Brevet FR2520549A1 — publié le 19830729

Dans la plupart des tubes à faisceau d'électrons linéai- res, tels que les klystrons ou les tubes à ondes progressives, le faisceau d'électrons est maintenu concentré en une confi- guration cylindrique Dar un champ magnétique uniforme dirigé le long de l'axe du faisceau Dans les tubes de grande puis- sance, le champ magnétique est typiquement engendré par une bobine soléno Mdale située à l'extérieur du tube et coaxial au faisceau Un carter en fer enveloppe le solénoïde pour confi- ner le champ dans la région d'interaction du tube et pour le rendre aussi uniforme que possible sur l'étendue de cette ré- gion Le diamètre du faisceau est typiquement beaucoup plus petit que le solénoïde, de sorte que seul le champ très pro- che de l'axe est significatif. La Fig 1 représente un klystron de l'art antérieur 10 dans son aimant de concentration 20 Le tube 10 coulisse dans l'aimant 20 à partir du haut Le klystron 10 comprend un ca- non à électrons 11 destiné à engendrer un faisceau convergent 12 d'électrons Le faisceau 12 passe à travers un tube de glissement creux 14, o il coopère avec les champs électro- magnétiques de cavités résonnantes 16, 18 pour amplifier 1 ' onde d'un signal fourni dans la cavité d'entrée 16 par l'in- termédiaire d'une ligne de transmission d'entrée (non repré- sentée) qui est, typiquement, un petit cable coaxial. Dans la région des cavités 16, 18, le faisceau 12 est maintenu concentré en forme de pinceau par un champ magnéti- que axial engendré par l'électro-aimant 20 Au delà de la ré- gion d'interaction, il quitte le champ magnétique et s'élar- git grâce à sa Répulsion de charge d'espace pour atterrir sur la surface intérieure d'une grande coupelle collectrice 22. L'aimant 20 comporte un carter ferromagnétique compre- nant un cylindre extérieur 24 accolé à des plaques d'extré- mité ferromagnétiques 26 Les plaques d'extrémité 26 sont en contact magnétique avec des pièces polaires intérieures 27 qui font partie intégrante du klystron 10 Chaque pièce po- laire 27 comporte de petits trous centraux 48, 50 destinés à laisser passer le faisceau 12 A l'extérieur des trous 48, , le champ magnétique tombe rapidement à une valeur négli- geable. L'aimant 20 comprend un certain nombre de bobines solé- noidales 30, Cependant, un unique enroulement de bobine lon- gue est souvent utilisé Pour obtenir un champ réellement uniforme, les bobines 30 doivent s'étendre sur toute la lon- gueur entre les plaques d'extrémité en fer 26 Cependant, afin d'évacuer la forte puissance de sortie du klystron 10, un guide d'ondes 32 doit s'étendre à partir d'une ouverture de couplage 34 d'une cavité de sortie 18, à travers une fenê- tre diélectrique étanche au vide 36, jusqu'à une charge uti- le extérieure (non représentée) C'est pourquoi, dans l'art antérieur, les bobines 30 ne peuvent s'étendre axialement que jusqu'au plan du fond 37 du guide d'ondes 32, laissant un es- pace magnétiquement non excité 38 adjacent à la pièce polai- re de sortie 27. Dans la construction représentée sur la Fig 1, les ca- vités 16, 18 sont accordées par des plaques d'accord 40 dé- placées vers l'intérieur et vers l'extérieur par des tiges 42 Les bobines 30 sont séparées par des plaques non magnéti- ques 44 qui assurent un support mécanique et un refroidisse- ment thermique Les plaques 44 présentent des passages pour les tiges d'accord 42. La Fig 2 est un graphique schématique de la force du champ magnétique,H, engendré par l'aimant 10 lorsque toutes les bobines 30 ont la même densité de courant, en fonction de la distance L Le champ à une valeur uniforme 46 sur la majorité de la région d'interaction, tombant rapidement pra- tiquement à zéro à proximité de l'ouverture d'entrée 48 et de l'ouverture de sortie 50 des pièces polaires 27 A cause de l'espace 38 au delà des bobines 30, les lignes de flux se dispersent dans cette région et la forme du-champ axial 52 tombe progressivement Si les bobines 30 étaient prolongées, le champ 53 serait uniforme presque jusqu'à l'ouverture 50. Dans la région de sortie d'un tube à faisceau linéaire de :3 grande puissance, le faisceau comporte des groupes de grande densité de charge d'espace et souffre également de forces électromagnétiques de déconcentration C'est pourquoi le champ de concentration affaibli 52 provoque l'interception d'électrons dans la structure d'interaction, avec, pour con- sénuence, une perte de puissance et un échauffement dangereux. Divers agencements ont été envisagés pour réduire la dé- formation du champ magnétique En augmentant la densité du courant dans la partie supérieure de l'aimant 30, on