Brevet FR2521345A1 — publié le 19830812

1.- Tube amplificateur hyperfréquence" L'invention concerne un amplificateur haute fréquence pour une gamme de fréquences de 300)Hlî à 3 G Hz et une puissance de sortie se situant dans la gamme des mégawatts, amplificateur dans lequel: a) un dispositif pour engendrer un faisceau d'électrons comporte un anneau de cathode disposé devant la fente d'entrée d'un résonateur d'entrée, b) le c 8 té opposé à l'anneau de cathode du résonateur d'en- trée comporte un anneau de grille empêchant le passage du champ électrique d'une section dtaccélêration à ten- sion continue se raccordant au résonateur d'entrée dans ce résonateur d'entrée et à travers lequel sort le fais- ceau d'électrons, c) la section d'accélération à tension continue est fermée par un résonateur de sortie, dans lequel les électrons entrant avec approximativement la même vitesse, sont freinés par un champ électrique tandis que leur énergie cinétique est convertie en puissance électrique de hau- te fréquence en fonction de la largeur angulaire azimu- tale du faisceau d'électrons. Pour les futurs accélérateurs à courant élevé, comme par exemple les sources de neutrons de spallation et les eurgénérateurs-accél 4 rateurs, ou bien dans la tech- nologie de fusion, les amplificateurs haute fréquence a dans une gamme de fréquences au-dessus de 200 M Hz jusqu'à 2 - quelques G Hz avec des puissances de sortie dans la gamme des mégawatts, prennent de plus en plus d'importance. Etant donné les cots croissants de l'énergie, le rende- ment d'un tel amplificateur de puissance revêt alors un intérêt particulier. Le klystron connu d'après le manuel de l'élec- tronique Franzis-Yerlag M Unchen, première édition 1979, pages 426 à 429, est un amplificateur de puissance hyper- fréquentiel, dans lequel les électrons d'un faisceau d'é- lectrons sont modulés en vitesse par le champ électrique haute fréquence d'un résonateur de commande Dans une section de programmation se raccordant au résonateur de comande, des électrons de différentes vitesses peuvent se rejoindre réciproquement et constituer des paquets d' é- lectrons Dans un résonateur de sortie, le faisceau d'élec- trons modulé en densité est freiné et son énergie ciné- tique convertie en puissance haute fréquence Mais comme ces paquets d'électrons, pour des raisons électriques et des raisons de construction, présentent des angles de pro- pagation se situant entre /2 et q 1, seule une partie des électrons peut être freinée de façon optimale et con- vertie en énergie haute fréquence dans le résonateur de sortie, si bien que le rendement d'ensemble haute fréquence du klystron est à peu près de 65 %. En conséquence, il a été développé un principe d'amplification dans lequel la modulation en densité du faisceau d'électrons n'assure pas, comme dans le cas du klystron, l'excitation haute fréquence du résonateur de sorties, mais la modulation de l'angle azimutale d'entrée du faisceau d'électrons dans le résonateur de sortie. Un amplificateur de puissance hyperfréquentiel fonctionnant selon ce principe est connu sous le nom de Gyrocon radial à partir de la revue ISE Transactions on Elektron Devices, volume ED-26, NO 10, Octobre 1979, pages 1559 i 1566. 