Brevet FR2514197A1 — publié le 19830408

La présente invention concerne de façon générale les tubes micro-ondes à faisceau linéaire de haute fréquence, et elle porte plus particulièrement sur l'amélioration' de la commande et l'optimisation de l'optique relative au faisceau d'électrons dans un tube à faisceau linéaire de forte puis- sance, focalisé par aimant permanent. Un problème qui se pose depuis longtemps dans-la technique des tubes micro-ondes à faisceau linéaire concerne les limitations sur les performances et la longévité des tubes micro-ondes qui sont imposées par les imperfections inévitables correspondant aux tolérances de fabrication et par les imprécisions dans l'optique du faisceau d'électrons qui résultent au moins partiellement de ces imperfections. De nombreuses techniques ont été mises en oeuvre au cours des années pour compenser de tels problèmes, par exemple pour corriger des défauts d'alignement du faisceau ou pour améliorer la convergence du faisceau, et les techniques de fabrication ont été améliorées pour donner de meilleures. tolérances Cependant, les exigences plus sévères des structures de tube perfectionnées de ces dernières années ont dépassé dans de nombreux cas l'aptitude des expédients antérieurs à surmonter les problèmes liés aux tolérances et à l'optique du faisceau Simultanément, l'exigence de meilleurs rendements a encore agravé le problème, du fait que pour avoir un meilleur rendement, il est souhaitable que le diamètre du faisceau d'électrons à l'intérieur du tube à faisceau linéaire s'approche de celui du tunnel de faisceau qui est défini à l'intérieur des structures inter- nes du tube, et dans lequel le faisceau se déplace et donne lieu à une interaction avec l'énergie-micro-onde Cepen- dant, en pratique, le diamètre du faisceau doit 8 tre main- tenu à une fraction du diamètre du tunnel, par mesure de précaution Dans le cas contraire, les variations inévita- bles du diamètre du faisceau ou du tunnel d'un tube à un autre, en fabrication en série, produiraient un risque de défaillance inacceptablement élevé à cause de l'interception excessive d'électrons du faisceau par la structure d'inter- -2 action environnante. L'apparition du tube à faisceau linéaire fonc- tionnant à des longueurs d'onde millimétriques, c'est-à-dire au-dessus de 30 G Hz, et à puissance élevée, à fait ressortir encore davantage les insuffisances de l'art antérieur et à augmenté la nécessité de s'affranchir des problèmes liés aux tolérances et à l'optique du faisceau Ces tubes à ondes millimétriques sont-devenus très-importants pour satisfaire des besoins tels que les radars à haute résolution destinés à détecter des objectifs qu'il était impossible de séparer antérieurement, mais on n'est pas parvenu à exploiter com- plètement leurs possibilités potentielles, à cause des niveaux de puissance limités disponibles pour des poids et des tailles raisonnables des systèmes complets-utilisant de tels tubes Par exemple, le klystron de plus haute puissance dont on a pu disposer récemment à 35 G Hz était un tube de 1 k W en ondes entretenues nécessitant une focalisation par solénoïde, et donc une alimentation pour le solénoïde, et un refroidissement par liquide. Cependant, les tubes focalisés par aimant permanent ont de moins bonnes performances en ce qui concerne la puissance de sortie et le rendement, du fait des contraintes de taille physique très supérieures qui sont dues aux courtes. longueurs d'onde, de l'ordre du millimètre, qui sont mises en jeu, et de l'effet fortement accru qui en résulte, en ce qui-concerne les problèmes inévitables de tolérances et d'optique du faisceau Dans un tube pour ondes millimétri- ques, le tunnel du faisceau peut par exemple avoir souvent un diamètre inférieur à 0,75 mm A de telles dimensions, il devient beaucoup plus difficile d'employer des rapports de diamètre faisceau/tunnel procurant un bon rendement, et tout effet de festons du faisceau (variations du diamètre du faisceau en fonction de la distance) a des conséquences beaucoup plus graves et est susceptible de conduire à un- degré inacceptable d'interception des électrons du faisceau. En outre, au cours des dernières années, il est devenu souhaitable d'utiliser des faisceaux d'électrons avec -2514 197 des densités de courant et de puissance très élevées, à- titre