Brevet FR2243552A1 — publié le 19750404

l'invention concerne un dispositif amplificateur d'ondes radioélectriques de très haute fréquence utilisant les propriétés des décharges gazeuses. Une décharge gazeuse, ou plasma, constitue un milieu naturellement résonnant. Ce fait est dt à l'existence, au sein de telles décharges, de charges de signes contraires, les ions et les électrons, en mouvement les uns par rapport aux autres. Toute instabilité dans l'état du plasma provoque une instabilité en sens inverse et ltaecrochage sur une fréquence de résonance fp caractéristique ne2 du plasma, donne par la formule p = #om (1) où p = 2 #fp , et où n représente la densité numérique des électrons dans le plasma, e et m respectivement leur charge et leur masse et la la permittivité du vide. les fréquences fp dont il est question ici sont généralement très élevées,vu les valeurs de n pratiquées n pratiquées elles se situent dans le domaine des hyperfréquences. Ceci est général et vrai pour tous tes-plasmas, quelles que soient les conditions dans lesquelles ils ont été produits, conditions qu'on n'envisagera pas dans leur gélléralité ici, comme sans intérêt pour l'exposé de l'invention. Pour de plus amples précisions sur ce qui précéde on se reportera à la littérature technique sur les plasmas. Un tel milieu est essentiellement résonnant à la fréquence f p en question ; et une sonde placée dans le plasma permettrait de prélever une énergie à cette fréquence. On sait également, des diverses études faites sur les plasmas antérieurement à la présente invention et dont la littérature technique en question rend compte, qu'un plasma, qui d'après ce qui précéde est natureSement le siège d'une onde stationnaire correspon dant à l'auto-oscillation sur la fréquence f , est aussi susceptible p de propager des ondes haute fréquence. Ces ondes se propagent le long du plasma lui-même et le long des zones, appelées gaines, qui le séparent des surfaces conductrices qui ltentourent, à la manière des ondes se propageant dans un guide d' ondes ou dans la ligne à retard d'un tube à ondes progressives, tels que connus en hyperfréquence. Cette propagation intéresse toutes les fréquences d'une bande assez large autour de la fréquence de résonance du plasma. I1 convient de faire remarquer que la présence de gaines autour du plasma a pour effet de modifier cette fréquence, c'est-à-dire la fréquence fp précédente, d'une façon qui dépend de la géométrie de l'ensemble, comme on le verra. Dans le cas du plasma cependant ces ondes se propagent dans les deux sens dans la direction dans laquelle s'étendent le plasma et les gaines. L'existence d'une telle propagation rend possible l'utilisation d'un plasma pour amplifier toute onde de l'une des fréquences de cette bande, couplée par un moyen ou par un autre au plasma, en associant à celui-ci un élément capable de réagir avec cette onde dans des conditions données. Un tel élément peut consister en un faisceau dlélec- trons par exemple. Les travaux de la demanderesse ont cependant montré que,parmi ces ondes, certaines correspondent à une configuration du champ haute fréquence présentant une composante électrique importante dans la direction perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde et, dans certaines conditions, aux surfaces conductrices entourant le plasma. Cette composante est présente dans le plasma et dans les gaines. Ces ondes sont en outre des ondes lentes par suite des dimensions transversales généralement faibles du guide d'onde contenant les gaines et le plasma, et limité aux surfaces conductrices, par rapport à la longueur d'onde dans le vide des ondes propagées. (Voir compte-rendu à l'Académie des Sciences de Paris, t.271, p. 367370 du 10 Aott 1970). Cette longueur d'onde dérive de la formule (1) suivant la formule qui sera donnée plus loin ; les dimensions transversales en question seront précisées sur un exemple. Dans le cas où les surfaces métalliques en question, sont les cathodes utilisées pour produire la décharge gazeuse, il y a d'autre part des électrons traversant les gaines animés d'un mouvement alternatif, entre ces cathodes. L'originalité de l'invention consiste à utiliser, comme agent d'interaction avec les ondes lentes du plasma, ces électrons, c'està-dire des électrons produits au sein du dispositif lui-même utilisé pour engendrer le plasma, comme il va être expliqué ci-dessous. Ce dispositif est, dans les amplificateurs de l'invention, du type à cathode creuse sur lequel on pourra trouver des informations dans l'article "On the hollow Cathode Affect I;eGhanism" paru dans Annalen der Physik, série 7, volume 19, brochure 5.6.1967 et dans l'ouvrage de E. Vandenplas intitulé "Electron Waves and Résonances in Bounded Plasmas" publié en 1968 par Intèrscience Publishers. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent : Figure 1 : Une vue schématique en coupe d'un dispositif à cathode creuse. Figure 2 :-des diagrammes relatifs aux ondes de haute fréquence Figure 3 dans les plasmas. Figure 4a : une vue schématique d'un exemple de réalisation de l'invention et Figure 4b, un diagramme sty reportant. Figures Sa, 5b : des vues schématiques d'un autre exemple Ce l'invention. La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif à cathode creuse. 1 et 2 représentant sur cette figure deux cathodes froides en forme de plaques planes rectangulaires parallèles entre elles ; ces plaques sont représentées sur le dessin de la figure coupées par un plan qui leur est perpendiculaire , parallèle à leur petit c8té. Ces deux cathodes sont dans l'exemple de la figure réunie par des fonds 4 perpendiculaires au plan des plaques. 5 est une anode perpendiculaire au plan des cathodes et traversant cellesci à l'intérieur de l'espace 3. L'esnsemble baigne dans un gaz ionisable, néon par exemple, sous faible pression, contenu dans une enveloppe à vide non représentée sur la figure. Un mélange de plusieurs gaz ionisableE tels que le néon, l'argon, l'hélium etc*.. peut également Qtre utilisé ; l'air également ; 6 est une source de tension, reliée à l'anode et aux cathodes comme indiqué sur la figure, délivrant une tension continue V. Pour la tension V et une pression de gaz donnée, généralement faible et comprise entre 0,01 et 1 torr, et pour une distance D suf fisamment faible entre les plaques 1 et 2, les deux lueurs négatives situées en regard des cathodes se réunissent en une seule nappe formant le plasma brillant 7 qui s'étend jusqu'à l'anode 5 et qui est représenté sur la figure par la surface couverte de points. Ceci est l'effet de "cathode creuse". Le plasma est séparé des cathodes par des zones obscures, ou gaines, 8, de largeur g. Ces gaines sont des zones pauvres en électrons aussi bien qu'en ions. Les ions issus du plasma 7 ne font en effet que travereer les gaines 8 pour aller se déposer sur les cathodes 1 et 2 par lesquelles ils sont attirés du fait du potentiel négatif de celles-ci par rapport à la nappe de plasma 7 d'où ils sont issus et dont le potentiel est voisin de celui de l'anode. Quant aux électrons, les seuls à être présents dans ces gaines sont ceux arrachés aux plaques 1 et 2 par le choc des ions sur celles-ci. Ils traversent rapidement les gaines 8, avec une vitesse sensiblement perpendiculaire aux cathodes et dont la valeur correspond à la différence de potentiel entre les cathodes 1 et 2 et le plasma 7, c'est-à-dire très sensiblement celle de la source 6. Ces électrons, animés généralement d'une vitesse correspondant à plusieurs centaines de volts, comme on le verra sur un exemple numérique plus loin, traversent la nappe de plasma jusqu'à la cathode opposée, d' où ils reviennent vers le plasma et vers la première cathode, et ainsi de suite. Ce n'est que dans la mesure où ils effectuent des collisions avec les ions du plasma qu'ils retombent finalement sur 11 anode. Un grand nombre de ces collisions est nécessaire avant que cette éventualité se produise, chaque collision n1 absorbant pas plus d'une dizaine d'électrons-volts, contre plusieurs centaines de disponibles, comme indiqué plus haut. Ces électrons oscillent donc entre les cathodes 1 et 2.Comme déjà dit, ce sont ces électrons qui, selon l'invention, sont utilisés pour amplifier tonde de haute fréquence, par interaction avec celle-ci. Le temps mis par ces électrons pour effectuer un aller et retour entre les cathodes et donné par la formule ou v est la vitesse des électrons, pratiquement constante tout le long de leur trajet. A ce temps correspond la fréquence de transit f = Par ailleurs, dans le cas d'une onde de gaine, la fréquence centrale de résonance f de l'ensemble plasma plus gaines est donné par la formule est la fréquence définie par l'expression ki). Ces gaines, pauvres en particules charges, se comportent en effet comme des capacités en série avec le