3._ Dans ce cas, le faisceau d'électrons de vi- tesse élevée produit par un canon à électrons, est dévié légèrement en dehors de l'axe du gyrocone par un résona- teur de déviation dans lequel est engendré une onde rota- tive, et il est dévié de façon supplémentaire par un di- pole magnétique, ai bien qu'il pénètre dans un résonateur de sortie de forme annulaire, Dans le cas du gyrocone la largeur angulaire azymutale du faisceau d'électrons est seulement d'environ 60 et la vitesse de tous les électrons est approximative- ment de la même grandeur, ai bien qu'un freinage à peu près complet de ces électrons est possible et que pour un choix approprié de paramètres un rendement global haute fréquence de 80 % peut être atteint Ce gyrocone radial connu est toutefois d'une construction complexe et de très grandes dimensions, et il nécessite en outre, une puis- sance électrique pour le dipole magnétique. Par la publication 2266 du Stanford Linear Ac- celerator Center présentée à la Particle Accelerator Confé- rence tenue du 12 au 14 Mars 1979 à San Francisco en Cali- fornie, on connaît le trirotron (Triode Producing a rotating beam for RP amplification) qui est un amplificateur de puis- sance hyperfréquentiel constituant un nouveau développe- ment du gyrocone. Dans le trirotron circulaire connu, un anneau de cathode est disposé devant la fente d'entrée d'un réso- nateur cylindrique d'entrée Respectivement pendant les demi-ondes négatives de la haute fréquence, la cathode émet des électrons qui sortent radialement par rapport à l'axe du résonateur d'entrée à travers une grille disposée en face de lacathode sur la paroi externe du résonateur, dans une section d'accélération à tension continue Dans un résonateur de sortie également cylindrique, coaxial au résonateur d'entrée# les électrons ainsi accélérés sont freinés et leur énergie cinétique est convertie en puis- wvw ue 1013 m 9 j: 1 q e TTOI 30: Em Td,uema TI 29 eq opoq"o gç e 14 ao enb 4 =puedec) 9 T;T Tclm- çl e 5 ee T,99 a Iz OO 49,T '63: e O OP fenb q 9 e-Eq-çai 3 eoo-a rne-çm Ime 9 P Oq ''e O -ET Oub 90 U 9 WOMM 91 -OU Iu Gp- Erga '900 dcad - EM' '6 Te-P Iuenbga:jaedúq eoueee Tnd op J:n 94 '60 ' J:' ldme#T oawe i 3 nczaqqo sel = 91-'ec)TZTTCTMU&T OP 91 mi T mm e-x 9, n'6 s T 9-Iq' =Op Oç uni T 09 B Od OTP l M 09 epoqq -ao OP N 2 eulms T lO 9 '94-109 OP xn 94 vu OB 92 OT '110 Tl=ffl ODU&P u O Tl 099 'UT & 992 %Ue 4 P x R Gl uu OB 9 z OT 'Bu OzlOOTP sel 4 vsj lemq epo-q,w OP Uv Guuut T (J -Meq-'BDTJ:TTCIUM&T OP 93 M&T 'q la O c Idi 3 z a-ad ouo- çqn To Agz op senb-paqgm m Woo leouenbgxj: 9; uwq eowm _ 9 TM ue Buojloe Tq sep enbçlqu To 912 zeupi,l z Tl ze&uoo xnod- le Ileapu-çr 90 up eddo,la&uei T xne q-ne Tnoa To imozl 0919#P ngeos Tve el aeag Tpoos 'G aeapuepue xnod sel TpodTp 991 (q op e"sl 'q TIRTZ 13-00 e.i Litz T 90 unip eddolemeil op quoz 'GT a P q'ç 4 me op xneq oz - 13 U 089 a 91 lO e 9 alu G&P =Glvu O 89 J: el e-14-ug 990 v Ic I v OT 4 4 mp-lgooeip U O l O q O 'el: 1 mooaud ouomoqlqsp 'nuaosmz el (P s eub eo ue "quuo,çq uem 4 u 9 me Tv-çlTu T edú 4 -ap eoumo Tnd op un xnocl 4 tt-çeqli 3 lp 3 e, 4 nq e D 91 -e-lq-çai 3 eoov 4 ueme T Tomj: on- rd 1.çoi 3 opoqqvo e T enb l 9 p Te Tcim Te l,ços q qjoddwa d'ad un,l auelÉuo Efqj: up enb -çBuçe epo-ql,ao v T op 4 uemelOn 1 ej T #ep l ueuenia l-ç O q guoiloe Tp&p luwn 00 np 91-Teueq:OETIT '"d -moo uo Tlv=lsuoo op epom un anod ienb uobue op muoo voj 4 01 -oa Tjo, el jeao T Tgmeip;:nq xnod v uo Tlue Au Tjj 0 % 09 op lqq mmoo xne I "DTJ Ttd - IM#T OP T 81 W lUe MO Puea el 00929,ueip xnelw O qqz np go-genb -9.v equeq enb Tj:lze Tq dmeqo ne poodaedne mqluoo 9 nb-çxoe Tq dueqv un zed enuelqo eil 9 Vwd el -çnpgz e Tnnmç" ea Tercift anseau T qlle D O % ge uoa-p&ue q"vuçe ' 4 v lg Led 009 op 9,114 nm ^çzia ez Tu Tr&m zne Wiv T out anod -çnb liuo Teza&uoo v T op Wemep -uez OT 1-ge punag en-rd 4 elTnpqj: lOG BUO Zl 09 'lP& P n'69 Of 3 "j: TLP e Tial nurçz-e ea- 13 Tr Lm xne"am-l lal Em Ic I sevuenbgzj, elneq soues SúLZSZ 5.