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스위치드 커패시터
스위치드 커패시터(Switched capacitor, SC)는 전자 스위치가 열리고 닫힐 때 축전기에 전하를 넣고 빼서 함수를 구현하는 전자 회로이다. 일반적으로 스위치를 제어하기 위해 겹치지 않는 클럭 신호가 사용되므로 모든 스위치가 동시에 닫히지 않는다. 이러한 요소로 구현된 전자 필터는 스위치드-커패시터 필터라고 불리며, 이는 저항기의 정밀한 값에 의존하지 않고 커패시턴스 비율과 스위칭 주파수에만 의존한다. 이로 인해 정확하게 지정된 저항기와 축전기를 구성하는 것이 경제적이지 않은 집적 회로 내에서 사용하기에 훨씬 더 적합하지만, 정확한 클럭과 정확한 상대적인 커패시턴스 비율은 경제적이다.
SC 회로는 일반적으로 금속-산화물-반도체 (MOS) 기술을 사용하여 MOS 축전기 및 MOSFET 스위치와 함께 구현되며, CMOS 공정을 사용하여 일반적으로 제조된다. MOS SC 회로의 일반적인 응용 분야에는 혼합 신호 집적 회로, 디지털-아날로그 변환회로 (DAC) 칩, 아날로그-디지털 변환회로 (ADC) 칩, 펄스 부호 변조 (PCM) 코덱 필터 및 PCM 디지털 전화통신이 포함된다.
스위치드 커패시터 스위치드 커패시터를 이용한 병렬 저항 시뮬레이션
가장 간단한 스위치드 커패시터(SC) 회로는 하나의 축전기 와 두 개의 스위치 S1 및 S2로 구성되며, 이 스위치들은 스위칭 주파수 로 축전기를 교대로 in 또는 out에 연결한다.
옴의 법칙에 따르면 전압, 전류 및 저항 사이의 관계는 다음과 같이 표현할 수 있다.
다음 등가 저항 계산은 각 스위칭 주기 동안 이 스위치드 커패시터 회로가 in에서 out으로 일정량의 전하를 전달하여 와 유사한 선형 전류-전압 관계에 따라 작동하는 방식을 보여준다.
정의에 따라 플레이트 사이에 전압 가 있는 모든 축전기 의 전하 는 다음과 같다.
따라서 S1이 닫히고 S2가 열릴 때, 축전기 에 저장된 전하는 다음과 같다.
이 이상적인 전압원이라고 가정한다.
S2가 닫힐 때 (S1은 열려 있음 - 동시에 둘 다 닫히지 않음), 그 전하의 일부는 축전기 밖으로 전달된다. 출력에 어떤 부하가 연결되어 있는지 알지 못하면 정확히 얼마만큼의 전하가 전달되는지는 결정할 수 없다. 그러나 정의에 따르면 축전기 에 남아있는 전하는 미지의 변수 로 표현될 수 있다.
스위치드 커패시터 스위치드 커패시터를 이용한 병렬 저항 시뮬레이션
따라서 하나의 스위칭 주기 동안 in에서 out으로 전달되는 전하는 다음과 같다.
이 전하는 의 속도로 전달된다. 따라서 in에서 out으로 흐르는 평균 전류 (단위 시간당 전하 전달 속도)는 다음과 같다.
in에서 out으로의 전압 차이는 다음과 같이 쓸 수 있다.
마지막으로, in에서 out으로의 전류-전압 관계는 옴의 법칙과 동일한 형태로 표현될 수 있으며, 이 스위치드 커패시터 회로가 다음과 같은 등가 저항을 가진 저항기를 시뮬레이션한다는 것을 보여준다.
이 회로는 in과 out이 병렬로 연결되어 있고 직접 연결되지 않았기 때문에 병렬 저항 시뮬레이션이라고 불린다. 다른 유형의 SC 시뮬레이션 저항기 회로는 이중 선형 저항기 시뮬레이션, 직렬 저항기 시뮬레이션, 직렬-병렬 저항기 시뮬레이션 및 기생-불감 저항기 시뮬레이션이 있다.
전하는 연속적으로가 아니라 개별적인 펄스 형태로 'in'에서 'out'으로 전달된다. 이 전달은 스위칭 주파수가 입력 신호의 대역 제한보다 충분히 높을 때(≥100배) 저항기의 등가 연속 전하 전달을 근사한다.
스위치드 커패시터 스위치드 커패시터를 이용한 병렬 저항 시뮬레이션
여기서 저항이 0인 이상적인 스위치를 사용하여 모델링된 SC 회로는 일반 저항기의 옴 저항 발열 에너지 손실을 겪지 않으므로 이상적으로는 무손실 저항기라고 불릴 수 있다. 그러나 실제 스위치는 채널 또는 p-n 접합에 약간의 작은 저항을 가지고 있으므로 여전히 전력이 소산된다. 축전기도 이상적이지 않으며 전력을 소산한다.
전기 스위치 내부의 저항은 일반적으로 일반 저항기를 사용하는 회로의 저항보다 훨씬 작기 때문에 SC 회로는 훨씬 낮은 열잡음을 가질 수 있다. 그러나 스위칭 주파수의 고조파는 고주파 잡음으로 나타날 수 있으며 로우패스 필터로 감쇠해야 할 수도 있다.
SC 시뮬레이션 저항기는 또한 스위칭 주파수를 변경하여 등가 저항을 조정할 수 있다는 장점이 있다(즉, 프로그래밍 가능한 저항). 해상도는 스위칭 주기 해상도에 의해 제한된다. 따라서 마이크로컨트롤러의 구성 가능한 클럭 출력 신호를 사용하여 스위치의 진동을 제어함으로써 온라인 또는 런타임 조정을 수행할 수 있다.
스위치드 커패시터 스위치드 커패시터를 이용한 병렬 저항 시뮬레이션
SC 시뮬레이션 저항기는 집적 회로에서 실제 저항기를 대체하여 사용된다. 이는 넓은 범위의 값을 신뢰성 있게 제작하기 쉽고 실리콘 면적을 훨씬 적게 차지할 수 있기 때문이다.
이 동일한 회로는 이산 시간 시스템(예: ADC)에서 표본 및 유지 회로로 사용될 수 있다. 적절한 클럭 위상 동안 축전기는 스위치 S1을 통해 아날로그 전압을 샘플링하고, 두 번째 위상에서는 이 유지된 샘플링 값을 스위치 S2를 통해 전자 회로에 제공하여 처리한다.
저항기와 축전기로 구성된 전자 필터는 저항기를 등가 스위치드-커패시터 시뮬레이션 저항기로 대체할 수 있어 필터를 실제 저항기에 의존하지 않고 스위치와 축전기만을 사용하여 제조할 수 있다.
스위치드 커패시터 기생-민감 적분기
스위치드-커패시터 시뮬레이션 저항기는 연산 증폭기 적분기의 입력 저항기를 대체하여 정확한 전압 이득 및 적분을 제공할 수 있다.
