Brevet FR2334194A1 — publié le 19770701

Les canons à électrons à impulsions, utilisés dans les tubes hyperfréquence et dans les accélérateurs de particules, comportent habituellement des cathodes thermoémissives devant lesquelles sont disposées des grilles soumises à une tension pulsée. Le canon est bloqué lorsque la tension de la grille est négative par rapport à la cathode.Mais de tels canons présentent des inconvénients - la capacité parasite grille-cathode limite la durée minimun possible des impulsions à quelques nanosecondes - la puissance de chauffage de la cathode peut être importante (quelques centaines de watts fournis à une électrode portée à un potentiel élevé par rapport à la masse) ; - les circuits fournissant l'impulsion grille-cathode se trou vent portés, eux aussi, à la très haute tension - la grille peut être contaminée par les pulvérisations d'oxyde provenant de la cathode à oxyde et par conséquent peut émettre des électrons - la grille peut amener une déformation des lignes de champ électrique au voisinage de la cathode. Le canon, objet de la présente invention, ne présente pas ces inconvénients. Suivant l'invention, un canon à électrons, à impulsions courtes, comprenantune source pulsée de rayonnement lumineux, des moyens optiques permettant de diriger le rayonnement lumineux sur un matériau photo-émissif > ou photo-cathode, qui, sous l'impact du faisceau lumineux émet des électrons, un multiplicateur à électrons a émission secondaire constitué d'une pluralité de microcanaux compactés formant une galette multiplicatrice, ladite galette présentant une face d'entrée et une face de sortie électriquement conductrices, la face de sortie étant polarisée positivement par rapport à ladite face d'entrée, est caractérisé en ce ou'en aval de ladite galette sont disposées, sur le trajet du faisceau d'électrons issu de cette galette, une première électrode portée sensiblement au mzeme potentiel que ladite race de sortie et ur,e deuxième électrode polarisée positivement par rapport à ladite première électrode, ces électrodes assurant une accélération et une focalisation convenables du faisceau d'électrons issu de ladite galette de microcanaux. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaitront à l'aide de la description ci-après et des dessins qui l'accompagnent et sur lesquels La figure 1 représente schématiquement le processus d'amplification d'un microcanal La figure 2 représente une galette de microcanaux La figure 3 représente un canon à électrons suivant l'invention. Le processus de fonctionnement d'un multiplicateur tubulaire d'électrons montré en figure 1, est simple et a été décrit par Farnsworth dès 1930. Un tube 1, réalisé en un matériau faiblement conducteur, mais présentant une bonne émission secondaire, est muni à ses deux extrémités, respectivement, de deux anneaux 2 et 3 métalliques entre lesquels est appliquée une différence de potentiel de l 000 volts par exemple.Lorsqu'un électron e frappe la paroi du tube 1, le choc donne naissance à plusieurs électrons secondaires qui sont accélérés à l'intérieur du tube par le champ électrique créé par la différence de potentiel appliquée entre les anneaux 2 et 3 de ses deux extrémités, Ces électrons secondairesdonnent, à leur tour, naissance à d'autres électrons, lorsqu'ils viennent frapper la paroi du tube 1 ainsi que le montre schématiquement la figure 1. Le gain fourni par le tube 1 est d'autant plus important que le rapport L/d de la longueur L du tube 1 sur son diamètre d est plus important, sans toutefois excéder une certaine valeur.Afin d'obtenir un faisceau d'électrons de dimensions prédéterminée, il est connu de réunir une pluralité de microcanaux analogues au tube l montré en figure 1, afin d'obtenir une "galette" multiplicatrice comme représentée en figure 2. Cette galette.est recouverte, sur chacune de ses faces, d'un dépAot métallique 6, permettant d'appliquer entre elles une différence de potentiel créant le champ électrique accélérateur dans chacun des tubes 1. La galette multiplicatrice est portée par un cadre métallique 7 permettant d'appliquer les tensions sur chacune de ses faces au moyen de barettes 5. La technique de réalisation de ces "galettes't est maintenant mise au point et peut être comparée à celle qui permet de réaliser les fibres optiques à savoir : étirage et compactage. Le canon à électrons suivant l'invention, montré en figure 3, comporte une telle galette multiplicatrice, cette galette permettant obtenir un faisceau d'électrons à impulsions courtes (impulsions de l'ordre de la nanoseconde) et d'intensité crête très élevée (une centaine d'ampères par exemple). Ce canon à électrons comprend les éléments suivants - un LASER 10, associé à un Jeu de lentilles Il et 12 permettant d'obtenir un faisceau lumineux de dimension prédéterminée - une photo-cathode 13 - une galette multiplicatrice 14 présentant une face d'entrée 15 et une face de sortie 16 électriquement conductrices ; - une première électrode de centrale 17 dite wehnelt ; - une deuxième électrode de contrôle'l8 ou anode ; - des moyens d'alimentation permettant d'appliquer une tension convenable sur chacun de ces éléments. Ces moyens d'alimentation comprennent - une source très haute-tension 20 ; - un générateur d'impulsions 21 commandant le déclenchement du LASER 10 ; - une alimentation haute-tension 22 en courant continu, permettant de polariser la face d'entrée 15 de la galette multiplicatrice 14 par rapport à la photo-cathode 13 ; - une alimentation haute-tension 23 en courant continu, permettant de polariser convenablement, l'une par rapport à l'autre, les faces d'entrée