Brevet FR2494036A1 — publié le 19820514

FOR/VAL LIGNE A RETARD POUR TUBE A ONDES PROGRESSIVES, A REFROIDISSEMENT PAR CALODUCS, ET TUBE A ONDES PROGRESSIVES COMPORTANT UNE TELLE LIGNE. La présente- invention se rapporte au domaine des tubes à ondes progressives. Elle concerne plus particulièrement une ligne à retard, à cavités couplées notamment, utilisée dans un tube à ondes progressives, ligne à retard utilisant des caloducs pour son refroidis- sement. Les lignes à retard à cavités couplées sont utilisées dans les tubes à ondes progressives o elles assurent l'interaction entre un faisceau d'électrons se déplaçant selon l'axe de la ligne, et une onde électromagnétique parcourant la ligne. Lorsque des conditions de synchronisme de l'onde et du faisceau sont réalisées, les électrons cèdent de l'énergie à l'onde électromagnétique. - Les lignes à retard à cavités couplées sont constituées par une suite de cavités résonantes, séparées les unes des autres par des parois percées, par au moins une ouverture de couplage entre cavités, et par une ouverture pour le passage du faisceau d'élec- trons, focalisé selon l'axe de la ligne. Le dispositif de focalisation peut être constitué d'un électroaimant, mais comporte plus géné- ralement une suite alternée selon l'axe de la ligne de rondelles d'aimants permanents. Il est connu de refroidir la ligne à retard par air forcé, lorsque la puissance moyenne HF ne dépasse pas un kilowatt à 10 GHz par exemple. Malheureusement, le refroidissement de la structure HF par air forcé pose des problèmes pour la raison suivante: les densités de puissance évacuée par le refroidissement par air sont peu élevées, surtout si l'écart de température entre la source froide et le fluide doit rester faible. Il n'est donc plus question de faire circuler l'air entre l'enceinte à vide et les aimants, et il faut envisager de disposer des ailettes de refroidissement à l'extérieur du système de focalisation. Il s'ensuit que l'écart de température entre la source chaude (becs de cavité) et la source froide (ailettes) est sensiblement accru, avec tous les risques de défocalisation que cela comporte. Cet écart de température peut être sensiblement réduit si on s'arrange pour que le flux de chaleur dissipée à la fin de la structure HF passe-nriopas à tra-wer--lec deux ôiïtôs derniers aimants,-mais à travers toutte-système- de-focalsationi- dans ce cas, il faut réduire l'impédance thermique axiale de façon à rendre la plus uniforme possible la température du circuit de retard. L'impédance thermique axiale peut être réduite en augmentant l'épaisseur de la paroi cylindrique de la ligne à retard; mais, comme cette paroi est alternativement constituée de cuivre et de fer doux, métal assez mauvais conducteur de la chaleur, l'épaisseur doit être fortement accrue, ce qui conduit à des aimants beaucoup plus gros, donc beaucoup plus coûteux, et par suite, à un tube plus lourd et plus encombrant. D'autre part, la résistance thermique d'interface due à la brasure située entre ces matériaux contribue également à ac- croître l'impédance thermique axiale. Lorsque la puissance moyenne des tubes à ondes progressives devient élevée, le refroidissement par air forcé n'est plus possible; on utilise alors un refroidissement par fluide de la ligne à retard car celle-ci est alors le siège de pertes haute fréquence importantes et de plus, la dispersion inhérente au faisceau d'électrons provoque un échauffement supplémentaire. Les parois cylindriques limitant ex- térieurement les cavités sont alors traversées par des canaux o circule le fluide de refroidissement, et leur épaisseur doit être augmentée, ce qui conduit aux mêmes problèmes d'encombrement cités précédemment. De plus, il arrive qu'il se produise un échauffement local d'une seule cavité dû à une condition de fonctionnement accidentelle du tube à ondes progressives; un tel échauffement peut avoir de graves conséquences et même entraîner la destruction du tube par suite de la fusion du bec de cavité concerné; les systèmes de refroidis- sement à air connus dans l'art antérieur ne prévoient pas de faire face à une telle condition de fonctionnement accidentelle. La présente