Brevet FR2051850A1 — publié le 19710409

2646f 1 2051850 l'invention concerne des appareils à décharge électronique et particulièrement, des dispositifs électrostatiques servant à concentrer le faisceau électronique dans ces appareils. Dans les appareils à frande puissance fonctionnant à de hautes tensions comme les klystrons amplificateurs, il se pose des problèmes d'isolation quand on applique la concentration électrostatique pour maintenir le faisceau électronique contre des forces de charge d'espace. Le problème d'isolation se pose par exemple dans le cas du conducteur menant à un organe de concentration. Ce conducteur venant de l'extérieur doit passer à travers une partie métallique de l'enveloppe qui est maintenue au même potentiel que les parois de la cavité et par suite, le conducteur a besoin d'en être isolé. Il est aussi nécessaire de prévoir un joint étanche au vide là où le conducteur passe à travers l'enveloppe. l'un des buts de l'invention est de fournir un appareil perfectionné à décharge électronique comportant une concentration électrostatique du faisceau électronique. Selon l'invention, on prévoit un appareil à décharge électronique qui comprend une cathode servant à engendrer des électrons, une cible servant à recueillir ces électrons et un système de concentration d'électrons servant à concentrer les électrons venant de la cathode en un faisceau dirigé vers la cible, le système de concentration comprenant un organe muni d'une ouverture destinée au passage du faisceau et d'une surface de retenue de charge entourant 1'ouverture et que viennent frapper des électrons non concentrés venant de la cathode, cette surface présentant, dsns les conditions nominales de fonctionnement de l'appareil, pour l'énergie des électrons ae la catnode, un coefficient d'émission d'électrons secondaires tel que sous l'action d'électrons non concentrés, cette surface tend à se charger à un ootentiel qui concentre les électrons en les faisant passer à travers l'ouverture. Afin que l'invention puisse être clairement comprise V BAD ordinal > 70 26466 2 2051850 et facilement mise en oeuvre, on la décrira maintenant à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'un klystron amplificateur utilisant l'invention ; 5 - la figure 2 est une vue suivant la ligne II-II de la figure 1 et illustre une disposition de montage d'un organe de concentration ; - la figure 3 est une coupe longitudinale schématique d'un tube à ondes progressives ; 1° - la figure 4 est un plan d'un organe de concen tration représenté par la figure 3 ; - la figure 5 est un plan d'un autre mode d'exécution d'organe de concentration ; - la figure 6 est une coupe suivant la ligne VI-15 VI de la fi gure 5 ; - la figure 7 est une ooupe longitudinale d'un autre mode d'exécution d'un organe de concentration et - la figure 8 est une coupe longibadinais -entrant encore un autre mode d'exécution d'un organe de concentration 20 propre à servir à la mise en oeuvre de l'invention. On considérera la figure 1 ; le klystron représenté comprend un canon à électrons 1 qui comporte une cathode thermionique, quatre cavités résonantes 2, 3, 4 et 5 et une électrode collectrice 6 disposées dans cet ordre suivant l'axe 25 du klystron. Chacune des cavités est formée par deux parois transversales en cuivre et par une partie de l'enveloppe en cuivre du klystron, les parois transversales étant désignées par les références 7 et 8 dans le cas de chaque cavité et l'enveloppe en cuivre du klystron étant désignée par la référence 30 9. les parois 7 et 8 sont munies, de façon connue, de tubes de glissement 10 et 11 dont les ouvertures centrales sont coaxia-lesa Toutes les cavités présentent des plongeurs 12 qui peuvent se xouvoir radialement à l'intérieur des cavités en vue de l'accord. La cavité 2 est la cavité d'entrée et des signaux à 35 haube fréquence peuvent être amenés à cette cavité en passant par une boucle de couplage 13. D'autre part, la cavité 5 est BAD ORIGINAL 2646* 3 2051850 la cavité de sortie et est couplée à un guide d'ondes de sortie 14 par l'intermédiaire d'une fenêtre diélectrique 15« Pour permettre aux électrons venant du canon 1 d'être concentrés de manière à former