- constituée de segments En outre, l'a Justement des résona- teurs l'un par rapport à l'autre est possible de façon plus simple, car ces résonateurs se succèdent en direc- tion axiale et non en direction radiale Par rapport à la réalisation proposée dans la publication IEE, BD-26, n O 10, Octobre 1979, pages 1559 à 1566, l'amplificateur de puissance proposé ici comporte la possibilité de foca- liser le faisceau d'électrons En comparaison avec le klystron, dans le cas de l'amplificateur ici décrit, le résonateur de sortie est excité de façon continue En outre, la puissance rapportée à un volume de construc- tion déterminé est notablement augmentée par rapport au klystron, parce que, avec une cathode de dimension plus importante, un courant d'électrons plus important est ob- tenu. Les résonateurs comportent des champs électri- ques orientés exclusivement selon l'axe de l'amplificateur, si bien que les composantes électriques azymutales non sou- haitables du champ sont supprimées. L'invention va être décrite plus en détail en se référant à un exemple de réalisation représenté sur les dessins ci-Joints dans lesquels s la figure 1 est une vue en perspective et en coupe d'un trirotron circulaire avec un faisceau d'élec- trons radial, la figure 2 est une vue en perspective et en coupe d'un trirotron cylindrique avec un faisceau d'té- lectrons axial, la figure 3 est une demi-coupe schématique d'un trirotron cylindrique avec un résonateur de sortie en forme de botte, -la figure 4 est une représentation schémati- que d'un trirotron cylindrique avec un résonateur de sortie en forme d'anneau. le trirotron circulaire connu est représenté 6.- de façon simplifiée en perspective et en coupe sur la figa- re 1 Un résonateur d'entrée 1 et un résonateur de sortie 2 sont en forme d'anneau et disposés co-axialement l'un par rapport à l'autre Contre la face interne, tourné vers l'axe 3 de l'amplificateur, du résonateur d'entrée 1, est disposé devant la fente d'entrée 4, un anneau de cathode Par l'intermédiaire de deux boucles de couplage 6, déca- lées l'une par rapport à l'autre de 90 , deux signaux haute fréquence décalés en phase de 900 sont introduits dans le résonateur d'entrée 1, si bien que dans celui-ci une onde haute fréquence azimutale rotative est obtenue, la périphé- rie du résonateur d'entrée correspondant à une période d'oscillations La demi-onde négative de l'oscillation hau- te fréquence provoque une émission de l'anneau de cathode 5, la demi-onde positive empêche l'émission des électrons. Comme l'onde haute fréquence en direction az 1 mutale passe devant l'anneau de cathode 5, un faisceau d'électrons 7 azimutale rotatif est obtenu qui, à travers une grille 8 disposée sur la face du résonateur d'entrée 1 opposée à l'anneau de cathode 5, pénètre en direction radiale, après une accélération par une tension continue, dans le réso- nateur de sortie 2 Là, le faisceau d'électrons 7 induit une onde haute fréquence rotative en direction azimutale, cette onde circulant avec le faisceau d'électrons 7 et convertissant l'énergie cinétique des électrons en énergie haute fréquence les électrons freinés dans le résonateur de sortie 2 sont captée par un anneau collecteur 9 entou- rant coaxialement le résonateur de sortie La largeur an- gulaire azimutale du faisceau d'électrons 7 est susceptible d'itre réglée dans des limites de 50 à 800 par un champ con- tinu superposé au champ haute fréquence rotatif dans le résonateur d'entrée 1. La figure 2 montre de façon simplifiée et