Brevet FR2492158A1 — publié le 19820416

La présente invention est relative aux généra- teurs d'ondes électromagnétiques à très haute fréquence et à grande puissance. Un dispositif des plus intéressant. dans ce domaine est le gyrotron" dans lequel un faisceau linéaire d'électrons dans un champ magnétique axial est u- tilisé pour convertir l'énergie axiale en un mouvement os- cillant transversal au champ axial. Le mouvement transver- sal réagit avec le'champ électrique transversal d'une onde électromagnétique comme un mode de champ électrique circu--, laire d'une cavité cylindrique, de sorte que l'onde est am- plifiée. Le gyrotron présente l'avantage par rapport aux klystrons classiques et aux tubes à ondes progressive que le circuit électromagnétique peut être bien plus grand que la longueur d'onde d'espace libre de l'onde engendrée. Les gyrotrons de la technique antérieure uti- lisent un faisceau creux d'électrons provenant d'un canon de magnétron. Un tel canon est décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique Nô 3.258. 626. Les électrons attirés radialement de la surface de la cathode vers l'anode qui l'entoure acquièrent immédiatement une vitesse de rotation autour de l'axe en coupant le champ magnétique axial. Ce faisceau creux rotatif est introduit dans une cavité sup- portant une onde électromagnétique stationnaire à mode de champ électrique circulaire. La composante de vitesse de rotation coopère avec cette onde, en produisant un mou- vement orbital des électrons à la fréquence de cyclotron dans un champ magnétique axial uniforme. Le courant d'élec- trons transversal à haute fréquence cède de l'énergie à la composante de champ électrique de l'onde, qui croit au fur et à mesure que le faisceau se propage dans la cavité, en- gendrant l'onde de sortie utile. Ces tubes présentent l'in- convénient que le faisceau est nécessairement creux de sorte que la cavité doit être assez grande pour traiter un cou- rant de faisceau élevé. Il se pose ainsi des problèmes avec des modes parasites et le rayonnement à travers les ouvertures d'entrée et de sortie du faisceau. Un procédé pour convertir l'énergie axiale des particules chargées dans un champ magnétique en une énergie transversale a été décrit par Richard C. Wingerson dans "Physical Rewiew Letters" du 1 mai 1961, page 446 à 448. Ce "tire-bouchon" est un dispositif pour produire une composante hélicoïdale d'un champ magnétique ayant un pas tel que des électrons se déplaçant axialement coopèrent avec lui à leur fréquence de cyclotron. Ainsi des électrons n'ayant pas de vitesse transversale initiale peuvent rapidement coo- pérer avec le champ hélicoidal pour convertir leur énergie axiale en énergie transversal dans une proportion pouvant atteindre 100%. Wingerson considère ce dispositif comme un miroir réfléchissant pour des particules confinées magné- tiquement. Il a plus tard été suggéré de l'utiliser com- me dispositif pour engendrer des vitesses transversales dans un faisceau d'électrons pour coopérer avec un gyro- tron. Dans cette application il présente l'avantage que le faisceau n'est pas nécessairement creux, de sorte que plus de courant peut passer par des ouvertures d'entrée et de sortie plus petites, réduisant ainsi le problème des per- tes par rayonnement à travers elles. Le champ en tire-bouchon présente un incon- vénient majeur. Le champ hélicoidal est produit par un géné- rateur de champ situé à l'extérieur du faisceau, et de ce fait il est plus puissant au voisinage de l'extérieur du faisceau qu'au voisinage de l'axe. Ainsi, à différents rayons des électrons ont des énergies transversales diffé- rentes, ce qui limite le rendement de l'interaction du gyro- tron. L'invention a en conséquence pour but de four- nir un générateur d'ondes du type gyrotron ayant un rendement amélioré, des pertes par rayonnement réduites et ayant des modes parasites réduits. Ces buts sont atteints en utilisant un champ magnétique hélicoidal pour produire des vitesses transver- sales grâce à quoi un orifice d'entrée de petit diamètre pour empocher le rayonnement parasite à travers lui, et une cavité d'interaction de petit diamètre avec un mode de champ électrique circulaire d'ordre inférieur, font obstacle aux modes parasites. La