un faisceau axial concentré qui passe à travers les cavités 2,3, 4 et 5 et qui est finalement recueilli par l'électrode collectrice de cible 6, des électrodes 16, 17 et 18 sont prévus entre les cavités de chaque paire. Chaque paroi transversale 7 et 8 et sœl tube de glissement 10 sont au même potentiel que l'enveloppe 9 à laquelle ils sont reliés. Les éléments 16, 17 et 18 sont à des potentiels différents de celui des parois transversales 7 et 8 et forment avec elles un système de concentration comprenant une série de lentilles électrostatiques. Chacun des éléments 16, 17 et 18, appelés ci-après organes de concentration, est monté au moyen d'un isolateur en céramique 19 de façon que les organes de concentration soient isolés de l'enveloppe, la résistance du parcours de fuite étant de l'ordre de 200 méghoms ou davantage. L'isolateur indiqué dans cet exemple fait l'objet du brevet français n° 1 50C 573 de la demanderesse. Chaque organe de concentration et chaque isolateur de montage correspondant présentent la même structure et la description donnée ci-après pour l'électrode 17 et son isolateur est donc applicable à tous ces organes de concentration. Comme le montrent les figures 1 et 2, l'organe 17 est plan et muni d'une ouverture centrale destinée au passage du faisceau électronique. Des lèvres 21 et 22 sont prévues sur les deux bords de 11 organe 17 en quatre positions espacées an-gulairement et coopèrent avec quatre languettes 23 prévues sur l'isolateur 19 pour mettre en place et monter l'organe de la façon décrite dans le brevet cité. Dans l'exemple ci-dessus les parois transversales 7 et 8 servent d'électrodes qui coopèrent avec les organes de concentration 16, 17 et 18 jiour former des lentilles électrostatiques mais un comprendra que l'on peut utiliser des électrodes séparées pour coopérer avec l'organe de concentration ou chaque organe de concentration. \ * 3fcDORlG|NAL * 70 26466 4 2051850 Chaque organe de concentration est formé ou revêtu d'une matière gui présente des caractéristiques d'émission d'électrons secondaires. Si les organes de concentration doivent servir au potentiel de cathode, elles peuvent être formées de 5 cuivre et porter un revêtement dont le coefficient d'émission secondaire est inférieur à l'unité pour l'énergie des électrons incidents, par exemple du noir de fumée, du carbure de tantale ou du dioxyde de tifene. Si les organes de concentration doivent servir à un potentiel positif relativement au potentiel de ca-10 thode, ils peuvent être formés ou révêtus en partie d'une substance ayant un coefficient d'émission secondaire supérieur à l'unité, par exemple le cuivre, auquel cas on peut choisir les conditions de fonctionnement du tube de façon que l'organe se stabilise au deuxième potentiel de croisement0 Dans les cas où. 15 la matière émissive secondaire est une matière électriquement isolante, on prévoit une couche sous-jacente conductrice de l'électricité pour empêcher une distribution non uniforme de potentiel sur la surface. On considérera maintenant la figure 3 ; elle repré-20 sente un appareil à ondes progressives comportant une enveloppe conductrice de l'électricité 30» Trois cavités 31» 32 et 33 sont couplées ensemble par des fenêtres ou ouvertures 34 et 35 des parois transversales des cavités. La cavité 31 est la cavité d'entrée et la cavité 33 est la cavité de sortie (les agen-25 cements d'entrée et de sortie étant omis pour plus de simplicité). Les cavités 31, 32 et 33 sont couplées respectivement, par des ouvertures 36, 38 et 39, à un faisceau électronique qui passe axialement le long du tube en allant d'une cathode 40 à un collecteur 41 «. La cathode 40 est reliée au côté néga-30 tif d'une source d'énergie par un conducteur passant à travers une do uille isolante 42 tandis que le collecteur 41 peut être relié à l'enveloppe 30 qui est reliée à la terre et au côté positif de la source d'énergie. Le long du parcours du faisceau électronique sont espacées des cavités de concentration 43 et 35 44 contenant des organes respectifs de concentration 45 et 46, bad original 70 26466 5 2051850 Les organes de concentration peuvent être fixés aux cavités de concentration par exemple par