Brevet FR2520552A2 — publié le 19830729

FR 2520552 A2 19830729 FR 8201013 A 19820122 GENERATEUR D'ONDES RADIOELECTRIQUES POUR HYPERFREQUENCE La présente addition concerne un générateur d'ondes radio- électriques pour hyperfréquence. Le brevet principal auquel se rattache la présente addition a été déposé le 29 Décembre 1978 au nom de THOMSON-CSF sous le numéro 78 36960 et publié sous le numéro 2 445 611 Ce brevet principal concerne un générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquence fournissant des ondes millimétriques et sub- millimétriques. Ce générateur utilise un faisceau d'électrons se propageant suivant un axe, ce faisceau étant soumis à l'action d'un champ magnétique dirigé suivant cet axe et à l'action d'un champ élec- trique de haute fréquence dirigé transversalement au champ magné- tique. Ce générateur comporte deux parties qui se succèdent le long de l'axe: dans la première partie, qui est celle par laquelle entre le faisceau d'électrons, on trouve des volumes résonnants qui ont une fréquence de résonance égale à la fréquence cyclotronique fc des électrons dans le champ magnétique Ces volumes sont alimentés en haute fréquence par une source d'onde à la fréquence cyclotronique fc* Dans cette première partie, le champ électrique haute fréquence à la fréquence fc communique de l'énergie aux électrons; dans la deuxième partie, qui résonne à une fréquence voisine d'un multiple n Mfc de la fréquence cyclotronique, a lieu le prélè- vement, sur une charge, d'une énergie à une fréquence voisine de n.fc* Ce générateur permet d'obtenir une énergie transversale finale de l'ordre de 100 Ke V au maximum Il n'est pas possible avec ce générateur d'obtenir des énergies beaucoup plus élevées à cause d'un * 30 phénomène relativiste. Lorsque l'énergie de l'électron augmente, sa masse augmente (M = m Ifi v 2 I c 2 > et sa vitesse de rotation diminue tu J= et rélectron atant que l'électron ne cède de l'énergie à l'onde. Dans une autre demande de brevet, déposée le 26 Septembre 1980, sous le N O 80 20714, la Demanderesse a décrit un autre type de générateurs qui permet d'obtenir des énergies de 2 à 3 Me V Dans ce générateur, on utilise un faisceau d'électrons se propageant suivant un axe, ce faisceau étant soumis à l'action d'un champ magnétique croissant lentement, selon cet axe, et à l'action d'un champ électrique de haute fréquence dirigé également selon l'axe. Ce champ électrique est appliqué par l'intermédiaire d'une ligne à retard de façon à ce qu'il y ait interaction entre le champ électrique et le faisceau La croissance du champ magnétique implique l'exis- tence d'une composante radiale du champ magnétique qui convertit l'énergie longitudinale due au champ électrique en énergie trans- versale et permet d'atteindre le but recherché. Le problème qui se pose avec ce dernier générateur est qu'il comporte une ligne à retard, qui est un élément coûteux à construire et qui provoque des pertes de puissance. La présente addition concerne un générateur, dérivé du géné- rateur faisant l'objet du brevet principal, et qui permet d'obtenir des énergies de 0,5 à 1 Me V par exemple, sans nécessiter de ligne à retard. La présente addition concerne un générateur selon la reven- dication 1 du brevet principal et dans lequel les volumes résonnants consistent en un guide d'onde dont la section varie le long de l'axe, au moins en ce qui concerne la partie des volumes jésonnants couplée à la source d'ondes. L'utilisation d'un guide d'onde de section variable permet de maintenir le synchronisme entre l'électron et l'onde, même lorsque l'énergie de l'électron augmente fortement Cette compensation du phénomène relativiste observé dans le brevet principal sera expliquée dans la suite de la description. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures I et 2 annexées qui représentent deux modes de réalisation d'un générateur selon la présente addition. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. La figure 1 représente, vu en coupe longitudinale, un mode de réalisation du générateur selon la présente addition Sur cette figure, on a repris les mêmes références que celles utilisées à la figure 2 du brevet principal. On trouve donc un canon à électrons qui comporte une cathode circulaire, une électrode de Pierce 12, et une anode 14 qui accélère le faisceau 1 émis par la cathode Ce faisceau 1 se propage selon un axe XX. Un champ magnétique B, qui est produit par des moyens non représentés, est dirigé longitudinalement suivant l'axe XX. Le faisceau prénètre dans la première partie du générateur, la partie accélératrice, qui est constituée par un guide d'onde cylin- drique 20 dont la section 2 augmente dans le sens de propagation du faisceau d'électrons. Une source d'onde 7 c'est-à-dire un oscillateur, est reliée par une antenne 5 au guide d'onde 20, du côté de l'entrée du faisceau, et excite le guide à la fréquence fc qui est sensiblement égale à la fréquence