Brevet FR2338594A1 — publié le 19770812

L'invention est relative aux dispositifs destinés à réfléchir des impulsions d'onde électromagnétique. Elle concerne, plus particulièrement, de tels dispositifs qui sont destinés à multiplier impulsion d' la fréquence d'une/onde électromagnétique. Dans l'article intitulé TTStimulated cyclotron resonance scattering and production of powerful submillimeter radiation1, publié dans la revue "Applied Physics Letters, volume 25, n 7, du ler octobre 1974, pages 377 à 379, P. SPRANGLE et V.L. GRANATSTEIN ont déjà proposé de multiplier la fréquence d'une onde électromagnétique en utilisant un effet Doppler relativiste à l'aide d'un"miroir relativiste", ctest-à-dire un miroir se déplaçant à une vitesse non négligeable par rapport à celle de la lumière. En effet, ces auteurs ont montré qu'entre la fréquence )O de l'onde électromagnétique incidente et la fréquence Les de l'onde réfléchie existait la relation suivante : Xs = o CI Dans cette formule : ss= v/c, v étant la vitesse du miroir et c la vitesse de la lumière, et Ainsi, Si la vitesse du miroir relativiste est suffisamment proche de celle de la lumière, on peut obtenir une multiplication importante de la fréquence de l'onde électromagnétique incidente. Toutefois, dans cet article, on a proposé, pour mettre à profit cette propriété, d'utiliser l'effet Compton et l'effet Raman (en mettant à profit, éventuellement, un effet de résonance au voisinage de la fréquence cyclotron d'un plasma), effets dans lesquels on utilise les propriétés de diffusion d'une onde électromagnétique dans le volume d'un nuage d'électrons. Avec de tels dispositifs, la probabilité de réflexion d'un photon est faible ; de ce fait, le rendement est réduit. En outre, comme il s'agit d'une diffusion Cou réflexion) en volume la durée utile de l'impulsion électromagnétique réfléchie est égale à celle de l'impulsion incidente. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients n ntionnEP ci-dessus, notamment de permettre la réalisation d'un miroir relativiste présentant un coefficient de réflexion d'une onde électromagnétique qui soit élevé. Un autre but de l'invention est de fournir un tel miroir relativiste dans lequel la puissance de l'onde réfléchie soit nettement supérieure à la puissance de l'onde incidente. Un autre but, enfin, de l'invention est de permettre une réalisation particulièrement simple et économique d'un miroir relativiste du type susmentionné. Le dispositif conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de faisceau d'électrons relativistes, c'est-à-dire ayant une vitesse non négligeable devant celle de la lumière. Ce faisceau a une durée limitée ; en d'autres termes, il se présente sous la forme d'une impulsion qui comporte un front avant se déplaçant également à une vitesse non négligeable devant celle de la lumière. La zone de réflexion (ou le miroir relativiste) pour l'impulsion d'onde électromagnétique se trouve au voisinage dudit front avant. La vitesse élevée des électrons est obtenue grâce à un générateur d'énergie élevée (de l'ordre du Mev). L'impulsion d'onde électromagnétique est engendrée par une source, par exemple un laser ou un maser, et lesdites impulsions sont produites en même temps grâce à des moyens de synchronisation du fonctionnement du générateur de faisceau d'électrons et de la source d'impulsions d'ondes électromagnétiques. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le coefficient de réflexion du miroir pour l'onde électromagnétique est important car dans la zone de réflexion on produit un effet de coupure pour l'impulsion d'onde électromagnétique ; à cet effet, les caractéristiques (notamment l'intensité du courant électrique) du générateur sont choisies de façon telle que les caractéristiques du faisceau produit (notamment la densité des électrons) présentent, en comparaison avec la fréquence de l'onde électromagnétique à réfléchir, des valeurs appropriées pour produire ledit effet de coupure. Il est alors avantageux que le dispositif, conforme à l'invention, comporte un guide d'onde de forme sensiblement cylindrique ou tubulaire, ledit faisceau d'électrons ayant, à l'intérieur du guide d'onde,une direction sensiblement parallèle aux génératrices du cylindre ou tube formant ledit guide d'onde. Dans ce cas, la forme et les dimensions dudit guide d'onde sont choisies de façon telle que sa fréquence de coupure, en l'absence du faisceau