이러한 회로 중 가장 초기의 하나는 체코 공학자 베드리치 호스티카(Bedrich Hosticka)가 개발한 기생-민감 적분기이다.
스위칭 주기 라고 하자. 축전기에서,
그럼 S1이 열리고 S2가 닫힐 때 (동시에 둘 다 닫히지 않음), 다음을 얻는다.
1) 가 방금 충전되었기 때문에:
2) 피드백 캡 이 그만큼의 전하로 갑자기 충전되었기 때문에 (입력 사이의 가상 단락을 찾는 연산 증폭기에 의해):
이제 2)를 로 나누면:
그리고 1)을 삽입하면:
이 마지막 방정식은 에서 일어나는 일을 나타낸다. 즉, 에서 "펌핑"되는 전하에 따라 매 사이클마다 전압이 증가(또는 감소)한다(연산 증폭기에 의해).
스위치드 커패시터 기생-민감 적분기
그러나 가 매우 짧다면 이 사실을 정식화하는 더 우아한 방법이 있다.  및 를 도입하고 마지막 방정식을 dt로 나누어 다시 작성하자.
따라서 연산 증폭기 출력 전압은 다음 형식을 취한다.
이는 저항이 등가 저항이 다음과 같은 SC 시뮬레이션 저항기로 대체된 연산 증폭기 반전 적분기와 동일한 공식이다.
이 스위치드 커패시터 회로는 기생 용량에 의해 그 동작이 크게 영향을 받기 때문에 "기생-민감"이라고 불리며, 기생 용량을 제어할 수 없을 때 오류를 유발한다. "기생-불감" 회로는 이를 극복하려고 한다.
스위치드 커패시터 기생-불감 적분기
지연 기생 불감 적분기는 이차 필터, 안티앨리어싱 구조 및 델타-시그마 데이터 변환기와 같은 이산 시간 전자 회로에서 널리 사용된다. 이 회로는 다음 z-영역 함수를 구현한다.
스위치드 커패시터 곱셈 디지털-아날로그 변환기
스위치드 커패시터 회로의 유용한 특성 중 하나는 많은 회로 작업을 동시에 수행하는 데 사용될 수 있다는 점이다. 이는 비이산 시간 구성 요소(즉, 아날로그 전자 장치)로는 어렵다. 곱셈 디지털-아날로그 변환기(MDAC)는 아날로그 입력을 받아 디지털 값 를 더하고 커패시터 비율에 따라 특정 계수를 곱할 수 있는 예시이다. MDAC의 출력은 다음과 같다.
MDAC는 최신 파이프라인 아날로그-디지털 변환회로 및 기타 정밀 아날로그 전자 장치의 일반적인 구성 요소이며, 벨 연구소의 스티븐 루이스(Stephen Lewis) 등이 위와 같은 형태로 처음 만들었다.
스위치드 커패시터 스위치드 커패시터 회로 분석
스위치드 커패시터 회로는 이 문서에서와 같이 전하 보존 방정식을 작성하고 컴퓨터 대수 도구로 풀어 분석한다. 수동 분석 및 회로에 대한 더 많은 통찰력을 얻기 위해, 스위치드 커패시터 및 연속 시간 회로와 매우 유사한 방법으로 신호 흐름 그래프 분석을 수행할 수도 있다.
저전압 강하 조정기
저전압 강하 조정기(Low-dropout regulator, LDO 조정기)는 공급 전압이 출력 전압에 매우 가깝더라도 작동할 수 있는 DC 선형 전압 조정기 회로의 한 유형이다.
다른 DC-DC 전압 조정기에 비해 LDO 조정기의 장점은 다음과 같다: 스위칭 노이즈가 없으며 (스위칭 조정기와 대조적); 소형 장치 크기 (큰 유도자나 변압기가 필요하지 않음); 그리고 더 큰 설계 단순성 (일반적으로 기준, 증폭기, 그리고 통과 소자로 구성됨). 단점은 선형 DC 조정기가 작동하려면 열을 방출해야 한다는 것이다.
저전압 강하 조정기 역사
조정 가능한 저전압 강하 조정기는 1977년 4월 12일 일렉트로닉 디자인 기사 "고정 IC 조정기에서 벗어나라"에서 처음 등장했다. 이 기사는 당시 내셔널 세미컨덕터에서 근무하던 IC 설계자인 로버트 도브킨이 작성했다. 이로 인해 내셔널 세미컨덕터는 "LDO 발명자"라는 타이틀을 주장한다. 도브킨은 나중에 1981년 내셔널 세미컨덕터를 떠나 리니어 테크놀로지를 설립했으며, 그곳에서 최고 기술 책임자로 재직했다.
저전압 강하 조정기 구성 요소
주요 구성 요소는 전력 FET와 차동 증폭기 (오차 증폭기)이다. 차동 증폭기의 한 입력은 R1과 R2의 저항기 비율에 의해 결정되는 출력의 일부를 모니터링한다. 차동 증폭기의 두 번째 입력은 안정적인 전압 기준 (밴드갭 기준)에서 온다. 출력 전압이 기준 전압에 비해 너무 높게 상승하면, 전력 FET에 대한 구동이 일정한 출력 전압을 유지하도록 변경된다.
저전압 강하 조정기 조정
저전압 강하 (LDO) 조정기는 모든 선형 전압 조정기와 유사하게 작동한다. LDO와 비LDO 조정기 간의 주요 차이점은 회로도 토폴로지이다. 이미터 팔로워 토폴로지 대신, 저전압 강하 조정기는 개방 컬렉터 또는 개방 드레인 토폴로지로 구성되어, 트랜지스터가 조정기에서 사용할 수 있는 전압으로 쉽게 포화 상태로 구동될 수 있다. 이를 통해 비조정 전압에서 조정 전압까지의 전압 강하가 트랜지스터 전체의 포화 전압만큼 낮아질 수 있다.:부록 A
그림 1에서 연산 증폭기의 비반전 입력에는 다음 전압이 걸린다:
이 전압이 Vref보다 낮으면 연산 증폭기는 통과 소자를 켠다. 피드백 루프는 를 와 거의 같게 유지한다. 출력 전압에 대해 풀면 다음을 얻는다:
저전압 강하 조정기 조정
장효과 트랜지스터나 JFET 대신 바이폴라 트랜지스터를 사용하면 이를 제어하는 데 상당한 추가 전력이 손실될 수 있으며, 비LDO 조정기는 그 전력을 전압 강하 자체에서 가져온다. 매우 낮은 Vin-Vout 차이에서 높은 전압의 경우 제어 회로에서 상당한 전력 손실이 발생한다.
전력 제어 소자가 인버터이므로 이를 제어하기 위해 다른 반전 증폭기가 필요하여 단순한 선형 조정기에 비해 회로도 복잡성이 증가한다.
전력 FET는 전력 소비를 줄이기 위해 선호될 수 있지만, FET는 일반적으로 완전히 닫히려면 5~10V가 필요하므로 조정기가 낮은 입력 전압에 사용될 때 문제가 발생한다. 전력 FET는 또한 비용을 증가시킬 수 있다.
