Brevet FR2501413A1 — publié le 19820910

La présente invention se rapporte aux tubes à vide hyperfréquences à effet giratoire dans lesquels un faisceau de particules chargées (habituellement des élec- trons) se propage selon des trajets hélicoïdaux et étant guidé par un champ magnétique suivant l'axe de l'hélice. Le faisceau traverse un circuit d'entretien d'ondes dans lequel les composantes de vitesse transversales des parti- cules interagissent avec une composante de champ électrique transversale de l'onde pour produire une amplification de celle-ci. L'onde peut être progressive dans le cas d'un tube à ondes progressives ("gyro TWT") ou stationnaire dans un circuit résonnant dans le cas d'un gyro-monotron (gyrotron) ou d'un 'gvro-klystron". Dans les tubes actuels, l'onde est généralement dans un mode ayant des lignes de champ électrique circulaires perpendiculaires à l'axe de l'hélice. Les dispositifs à effet giratoire sont devenus les dispositifs les plus utilisés pour engendrer des puis- sances élevées à très haute fréquence. Ceci est essentiel- lement du au fait que le circuit d'entretien d'onde peut avoir des dimensions qui sont importantes par rapport à la longueur d'onde dans l'espace libre. La périodicité de l'interaction faisceau-onde est fournie par le mouvement périodique des particules du faisceau, de sorte qu'il n'est pas nécessaire que le circuit présente la périodici- té mécanique à échelle précise du circuit à tube à onde progressive. Pour les modes habituels TEonl' même le mode d'ordre le plus bas, le mode TE011, a une fréquence de coupure inférieure compatible avec un grand diamètre de circuit. Le grand diamètre de circuit permet d'utiliser un faisceau électrique de grand diamètre et, de ce fait, une intensité de faisceau élevée et une grande puissance. D'autres modes d'ordres plus élevés ont été utilisés. La technique antérieure a essayé de tirer le plein avantage des grands faisceaux et circuits pour en- gendrer la Puissance maximale. Le faisceau a été introduit dans le circuit par un court tube de propagation qui est légèrement plus petit qi4e le diamètre du circuit, rédui- sant ainsi la quantité d'énergie ondulatoire perdue par l'ouverture d'entrée du faisceau dans le circuit. Cepen- dant, il se produit toujours une perte d'énergie qui pro- voque des interférences avec les trajectoires des élec- trons, le chauffage par bombardement de la cathode, une rétroaction et un rayonnement hyperfréquence dangereux. La présente invention a pour but de réaliser un générateur hyperfréquence du type gyrotron ayant une meilleure stabilité et un meilleur rendement et produisant un chauffage en retour et un rayonnement réduits. On atteint ce résultat en formant le passage par lequel le faisceau pénètre dans la cavité d'interac- tion plus petit qu'un nombre critique lié à la fréquence de fonctionnement, de telle sorte que le rayonnement de l'énergie ondulatoire à partir de la cavité, passant par le passage d'entrée du faisceau, est considérablement réduite. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description qui va suivre don- née à titre d'exemple non limitatif et au regard du dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique en coupe axial d'un oscillateur gyro-monotron à une seule cavité mettant en oeuvre l'invention; - la figure 2 est une vue schématique d'un tube à onde progressive gyromagnétique mettant en oeuvre l'in- vention. La figure 1 est un schéma d'un dispositif à ef- fet giratoire du type monotron, ou gyrotron, mettant en oeuvre l'invention. Le gyrotron est un tube hyperfréquence dans lequel un faisceau d'électrons ayant des mouvements hélicoïdaux dans un champ magnétique axial parallèle à leur direction de propagation interagit avec les champs électriques d'un circuit d'entretien d'onde. Le champ électrique dans les tubes réalisés en pratique est dans un mode de champ électrique circulaire. Dans le gyrotron, le circuit d'entretien d'onde est une cavité résonnante qui résonne habituellement dans un mode TF-0m1* Dans le gvro-monotron de la figure 1, une ca- thode thermoionique 20 est portée par une plaque d'extré- mité 22 d'une enveloppe à vide. La plaque d'extrémité 22 est hermétiquement fixée à l'anode accélératrice 24 par un élément d'enveloppe 26 en matière diélectrique. L'anode 24 est, à son tour, fixée de manière hermétique au corps principal 28 du tube par un second élément d'enveloppe 30 en matière diélectrique. En fonctionnement, 'la cathode 20 est maintenue à un potentiel négatif par rapport à l'anode 24 par une alimentation en courant 32. La cathode 20 est chauffée par un élément radiateur thermique interne (non représenté). Les électrons thermoioniques sont extraits de sa surface émettrice extérieure conique par le champ d'attraction de l'anode conique coaxiale 24. L'ensemble de la structure est soumis à un champ magnétique axial H. produit par une bobine magnétique (non représentée) qui l'entoure. Le mouvement radial initial des électrons est converti par les champs électrique et magnétique croisés en un mouvement d'éloignement de la cathode 20 et en un déplacement en hélice autour des lignes de champ magnéti- que, formant un faisceau creux 34. L'anode 24 est mainte- nue à un potentiel négatif par rapport au corps 28 du tube par une seconde alimentation en