augmen- te le champ dans la région de sortie, mais on engendre une valeur de crête indésirable du champ avant celle-ci Le bre- vet US 2 965 616, délivré le 6 Décembre 1960 à Richard B. Nelson et à Robert S Symons, décrit des moyens illustrés par la Fig 3, qui ne montre que l'aimant 20 ' et le guide d'ondes de sortie 32 ' du klystron 10 ' Ici le guide d'ondes 32 ' est rétréci par un transformateur d'impédance 54 en un guide d'on- des très étroit 56 dans la région située à l'intérieur de 1 ' aimant de concentration 20 ' La hauteur de l'espace non exci- té 38 ' est ainsi réduite, ce qui diminue la chute de la force du champ. Un autre agencement de l'art antérieur est décrit dans le brevet US-2 939 036 délivré le 31 Plai 1960 à Richard B. Nelson Ici, un guide d'onde de sortie étroit est poussé le long du collecteur, parallèlement à l'axe du tube au lieu d' être perpendiculaire à lui et vers l'extérieur Malheureuse- ment, cet agencement est limité aux tubes de puissance rela- tivement faible Dans les tubes Cie forte puissance, le col- lecteur est plus grand que le corps du tube, et ferait obs- tacle au guide d'ondes. Les bobinages 30 (Fig 1) sont parfois enroulés avec du fil Une autre conception utile, illustrée par les Fig 4 A et 4 B, fait appel à des bobines 30 " de bandes ou rubans mé- talliques minces enroulés en spirale Une bande d'aluminium est généralement utilisée, en étant isolée par une surface anodisée La chaleur est évacuée de la bande axialement par un court trajet tout-métal vers des plaques de refroidisse- ment 44 N qui sont par exemple des plaques annulaires en cui- vre entre les enroulements de bande 50 ";vec des bobines de bande, on peut découper une encoche 60 dans la bobine d'ex- trémité 62 pour permettre le passage du guide d'ondes de sor- tie L'encoche 60 oblige les lignes de circulation du courant à se concentrer au dessous de l'encoche 60 en ajoutant des composantes axiales à la circulation Sur le restant de la périphérie de la bobine 62, le courant est libre de se dis- perser sur toute la section transversale de la bobine 62 Une encoche unique 60 créerait ainsi un trajet de courant asymé- trique qui ferait que la ligne de flux magnétique suivant I' axe s'écarterait de l'axe à proximité de l'extrémité côté guide d'onde de sortie de l'aimant Ceci provoquerait la courbure du faisceau d'électrons Pour corriger cette défor- mation, une seconde encoche 65 est découpée dans la bobine 62, à 180 degrés de l'encoche 60, et conformée pour ôtre symétri- que par rotation de 180 degrés de l'encoche 60 Les lignes de circulation du courant résultantes 64 sont confinées dans les régions 66 situées sous les encoches 60, 63, mais sont libres de se disperser dans les régions intermédiaires 68. Elles sont en forme de selle, et symétriques selon une rota- tion de 180 degrés autour de l'axe Les lignes de flux magné- tiques engendrées par le courant présentent la même symétrie, et les équipotentielles magnétiques sont des surfaces en for- me de selle La ligne de flux magnétique axial suit l'axe sur toute sa longueur Puisque le faisceau d'électrons est beau- coup plus petit que l'aimant, les champs s'écartant de l'axe sont négligeables. le courant peut se disperser vers l'extrémité supérieu- re de la bobine 62 dans des régions 68 situées entre les fen- tes, de sorte que la chute de la force du champ magnétique axial n'est pas aussi nette que dans le cas des Fig 1 et 2, o U la limite de la bobine est nette Néanmoins le courant total dans la moitié supérieure de la bobine 62 est inférieur à celui circulant dans la moitié inférieure, de sorte qu'ap- paraît une chute substantielle du champ. Sur la Fig 5, la courbe 70 est un graphique de la forme du champ magnétique axial, telle que mesurne expérimentale- ment, pour une bobine du type illustré par la Fig 4 Pour comparaison, la courbe 71 montre le champ pour un solénoïde uniforme s'étendant sans interruption jusqu'à la pièce polai- re, avec un petit trou dans cette pièce polaire Ce dernier cas constituerait les conditions idéales Il faut noter l'aug- mentation 72 du champ à une certaine distance de la pièce po- laire Ceci est dû à la concentration du courant au dessous des encoches 60, 63. Le but de l'invention est de réaliser un électro-aimant qui puisse maintenir un champ axial constant sur toute la ré- gion d'interaction d'un tube à faisceau linéaire d'électrons, tout en permettant le passage vers l'extérieur à travers lui d'un guide d'ondes. Cette invention a donc pour objet une bobine solénolda- le munie d'ouvertures opposées, situées à proximité d'une première extrémité, pour laisser passer le guide d'ondes