전자빔 생성 > 기술 및 AS상담

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전자빔(電子束, electron beam)의 생성은 고속으로 가속된 전자를 특정 방향으로 집중시키는 과정입니다. 이는 전자빔 용접기, 전자현미경, 가속기 등의 장비에서 핵심적인 기술입니다.

1. 전자빔 생성 기본 원리
- 전자(전자원, Electron Emission)를 방출하기 위해 사용되는 대표적인 방법은 열전자 방출 (Thermionic Emission) 방식입니다. 고온에서 금속(예: 텅스텐 필라멘트)을 가열하여 자유전자를 방출합니다. 이외에도 전계 방출 (Field Emission): 강한 전기장을 가해 전자를 터널링 현상으로 방출 → 고해상도 장비(전자현미경 등)에 주로 사용 또는 광전자 방출 (Photoemission): 광자를 조사하여 전자를 방출 (특수 목적용) 등의 방법이 있습니다.
- 필라멘트 (Filament)는 전자를 방출할 열을 공급하는 가열원으로 재질은 주로 텅스텐(W) (녹는점 높고 전자 방출 효율 좋음)을 사용합니다. 직류 전류를 흘려 저항가열을 가열하면 고온 상태에 도달 (2,000~2,500℃)하고, 이때 자유전자가 튀어나오며 전자가 방출합니다. 필라멘트 자체가 음극 역할을 하는 경우도 있습니다.
- 음극 (Cathode)은 전자를 실제로 방출하는 부품으로 필라멘트와 연결되어 열을 받고, 높은 전자의 밀도를 가진 금속 표면에서 전자를 방출합니다. 정전기적으로 보통 0V로 설정됩니다. 일부 시스템에서는 열전자 방출형 음극 또는 전계 방출형 음극을 따로 사용하기도 합니다.
- 제어전극 (Control Grid / Wehnelt Cylinder)은 방출된 전자의 흐름을 조절하는 역할을 합니다. 종종 컵 모양의 금속 튜브 (Wehnelt Cylinder)형태로 음극보다 약간 낮은 전위(-100V 정도)를 가해 전자 흐름을 집속시킵니다.(초기 렌즈 역할). 전자 총의 전류 크기 조절이 가능합니다. 제어전극 전압을 조절하면 빔 전류의 세기를 조절할 수 있습니다.

2. 가속 (Acceleration)
- 방출된 전자는 양극(anode) 쪽으로 가속됩니다. 고전압(보통 수십 kV ~ 수백 kV)을 인가하여 전자가 높은 속도로 이동하게 합니다. 예: 60kV, 150kV, 200kV 등
- 양극 (Anode)의 구조는 전자가 통과할 수 있도록 중앙에 구멍이 뚫려 있습니다. 음극과의 거리 및 전압 차에 따라 가속도가 결정되며, 전자가 양극 구멍을 지나면서 전자빔 형성 시작됩니다.

3. 집속 (Focusing)
- 전자빔은 자기렌즈(전자렌즈 또는 정전기 렌즈)를 통해 한 점에 집중됩니다. 이를 통해 좁고 강한 에너지를 가지는 전자빔을 얻을 수 있습니다.

4. 편향 및 제어 (Deflection & Control)
- 전자빔의 위치와 방향은 편향 코일이나 전기장으로 조절됩니다. 이를 통해 원하는 위치에 빔을 조사할 수 있습니다.

* 전자빔 생성 장치의 기본 구조
- 전자총 (Electron Gun) - 필라멘트 / 음극 (Cathode) / 제어전극 / 가속 전극 (Anode) / 렌즈 시스템 (집속) / 편향 코일 (빔 조절)

* 예시: 전자빔 용접기의 전자빔 생성
- 필라멘트: 텅스텐 와이어 가열 (열전자 방출)
- 가속 전압: 60kV~200kV
- 빔 직경: 수십 마이크로미터까지 가능
- 집속 강도: 수 kW/mm²