d'électrons soit inférieure à la fréquence de l'onde électromagnétique à réfléchir, cette fréquence de coupure étant cependant supérieure à ladite fréquence de l'onde électromagnétique lorsque ledit générateur produit un faisceau d'électrons relativistes. En variante, toujours pour obtenir un coefficient de réflexion important, on choisit les caractéristiques (densit d'électrons) dudit faisceau engendré par le susdit générateur de façon telle que soit assurée une variation rapide de l'indice optique de réfraction sur une courte longueur au voisinage dudit front avant. Le faisceau d'électrons est produit dans une enceinte hermétique dans laquelle on réalise le vide (pression résiduelle in férieure à 10 torr) ou dans laquelle on introduit un gaz neutre à une pression appropriée (supérieure à 10 3torr) pour engendrer un plasma. Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, on peut prévoir des moyens générateurs d'un champ magnétique sensiblement parallèle à la direction du faisceau d'électrons. Dans ce cas, on peut utiliser un générateur de faisceau impulsionnel d'électrons moins puissant qu'en l'absence de tels moyens générateurs d'un champ magnétique. Etant donné que l'on a affaire ici à des phénomènes relativistes, il est important de préciser le repère utilisé quand on compare des grandeurs. Dans le cas présent, les diverses fréquences considérées sont mesurées dans un repère lié au faisceau d'électrons produit par le susdit générateur. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de certains de ses modes de réalisation, cette description étant faite en se référant au dessin ci-annexé sur lequel la figure unique représente, de façon schématique, un mode de réalisation préféré du dispositif conforme à l'invention. Le dispositif conforme à l'invention qui est representé sur la figure unique est destiné à engendrer une impulsion d'onde électromagnétique dont la longueur d'onde est dans les domaines millimétrique et submillimétrique (inférieure à 1 mm). A cet effet, conformément à l'invention, on prévoit un générateur 1 d'ondes dont la fréquence se trouve dans le domaine des hyperfréquences (par exemple des longueurs d'onde centimètriques) et des moyens pour créer un faisceau 2 d'électrons relativistes pendant une durée brève (une dizaine de nanosecondes). De cette manière le signal (représenté par la flèche F) engendré par le générateur 1 se réfléchit sur le front avant 3 du faisceau 2. Des moyens de synchronisation (non montrés) sont prévus pour synchroniser la production du faisceau ? avec celle de l'impulsion d'onde électromagnétique. Comme on l'a déjà indiqué plus haut, en raison de l'effet Doppler relativiste (dû au mouvement du miroir rela tiviste constitué par le front 3) le signal réfléchi (flèche F1) présente une fréquence sensiblement plus élevée que le signal incident. En outre, comme on a affaire à une réflexion localisée dans une région déterminée, il se produit une compression dans le temps de l'impulsion réfléchie par rapport à l'impulsion incidente. En effet tous les photons provenant du générateur 1 et réfléchis par le miroir 3 se déplaçant à une vitesse non négligeable par rapport à celle de la lumière arrivent pratiquement tous au même instant en un emplacement de sortie De façon plus précise on peut montrer que le rapport entre la durée de l'impulsion incidente et celle de l'impulsion réfléchie est égal à (1 + )2 y2 Ainsi la puissance de l'impulsion de sortie est sensiblement plus élevée que celle de l'impulsion d'entrée. Toutefois, pour que le coefficient de réflexion du miroir relativiste formé par le front 3 soit suffisamment élevé (en d'autres termes pour que la probabilité de réflexion des photons sur ledit miroir ne soit pas trop faible) il est nécessaire que certaines conditions soient remplies. A cet effet, dans le mode de réalisation qui est représenté sur la figure on produit un effet de coupure qui empeche la propagation des photons engendrés par le générateur 1 au-delà de la zone du front 3. Dans l'exemple cet effet de coupure est obtenu à l'aide d'un guide d'onde 4 de forme cylindrique dans lequel le faisceau 2 se propage selon une direction parallèle aux génératrices du cylindre ; dans l'exemple le guide 4 présente la forme.cylindrique de révolution. On rappelle qu'un cylindre peut présenter une section quelconque.De façon générale, un cylindre est constitué par la surface engendrée par une droite