Brevet FR2499312A1 — publié le 19820806

La urésernte invention concerne les tubes à vide micro-ondes qui utilisent une interaction du type maser à résonance cyclotron entre un faisceau de particules chargées telles que des électrons ayant une trajectoire en hélice, et une onde électromagnétique. Dans le dispositif appelé gyroklystron ou gyro-monotron (gyrotron), l'onde est une onde stationnaire dans une cavité résonnante creuse. Le mouvement hélicoïdal des électrons est produit par un champ magnétique dirigé le long de l'axe de propagation du faisceau, ce qui fait que les particules individuelles parcourent des orbites en hélice à leur fréquence cyclotron. La cavité résonne de façon caractéristique selon un mode ayant un champ électrique circulaire perpendiculaire à l'axe. Des résonances de la cavi- té d'ordre inférieur ou des champs électriques non circulaires peuvent être excités par couplage à partir du mode désiré, à cause par exemple de petits défauts de symétrie dans la con- figuration géométrique, ou par interaction directe avec le faisceau. Les modes à champ électrique circulaire des guides d'ondes et des cavités résonnantes ont fait l'objet de nom- breuses études. C'est fondamentalement leurs caractéristiques de pertes très faibles qui incitent à utiliser ces modes. Ce sont des modes d'ordre supérieur, c'est-à-dire qu'à leur fré- quence de coupure inférieure dans un guide d'onde, d'autres modes d'ordre inférieur peuvent se propager. Il existe donc toujours un problème de conversion de l'énergie vers les modes d'ordre inférieur. Dans l'art antérieur, on a utilisé la sy- métrie axiale des modes à champ électrique circulaire pour extraire l'énergie de tout mode à champ non circulaire et pour l'absorber dans une charge résistive à pertes. Dans le mode à champ électrique circulaire établi dans un guide d'on- des cylindrique ou dans une cavité, les courants électriques dans les parois circulent selon des cercles qui entourent l'axe. On peut donc tailler des rainures circulaires ou des structures analogues dans la paroi sans interrompre les cou- rants du mode à champ électrique circulaire. Cependant, d'au- tres modes, qui sont des modes parasites, ont des composantes axiales du courant de paroi. Ces composantes peuvent couper les rainures, en excitant dans celles-ci des champs qui sort absorbés par une matière à pertes logée en retrait dans les rainures. Le brevet US 3 471 744 décrit des dispositifs d'ab- sorption de mode du type à fente dans une cavité résonnante de magnétron. Le brevet US 3 441 793 décrit des fentes dir- culaires dans un guide d'onde pour coupler des modes non circulaires vers un dispositif d'absorption à l'extérieur du guide. le brevet US 3 008 102 décrit une cavité de stabilisa- tion à champ électrique circulaire, dans laquelle la paroi cylindrique est constituée par des conducteurs circulaires entre lesquels est intercalée de la matière à pertes. Dans tous les brevets précités, l'énergie de modes non circulaires est absorbée à l'intérieur de la cavité. Le gyrotron de l'in- vention génère une puissance micro-onde beaucoup plus élevée que n'importe quelle source de l'art antérieur, comme par exemple 100 kW à 100 GHz. Ainsi, toute matière absorbante présente dans la cavité brillerait rapidement, même si elle était couplée sélectivement aux modes non circulaires. l'invention a pour but de réaliser un gyrotron dans lequel certains modes non circulaires sont atténués parcou- plage de leur énergie vers le guide d'onde de sortie. On parvient à ce but en incorporant une rainure cir- culaire dans la paroi extérieure conductrice de la cavité ré- sonnante. La rainure présente une charge réactive pour de nombreux modes non circulaires, ce qui perturbe leurs dia- grammes de champ d'une manière qui renforce leur couplage vers le guide d'onde. 