circuit résonnant à la fréquence f équivalent au plasma.C'estla présence-de ces capacités qui entrains la modiification ci-dessus. C'est autour de cette fréquence f que se situe la bande des fréquences que le plasma est susceptible de propager. A ces ondes correspond un champ électrique haute fréquence dont un exemple de es configuration, dans un plan parallèle aux fonds 4,/donné sur la figure 3, tandis que la figure 2 représente la configuration du même champ électrique correspondant à 11 onde stationnaire à la fréquence de résonance du plasma. Oz est, sur ces figures, la direction de propagation de l'onde dans le plasma, direction parallèle aux plaques 1 et 2 et aux fonds 4. Comme on le voit sur la figure le champ électrique en question présente une composante perpendiculaire aux cathodes i et 2. D'après la forme des lignes de champ, on voit que cette composante Eg est importantesurtout dans les gaines 8. C'est avec cette composante,de m9me direction que leurs vitesses, que réagissent les électrons en mouvement entre les deux cathodes, au cours de leur traversée des gaines. Dans l'une des réalisations de la demanderesse, on utilisait des cathodes 1 et 2 en forme de plaques rectangulaires métalliques, en titane par exemple, et une anode en forme de barreau cylindrique parallèle aux grands cotés de ces plaques et disposée par rapport a' celles-ci comme le montre la coupe de la figure 4a ; la position et la forme de cette anode s'avéraient très peu critiques. La distance entre les cathode était de 15 mm environ et la tension appliquée entre celles-ci/l'anode de 600 volts continus. Le gaz utilisé était de l'hélium à une pression de 0,2 torr. L'épaisseur g des gaines était, dans ces conditions, de 0,17 cl et la densité des électrons dans le plasma de 2 x 1011 par cm3.La pulsation Xp correspondante donnée par la formule (i) était de 2,35 x 1O10. La fréquence de résonance f de l'ensemble gaines plus plasma était dans ces conditions, d'après la formule (3) précédente, de 0,18 x 101 hertz ou 1800 MHz. La vitesse des électrons traversant le plasma et les gaines d'une cathode à l'autre sous l'effet du champ électrique pratiquement constant régnant dans les gaines était d'autre part, pour la tension V de 600 volts précédente, voisine de 0,15.1010 cm/s, et la fréquence f t donnée par la formule (2) voisine de 0,45 x 109 hertz, soit 450 iz. Dans ces conditons il était possible d'amplifier une onde injectée dans le dispositif à la fréquence de 1800 2Ez, par interaction avec ces électrons. L'expérience montre en effet que le système est capable de fournir une amplification à des fréquences multiples de la fréquence de transit 9 des électrons, et même à des multiples élevés (8 à 10) de cette fréquence. Le shéma de la figure 4b donne la configuration des lignes du champ électrique de l'onde propagée par le plasma entre l'entrée E et la sortie S dans un plan perpendiculaire au plan des cathodes 1 et 2 parallèlement à leur grand coté. Le détail du couplage du dispositif avec le générateur fournissant l'onde à amplifier à l'entrée E du dispositif d'une part et avec la charge branchée à la sortie S autre part, dans laquelle est reçue l'onde amplifiée, n'est pas donné sur la figure ; il relève de la technique connue. EX est la direction du champ électrique haute fréquence appliqué entre les cathodes 1 et 2. Quelques indications sont données sur un tel couplage à propos d'une variante de réalisation de l'invention qui fait l'objet des figures 5a et 5b et qui a conduit à des résultats sensiblement les mêmes que ceux de la variante précédente. Dans la variante des figures 5, l'anode dont, comme il a été dit, ni la forme ni la position ne sont critiques,est un cylindre en métal creu lentourant les deux cathodes 5 et 2 réalises ici aussi sous forme de plaques planes, rectangulaires de 10 x 60 mm disposées pa rallelement l'une à l'autre. L'anode a un diamètre de 30 mm et une longueur de 80 mm et dépasse les cathodes de chaque c8té de 10 mm. Elle est obturée à ses deux extrémités par des fenêtres 13 et 15 isolantes traversées par les passages conducteurs 10, 12 , 14 et 16 reliés aux cathodes 1 et 2 et servant de support à celles-ci. La distance entre cathodes était, comme dans 1 'exemple précédent de 15 mm et la tension appliquée entre cathodes et anode de 600 volts. Une canalisation 11 assure le pompage de l'enceinte étanche 9 formée par le cylindre anodique 5 et les fen8tres~13 et 15, et le remplissage de cette enceinte par le gaz. Le couplage entre le dispositif et le générateur de 1 'onde à amplifier est réalisé par l'intermédiaire des cathodes 1 et 2. Le générateur n'apparaît pas sur le dessin. 