저전압 강하 조정기 효율성 및 열 방출
일반적인 LDO의 통과 소자 및 내부 회로 ()에서 소모되는 전력은 다음과 같이 계산된다:
여기서 는 LDO가 내부 회로에 필요한 정지 전류이다.
따라서 효율성은 다음과 같이 계산할 수 있다:
여기서
그러나 LDO가 완전히 작동할 때 (즉, 부하에 전류를 공급할 때) 일반적으로 이다. 이를 통해 를 다음으로 줄일 수 있다:
이는 효율 방정식도 다음으로 줄인다:
저전압 강하 선형 조정기를 사용할 때 열 고려 사항을 염두에 두는 것이 중요하다. 높은 전류 및 입력과 출력 전압 사이의 넓은 차이는 큰 전력 손실로 이어질 수 있다. 또한, 차이가 넓어질수록 효율성도 떨어진다. 패키지에 따라 과도한 전력 손실은 LDO를 손상시키거나 열 차단 상태로 만들 수 있다.
저전압 강하 조정기 정지 전류
선형 조정기의 다른 중요한 특성 중 하나는 접지 전류 또는 공급 전류라고도 알려진 정지 전류로, LDO의 입력 및 출력 전류 간의 작지만 차이를 설명한다. 즉, 다음과 같다:
정지 전류는 LDO가 적절한 작동을 위해 내부 회로를 제어하는 데 필요한 전류이다. 직렬 통과 소자, 토폴로지 및 주변 온도가 정지 전류의 주요 기여자이다.
많은 애플리케이션에서는 LDO가 항상 완전히 작동할 필요는 없다 (즉, 부하에 전류를 공급할 필요는 없다). 이 유휴 상태에서도 LDO는 부하가 발생할 경우 내부 회로를 준비 상태로 유지하기 위해 소량의 정지 전류를 계속 소비한다. 부하에 전류가 공급되지 않을 때 는 다음과 같이 찾을 수 있다:
저전압 강하 조정기 필터링
전압을 조절하는 것 외에도 LDO는 필터로도 사용될 수 있다. 이는 특히 시스템이 스위처를 사용할 때 유용하며, 스위처는 스위칭 주파수에서 발생하는 출력 전압의 리플을 발생시킨다. 이 리플은 그대로 두면 발진기, 데이터 변환기, 및 스위처에 의해 전원이 공급되는 RF 시스템의 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 그러나 스위처뿐만 아니라 모든 전원 공급 장치에는 설계에 바람직하지 않을 수 있는 AC 요소가 포함될 수 있다.
LDO를 필터로 사용할 때 고려해야 할 두 가지 사양은 전원 공급 장치 거부비 (PSRR)와 출력 노이즈이다.
저전압 강하 조정기 사양
LDO는 드롭아웃 전압, 정지 전류, 부하 조절, 라인 조절, 최대 전류 (통과 트랜지스터의 크기에 따라 결정됨), 속도 (부하 변화에 얼마나 빨리 반응할 수 있는지), 부하 전류의 갑작스러운 과도 현상으로 인한 출력의 전압 변화, 출력 축전기 및 등가 직렬 저항으로 특징지어진다. 속도는 부하 전류가 0mA (무부하)에서 최대 부하 전류로 변할 때 출력 전류의 상승 시간으로 표시된다. 이는 기본적으로 오차 증폭기의 대역폭에 의해 결정된다. 또한 LDO는 모든 상황에서 조용하고 안정적인 출력을 제공할 것으로 예상된다 (가능한 교란의 예: 입력 전압 또는 출력 전류의 급격한 변화). 안정성 분석은 이러한 동작을 얻기 위한 몇 가지 성능 지표를 제시하며, 극점과 영점을 적절히 배치하는 것을 포함한다. 대부분의 경우 낮은 주파수에서 지배적인 극점이 발생하고 다른 극점과 영점은 고주파수로 밀려난다.
저전압 강하 조정기 사양
PSRR은 LDO가 입력에서 보는 리플을 거부하는 능력이다. 조절의 일환으로, 오차 증폭기와 밴드갭은 비교되는 내부 기준에서 벗어나는 입력 전압의 모든 스파이크를 감쇠시킨다. 이상적인 LDO에서 출력 전압은 오직 DC 주파수로만 구성될 것이다. 그러나 오차 증폭기는 고주파수에서 작은 스파이크를 증폭하는 능력에 제한이 있다. PSRR은 다음과 같이 표현된다:
예를 들어, 1MHz에서 55dB의 PSRR을 갖는 LDO는 이 주파수에서 1mV의 입력 리플을 출력에서 1.78μV로 감쇠시킨다. PSRR이 6dB 증가하면 감쇠가 약 2배 증가하는 것과 같다.
대부분의 LDO는 낮은 주파수 (10Hz – 1kHz)에서 비교적 높은 PSRR을 갖는다. 그러나 성능 LDO는 넓은 주파수 스펙트럼 (10Hz – 5MHz)에서 높은 PSRR을 갖는다는 점에서 구별된다. 넓은 대역에서 높은 PSRR을 갖는 것은 LDO가 스위처에서 발생하는 것과 같은 고주파 노이즈를 거부할 수 있게 한다. 다른 사양과 마찬가지로 PSRR은 주파수, 온도, 전류, 출력 전압 및 전압 차이에 따라 변동한다.
저전압 강하 조정기 사양
필터 설계 시 LDO 자체의 노이즈도 고려해야 한다. 다른 전자 장치와 마찬가지로 LDO는 열잡음, 바이폴라 푸아송 잡음 및 플리커 잡음의 영향을 받는다. 이러한 각 현상은 출력 전압에 노이즈를 기여하며, 대부분 주파수 스펙트럼의 낮은 끝에 집중된다. AC 주파수를 적절하게 필터링하려면 LDO는 입력에서 리플을 거부하면서 출력에서 최소한의 노이즈를 도입해야 한다. 시끄러운 LDO가 출력에서 그 노이즈를 다시 추가한다면 입력 전압에서 리플을 감쇠하려는 노력은 헛수고가 될 수 있다.
부하 조절은 변화하는 부하 조건에서 지정된 출력 전압을 유지하는 회로의 능력을 측정한 것이다. 부하 조절은 다음과 같이 정의된다:
출력 전압 변동의 최악의 경우는 부하 전류가 0에서 최대 정격 값으로 또는 그 반대로 전환될 때 발생한다.
라인 조절은 변화하는 입력 전압에서 지정된 출력 전압을 유지하는 회로의 능력을 측정한 것이다. 라인 조절은 다음과 같이 정의된다:
저전압 강하 조정기 사양
부하 조절과 마찬가지로 라인 조절은 정상 상태 매개변수이며, 모든 주파수 구성 요소는 무시된다. DC 개방 루프 전류 이득을 높이면 라인 조절이 향상된다.