se- lon une vue en perspective et en coupe, l'objet de l'inven- tion, à savoir le trirotron cylindrique avec un faisceau Xnod t 09-11- Ue 4 P Xnee UOB 9 'Z 1 I-Zoo '191 epaq,ki 3 o op nli 3 eu g -IM 4,1 OP ç IDIMST op u O Tlffla-P ue geoddo OZ e T-l-ça 9 op n-aemm un sa"i Bj:l iq 'Tnb; e OP 91 Glm&T 'q 'u G'u G Tq T Tuj:13 d 91 ue-rio 6 nuoalOG'19 &P -B.,koz rogos Tu; un Gapasaue egzque a P Mel-euoega el almp OP elm#-l 'q Ixocldez xed luqme Tej=e-00 ( q.uwjxno, gouanbgj:j: el,ni M epuo,7,euoz 4 oelq sep 4 emq 119 ovenb -9 jj: el-nlaq 'UO TlUITTOOO&T op ml;qugpu Opuo-TMOP VI 4 vapued - nb 'q epoqquo op nvouu-e un goodo Tp ls 9 e Tlenbul qua&ep L 99 aq,Uo#p G,mae eun igt euaq,xq nlaelmaéT l 9 tl e=eq UT -alaqu -U'e&T e J:lu G 91 -z Odu'00 4 99-11 MOIP zneqmuoagi eij Ilootmes Tm pueicl e A Tlpe,oi epuo eun Igogzg, -uop anel-imoega OT moep eub ue-çq Te $Etepnq -ç-rdme semem se-r q-0 o O 6 OP ges'Md OP 00 uea 9,TJ:TP eun eau qn, O ej:j:e Sq eougub -9 ae uo T 4 m-,aom T Tv T sa T Tenbeep ea Tv Tpg=elu T$T nd le eacumi T ' 1-aoddva atd 9 zmi T o 06 op I Ueme TUTI Mde eeg-leo 9 p 9 OZ e.9,e Tcluoo op se Tonoq xvep Bageocle-çp duos egxlue g p ane; im -089-T 'ap 91 auzelze neeuxm 4 T op euoz -el im"(I 09 T To A np euoz UT ouvp iu 91 qo l 9 e Gnb,çzlVq T 9 clmisqo np Ga T,61,tzemglddne Terre queme BF 3 çozoov un Ilequ T=e,qp oouanbgzj: eun xnocl 9 eTnpgz on-r l çmo,-çîguem Tp op S ll Ojln O UR sogi -aquon-e elTuwîT epuo 4 p a Tteraao-r UT le 092 uolo zcl lu O S S-Foilud op el-umanoo sep ele ujl ee T Touky en op emxo X ue a Tu Baa&eimalk uo TI-099 eim Tou Tu luemxoe T b e ouael- ze nvemm un oawé t, euxe 4 ur uneuum un eçTea: çnb $'aie e-r-PO & un i MGI Vo-çj:, TCI Mei,l op ç OX Vil op UOTD,09 JTP ue Oe eq.Tup 9 a 109 Gj 2 hoeloea 00 op GUUT Pgm eu O z VI exnel"DT;Tjd -MS&T op, 9 lM&T op u O ' jv GxP UT 1 q F 30,lq Tr&rud luof 3 9 - inoo en Td 99 T S 91 qz se T luop aj 9 toelzea un 4 p emx OJ: UT elu 999 ad le.z-ç,erno z To n Ueuum T me-,eo T;,çTc Tme T op çj eims T op ano 4 nv u O Tel O a md ltmapuepue GTV Oje-&Ouvv uo-çqoee op eoezzm 9 UT 4 Z q Tla O q op ane 4 vuoega np Biao OT ausa -Jnqlewçe-rcl -'Mi T OP GIMT xns 8 J:lk'nv 4 T Ozq T=GP unîT egoodo Tp lu O s lG 9-I Tn Tn Oa TO Ga Tv Tnuuv 9 = O; OP Woe Z 9 Tlj 09 op xne 4 vuoega un Je j ega 4 ueip xnelIMO 99 a ull, OTVM enoaloe T 94 p -OL 8.- pénétrer dans une section d'accélération 21 à tension con- tinue, disposée entre ce résonateur d'entrée 11 et le réso- nateur de sortie 12 Le faisceau d'électrons 19 tournant avec l'onde haute fréquence du résonateur d'entrée 11, p 6- nètre ensuite -à travers la fente d'entrée 22 dans le réso- nateur de sortie 12, oi il engendre une onde haute fréquen- ce tournant avec le faisceau d'électrons 19 et convertit l'énergie cinétique des électrons en énergie haute fréquence. Les électrons freinés quittent le résonateur de sortie 12 à travers la fente de sortie 23 et sont captés par l'anneau collecteur 24. Le rendement de la conversion de l'énergie ci- nétique des électrons du faisceau d'électrons 19 en énergie haute fréquence, de l'onde haute fréquence tournant dans le résonateur de sortie 12, est d'autant plus grand que la largeur angulaire azimutale du faisceau d'électrons 19 pé- nétrant dans le résonateur de sortie 12 est plus petite. En conséquence, le résonateur d'entrée 11 est mis préalable- ment à une tension négative par rapport à l'anneau de ca- thode 18 grâce à une première source de tension continue 25. Ainsi, seule une fraction angulaire inférieure à 180 de la demi-onde négative de l'onde haute fréquence rotative est efficace