de moyen pour obtenir des puissances de sortie élevées, malgré la nécessité de prendre une marge de sécurité dans le choix des rapports des diamètres du faisceau et du tunnel, et à titre de moyen destiné à contribuer à surmonter égale- ment certaines autres limitations On a conçu récemment des tubes ayant des densités de courant de faisceau dépassant i OOOA/cm, et des densités de puissance supérieures à 5-0 MW/ cm De tels faisceaux à densité de puissance élevée compli- quent évidemment les problèmes de tolérances et de l'optique du faisceau, et le risque d'une désintégration et d'une destruction rapides du tube est fortement augmenté, propor- tionnellement à l'augmentation des densités de puissance du faisceau. Il serait donc hautement souhaitable de réaliser un tube focalisé par aimant permanent, en particulier un tube capable de fonctionner à puissance élevée dans la gamme des ondes millimétriques, dont le diamètre de faisceau puisse être réglé avec précision pendant le fonctionnement, afin d'optimiser les performances et d'éviter les problèmes ci-dessus Cependant, bien que les problèmes ci-dessus s'opposant aux progrès aient manifestement-été reconnus, ceci n'a apparemment pas conduit à reconnaître qu'il était souhaitable de disposer d'un tube ayant une poslitéde régla- ge,sanspad B-r de concevoir effectivement un tube ayant de telles caractéristiques et qui puisse atténuer les problèmes précédents Ceci est vrai en dépit du fait qu'il-existe dans l'art antérieur de nombreux exemples de tubes ayant une com pensation de la convergence ou de la déviation de la direc- tion du faisceau, ainsi que de tubes à faisceau linéaire focalisés par solénoide avec une-bobine auxiliaire dans la section-de canon, en série avec le solénoïde, pour contri- buer à améliorer l'optique du faisceau. On va maintenant considérer quelques exemples par- ticuliers de l'art antérieur Dans le brevet-U S 2 867 746, une lentille magnétique comportant une bobine est placée juste en aval du canon à électrons, autour du col d'un tube klystron focalisé par solénoïde, dans le but de compenser le défaut d'alignement du faisceau et de réduire l'effet de fes- tons Le canon à électrons est lui-même blindé magnétique- ment et n'est pas sous l'influence d'un champ magnétique. Ainsi, ce canon n'est pas un canon focalisé par circulation confinée et il n'est pas affecté par ces réglages,_qui n'ont pratiquement aucun effet sur le diamètre du faisceau. Dans le brevet U S 3 259 740, des prolongements de pièces polaires, mobiles en direction radiale, sont éga- lisés avec une pièce polaire auxiliaire interne fixe, à l'intérieur de la cathode, pour corriger le défaut d'aligne- ment axial du faisceau, et pour régler la convergence du faisceau dans un tube focalisé par solénoïde Cependant, toute tentative de définir le diamètre du faisceau au moyen des réglages de cette structure introduit un degré inaccep- tablement-élevé d'effet de festons dans le faisceau, en tout cas certainement dans les applications relatives aux -ondes millimétriques Dans un contexe similaire, on a égale- ment intercalé des cales de réglage dans la région du canon, à titre d'autres expédients pour la correction axiale du faisceau, mais sans effet sur la taille du faisceau. Dans le brevet U S 3 331 984, un élément cylin- drique en fer, qui constitue en fait une partie de la structure d'électrode de focalisation, est fixé dans la cathode, à l'intérieur de l'enceinte à vide, et en communi- cation électrique et thermique avec l'élément émetteur d'électrons, dans le but d'augmenter la convergence magnéti- que du faisceau Cette structure de compensation de conver- gence du faisceau n'est cependant absolument pas adaptable à des réglages du faisceau, de quelque sorte que ce soit, du fait qu'elle doit être fixée à l'intérieur de l'enceinte à vide et ne peut donc être modifiée en aucune manière après l'assemblage du tube, pour effectuer un réglage desti- né à compenser des imperfections quelconques du faisceau, exactement comme on le ferait pour n'importe quelle autre électrode Les températures de cathode élevées auxquelles l'élément en question doit fonctionner peuvent nuire à ses- 2 5 1 4 1 9 7 qualités magnétiques, et même s'il était possible d'accéder à l'élément d'une manière quelconque, son fonctionnement au potentiel de la cathode, ou