Brevet FR2389256A1 — publié le 19781124

La présente invention, due aux travaux de Messieurs J.M. Buzzi, M.J. Doucet, H. Lamain et C. Rouille du Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés de l'école Polytechnique et de Messieurs J. Delvaux et J.C. Jouys du Commissariat a l'Energle Atomique, a pour objet un procédé pour engendrer des ondes électromagnétiques hyperfréquences et un générateur du type "maser synchrotron" mettant en oeuvre ledit procédé. Elle trouve une application notamment a la réalisation de sources radar de très grande puissance. On connaît des procédés et dispositifs pour engendrer des ondes électromagnétiques situées dans la gamme des hyper fréquences (dénommées encore "microondes", qui sont basés sur le phénomène de rayonnement synchrotron auquel donnent naissance des électrons dans certaines conditions bien particulières. Sans entrer dans le détail des interprétations physiques d'un tel phEnombne, ce qui nécessiterait de longs développements faisant appel à des théories quantiques et relativistes, qui sortiraient largement du cadre de la description qui va suivre, on peut, très schématiquement, esquisser le princlpe de fonctionnement de ces dispositifs de la manière suivante. Lorsqu'on injecte un faisceau d'électrons dans un champ magnétique avec une énergie perpendiculaire, les électrons sont soumis à un mouvement cyclotronique qui donne naissdnce à un rayonnement dit rayonnement cyclotron. Les effets relatlvlstes modifient ce rayonnement et le transforment en rayonnement synchroton. La fréquence de ce rayonnement est celle de la fréquence synchrotron des électrons. En général, le faisceau d'électrons est injecté dans un guide d'onde. Lorsque la fréquence du rayonnement synchrotron ont supérieure à la fréquence de coupure du guide, pour un mode de propagation donné, ce rayonnement peut se propager dans le guide. Pour qu'il pulse globalement s'amplifier, il est nécessaire que le nombre d'électrons susceptibles d'6met- tre co rayonnement l'emporte sur le nombre susceptible de l'abxorber- On peut montrer que cette condition est d'autant mieux satlsfaite que les électrons sont animés d'une vitesse proche de la vitesse de la lumière.Dans ces conditions, en effet, l'augmentation relativiste de la masse des électrons entrotne la disparition de l'équidistance des niveaux d'anergie des électrons dans le champ magnétique, de sorte que la réabsorption du rayonnement synchrotron pe etre limitée. En utilisant des électrons dits "relativistes", on peut obtenir un milieu amplificateur pour des répartitions convenables en énergie perpendiculaire des électrons (inversion de population) Comme l'amplification du rayonnement est rendue possible par le truchement du champ magnétique, on a pu dire qu'il s'agissait la d'un "pompage magnétique", par analogie aux dispositifs optiques qui sont le siège d'un "pompage optique".Lorsque la fréquence du rayonnement électromagnétique engendré par les électrons est un peu supérieure a la fréquence de coupure du guide pour le mode de propagdtton considéré, ce rayonnement chemine dans le guide avec une vitesse de groupe très faible, en se réfléchissant sur les parois du guide. Si les conditions précédentes sont aatis- faites, ce rayonnement s'dmplifie en prélevant de l'énergie aux électrons, d'une manière qui rappelle le mécanisme d'amplification dans un laser optique.Aussi, appelle-t-on quelquefois ces générateurs blaser a électrons libres" ou encore "masers synchrotrons" L'efficacité d'un tel dispositif est essentiellement liée å la conversion de l'énergie longitudinale du faisceau (c'est-à-dire l'énergie correspondant à la composante axiale de la vitesse des électrons, énergie dite aussi "énergie parallèle") en énergie transversale (c'est-a-dire l'énergie correspondant à la composante de la vitesse située dans le plan perpendiculaire à l'axe moyen du faisceau, énergle dite aussi "énergie perpendiculaire"). Cette conversion de l'énergie parallèle en énergie perpendiculaire peut être obtenue de plusieurs manières. Dans le cas où l'intensité du faisceau