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 gyro -monctron correspondant à l'invention. La figure 2 est une coupe schématique d'une partie d'un gyro-monotron différent correspondant à l'invention. la figure 3 représente le diagramme de champ du mode TEO11 dans un résonateur cylindrique. La figure 4 représente le mode TM111 dans un réso- nateur cylindrique. La figure 5 représente le mode TM110. La figure 1 est un schéma d'un gyro-monotron qui correspond à l'invention. Le gyrotron est un tube micro-ondes dans lequel un faisceau d'électrons ayant un mouvement héli- coidal dans un champ magnétique axial parallèle à leur direc- tion de propagation donne lieu à interaction avec les champs électriques d'un circuit qui entretient une onde. Le champ électrique dans des tubes utilisés en pratique correspond à un mode à champ électrique circulaire. Dans le gyro-klystron ou gyro-monotron, le circuit qui entretient l'onde est une cavité résonnante, qui résonne habituellement selon un mode TEOm1À Dans le gyro-monotron de la figure 1, une cathode thermoélectronique 20 est supportée par la plaque d'extrémité 22 du tube à vide. La plaque d'extrémité 22 est scellée à l'anode accélératrice 24 par un élément diélectrique 26 du tube. L'anode 24 est elle-même scellée au corps principal 28 du tube par un second élément diélectrique 30. Pendant le fonctionnement,la cathode 20 est maintenue à un potentiel né- gatif par rapport à l'anode 24, par une alimentation 32. La cathode 20 est chauffée par un élément chauffant rayonnant interne (non représenté). Des électrons de courant thermo- électrcnique sont extraitsde la surface émissive conique ex- térieure de la cathode par le champ d'attraction de l'aode co- nique coaxiale 24. L'ensemble de la structure est plongé dans un champ magnétique axial H qui est produit par un aimant à solénoïde (non représenté) qui entoure la structure. Le mou- vement radial initial des électrons est converti par les champs électrique et magnétique croisés en un mouvement qui éloigne les électrons de la cathode 20. Chaque électron tourne sur une petite orbite autour d'une ligne de champ magnétique, et ce mouvement est combiné avec une rotation plus lente au- tour de l'axe et avec la.vitesse de propagation axiale. Le faisceau résultant 34 se présente sous la forme d'une enve- loppe creuse. L'anode 24 est maintenue à un potentiel négatif par rapport au corps 28 du tube par une seconde alimentation 36, ce qui communique une accélération axiale supplémentaire au faisceau 34. Dans la région comprise entre la cathode 20 et le corps 22, l'intensité du champ magnétique esz forte- ment augmentée, ce qui a pour effet de comprimer le dia+ètre du faisceau 34 et également d'augmenter son énergie de rota- tion, aux dépens de son énergie axiale. L'énergie de rotation est celle qui intervient dans l'interaction utile avec les champs d'onde du circuit. L'énergie axiale assure simnlement la propagation du faisceau-à travers la région d'inrteraction. Le faisceau 34 traverse un tube de propagation 38 pour pénétrer dans la cavité d'interaction qui résonne à la fréquence de fonctionnement en un mode TE0m1. L'intensité H du champ magnétique est réglée de façon que le mouve-Ment de rotation des électrons à la fréquence cyclotron soit apro- ximativement synchrone avec la résonance de la ca-ié.- Les électrons peuvent alors fournir leur énergie de rotation au champ électrique circulaire, 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 qui va en se rétrécissant, pour former un iris 42 dont la taille est choi- sie de façon à donner le niveau approprié de couplage d'éner- gie vers l'extérieur de la cavité 40. Dans des tubes de très forte puissance, il peut ne pas y avoir d'iris de diamètre réduit, l'extrémité de la cavité étant complètement ouverte pour donner le couplage maximal. Dans un cas comme dans l'au- tre, une section 44 de diamètre croissant couple l'nrergie de sortie vers un guide d'onde uniforme 46 qui a un diamètre supérieur à celui de la cavité-résonnante 40, pour faire propager une onde prcgressive. Au-delà de la sortie de la cavité 40, le champ magnétique H est réduit. Le diamètre du faisceau 34 augmente ainsi sous l'influence des lignes de champ magnétique qui s'écartent et de sa propre charge d'es- pace qui a un effet d'auto-répulsion. 