Brevet FR2137311A1 — publié le 19721229

' 2137311 1 présenté invention concerne des perf eotionnemeats aux dispositif b de sortie de.tubes hyperfréquences tels que les klystrons. Bile a trait plue particulièrement à des dispositifs permettant de prélever 1* énergie haute fréquence délivrée par des klystrons 5 amplificateurs pouvant délivrer des puissances importantesj ces puissances pouvant de plus couvrir des bandes de fréquence suffisamment larges pour que se posent des problèmes d!adaptation; Bile concerne également les klystrons ainsi perfectionnés. Dans ce type de tubej l'énergie haute fréquence est prélevée iO par une "boude de couplage dans la dernière cavité avant le collecteur î lé dispositif de sortie comportant, outre cette boucle de couplage, un tronçon de ligne de transmission*ligne coaxiale par exemple, terminé par une bride, à laquelle se raccordera le réseau d! utilisation; ^5 La réalisation de ces dispositifs de sortie pose quelques problèmes, pour certains d'autant plus difficiles à résoudre que la puissance délivrée est importante et que la bande de fréquence couverte est large. Bans les klystrons utilisés ;jusqu!à présent j boucle de coupla-20 S® ©t tronçon à© ligne constituant le dispositif de sortie sont fixés directement sur le corps du klystron au niveau de la dernière cavité, sur la fenêtre étanche assurant la séparation entre le corpB dit kiyBtron sous vide, et les circuits d'utilisation, à la pression atmosphérique, ou mémo pressurisés. Cette disposition 25 présente de - graves inconvénients. Bn effet* le trocnçon de ligne, ou la bride, servant au raccordement du tube su circuit d'utilisation so trouve en un endrûit où la focalisation du faisceau d* électrons du klystron doit encore être assurée, et doit môme l'être particulièrement bien } cîest 30 dans cette région que la défocalisation du faisceau, due au freinage tons la dernière cavité, est la plus critique. Dans les Klystrons de forto puissance, plus particulièrement considérés icij, la focalisation est généralement assurée par des lentilles magnétiques constituées de bobines dont les circuits 35 magnétiques sont fermés par des pièceB polaires en fer doux selon une technique bien connue; Avec les dispositifs de sortie existant jusqu'alors, il est nécessaire, pour pouvoir raccorder le réseau d'utilisation à la sortie du tube que la bobine de focalisation s'arrête avant la 71 17977 2 2137311 région où. est fixé le dispositif de sortie ce qui perturbe la focalisation qui n'est plus convenablement assurée jusquîau collecteur» Dans certains matérielsj pour diminuer l'importance de cette perturbation, une bobine de focalisation auxiliaire est 5 ajoutée de 1?autre côté du dispositif do sortie par rapport à la première bobine, c!eat-à-diro entre ce dispositif et la pièce polairo du tube placée au niveau du collecteur; Cette réalisation augmente l'encombrement, le poids et le coût du focalisatour. Dans tous les cas, il existe une interruption de focalisation 10 d'autant plus importante que 1e tronçon do ligne de sortie est gros, ce qui ost le cas pour dos tubes de puissance» Do plusj les opérations de raccordement du tube au circuit d'utilisation sont très malaisées, ce raccordement se faisant dans une zone particulièrement étroito entre les bobines de foca-15 lisation ; los problèmes de refroidissement de ces dispositifs de sortie, d?autant plus importants que la puissanco qu'ils transmettent est grande, sont assez délicats et nécessitent des circuits de circulation d'eau par exemple assez complexes ; enfin, aucuno adaptation d'impédance n'est aisémont possible, ce qui ost 20 d'autant plus gênant que le klystron fonctionne dans une plus large bande de fréquence; 1!objet de l'invention est de réaliser des dispositifs do sortie permettant de prélever 1?énergie haute fréquence délivrée par des klystrons, et notamment des klystrons amplificateurs 25 fonctionnant dans do larges bandes de fréquence, perfectionnés flan» leur réalisation et leur disposition de telle manière quîils ne nuisent pas à la focalisation du faisceau d?