d'électrons est faible (s 1 A), on applique au faisceau d'électrons un champ magnétique modulé en tire-bouchon et l'on fait croitre l'intensité du champ magnétique de manière adiabatique. Un tel procédé conduit cependant à des puissances émises assez faibles, de l'ordre du Watt. On pourra consulter à ce sujet l'article de J.L. Hirshfield et al., intitulé "Electron Cyclotron Maser", publié dans la revue "Physical Review Letters", volume 12, 11 mai 1964 , n0 19, page 533. Une autre méthode, applicable aux dispositifs utilisant un faisceau d'électrons plus intense (d 1 kA), consiste à appliquer un champ magnétique et à effectuer une modulation non adiabatique de ce champ Mais, un tel procédé conduit encore à une conversion en énergie perpendiculaire assez faible et à un spectre d'émission très large. L'utilisation d'un champ magnétique constant, présentant, en une ou plusieurs zones du guide, une forte perturbation, s'est avérée un moyen efficace puisqu'elle conduit à des puissances de l'ordre de 50 MW aux environs de 8 GHz avec une intensité du faisceau électronique de l'ordre de 10 kA. A propos de cette dernière catégorie de dispositifs, on pourra consulter l'article intitulé "An electron synchrotron maser based on an intense relativistic electron beamw de V.L. Granatstein et al., publié dans la revue "Journal of Applied Physics", volume 46, n0 5, mai 1975, page 2021 et les articles cités en référence, qui sont.considérés comme incorporés à la présente description. Ces dispositifs de l'art antérieur, dont le principe vient d'étire sommairement exposé, présentent de nombreux inconvénients. Tout d'abord, ils nécessitent l'utilisation de moyens pour créer un champ magnétique. Or de tels moyens sont lourds et encombrants surtout si l'on veut obtenir, comme c'est le cas dans le dispositif objet du dernier article cité, des champs de 5 à 10 kG. Il est alors exclu d'utiliser ce genre de générateurs comme source radar aéroportée. En outre, comme la fréquence de l'onde émise par ces dispositifs est voisine de la fréquence cyclotron des électrons, laquelle est inversement proportionnelle au champ magnétique appliqué, l'obtention de tres courtes longueurs d'ondes (millimétriques par exemple) nécessite des champs magnétiques très intenses. On pourrait, certes, les obtenir en laboratoire, notamment à l'aide de bobines supraconductrices, mais c'est un procédé très cher. La présente invention évite ces inconvénients car elle s'affranchit des moyens extérieurs de création d'un champ magnétique. A cette fin, l'invention utilise, pour provoquer le pompage magnétique, le champ magnétique propre au faisceau d'électrons. Puisqu'il est, par nature, dans un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau, ce champ est apte à transformer une partie de 1 énergie parallèle des électrons en énergie perpendiculaire et à réaliser ainsi- l'inversion de population electronique nécessaire à l'amplification du rayonnement synchrotron.Toutefois, comme la fréquence dudit rayonnement doit étire, comme dans l'art antérieur, supérieure à la fréquence de coupure du guide, il est nécessaire que le champ magnétique créé par le faisceau soit supérieur à la valeur critique qui donne à la fréquence synchrotron une valeur égale à la fréquence de coupure. Mais comme le champ dépend à son tour de l'intensité du faisceau d'électrons, cela signifie que ladite intensité doit entre, elle aussi, supérieure à une valeur critique. En définitive, l'unique condition à satisfaire est que I'intensité du faisceau électronique soit suffisamment grande pour que la fréquence synchrotron des électrons soit située audelà de la fréquence de coupure du guide. En fait, comme le champ magnétique en un point du faisceau d'électrons -augmente avec la distance à l'axe du faisceau, cette condition doit entre au moins satisfaite pour les électrons périphériques. De façon précise, la présente invention a donc pour objet un procédé pour engendrer des ondes électromagnétiques hyperfréquences, du genre de ceux dans lesquels on injecte dans un guide d'onde un faisceau d'électrons