Brevet FR2301903A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne les bobinages électriques d'électro-aimant, et notamment eeux qui sont adaptés à la focalisation d'un faisceau d'électrons dans-un tube électronique. Les tubes électroniques utilisent des faisceaux d'électrons dont: les caractéristiques géométriques (le diamètre de faisceau, principalement) ont souvent besoin de rester constantes, au moins sur une certaine longueur utile. Ils nécessitent en conséquence l'utilisation de dispositifs pour focaliser le faisceau d'électrons, celui-ci ayant fortement tendance à diverger sous l'effet de la charge d'espace. i Dette exigence est particulièrement aiguë dans-certains types de tubes.pour lesquels- le principe de fonctionnement repose sur l'interaction d'un faisceau d'électrons et de champs électromagnétiques comme notamment les tubes hyperfréquences dits de type 0. A cet effet, ces tubes comportent un canon à électrons, une structure hyperfréquence traversée par le faisceau éléctronique, où se produit l'interaction, et un collecteur d'électrons. le faisceau est fprmé dans le canon et doit approximativement conserver son diamètre jusqu'au collecteur. Différents moyens de focalisation sont connus, parmi lesquels on peut citer une focalisation électrostatique, une focalisation pério- unique à aimants permanents, ou encore une focalisation à champ magné- tique quasi constant créé par-un électro-aimant. C'est à la réalisation de bobinages applicables à ce dernier type de focalisateurs que se rapporte la présente -invention. De plus, dans certaines applications, aux hauts rendements et fortes puissances notamment, d'une part les champs magnétiques produits par les électro-aimants doivent être importants et d'autre.part les champs doivent pouvoir être modulés en intensité le long du trajet du faisceau d'électrons, de l.'ordre de-quelques dixièmes de leur valeur. la première exigence pose un problème de refroidissement la seconde exigence pose le problème de l'insertionde prises annexes dans le bobinage, afin de diminuer la longueur utile de celui-ci, étant~entendu qu'il est en général préférable de n'utiliser qu'une seule alimentation pour l'ensemble de ltélectro-aimant. Ces trois impératifs, à savoir alimentation unique, champ élevé et modulable, sont assez peu compatibles. Sn effet, une première possibilité consiste à réaliser un bobinage à haute impédance : grand nombre de spires de faible section et faible courant ; un avantage en est que les prises annexes ne créent dans ce cas que des perturbations négligeables ; un inconvénient en est le mauvais refroidissement, pour des raisons détaillées un peu plus loin. Une seconde possibilité consiste à réaliser un bobinage à basse impédance dont les spires ont une section importante ; les caractéristiques en sont inverses par rapport aux précédentes : le refroidissement est plus aisé, mais l'insertion de prises annexes introduit des perturbations trop importantes, notamment sous forme de composantes radiales de champ magné- tique. Un résultat que la présente invention vise à obtenir est la réalisation d'un bobinage électrique qui satisfasse simultanément aux exigences mentionnées ci-dessus. Â cet effet, il comporte deux types de bobines pour la constitution d'électro-aimants - une série de bobines principales à basse impédance, créant la quasitotalité du champ magnétique nécessaire - une série de bobines auxiliaires de réglage à haute impédance, des tinées à produire un champ d'intensité variable, de l'ordre de quelques dix ou vingt pour cent du champ principal, se superposant à ce dernier ; les bobines auxiliaires sont connectées en parallèle sur l'alimentation des bobines principales et connectées entre elles de façon à présenter globalement une résistance sensiblement constante d'un réglage à l'autre. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ciaprès et des dessins qui sty rapportent, parmi lesquels - la figure 1 est un schéma de connexion des différentes bobines constituant le bobinage selon l'invention - la figure 2 représente un mode de réalisation du refroidissement de l'une des bobines constituant le bobinage selon l'invention - la figure 3 représente un mode d'agencement des bobines dans le dispositif selon l'invention - la figure 4 représente un exemple d'application du bobinage selon l'invention à un tube électronique - la figure 5 est le schéma d'un mode de réalisation du circuit de refroidissement du dispositif de la figure 4. Dans le schéma de la figure 1 on a représenté, à titre d'exemple, trois bobines 1, 2 et 3 en série, dites bobines principales, et une série de bobines dites auxiliaires ou annexes 11,12,21,22,31 et 32. Les bobines principales 1, 2 et 3 sont coaxiales et placées selon un axe 01, alimentées entre deux bornes 10 et 30 ; elles sont de préférence identiques, c'est-à-dire de N spires chacune et de résistance R, et présentent une impédance faible. Les bobines annexes sont également placées parallèlement à ox de façon à fournir un champ magnétique selon OX. Elles sont de préférence identiques, c' est-à-dire de n spires chacune et de résistance r, et présentent une impédance élevée. Sur le schéma, les bobines 11 et 12 sont placées à une même abscisse sur l'axe OX que la bobine 1 de méme pour les bobines 2, 21, 22 d'une part et.3, 31, 32 d'autre part. Les différentes bornes d'alimentation des bobines sont réunies dans une botte de connexions 20, à laquelle est susceptible d'être connectée une alimentation électrique extérieure. 3n fonctionnement, si par exemple le courant (I) parcourt les bobines principales de la borne 30 (reliée à la bobine 3) vers la borne 10 (reliée à la bobine 1), le champ magnétique H créé est dirigé selon 01. Soit un premier mode de réglage, dans lequel on désire que llin- tensité du champ H ne soit pas modulée par les bobines annexes. Dans ce cas, ces bobines annexes sont néanmoins connectées à l'alimentation extérieure afin que dans un mode de réglage ultérieur l'impédance totale du dispositif ne soit pas sensiblement modifiée, mais de telle sorte que le champ H ne soit pas modifié. Pour cela, il suffit de placer les bobines auxiliaires deux à deux à une même abscisse par rapport à l'axe 01 (ce qui est représenté sur la figure pour les bobines 31 et 32, 21 et 22, 11 et 12) et de les connecter entre elles de façon-que les champs par elles produits s'annulent deux à deux, c'est-à-dire de façon qu'elles soient parcourues par des courants égaux mais de sens opposés. Dans l'exemple de la figure, les bobines auxiliaires sont reliées en série comme le montre les flèches 13 à 17 de façon à produire des champs (h) égaux et opposés deux à deux. Elles sont alimentées entre les bornes extrêmes 18 et 19 (reliées respectivement aux bobines 31 et 12), qui sont reliées en parallèle avec les bobines principales (bornes 30 et 10) à l'alimentation extérieure (non représentée). Soit un second mode de réglage, dans lequel on désire que l'intensité du champ H soit modulée le long de l'axe OX, par exemple de + 20 % au niveau de la seule bobine 2. Par rapport au réglage précédent, cette modulation est obtenue très simplement en inversant le sens du courant dans la bobine auxiliaire 22, afin que le champ h qu'elle produit vienne s'ajouter au champ h produit par la bobine 21 et au champ H produit par les bobines principales. On a supposé que le nombre de spires et la résistance des bobines étaient tels que h = 10% H. Cette modulation est bien obtenue sans variation de la résistance globale du dispositif. Bien entendu, ce mode de réglage peut être réalisé de la même façon à une abscisse différente (sur le schéma, au niveau des bobines 1 ou 3), ou encore sur une plus grande longueur (par l'inversion du sens du courant dans les bobines 22 et 32, par exemple). Ileet à noter d'ailleurs que l'obtention d'une variation de + 20 r ou de - 20 ffi sur toute la longueur du bobinage peut se faire plus simplement par la variation du courant I dans les bobines principales. Pour élargir le domaine