parallèle à une direction donnée et s'appuyant sur un contour fermé. La forme et les dimensions de ce guide d'onde 4 sont choisies de telle manière que celui-ci présente une fréquence de coupure #co pour les ondes électromagnétiques dans le mode TE01 en l'absen ce du faisceau 2 qui est inférieure à la fréquence & des signaux engendrés par le générateur 1. Cependant, en présence du faisceau 2 cette fréquence de coupure du guide 4 est modifiée et présente une valeur Wcî On choisit cette fréquence u9cl notamment par le choix de la section transversale dudit faisceau 2, de façon telle que celle-ci soit supérieure à ladite fréquence uîde l'onde produite par le générateur 1.Ainsi, le guide 4 est divisé en deux régions 4a et 4b ; la première région 4a est celle ne contenant pas le faisceau 2 et la fréquence de coupure est #co ; la seconde région 4 est celle contenant-le faisceau d'électrons relativistes 2 et sa fréquence de coupure est tAcl Les photons émis par le générateur 1 peuvent se propager dans la partie 4a du guide 4 mais ne peuvent pénétrer dans la zone 4b. Dans ces conditions, il se produit une réflexion pratiquement totale de ces photons à la limite entre les parties 4a et 4b, c'est-à-dire au voisinage du front 3. On pense que le changement (un abaissement) de la fréquence-de coupure dans la partie 4b qui est provoqué par la présence. du faisceau 2 est analogue à celui provoqué par une tige conductrice introduite dans un guide d'onde ; en d'autres termes la partie 4b du guide 4 est un guide coaxial. Dans le mode de réalisation décrit, la réflexion s'effectue non seulement sur le front 3, mais également sur toute la section du guide 4. On remarquera également que, lorsque la section du faisceau 2 est faible par rapport à celle du guide 4, la fréquence de coupure diminue de façon rapide lorsque ladite section du faisceau 2 augmente dans des proportions relativement peu importantes. Ainsi, il est possible de faire varier, dans une gamme importante, la fréquence d'utilisation du dispositif.conforme-à l'invention en faisant varier de façon relativement peu importante les paramètres de fonctionnement de l'organe générateur du faisceau 2. Les moyens permettant d'engendrer le faisceau 2 d'électrons relativistes comprennent, tout d'abord, un générateur 5 dtimpul- sions électriques dont la tension et l'intensité présentent une amplitude élevée. Ces impulsions sont endiEs pendant un temps court (une dizaine deranosecondes). Dans l'exemple, ce générateur 5 est un générateur de Xarx dans lequel des condensateurs chargés en parallèle sont déchargés en série (ces condensateurs n'ont pas été représentés sur la figure). Dans une réalisation particulière, on utilise le générateur de référence "Pulserad 110 A" -fabripue par la Société américaine "Physics International Company".Cet appareil est propre à produire des impulsions d'énergie 1,5 Mev et son impédance de sortie est de 43 Lesdits moyens comportent également une ligne 6 reliée-à une cathode 7 au voisinage de laquelle se trouve une anode 8 disposée à l'entrée du guide d'onde 4. La ligne 6 transmet le signal produit par le générateur 5 à la cathode 7. Au voisinage de l'anode le faisceau 2 est focalisé soit grace au choix des paramètres de fonctionnement du dispositif (notamment densité du faisceau d'électrons et dimensions et forme géomètrique de la diode formée par l'ensemble anode-cathode) soit grâce à des moyens de focalisation (non montrés) tels qu'une bobine génératrice d'un champ magnétique. Le signal de sortie (signal réfléchi par le miroir relativiste) est recueilli par couplage à l'aide d'un guide d'onde extérieur 9. Enfin le guide 4, la cathode 7 et l'anode 8 sont disposés dans une enceinte (non représentée) dans laquelle on réalise le vide. Cette enceinte comporte, bien entendu, une fenêtre non montrée pour laisser le passage à l'onde produite par la source 1. Dans un exemple particulier de réalisation, la source 1 est constituée par un maser synchrotron du type de celui décrit dans l'article de V.N. GRANATSTEIN et autres intitulé "An electron synchrotron maser based on an intense relativistic electron beam" publié dans la revue ""Journal of Applied Physics" volume 46, nO 5, mai 1975, pages 2021 à 2028. Un tel maser émet des ondes électromagnétiques à une fréquence de l'ordre de 8 Gigahertz. Dans ces conditions, le signal obtenu sur ia sortie du dispositif représenté sur la figure unique est un signal