au voisinage de ce potertiel, et la proximité d'autres structures, parmi lesquelles l'anode, interdiraient tout changement de position, à cause du risque d'amorçage d'un arc et des dimensions physiques très rédui- tes de la cathode Le brevet U S 3 522 469 décrit un dis- positif ayant des caractéristiques similaires, mais destiné seulement aux applications aux canons à faible convergence. L'invention a donc pour but de réaliser un tube micro-onde à faisceau linéaire, focalisé par aimant perma- nent, dont l'optique du faisceau puisse être optimisée pour donner les meilleures performances et la meilleure durée de vie du tube, en procédant par l'extérieur de l'enceinte à vide, et pendant le fonctionnement initial du tube. L'invention a également pour but de réaliser un tube micro-onde à faisceau linéaire et focalisé par aimant permanent, dont on puisse régler de façon externe le diamè- tre du faisceau, tout en évitant l'introduction d'un effet de festons du faisceau. Un but connexe de l'invention est de réaliser un tube micro-onde à faisceau linéaire ayant un canon à con- vergence élevée et dont on puisse régler le faisceau de façon à lui donner un diamètre accru ou réduit, sur une plage étendue, pendant le fonctionnement initial, à l'aide de moyens externes au canon à électrons et fonctionnant au potentiel de la masse. Selon un aspect général de l'invention, on par- vient à ces buts au moyen d'un tube micro-onde à faisceau linéaire, focalisé par aimant permanent, qui comporte un canon à électrons en position adjacente à une extrémité du tube, qui est destiné à émettre le faisceau d'électrons linéaire dans la direction de l'axe du tube, le canon com- prenant une cathode et une enceinte; un collecteur situé à l'extrémité opposée du tube et destiné à collecter les électrons du faisceau; et des moyens disposés entre le canon et le collecteur, le long du faisceau, pour donner lieu à une interaction d'échange d'énergie entre le faisceau d'électrons et une onde de la gamme micro-onde Le tube com- prend également un circuit magnétique à aimant permanent des- tiné à focaliser-le faisceau pour lui donner un diamètre 'réduit-et pratiquement uniforme à l'intérieur des moyens d'interaction, cet aimant comprenant une pièce polaire qui s'étend autour du-canon Des moyens sont associés à la structure ci-dessus pour effectuer de façon externe un réglage ne portant pratiquement que sur le champ magnétique à l'intérieur de la région-du canon qui agit sur le faisceau, et ces moyens comprennent une matière à perméabilité magné- tique élevée qui est disposée à l'intérieur de la pièce polaire,-hors de l'enceinte et en position adjacente à cette dernière, et qui peut être déplacée par rapport à la pièce polaire elt au canon pendant le fonctionnement du tube. De cette manière, on peut réduire ou optimiser le diamètre du faisceau d'électrons à l'intérieur de la région d'interaction, pendant le fonctionnement, tout en maintenant à un niveau négligeable les variations du diamètre du faisceau en fonction de la distance axiale. Conformément à des aspects supplémentaires de l'invention, la matière magnétique est placée à l'intérieur d'une cavité dans la pièce polaire de la cathode et le canon à électrons est également placé dans cette cavité Les moyens en matière magnétique s'étendent axialement de façon symétrique autour du canon, à l'extérieur de l'encein- te, ils sont au potentiel de la masse, ils sont espaces par rapport à l'enceinte, et on peut les déplacer par l'exté- rieur-du tube, par rapport au canon, en les approchant et en les éloignant de la région d'anode, pendant le fonction- nement. De façon surprenante, il est possible d'agir sur le tube de façon externe pour régler le diamètre du faisceau d'électrons dans de larges limites, et ce réglage n'introduit pratiquement pas de dégradation du faisceau par un effet de festons, sur toute l'étendue de la région d'interaction En dépit du fait que le réglage soit effec- tué à l'extérieur de l'enceinte du canon et à l'intérieur de la cavité de la pièce polaire, le champ magnétique à l'inté- rieur de la région d'interaction n'est pratiquement pas perturbé, tandis que le champ à l'intérieur du canon lui- même est modifié au moyen d'une opération mécanique simple et avec une sécurité complète à l'égard de hautes tensions, pendant que le tube luimême fonctionne Ce réglage offre l'avantage supplémentaire inattendu de pouvoir être effectué d'une manière bien définie, avec un ajustage fin, du fait qu'il s'avère qu'il suffit d'un petit déplacement physique des moyens de réglage pour créer une variation observable du diamètre du faisceau, et que ces variations peuvent être accomplies d'une manière progressive et bien définie sur la quasi-totalité de la plage de réglage. 