Brevet FR2503451A1 — publié le 19821008

La présente invention concerne les tubes élec- troniques destinés à générer une puissance très élevée à une fréquence très élevée. Le gyrotron est un exemple mo- derne d'un tel tube. Ces tubes utilisent de façon carac- téristique des circuits de propagation d'ondes qui fonc- tionnent dans un mode d'ordre élevé, tel qu'un mode avec un champ électrique circulaire. On construit généralement les tubes gyrotrons avec une cavité d'interaction de faisceau qui est conçue de façon à supporter une onde électromagnétique dans un mode TEoml. La conversion accidentelle de ce mode en d'autres modes que la cavité peut également supporter cons- titue un problème. Tout écart des circuits par rapport à une symétrie circulaire produit une conversion en modes à champ non circulaire. Ainsi, la pratique courante a été de donner au guide d'onde de sortie une forme cylin- drique, coaxiale avec la cavité d'interaction, et conçue de façon à permettre la propagation du mode TE om. Le faisceau d'électrons creux est dilaté en arrêtant le champ magnétique axial de focalisation. Le faisceau est ensuite collecté sur la paroi de guide d'onde environnante, tandis que l'onde poursuit son chemin en traversant une fenêtre de sortie diélectrique. Un inconvénient principal de la configuration de l'art antérieur consiste en ce que la taille, et donc la capacité de dissipation de puissance, du collecteur est limitée par le diamètre du guide d'onde. On peut également contribuer à ceci en augmentant le diamètre du guide d'on- de. Si le diamètre du guide est ensuite réduit avant la fenêtre de sortie, par exemple, certains des modes d'or- dre supérieur qui sont créés aux discontinuitésde la par- tie à diamètre variable peuvent être emprisonnés et réson- ner. Si des pertes suffisantes ne sont pas établies dans la partie dilatée, les amplitudes peuvent croître jus- qu'à un niveau tel que le fonctionnement du tube est in- terrompu par réflexion vers la cavité avec des modes qui peuvent être transmis vers cette dernière. Ceci fait appa- raitre une puissance de sortie erratique et souvent un saut de fréquence vers des modes concurrents. Dans la conception de certains gyrotrons, on trouve que le champ magnétique ne peut plus commander le faisceau sur toute la longueur d'un collecteur prolongé. Il est alors nécessaire d'augmenter encore davantage le diamètre du collecteur pour établir une aire suffisante pour la dissipation du faisceau. Ceci conduit soit à des discontinuités accrues, soit à des parties à diamètre variable excessivement longues. L'invention a pour but de réaliser un tube gyrotron de puissance accrue. L'invention a également pour but de réaliser un tube gyrotron présentant des oscillations parasites rédui- tes. On parvient à ces buts grâce à un espace trans- versal dans le guide d'onde de sortie, à travers lequel le faisceau d'électrons qui a travaillé est dirigé de façon à sortir du guide vers une cavité environnante, plus grande, sur les parois de laquelle il est collecté. L'énergie ondulatoire qui fuit vers la cavité de collec- teur est absorbée par une charge qui peut être à l'inté- rieur de l'enceinte à vide du collecteur ou à l'extérieur de celle-ci. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe axiale schématique d'un oscillateur à gyrotron de l'art antérieur. La figure 2 est une coupe axiale schématique de la partie de sortie d'un gyrotron de l'art antérieur modi- fié. La figure 3 est une coupe axiale schématique de la partie de sortie d'un gyrotron qui correspond à l'in- vention. La figure 4 est une coupe axiale schématique de la partie de collecteur d'un mode de réalisation modifié. La figure 1 est un schéma d'un oscillateur à gyrotron de l'art antérieur, du type monotron. Le gyrotron est un tube micro-onde dans lequel un faisceau d'électrons animés de mouvements en hélice dans un champ magnétique axial parallèle à leur direction de dérive donne lieu à une interaction avec les champs électriques transverses d'un circuit qui entretient une onde. Dans les tubes uti- lisés en pratique, le champ électrique correspond à un mode à champ électrique non circulaire. Dans le gyro- klystron, le circuit d'entretien d'onde est une cavité résonnante, qui résonne habituellement dans un mode TE1. Dans le gyro-monotron de la figure 1, une ca- thode thermoélectronique 20 est supportée sur la plaque d'extrémité 22 de l'enceinte à vide. La