longueur axiale du champ hélicoïdal est réglée de façon critique de telle sorte que des électrons à différents rayons de l'axe sortent du champ hélicoldal avec la même énergie transversale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appara tront au cours de la description qui va suivre faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels; la Fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un gyrotron de la technique antérieure; la Fig. 2 illustre un nouveau procédé pour in- troduire une vitesse de rotation; la Fig. 3 est une vue en coupe axiale du ré- sonateur d'un oscillateur gyro-klystron utilisant un champ magnétique hélicoïdal; la Fig. 4 est un diagramme de l'énergie trans- versale dans un faisceau dans un champ hélicoldal; la Fig. 5 est un diagramme analogue à celui de la Fig. 4 pour différents paramètres. La Fig. 1 montre schématiquement un oscilla- teur gyro-klystron de la technique antérieure. Un faisceau creux 10 d'électrons est attiré d'une cathode thermo-ioni- que 12 de forme conique convergente au moyen d'un poten- tiel positif appliqué à une anode creuse 14 qui l'entoure., Ce "canon d'injection de magnétron" est plongé dans un champ magnétique axial engendré par un soléno!de 16 qui l'entou- re. Un tel canon est décrit dans le brevet U.S. Né 3.258.626. Au fur et à mesure que les électrons 10 sont arrachés de la cathode 12 ils coupent les lignes du champ magnétique et reçoivent une certaine vitesse de rotation autour de l'axe 18. La cathode 12 et l'anode 14 sont toutes deux de forme convergente de sorte qu'il existe une composante axiale de la vitesse des électrons qui attire le faisceau d'électrons hors du canon comme un faisceau creux tournant autour de son axe et progressant dans la direction du diamètre dé- croissant des électrodes 12 et 14. Le faisceau 10 d'électrodes est attiré par un autre potentiel plus positif dans le corps principal 20 du gyrotron. Dans la zône 22 d'entrée le champ magnétique axial engendré par un secon solénoide 24 augmente considérablement. Le faisceau 10 est ainsi comprimé dans le sens de son diamè- tre. Sa vitesse de rotation autour de l'axe est également accrue tandis que sa vitesse axiale diminue. L'énergie axia- le est convertie en énergie rotationnelle. Le diagramme 26 montre la valeur du champ magnétique portée en fonction de la position axiale dans le gyrotron directement au-dessous. Apres que le faisceau 10 ait été comprimé, il pénètre dansla cavité 28 d'interaction. Cette cavité est une cavité circulaire symétrique ayant des parois en cuivre de conductivité élevée. La cavité 28 est dimensionnée de fa- çon à être électromagnétiquement résonnante dans un mode avec un champ électrique circulaire perpendiculaire à 1' axe. Ceci peut -tre le mode d'ordre inférieur TEol. En va- riante il peut être le mode d'ordre plus élevé TEom o m est le nombre de maximum de champ entre l'axe 18 et la paroi externe 30 de la cavité. A Iletrémité d'entrée du faisceau la paroi 30 de la cavité est reserree pour for- mer une ouverture 32 ayant un diamètre suffisamment petit pour empêcher la transmission de 7 onde de la cavité avec les pertes consécutives d'énergie. A l'extremité de sortie du faisceau une ouverture analogue 34 n'est pas complète- ment découpée pour l'onde mais permet à la fraction dési- rée de passer dans le guide d'onde 36 de sortie et émerge à travers la fenêtre diélectrique 38 à vide pour pénétrer dans une charge (non représentée). En fonctionnement, la composante de vitesse de rotation du faisceau 10 d'électrons coopère avec le champ électrique circulaire de l'onde stationnaire de la cavité pour produire une composante de mouvement de rota- tion autour des lignes du champ magnétique. Cette composan- te à haute fréquence induit une nouvelle énergie dans l'on- de stationnaire, supportant ainsi une oscillation continue et engendrant une énergie utile à hyper-fréquence. L'avan- tage du gyrotron pour des puissances de fréquence très é- levées est que la cavité résonnante présente des dimensions de plusieurs longueurs d'onde se propageant dans l'espace libre au lieu de la fraction d'une longueur d'onde pour les cavités de klystron. Le faisceau peut également avoir un diamètre de plusieurs longueurs d'onde. La cavité