électrons du klys-tron, quîils permettent un raccordement aisé au réseau d!utilisation, et quîils soient faciles à refroidir, môme pour de très 30 fortes puissances de sortie. Selon l'invention, un dispositif de sortie de tube hyper-fréquence tel qu'un klystron, comportant une boucle de couplage prélevant l'énergie haute fréquence du klystron de longueur dîonde moyenne 1 et un tronçon de ligne coaxiale de sortie permettant 35 le raccordement du klystron au circuit d'utilisation à alimenter on énergie, est caractérisé en ce que la liaison entre la boucle de couplage et le tronçon de ligne do sortie ost réalisée par 71 17977 2137311 3 1! intermédiaire dîune ligne coaxiale parallèle* à la direction du faisceau, d! électrons du klystron court-circuitée à ses deux extrémités j recevant, à une distance voisine de ^ d'une de ses extrémités, 1*énergie prélevée dans le klystron par la boucle 5 de couplage èt^ délivrant cette énergie à une distance voisine de ^ do son autre extrémité au tronçon de ligne de sortie, la longueur totale 10 Dîautres objets, caractéristiques et résultats de l'invention reBSortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent ; la figure une vue en coupe très schématique d'un klystron 15 awpll ficat eur&, focalisation magnétique, équipé d'un dispositif de Partie selon l'art antérieur ; la figure 2j une vue on coupe très schématique, illustrant le principe d'un dispositif de sortie selon 11 invention équipant un klystron dont seule une partie est représentée ; 20 ïa figuré 3, une vue en coupe représentant schématiquement un mode de réalisation du dispositif de la figure 2 ; la figure 4* des variantes de réalisation du dispositif de la 'ifcigare 2 ; la figure 5, une vue schématique d'une extrémité court-25 circuitée réglable de la ligné coaxialo équipant les dispositifs de sortiédokLyetaron selon l'invention. la, figuré "f rëprésente très schématiquement un klystron amplificateur, de forte puissance, équipé ici à titre d'exemple de trois cavités V, 2 et 3; la source dî électrons, engendrant le 30 faisceau dîéleètràns F se propageant le long de l'axe du klystron, est par exemple constituée d'unie cathode 4 émettant des électrons et chauffée par un filament 6. Un système d'électrodes convenablement disposées et polarisées, et schématiquement représentées en 7 assura la concentration du faisceau ]? émis par la cathode 4 35 le long dè l'axe du klystron. lie faisceau 3?, accéléré par le champ électrique résultant des tensions? do polarisation appliquées do manière classique par des moyens d'alimentation non représentées ici, est modulé par BAD OR^,hAL 71 17977 4 2137311 la tension d!entrée haute fréquence à amplifier, appliquée à la première cavité 1 par une boucle de couplage schématisée en 8 et est finalement capté par le collecteur 9; 3/! énergie haute fréquence amplifiée est prélovée par un dispositif comportant, 5 comme il a déjà été dit, une boucle de couplage "10 et une ligne coaxiale de sortie 11» Une fenêtre isolante étanche 5 assure un passage étanche entre le tube et la ligne coaxiale de sortie. Etant donné la forte puissance de sortie, le diamètre de cette ligne 11 est relativement important et nécessite, coone 10 déjà nentionné, un arrêt, ou une interruption importante des bobines de focalisation 12 entourant le Klystron et assurant la focalisation du faisceau P. Les éléments 13 et 14 schématisent les pièces polaires associées à ces bobines. La figure 2 représente très schématiquement le principe du 15 dispositif de sortie selon l'invention. Le prélèvement de l'énergie haute fréquence so fait encore dans la dernière cavité 3 par la boucle de couplage 10; Mais cette boucle 10 n'est plus directement reliée au tronçon de ligne coaxiale de sortie 11 qui servira à connecter le klystron au circuit d? utilisation i La liai-20 son est faite par l'intermédiaire d'une ligne coaxiale 15 parallèle à la direction de propagation du faisceau d'électrons dans le tube. Cette ligne 15 est court-circuitée à ses deux extrémités 16 et 17. La boucle de couplage 10 lui applique l!énergie qu'elle prélève dans le tube en étant reliée à son conducteur central à 25 une distance sensiblement égale au quart de la longueur d'onde moyenne 1 de l'énergie délivrée par le klystron» soit de 1?extrémité 16. Le tronçon de ligne de sortie 11 recueille cette énergie de sortie en étant lui-même connecté à la ligne 15 à une distance voisine de ^ de la deuxième extrémité 17 de cette ligne. 