courant 36, ce qui applique une autre accélération axiale au faisceau 34. Dans la région située entre la cathode 20 et le corps 28, l'intensité du champ magnétique H est accrue considéra- blement, ce qui a pour effet de réduire le diamètre du faisceau 34 et également d'accroître son énergie de rota- tion au détriment de son énergie axiale. L'énergie de rotation est la partie qui intervient dans l'interaction utile avec les champs d'onde du circuit. L'énergie axiale sert simplement à assurer le transport du faisceau à tra- vers la région d'interaction. Le faisceau 34 traverse un tube de propagation ou ouverture 38 et pénètre dans la cavité d'interaction 250 1 4 1 3 qui est habituellement une cavité résonnant à la fré- quence de fonctionnement dans un mode TEomi* Cependant, dans le cas des petits tubes de propagation de la présente invention, et, de ce fait, du diamètre du Faisceau relati- vement petit, les champs électriques transversaux du mode TE 1 tombent à zéro au niveau de l'axe. Il devient alors intéressant d'utiliser un mode avant un champ électrique fini au niveau de l'axe, tel que le mode TEimi* On règle l'intensité du champ magnétique H de façon que le mouve- ment de rotation à la fréquence cyclotron des électrons soit approximativement synchrone avec la résonance de la cavité. Les électrons peuvent alors fournir l'énergie de rotation au champ électrique circulaire, établissant une oscillation entretenue. A l'extrémité de sortie de la cavité 40, la pa- roi intérieure du corps 28 peut avoir un diamètre progres- sivement décroissant pour former un diaphragme 42 ayant des dimensions choisies pour produire la quantité correcte de couplage d'énergie hors de la cavité 40. Dans les tubes à très grande puissance, il peut ne pas y avoir de dia- phragme, la cavité ayant son extrémité complètement ou- verte pour assurer le couplage maximal. Dans les deux cas, une partie 44 évasée vers l'extérieur assure le couplage de l'énergie de sortie à un guide d'onde uniforme 46 qui a un plus grand diamètre que la cavité résonnante 40 afin de propager une onde Progressive. Au voisinage de la sor- tie de la cavité 40, le champ magnétique H est réduit. Le diamètre du faisceau 34 s'accroit de ce fait sous l'influ- ence des lignes de champ magnétique allant en s'évasant et de sa propre charge d'espace auto-répulsive. Le faisceau 34 est alors capté sur la paroi intérieure du guide d'onde 46 qui sert également de collecteur de faisceau. Une fe- nêtre 48 en matière diélectrique, par exemple en céramique d'alumine, est fixée de manière hermétique en travers du guide d'ondes 46 pour compléter l'envelopne du tube à vide. Dans la technique antérieure, on a mis essentiel- lement l'accent sur la génération d'une puissance élevée. 250 1 4 1 3 Le diamètre du faisceau électronique 34 a été rendu aussi grand que possible. Par conséquent, le diamètre du tube de propagation 38 d'entrée du faisceau devait être grand. Il était habituellement un peu plus metit que le diamètre de la cavité résonnante 40 afin de réduire l'énergie ondu- latoire rayonnée hors de la cavité par l'ouverture 38. La demanderesse a trouvé que l'énergie rayonnée par les tubes de la technique antérieure reste excessive, ce qui conduit à une instabilité de rétroaction, à une perte de rendement et à un chauffage en retour de la ca- thode 20 par les électrons accélérés par les champs hyper- fréquence. Il se produit, naturellement, un certain rayon- nement nar toute ouverture, qu'elle soit ou non suffisam- ment grande pour propager les ondes comme un guide d'onde. Le rayonnement diminue lorsque le diamètre diminue et lorsque la longueur de l'ouverture s'accroit. Les ouver- tures de la technique antérieure ont été conçues pour pro- pager très peu d'énergie dans le mode de champ de fonction- nement d'ordre supérieur mais elles laissaient cependant passer un rayonnement excessif. Il est possible que le rayonnement excessif ait été lié à la conversion en des modes d'ordres inférieurs par les petites asymétries de la structure d'entretien d'onde. La demanderesse a trouvé qu'en réduisant le diamètre du tube de propagation 38 au-dessous d'une valeur critique, on réduisait le rayon- nement d'une manière extrêmement importante. La valeur critique est liée à la fréquence de fonctionnement f par la relation a centimètres et f est la fréquence en gigahertz. Si la section transversale de l'ouverture 38 n'est nas circulaire, son "diamètre" n'est pas une quan- tité fixe comme dans le cas d'un cercle. Cependant, il apparait que la dimension maximale de la section transver- sale doit être inférieure à la valeur critique définie ci-dessus. Le terme "diamètre", dans le sens o il est utilisé ici, doit être compris comme signifiant une telle dimension transversale maximale quelle que soit la forme de la section transversale. La figure 2 est une vue schématique, en coupe axiale, d'un tube à onde progressive à effet giratoire et à deux parties. Dans ce tube à onde progressive, les circuits d'interaction sont des segments 50 et 52 de guide d'onde qui propagent les ondes à la fréquence de résonance. Le signal hyperfréquence d'entrée est intro- duit dans la mremière partie 50 du tube à onde progressive Dar un guide d'onde d'entrée 54 hermétiquement fermé par une fenêtre 56 en céramique. L'onde