des réglages possibles, il est souhaitable de pouvoir moduler l'intensité du champ H par sauts d'environ 10 % seulement, sans que la résistance globale ne subisse trop de variations. Cela conduit à la détermination d'une valeur moyenne pour la résistance (r) de chacune des bobines de réglage par rapport à la résistance R des bobines principales, de la façon suivante. On considère les différents réglages qu'il peut être souhaitable de réaliser, dans le cadre du schéma à trois bobines principales et six bobines de réglages de la figure 1, étant entendu que chaque bobine peut fournir un champ (h) égal à environ 10 % du champ principal (H), réglages qu'on résume dans le tableau suivant, où la modulation de l'intensité de H est exprimée en pour cent de H Réglage : n01 n02 n03 n04 n05 n06 n07 au niveau de la O + 10 % 20 % 10 % 20 % 10 96 20 % bobine 1 au niveau de la O O O 10 % 20 % 10 % 20 % bobine 2 au niveau de la O O O O O 10 % 20 % bobine 3 Résistance totale des bobines de 6r - 5r 6r 4r 6r réglage Ainsi qu'il a été remarqué plus haut, les réglages nos 6.et 7 peuvent être obtenus par la seule variation du courant I : il n en sera donc pas tenu compte ici. On a sur ce tableau indiqué la résistance totale des bobines auxilaires nécessitées par chaque réglage : en effet, une modulation nulle est obtenue par deux bobines (telles que 11 et 12) parcourues par des courants de sens opposés, une modulation de-20 % par ces deux mêmes bobines parcourues par des courants de même sens et une modulation de 10 % par l'une des deux bobines seulement. Les différents paramètres des bobines peuvent être déterminés approximativement les uns par rapport aux autres de la façon suivante Si on adopte pour simplifier le même nombre de spires pour chacune des bobines, c'est-à-dire n = N, il faut que le courant i traversant les bobines auxilaires soit le dixième du courant I traversant les bobines principales pour que la modulation du champ principal réalisée par une bobine soit aussi le dixième de ce dernier Les bobines auxiliaires d'une part et principales d'autre part étant branchées en parallèle sur l'alimentation extérieure, on a r 3R. I = 6r. i pour les réglages nOS 1, 3 et 5 (2) g 3R. I = 5r. i pour le réglage n 2 (1) 3R. I = 4r. i pour le réglage n 4 Pour la détermination de r, on peut adopter une valeur intermédiaire par exemple, à savoir celle de l'équation (1), ce qui donne r = pour I = 10i.Dans cet exemple, le tableau précédent devient Réglages n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 Résistance totales des 6r 5r 6r 4r 6r bobines de réglage # 0,083 0,10 0,083 0,125 0,083 au niveau de la 0 10 % 16,6 % 12,5 % 16,6 % bobine 1 au niveau de la 0 0 0 12,5 % 16,6 % bobine 2 au niveau de la 0 0 0 0 0 bobine 3 où les valeurs de # sont déterminées précisément pour chaque réglage par les équations (2) dans lesquelles r = 6R, et où on constate que les modulations d'intensité du champ magnétique ne sont pas rigoureusement égales à 10 ou 20 %, ces nombres n'ayant qu'une valeur indicative. tans l'exemple ci-dessus, les bobines principales sont identiques entre elles et les bobines de réglage également. Plus généralement, elles peuvent être différentes,selon l'emplacement auquel elles seront placées par rapport au tube électronique. La figure 2 représente un mode de réalisation du refroidissement des bobines dans le dispositif selon l'invention, et plus particulièrement, à titre d'exemple, celui de la bobine 1 de la figure 1. Sur cette figure 2, on a représenté la demi-section de la bobine 1, qui a pour axe l'axe OX, et dont on rappelle qu'elle présente une basse impédance c'est-à-dire qu'elle est constituée par un conducteur de section importante, rectangulaire sur la figure, et de préférence, un petit nombre de spires. Classiquement, le conducteur est isolé (par de l'émail recouvrant sa surface par exemple) et les différentes spires sont liées par un matériau 4. De part et d'autre des spires est placé un circuit de refroidissement 5 dont on a figuré