30 La distance entre les points de connexion de la boucle 10 et du tronçon 11 à la ligne 15 est voisine dfun multiple entier impair du quart de longueur d'onde, soit (2 n + 1) La longueur totale de la ligne 15 est ainsi de (2 n + 3) i environi Grâce à cette disposition, la transniseioâ d! énergie se fait 35 convenablement de la boucle 10 au tronçon de ligne 11, les deux court-circuits, situés à ^ de ces deux éléments ne perturbant pas cette transmission, et le tronçon de ligne 11, dont l'emplacement le long de l'axe du tube, est défini par le choix de n, 8AD ORIGINAL 71 17977 ' 2137311 5 est situé en dehors-dô la zone encombrée par les bobines d© focalisation 12 qui se prolongent ainsi jusqu'au niveau du collecteur 9 sans être interrompues. Il suffit de prévoir un diamètre intérieur un peu plus grand pour ces bobines de nanière 5 à être situées autour de la partie de la ligne 15 terminée par l'extrémité 16, Quant à la pièce polaire 13» il suffit qu'y soit pratiquée une ouverture pour le passage de la ligne 15. Pour éviter d'éventuelles fuites magnétiques dues au passage de la ligne 15 dans la pièce polaire 13» un manchon en acier 10 doux 18 peut être placé autour de la ligne 15 comme l'indique la figure* Sur cette figure, la fenêtre étanche n'a pas été représentée. Il est à noter que le dispositif de l'invention est particulièrement intéressant pour des klystrons à focalisation gagné* 15 tique à cause du problème dos bobines. Il peut toutefois être utilisé, dans des klystrons à focalisation électrostatique, pour des raisons d! encombrement ot de facilité de réalisation ou de raccordement au circuit d'utilisation; ' linsi, un klystron perfectionné comme il vient d'être dit, 20 conserve une bonne focalisation tout le long du trajet du faisceau d!électrons. De plus, le raccordement du circuit d'utilisation au tronçon do ligne do sortie 11 se fait commodément dans uno zone très accessible. Enfin, le refroidissement du dispositif de sortie est grandement facilité corne vont le montrer les 25 figures 3, 4 et 5, et son adaptation dans uno large bande de fréquences est facilitée. la figura 3 représente en coupe,de nanière plus détaillée que la figure 2j un mode de réalisation d'un dispositif de sortie selon l'invention. (Sur toutes les figures, les mêmes 30 repères indiquent les mômes éléments); Gomme déjà indiqué, le conducteur extérieur 19 et le conducteur intérieur de la ligne coaxiale 15 sont court-circuités à leurs deux extrémités par des cloisons de court-circuit 16 et 17.i De conducteur central 20 de cette ligne est ainsi très faci-35 lement utilisable pour le refroidissement du dispositif de sortie. Il suffit d'y faire circuler un fluide de refroidissement toi que de l'eau comme l'indiquent les doux flèches 21 et 22. 71 17977 6 2137311 Dans l'exemple de réalisation illustré ici n ost choisi égal à zéro et la longueur totale de la ligne 15 est égal à La "boucle de couplage "10 ost reliée à la ligne 15 par l'intermédiaire d'un tronçon de ligne coaxiale dont le conducteur exté-5 rieur 23 est brasé sur les parois 24- do la cavité 3 de sortie et dont le conducteur intérieur 25» supportant la boucle 10 ost connecté au conducteur intérieur do la ligne 15. Dans cet exemple de réalisation, la fenêtre étanche 26 est placée dans le tronçon de ligne de sortie 11 dont lo conducteur 10 intérieur 27 est connecté à celui 20 de la ligne 15. Ootto liaison est faite par exemple par 1?intermédiaire dïune pièce 28 vissée sur le conducteur 27 et solidaire du conducteur central 20 de la ligne 15 par l1intermédiaire d'une membrane souplo 29 permettant» grâce à son élasticité de compenser les imprécisions 15 mécaniques inhérentes» et d'assurer un contact électrique correct entre ces différents éléments, l'anneau de céramique 2& constituant la fenêtre étanche est par exemple brasé sur lo conducteur contrai 27 du tronçon 11 ot sur son conducteur extérieur 30, lequel ost fixé, par l'intermédiaire d'une transition conique 20 classique 31» au conducteur extérieur 19 de la ligne 15» le refroidissement do la fenêtre étanche 26 est assuré par une circulation d'eau 32» 33 dans une cheniso 34i Do plus, la pièce 28 est prolongée, en 280, dans le tube constitué par le conducteur central 20 de la ligne 15 de manière à court—circuitcr 25 l'impédance thermique due notamment à la membrane souple 29. Pour dos tubes de très grande puissancei il pout être nécossairo de refroidir plus efficacement encore la boucle de couplage et la fenêtre étanche. La figure 4 donne un exemple de réalisation d'un tel dispositif, la boucle de couplage est alors 30 constituée de deux tubes parallèles 10 et 101 dans lesquels circule l'eau de refroidissement venant de la flèche 21. De mémo pour le refroidissement de la fenêtre étanche, une double circulation permet l'aller et le retour de l'eau depuis lo conducteur central 20 de la ligne 15 jusqu'à la fenêtre étancho 26. 