plaque d'extrémité 22 est scellée à l'anode accélératrice métallique 24 par un élément diélectrique 26 de l'enceinte. L'anode 24 est elle-même scellée au corps principal 28 du tube par une seconde pièce diélectrique 30. Au cours du fonctionnement, une alimentation 32 maintient la cathode 20 à un poten- tiel négatif par rapport à l'anode 24. La cathode 20 est chauffée par un élément chauffant rayonnant interne (non représenté). Les électrons thermoélectroniques sont ex- traits de la surface émettrice extérieure conique de la cathode par le champ attractif de l'anode conique coaxia- le 24. La structure est entièrement immergée dans un champ magnétique axial H qui est produit par un aimant à solénoïde (non représenté) qui entoure cette structure. Le mouvement radial initial des électrons est converti par les champs électrique et magnétique croisés en un mouvement qui les éloigne de la cathode 20 en leur fai- sant décrire une hélice autour des lignes de champ magné- tique, de façon à former un faisceau creux 34. L'anode 24 est maintenue à un potentiel négatif par rapport au corps 28 du tube, par une seconde alimentation 36, ce qui com- munique une accélération axiale supplémentaire au fais- ceau 34. Dans la région qui se trouve entre la cathode 20 et le corps 28, l'intensité du champ magnétique H est for- tement augmentée, ce qui a pour effet de comprimer le dia- mètre du faisceau 34 et également d'augmenter son énergie de rotation, aux dépens de l'énergie axiale. L'énergie de rotation est la composante qui intervient dans l'interac- tion utile avec les champs d'onde du circuit. L'énergie axiale assure simplement le transit du faisceau à travers la région d'interaction. Le faisceau 34 traverse un tube de transfert, ou ouverture, 38 pour pénétrer dans la cavité d'interaction qui résonne à la fréquence de fonctionnement dans un mode TE OM. L'intensité du champ magnétique H est ajustée de façon que le mouvement de rotation des électrons à la fréquence cyclotron soit approximativement synchrone avec la résonance de la cavité. Les électrons peuvent alors fournir leur énergie de rotation au champ électrique cir- culaire, ce qui établit une oscillation entretenue. A l'extrémité de sortie de la cavité 40, la paroi intérieure du corps 28 peut avoir un diamètre allant en diminuant, pour former un diaphragme 42 de taille choi- sie pour donner le niveau approprié de couplage d'énergie en sortie de la cavité 40. Dans des tubes de très forte puissance, il peut ne pas y avoir de diaphragme de diamètre réduit, la cavité étant entièrement ouverte à son extrémi- té pour donner un couplage maximal. Dans un cas comme dans l'autre, une partie 44 de forme évasée couple l'éner- gie de sortie vers un guide d'onde uniforme 46 qui a un diamètre supérieur à celui de la cavité résonnante 40, de façon à propager une onde progressive. Près de la sortie de la cavité 40, le champ magnétique H est réduit. Le faisceau 34 prend ainsi un diamètre croissant sous l'in- fluence des lignes de champ magnétique qui se dilatent et de sa propre charge d'espace auto-répulsive. Le faisceau 34 est ensuite collecté sur la paroi intérieure du guide d'onde 46 qui fait également fonction de collecteur de faisceau. Une fenêtre diélectrique 48, par exemple en cé- ramique à base d'alumine, est scellée dans la direction transversale du guide d'onde 46.pour compléter l'enceinte à vide. Du fait que le collecteur de faisceau 46 est également le guide d'onde de sortie, son diamètre est limité par les dimensions de propagation pour le mode de fonction- nement TE. Ainsi, sa capacité de dissipation d'énergie est également limitée. On constate que lorsqu'on réalise des gyrotrons TEom qui travaillent à des fréquences supé- rieures, la commande du faisceau d'électrons dans le collecteur devient faible et, par conséquent, il devient difficile d'utiliser des champs à symétrie axiale pour étaler le faisceau sur une grande longueur de collecteur. La figure 2 est un schéma de la partie de sortie d'un autre gyrotron de l'art antérieur. Ici, la cavité 40' est couplée par une partie conique 44' à une partie de collecteur 50 qui a un diamètre considérablement supérieur à celui du guide d'onde de sortie 46'. Une seconde partie conique 52 réduit lentement le diamètre du collecteur 50 jusqu'au guide d'onde 46'. L'onde traverse le guide d'onde 46' en passant par une fenêtre diélectrique 48', pour se diriger vers la charge