과도 응답은 부하 전류 계단 변화에 대한 최대 허용 출력 전압 변동이다. 과도 응답은 출력 축전기 값 (), 출력 축전기의 등가 직렬 저항 (ESR), 부하 과도 응답을 개선하기 위해 출력 축전기에 일반적으로 추가되는 바이패스 축전기 () 및 최대 부하 전류 ()의 함수이다. 최대 과도 전압 변동은 다음과 같이 정의된다:
여기서 은 LDO 조정기의 폐루프 대역폭에 해당한다. 은 출력 축전기의 ESR () 존재로 인해 발생하는 전압 변동이다. 애플리케이션에 따라 이 값이 얼마나 낮아야 하는지가 결정된다.
중성자 발생기
중성자 발생기(Neutron generator) 또는 중성자원은 소형 선형입자가속기를 포함하는 중성자원 장치이며, 수소 동위 원소를 융합하여 중성자를 생성한다. 이 장치에서는 중수소, 삼중수소 또는 이 두 동위 원소의 혼합물을 가속하여 중수소, 삼중수소 또는 이들 동위 원소의 혼합물을 포함하는 금속 수소화물 표적에 충돌시켜 핵융합 반응이 일어난다. 중수소 원자(D + D)의 융합은 헬륨-3 이온과 약 2.5 MeV의 운동 에너지를 가진 중성자를 생성한다. 중수소 원자와 삼중수소 원자(D + T)의 융합은 헬륨-4 이온과 약 14.1 MeV의 운동 에너지를 가진 중성자를 생성한다. 중성자 발생기는 의학, 보안 및 재료 분석 분야에 응용된다.
중성자 발생기
기본 개념은 1930년대 초 캐번디시 연구소에서 어니스트 러더퍼드 팀에 의해 처음 개발되었다. 콕크로프트-월턴 발생기로 구동되는 선형 가속기를 사용하여 마크 올리펀트는 중수소가 주입된 금속박에 중수소 이온을 발사하는 실험을 주도했으며, 이 입자 중 소수가 알파 입자를 방출한다는 것을 발견했다. 이것은 핵융합의 첫 번째 시연이었으며, 이러한 반응에서 생성된 헬륨-3와 삼중수소의 첫 번째 발견이기도 했다. 새로운 전원의 도입으로 이 기계의 크기는 지속적으로 줄어들어, 실험실 한 모퉁이를 차지했던 올리펀트의 기계에서 고도로 휴대 가능한 현대 기계에 이르렀다. 1960년대 이래로 수천 개의 이러한 작고 비교적 저렴한 시스템이 구축되었다.
중성자 발생기는 핵융합 반응을 생성하지만, 이러한 반응을 일으키는 가속 이온의 수는 매우 적다. 이러한 반응에서 방출되는 에너지가 이온을 가속하는 데 필요한 에너지보다 훨씬 낮다는 것을 쉽게 알 수 있으므로, 이 기계가 순수 핵융합 발전을 생성하는 데 사용될 가능성은 없다. 관련 개념인 충돌 빔 핵융합은 두 개의 가속기를 서로 향해 발사함으로써 이 문제를 해결하려고 시도한다.
중성자 발생기 중성자 발생기 이론 및 작동
중수소(D, 수소-2, 2H) 삼중수소(T, 수소-3, 3H) 핵융합 반응을 사용하는 소형 중성자 발생기는 가장 일반적인 가속기 기반(방사성 동위 원소와 반대) 중성자원이다. 이 시스템에서는 중수소, 삼중수소 또는 중수소와 삼중수소의 이온을 생성하고 이를 중수소 또는 중수소와 삼중수소가 채워진 수소화물 표적에 가속하여 중성자를 생성한다. DT 반응은 DD 반응보다 DT 반응의 수율이 50-100배 높기 때문에 DD 반응보다 더 많이 사용된다.
D + T → n + 4He   En = 14.1 MeV
D + D → n + 3He   En = 2.5 MeV
DD 및 DT 반응에 의해 생성된 중성자는 표적에서 다소 비등방적으로 방출되며, (이온 빔의 축을 따라) 전방 방향으로 약간 편향된다. DD 및 DT 반응에서 중성자 방출의 비등방성은 반응이 등방적인 (COM) 질량 중심 좌표계에서 발생하지만, 이 등방성은 COM 좌표계에서 실험실 좌표계로의 변환에서 상실된다는 사실에서 비롯된다. 두 참조 프레임 모두에서 He 핵은 운동량 보존 법칙에 따라 방출된 중성자와 반대 방향으로 반동한다.
중성자 발생기 중성자 발생기 이론 및 작동
중성자관 이온원 영역의 가스 압력은 일반적으로 0.1에서 0.01 mm Hg 사이이다. 전자의 평균 자유 거리는 이온화를 달성하기 위해 방전 공간보다 짧아야 하며(압력의 하한), 전극 사이에 인가되는 높은 추출 전압에서 방전 형성을 피하기 위해 압력을 충분히 낮게 유지해야 한다. 그러나 가속 영역의 압력은 훨씬 낮아야 하는데, 높은 전압 전극 사이에서 방전 형성을 방지하기 위해 전자의 평균 자유 거리가 더 길어야 하기 때문이다.
이온 가속기는 일반적으로 원통 대칭을 갖는 여러 전극으로 구성되며, 이는 아인첼 렌즈 역할을 한다. 따라서 이온 빔은 표적의 작은 점에 집중될 수 있다. 가속기는 일반적으로 100–500kV의 전원 공급 장치를 필요로 한다. 일반적으로 전계 방출을 방지하기 위해 단계 간 전압이 200 kV를 초과하지 않도록 여러 단계를 갖는다.
방사성핵종 중성자원에 비해 중성자관은 훨씬 높은 중성자 플럭스를 생성할 수 있으며 일관된(단색) 중성자 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있다. 중성자 생성 속도도 제어할 수 있다.
중성자 발생기 밀봉 중성자관
중성자 발생기의 핵심 부분은 중성자관이라고도 불리는 입자 가속기 자체이다. 중성자관은 이온원, 이온 광학 요소, 빔 표적을 포함한 여러 구성 요소를 가지며, 이 모든 것은 진공 밀봉된 인클로저 내에 밀봉되어 있다. 튜브의 이온 광학 요소 사이의 고전압 절연은 유리 및 세라믹 절연체에 의해 제공된다. 중성자관은 다시 금속 하우징인 가속기 헤드에 둘러싸여 있으며, 이 헤드는 튜브의 고전압 요소를 작동 영역으로부터 절연하기 위해 유전체 매체로 채워져 있다. 가속기와 이온원의 고전압은 외부 전원 공급 장치에 의해 제공된다. 제어 콘솔은 작업자가 중성자관의 작동 매개변수를 조정할 수 있도록 한다. 전원 공급 장치와 제어 장비는 일반적으로 실험실 장비의 가속기 헤드에서 3–10 미터 (10–30 ft) 이내에 위치하지만, 유정 로깅 장비에서는 몇 킬로미터 떨어져 있을 수도 있다.