Si, à c 8 té de l'anneau de cathode 18 le voile 14 a du résonateur en étant à la même tension est en mêrme temps séparé du reste du résonateur, alors une multiplica- tion survenant éventuellement des émissions secondaires haute fréquence peut tre réduite ou même complètement évitée. Pour l'accélération des électrons en prove- nance du résonateur d'entrée 11 en direction du résonateur de sortie 12 dans la section d'accélération 21, le réso- nateur de sortie 12 est préalablement mis sous une ten- sion positive par rapport au résonateur d'entrée 11 grâce à une seconde source de tension continue 26. Ia figure 3 est une demi-coupe schématique 9._ d'un trirotron cylindrique avec un résonateur de sortie 12 en forme de botte dont la distance axiale au résona- teur d'entrée 11 est réglée par un premier anneau d'iso- lation 30 et d'un second anneau d'isolation 31 Les an- neaux d'isolation 30 et 31 sont disposes co-axialement l'un par rapport à l'autre et par rapport à l'axe 13 de l'amplificateur Au lieu des anneaux d'isolation ( 30, 31) on peut également utiliser des barreaux d'isolation indi- viduels aux extrémités desquels se trouvent des éléments mécaniques permettant un ajustement de la distance axiale entre le résonateur d'entrée et le résonateur de sortie. Cet ajustement est beaucoup plus simple que dans le cas de la réalisation connue du trirotron représenté sur la figure 1. Contre la face,tou O iévers la section d'ac- célération 21, du résonateur d'entrée 11, sont disposées des deux cetés de l'anneau de grille,20, des électrodes de focalisation 32, 33, qui se trouvent au même potentiel électrique que le résonateur d'entrée 11. La post-focalisation du faisceau d'électrons 19 peut également s'effectuer avec des bobines de focalisa- tion 36, 37, revêtant la forme de bobines annulaires, qui sont disposées dans la zone entre le résonateur d'en- tr 6 e 11 et le résonateur de sortie 12. Il est bien entendu possible de donner égale- lement au résonateur de sortie 12 la forme d'un résonateur à voile et, comme cela est représenté sur la demi-coupe schématique de la figure 4, de le munir d'un voile de ré- sonateur 14 b qui relie un anneau interne 40 et un anneau externe 41 de sorte qu'une section transversale en forme de H en résulte Mais le résonateur de sortie 12 peut éga- lement être prévu de façon telle que seule sa face tournée vers l'anneau de collecteur 24 comporte un voile, de sorte qu'il en résulte un profil de section transversale en forme de U ou bien que seule sa face tournée vers le résonateur 10.- d'entrée 11 comporte un voile, de sorte qu'il en résulte un profil de section transversale en forme de n. 11.". REVENDICATIONS 1 Amplificateur haute fréquence pour une gamme de fréquences de 300 M Hz à 3 G Hz et une puissance de sortie se situant dans la gamme des mégawatts, ampli- ficateur dans lequel s a) un dispositif pour engendrer un faisceau d'électrons comporte un anneau de cathode ( 5, 18) disposé devant la fente d'entrée ( 4, 17) d'un résonateur d'entrée ( 1, 11), b) le côté opposé à l'anneau de cathode ( 5, 18) du réso- nateur d'entrée ( 1, 11) comporte un anneau de grille ( 20) empêchant le passage du champ électrique d'une section d'accélération ( 21) à tension continue se raccordant au résonateur d'entrée ( 1, 11) dans ce ré- sonateur d'entrée ( 1, 11), et à travers lequel sort le faisceau d'électrons ( 7, 19). c) la section d'accélération ( 21) à tension continue est fermée par un résonateur de sortie ( 2, 12), dans le- quel les électrons entrant avec approximativement la meme vitesse, sont freinés par un