d'interaction 28 présente une forme convergente ayant un diamètre plus grand vers son extrémi- té de sortie de sorte que l'amplitude de l'onde stationnaire augmente pour une interaction cumulative. En sortant de la cavité 28 le faisceau 10 pé- nètre dans une région 40 de champ magnétique décroissant et son diamètre augmente en conséquence jusqu'à ce qu'il soit recueilli sur la paroi externe 42 du guide d'onde 36 de pro- pagation qui est refroidi par des circuits d'eau 44. Ainsi les fonctions de collecteur de faisceau et de guide d'onde de sortie se trouvent combinées. Un problème qui se pose avec ce gyrotron de la technique antérieure est que la vitesse initiale de ro- tation du faisceau provient du canon du magnétron. Le de- gré de vitesse de rotation est déterminé par les caracté- ristiques du canon et ne peuvent être choisies individuel- lement. De même le faisceau est intrinsèquement creux et de ce fait il doit être plus grand qu'un faisceau plein de même densité de courant. Le faisceau plus grand pose plus de problèmes avec des modes électromagnétiques et des fui- tes indésirables à travers les ouvertures. Richard C. Wingerson a suggéré dans "Physical Review Letters" volume Nô 6, Nô 9, 1 mai 1961 page 446, 448 une manière améliorée d'introduire dans une énergie ro- tationnelle sur un faisceau de particules chargées. Ce moyen consiste à faire passer le faisceau à travers un champ ma- gnétique axial auquel on a ajouté une composante en tire- bouchon. La Fig. 2 illustre l'appareil et le résultat. Le faisceau 45 passant dans la direction du champ axial Ba tra- verse un aimant hélicoïdal 46 qui est une bande de fer ai- mantée par le champ axial. La direction de la composante transversale du champ magnétique tourne lorsqu'on progres- se en descendant à partir de l'axe. Le pas p du tire-bou- chon est choisi égal à la longueur d'onde de cyclotron (la distance axiale que parcourt une particule dans le temps nécessaire pour effectuer une révolution dans'le champ axial uniforme B). Lorsque les particules perdent leur vitesse axiale en la convertissant en vitesse de rotation, la lon- gueur d'onde de cyclotron décroit, de sorte que le pas hé- licoïdal p diminue. Pour des faisceaux d'électrons d'énergie relativiste, la variation de la vitesse avec l'énergie est bien moindre que pour des particules lourdes et cette con- vergence peut ne pas être nécessaire. La Fig.3 est une vue schématique en coupe axiale de la région d'un gyrotron dans laquelle l'énergie rotationnelle est introduite par un champ en tire-bouchon. Cette application au gyrotron est décrite dans le brevet des Etats Unis d'Amérique Né 3.398.376. A la Fig. 3 le faisceau 10' est un faisceau étroit plein, provenant d'un canon à électrons classique 48 du type utilisé dans les klystrons et les tubes à ondes progressive. La cathode thermo-ionique concave 50 se trou- ve à un potentiel négatif par rapport au corps 52 du gyro- tron, de sorte que le faisceau convergent 10' est attiré dans l'alésage 54 du corps 52. A l'extrémité de l'alésage 54 est disposée une plaque 56 en acier qui est ajustée dans le bouclier 58 en acier qui est la pièce polaire terminale de l'écran magnétique axial. Ainsi la cathode 50 est par- tiellement protéaée du champ axial. A partir du moment o le faisceau 10' se trou- ve dans l'alésage 54, un champ magnétique en tire-bouchon est engendré par une hélice bifilaire 60 dans laquelle cir- cule le courant continu tournant en sens inverse, comme re- présenté par les flèches 62. Pour un fonctionnement par im- pulsions, on peut utiliser un courant alternatif à basse fréquence. Le champ en tire-bouchon convertit l'énergie axiale en énergie de rotation comme décrit par Wingerson. La quantité d'énergie de rotation est fonction de l'intensi- té et de la longueur du champ en tire-bouchon et peut être entièrement choisie par le concepteur. En un point ou l'é- nergie de rotation présente la valeur désirée, le champ en tire-bouchon est arrêté et le faisceau est comprimé en aug- mentant le champ axial à travers une région 64 de compres- sion. Cette compression augmente encore l'énergie de rota- tion aux dépens de l'énergie axiale. Du fait que c'est 1' énergie de rotation qui engendre les micro-ondes, elle doit constituer la majeure