et de sortie 15 et 16 de la galette multiplicatrice 14. En fonctionnement, le wehnelt 17 est sensiblement au même potentiel que la face de sortie 16 de la galette 14 > et l'anode 18 est reliée au pale positif de la source THT 20. Afin d'assurer un positionnement convenable des différents éléments constituant le canon à électrons, ces éléments,dar.s l'ex- emple de réalisation montré en figure 3, sont empilés de la façon suivante - un pied 25 cylindrique, qui peut autre en KOVAR par exemple, porte à l'une de ses extrémités une pastille 26 transparente aux rayons lumineux (en verre par exemple) sur laquelle a été déposé un matériau photo-émissir formant la photo-cathode 13. La galette 14 est portée par un manchon 27 cylindrique en matériau électriquement isolant brasé sur le pied 25. Un épaulement 28 permet le positionnement au wehnelt 17 qui est immobilisé par une bague 29 en matériau électriquement isolant, cette bague 29 portant l'anode 18. Une bague 30, en matériau métallique par exemple, est enfin brasée sur la bague 29 afin de maintenir en place l'anode 18. Ce canon suivant l'invention peut être monté aisément à l'en- trée d'un accélérateur A de particules par exemple. Un épaulement 31 réalisé sur la paroi extérieure du manchon 27 peut permettre de positionner convenablement le LASER 10 et'son optique ~ (lentilles 11 et 12) par rapport à la cathode photo-émissive 13. L'utilisation de galettes multiplicatrices, telles que montrées en figure 2, permet d'obtenir une multiplication d'électrons, par effet de cascade, donnant des gains allant de 102 à 108 suivant les dimensions des tubes utilisés. Ces tubes peuvent avoir des diamètres de quelques dizaines de microns, une longueur de quelques millimètres, alors que le diamètre de la galette peut avoir plusieurs centimètres. Dans l'exemple de réalisation, montré en figure ), le canon à impulsions courtes suivant l'invention peut utiliser un LASER délivrant d'une puissance de 0,1 watt crête à 8 000 ,.Une photo-cathode 13 du type S1 fournit un courant de 2mA par watt environ, soit un courant de 0,2 mA dans l'exemple cité. Dans le cas d'une galette multiplicatrice unique disposée sur le trajet du faisceau d'électrons émis par la photo-cathode 13, le courant crête, fourni à la sortie de la galette multiplicatrice 14 ayant les dimensions suivantes diamètre des tubes ... 40 longueur des tubes ... 2,4 mm diamètre de la galette ... 25 mm est de l'ordre de 60 Ampères} si l'on applique entre les faces d'entrée et de sortie de la galette 14 une différence de potentiel de 1 600 volts. Le faisceau d'électrons correspondant à ce courant crête est focalisé, puis accéléré par la deuxième électrode 18 qui peut être portée à un potentiel positif de plusieurs centaines de KVolts par rapport à la première électrode 17. Le canon suivant l'invention peut autre introduit sans inconvénient dans un champ magnétique de quelques centaines de d'Oerstedts, En effet, les électrons émis par la surface interne des tubes ont une énergie de quelques dizaines de volts. Pour un champ magnétique de 100 Oerstedts, des électrons ayant une énergie de 16 eV ont une traJectoire dont le rayon de courbure est voisin de 100 pm, ce qui est bien supérieur au rayon des tubes. Un tel canon à impulsions présente de nombreux avantages par rapport au canon à grille classique - l'impulsion est élaborée au niveau de la source lumineuse 10, ce qui permet d'utiliser des impulsions de durée inférieure à la nanoseconde ; - seules les alimentations 22 et 23 en courant continu sont portées au potentiel T.H.T ; - suppression de la cathode classique et de son système de chauffage indirect, ceux-ci étant généralement portés au potentiel THT. L'utilisation de ce canon suivant l'invention est particulière- ment avantageuse dans les accélérateurs devant fournir un faisceau d'électrons pulsé de très courte durée et d'intensité très élevée. REVENDICATIONS 1. Canon à électrons, à impulsions courtes, comprenant une source pulsée de rayonnement lumineux, des moyens optiques permettant de diriger ledit rayonnement lumineux sur un matériau photoémissif ou photo-cathode, qui, sous l'impact du faisceau lumineux émet des électrons, un multiplicateur d'électrons à émissions secondaires constitué d'une pluralité de microcanaux compactés formant une galette multiplicatrice, ladite galette présentant une face d'entrée et une face de sortie électriquement conductrices, la face de sortie étant polarisée positivement par rapport à ladite face d'entrée, caractérisé en ce qu'en aval de ladite galette sont disposés, sur le trajet du faisceau d'électrons issu de ladite galette, une première électrode portée sensiblement au même potentiel que ladite face de sortie et une de-u-x-ieme électrode polarisée positivement par rapport à ladite première électrode, ces électrodes ayant une forme telle qu t lles assurent une accélération et une focalisation convenable du faisceau d'électrons issu de ladite galette de microcanaux. 2. Canon à électrons suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source pulsée est un LASER. 3. Canon à électrons suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu1il comporte, entre le LASER et ladite photo-cathode, des lentilles permettant d'obtenir un faisceau lumineux parallèle de dimensions prédéterminées. 4. Canon à électrons suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont positionnées par rapport à la galette multiplicatrice au moyen d'entretoises en matériau électriquement isolant. 5. Accélérateur de particules chargées, caractérisé en ce qu'il comporte un canon à électrons suivant l'une des revendications 1, 2, 3 et 4.