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 longitudinale en éléva- tion partiellement arrachée, d'un tube micro-onde conforme à l'invention; La figure 2 est une coupe partielle en élévation d'un autre mode de réalisation du canon à électrons et de - la structure de tube environnante adjacente, similaires à ce qui est représenté sur la figure 1 La figure 3 est une représentation partielle de -détail d'un autre mode de réalisation similaire à celui de la figure 2, mais montrant seulement la structure située au-dessus de l'axe du tube; et montrant également un tracé de l'intensité du champ magnétique de focalisation en fonc- tion de la distance le long de l'axe du tube, ainsi que les variations apportées dans ce tracé et dans le faisceau au moyen de l'invention. On va maintenant considérer les figures et en particulier la figure 1, sur laquelle est représenté un tube klystron 1 de forte puissance, à ondes millimétriques, focalisé par aimant permanent Les principes de l'invention s'appliquent cependant également à d'autres tubes à faisceau 251419 ? lir néaire, comme des tubes à or ndes progressives, ainsi qu'à des ondes autres que les ondes millimétriques Une structure de canon à électrons 2, de type a convergence élevée et à circulation à champ confiné, est placée à une extrémité du -tube pour former et projeter un faisceau d'électrons 3, dans la direction longitudinale le long de l'axe 4 du tube Il est souhaitable que le canon comporte un élément émetteur de cathode thermoélectronique, 5, ayant une surface émettrice concave 6, une électrode de focalisation 8, centrée axiale- ment et espacée longitudinalement par rapport à la surface 6, une enceinte à vide enfermant les électrodes internes et l'émetteur, et une enceinte isolante 9 qui enferme l'ensem- ble de la structure et par laquelle des bornes électriques peuvent sortir par l'arrière La cathode et habituellement l'électrode de focalisation fonctionnent à des potentiels négatifs élevés Une anode 10 est également placée juste en aval de l'électrode de focalisation 8 et on la fait fonc- tionner à un potentiel positif élevé par rapport à la catho- de (et en réalité au-potentiel de la masse) On peut égale- ment utiliser d'autres configurations de canon, par exemple du type comportant une grille fixée directement à la surfa- ce de la cathode (voir le brevet U S 4 096 406). Une structure de pièce polaire de cathode 12 part de l'axe 4 du tube, en commençant juste du c 8 té intérieur du canon 2, et définit une ouverture 13, centrée sur l'axe, à l'intérieur de laquelle l'anode 10 est maintenue en étant isolée électriquement par rapport à la pièce polaire 12 La pièce polaire 12 s'éloigne radialement de l'anode 10 et s'étend également longitudinalement autour du-canon 2, pour définir une cavité agrandie 14 de forme générale cylindri- que et de diamètre uniforme, à l'intérieur de laquelle le canon à électrons 2 est logé Le diamètre de la cavité 14 est supérieur à celui de l'encêeinte 9 du canon, et l'enceinte 9 du canon et l'enceinte à vide 7 sont réunies hermétique- ment à la pièce polaire 12 à l'extrémité intérieure des enceintes, en position adjacente à l'anode 10, tandis que la partie restante des enceintes est espacée par rapport aux parois de la cavité 14 De cette manière, les composants présents dans la région du canon qui sont à des potentiels élevés par rapport à la masse sont isolés à la fois mécanique- ment et électriquement de la pièce polaire. Du c 8 té de la pièce polaire 12 de la cathode qui est opposé au canon se trouve une structure d'interaction faisceau d'électrons-micro-onde 15 du tube, dans laquelle le faisceau d'électrons subit une interaction d'échange d'éner- gie avec des cavités résonnantes qui sont définies dans la structure 15 Dans ce cas, la structure d'interaction 15 est celle d'un amplificateur à klystron à cavités multiples, avec sa série