maser (ou laser) de fréquence millimétrique, submillimétrique ou, éventuellement, un signal infrarouge de longueur d'onde plus courte. On a décrit, en relation avec la figure unique, un mode de réalisation particulièrement avantageux de dispositif permettant de multiplier la fréquence d'une impulsion d'onde électromagnétique avec une réduction importante de sa durée, et donc une augmentation importante de la puissance. Toutefois, ce dispositif peut se prêter à de nombreuses variantes sans que l'on sorte, pour celà, du cadre de l'invention. Même dans le cas où l'on utilise un effet de coupure pour améliorer le coefficient de réflexion de l'onde électromagnétique incidente sur le front avant du faisceau d'électrons relativistes, il n'est pas indispensable d'utiliser un guide d'onde. En effet, on peut considérer le faisceau d'électrons comme étant un plasma présentant une fréquence plasmaudp. On sait qu'un tel plasia constitue un milieu transparent pour les ondes électromagnétiques de fréquence > 9 supérieure à la fréquence plasma . Par contre, le p plasma réfléchit les ondes de fréquence rJinférieure à ladite fréquence #p.On pourra donc réaliser un dispositif (non montré) conforme à l'invention avec un générateur d'impulsions électriques de courte durée et d'énergie importante (par exemple un générateur de Narx d'énergie 1 Mev et d'intensité 1 MA) dont la sortie débite dans une ligne connectée à une cathode, ce dispositif comportant1 en outre, une anode percée d'une ouverture, une focalisation du faisceau d'électrons relativistes étant produite au niveau de ladite ouverture. Dans ce cas, le miroir relativiste se trouve également au niveau de ladite ouverture de l'anode. Dans une autre variante (non représentée), pour laquelle on utilise également un effet de coupure, le dispositif comporte - outre un générateur de faisceau impulsionnel d'électrons relativistes - des moyens propres à créer un champ magnétique de direction sensiblement parallèle à celle dudit faisceau. Dans ce cas, la réflexion de l'onde électromagnétique au niveau du front avant du faisceau d'électrons ne se produit que si la fréquencerr)de cette onde est supérieure à la fréquence cyclotron du plasma ainsi créé et si cette fréquence est inférieure à la fréquence de coupure du mode cyclotron électronique (fréquence hybride haute) dudit plasma On sait que cette fréquence hybride haute 0H a pour valeur Dans cette formule W représente la fréquence plasma.Ce mode p de réalisation présente, sur le précédent, l'avantage de permettre l'utilisation de faisceaux d'électrons-moins intenses. On remarquera aussi qu'il n'est pas indispensable d'utiliser un effet de coupure. n effet, dans un autre mode de réalisation de l'invention, on prévoit des moyens pour créer une variation importante de l'indice optique sur une courte distance. Dans ce cas, on obtient une réflexion partielle qui peut être importante pour certaines valeurs de la fréquence 4 de l'onde électromagnétique, en particulier cette réflexion est importante quand la longueur d'onde de l'onde électromagnétique est grande devant la distance caractéristique de gradient. A cet effet, on produit un gradient important de densité des électrons du faisceau de façon telle que ladite distance caractéristique de gradient présente un minimum dans la zone du front avant.Dans une première réalisation de cette disposition, les caractéristiques en tension et en courant du générateur délivrant l'impulsion alectrique-génératrice de l'impulsion du faisceau d'électrons - sont telles que le front avant du faisceau présente un raidissement par un effet de regroupement dans ltespace des électrons émis en des instants différents. En d'autres termes, on module le signal émis par ledit générateur d'impulsion de façon que les électrons du faisceau arrivent pratiquement au même instant en un endroit déterminé. Dans un autre mode de réalisation de ladite disposition, le gradient de variation de l'indice optique est obtenu au voisinage du front avant du faisceau par "expulsion" d'un champ magnétique uniforme, expulsion" liée à l'effet de peau. Dans tous les cas le faisceau d'électrons peut être produit soit dans une enceinte vide soit dans une enceinte contenant un gaz neutre à basse pression ; dans cette dernière hypothèse, les électrons ionisent le gaz neutre pour en former un plasma Par ailleurs, bien que dans l'exemple considéré on ait choisi une source 1 d'ondes