Brevet FR2496337A1 — publié le 19820618

La présente invention concerne des aimants cfca]isation de faisceau pour des tubes électroniques micro-ondes à faisceau linéaire. Dans les tubes à faisceau linéaire ayant des niveaux de puissance élevés, on utilise un champ magnétique uniforme dirigé selon l'axe du faisceau pour que le faisceau conserve une forme cylindrique pendant sa propagation dans la structure d'interaction avec les ondes. Lorsque le faisceau quitte la région d'interaction, le champ magnétique est réduit à zéro. Le faisceau se dilate sous l'effet de sa propre répulsion de charge d'espace et il est recueilli dans un collecteur creux plus grand, avec une faible densité de puissance. Cependant, s'il existe un champ magnétique de fuite dans le collecteur, ce champ agit à la manière d'une lentille magnétique capable de refocaliser le faisceau sur une aire faible de la paroi du collecteur qui est alors soumise à un échauffement excessif. Lorsqu'on utilise des aimants de focalisation permanents, il existe nécessairement des champs de fuite à l'extérieur de la structure d'aimants principale qui entoure la partie focalisée linéaire du faisceau, et ces champs de fuite peuvent avoir un effet nuisible sur la défocalisation désirée dans le collecteur. Lorsque le collecteur comporte des ailettes de refroidissement par air, il est difficile de réaliser un blindage magnétique à cause des grandes ouvertures nécessaires pour le passage de l'air. Lorsque les aimants de focalisation étaient constitués par des alliages fer-nickel-cobalt, la valeur faible du champ coercitif nécessitait que la longueur de l'aimant soit supérieure à la longueur du faisceau focalisé. On utilisait ainsi des aimants en forme de fer à cheval ou en forme de C, ou des cuvettes formées par des figures de révolution de ces formes. Le blindage du collecteur par rapport aux flux de fuite externes très élevés de ces aimants s'est avéré très difficile. Lorsque le collecteur était refroidi par eau, on pouvait placer un blindage en fer autour du collecteur, et espacé par rapport à ce dernier, et on pouvait établir des canaux de refroidissement par eau, etc. Au contraire, lorsque le collecteur comportait des ailettes de refroidissement par air, il n'était pas possible de l'entourer complètement du fait que de grandes ouvertures étaient l nécessaires pour faire entrer et sortir de grands volumes d'air. Plusieurs techniques ont été essayées pour placer un blindage à l'intérieur des ailetteso Il est apparu qu'un cylindre en fer placé entre le corps de collecteur en cuivre et les ailettes en cuivre présentait une conductivité thermique insuffisante. Des tiges de fer disposées de manière interdigitée entre une structure en cuivre continue en direction radiale ne procurait pas un blindage approprié. Le brevet US 3 450 O30 décrit une autre solution envisagée, consistant à employer iun petit aimant en opposition pour essayer d'annuler le champ de fuite. Il s'est avéré difficile de l'annuler sur une distance suffisamment longueo Avec l'apparition des aimants du type cobalt-terres rares, le champ coercitif éleve dieponible a fait disparaître certaines des restrictions imposées a la structure d'aimants. Une beaucoup plus grande partie du circuit magnétique pouvait être en fer. Le brevet US 3 896 329 décrit une paire symétrique d'aimants aimantés radialement qui relient tune culasse en fer à des pièces polaires coaxiales en fers Du fait de la faible longueur des aimants, le champ de fuite était réduit à un niveau inférieur à celui des aimants fer-nickelcobalt. Cependant, le problème des fuitesn'était toujours pas complètement résolu. La figure 2, décrite ci-après, montre une autre tentative faite pour réduire le flux de fuite dans le coliecteur. Cette tentative consiste à supprimer simplement l'aimant qui est inséré dans l'extrémité de la culasse en fer qui se trouve du côté du collecteur, de façon qu'aucun flux de fuite ne soit généré dans cette région. Avec cette technique, il s'est avéré très difficile de produire un