habituelle de cavités séparées par des tubes de glissement, en commençant par la cavité d'entrée 16, puis les cavités intermédiaires 17-20, jusqu'à la cavité de sortie 21 Chacune des cavités améliore le groupement caractéristi- que des électrons dans le faisceau, pour augmenter le gain. Naturellement, la structure d'amplificateur à klystron à cavités multiples n'est pas la seule structure d'interaction avec un faisceau qui peut être utilisée avec l'invention. Comme il est bien connu, on peut également utiliser des structures de tube à ondes progressives avec, par exemple, des structures d'interaction en hélice, ou des structures à cavités couplées, et plusieurs modes de fonctionnement sont possibles, comme par exemple le fonctionnement en amplifica- teur en régime d'impulsions ou d'ondes entretenues, ou le fonctionnement en oscillateur. Le signal micro-onde d'entrée est introduit dans la cavité d'entrée 16 au moyen du guide d'onde d'entrée 23, et le signal micro-onde de sortie amplifié est extrait à l'aide du guide d'onde de sortie 24 L'élément tubulaire 25, dans lequel sont définies les cavités résonnantes, est de façon caractéristique un bloc de métal, tel que du cuivre, à l'intérieur duquel les cavités résonnantes sont usinées, ou dans lequel sont fixées des sections préfabriquées qui définissent les cavités Il existe en outre un tunnel axial 27, défini par les tubes de glissement du faisceau et qui connecte chaque cavité Le tunnel du faisceau a un diamètre -10 réduit, de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres à 2,5 mm Le tunnel mesure ici 0,75 mm de diamètre Dans i'in- tér 8 t du rendement de l'interaction faisceau d'électrons- micro-onde, il est souhaitable que le tunnel du faisceau et le faisceau d'électrons aient des diamètres proches l'un de l'autre Cependant, en pratique, ni les tolérances sur le tunnel du faisceau, ni l'uniformité du faisceau le long de l'axe ne sont normalement suffisamment précises pour permet- tre beaucoup mieux qu'un rapport de l'ordre de 60 % On con- sidère ainsi que cette marge de sécurité dans le rapport entre le diamètre du faisceau et le diamètre du tunnel est nécessaire pour éviter que de trop nombreux électrons heurtent les parois du tunnel et augmentent ainsi jusqu'à des niveaux inacceptables le courant de l'élément tubulaire et le risque de destruction du-tube. A l'extrémité terminale du tube se trouve une structure de collecteur classique 29, disposée axialement pour recevoir le faisceau d'électrons 3, lorsqu'il émerge de la structure d'interaction 15, avec les électrons accé- lérés vers l'anode et le collecteur par un-potentiel posi- tif élevé par rapport à la cathode Le faisceau d'électrons 3 est focalisé par l'électrode de focalisation 8, avec l'aide d'un circuit magnétique 30, pour lui donner un très faible diamètre, qui est inférieur à 2,5 mm, et qui peut être de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres, de 0,13 mm à 0,75 mm ici, pour certaines applications dans le domaine des ondes millimétriques Le circuit magnétique 30 comprend la pièce polaire de cathode 12, une pièce polaire de collecteur similaire, 32, qui s'étend radialement à par- tir de l'axe 4 entre la structure d'interaction 15 et le collecteur 29, et qui s'étend également longitudinalement autour du collecteur 29, et des aimants permanents 33 (représentés sous une forme arrachée) qui relient les pièces polaires pour fermer le circuit magnétique En établissant le champ magnétique axial uniforme approprié dans toute la structure d'interaction 15, le circuit magnétique 30 confine et maintient le faisceau d'électrons au même -diamètre dans 251 4 '191 toute la structure d'interaction. Le petit diamètre du faisceau et du-tunnel qui est dû aux longueurs d'orde ultra-courtes qui sont mises en jeu, et la nécessité d'avoir des rendements et des largeurs de bande appropriés pour l'interaction faisceau-onde, font que les densités de puissance du faisceau doivent 'être très éle- vées pour avoir une puissance de sortie appropriée Malheu- reusement, ceci ne fait qu'aggraver le problème de toléran- ces mentionné précédemment qui résulte de la petite taille, et augmente le risque d'un courant élevé de l'élément tub - laire et d'une défaillance, même avec une marge de sécurité pour les rapports entre le diamètre du faisceau et celui