invention se propose de résoudre un tel problème en utilisant un système de refroidissement permettant de répartir la chaleur tout le long de la ligne à retard et de rendre isotherme la surface extérieure de l'enceinte à vide. Un tel système prévoit - l'utilisation de caloducs traversant longitudinalement la ligne à re- tard. Plus précisément, l'invention concerne une ligne à retard, pour tube à ondes progressives, à cavités couplées notamment, assurant l'interaction entre un faisceau d'électrons et une onde électro- magnétique se propageant sur la ligne, ligne limitée extérieurement par un dispositif de focalisation du faisceau d'électrons selon l'axe de la ligne, constitué par une suite alternée d'aimants permanents et de masses polaires limitant latéralement les cavités, lesdites masses polaires étant constituées par des parois circulaires, chaque paroi étant commune à deux cavités, lesdites parois étant percées par au moins une ouverture de couplage entre cavités et, en leur centre, par une ouverture pour le passage du faisceau d'électrons, ligne à retard caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un fourreau cylindrique entouré par le dispositif de focalisation, fourreau tra- versé par des caloducs disposés à intervalles réguliers sur son pourtour, et s'étendant le long de la ligne à retard, dans la direction de propagation du faisceau d'électrons. L'invention sera mieux comprise, en se reportant à la des- cription suivante illustrée par les figures jointes qui représentent: Figures 1 et 2: des coupes longitudinales et transversales d'une portion de ligne à retard selon l'invention. La ligne à retard représentée à titre d'exemple sur les figures est à cavités couplées. Elle comporte une suite de disques en matériau magnétique (1) ou masses polaires alignés parallèlement les uns aux autres le long d'un même axe OO' confondu avec l'axe de propagation du faisceau d'électrons, disques formant la paroi com- mune à deux cavités voisines (2). Chaque disque est percé d'une part par deux ouvertures de couplage entre cavités (3), symétriques par rapport à l'axe de la ligne OO', d'autre part par l'ouverture (4) pour le passage du faisceau d'électrons, généralement circulaire, située au centre du disque. Cette ouverture est bordée par une collerette de même axe appelée bec de cavité (5). Le dispositif de focalisation du faisceau d'électrons entoure les cavités et est constitué d'une alternance Pdjiieints permanents ç(6Fèt de masses polaires (lFr. La ligne à retard selon l'invention se caractérise par le fait qu'elle comprend en outre un tube creux ou fourreau (7), en cuivre par exemple, situé entre la paroi externe des cavités et le dispositif de focalisation. On a disposé à l'intérieur de ce fourreau, un certain nombre de caloducs (8) régulièrement espacés sur son pourtour, et s'étendant le long de la ligne à retard, dans la direction de propagation du faisceau d'électrons. Ces caloducs ont pour r8le de répartir la chaleur tout le long de la ligne à retard et rendent isotherme la surface extérieure de l'enceinte à vide. Le flux de chaleur peut alors traverser le système de focalisation avec une densité superficielle diminuée donc un moindre gradient, soit par les masses polaires, soit par des barreaux de cuivre pouvant être disposés entre les pièces polaires et occupant la place d'une fraction d'aimant. Dans les deux cas, le flux de chaleur est dirigé soit vers un radiateur, soit vers des ailettes de refroidissement (9) afin de conserver une grande surface d'échange. Ce dispositif de refroidissement utilisant des caloducs consiste essentiellement en une colonne creuse étanche au vide, fermée aux deux extrémités et dont la paroi intérieure est tapissée de plusieurs couches d'un grillage métallique à mailles fines constituant un système capillaire. A l'intérieur du caloduc est introduit un matériau volatil à la température de fonctionnement et bon conducteur de la chaleur, en quantité suffisante pour saturer le système capillaire avec un léger excès. On met à profit la chaleur latente de vaporisation du fluide caloporteur dont la vapeur passe de l'évaporateur vers le condenseur o elle est récupérée