relativistes, caractérisé en ce qu'on injecte un faisceau ayant une intensité supérieure à une valeur critique qui est celle pour laquelle des électrons périphériques du faisceau ont, sous l'effet du champ magnétique provoqué par le faisceau iui-meme, une fréquence synchrotron au moins égale à la fréquence de coupure du guide pour un mode de propagation donné. La présente invention a également pour objet un générateur d'ondes électromagnétiques hyperfréquences mettant en oeuvre ledit procédé, du genre de ceux qui comprennent des moyens pour injecter dans un guide d'onde un faisceau d'électrons relativistes, caractérisé en ce que l'intensité du faisceau d' électrons est supérieure à une valeur critique qui est celle pour laquelle des électrons périphériques du faisceau ont, sous l'effet du champ magnétique provoqué par le faisceau lui même, une fréquence synchrotron égale à la fréquence de coupure du guide, pour un mode de propagation donné. Dans ces définitions, l'expression "électrons relativistes" signifie ceci l'énergie cinétique des électrons est de l'ordre de grandeur, ou supérieure à son énergie de masse au repos mOc' = 511 keV. Quant à l'expression "ondes hyperfréquences", elle se rapporte classiquement aux ondes dont la longueur est comprise dans la plage allant sensiblement du millimètre à quelques décimètres. La condition fixant le seuil d'intensité du faisceau d'électrons peut être précisée de la manière suivante. A la périphérie d'un faisceau électronique uniforme de rayon r, d'intensité I et de longueur infinie, règne une induction magnétique B de valeur où p est la perméabilité du milieu. Comme le faisceau n'est ni uniforme, ni de longueur infinie, l'induction en un point prend en réalité une valeur où-f est un facteur de forme iritérieur à l'unité.La fréquence eB cyclotron, égale à zone où e est la valeur absolue de la charge de l'électron et m a masse, est égale, pour les électrons ?é- riphériques à Si l'on néglige l'effet Doppler, on peut écrire que cette fréquence doit être au moins égale à ia fréquence de coupure FC du guide pour le mode de propagation choisi, ce qui conduit à l'inégalité On en deduit la condition sur le courant I du faisceau électronique Il va de soi que cette relation, qui vient d'être établie de manière très simplifiée, n'est donnée ici qu'à titre illustratif pour fixer les ordres de grandeurs. Pratiquement, on opérera avec des courants intenses de l'ordre des valeurs limites des courants susceptibles d'etre transportés. Par exemple pour un faisceau neutralisé, la limite est celle donnée par Alfven IA # 17000 ssy ampères où ss = v et c y = (1 - ss)- 1/2. On opérera par exemple au-delà de 10kA et par exemple vers la certaine de kA. Pour pouvoir injecter de tels faisceaux d'électrons dans un guide, il est nécessaire de prendre des précautions particulières. Plusieurs variantes sont possibles, dont les deux principales sont les suivantes. La première consiste à remplir le guide dans lequel on désire injecter le faisceau, d'un gaz à basse pression, par exemple comprise entre l0 3 et l torr. Ce gaz peut être de l'air, de l'azote ou de l'hélium par exemple. Ce gaz permet de neutraliser en partie le faisceau, par la création d'un courant de retour, ce qui diminue les forces électriques tendant à s'opposer au transfert du faisceau dans le guide. La seconde consiste à créer, dans le voisinage de la zone de pénétration du faisceau, un champ magnétique. L'existence de ce champ peut laisser croire qu'on retrouve les dispositifs de l'art antérieur, mais il n'en est rien pour les raisons suivantes. Dans l'art antérieur, le champ magnétique utilisé a essentiellement pour fonction d'effectuer le "pompage magnétique".A cette fin, il présente une intense perturbation tres localisée, ou meme, une perturbation périodique, ou encore une modulation non adiabatique Dans l'invention, le pompage magnétique est créé par le champ azimutal propre au faisceau et le champ longitudinal supplémentaire ne sert qu'à améliorer les conditions de transfert du faisceau ; ce champ ne présente donc pas de