du tunnel En fait, les rendements de fabrication ont été jusqu'à présent trop faibles pour permettre une fabrication commerciale en grande quantité d'un grand nombre de confi- gurations souhaitables de tubes à ondes millimétriques, car à cause des facteurs ci-dessus, des erreurs même faibles sur la taille ou l'uniformité du faisceau ou du tennel peu- vent avoir des conséquences catastrophiques immédiates. Selon un aspect de l'invention, on-atténue ces problèmes par l'utilisation d'un ou plusieurs éléments rapportés 35, à perméabilité magnétique élevée, qui sont disposés à l'intérieur de la cavité de pièce polaire agrandie, 14, dans des positions axiales et symétriques autour du canon 2, à distance de ce dernier, mais en con- tact avec les parois de la cavité Ces éléments rapportés peuvent prendre diverses formes, conformément à la repré- sentation et à la description plus détaillées qu'on verra en liaison avec les figures 2 et 3 Ils doivent être cons- titués par une matière magnétique, comme du fer, et peuvent même comprendre des parties consistant en aimants permanents dans certains modes de réalisation Dans chaque cas, les éléments rapportés s'étendent axialement en position adja- cente à l'enceinte 9 du tube, en étant isolés mais unifor- mément espacés par rapport à cette dernière Une partie au, moins s'étend de façon générale à partir du bord extérieur de la cavité 14 jusqu'à un point qui se trouve à l'extrémité 251419 l intérieure de la cavité 14, à côté de la position axiale de l'anode 10 Les éléments rapportés, qui ont une forme géné- rale cylindrique, peuvent normalement 8 tre-déplacés par l'extérieur du tube, en les manipulant de façon à les appro- cher ou à les éloigner de la région du canon et de l'anode, par les extrémités qui sont adjacentes au bord extérieur de la cavité 14, comme on le décrira ci-après de-façon plus détaillée Une fois qu'on a trouvé la position et la confi- guration optimales, on peut bloquer en place les éléments rapportés en fixant une bride 36 sur ces derniers, sur la face d'extrémité de la pièce polaire 12. On a trouvé qu'en dépit du fait qu'ils sont pla- cés autour du canon 2, les éléments rapportés permettent de façon surprenante un réglage externe, par l'extérieur du tube, du diamètre du faisceau d'électrons à l'intérieur de la structure d'interaction 15 pendant le fonctionnement du tube, pour augmenter ou pour réduire ce diamètre, simplement en faisant entrer ou sortir les éléments rapportés et/ou en ajoutant des éléments rapportés supplémentaires, comme sur la figure 1, ou en utilisant un élément rapporté plus épais. On peut effectuer ce réglage entre des limites étendues de façon inattendue, c'est-à-dire plus ou moins 10 % du diamè- tre-du faisceau-(plus ou moins 15 % dans le cas de l'un des autres modes de réalisation) Cependant,-un point encore plus important que la plage absolue de réglage réside dans l'avantage surprenant qui-consiste en ce qu'on peut effec- tuer le réglage du diamètre du faisceau sur cette plage sans introduire un effet de festons, c'est-à-dire des défauts d'uniformité dans le diamètre du faisceau en fonc- tion de la distance axiale Avec le réglage du faisceau con- formément à l'invention, on n'a pratiquement observé aucune variation de ces défauts'd'uniformité du faisceau au-delà du pourcentage nominal qui peut déjà être présent initiale- ment, contrairement à de nombreux expédients de commande du faisceau antérieurs qui, de toute façon n'ont -procuré aucu- ne possibilité satisfaisante de réglage du diamètre du faisceau. Sur la figure 3, la courbe 37 du champ magnétique de focalisation du faisceau montre l'effet de ces réglages. L'axe vertical indique l'intensité du champ, tandis que l'axe horizontal, qui est également l'axe 4 du tube, indique la distance le long du tube La courbe montre ainsi comment l'intensité du champ de focalisation varie en fonction de la distance axiale le long du tube L'émetteur de cathode 5 et le faisceau d'électrons 3 lui-même sont représentés schéma- tiquement, de même qu'une partie de la pièce polaire de cathode 12, et une autre configuration d'élément rapporté cylindrique réglable 38, comparable aux éléments rapportés de la figure 1, et positionné de façon similaire à l'intérieur de la cavité 14 de la pièce polaire La partie de la courbe en trait continu