cyclotronique des électrons du faisceau placés dans le champ magnétique B Cette source établit dans le guide un champ électrique à la fréquence fc dirigé transversalement au champ magnétique. Sur la figure 1, on n'a pas représenté la deuxième partie du générateur, c'est-à-dire la partie collectrice. Comme dans le brevet principal, cette deuxième partie peut être constituée par le prolongement du guide d'onde de la première partie Dans la deuxième partie, ce guide d'onde peut avoir une section constante ou variable Comme dans le brevet principal, on peut utiliser un guide cylindrique unique dont la section est déformée de façon à présenter deux extensions, de section rectan- gulaire, diamétralement opposées dans le but d'obtenir des harmo- niques d'espace d'amplitude élevée sur la fréquence n fc Ce guide d'onde, à section déformée, doit présenter en plus une section croissante au moins dans la première partie du générateur. La deuxième partie du générateur peut aussi être constituée par une enceinte résonnante séparée du guide d'onde de la première partie, couplée à une charge, et résonnant sur une fréquence voisine de n fc. Comme dans le brevet principal, il peut y avoir aussi trois enceintes résonnantes séparées, traversées successivement par le faisceau d'électrons La première, constituée par le guide d'onde 20, est couplée à la source 7 et résonne sur la fréquence cyclotronique. 1 S La deuxième est couplée à un générateur d'un signal radioélectrique à amplifier à une fréquence voisine de n f c Enfin, la troisième enceinte résonnante est couplée à la charge et résonne à une fréquence voisine de n f M. La deuxième partie du générateur peut aussi être constituée par un miroir Fabry Perot ou toute autre structure appropriée et tirée de la littérature sur les gyrotrons. La figure 2 de la présente demande de brevet diffère de la figure 1 car la source d'onde 7 est reliée au guide d'onde 20, du côté de la sortie du faisceau, et la section du guide décroît selon le sens de propagation du faisceau. Il est bien entendu que comme cela a été dit dans le brevet principal on peut utiliser, pour constituer le générateur selon la présente addition, d'autres formes de guides que des guides à section circulaire, et notamment des guides à section rectangulaire. On va maintenant expliquer comment la variation de section du guide permet de maintenir çn permanence le synchronisme entre les électrons et l'onde. Pour que les électrons soient constamment en phase avec l'onde, il faut et il suffit que l'on maintienne tout le long de leur trajectoire l'égalité entre la fréquence cyclotronique des électrons dans le système du laboratoire, c'est-à-dire du canon à électrons, et la fréquence Doppler, qui est la fréquence de l'onde vue par les électrons dans le système du laboratoire. La fréquence cyclotronique fc des électrons dans le système du laboratoire s'écrit: w JC = 27 fc =J V _ 72)j V)> avec W co = (e / mo) B, e, représente la charge de l'électron, mo, la masse de l'électron au repos, B, le champ magnétique établi le long de l'axe XX', v, la vitesse des électrons avec: v 2 = v 2 + v// 2, o O v/ représente la vitesse des électrons selon l'axe XX et v_ représente la vitesse des électrons dans une direction perpendiculaire à XX, enfin c, représente la vitesse de la lumière. On remarque que la fréquence cyclotronique fc diminue lorsque l'énergie, et donc la vitesse v des électrons, augmentent. La fréquence Doppler f D s'écrit: CD: 2 >c f D _ k v// ( 2) WJ, est la pulsation correspondant à la fréquence délivrée par la source d'onde 7; k, d'après la théorie des guides d'ondes, s'écrit: k = / c k,o kc est une quantité caractéristique du mode propagé et de la section droite du guide à l'abscisse x considérée Par exemple, dans le cas d'un guide de section circulaire de rayon a, fonctionnant sur un mode T Ell, on a: kc a = 1,84 ( 3) Dans le cas d'un guide rectangulaire, de longueur di et de largeur d 2, on a: (n 2 -2 /d 12) + (m 2 T 2 / d 22)=k 2 ou N et m sont des nombres entiers. Pour qu'il y ait synchronisme entre les électrons et l'onde, il - faut que l'égalité entre les relations ( 1) et ( 2) soit maintenue, ce qui s'écrit, après avoir remplacé k par son expression dans l'équation ( 2): co V 1-v /c 2 (+ \/j 2 / (c -k C) v/Y ( 4) Dans un premier temps, on supposera que le champ magnétique B ne varie pas le long de l'axe XX, CU Co est donc également constante. Par ailleurs,b) est une caractéristique de la source 7 et grâce à un équilibre des diverses accélérations longitudinales, la valeur de vil varie peu. Selon l'invention, on compense l'augmentation de la vitesse v des électrons lorsque l'énergie augmente en augmentant k en agis- sant sur la valeur du coefficient k 2, donc en faisant varier la c section droite du guide. Par exemple, dans le cas d'un guide circulaire, on calcule de proche en proche les valeurs de v 1 a et de v prises par les électrons. On calcule les valeurs de k