l'entrée 6 et la sortie 7. On a également figuré les connexions de sortie et d'entrée de la bobine 1, vers la bobine 2 et la borne 10. On constate sur cette figure que l'évacuation de la chaleur dissipée par une bobine de basse impédance peut ainsi être réalisée de façon satisfaisante. Mais cette figure permet aussi de comprendre aisément les difficultés de refroidissement d'une bobine de haute impédance, c > est-à-dire à grand nombre-de spires d'un conducteur de faible section. Dans ce dernier cas, en effet, l'évacuation de la chaleur vers les circuits de refroidissement est gênée par de nombreux intervalles d'émail isolant et de matériau liant, qui présentent uns impédance thermique non négligeable. La figure 3 représente un mode d'agencement des bobines de l'invention. les différents bobines sont par exemple enroulées autour -d'un cylindre creux 9, d'axe OX, permettant de placer un tube électronique à l'intérieur, et elles sont contenues dans un cylindre 8 ménageant un espace 25 pour le passage des connexions électriques vers la boite de connexion 20 de la figure 1 (non représentée sur la figure 3) et des circuits de refroidissement, munis d'une entrée 23 et d'une sortie 24 pour le fluide de refroidissement. À l'intérieur du cylindre 8 on a disposé, à titre d'exemple, alternativement bobines principales et bobines de réglage par groupes de deux, la série se terminant aux deux extrémités par une seule bobine principale (26 et 27). Bien entendu, la répartition des différentes bobines le long de l'axe se fait selon la forme désirée pour la modulation du champ magnétique le long de ce même axe, étant entendu que les différentes bobines sont interconnectées selon le schéma de la figure 1. Néanmoins, il est préférable que les bobines de réglage soient groupées deux par deux afin que le réglage correspondant à une modulation d'intensité nulle soit à peu près convenablement réalisé. Les circuits de refroidissement de part et d'autre des bobines principales sont représentés sur la figure 3 par un trait plus épais 28. Dans le mode de réalisation représenté, seules les bobines principales comportent donc un circuit de refroidissement. Il peut être souhaitable, à 1 inverse, de prévoir également un circuit de refroidissement pour chacune des bobines auxiliaires, selon les caractéristiques choisies pour celles-ci (résistance, nombre de spires...) et par suite leur dissipation thermique. La figure 4 représente un exemple d'application du bobinage selon l'invention à la focalisation d'un faisceau d'électrons dans un tube électronique. Le tube électronique représenté à titre d'exemple sur la figure est un amplificateur d'énergie hyperfréquence du type klystron, comportant - un canon émettant un faisceau d'électrons 42 selon l'axe OX, comportant une cathode 33, une électrode de focalisation 34 et une anode 35 - une structure hyperfréquence d'axe OX, constituée par des cavités résonnantes 39 et des espaces de glissement 40, la première des cavités 39 comportant une entrée 41 de la puissance hyperfréquence à amplifier et la dernière des cavités, une sortie 42 de la puissance amplifiée - un collecteur 36 du faisceau d'électrons, qui permet également la dissipation de l'énergie des électrons après leur passage dans la structure hyperfréquence. Le bobinage selon l'invention, globalement repéré 38 sur cette figure, est placé autour des cavités 39 et contenu dans le cylindre 8 qui constitue, avec les pièces polaires 37, un circuit magnétique canalisant les lignes de champ magnétique à l'extérieur du tube électronique, étant entendu qu'à l'intérieur de ce tube, le champ produit par le bobinage 38 est dirigé selon l'axe 011. La figure 5 représente schématiquement un mode de réalisation du refroidissement du dispositif de la figure précédente, dans lequel le circuit de refroidissement est unique pour le tube et le bobinage. On retrouve sur cette figure le klystron, globalement repéré 43, son collecteur 36 et le bobinage 38. Le circuit de refroidissement comporte un