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 céramique à base d'alumine, est scellée transversalement au tube d'onde 46 pour ccmplèter le tube à vide. La figure 2 montre la cavité et la section de sortie d'un gyro-monotron moderne de puissance extrêmement élevée. Dans ce cas, il est nécessaire de disposer d'un couplage de sortie plus fort que celui qu'on obtient en laissant l'ex- trémité de la cavité 40 complètement ouverte. Pour augmenter le couplage, l'extrémité de sortie de la cavité 40' est con- nectée au guide d'onde de sortie 46' par un léger évasement, avec un raccordement progressif. Il n'y a alors pas de point défini de façon précise auquel on peut dire que la cavité se termine et que le guide commence. Dans un gyre-monotron du type représenté sur les figures 1 et 2, la cavité d'interaction 40 a un diamètre qui est grand par rapport à la longueur d'onde en espace libre, pour permettre l'existence d'un mode résonnant TE0mO et pour laisser passer un faisceau d'électrons 34 relativement grand qui est nécessaire pour générer une puissance très élevée. La cavité 40 a également une longueur égale à plusieurs longueurs d'onde en espace libre, pour produire une interaction cumula- tive avec le faisceau 34 qui est animé d'une vitesse de prc- pagation axiale ainsi que du mouvement orbital transversal qui donne lieu à interaction avec le champ électrique cir- culaire du mode de la cavité. La cavité 40 permet donc l'exis- tence d'ondes stationnaires et progressives dans d'autres modes d'ordre inférieur. Ces autres modes manifestent vis-à- vis du faisceau 34 une interaction qui est soit très faible, soit nuisible, ce qui s'oppose au groupement synchrone des électrons du faisceau 34. Les modes parasites sont excités par tout écart par rapport à une symétrie axiale parfaite de la cavité 30. Les modes qui sont des modes dégénérés par rapport au mode de fonctionnement TEOml sont particulièrement gênants. Il s'agit de modesayant la même fréquence de résonance que le mode de fonctionnement. Lorsqu'on mode est dégénéré par rapport à un autre et lorsqu'ils ont un Q élevé, le couplage entre eux, même par une très faible dissymétrie, peut entraîner un trans- fert élevé d'énergie de mode. Pour illustrer ce problème, des diagrammes de champ de trois modes intéressants sont représentés sur les figures 3, 4 et 5. Ces diagrammes concernent une cavité de forme cy- lindrique circulaire droite, fermée aux deux extrémits. Dans des cavités pratiques aysnt de grandes ouvertures de couplage, les diagrammes de mode deviennent moins symétrioues, mais les formes fondamentales de champ demeurent. Les lignes de champ électrique 60 sont représentées en trait continu et les lignes de champ magnétique 62 sont représentées en pointillés. Unl petit cercle avec un point à l'intérieur, 64, représente une ligne, de champ qui sort de la feuille et un cercle avec une croix, 66, représente une ligne qui entre dans la feuille. Le premier numéro de mode est le nombre de variations cycliques du champ électrique qu'on rencontre en tourmant autour du cy- lindre, en passant par différents azimuts, le second numéro est le nombre de maximums sur un rayon à partir de l'axe, et le treisième numéro est le nombre de maximums sur la longueur de la cavité. La figure 3 représente le mode TE011. Les modes de cavité TEom1 sont ceux qu'on utilise dans les gyro-klystrons. Leus lignes de champ électrique sont des cercles coaxiaux. Dans un but de simplicité, on a représenté ici celui de ces modes ayant l'ordre le plus faible, c'est-à-dire le mode TE011. La figure 4 représente le mode TI111 * les modes TMlml sont gênants du fait que dans une cavité cylindrique cir- culaire droite fermée, ils sont dégénérés par rapport aux modes utiles TE0m1. La figure 5 représente le mode TXl110. Les modes de la famille TM1m0 sont également g9nants du fait que les dia- grammes de champ transversaux sont identiques à ceux des modes TM1mliO Ainsi, lorsque la cavité est très longue par rapport à son diamètre, l'absence d'une seule variation longitudinale du champ ne change pas beaucoup la fréquence de résonance. La résonance est donc très proche de celle du mode TMlIm1, et donc du mode TEOm1À Dans l'art antérieur, on a amorti les modes non cir- culaires en ajoutant des rainures circulaires dans les parois de la cavité et en les emplissant d'une matière à pertes. les rainures sont perpendiculaires à l'axe de la cavité, ce qui fait que les courants de paroi du mode TEom1 ne les coupent pas, et le champ électrique tombe rapidement à zérolorsqu'il pénètre dans la rainure, dans