Magnetron(마그네트론) 동작 원리 및 응용

마그네트론 발진기(Magnetron Oscillator)는 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되어 교차장(Crossed Field)이 존재하는 고진공속에서 발생된 전자빔(Electron beam)의 전기에너지를 고출력 전자기파(Electromagnetic wave)에너지로 변환하여 방사하는 고효율, 고출력의 전자기파 발생장치이다. 

 

전자기파의 정보 전달과 에너지 전달의 특성을 이용한 산업, 국방, 의료, 환경, 과학, 에너지 분야 등에 응용되어 널리 사용되고 있으며, 일상에서는 전자레인지의 마이크로파 방사선에서 접할 수 있다. 그리고 일부 레이더(Radar) 응용에 많이 사용된다. 

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마그네트론 발진기 동작원리 

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마그네트론 발진기는 전자빔을 발생시키는 음극(Cathode)과 일정한 동작주파수를 갖는 공진회로(Resonator), 그리고 공진회로에서 발생된 전자기파를 외부로 방사시키기 위한 안테나 구조를 갖는 출력부로 구성되어 있다. 

음극(Cathode)과 양극(Anode) 사이에 인가된 DC 전압에 의한 전기장과 축 방향으로 인가된 자기장에 의하여, 음극에서 발생된 전자빔은 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의해 각 방향으로 회전운동을 하게 된다. 

이때, 회전 운동하는 전자빔은 공진회로와 특정 주파수에서 공진이 일어나고, 이를 통해 아래 그림과 같이 동작 후의 전자빔 분포와 같이 공간적으로 뭉치게 되어 AC 성분을 갖게 된다. 

 

이러한 전자빔이 갖는 AC 성분에 의하여 공진회로 안에서 동작주파수를 갖는 전자기파가 발생되고, 발생된 전자기파는 안테나로 구성된 출력부를 통해 외부로 방사된다.

 

마그네트론 발진기에서 발생되는 전자기파의 주파수는 공진을 일으키는 조건에 따라 마이크로파(Microwave)대역부터 테라헤르츠파(Terahertz wave) 대역까지의 전자기파를 발생시킬 수 있다. 

 

마이크로파의 유전체 가열 원리

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전자레인지의 발견은 1940년대 레이더에 적용되는 마그네트론 발진기를 실험하던 중, 실험을 진행하던 연구원의 주머니의 초콜릿이 녹는것으로부터 시작하여, "Radarange"라고 이름을 붙이고 유전체를 가열하는 원리를 적용하여 음식에 적용하는 연구를 시작했었다. 

유전체는 외부에서 인가된 전기장 내에 노출되면, 전기적으로 평형 상태가 교란된다. 2.45GHz의 전자기파가 인가된 경우, 1초에 24억 5천만번의 전기장(Electric field)방향이 변화하고, 이러한 변화에 유전체의 쌍극자(Dipole)는 회전으로 반응하여, 주위의 분자 간 내부 마찰에 의해 열이 발생한다. 이러한 마이크로파를 이용한 가열 방식은 물체 내부에서부터 균일하게 가열이 가능하여 가열/건조 시간을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있어, 식품, 곡물, 고무공업, 목재, 유리 제조 뿐만 아니라, 나노물질 합성, 바이오디젤 합성, 신약 합성 등의 분야에도 활용되고 있다. 

마그네트론 응용 기술 

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마그네트론 발진기에서 발생된 마이크로파를 이용한 무선전력전송(Wireless Power Transmission)기술은 전기에너지를 마이크로파 에너지로 변환하여 무선으로 전송하고, 이를 안테나로 접속하여 다시 전기에너지로 변환하여 사용하는 것으로써, 우주에서 태양광 에너지를 모아 지구로 보내는 우주 태양광 발전에 응용될 수 있다.

 

전자기파의 정보전달 기능을 이용한 레이더(Radar)는 전자기파를 물체에 방사하여 되돌아오는 신호로부터 물체의 위치를 파악하기 위한 것으로, 마그네트론 발진기는 전자기파를 방사시키는 송신기에서 전자기파 발생장치로 사용되고 있다. 9.5GHz 주파수를 갖는 전자기파를 이용하는 선박용 레이더는 해상에서의 장해물, 다른 선박, 해안 등을 탐지하기 위해 사용되고 있다.

 

 출처

 - https://blog.aeparts.kr/87

마그네트론의 원리 및 응용분야와 전망