brasage. Dans le tube à ondes progressives qui est représenté, des lentilles électrostatiques de concentration sont formées entre les bords des cavités de 5 concentration et les organes de concentration quand ils se chargent par suite d'émission secondaire. Dans ce cas, les bords des cavités de concentration jouent le rôle d'électrodes perforées mais on comprendra que l'on pourrait prévoir des électrodes perforées séparées pour coopérer avec les organes 10 de concentration de manière à former des lentilles électrostatiques de concentration. Les figures 4 à 8 montrent diverses structures des organes de concentration qui peuvent servir dans un tube à ondes progressives. Sur la figure 4 qui montre l'organe de con-15 centration 45 de la figure 3, l'électrode est sous la forme d'un disque annulaire de matière isolante. La portion hachurée voisine de l'ouverture centrale indique la zone d'émission d'électrons secondaires. Afin d'augmenter la longueur du parcours de fuite allant de la paroi conductrice de la cavité de 20 concentration à la portion d'émission secondaire de l'électrode l'électrode peut prendre la forme représentée par les figures 5 et 6 dans laquelle un disque annulaire 47 de matière isolante 'présente sur chaque surface principale de multiples rainures concentriques 48, 49 et 50. Ou encore, une seule rainure en 25 forme de spirale peut être prévue sur chaque surface du disque. La portion à hachures croisées indiquée sur la figure 5 indique à nouveau la zone d'émission d'électrons secondaires voisine de l'ouverture du disque. L'organe de concentration représenté par la figure 7 présente la forme d'un cylindre 51 de matière 30 isolante présentant intérieurement un anneau 52. La portier! de l'anneau 52 qui est voisine de l'ouverture est émettrice d'électrons secondaires de façon similaire au disque 45 de la figure 4. La surface intérieure du cylindre 51 est munie de multiples rainures 53 à 56 d'un côté de l'anneau 52 et de multi-pies rainures 57 à 60 de l'autre côté de l'anneau 52, de bAD ob\g^al * 70 26466 6 2051850 manière à accroître la longueur du parcours de fuite qui part de la zone d'émission secondaire de l'anneau 52. L'organe de concentration représenté par la figure 8 comprend un cylindre de matière isolante 61 présentant unanneau intérieur 62 et un 5 anneau extérieur 63. Sur un côté de l'anneau 62, la surface intérieure du cylindre 61 présente de multiples rainures 64 à 67 et de l'autre côté de l'anneau 62 sont prévues de multiples rainures 68 à 71. La surface extérieure du cylindre 61 est munie, de façon similaire, de multiples rainures 72 à 79. La 10 portion de l'anneau 62 qui est adjacente à l'ouverture émet des électrons secondaires de façon similaire au disque 45 de la figure 40 Les rainures séparées des organes de concentration représentés par les figures 7 et 8 peuvent êbre remplacées par des rainures hélicoïdales. 15 Dans les organes de concentration des figures 4 à 8, les zones émettrices d'électrons secondaires présentent une couche sous-jacente conductrice de l'électricité afin d'empêcher une distribution non uniforme de potentiel sur ces zones. Quand on fait chauffer l'appareil à décharge avant 20 le fonctionnement, des électrons venant du faisceau frappent chaque organe de concentration qui se charge ainsi par suite de l'émission secondaire et qui, parce qu'il est isolé électriquement, est capable de maintenir cette charge pendant tout le fonctionnement de l'appareil. Les charges s'accumulent 25 jusqu'à ce que les conditions d'équilibre soient atteintes. Les potentiels de chaque organe de concentration dépendent de la matière do qui en forme la surface. S'il s'agit d'ane matière dont le coefficient d'émission secondaire est inférieur à l'unité pour l'énergie des électrons incidents, les électro-30 des se stabilisent au potentiel de cathode. S'il s'agit d'une matière dont le coefficient d'émission secondaire présente une portion plus grande que l'unité, elle se stabilise au deuxième potentiel de croisement si la vitesse du faisceau électronique est suffisante. Le deuxième potentiel de croise-35 ment peut être par exemple de 8 kV de sorte que si le potentiel bad original 70 26466 7 2051850 