이전의 중성자관과 비교하여 밀봉 중성자관은 작동을 위해 진공펌프와 가스원을 필요로 하지 않는다. 따라서 더 이동성이 좋고 소형이며, 내구성이 있고 신뢰할 수 있다. 예를 들어, 밀봉 중성자관은 현대 핵무기의 내파 핵에 중성자 펄스를 공급하는 데 사용되는 방사성 조절 중성자 개시자를 대체했다.
중성자 발생기 밀봉 중성자관
중성자관 아이디어의 예시는 1930년대, 핵무기 이전 시대에 독일 과학자들이 1938년 독일 특허(1938년 3월, 특허 번호 261,156)를 출원하고 미국 특허(1941년 7월, USP #2,251,190)를 획득한 것까지 거슬러 올라간다. 현재 최첨단 기술의 예시는 뉴트리스터와 같은 개발에서 찾을 수 있다. 뉴트리스터는 샌디아 국립 연구소에서 발명된 컴퓨터 칩과 유사한 대부분 고체 상태 장치이다. 일반적인 밀봉 설계는 펄스 모드로 사용되며 이온원과 장전된 표적의 수명에 따라 다른 출력 수준에서 작동할 수 있다.
중성자 발생기 이온원
좋은 이온원은 많은 가스를 소비하지 않고 강한 이온 빔을 제공해야 한다. 수소 동위 원소의 경우, 충돌 시 원자 이온이 분자 이온보다 더 높은 중성자 수율을 가지므로 원자 이온의 생성이 선호된다. 이온원에서 생성된 이온은 전기장에 의해 가속 영역으로 추출되어 표적을 향해 가속된다. 가스 소비는 주로 이온 생성 공간과 이온 가속 공간 사이의 유지되어야 하는 압력 차이로 인해 발생한다. 40 cm3/시간의 가스 소비량으로 10 mA의 이온 전류를 달성할 수 있다.
밀봉된 중성자관의 경우, 이상적인 이온원은 낮은 가스 압력을 사용하고, 원자 이온의 비율이 높은 높은 이온 전류를 제공하며, 낮은 가스 청소, 낮은 전력 사용, 높은 신뢰성 및 긴 수명을 가져야 하며, 구조는 간단하고 견고해야 하며 유지 보수 요구 사항은 낮아야 한다.
가스는 지르코늄 와이어의 전기 가열 코일인 보충 장치에 효율적으로 저장될 수 있다. 온도는 금속에 의한 수소 흡수/탈착 속도를 결정하며, 이는 인클로저의 압력을 조절한다.
중성자 발생기 이온원
페닝 소스는 교차하는 전기장과 자기장을 활용하는 낮은 가스 압력의 냉음극관 이온원이다. 이온원 양극은 직류 또는 펄스 방식으로 소스 음극에 대해 양의 전위에 있다. 이온원 전압은 일반적으로 2~7킬로볼트이다. 소스 축에 평행하게 정렬된 자기장은 영구 자석에 의해 생성된다. 양극 축을 따라 플라스마가 형성되어 전자를 포획하고, 이 전자는 다시 소스 내부의 가스를 이온화한다. 이온은 출구 음극을 통해 추출된다. 정상 작동 시, 페닝 소스에 의해 생성되는 이온 종은 90% 이상이 분자 이온이다. 그러나 이 단점은 시스템의 다른 장점들로 상쇄된다.
음극 중 하나는 연철로 만든 컵으로, 방전 공간의 대부분을 감싸고 있다. 컵 바닥에는 생성된 이온의 대부분이 자기장에 의해 가속 공간으로 방출되는 구멍이 있다. 연철은 가속 공간을 자기장으로부터 차폐하여 고장을 방지한다.
중성자 발생기 이온원
출구 음극에서 나오는 이온은 출구 음극과 가속기 전극 사이의 전위차를 통해 가속된다. 회로는 출구 음극이 접지 전위에 있고 표적이 높은 (음의) 전위에 있음을 나타낸다. 이는 많은 밀봉관 중성자 발생기에서 해당된다. 그러나 시료에 최대 플럭스를 전달하고자 하는 경우, 표적을 접지하고 소스를 높은 (양의) 전위에 띄워서 중성자관을 작동하는 것이 바람직하다. 가속기 전압은 일반적으로 80~180킬로볼트이다.
가속 전극은 긴 속이 빈 원통형 모양을 가지고 있다. 이온 빔은 약간 발산하는 각도(약 0.1 라디안)를 가진다. 전극 모양과 표적과의 거리는 전체 표적 표면이 이온으로 폭격되도록 선택할 수 있다. 최대 200 kV의 가속 전압을 달성할 수 있다.
이온은 가속 전극을 통과하여 표적에 충돌한다. 이온이 표적에 충돌하면 이차 방출에 의해 이온당 2-3개의 전자가 생성된다. 이 이차 전자가 이온원으로 다시 가속되는 것을 방지하기 위해 가속기 전극은 표적에 대해 음으로 편향된다. 억제 전압이라고 불리는 이 전압은 최소 500볼트여야 하며 몇 킬로볼트까지 높을 수 있다. 억제 전압의 손실은 중성자관에 손상, 잠재적으로 치명적인 손상을 초래할 것이다.
일부 중성자관은 표적에 빔 스팟의 크기를 제어하기 위해 초점 또는 추출 전극이라고 불리는 중간 전극을 통합한다. 소스 내 가스 압력은 가스 저장소 요소를 가열하거나 냉각함으로써 조절된다.
이온은 고주파 전자기장에서 형성된 전자에 의해 생성될 수 있다. 방전은 전극 사이에 위치한 튜브 또는 코일 내에서 형성된다. 90% 이상의 원자 이온 비율을 달성할 수 있다.
중성자 발생기 표적
중성자 발생기에 사용되는 표적은 은, 구리 또는 몰리브데넘 기판에 증착된 타이타늄, 스칸듐 또는 지르코늄과 같은 금속의 박막이다. 타이타늄, 스칸듐 및 지르코늄은 수소 또는 그 동위 원소와 결합할 때 금속 수소화물이라는 안정적인 화학 화합물을 형성한다. 이 금속 수소화물은 금속 원자당 두 개의 수소(중수소 또는 삼중수소) 원자로 구성되어 표적이 극도로 높은 수소 밀도를 가질 수 있도록 한다. 이는 중성자관의 중성자 수율을 최대화하는 데 중요하다. 가스 저장소 요소도 활성 물질로 수소화 우라늄과 같은 금속 수소화물을 사용한다.
