링 리플렉터를 부가한 축방향 가상 음극 발진기의 전력 향상을 위한 연구

Abstract

고출력 마이크로파(High-Power Microwave, 이하 HPM)는 기존의 마이크로파에 펄스 전력 기술이 도입되면서 발생하는 기술을 나타낸다. HPM은 출력 마이크로파 전력과 주파수가 증가함에 따라 다양한 HPM 발생 장치가 있다. 최근 HPM 장치는 군사 분야의 고출력 레이더 및 EMP(Electro Magnetic Pulse, 이하 EMP), 물리 산업 분야의 열핵 원자로 플라즈마 가열 우주 산업 분야의 엔진 등 여러 산업 분야에서 다양하게 연구가 이루어지고 있다. 가상 음극 발진기(VIRtual CAthode oscillaTOR)는 HPM 발생 장치 중 하나로 공간 전하 장치로 분류되어 많은 연구가 이루어진 장치이다. 가상 음극 발진기는 전자와 가상 음극 사이의 상호 작용을 통해 HPM을 발생시킨다. 가상 음극은 빔 전류가 공간 전하 제한 전류를 초과하면 공간 전하 효과에 의해 전자의 반사가 발생한다. 가상 음극 발진기는 다른 HPM 발생 장치들에 보다 구조가 단순하며 임피던스가 낮고 외부 자기장이나 느린 파장 구조(Slow-Wave-Structure)와 같은 부가적인 구조물이 필요하지 않으며 전자빔 및 주파수를 조정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 가상 음극 발진기는 구조 변형이 용이한 장점이 있어 여러 가지의 방법으로 마이크로파를 발생할 수 있다. 마지막으로 가상 음극 발진기의 주파수는 양극과 음극의 간격을 조절하여 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다. 하지만 가상 음극 발진기는 효율이 매우 낮은 치명적인 단점이 있다. 따라서 가상 음극 발진기의 효율을 개선하기 위해 가상 음극 발진기의 구조를 변형하거나 가상 음극 발진기에 추가 구조를 설치하는 등 다양한 방법의 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 축 방향 가상 음극 발진기에 링 리플렉터를 부가하여 마이크로파 전력을 향상시키는 두 가지의 방법을 제안하고 PIC 시뮬레이션 및 하드웨어를 통한 실험으로 타당성을 검증하였다. 첫째, 축 방향 가상 음극 발진기에 링 리플렉터를 부가하였을 때 음극과 링 리플렉터의 간격에 따른 마이크로파의 변화를 분석하였다. 둘째로는 링 리플렉터의 직경을 변화하였을 때 마이크로파의 변화를 분석하였다. 시뮬레이션 및 실험결과 두 가지의 방법 모두 일반적인 축 방향 가상 음극 발진기 모델의 전력 11.22MW와 비교한 결과 마이크로파 전력을 향상시키는 것을 확인하였다.