partie du total. A l'extrémité de la zone 64 de compression, le faisceau traverse l'ouverture d'entrée 32' pour pénétrer dans la cavité résonnante d'in- teraction 28'. Le reste du gyrotron est analogue a celui re- présenté à la Fig. l à l'exception du fait qu'avec le fais- ceau plein la fenêtre de sortie doit être protégée des élec- trons au voisinage de l'axe. L'invention fournit une longueur optimum pour le champ en tire-bouchon. La Fig. 4 est un-diagramme tracé à partir des trajectoires calculées des électrons, du rap- port de l'énergie des électrons perpendiculairement à l'axe V PERP à l'énergie Darallèle à l'axe VZ,en fonctian de la longueur Z du champ en tire-bouchon. L'intensité du champ en tire- bouchon est de 1% du champ axial et la longueur périodique est exactement la longueur d'onde de cyclotron. Pour un fais- ceau n'ayant aucune énergie transversale, les trois courbes sont les suivantes: la-courbe 66 représente les électrons au centre du faisceau initial à symétrie axial; la courbe 68 montre des électrons partant à kr = 0,25 o k est la cons- tante de propagation radiale et r est le rayon d'entrée; et la courbe 70, commençant à kr = 0,5 qui est à peu près le plus grand faisceau qui pourrait être utilisé. Chaque courbe montre l'énergie transversale passant par un maxi- mum et diminuant ensuite au fur et à mesure que le trans- Fert d'éneraie axiale fait en sorte que la modulation du faisceau ne soit plus en synchronisme avec l'hélice. L'é- chelle des longueurs Z est sans importance dans ce cas. L'invention consiste à utiliser une longueur de champ en tire-bouchon telle que les énergies transversales sont es- sentiellement égales pour des électrons ayant différents rayons de départ. Ceci donnerait Z = 25 dans le cas de la Fig. 4. La valeur dépend bien entendu également de l'inten- sité du champ en tire-bouchon. La Fig. 5 est un diagramme analogue à celui de la Fig. 4 à l'exception du fait qu'il concerne le cas o la longueur d'onde de cyclotron est de 10 % plus courte que le pas du champ en tire-bouchon. Dans ce cas les élec- trons cessent plus tôt d'être en synchronisme et la longueur optimale pour des énergies transversales égales est Z = 22. Il apparait que le paramètre important pour la longueur optimale dans une structure donnée est le pro- duit de longueur d'onde Ai de cyclotron par la force du champ en tire-bouchon. REVENDICATIONS 1. Tube à électrons pour gyrotron, comprenant un dispositif 48 pour engendrer un faisceau 10' d'électrons parallèle à un axe et un dispositif périodique 60 pour pro- duire des composantes de mouvements desdits électrons per- pendiculairement audit axe, ce dispositif périodique com- prenant des moyens pour engendrer une composante de champ constant perpendiculaire audit axe dont la direction tourne autour dudit axe en fonction périodique de la distance sui- vant ledit axe, caractérisé en(ce que la longueur axiale dudit dipositif périodique 60 est telle que tous les élec- trons dudit faisceau 10' acquièrent approximativement la même énergie transversale. 2. Tube suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit champ constant est un champ magnéti- que. 3. Tube suivant la revendication 2, caractéri- sé en ce que le dispositif périodique 60 est constitué par une hélice bifilaire pour conduire des courants électriques contra-rotatifs. 4. Procédé pour la mise en oeuvre d'un tube à électrons pour gyrotron comprenant des moyens 48 pour former un faisceau d'électrons 10' parallèle à un axe, dans lequel on applique une composante de champ périodique constant perpendiculaire audit axe dont la direction tour- ne autour dudit axe en fonction périodique de la distance le long dudit axe, caractérisé en ce l'intensité et la longueur axiale dudit champ périodique sont telles que tous les électrons dudit faisceau acquièrent approximativement la même énergie transversale. 5. Procédé suivant la revendication 4, carac- térisé en ce que le champ constant est un champ magnétique. 6. Procédé suivant la revendication 5, carac- térisé en ce que ledit champ constant est engendré en fai- sant passer un courant électrique dans un conducteur hé- licoldal bifilaire 60 à l'extérieur dudit faisceau 10', ledit courant étant de sens opposé dans les spires adjacentes.