champ uniforme sur la distance d'interaction nécessaire, ceci conduisant en outre à un mauvais rendement. L'invention a pour but de réaliser une structure d'aimants permanents de focalisation ayant un très faible flux de fuite dans la région du collecteur. L'invention a également pour but de réaliser un aimant léger. L'invention a également pour but de réaliser un aimant en utilisant une faible quantité de matière magnétique. On parvient à ces buts en fabriquant un aimant non symétrique. A l'extrémité correspondant à la cathode, la matière de l'aimant est aimantée radialement. Ceci procure l'utilisation la plus efficace de la matière de l'aimant. A l'extrémité correspondant au collecteur, la matière de l'aimant est aimantée axialement, ce qui la place plus loin du collecteur et établit également un certain blindage au moyen de la pièce polaire de collecteur elle-même, qui s'étend jusq'au rayon extérieur de la structure. Le champ de fuite réduit peut encore être diminué par un blindage magnétique s'étendant à partir de la pièce polaire qui correspond à l'extrémité c8té collecteur et qui entoure les ailettes de refroidissement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure t est une coupe axiale schématique d'une structure d'aimants permanents de l'art antérieur. La figure 2 est une coupe axiale schématique d'une autre structure d'aimants permanents de l'art antérieur. La figure 3 est une représentation graphique simplifiée de l'intensité du champ magnétique axial de la structure de la figure 2. La figure 4 est une coupe axiale schématique d'une structure d'aimants correspondant à l'invention. La figure 5 est une représentation graphique simplifiée de l'intensité du champ magnétique axial de la structure de la figure 4. La figure 1 est une coupe axiale schématique d'une structure d'aimants de l'art antérieur, décrite dans le brevet US 3 896 329. Les aimants permanents 10, par exemple en un alliage cobalt-terres rares, sont d'une forme annulaire et ils sont aimantés radialement dans des directions opposées, comme l'indiquent les flèches. Le chemin de retour du flux comprend une culasse creuse 11 et une paire de pièces polaires annulaires 12, 13, en une matière à perméabilité élevée, comme du fer ou de l'acier doux. L'aimant est conçu de façon à focaliser un tube électronique à faisceau linéaire. Pour la clarté, on n'a I représenté que les élérmer.ts du tube qui interviennent dans la focalisation du faisceau. Certaines parties intérieures des pièces polaires 12, 13 font habituellement partie de ltenveloppe du tube à l'intérieur de laquelle règne le vide. Une anode creuse 15 extrait un faisceau d'électrons 14 d'un émetteur de cathode concave 16 qui se trouve dans une cavité 17, comportant un blindage magnétique, dans la pièce polaire d'entrée 12. Le faisceau traverse une petite ouverture d'entrée 18 dans la pièce polaire 12 pour pénétrer dans une région 19, de champ relativement uniforme, entre la pièce polaire 12 et la pièce polaire de sortie 13. Ce champ maintient le faisceau focalisé sous le forme d'un pinceau cylindrique unifor.e, pendant son interaction avec un circuit micro-onde environnant (non représenté), comme un circuit à ondes progressives lentes. Le faisceau 14 sort de la région à champ uniforme 19 en traversant une ouverture de sortie 20 dans la pièce polaire de sortie 13. Dans la région relativement exempte de champ qui se trouve à l'extérieur de la structure d'aimants, le faisceau se dilate du fait de la force de répulsion.de sa propre charge d'espace et il est recueilli dans l'intérieur creux 23 d'un collecteur 24. Le collecteur 24 est en cuivre de façon à évacuer la chaleur produite. Pour le refroidissement par air, un réseau d'ailettes de cuivre radiales espacées, 26, est fixé à l'extérieur du collecteur 24, et un jet d'air axial est soufflé sur ces ailettes. La structure de la figure 1 est capable de produire un champ uniforme satisfaisant dans la région d'interaction 19. Cependant, elle génère un champ de fuite élevé à l'extérieur du circuit