électromagnétiques dont la fréquence se trouve dans le domaine des hyperfréquences, il est à noter que l'invention s'applique quelle que soit la longueur d'onde de l'onde électromagnétique ; elle s'applique également, par exemple, au domaine optique. En ce qui concerne les applications de l'invention, on mentionnera que, du fait que l'impulsion d'onde électromagnétique reflé- chie présente une puissance élevée, le dispositif réflecteur, conforme à l'invention, peut donc être utilisé en tant que générateur d'impulsion pour la réalisation de la fusion thermonucléaire contrôlée. Egalement à titre d'exemple, le dispositif, selon l'invention, peut être utilisé pour réaliser un maser (ou laser) générateur d'impulsions - Comme il va dé soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne-se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application que l'on a envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS Dispositif destin à réfléchir une impulsion d'onde électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens générateurs d'une impulsion de faisceau d'électrons relativistes, ce faisceau présentant un front avant se déplaçant à une vitesse non négligeable devant celle de la lumière, la zone de réflexion pour l'impulsion d'onde électromagnétique se trouvant à proximité de ce front, ledit dispositif comportant des moyens de synchronisation de la production du faisceau d'électrons avec celle de l'impulsion d'onde électromagnétique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un guide d'onde de forme sensiblement cylindrique, ledit faisceau d'électrons produit par lesdits moyens générateurs ayant, à l'intérieur du guide d'onde, une direction sensiblement parallèle aux génératrices du cylindre formant ledit guide d'onde, la forme et les dimensions de ce guide étant telles que la fréquence de coupure de ce guide soit inférieure à la fréquence de ladite onde électromagnétique en l'absence dudit faisceau, cette fréquence de coupure étant supérieure à la fréquence de l'onde électromagnétique dans la partie dudit guide dans laquelle se trouve le faisceau d'électrons. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs sont agencés pour produire un faisceau d'électrons dont la densité est telle que la fréquence plasma dudit faisceau soit supérieure à la fréquence de ladite onde électromagnétique, mesurée dans un repère lié audit faisceau d'électrons relativistes. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens générateurs d'un champ magnétique de direction sensiblement parallèle à celle du faisceau d'électrons créé par lesdits moyens générateurs de faisceau d'électrons, ces moyens générateurs de faisceau d'électrons et les moyens générateurs du champ magnétique étant agencés de façon telle que la fréquence hybride haute du plasma formé par ledit faisceau soit supérieure à la fréquence de ladite onde électromagnétique mesurée dans un repère lié audit faisceau, cette fréquence de l'onde électromagnétique étant supérieure à la fréquence cyclotron dudit plasma. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs d'un faisceau d'électrons relativistes sont agencés pour qu'au voisinage dudit front avant du faisceau d'électrons soit produit un gradient important de densité des électrons dudit faisceau, de façon telle que la distance caractéristique de gradient présente un minimum dans la zone dudit front avant. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte hermétique, des moyens pour effectuer un vide dans cette enceinte, des moyens pour introduire ledit faisceau d'électrons produit par lesdits moyens générateurs à l'intérieur de cette enceinte, et des moyens pour permettre l'introduction de ladite onde électromagnétique dans la susdite enceinte. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte à l'intérieur de laquelle est disposé un gaz neutre, des moyens pour faire pené- trer le faisceau d'électrons produit par lesdits moyens générateurs à l'intérieur de cette enceinte, et des moyens pour permettre l'introduction de ladite onde électromagnétique à l'intérieur de la susdite enceinte. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications préccdentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de focalisation du faisceau d'électrons produit par les moyens générateurs. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs sont agencés pour que le faisceau d'électrons soit focalisé en un endroit déterminé.