1l délivre, par exemple aux bornes d'un coaxial, la puissance haute fréquence à injecter dans le dispositif. Les deux conducteurs du coaxial sont reliés chacun à l'une des cathodes entre lesquelles apparatt le champ électrique de haute fréquence Ex . Un organe d'adaptation est dans ce cas nécessaire, comme connu de l'art, entre le coaxial et les cathodes.Un tel organe, supposé incorporé au coaxial ne figure pas non plus sur les figures, parmi lesquelles la figure 5b est une vue en bout du dispositif de la figure Sa,qui est elle-mgme une vue en coupe par le plan diamétral du cylindre 5 perpendiculaire aux cathodes 1 et 2 celles-ci sont à la masse comme la borne négative de la source de tension continue 6 dont la borne positive est reliée à l'anode 5. A 1800 tEz, on a obtenu avec ces dispositifs un gain de 10 dE et une puissance de sortie de 10 Watts. Le même dispositif permettait le fonctionnement dans une bande de plus ou moins 40 de la fréquence centrale précédente autour de cette fréquence, avec un gain variant de plus ou moins 3dB d'un bord à l'autre de cette bande, pour une puissance appliquée à l'entrée de 1 watt. Une des caractéristiques des amplificateurs de l'invention est d'être réciproques, c'est-à-dire de permettre l'amplification de la même manière dans les deux sens dans la direction ae propagation. Le gain de ces amplificateurs est donc limité par le coefficient de réflexion des circuits d'entrée et de sortie. C'est pourquoi ce sont normalement des systèmes à gain moyen, par exemple 10 dB comme dans l'exemple précédent. ils présentent par contre les avantages d'un faible encombrement et d'une extrême simplicité, due au fait qu'aucun agent d'tinter action extérieur au système où est engendré le plasma n'est utilisé. Un gain plus important peut être obtenu en associant en série plusieurs de ces amplificateurs par l'intermédiaire d'éléments non réciproques et suivant les techniques de couplage pratiquées en hyperfréquences. REWENDIEATIONS 1. Dispositif amplificateur radioélectrique pour très hautes fréquences caractérisé en ce qu'li comprend un système à cathode creuse,composé de deux cathodes se faisant vis-à-vis et une anode placée dans le voisinage de celles-cietd'une masse de gaz ionisable dans l'espace occupé par l'ensemble de ladite anode et desdites cathodes, et des moyens de couplage couplant ledit système en un de ses points avec le générateur de-l'onde à amplifier, le champ électrique de ladite onde s'établissant sous l'effet de ce couplage présentant une composante transversalement auxdites cathodes et caractérisé en ce qu'il comprend une source de tension continue portant l'anode à un potentiel positif par rapport auxdites cathodes, une décharge s'établissant sous lteffet de ce potentiel dans ledit système entre lesdites cathodes et l'anode, ladite décharge consistant en un plasma s'étendant de ladite anode vers lesdites cathodes et séparé desdites cathodes par des gaines traversées par des électrons animés d'un mouvement alternatif entre lesdites cathodes, des moyens étant par ailleurs prévus en un autre point dudit système pour prélever l'onde radioélectrique amplifiée. 2. Dispositif amplificateur selon la revendicaton 1 caractérisé en ce que ladite anode consiste en un cylindre obturé à ses deux extrémités par des fenêtres isolantes formant une enveloppe étanche contenant ledit gaz ionisable et en ce que les deux dites-cathodes consistent en deux plaques métalliques rectangulaires disposées à l'intérieur dudit cylindre parallèlement l'une-à l'autre etqymétri- quement par rapport à l'axe dudit cylindre, leur grand côté dans la direction de l'axe, munies à chacune de leurs extrémités d'un passage conducteur trav & sant la entre voisine, les deux dits passages traversant itune desdites fenêtres étant reliés aux bornes desdits moyens de couplage dudit générateur et les deux autres aux bornes desdits moyens de prdlévement de ltonde radioélectrique. 3. Dispositifamplificateur suivant la revendication 2 caractérisé en ce que lesdites cathodes sont des plaques de titane. 4. Dispositif amplificateur suivant la revendication 2 caractérisé en ce que ledit gaz ionisable est de l'air.