perturbation intense, ni de modulation non adiabatique. C'est par exemple un champ homogène et permanent. Il est donc clair que l'on peut fort bien utiliser le dispositif de l'invention sans ce champ magnétique auxiliaire, avec un guide rempli de gaz à basse pression, mais qu'on peut améliorer le transfert du faisceau en combinant ces deux moyens. De toute manière, on s'efforce d'utiliser une source d'électrons à basse impédance, afin de favoriser la création d'un courant intense. On peut aussi utiliser un champ magnétique transverse, à titre accessoire, pour améliorer la conversion d'énergie parallèle en énergie perpendiculaire ainsi qu'il est connu dans les dispositifs antérieurs, mais un tel champ n'est nullement nécessaire. Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaltront mieux après la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné a titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un generateur selon l'invention permettant l'obtention d'une émission de puissance dépassant le Gigawatt en bande X ;; - la figure 2 représente l'évolution de la puissance émise par le générateur de la figure 1 - la figure 3 est un diagramme représentant les variations de la puissance émise en fonction de la pression de gaz dans le guide sur la figure 1,' est représentée schématiquement une -variante de réalisation du générateur de l1invention. Ce dispositif comprend une source d'électrons 2 constituée par une ligne 4, d'impédance voisine de 2 Ohms, chargée à l'aide d'un générateur de Marx 6 , l'ensemble délivre une impulsion de l'ordre de 400 kV sur une cathode 8, par exemple en graphite, de quelques centimètres de diamètre.Cette cathode est placée à quelques millimètres d'une anode 10, par exemple en mylar, de quelques microns d'épaisseur, aluminisée sur ses deux faces- et disposée dans une enceinte où règne une pression résiduelle inférieure à 10 4 torr. Un tel dispositif délivre un courant maximum de 220 kA sous une tension de 350 ka. Le temps de montée de l'impulsion est de l'ordre de 50 ns et la durée de l'impulsion à mi-hauteur est voisine de 150 ns. Le faisceau d'électrons 12 est injecté à travers la feuille constituant l'anode dans une enceinte 14 en acier inoxydable comportant deux tubes cylindriques conducteurs, respectivement 16 et 18, réunis par un tronc de cbne 20. Le premier tube conducteur 16 est par exemple en cuivre feuilleté pour éviter l'apparition de courant de Foucault ; il a un diamètre de 10 cm et une longueur de 40 cm. Il est placé derrière l'anode 12, son axe de révolution coïncidant avec celui de la source d'électrons 2. La pression qui règne dans l'enceinte 14 varie entre 5.10 ~ torr et quelques torr. Le gaz utilisé est le gaz résiduel à basse pression et de l'air à pression plus éleviez Le guide d'onde proprement dit est constitué par un tube 18, de diamètre 5 an et de longueur 80 cm, en acier inoxydable, centré sur le premier tube 16 auquel il est raccordé par le tronc de cône 20, qui joue le rôle d'adaptateurO L'extrérmté du tube cylindrique 18 est fermée par une fenêtre 22, par exemple en téflon, d'épaisseur 5 irm. Un cornet conique 24, de grande dimension, assure une bonne adaptation entre le guide 18 et l'espace libre. La détection de tonde hyperfréquence émise par un tel dispositif s'effectue par des moyens classiques non représentés et notamment par un cornet mobile associé à des atténuateurs convenables et à un détecteur ; une ligne à retard dispersive permet l'analyse spectrale du signal. I1 va de soi qu'on ne sortirait pas du cadre de l'in vention en supprimant le tube 16 èt la transition 20 et en injectant directement le faisceau d'électrons dans un tube unique 18 Ce tube 18 peut être de forme quelconque : cylindrique comme c'est le cas dans la variante de la figure 1, mais aussi rectangulaire ou coaxiale si l'on veut créer un retour du courant par le conducteur central Sur la figure l,-est représentée en outre-une bobine de champ magnétique 26 dont la fonction est de créer, dans la zone de propagation du faisceau d ' électrons 12, un champ magnétique dont