타이타늄은 지르코늄보다 높은 온도(200 °C)를 견딜 수 있고, 지르코늄보다 중양성자를 더 잘 포획하여 더 높은 중성자 수율을 제공하므로 지르코늄보다 선호된다. 수소 동위 원소가 탈착되어 재료에서 빠져나가는 표적의 최대 허용 온도는 표적의 표면 단위당 이온 전류를 제한한다. 따라서 약간 발산하는 빔이 사용된다. 200 kV로 가속된 1 마이크로암페어 이온 빔이 타이타늄-삼중수소 표적에 충돌하면 초당 최대 108개의 중성자를 생성할 수 있다. 중성자 수율은 주로 가속 전압과 이온 전류 수준에 의해 결정된다.
중성자 발생기 표적
사용 중인 삼중수소 표적의 한 예는 표면에 1 마이크로미터 두께의 타이타늄 층이 증착된 0.2 mm 두께의 은 디스크이다. 타이타늄은 그 후 삼중수소로 포화된다.
수소 확산이 충분히 낮은 금속은 중양성자 폭격으로 금속이 포화될 때까지 중수소 표적으로 만들 수 있다. 이러한 조건에서 금 표적은 타이타늄보다 4배 높은 효율을 보인다. 수소 흡수율이 높고 확산성이 높은 금속(예: 타이타늄)의 얇은 막을 수소 확산성이 낮은 기판(예: 은) 위에 사용하여 더 좋은 결과를 얻을 수 있다. 이렇게 하면 수소가 최상층에 집중되고 재료의 내부로 확산되지 않는다. 중수소-삼중수소 가스 혼합물을 사용하여 자체 보충 D-T 표적을 만들 수 있다. 이러한 표적의 중성자 수율은 중수소 빔의 삼중수소 포화 표적보다 낮지만, 훨씬 긴 수명과 일정한 중성자 생성 수준이라는 장점이 있다. 자체 보충 표적은 또한 튜브의 고온 베이킹에도 견딜 수 있다. 왜냐하면 수소 동위 원소로의 포화는 베이킹 및 튜브 밀봉 후에 수행되기 때문이다.
중성자 발생기 고전압 전원 공급 장치
중성자관에서 이온을 가속하는 데 필요한 고전압장을 생성하는 한 가지 방법은 초전결정을 사용하는 것이다. 2005년 4월, UCLA의 연구원들은 열 주기 초전 결정을 사용하여 중성자 발생기 응용 분야에서 높은 전기장을 생성하는 것을 시연했다. 2006년 2월, 렌슬리어 공과대학교의 연구원들은 이 응용 분야에 대해 두 개의 반대 극성을 가진 결정을 사용하는 것을 시연했다. 이러한 저기술 전원 공급 장치를 사용하여 가속 간격에 충분히 높은 전기장 기울기를 생성하여 중수소 이온을 중수소화된 표적으로 가속시켜 D + D 핵융합 반응을 생성할 수 있다. 이 장치들은 일반적으로 콕크로프트-월턴 발생기 유형의 고전압 전원 공급 장치를 사용하는 기존의 밀봉관 중성자 발생기와 작동 원리가 유사하다. 이 접근 방식의 참신함은 고전압 소스의 단순성에 있다. 불행히도, 초전 결정이 생성할 수 있는 비교적 낮은 가속 전류와 달성할 수 있는 적당한 펄스 주파수(분당 몇 주기)는 오늘날의 상업용 제품과 비교할 때 단기적인 응용을 제한한다(아래 참조). 초전 핵융합도 참조하십시오.
중성자 발생기 기타 기술
위에서 설명한 기존 중성자 발생기 설계 외에도 중성자 생성을 위한 전기 시스템을 사용하는 몇 가지 다른 접근 방식이 존재한다.
또 다른 혁신적인 중성자 발생기 유형은 관성 정전기 밀봉 핵융합 장치이다. 이 중성자 발생기는 절연 표면의 금속화를 유발하는 스퍼터 침식될 고체 표적을 사용하지 않는다. 또한 고체 표적 내 반응물 가스의 고갈도 피한다. 훨씬 더 긴 작동 수명이 달성된다. 원래 퓨저라고 불렸으며, 필로 판즈워스가 발명했다.
중성자 발생기 응용 분야
중성자 발생기는 반도체 생산 산업에 응용된다. 또한 감손 우라늄 농축, 증식로 가속, 실험용 토륨 원자로 활성화 및 여기에도 사용된다.
재료 분석에서는 중성자 방사화 분석이 광물이나 광석과 같은 혼합 재료의 다양한 원소 농도를 결정하는 데 사용된다.
5극 진공관
5극 진공관(Pentode)은 다섯 개의 전극을 가진 전자 장치이다. 이 용어는 1926년 길레스 홀스트와 베르나르드 텔레헨이 발명한 세 개의 그리드를 가진 증폭 진공관 또는 열전자 밸브에 가장 일반적으로 적용된다. (일부 문헌에서는 삼중 그리드 증폭기라고 불리는) 5극 진공관은 스크린 그리드와 플레이트 사이에 그리드를 추가하여 스크린 그리드 진공관 또는 실드 그리드 진공관(일종의 4극 진공관 진공관)에서 개발되었다. 스크린 그리드 진공관은 플레이트에서 나오는 전자의 2차 전자 방출로 인해 증폭기로서 성능이 제한되었다. 추가된 그리드를 억제 그리드라고 한다. 억제 그리드는 일반적으로 음극의 전위와 같거나 그 근처에서 작동하며, 플레이트에서 나오는 2차 방출 전자가 스크린 그리드에 도달하는 것을 방지한다. 억제 그리드를 추가하면 증폭기 작동 시 5극 진공관의 플레이트에서 동일한 플레이트 공급 전압에서 스크린 그리드 진공관의 플레이트보다 훨씬 더 큰 출력 신호 진폭을 얻을 수 있다. 5극 진공관은 1960년대에서 1970년대까지 전자 장비에 널리 제조 및 사용되었으며, 이 기간 동안 트랜지스터가 새로운 설계에서 진공관을 대체했다. 21세기 1분기 동안 몇몇 5극 진공관은 고전력 무선 주파수 응용, 악기 증폭기(특히 기타), 홈 오디오 및 틈새 시장을 위해 생산되고 있다.
5극 진공관 5극 진공관의 종류
일반적인 5극 진공관은 급격 차단 또는 고경사 5극 진공관이라고 불리며 제어 그리드에 균일한 개구부 크기를 갖는다. 제어 그리드의 균일한 구조는 그리드 전압이 점점 더 음수가 될수록 증폭 계수(뮤 또는 μ)와 상호 컨덕턴스가 거의 변하지 않아 플레이트 전류의 상당히 급격한 차단을 초래한다. 이러한 5극 진공관은 제어 그리드에서 제한된 신호 및 바이어스 범위에서 작동하는 증폭기 설계에 적합하다. 예로는 EF37A, EF86/6267, 1N5GT, 6AU6A, 6J7GT가 있다. 종종, 그러나 항상 그런 것은 아니지만, 5극 진공관의 유럽 진공관 명명 체계에서 짝수는 급격 차단 장치를 나타내고 홀수는 원격 차단을 나타냈다. EF37은 이러한 일반적인 경향의 예외였는데, 아마도 EF36의 업데이트로서의 역사 때문일 것이다("The Mullard EF36, EF37 and EF37A" at the National Valve Museum).