échangeur de chaleur 44, ayant une entrée 45 et une sortie 46 du fluide de refroidissement vers une source extérieure. L'échangeur est relié à une pompe 48 puis à l'entrée 29 de refroidissement du bobinage 38. Le fluide de refroidissement ressort du bobinage 38 par la sortie 24 pour aller refroidir la partie centrale du tube 43 puis le collecteur 36 de ce meAme tube. Enfin, le fluide sortant du collecteur est dirigé vers l'échangeur 44. Le circuit de refroidissement peut encore comporter des organes de mesure et contrôle (débitmètre, par exemple). Il a été illustré sur cette figure le cas le plus simple et le moins onéreux de refroidissement, c'est-à-dire le circuit unique. Il est souhaitable pour les mêmes raisons de simplicité et de coût que le débit du fluide de refroidissement soit faible. Enfin, des considérations de rendement thermique conduisent à choisir une température moyenne pour le fluide de refroidissement la plus élevée possible. En effet le fluide du circuit, en général de l'eau, est porté à de hautes températures et peut parfois se trouver à l'état de vapeur : il est alors nécessaire que l'eau soit déminéralisée et donc en circuit fermé, réinjectée dans le circuit après un passage dans ltéchnngeur de chaleur 44. Or l'efficacité de ce dernier est d'autant plus grande que la différence de température entre le fluide de refroidissement et l'agent de refroidissement extérieur est grande, ce qui conduit à une température élevée du fluide de refroidissement dans ce type de circuit. S'il s'agit d'eau, la température d'entrée en 23 peut atteindre 700. Ce mode de réalisation du refroidissement d'un tube électronique illustre ainsi l'impératif d'efficacité du refroidissement au niveau du bobinage, et par suite l'acuité du problème de la transmission de la chaleur à l'intérieur dè ce bobinage, et par là meme 1'adéqua- tion d'un bobinage selon l'invention à la réalisation de focalisateurs pour tubes électroniques. REVENDICATIONS 1. Bobinage électrique d'électro-aimant pour la production d'un champ magnétique, caractérisé par le fait qu'il comporte deux types de bobines : des bobines dites bobines principales, de basse impédance, créant sensiblement la totalité dudit champ magnétique, et des bobines dites bobines auxiliaires, de haute impédance, assurant une variation du champ magnétique résultant à des fins de réglage de ce dernier, connectées en parallèle avec les bobines principales sur l'alimentation de ces dernières, lesdites bobines auxiliaires étant connectées entre elles de telle sorte que la résistance résultante desdites bobines soit sensiblement la même quel que soit le réglage utilisé. 2. Bobinage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le champ magnétique produit par chacune des bobines auxiliaires a même direction que le champ magnétique produit par les bobines principales. 3. Bobinage selon l'une des revendications précédentes, carac térisé par le fait que lesdites bobines auxiliaires sont connectées deux à deux de façon à produire des champs magnétiques de sens opposés. 4. Bobinage selon l1une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits bobines auxiliaires sont identiques entre elles et qu'une modulation sensiblement nulle du champ magnétique produit par les bobines principales est réalisée par la mise en série de deux bobines auxiliaires voisines mais produisant des champs magnétiques de sens opposés. 5. Bobinage selon ltune des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdites bobines principales sont identiques entre elles. 6. Tube électronique hyperfréquence, comportant un canon émettant un faisceau d'électrons, une structure hyperfréquence dans laquelle le faisceau interagit avec une onde électromagnétique, ladite structure comportant au moins une sortie hyperfréquence, un collecteur desdits électrons, un focalisateur dudit faisceau d'électrons, ledit tube étant caractérisé par le fait que ledit focalisateur est constitué par un bobinage selon l'une des revendications précédentes.