Brevet FR2490004A1 — publié le 19820312

La présente invention se rapporte à une cavité réson- nante de gyrotron et, plus particulièrement, à un procédé pour ajuster sa valeur Q externe à un niveau inférieur à celui que l'on pensait précédemment possible. Le terme "gyrotron", dans le sens o il est utilisé ici, doit être compris comme dési- gnant l'-un quelconque de la famille des dispositifs qui sont basés sur le principe du maser à résonance cyclotron, tels que les tubes à ondes gyro-progressives, les oscillateurs à gyro- tron, les amplificateurs à gyroklystron, etc... Comme décrit, par exemple, dans l'article de A.V. Gapa- nov et autres, Izvestiya Vysshikh Uehebnykh Zavedenii, Radio- fizika, Vol. 18, No 2,1975, un gyrotron, dans sa configuration la plus couramment utilisée, est presque complètement symétri- que par rapport à un axe et comprend un injecteur comportant un canon électronique adiabatique, un résonateur, un guide d' ondes de sortie dont les parois refroidies servent de collec- teur d'électrons et une série de solénoïdes. Son système opti- que électronique est agencé de façon à former un faisceau tu- bulaire d'électrons qui se déplacent suivant des trajectoires hélicoïdales tournant à la fréquence cyclotron. ELant donné que les électrons se déplacent axialement dans une région de champ magnétique croissant, leurs vitesses de rotation augmen- tent et l'énergie de rotation cyclotron des électrons devient égale à plusieurs fois l'énergie du mouvement axial des élec- trons. La résonateur est un segment relativement long d'un guide d'ondes régulier; sa longueur utile L (ou la plus gran- de longueur longitudinale d'homogénéité du champ magnétique à l'intérieur de la cavité) est, en général, égale à plusieurs fois la valeur A, à savoir la longueur d'onde dans le vide de résonance de la cavité. Il est limité à l'extrémité côté in- jecteur par un étranglement à travers lequel les électrons pénètrent dans le résonateur et, à l'extrémité opposée, par une transition de raccordement au guide d'ondes externe. Des résonateurs ayant des profils simples représentés sur la Fig.l ont été étudiés par Gapanov et autres et il a été indiqué dans l'article cité ci-dessus de ces auteurs que la plus faible va- leur de Q qui peut être atteinte se situe légèrement au-dessus du double de la limite de diffraction. Cette conclusion impose une limitation critique en ce qui concerne la conception des gyrotrons du fait que la va- leur Q limitée par la diffraction est donnée par Qdiff= 4 ri (L/&) et lorsqu'on calcule la valeur Q désirée pour obtenir le rendement maximal du gyrotron, cette valeur désirée est souvent inférieure au double de Qdiff* L'un des buts de l'invention est de réaliser une cavité résonnante de gyrotron ayantun rendement amélioré. Un autre but est de proposer un procédé de chargement de sortie qui peut être utilisé pour obtenir des valeurs de Q externe pour une cavité résonnante de gyrotron qui sont inférieures au dou- ble de la valeur de Q.limitée par la diffraction. Ces buts ont été atteints en donnant a la transition entre le résonateur et le guide d'ondes de sortie une forme lisse et régulière ou, plus spécifiquement, en supprimant un étranglement à la jonction entre le résonateur et le guide d' ondes de sortie et en réduisant l'angle de conicité des parois internes du guide d'ondes de sortie par rapport aux valeurs utilisées dans les constructions antérieures. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard du dessin annexé sur le- quel: - - les Fig. la et lb représentent les profils de résonateurs qui ont été étudiés et décrits par Gapanov et autres dans l'ar- ticle précité; - la Fig. 2 représente le profil d'une cavité résonante de gyrotron selon la présente invention; et - la Fig. 3 représente les relations typiques entre la valeur Q et l'angle de conicité du guide d'ondes de sortie. Sur la Fig.2 à laquelle on se référera maintenant, on a représenté une cavité résonante 10 de gyrotron qui comporte les caractéristiques de l'invention. Plus particulièrement, le résonateur 10 est représenté comme étant un guide d'ondes cylindrique ordinaire ayant une paroi intérieure 12 à section transversale circulaire uniforme et un axe de symétrie 13. A une extrémité, que l'on peut appeler l'extrémité amont, le ré- sonateur 10 est limité par un étranglement 15 délimitant une fenêtre 17 pour admettre un faisceau d'électrons à l'intérieur du résonateur. A l'extrémité opposée, que l'on peut appeler extrémité aval, le résonateur 10 est raccordé à un guide d'on- des de sortie 20 dans lequel il débouche directement en fran- chissant un plan de jonction 30 qui est perpendiculaire à l'a- xe de symétrie 13. Le guide d'ondes de sortie 20 comprend une paroi 25 à section croissante qui a localement une forme coni- que par rapport à l'axe 13, à la jonction 30, et dont la sec- tion transversale s'accrolt régulièrement dans la direction aval. Le contact entre le résonateur 10 et le guide d'ondes de sortie 20 ou celui entre la paroi intérieure 12 du résonateur