la direction de la profondeur. Ainsi, il n'y a pas beaucoup de pertes d'énergie pour le mode à champ électrique circulaire. Cependant, les autres modes ont génralement des composantes axiales du courant de paroi qui coupent la rainure, ce qui excite dans celle-ci un champ électrique qui est absorbé par la matière à pertes, ce qui amortit'les modes parasites. L'inconvénient de cette technique consiste en ce que la matière à pertes brile dans le cas des niveaux de puissance très élevés que génère le gyron-klystron. On a découvert qu'on pouvait également amortir des modes parasites en couplant leurs champs à travers l'ouverture de sortie 42 vers le guide d'onde de sortie 46, et ensuite vers l'espace ou la charge micro-onde utile. Cependant, lorsque l'ouverture 42 est aussi grande que la cavité 40, c'est-à-dire lorsqu'il n'y pas de restriction du diamètre, le couplage peut être faible au point que des champs correspondant à des modes parasites nuisibles peuvent toujours exister dans la cavité 40. Les modes du type TMlmo (figure 5) se sont avérés très nuisibles dans le gyroklystron. Ces modes n'ayant pas de variation axiale du champ, résonnent à la fréquence de cou- pure du guide d'onde. Ils correspondent à des ondes stationnai- res pures ayant une vitesse de groupe nulle, ce qui les dis, tingue des modes ayant des variations axiales du champ, dont les ondes stationnaires sont équivalentes à une onde progres- sive qui est réfléchie aux extrémités-de la cavité. Il a été trouvé que même lorsque la cavité du gyrotron a une extrémité complètement ouverte pour le couplage de sortie, les modes TMlmo ont toujours une résonance à Q élevé. Le cou- plage de l'énergie vers l'extérieur semble être davantage un phénomène de fuite qu'un transport d'énergie par onde progres- sive. Il a également été constaté qu'une rainure circu- laire 50 (figure 1) dans la paroi de la cavité 40, ne contenant pas de matière à pertes, abaisse la fréquence des modes TM /nm dégénérés ou presque dégénérés, ce qui fait qu'ils sont moins fortement excités par le mode utile TEom1. De plus, le Q des modes TMlmo est également fortement réduit, ce qui fait que leur impédance d'interaction avec le faisceau est réduite. On ne comprend pas complètement ce résultat surprenant. Il semble 24:99312 possible oue la rainure 50 puisse établir un couplage. mutuel entre les modes TMlimo et TI1mm, grsce à quoi l'-nerrie;- mode Tlm0 qui est normalement très faiblement cculev--^--- le guide d'onde de.sortie est transformée en u. mode Trn1 qui, consistant en une onde progressive réfléchie, est beau- coup plus fortement couplé. Les exemples précédents ne sont nullement limitatifs. L'homme de l'art notera qu'onpeut donner div-erses formes à la section transversale de la rainure 50. Presque n'importe quel- le variation abrupte par rapport à une paroi de carité cylin- drique lisse doit produire l'effet désiré. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVELNICATIONS 1. Gyrotron comprenant: des moyens destinés à for- mer un faisceau de particules chargées se propageant en héli- ce, et une cavité conductrice creuse (40) ayant une forme tel- le qu'elle résonne en un mode ayant un champ électrique cir- culaire, cette cavité comportant une extrémité (38) qui ccn- siste en une ouverture permettant le passage du faisceau, et une autre extrémité (42, 44) qui consiste en une ouverture conduisant vers un guide d'onde circulaire (46) capable de transmettre une onde ayant un champ électrique circulaire, caractérisé en ce qu'il comporte une rainure (50) dans la paroi de la cavité, cette rainure s' étendant Daralller nt au champ électrique dudit mode,tardi3 que les parois de la rainure. ont de faibles pertes résistives et l'intérieur de la rainure a de faibles pertes diélectriques, grâce à quoi les diagrammes de champ de modes ayant des champs électriques non circulaires sont perturbés avec seulement une faible dissipation de leur énergie. 2. Gyrotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (40), le guide d'onde (46), la rainure (50) et les ouvertures sont des figures de révolution autour d'un axe. 3. Gyrctron selon la revendication 2, caractérisé en ce que le contour du faisceau est une figure de révolution autour de l'axe.