5극 진공관 5극 진공관의 종류
원격 차단, 가변 뮤, 슈퍼 제어 또는 가변 기울기 5극 진공관은 일반적인 5극 진공관보다 훨씬 더 큰 신호 및 바이어스 전압을 제어 그리드에 인가할 수 있으며, 애노드 전류를 차단하지 않는다. 가변 뮤 5극 진공관의 제어 그리드는 제어 그리드 전압이 음극에 대해 더 음수가 될수록 제어 그리드 전압의 주어진 증분 변화가 애노드 전류 변화에 미치는 영향이 적도록 구성된다. 제어 그리드는 종종 피치가 다른 나선형 형태를 띤다. 제어 그리드 전압이 더 음수가 될수록 진공관의 증폭 계수는 작아진다. 가변 뮤 5극 진공관은 왜곡 및 상호 변조(혼변조)를 줄이고 일반 5극 진공관보다 훨씬 더 큰 증폭기 동적 범위를 허용한다. 가변 뮤 5극 진공관은 라디오 수신기의 무선 주파수 증폭기 단에 처음 적용되었으며, 일반적으로 자동 볼륨 제어와 함께 사용되었고, 신호 및 제어 전압의 큰 변화에 대한 작동 능력을 요구하는 다른 응용 분야에도 적용된다. 최초의 상업적으로 이용 가능한 가변 뮤 5극 진공관은 1932년 RCA 239와 1933년 Mullard VP4였다.
5극 진공관 5극 진공관의 종류
전력 5극 진공관, 출력 5극 진공관 또는 전력 증폭기 5극 진공관. 전력 5극 진공관은 일반 5극 진공관보다 더 높은 전류, 더 높은 온도 및 더 높은 전압에서 작동하도록 설계되었다. 전력 5극 진공관의 음극은 부하 임피던스에서 원하는 전력을 생성하기 위해 진공관을 통해 필요한 전류를 제공할 수 있는 충분한 전자 방출 능력을 갖도록 설계되었다. 전력 5극 진공관의 플레이트 또는 애노드는 일반 5극 진공관보다 더 많은 전력을 소산할 수 있도록 설계되었다. EL34, EL84, 6CL6, 6F6, 6G6, SY4307A 및 6K6GT는 전력 증폭용으로 설계된 5극 진공관의 몇 가지 예이다. 특정 텔레비전 요구 사항을 위한 일부 전력 5극 진공관은 다음과 같다.
비디오 출력 5극 진공관, 예: 15A6/PL83, PL802
프레임 출력 또는 수직 편향 5극 진공관, 예를 들어 PL84 및 18GV8/PCL85의 5극 진공관 섹션.
라인 출력 또는 수평 편향 5극 진공관, 예를 들어 PL36, 27GB5/PL500, PL505 등.
5극 진공관 4극 진공관에 대한 장점
간단한 4극 진공관 또는 스크린 그리드 진공관은 이전의 3극 진공관보다 더 큰 증폭 계수, 더 많은 전력 및 더 높은 주파수 기능을 제공했다. 그러나 4극 진공관에서는 음극에서 나오는 전자가 양극(플레이트)을 때려 양극에서 떨어져 나가는 2차 전자(이 과정을 2차 전자 방출이라고 함)가 상대적으로 높은 전위 때문에 스크린 그리드로 흐를 수 있다. 양극에서 나가는 이러한 전자의 흐름은 순 양극 전류 Ia를 감소시킨다. 양극 전압 Va가 증가하면 음극에서 나오는 전자가 더 많은 에너지로 양극을 때려 더 많은 2차 전자를 떨어뜨려 양극에서 나가는 이 전자 전류를 증가시킨다. 결과적으로 4극 진공관에서는 특성 곡선의 일부에서 양극 전류 Ia가 양극 전압 Va가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타난다. 이 특성(ΔVa/ΔIa < 0)을 부저항이라고 한다. 이는 4극 진공관을 불안정하게 만들 수 있으며, 출력에서 기생 발진을 유발할 수 있으며, 특정 상황에서는 다이나트론 발진이라고 불린다.
5극 진공관 4극 진공관에 대한 장점
베르나르드 텔레헨이 도입한 5극 진공관은 스크린 그리드와 양극 사이에 위치한 억제 그리드라는 추가 전극 또는 세 번째 그리드를 가지고 있어 2차 전자 방출 문제를 해결한다. 억제 그리드는 낮은 전위를 가지며, 일반적으로 접지되거나 음극에 연결된다. 양극에서 나오는 2차 전자들은 억제 그리드의 음전위에 의해 반발되므로 스크린 그리드에 도달할 수 없지만 양극으로 돌아간다. 음극에서 나오는 1차 전자들은 더 높은 운동 에너지를 가지므로 여전히 억제 그리드를 통과하여 양극에 도달할 수 있다.
따라서 5극 진공관은 더 높은 전류 출력과 더 넓은 출력 전압 스윙을 가질 수 있으며, 양극/플레이트는 스크린 그리드보다 낮은 전압에 있을 수도 있지만 여전히 잘 증폭된다.
5극 진공관 3극 진공관과의 비교
3극 진공관은 내부 양극 저항이 낮으므로, 음성 되먹임이 없을 때 5극 진공관에 비해 오디오 출력 회로에서 사용될 때 더 높은 감쇠 계수를 갖는다. 이는 또한 동일한 상호 컨덕턴스를 가진 5극 진공관에 비해 3극 진공관에서 얻을 수 있는 잠재적인 전압 증폭률을 감소시키며, 일반적으로 더 낮은 전력 구동 신호로 5극 진공관을 사용하여 더 효율적인 출력 스테이지를 만들 수 있음을 의미한다.
5극 진공관 사용법
5극 진공관은 소비자용 라디오 수신기에 처음 사용되었다. 잘 알려진 5극 진공관 유형인 EF50은 제2차 세계 대전이 시작되기 전에 설계되었으며, 레이더 세트 및 기타 군용 전자 장비에 광범위하게 사용되었다. 5극 진공관은 연합국의 전자 우세에 기여했다.
콜로서스 (컴퓨터)와 맨체스터 베이비는 많은 수의 EF36 5극 진공관을 사용했다. 이후 7AK7 진공관은 컴퓨터 장비에 사용하기 위해 특별히 개발되었다.
제2차 세계 대전 이후, 5극 진공관은 TV 수신기에 널리 사용되었으며, 특히 EF50의 후속작인 EF80이 그러했다. 진공관은 1960년대에 트랜지스터로 대체되었다. 그러나 고전력 무선 송신기와 (잘 알려진 진공관 사운드 때문에) 하이엔드 및 프로페셔널 오디오 응용 분야, 마이크 프리 앰프 및 전기 기타 앰프를 포함한 특정 응용 분야에서는 계속 사용되고 있다. 구 소련 국가들의 대규모 비축량은 이러한 장치들을 지속적으로 공급해 왔으며, 일부는 다른 목적으로 설계되었지만 오디오 용도로 개조된 GU-50 송신기 진공관과 같은 것들이 있다.