35 Dans une autre variante, non représentée, la fenêtre étancho pout être placéo en tout point situé entre le tronçon de ligne da sortie 11 et le corps du tube, et notamment dans la ligne coaxiale t5. BAD ORIGINAL 71 17977 7 2137311 Dans eue or g une autre variante, les cloisons de court-circuit 16 et 17 terni riant la ligne coaxiale 15 peuvent être réglables pour permettre à? ajuster au mieux los paramètres d?adaptation du dispositif de sortie» 5 la figure 5 illustre un mode de réalisation de telles cloisons ajustables, les extrémités des conducteurs intérieur 20 et extérieur 19 do la ligne 15 sont prolongées corne 1? indique la figure 5 pour la cloison do court-circuit 16 par exemple$ par deux membranes souples 51 et 52 ayant dos diamètres correspondant "10 aux conducteurs 19 et 20. la cloison de court-circuit 16 est fixée à 1'extrémité de ces membranes. la position de cette cloison peut être ajustée grâce à un mécanisme comprenant par exemple une tige filetée 53, creuse pour laisser le passage de l'eauj fixée sur la cloison 16 ot sur la-15 quelle est vissé un écrou noleté 54 qui prend appui sur uno bague 22, cette bague étant solidaire du conducteur 19* l'ajustage de la cloison de court-circuit peine t de faire varier 1! impédance ramenée par le dispositif de sortie, et notamment par la fenôtro étancho, et par conséquent de faire varier l'impédance de charge 20 du tube. ïïn toi perfectionnement facilite lîutilisation dos klystrons dans uno largo gamme de fréquence. 71 17977 8 2137311 - KBVEHDICAIIONS - % - Dispositif de Bortie de tubes.hyperfréquencos tels que les klystrons» pour le prélèvement de 1!énergie haute fréquence délivrée par le tube dans une garnie de longueurs d'onde s détendant autour d'une longueur d'onde moyenne lj comportant une boucle 5 de couplage nontée stuc ledit tube, un tronçon de ligne coaxialo de sortie extérieur audit tube et relié au circuit dans lequel est utilisée ladite énergie, et une fenêtre isolante étanche assurant ltétanchéité entre le corps du tube sous vide et le circuit d'utilisation, caractérisé en ce que la liaison entre la 10 boucle de couplage (10) et le tronçon de ligne de sortie (11) est réalisée au moyen d'une ligne coaxiale auxiliaire (15) i parallèle à la direction du faisceau d'électrons (F) du tubej de longueur sensiblement égale à (2n+ 3) n étant un entier^ et court-circuitée à ses deux extrémités^ la boucle de couplage (10) et 15 le tronçon de ligne de sortie (11) étant respectivement connectés à ladite ligne auxiliaire (15) à une distance sensiblement égale à ^ de ses deux extrémités, lo choix de n permettant le choix de l'emplacement du tronçon de ligne de sortie (11) le long de lîaxo du tube. 20 2 - Dispositif de sortie de tube hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boucle de couplage (10) est connectée au conducteur central (25) d'un tronçon de ligne coaxiale intermédiaire dont ledit conducteur central (25) est connecté au conducteur central (20) de ladite ligne auxiliaire 25 (15), le conducteur central (27) du tronçon de ligne de sortie (11) étant lui-tiême connecté audit conducteur central (20) de ladite ligne auxiliaire (15)» 3 - Dispositif do sortie de tube hyperfréquonce selon la revendication 1, caractérisé en ce quîune circulation (21, 22) de 30 fluide de refroidissement est assurée dans le conducteur central (20) de la ligne auxiliaire (15); BAD ORfGJNAL, 71 17977 9 2137311 4 - Dispositif de sortie de tube hyper£r£queoce selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement arrivant (en 21) dans le conducteur contrai (20) de la ligne auxiliaire (15) circule dans la boucle de couplage consti- 5 tuée de deux tubes creux en série (10, 101), puis dans le conducteur central (27) du tronçon de ligne de sortie (11) avant de repartir (en 22) dudit conducteur central (22) de la ligne 5 - Dispositif de sortie de tubo hyperfréquence selon la reven-1,0 dication 1, caractérisé en ce que les extrémités de ladite ligne auxiliaire (15) sont court-circuitées par des pistons de court-circuit ajustables (16, 17). 6 - Dispositif de sortie de tube hyperfréquence selon la revendication tj caractérisé en ce que la focalisation du faisceau 15 d1 électrons dudit tube étant assurée par des bobines nagnétiques dont les extrénités sont femées par des pièces polaires, les-ditos bobines entourent l'ensenble du corps du tube et de l'extrémité de ladite ligne auxiliaire (15) connectée à ladite boucle de couplage, la pièce polaire voisine dudit dispositif de sortie 20 est percée à 1!emplacement de ladite ligne auxiliaire (15) et un manchon on for.doux entoure ladite ligne auxiliaire (15) à partir et au delà de ladite pièce polaire du côté opposé aux dites bobines. 7 « Tube hyperfréquence, tel qu'un klystron, caractérisé on ce 25 quîil conporte un dispositif de sortie selon l?une des revendications précédentes.