et la paroi 25 à section croissante est réalisé extrêmement lisse, au passage du plan de jonction 30 de façon, par exemple, à empêcher la conversion du rayonnement de sortie en modes in- désirables. En d'autres termes, à la différence de la construc- tion représentée sur la Fig. 1(a), il n'y a aucun resserrement entre le résonateur 10 et le guide d'ondes de sortie 20. On désignera par la référence Q l'angle formé entre la paroi 25 à section croissante et l'axe 13, au niveau du plan de jonction 30. Lorsque la combinaison décrite cidessus et représentée sur la Fig.2 est utilisée en tant qu'élément d'un gyrotron, un système injecteur d'électrons constitué, par exemple, par un canon électronique d'injection de magnétron, est disposé du côté amont du résonateur 10. Un système de solénoïdes engendre un champ magnétique le long du trajet des électrons de sorte que les électrons du système injecteur entrent dans le résona- teur 10 à travers la fenêtre 17 tout en tournant suivant des trajectoires hélicoïdales et en se déplaçant, dans l'ensemble, vers l'aval, suivant l'axe 13. A leur sortie du résonateur 10, les électrons pénètrent dans un champ magnétique décroissant et atteignent un collecteur (non représenté) o ils sont re- cueillis. Une partie aval de la paroi 25 à section croissante peut être utilisée comme collecteur ou le guide d'ondes de sortie 20 peut être construit sous forme d'un coupleur servant à relier le résonateur 10 à un collecteur. On règle l'angle O défini ci-dessus de façon à obtenir une valeur Q désirée. Les plus petits anglès Q fournissent généralement de faibles valeurs Q du fait que la discontinuité dans la paroi conductrice au plan de jonction 30 devient moins abrupte. Sur la Fig.3 à laquelle on se référera maintenant et qui représente la relation entre les valeurs O et Q de résona- teurs du type représenté sur la Fig.2, on a indiqué en ordon- née la valeur Q en unités Qdiff et en abscisse l'angle O. La courbe 41 se rapporte à des résonateurs pour lesquels L/ih = 6,12 et qui résonnent dans le mode électrique circulaire TE Cette courbe obtenue expérimentalement montre qu'on peut ob- tenir des valeurs Q inférieures au double de la valeur limitée par la diffraction en donnant à l'angle Q une valeur suffisam- ment petite bien que l'angle critique au-dessous duquel l'an- gle O doit être réduit à cette fin dépende d'autres facteurs liés au choix du mode de résonateur et à la forme de tout ac- croissement de section progressif dans la paroi intérieure 12 du résonateur. Dans le cas o L est égale à plusieurs longueurs d'onde et o les modes électriques circulaires du résonateur sont choisis, cependant, il semble suffisant de choisir O in- férieur à environ 10-15 . Bien que l'on ait décrit la présente invention par ré- férence, à quelques modes de réalisation, cette description ne doit pas être considérée comme donnée à titre de limitation mais simplement d'illustration. Par exempni, il n'est pas né- cessaire que la combinaison cavité-résonante-guide d'onde de sortie constitue un élément d'un gyrotron, la section trans- versale de la cavité résonnante 10 perpendiculaire à l'axe de symétrie 13 peut être elliptique, rectangulaire ou carrée plu- tôt que circulaire et il n'est pas nécessaire que la paroi intérieure 25 du guide d'ondes de sortie 20 soit conique (Q re- présentant dans un tel cas la discontinuité dans la pente de la partie limitrophe du guide d'ondes, au plan de jonction 30). REVENDICATIONS 1 - Elément résonateur caractérisé en ce qu'il comprend une cavité résonnante (10) et un guide d'ondes de sortie (20) cet élément ayant une direction longitudinale et une valeur Q inférieure à 8r (L/À)2 formule dans laquelle L est la lon- gueur utile de la cavité résonnante suivant ladite direction et 8 est la longueur d'onde dans le vide de la résonance à l'intérieur du résonateur, le résonateur étant raccordé au gui- de d'ondes de sortie dans lequel il débouche en travers d'un plan de jonction (30) qui est perpendiculaire à ladite direc- tion, chaque partie de la paroi intérieure (25) du guide d'on- des de sortie faisant un angle inférieur à un angle maximal prédéterminé avec ladite direction. 2 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de la section transversale du guide d'ondes de sortie parallèle au plan de jonction s'accroît de façon mono- tone dans ladite direction longitudinale. 3 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle maximal prédéterminé est inférieur à 200. 4 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle maximal prédéterminé est inférieur à 10 . - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité résonnante a une section transversale uniformé- ment circulaire perpendiculairement à la direction longitudi- nale. 6 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide d'ondes de sortie a une forme conique. 7 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité résonnante a une section transversale elliptique uniforme. 8 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un gyrotron.