5극 진공관 3극 진공관 결선 5극 진공관 회로
5극 진공관은 스크린 그리드(그리드 2)가 양극(플레이트)에 연결될 수 있으며, 이 경우 상응하는 특성(낮은 양극 저항, 낮은 뮤, 낮은 노이즈, 더 많은 구동 전압 필요)을 가진 일반 3극 진공관으로 되돌아간다. 이 장치를 "3극 진공관 결선" 또는 "3극 진공관 연결"이라고 한다. 이는 때때로 오디오 애호가 5극 진공관 증폭기 회로에서 옵션으로 제공되어 3극 진공관 전력 증폭기의 바람직한 "음향 품질"을 제공한다. 스크린 그리드의 전력 또는 전압 등급을 초과하는 것을 방지하고 국부 발진을 방지하기 위해 스크린 그리드와 직렬로 저항이 포함될 수 있다. 3극 진공관 연결은 '진정한' 전력 3극 진공관의 비용을 피하고자 하는 오디오 애호가들에게 유용한 옵션이다.
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, 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 과학자들이 니즈니노브고로드에 본사를 둔 NIRFI에서 발명했다.
자이로트론 원리
자이로트론은 강한 자기장을 통과하는 전자의 자극 사이클로트론 공명에 의해 고주파 전자기 복사를 생성하는 자유 전자 메이저의 일종이다. 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.
자이로트론 원리
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.
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. 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.
자이로트론 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.
자이로트론 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.
자이로트론 유형
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.
자이로트론 제조사
자이로트론은 소련에서 발명되었다. 현재 제조사로는 커뮤니케이션스 앤 파워 인더스트리스 (미국), 자이콤 (러시아), 탈레스 그룹 (EU), 교토 퓨저니어링 (일본), 도시바 (일본, 현재 캐논, 일본), 브리지12 테크놀로지스가 있다. 시스템 개발사로는 자이로트론 테크놀로지스가 있다.
4극 진공관
4극 진공관(Tetrode)은 네 개의 활성 전극을 가진 진공관이다. 중앙에서부터 순서대로 네 개의 전극은 열음극, 제1 및 제2 격자, 그리고 플레이트(영국 영어에서는 애노드라고 불림)이다. 4극 진공관에는 여러 종류가 있으며, 가장 흔한 것은 스크린 격자관과 빔 4극 진공관이다. 스크린 격자관과 빔 4극 진공관에서는 첫 번째 격자가 제어 격자이고 두 번째 격자가 스크린 격자이다. 다른 4극 진공관에서는 격자 중 하나가 제어 격자이고 다른 하나는 다양한 기능을 가질 수 있다.
4극 진공관
4극 진공관은 1920년대에 최초의 증폭 3극 진공관의 한계를 해결하기 위해 추가 격자를 더하여 개발되었다. 1913년부터 1927년까지 세 가지 독특한 유형의 4극 진공관이 등장했다. 모든 4극 진공관은 튜브를 통과하는 전류의 주 제어 역할을 하는 일반 제어 격자를 가지고 있었지만, 다른 격자의 의도된 기능에 따라 달랐다. 역사적 출현 순서대로 이들은 공간 전하 격자관, 바이-그리드 진공관, 그리고 스크린 격자관이다. 마지막 유형은 다른 적용 분야를 가진 두 가지 변형으로 나타났다: 중주파, 작은 신호 증폭에 사용된 스크린 격자 진공관과 나중에 등장하여 오디오 또는 무선 주파수 전력 증폭에 사용된 빔 4극 진공관이다. 전자는 무선 주파수 5극 진공관으로 빠르게 대체되었고, 후자는 처음에는 오디오 전력 증폭 장치로서 5극 진공관의 대안으로 개발되었다. 빔 4극 진공관은 고출력 무선 송신관으로도 개발되었다.
4극 진공관은 1960년대와 70년대에 트랜지스터가 진공관을 대체하기 전까지 라디오, 텔레비전, 오디오 시스템과 같은 많은 소비자 전자 장치에서 널리 사용되었다. 빔 4극 진공관은 오디오 증폭기 및 무선 송신기 같은 전력 응용 분야에서 최근까지 사용되고 있다.
4극 진공관 작동 방식
4극 진공관은 개발된 3극 진공관과 유사하게 작동한다. 히터 또는 필라멘트를 통한 전류가 캐소드를 가열하여 열전자 방출에 의해 전자를 방출하게 한다. 플레이트와 캐소드 사이에 양전압이 인가되어 두 격자를 통해 캐소드에서 플레이트로 전자의 흐름을 유발한다. 제어 격자에 인가되는 변화하는 전압은 이 전류를 제어하여 플레이트 전류의 변화를 일으킬 수 있다. 플레이트 회로에 저항성 또는 기타 부하가 있으면 변화하는 전류는 플레이트에서 변화하는 전압을 초래한다. 적절한 바이어스를 통해 이 전압은 제어 격자에 인가된 AC 전압의 증폭된 (그러나 반전된) 버전이 되어 전압 이득을 제공한다. 4극 진공관에서 다른 격자의 기능은 4극 진공관의 유형에 따라 다르며, 이는 아래에서 논의된다.
4극 진공관 공간 전하 격자관
공간 전하 격자관은 최초로 등장한 4극 진공관 유형이었다. 에드윈 하워드 암스트롱과 리 디포리스트가 발명한 오디온 3극 진공관의 작동에 대한 연구 과정에서 어빙 랭뮤어는 가열된 열음극의 작용이 공간 전하 또는 캐소드 주변의 전자 구름을 생성한다는 것을 발견했다. 이 구름은 가상 캐소드 역할을 했다. 낮은 인가 애노드 전압에서 공간 전하의 많은 전자가 캐소드로 돌아왔고, 애노드 전류에 기여하지 않았다. 그 중 바깥쪽 한계에 있는 전자만이 애노드로 인한 전기장의 영향을 받아 애노드 방향으로 가속되었다. 그러나 캐소드와 제어 격자 사이에 낮은 양의 인가 전압(약 10V)을 가진 격자를 삽입하면 공간 전하를 캐소드에서 더 멀리 확장시킬 수 있었다. 이것은 두 가지 유리한 효과를 가졌는데, 둘 다 공간 전하의 전자에 대한 다른 전극(애노드 및 제어 격자)의 전기장 영향과 관련이 있었다. 첫째, 낮은 애노드 전압으로 상당한 애노드 전류 증가를 달성할 수 있었다. 진공관은 낮은 인가 애노드 전압에서도 잘 작동할 수 있었다. 둘째, 진공관의 트랜스컨덕턴스(제어 격자 전압에 대한 애노드 전류)가 증가했다. 후자의 효과는 진공관에서 얻을 수 있는 전압 이득을 증가시켰기 때문에 특히 중요했다.