de flux principal. Les lignes en pointillés 27 représentent les lignes de flux, et certaines d'entre elles traversent la cavité 23 du collecteur. Ce flux forme une lentille électronique convergente qui peut refocaliser le faisceau 14 en un spot de faiblesdimensions 28 sur. le collecteur 23. La densité de puissance accrue peut entraîner la mise hors service. Une technique de l'art antérieur pour réduire le flux de collecteur consiste à utiliser un réseau de tiges de fer 29 parallèles à l'axe du faisceau et noyées dans le collecteur en cuivre 24. Compte tenu de la quantité de fer nécessaire pour obtenir un blindage approprié, la réduction de la conductivité thermique à travers le collecteur 24 s'est avérée excessive. La figure 2 représente une structure d'aimants de l'art antérieur qui est conçue dans le but de réduire le flux de collecteur. L'aimant permanent 10t est un élément unique en forme d'anneau qui est habituellement constitué par un certain nombre de segments à section variable assemblés autour de la structure en anneau. Cet aimant est aimanté radialeirent et sa surface intérieure en contact avec la pièce polaire 121 se trouve au plus faible rayon possible, compte tenu des dimensions que la pièce polai-re 12(doit avoir pour modeler le champ dans la région d'interaction 19' et pour entourer le canon à électrons 16'. Comme l'indique le brevet US 3 896 329, mentionné précédemment, l'aimantation radiale procure la meilleure utilisation de la matière coûteuse de l'aimant cobalt-terres rares. On peut facilement limiter la valeur du flux de fuite dans la région du canon à électrons 16t en agissant sur la forme de la pièce polaire 12' qui fait fonction de blindage. On ne peut pas réaliser un blindage similaire pour le collecteur 24', du fait que les matières à perméabilité magnétique élevée., comme le fer, ne sont pas des conducteurs thermiques suffisamment bons pour tolérer la dissipation de chaleur élevée du collecteur 24', Dans cette configuration, toute la matière magnétique 10' se trouve à l'extrémité de la structure la plus éloignée du collecteur 24, de façon que le flux qui fuit autour de la partie extérieure de la culasse llt et qui pénètre dans le collecteur en cuivre 24' soit très faible, La pièce polaire de sortie 13' est au même potentiel magnétique que la culasse 111. La structure d'aimants de la figure 2 présente la difficulté qui consiste en ce qu'il est pratiquement impossible de produire un champ uniforme entre les pièces polaires 12' et 13t lorsque la matière 10' de l'aimant qui génère le champ se trouve toute à une extrémité de la structure. La figure 3 est une représentation graphique simplifiée de la répartition de l'intensité du champ le long de l'axe. Les positions axiales de a l'ouverture d'entrée de faisceau 18' et de l'ouverture de sortie ' (figure 2) sont indiquéeso La tendance du champ à se concentrer près de l'ouverture - d'entrée de faisceau 18' et à diminuer vers l'ouverture de sortie 20' est partiellement compensée en donnant une forme concave à la face intérieure 34 de la pièce polaire d'entrée 12', et une forme rentrante ou convexe à la face 36 de la pièce polaire de sortie 13'. Ceëprdan-t, cette compensation n'est que partielle et elle laisse toujours un creux dans l'intensité du champ, dans l'espace intermédiaireo La figure 4 est une coupe axiale schématique d'une structure d'aimants correspondant à l'invention. L'aimant 10" qui se trouve à l'extrémité côté cathode estarntéradialement pour procurer l'utilisation optimale de la matière coûteuse de l'aimant. La pièce polaire de collecteur 38 s'etend radialement vers l'extérieur jusqueau rayon de la culasse de retour de flux 11". L'aimant annulaire 40 qui se trouve à l'extrémité côté collecteur est aimanté axialement et il s'étend axialement depuis l'extrémité de la culasse 11" jusqu'à la pièce polaire 38. L'origine du flux de fuite extérietur se trouve ainsi au niveau du rayon extérieur de la culasse 111, qui est beaucoup plus éloigné du collecteur 24" que dans le cas de l'aimant