le rôle est de faciliter le transfert dudit faisceau, ainsi qu'il a été expliqué plus haut.Ce champ est un champ permanent ne présentant pas de perturbation intense comme dans les dispositifs de l'art antérieur. Son intensité peut être de l'ordre de 1 Tesla. On doit observer à nouveau que la fréquence synchrotron des électrons du faisceau 12 n'est pas déterminée par ce champ magnétique qui, ainsi qu'il a etc dit, peut très bien ne pas exister dans des modes de réalisation simplifiés. La figure 2 montre l'évolution de la puissance de l'onde hyperfréquence émise par un tel dispositif. Le temps figure en abscisses, les intervalles marqués étant de 10 ns. Une impulsion intense est obtenue pendant 30 ns environ, duree sensiblement égale à celle de l'émission intense du faisceau d'électrons (qui peut être mesurée en détectant le rayonnement y émis au niveau de l'anode). La puissance correspondant à cette impulsion est de l'ordre de 500 MW à 1 GW. Deux impulsions très brèves (de quelques ns) se superpcsent à cette impulsion. Elles correspondent a une puissance de 1 a 2 GW. Le rendement du dispositif est de l'ordre de 2% en puissance La mesure de la fréquence de l'onde émise, mesurée par le retard du signal dans une ligne dispersive, montre l'existen- ce de trois signaux de fréquence respectivement égales a 9, 11 et 14 GHz.On observe que ces trois fréquences sont remarquablement reproductibles, qu'elles sont indépendantes de la valeur de la pression du gaz, du champ magnétique de transfert et de la longueur du tube 18, qui peut entre prolongé jusqu'a quelqueo centimètres de l'anode, a l'intérieur du tube 16. Ces fréquence correspondent sensiblement aux fréquence de coupure du guide, compte tenu de la présence du faisceau d'électrons, respectivement pour les modes de propagation TM11, TM21, TM31. L'étude expérimentale montre en outre qu'il existe une valeur critique pour le courant du faisceau, en-dessous de laquelle l'émission ne se produit plus, ce qui s'interprète aisément à l'aide des considerations théoriques données plus haut. La figure 3 donne les variations de la puissance émise en fonction de la pression du gaz résiduel de l'enceinte, expri mée en torr. Il va de soi que la portée de la présente invention ne dépend en rien de l'exactitude des interprétations de caractère scientifique qui ont été données plus haut et qui ne sont des tinées qu'à éclairer les résultats expérimentaux obtenus. R 3DICATIONS 1. Procédé pour engendrer des ondes électromagnétiques hyperfréquences, du genre de ceux dans lesquels on injecte dans un guide d'onde un faisceau d'électrons relatiistes, caractéri- sé en ce qu'on injecte un faisceau ayant une intensité supérieure à une valeur critique qui est celle pour laquelle des électrons périphériques du faisceau ont, sous l'effet du champ magnétique provoqué par le faisceau lui-même, une fréquence synchrotron au moins égale à la fréquence de coupure du guide pour un mode de propagation donne. 2. Générateur d'ondes électromagnétiques hyperfréquences mettant en oeuvre le procédé de la revendication 1, du genre de ceux qui comprennent des moyens pour injecter dans un guide d'onde un faisceau d'électrons relativistes, caractérisé en ce que l'intensité du faisceau d'électrons est supérieure à une valeur critique qui est celle pour laquelle des électrons périphériques du faisceau ont, sous l'effet du champ magnétique provoqué par le faisceau lui-mssme, une fréquence synchrotron égale à la fréquence de coupure du guide pour un mode de propagation donné. 3O Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau d'électrons a une intensité au moins égale à lokA. 4. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le guide-d'onde contient un gaz à basse pression. 5. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pression est comprise entre 10 3 et l torr. 6. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour créer dans le guide un champ magnétique parallèle au faisceau. 7. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour créer dans le guide un champ magnétique perpendiculaire.