이하에서는 도 10에 도시된 본 발명에 따른 선형가속기 시스템의 일실시예에 대한 개략적인 구조를 참고하여 본 발명에 따른 선형가속기 시스템에 대하여 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 선형가속기 시스템은 RF 전자총(100), 클라이스트론(300) 및 선형가속기(500)가 순차적으로 일직선으로 연결된다. 즉, 일직선으로 연결된 구조를 통해 RF 전자총(100)에서 방출된 고주파 펄스 전자빔은 클라이스트론(300)을 통과하여 선형가속기(500)로 인가되며, 클라이스트론(300)은 RF 전자총(100)으로부터 인가된 고주파 펄스 전자빔으로 RF 전원 소스를 생성하고, 선형가속기(500)는 RF 전자총(100)에서 생성되어 클라이스트론(300)을 통과하여 인가되는 고주파 펄스 전자빔을 상기 RF 전원 소스를 이용하여 가속시킨다.

나아가서 본 발명에 따른 선형가속기 시스템에서는 RF 전자총(100)에서 고주파 펄스 전자빔이 생성되므로 클라이스트론(300)과 선형가속기(500)에 전자빔을 번칭(bunching)하기 위한 번처(buncher) 구간이 필요없게 되어 클라이스트론과 선형가속기를 더욱 간단한 구조로 구성시킬 수 있게 된다.

본 발며에 따른 선형가속기 시스템의 구조에 대하여 도 11에 도시된 본 발명에 따른 선형가속기 시스템에서 RF 전자총과 클라이스트론이 연결되는 구간의 일실시예에 대한 구조를 참조하여 살펴본다.

클라이스트론(300)은, RF 전자총(100)으로부터 펄스 전자빔을 인가받는 전자빔 입력단(310)이 드리프트 통로 상의 일단에 형성되고, 상기 드리프트 통로 상의 타단에는 상기 펄스 전자빔을 방출하는 전자빔 출력단(330)이 형성되어 전자빔 출력단(300)이 선형가속기(500)의 입력단에 연결된다. 그리고 상기 드리프트 통로의 끝단에 위치된 출력 공동(catcher) 단에서 증폭된 RF 전원 소스를 출력하는 RF 출력단(350)이 형성되어 RF 출력단(350)으로부터 출력되는 증폭된 RF 전원 소스가 선형가속기(500)로 인가된다.

또한 상기 도 11에 도시된 바와 같이 RF 전자총(100)의 출력단과 클라이스트론(300)의 전자빔 입력단(310)은 일정 간격 D만큼 이격될 수 있는데, 앞서 본 발명에 따른 RF 전자총에 대하여 살펴본 바와 같이 D 구간을 통과하면서 전자 빔의 전자 뭉침 현상을 유발시켜 전자 빔의 펄스 폭을 조절할 수 있게 된다. 즉, RF 전자총(100)으로부터 방출되는 전자 빔이 구간 D를 진행하면서 점차적으로 더욱 첨예한 펄스 형태로 형성될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : RF 전자총,
110 : 음극, 130 : 양극,
210 : AC 전기장 발생부, 230 : DC 전기장 발생부,
250 : 전기장 제어부,
300 : 클라이스트론,
310 : 전자빔 입력단, 330 : 전자빔 출력단,
350 : RF 출력단,
500 : 선형가속기.