radial de la figure 1. L'intensité du champ de fuite à l'intérieur du collecteur 24" est ainsi considérablement réduite par la réduction du champ en fonction de la distance. On peut obtenir une diminution supplémentaire en établissant un blindage 42 en métal à faible perméabilité à l'extérieur des ailettes de refroidissement 26". Le blindage 42 s'ouvre au sommet pour permettre l'entrée de l'air de refroidissement et il comporte près de son extrémité inférieure un certain nombre d'ouvertures 44, espacées radialement, pour la sortie de l'air. Le blindage 42 s'étend de façon à être en contact magnétique avec la pièce polaire de collecteur 38. Il n'est pas nécessaire qu'il conduise la chaleur, ce qui fait qu'il peut être suffisamment massif pour assurer un bon blindage magnétique. Un autre moyen d'augmenter le blindage consiste à prolonger la pièce polaire 38 jusqu'à un plus grand rayon extérieur. Cependant, ceci augmente le flux de fuite total et nécessite davantage de matière d'aimant. Comme sur la figure 2, les faces intérieures 34", 36" de la pièce polaire de cathode 12" et de la pièce polaire de collecteur 38 sont respectivement concaves et convexes. Ceci permet de générer davantage de champ avec l'aimant de cathode 10" éloigné du collecteur 241", et moins de champ avec l'aimant de collecteur 40 proche du collecteur 24". La figure 5 est un tracé de l'intensité de champ axial obtenue avec la structure d'aimants de la figure 4. La distribution de champ est fondamentalement aussi bonne que celle de la structure complètement symétrique de la figure 1, et le champ de collecteur est fortement réduit. Il va.de soi que de nombreuses modifications peuvent 9tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDI CATIONS 1. Structure d'aimants destinée à focaliser un faisceau d'électrons linéaire, caractérisée en ce qu'elle comprend: deux pièces polaires (12", 38) en métal à perméabilité élevée, placéesen regard, séparées dans la direction du faisceau et comportant des ouvertures pour le passage du faisceau; une culasse(11")en métal à perméabilité élevée qui entoure le faisceau et qui s'étend entre ces pièces polaires, cette culasse entourant une partie au moins d'une première des pièces polaires; un premier aimant permanent (10"), aimanté pratiquement de façon radiale par rapport au faisceau et s'étendant entre la culasse et la première pièce polaire; et un second aimant permanent (40), aimanté dans une direction pratiquement parallèle au faisceau et s'étendant dans la direction du faisceau entre la culasse et la seconde pièce polaire. 2. Structure d'aimants selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second aimant (40) est aimanté de façon à induire dans la culasse un flux de même direction que le flux induit par le premier aimant (10"). 3. Structure d'aimants selon la revendication 1l caractérisée en ce que la seconde pièce polaire (38) s'étend radialement par rapport au faisceau et atteint pratiquement la position radiale extérieure du second aimant permanent (40). 4. Structure d'aimants selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un blindage magnétique (42) en métal à perméabilité élevée qui entoure le faisceau et qui s'étend dans la direction du faisceau à partir de la seconde pièce polaire (38). 5. Structure d'aimants selon la revendication 3, caractérisée en ce que le blindage magnétique (42) est en contact magnétique avec la seconde pièce polaire (38). 6. Structure d'aimants selon la revendication 3, caractérisée en ce que le blindage magnétique (42) comporte un passage intérieur ouvert destiné à contenir un collecteur (24"1) pour le faisceau. 7, Structure d'aimants selon la revendication 5, caractérisée en ce que le passage ouvert est conçu de façon à contenir des ailettes de refroidissement (26") qui s'étendent vers l'extérieur à partir du collecteuro 8. Structure d'aimants selon la revendication 6, caractérisée en ce que le blindage magnétique (42) comporte une ou plusieurs ouvertures (44) pour le passage d'un gaz de refroidissement. p