utile. La configuration de la figu- re 2 réduit la densité de puissance de dissipation du fait que le collecteur 50 est plus grand que le collecteur de la figure 1, qui a une taille de guide d'onde. Cepen- dant, les parties coniques elles-mêmes peuvent produire une conversion de mode, généralement d'un mode à symétrie circulaire vers un autre mode ayant la même symétrie. Du fait que le collecteur de faisceau 50 est également le guide d'onde de sortie, son diamètre est limité par les longueurs acceptables des parties coniques (dont le dia- mètre augmente jusqu'au collecteur et se réduit jusqu'au guide d'onde de sortie) qui sont nécessaires pour mainte- nir la conversion de mode à un niveau faible. De plus, la partie de guide d'onde agrandi que forme le collecteur 50 peut supporter des modes d'ordre supérieur pour lesquels le guide d'onde 46' est sous coupure, ce qui fait que ces modes ne peuvent pas s'échapper de la partie agrandie. Le Q de cette partie est donc très élevé et les modes para- sites peuvent croître jusqu'à des amplitudes dangereuse- ment élevées. Du fait de la conversion en modes supportés par la cavité et de la réflexion vers la cavité, ceci pro- duit une interruption de l'interaction, une perte de puis- sance de sortie et souvent un saut de fréquence vers un mode concurrent. Pour cette raison, on établit normalement des pertes dans le collecteur de diamètre accru pour limi- ter l'amplitude des résonances emprisonnées. Ceci peut prendre la forme d'un petit espace d'une dimension telle que la perte pour les modes de propagation désirés soit faible, tandis que les modes parasites se propagent vers l'extérieur et sont absorbés de manière externe. La figure 3 montre une coupe de l'extrémité de sortie d'un type gyrotron correspondant à l'invention. La cavité résonnante 40" est couplée par une partie conique 44" au guide d'onde 46" dont le diamètre est seulement légèrement supérieur à celui de la cavité 40", mais est suffisamment grand pour acheminer une onde progressive. Cette petite partie conique est moins sujette à conversion de mode que la grande partie conique de l'art antérieur, de la figure 2. Le guide d'onde 46" se prolonge vers la charge utile, après traversée de la fenêtre 48". Le guide d'onde 46" est interrompu par un espace 56 dans la région dans laquelle le faisceau 34" se dilate. La configuration de champ magnétique est telle que le faisceau 34" traverse l'espace 56 sans heurter le guide d'onde 46". Le faisceau 34" continue à se dilater et il est collecté sur la sur- face intérieure 57 de la chambre de collecteur agrandie 58. La surface collectrice est refroidie par circulation d'eau ou d'un autre fluide 54". Du côté intérieur par rapport aux extrémités du collecteur 58, et à distance du faisceau 34", sont insérés des anneaux d'une matière diélectrique 60 capable d'absorber les ondes, comme de la céramique à l'oxyde de béryllium contenant des particules de carbure de silicium, qui est une matière à pertes très élevées.L'anneau 60 peut être brasé à la paroi refroidie par eau de la cavité de collecteur 58, pour être refroi- di par conduction, ou bien il peut être suspendu de fa- çon à pouvoir s'échauffer et rayonner la puissance qu'il absorbe. Pour produire des pertes supplémentaires, cer- taines parois intérieures du collecteur 58 peuvent être re- vétues avec un revêtement métallique à résistance élevée.Ces éléients à pertes absorbent tout rayonnement micro-onde qui entre dans le col- lecteur 58 par l'espace 56 du guide d'cnde,ce qui évite la créaticn de résonances de forte armlitude. Le collecteur 58 et les anneaux 60,pré- sentent avantageuseient une foroe de révolution coaxiale par rapport au guide d'onde. La quantité d'énergie ondulatoire qui fuit hors du guide d'onde 46" vers le collecteur 58 est une fonction décroissante du diamètre du guide d'onde 46", et une fonc- tion croissante de la longueur de l'espace 56, ces deux paramètres étant mesurés en longueurs d'onde en espace libre. Les calculs théoriques comme les résultats expéri- mentaux ont démontré que la perte d'énergie dans un tube pratique peut être tolérable. Par exemple, des mesures faites sur un guide d'onde de 12, 7 cm de diamètre montrent qu'on pourraIt avoir un espace de 16,5 cm avec une perte inférieure à 4% à 120 GHz dans le mode de propagation TE02, et qu'on pourrait avoir un espace de 30,5 cm avec moins de 10% de perte. Ces espaces pourraient permettre -au faisceau d'électrons de passer vers un collecteur de diamètre suffisant pour permettre une dissipation appro- priée. La figure 4 est une coupe de l'extrémité de sor- tie d'un gyrotron qui emploie un mode de réalisation un peu différent. La fonction d'absorption d'onde dans la cavité de collecteur 58"' est obtenue ici en fermant l'une des extrémités ou les deux avec une fenêtre diélec- trique de propagation d'onde 62. La fenêtre 62 est de pré- férence en matière à faibles pertes, comme de la céramique à teneur élevée en alumine. Les fenêtres extérieures 62 définissent des parties de charge par eau, 64, qui con- tiennent un fluide diélectrique à pertes 66, tel que de l'eau, circulant par des tuyaux d'entrée et de sortie 68. L'énergie ondulatoire parasite est absorbée directement dans la masse du fluide 66, ce qui fait que le problème de transfert de chaleur par convection est fortement réduit. Selon une variante, on peut prolonger la cavité 58" au-delà des fenêtres 62, sous la forme de guides d'on- de emplis d'air terminés par n'importe quelle sorte de charge classique pour guide d'onde. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le guide d'onde de sortie 46"' peut comporter une partie conique conduisant à une région 50"' de plus grand diamè- tre, d'une manière similaire à celle de la figure 3, la différence résidant en ce que, dans la figure 4, la sur- face 50"' n'a pas à dissiper l'énergie du faisceau qui est reçue sur la surface 57"', encore plus grande, de la cavité de collecteur 58"'. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, l'inven- tion peut être appliquée à n'importe quel tube à faisceau linéaire utilisant un guide d'onde de sortie qui achemine une onde correspondant à un mode de champ électrique cir- culaire. A l'heure actuelle, le gyrotron est celui de ces tubes qui a le plus de succès, mais on peut en concevoir d'autres. De plus, on peut utiliser d'autres procédés pour amortir l'énergie qui entre dans le collecteur. REVENDICATIONS 1. Tube électronique micro-onde, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (20, 24) destinés à générer un faisceau creux d'électrons (34"); un circuit destiné à entretenir une onde électromagnétique en interaction avec le faisceau; un guide d'onde circulaire (46"), coaxial par rapport au faisceau et destiné à acheminer l'énergie de l'onde vers une charge externe, en un mode ayant des champs électriques circulaires; un espace transversal (56) dans le guide d'onde pour permettre le passage du faisceau vers l'extérieur; et un collecteur d'électrons creux (58) qui entoure cet espace. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'absorption d'onde (60, 66), en couplage avec le collecteur en ce qui con- cerne la transmission de l'onde. 3. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur (58) a une forme de révolution qui est coaxiale par rapport au guide d'onde. 4. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que le collecteur (58) et les moyens d'absorption d'on- de (60, 66) ont des formes de révolution coaxiales par rapport au guide d'onde. 5. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'absorption d'onde comprennent une cou- che de matière résistive placée sur une partie au moins de la surface intérieure du collecteur. 6. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière d'absorption d'onde consiste en une matière diélectrique à pertes (60, 66). 7. Tube selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matière diélectrique (60) se trouve à l'intérieur du collecteur (58). 8. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une fenêtre diélectrique (62), transmettant l'onde, qui fait partie d'une enceinte à vide du collecteur. 9. Tube selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (64) destinés à maintenir la matière diélectrique à pertes (66) en coupla- ge avec la fenêtre, au point de vue de la transmission de l'onde. 10. Tube selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matière diélectrique à pertes est de l'eau (66). Il. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens destinés à produi- re un champ magnétique coaxial par rapport au faisceau (34") pour diriger ce faisceau. 12. Tube selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens destinés à rédui- re l'intensité du champ magnétique (H) à proximité dudit espace (56), grâce à quoi le faisceau est dirigé vers l'extérieur à travers cet espace.