et conserver la symétrie A proximité de l'autre extrémité, et s'étendant entre les ouvertures sont prévues des régions qui font obstacle à la circulation du courant, en obligeant ce courant à se concentrer à proximité de la première extrémité dans ces parties de la périphérie Ainsi les courants moyens à proximité des deux extrémités peuvent être rendus égaux Le champ magnétique axial peut donc être rendu approximativement constant La bobine peut être un enroulement de fil, les spi- res présentant une forme de selle symétrique Dans une bobine en bande enroulée, les ouvertures et les régions de déviation peuvent être des parties découpées de l'enroulement de la bande. Sur les dessins la Fig 1 est une coupe transversale schématique d'un klystron muni d'un aimant de l'art antérieur; la Fig 2 est un graphique schématique de la force du champ magnétique axial de l'aimant de la Fig 1; la Fig 3 est une coupe transversale schématique d'un aimant de l'art antérieur et d'une partie de son tube à élec- trons; la Fig 4 A est une vue schématique de c 8 té d'un aimant de l'art antérieur perfectionné; la Fig 4 B est une coupe axiale de l'aimant de la Fig 4 A; la Fig 5 est un graphique des champs magnétiques de plusieurs aimants; la Fig 6 est une vue schématique en perspective d'une bobine magnétique selon l'invention; la Fig 7 est une vue schématique en perspective d'une autre forme de réalisation de l'invention; la Fig 8 est une coupe axiale schématique d'une varian- te de réalisation. L'invention est principalement décrite telle que réali- sée dans des bobines magnétiques de bandes enroulées On mon- trera également qu'elle peut être réalisée avec des bobines de fils enroulés. la Fig 6 est une vue en perspective d'une bobine magné- tique à enroulement de bande selon l'invention la bobine est la bobine d'extrémité d'un électro-aimant, disposée de la même manière que les bobines 62 des Fig 4 A et 4 B à l'extré- mité de sortie d'un tube à faisceau d'électrons linéaire La bobine 74 a une encoche 601 à son extrémité supérieure, pour laisser passer un guide d'ondes de sortie (non représenté). Une encoche symétrique opposée 63 ' compense la courbure de la ligne de champ axiale, comme décrit en référence aux Fig. 4 A et 4 B Deux autres encoches 76 sont ménagées entre les encoches 60 ' et 63 ' et disposées azimutalement entre celles- ci, à l'autre extrémité de la bobine 74 les encoches 60 ', 63 ' obligent les lignes de circulation du courant à se con- centrer au-dessous d'elles à leurs points 66 ' sur le périmè- tre de la bobine. Les encoches de compensation 76 forcent de la même façon les lignes de courant 78 à se concentrer au dessus d'elles à leurs points 68 ' sur le périmètre En conséquence, le trajet de circulation 78 décrit une courbe en forme de selle, oscil- lant de part et d'autre du plan médian de la bobine 74 Les surfaces équipotentielles magnétiques résultantes sont égale- ment en forme de selle Si les deux encoches de compensation 76 sont également symétriques selon une rotation de 180 de- grés autour de l'axe, la ligne de flux magnétique située sur l'axe suivra cet axe avec précision, comme décrit en référen- ce aux Fig 4 A et 4 B L'effet de la symétrie de rotation peut être visualisé en notant que chaque composante du vecteur du courant engendre une composante vectorielle de champ en cha- que point de l'axe Si le vecteur de courant est tourné de degrés, le vecteur du champ sera également tourné de 180 degrés, en conservant son angle d'origine avec l'axe Le vec- teur d'origine et son image par rotation sont situés dans le même plan (contenant l'axe), de sorte que leurs composantes perpendiculaires à l'axe s'annulent La symétrie de rotation de 180 degrés du courant ne doit ainsi engendrer sur l'axe qu'une composante de champ axiale L'addition de fentes de compensation 76 peut équilibrer le net déplacement vers le bas des lignes de courant 78 à cause des fentes nécessaires 60 ', 63 ' Ceci apparaît évident si les fentes 76 sont iden- tiques aux fentes 60 ', 63 ', pour rendre la structure symé- trique selon une inversion axiale et une rotation de 90 de- grés Cependant on peut trouver des raisons structurelles ou thermiques pour conformer les fentes 76 de façon différente. ? 