de cathode est de - 12 kV, les électrodes de concentration se stabilisent à - 4 kV« Les autres paramètres de l'appareil à décharge sont choisis de façon telle que les potentiels atteints par les électrodes de concentration concentrent le fais-.5 ceau qui passe alors à travers les ouvertures centrales des organes de concentration. En pratique, chaque organe de concentration est maintenu à son potentiel de fonctionnement par des électrons vagabonds qui frappent la surface d'émission secondaire de 10 l'organe de concentration, maintenant ainsi la concentration du faisceau. On voit que l'invention fournit des avantages importants. Premièrement, étant donné qu'il ne faut pas de connexions électriques aboutissant aux organes de concentra-15 tion, les appareils à décharge électronique selon l'invention sont plus simples et moins coûteux à fabriquer. Deuxièmement, en service, étant donné que les organes de concentration ne sont pas reliés à la source de haute tension, la capacité des organes de concentration, vue de la source de haute tension, 20 est nulle. Gela réduit les pertes de puissance et c'est spécialement avantageux quand on applique la modulation dans la cathode. BAD ORIGINAL I 70 26466 8 2051850 BEVEITOICATIOIJS 1. Appareil à décharge électronique comprenant une cathode servant à engendrer des électrons, une cible servant à recaeillir ces électrons et un système de concentration 5 d'électrons servant à concentrer les électrons venant de la cathode en un faisceau dirigé vers la cible et caractérisé par le fait que le système de- concentration comprend un organe muni d'une ouverture destinée au passage du faisceau et d'une surface de retenue de charge entou-10 rant l'ouverture et que viennent frapper des électrons non concentrés venant de la cathode, cette surface présentant dans les conditions nominales de fonctionnement de l'appareil, pour l'énergie des électrons de la cathode, un coefficient d'émission d'électrons secondaires tel que 15 sous l'action d'électrons non concentrés, cette surface tend à se charger à un potentiel qui concentre le3 électrons en les faisant passer à travers l'ouverture. 20 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est incorporé à une disposition de circuit comprenant des 20 connexions extérieures de circuit telles que la cathode émette des électrons afin que la cible recueille des électrons, et telles que les conditions obtenues amènent la surface de l'organe perforé à se charger à un potentiel qui concentre les électrons. 25 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le système de concentration comprend une électrode perforée munie d'une connexion extérieure qui sert à maintenir l'électrode à un potentiel appliqué. 4. Appareil selon l'une des"revendications précédentes, carac-30 térisé par le fait que l'organe perforé est un isolateur. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'organe perforé est revêtu d'une couche qui modifie BAD QFUGifVM- * 70 26466 9 2051850 6. 5 7. 10 8. O > • 15 10. 20 11. le coefficient d'émission d'électrons secondaires de la surface. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la couche est conductrice et revêtue d'une matière émettrice d'électrons secondaires. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'organe est un organe conducteur revêtu d'une matière émettrice d'électrons secondaires et isolé électriquement d'autres électrodes de l'appareil. Appareil selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'aucun conducteur extérieur n'est relié à l'organe perforé. Appareil selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait que le coefficient d'émission d'électrons secondaires de la surface dans les conditions nominales de fonctionnement est inférieur à l'unité. Appareil selon l'une des revendications 6 et.7, caractérisé par le fait que la matière émettrice d'électrons secondaires est le noir de fumée, le carbure de tantale ou le dioxyde de titane. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la surface de l'organe perforé est formée d'une matière telle que le cuivre dont le coefficient d'émission d'électrons secondaires est .supérieur à l'unité dans les conditions nominales de fonctionnement. \