champ électrique tandis que leur énergie cinétique est convertie en puissance électrique de haute fréquence en fonction de la largeur angulaire azimutale du faisceau d'élec- trons ( 7, 19), amplificateur caractérisé en ce que s d) le faisceau d'électrons ( 19) parcourt la section d'accé- lération ( 21) placée entre le résonateur d'entrée ( 11) et le résonateur de sortie ( 12) dans la zone de l'enveloppe d'un cylindre co-axial à l'axe ( 13) de l'amplificateur, e) les dispositifs pour engendrer et accélérer le faisceau d'électrons ( 19) circulant sur l'enveloppe du cylindre, et pour convertir l'énergie cinétique des électrons en puissance haute fréquence, sont symétriques de révolu- tions par rapport à l'axe ( 13) de l'amplificateur. 12.- f) l'anneau de cathode ( 18) émettant les électrons, le ré- sonateur d'entrée ( 11), la section d'accélération ( 21), le résonateur de sortie ( 12) et l'anneau de cathode ( 24) sont disposée l'un derrière l'autre sur l'axe ( 13) de l'amplificateur. 2. Amplificateur haute fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une source de ten- sion continue ( 25) est branchée avec son pôle positif sur l'anneau de cathode ( 18) et avec son pôle négatif sur le résonateur 4 'entrée ( 11), et le champ électrique continu ainsi formé est superposé au champ électrique haute fré- quence du résonateur d'entrée ( 11) pour un réglage prédé- terminé de la largeur angulaire azimutale du faisceau d'é- lectrons ( 19). 3 Amplificateur haute fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur de sortie ( 12) et/ou le résonateur d'entrée ( 11) sont de forme annulaire circulaire, cependant que la surface de section transversale engendrant par rotation autour de l'axe ( 13) de l'amplificateur cet anneau circulaire, présente la forme d'un rectangle dont les côtés les plus courts sont parallèles à la direction de l'axe ( 13) de l'amplificateur et dont la zone médiane en direction de l'axe ( 13) de l'amplificateur est réduite à un voile de résonateur ( 14 a) qui relie un anneau interne ( 14) avec un anneau externe ( 15) et qui donne une section trans- versale du résonateur en forme de U. 4. Amplificateur haute fréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que le résonateur de sortie ( 12) et/ou le résonateur d'entrée ( 11) comportent un voile de résonateur ( 14 a) disposé de façon qu'il en résulte une section transversale en forme de U, en forme de Y ou bien en forme de H. 5. Amplificateur haute fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur de 13- sortie ( 12) revêt la forme d'un cylindre circulaire avec une section transversale rectangulaire, dont le c 8 té le plus court est,: disposé selon la direction de l'axe ( 13) de l'amplificateur. 6 Amplificateur haute fréquence selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que, pour focaliser le fais- ceau d'électrons ( 19) dans la zone de l'anneau de grille ( 20) du résonateur d'entrée ( 11), des électrodes annulaires de focalisation ( 32, 33), coaxiales à l'axe ( 13) de l'am- plificateur, et/ou dans la zone entre le résonateur d'en- trée ( 11) et le résonateur de sortie ( 12) sont disposées des bobines de focalisation ( 36, 37) rev 8 tant la forme de bobines annulaires. 7. Amplificateur haute fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la zone de la fente d'entrée ( 22), en forme d'anneau circulaire, du résonateur de sortie ( 12), sont disposées des bobines de déviation ( 34, 35) bobinées sous forme annulaire circulaire, qui donnent au faisceau d'électrons ( 19) une composante de vitesse azimutale supplémentaire.