5 Quelle que soit leur forme, tant que la symétrie de rotation est conservée, le champ axial est rectiligne Avec des di- mensions appropriées des fentes, et un choix approprié de la longueur de la bobine, la compensation requise de la chute de la force du champ axial peut être obtenue de façon presque parfaite En retournant à la Fig 5, la courbe 92 est un gra- phique de la force mesurée du champ axial pour une bobine mu- nie d'encoches de compensation, et montre la grande améliora- tion par rapport à la bobine de l'art antérieur des Fig 4 A et 4 B (courbe 70). La Fig 7 illustre la façon dont l'invention peut être réalisée dans une bobine à enroulement de fil Les fils 80 sont enroulés sur la surface d'un cylindre 82 Ils passent alternativement au-dessus et au-dessous d'un plan transver- sal 84 Le guide d'ondes 86 passerait à travers l'ouverture entre l'enroulement 80 et la pièce d'extrémité de l'aimant, en un point o les fils sont éloignés vers le bas de la pièce d'extrémité Cette bobine montre quelque ressemblance avec les bobines "baseball" utilisées dans quelques expériences de concentration de plasma Elle est cependant différente et par sa forme, et par sa fonction, car elle engendre un champ uni- forme au lieu d'un champ de concentration de type miroir ma- gnétique. La Fig 8 est une coupe transversale, schématique, d'une bobine de bande mettant en oeuvre l'invention Elle montre que les régions de compensation situées à proximité du fond de la bobine ne doivent pas nécessairement être identiques aux fentes opérationnelles 60 ", 63 ", et même ne doivent pas nécessairement être des fentes Deux trous 90 de toute forme symétrique appropriée peuvent fournir l'obstacle néces- saire à la conformation du courant De même, il n'est pas né- cessaire que les régions de compensation traversent radiale- ment intégralement la bobine 62 " Une autre forme de réali- sation fait appel à des fentes étroites qui n'entravent pas l'écoulement de chaleur axial autant que les larges Chaque région de compensation peut comporter un certain nombre de fentes, de rainures ou d'orifices. Il apparaîtra évident pour l'homme de l'art que de nom- breuses autres formes de réalisation peuvent être réalisées dans le cadre de l'invention Les formes de réalisation dé- crites ci-dessus ne sont données qu'à titre d'exemples non limitatifs Tous les moyens pour influencer la circulation du courant aux endroits appropriés suffiront La déformation en forme de Belle par rapport à l'axe peut être réduite en faisant appel à plus de deux paires de régions de déviation du courant, chacune présentant la symétrie requise L'utili- sation de plus de deux paires augmentera bien entendu la ré- sistance électrique de la bobine. Revendications 1 Bobine pour électro-aimant de forme générale solé- noldale ( 74), destinée à diriger un courant de particules chargées par un champ magnétique généralement uniforme le long de l'axe de l'aimant, comportant un nombre pair de pre- mières régions ( 60 ',63 ') s'opposant à la circulation du cou- rant de la bobine qui sont espacées circonférentiellement à Proximité d'une première extrémité de la bobine, de sorte que le courant est obligé de s'écarter de cette première ex- trémité en contournant ces premières régions, caractérisé en ce qu'elle comporte un même nombre pair de secondes régions ( 76) faisant obstacle à la circulation du courant de la bobi- ne et déviant celui-ci d'une circulation circonférentielle, ces secondes régions ( 76) étant circonférentiellement espa- cées entre les premières régions ( 63 ',60 ') et axialement dé- calées par rapport à la première extrémité. 2 Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premières régions ( 63 ',60 ') sont symétriques selon une rotation de 180 degrés autour de l'axe. 3 Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les secondes régions ( 76) sont azimutalement réparties autour de l'axe à mi-chemin entre les premières régions ( 63 ', '). 4 Bobine selon la revendication 2, caractérisée en ce que les secondes régions ( 76) sont symétriques selon une ro- tation de 180 degrés autour de l'axe. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle consiste en un paquet de conducteurs filamenteux ( 80) généralement parallèles, et en ce que les régions sont for- mées par un déplacement axial périodique de ces conducteurs par rapport à un plan ( 87) perpendiculaire à l'axe. 6 Bobine selon la revendication 1, caractérise en ce qu'elle comprend un conducteur constitué d'un ruban métalli- que enroulé circonférentiellement. 7 Bobine selon la revendication 6, caractérisée en ce que les premières régions comprennent des encoches ( 60 ',63 ') pratiquées dans la première extrémité de la bobine. 8 Bobine selon la revendication 7, caractérisée en ce que les secondes régions comprennent des encoches ( 76) prati- quées dans l'extrémité de la bobine opposée à la première ex- trémité. 9 Bobine selon la revendication 7, caractérisée en ce que les secondes régions comprennent des trous ( 90) prati- qués dans la bobine.