d'entrée se propage dans la nartie 50 dans un mode TE lm' Elle se propage ap- proximativement en synchronisme avec le faisceau électro- nique. La vitesse de propagation de l'onde n'est pas égale à la vitesse de propagation axiale des électrons comme dans un tube classique à onde progressive à modulation de vitesse; en fait, dans ce guide d'onde lisse, la vitesse de phase est supérieure à la vitesse de la lumière. C'est la composante transversale (circulaire) du champ électri- que de l'onde qui est approximativement synchrone avec la composante transversale des orbites hélicoïdales des élec- trons. L'interaction entre le faisceau et l'onde est la même que dans le gyro-monotron de la figure 1. L'onde est - amplifiée pendant qu'elle parcourt le guide d'onde 50. Elle est prélevée par un guide d'onde séparateur 58 et absorbée dans une charge séparatrice 60. Le faisceau mo- dulé traverse un tube de propagation séparateur ou ouver- ture 62 qui est suffisamment petit pour que, pour le mode de fonctionnement, il n'y ait que très peu d'énergie ondu- latoire propagée entre les guides d'onde d'interaction 50 et 52. Le fonctionnement est complètement analogue à celui des séparateurs dans un tube classique à onde pro- gressive à modulation de vitesse. Du fait qu'il y a très peu de réinjection d'onde accidentelle, le gain global peut être plus élevé que dans le cas d'un tube à onde progressive à un seul élément de guide d'onde sans qu'il se produise une instabilité de rétroaction. L'élément de guide d'onde de sortie 52 est terminé à son entrée par un guide d'onde séparateur 64 qui se termine par une charge absorbante 66. Le faisceau modulé qui entre dans le guide d'on- de 52 y excite le mode à champ électrique transversal qui est amplifié et transmis à travers un élément 68 collec- teur de faisceau et une fenêtre de sortie 70 à une charge utile externe (non représentée). Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, le champ magnétique axial est réduit à l'entrée du collecteur 68, de sorte que le fais- ceau électronique 34' s'élargit et est capté sur la paroi intérieure 70'. La chaleur engendrée est évacuée par de l'eau qui circule dans des canaux 72. Il existe un problème d'énergie ondulatoire parasite qui fuit par les tubes de propagation 38' et 62. On a décrit, lors de la description de la figure 1, les effets nuisibles du rayonnement hors du tube de propaga- tion d'entrée 38'. De même, toute énergie ondulatoire qui fuit hors du guide d'onde de sortie 52 par le tube de pro- azation séparateur 62 en retour dans le guide d'onde 2D d'entrée 50 constitue une source de rétroaction interne qui peut provoquer une instabilité ou des oscillations indésirées. Conformément à l'invention, le tube de propaga- tion d'entrée 38' et le tube de propagation séparateur 62 doivent avoir des diamètres intérieurs plus petits que la valeur critique définie ci-dessus, ce qui réduit considé- rablement l'énergie ondulatoire de fuite. Les exemples ci-dessus ont été donnés à titre d'exemple non limitatif. D'autres modes de réalisation de l'invention viendront immédiatement à l'esprit des spécia- listes de la technique. L'invention peut être appliquée à différents tvyes de tubes à ondes rapides et à des ou- vertures ayant des formes autres que des cylindres ou autres figures de révolution. REVENDICATIONS - 1. Générateur à hyDerfréquence et à effet gira- toire comprenant des moyens (20; 20') pour engendrer un faisceau (34; 34') de particules chargées suivant des trajets hélicoïdaux, un circuit (40; 50) pour entretenir une onde électromagnétique avant une composante de champ électrique transversale afin d'interagir avec la compo- sante de vitesse transversale desdites Particules et une ouverture (38; 38', 62) d'isolement de l'onde à une au moins des extrémités du circuit, le circuit et l'ouverture étant creux pour permettre le passage longitudinal du faisceau, ce générateur étant caractérisé en ce que le diamètre intérieur maximal a de l'ouverture est inférieur à 8,8/f, a étant le diamètre en centimètres et f étant la fréquence de l'onde en gigahertz. 2. Générateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les passages intérieurs du circuit et de l'ouverture sont des figures de révolution autour d'un axe commun. 3. Générateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le passage intérieur de l'ouverture n'est pas une figure de révolution et en ce que ledit diamètre est la dimension transversale maximale dudit passage. 4. Générateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite extrémité est l'extrémité (38;38') du circuit (40; 50) voisine des moyens (20;20') engendrant le faisceau. 5. Générateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte un second circuit (52) espacé du premier circuit (50) dans la direction du passage lon- gitudinal, et en ce que l'ouverture (62) est disposée en- tre le premier circuit et le second circuit. 6. Générateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'onde électromagnétique est une onde pro- gressive. 7. Générateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'onde électromagnétique est une onde sta- tionnaire et le circuit résonne à ladite fréquence. 8. Générateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la longueur de l'ouverture est supérieure audit diamètre.