c pour lesquelles l'égalité ( 4) est vérifiée et on en déduit à l'aide de la relation ( 3), si le guide fonctionne sur le mode TE,,, les valeurs à donner au rayon a du guide. Dans le cas de la figure 1 o la source 7 est reliée au guide du c 8 té de l'entrée du faisceau d'électrons,le coefficient k est positif. Lorsque Pénergie et la vitesse v augmentent, il faut diminuer le coefficient kc et donc augmenter le rayon a du guide pour que l'égalité ( 4) soit vérifiée C'est pour cela que sur la figure 1, on trouve un guide circulaire à section croissante, selon le sens de propagation du faisceau. Dans le cas de la figure 2 o la source 7 est reliée au guide du c 8 té de la sortie du faisceau d'électrons, le coefficient k est négatif. On est amené à diminuer le rayon a du guide pour que l'égalité ( 4) soit vérifiée On trouve sur la figure 2 un guide circulaire à section décroissante, selon le sens de propagation du faisceau. Il est possible d'utiliser un champ magnétique B qui varie le long de l'axe de propagation Cependant, l'égalité ( 4) ne peut être assurée, tout le long du guide, en augmentant Wco' donc B, pour compenser la diminution du facteur \/1-v/c lorsque l'énergie augmente En effet l'augmentation du champ magnétique le long de l'axe XX provoque l'apparition d'une composante radiale B qui r freine les électrons C'est pourquoi si l'on utilise un champ magné- tique croissant le long de l'axe de propagation, il faut pour compenser le freinage dû à la composante radiale du champ magné- tique utiliser un champ électrique longitudinal, ce qui nécessite l'utilisation d'une ligne à retard On retrouve là le dispositif décrit dans la demande déposée le 26 Septembre 1980 et qi a déjà été citée En conclusion, s'il est possible avec le générateur selon la présente addition d'utiliser un champ magnétique B qui varie le long de l'axe de propagation, il faut en plus pour que l'égalité ( 4) soit vérifiée sur toute la longueur du guide utiliser un guide de section variable. R E V E N D I C A T I 1 O N S 1 Générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquence, selon la revendication 1 du brevet principal, caractérisé en ce que les volumes résonnants consistent en un guide d'onde ( 20) dont la section ( 2) varie le long de l'axe (XX), au moins en ce qui concerne la partie des volumes résonnants couplée à la source d'ondes ( 7). 2 Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'ondes ( 7) est reliée au guide d'ondes ( 20), du côté de l'entrée du faisceau ( 1) et en ce que la section ( 2) du guide ( 20) croit selon le sens de propagation du faisceau. 3 Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'ondes ( 7) est reliée au guide d'ondes ( 20) du côté de la sortie du faisceau ( 1), et en ce que la section ( 2) du guide ( 20) décroît selon le sens de propagation du faisceau. 4 Générateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le champ magnétique (B) a une valeur qui varie le long de l'axe de propagation (XX). Générateur selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que le guide d'ondes ( 20) est cylindrique ou rectangulaire. 6 Générateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les volumes résonnants consistent en un guide d'onde unique ( 20) dont la section ( 2) varie le long de l'axe (XX). 7 Générateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les volumes résonnants consistent en un guide d'onde unique ( 20) dont la section ( 2) varie le long de l'axe (XX), en ce qui concerne la partie des volumes résonnants couplée à la source d'ondes ( 7), et dont la section ( 2) est constante en ce qui çoncerne la partie des volumes résonnants couplée à la charge. 8 Générateur selon l'une des revendications 6 ou 7, carac- térisé en ce que les volumes résonnants consistent en un guide cylindrique unique dont la section est déformée de façon à présenter deux extensions, de section rectangulaire, diamétralement opposées. 9 Générateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les volumes résonnants consistent en deux enceintes résonnantes séparées, traversées successivement par le faisceau d'électrons ( 1), la première constituée par le guide d'onde ( 20) de section ( 2) variable, étant couplée à la source ( 7) et résonnant sur la fréquence cyclotronique (f c), et la seconde, couplée à la charge, résonnant sur la fréquence voisine (n fc) en question. Générateur selon l'une des revendications I à 5, carac- térisé en ce que les volumes résonnants consistent en trois enceintes résonnantes séparées, traversées successivement par le faisceau d'électrons ( 1), la première constituée par le guide d'onde ( 20) de section ( 2) variable, étant couplée à la source ( 7) et résonnant sur la fréquence cyclotronique (f c), la seconde étant couplée à un géné- rateur d'un signal radioélectrique à amplifier sur la fréquence voisine (n 1 c) en question et la troisième, couplée à la charge, résonnant sur la fréquence voisine (n fc) en question.