sous forme de chaleur de condensation; la vapeur condensée reflue vers l'évaporateur sous l'action des forces de gravité ou des forces capillaires. Il est à noter que le système peut aussi fonctionner dans le sens de la gravité, contre la gravité, - ou encore horizontalement, ou en accélération. En fonctionnement dans le sens de- la gravité (évaporateur en bas, condensateur en haut), le système capillaire sert essentiel- lement à ramener le liquide condensé vers l'évaporateur évitant ainsi la formation de bouchons liquides qui freinent la circulation de la vapeur. En fonctionnement contre la gravité (évaporateur en haut, condenseur en bas) ou horizontalement, la fonction du capillaire devient importante, c'est elle qui ramène le liquide vers l'évapo- rateur. Le rapport des flux transférés en fonctionnement avec et contre la gravité est de 10. Les qualités requises pour le fluide caloporteur sont les suivantes: température de fusion faible - température de vaporisation: voisine ou inférieure à la température de fonctionnement - tension superficielle: importante - faible viscosité - chaleur latente de vaporisation: grande. Les fluides les mieux adaptés sont l'eau ainsi que certains corps organiques tels que le Dowtherm, marque déposée. Au démarrage, le système n'est pas amorcé, la température au niveau de l'évaporateur augmente, le fluide caloporteur s'évapore et la chaleur est transférée vers la zone froide, c'est à dire que la vapeur s'y condense et le fluide retourne à l'évaporateur par le système de mèche. La ligne à retard peut comprendre n caloducs intégrés. Dans ce cas, le flux maximal transporté par caloduc sera: _ mmax L. n n L: chaleur latente de vaporisation du fluide. mmax: débit massique maximal transporté dans le système capillaire. L'équation générale des caloducs est: m = 2( cos E f1 g eff sin) rl'1eff r pi: densité et viscosité du liquide, rc: rayon du capillaire. e: angle de mouillage. inclinaison du caloduc par rapport à l'horizontale. K: constante. leff: longueur effective de transfert de la vapeur. (: tension superficielle du liquide. A*,: surface utile de la mèche. Connaissant le flux de chaleur Q à transférer et la chaleur latente de vaporisation du fluide L, on calcule le débit massique transporté dans le système capillaire m et on en déduit le rayon du capillaire rc; à partir de ces éléments on détermine les dimensions du caloduc. L'utilisation de caloducs pour refroidir les lignes retard peut se généraliser à d'autres types de lignes que celles à cavités couplées, données à titre d'exemple dans la description précédente; elle peut être envisagée pour les lignes à hélice ou à circuit dérivé. REVENDICATIONS 1. Ligne à retard, pour tube à ondes progressives, à cavités couplées notamment, assurant I'intéraction entre un faisceau.d'élec- trons et une onde. électromagnétique se propageant sur la ligne, ligne limitée: extérieurement parfum dispositif de focalisation du faisceau d'électrons selon l'axe de la ligne, constitué par une suite alternée d'aimants permanents (6) et de m-sses polaires (1) limitant latéralement les cavités (2), lesdites masses polaires étant consti- tuées par des parois circulaires, chaque paroi étant commune à deux cavités, lesdites parois étant percées par au moins une ouverture de couplage (3) entre cavités et, en leur centre, par une ouverture (4) pour le passage du faisceau d'électrons, ligne à retard caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un fourreau cylindrique (7) entouré par le dispositif de focalisation, fourreau traversé par des caloducs (8) disposés à intervalles réguliers sur son pourtour, et s'étendant le long de la ligne à retard, dans la direction de propagation du faisceau d'électrons. 2. Tube à ondes progressives, comprenant des moyens pour produire un faisceau d'électrons et pour assurer sa propagation vers un collecteur par lequel il est capté, et une ligne à retard disposée le long du trajet du faisceau, le long de laquelle se propagent les ondes électromagnétiques qui sont en interaction, en fonction- nement, avec le faisceau, tube caractérisé en ce que la ligne à retard en question est une ligne suivant la revendication 1.