montre l'intensité du champ magnétique normal le long dutube, si le tube était réalisé de façon classique, sans les élémen'ts rapportés La partie en pointillés de la courbe 37 montre la manière selon laquelle on peut modifier l'intensité du champ, par l'uti- lisation et le réglage des éléments rapportés Par exemple, lorsque l'élément rapporté 38 est à sa position intérieure extrême en direction axiale, représentée en pointillés, le champ dans la région du canon est ainsi réglé à sa valeur utile maximale, représentée par la partie en pointillés supérieure de la courbe Lorsque l'élément rapporté est sor- ti jusqu'à sa position axiale utile la plus extérieure, comme il est représenté, le champ dans la région du canon est ainsi réglé à sa valeur utile minimale, représentée par la ligne en pointillés inférieure de la courbe Dans un cas comme dans l'autre, on notera que les seuls changements qui résultent de ces réglages se produisent dans la région de la cathode 5 Dans la partie de la courbe qui se trouve au-delà de la pièce polaire 12, la courbe demeure inchangée, et le champ appliqué à la structure d'interaction du tube est donc inchangé. Ainsi, pour la première fois, on peut effectuer un réglage précis de l'optique du faisceau sans effets de fes- tons et pendant le fonctionnement du tube En pratique, on 251419 T peut accomplir ceci de plusieurs manières Par exemple, pen- dant le contrôle et le fonctionnement initial du tube, lorsque la fabrication est terminée, on peut introduire une bobine autour du canon 2, dans l'espace entre ce dernier et les parois de la cavité 14 de la pièce polaire, et on peut mesurer la réponse radiofréquence du tube, comprenant le gain, la largeur de bande et le degré d'interception du faisceau, et optimiser la réponse en réglant le courant de la bobine pour parvenir à la meilleure valeur du champ de cathode On peut ensuite reproduire cette valeur par un élé- ment rapporté ayant l'épaisseur et la longueur axiale appropriées (ou par l'utilisation de deux éléments rapportés, ou plus, d'épaisseur moindre) Pour un canon focalisé par circulation confinée d'une structure donnée, dans lequel le - champ magnétique maximal B est prédéterminé, le champ magnétique de cathode Bc et le diamètre du faisceau satis- font la relation K Ro (B /B)1/2 ou R,K a c dans laquelle R est le rayon du faisceau et K est une constante Cependant, comme il résulte de ce qui précède, on peut normalement effectuer des réglages de façon-empiri- que sans qu'il soit nécessaire d'effectuer des calculs pré- cis, sauf pour établir des limites approximatives. La procédure ci-dessus peut être considérablement simplifiée lorsque le tunnel du faisceau, le faisceau d'électrons et les tolérances de fabrication sont déjà rela- tivement bons, ce qui fait que seul un degré modéré de réglage du faisceau est nécessaire pour obtenir le maximum de gain, de rendement ou de largeur de bande Par exemple, seul un faible mouvement axial d'un élément rapporté mince standard peut alors être nécessaire; ou bien on peut -employer de préférence les modes de réalisation des figures 2 ou 3 Sur la figure 2, le canon 2, l'enceinte d'isolation 251419 ? du canon 9, la pièce polaire 12, la cavité 14 et l'anode 10 sont les mêmes que sur la figure 1, et la pièce polaire 12 est représentée sous une forme arrachée Comme sur la figure 1, on emploie une paire d'éléments rapportés cylindriques disposés de façon mutuellement concentrique, consistant en une matière à perméabilité magnétique 'élevée telle que du fer Le cylindre intérieur creux 40 a un diamètre extérieur uniforme qui est égal au diamètre intérieur de la cavité 14, et il est en contact avec la paroi de la cavité, en étant de plus bloqué en position au moyen d'une vis de blocage 41 qui- traverse une bride extérieure 42 de l'élément rapporté Un second cylindre creux mince 44 (dont l'épaisseur peut être différente dans diverses applications, en fonction des besoins) a un diamètre extérieur qui est de façon générale similaire au diamètre intérieur du cylindre 40, et la face extérieure du cylindre 44 et la face intérieure du cylindre * sont filetées de façon complémentaire. Le cylindre 44 comporte en outre une bride exté- rieure 45 au moyen de laquelle on peut faire tourner ce cylindre de façon à le faire entrer dans la cavité 14 ou à le faire sortir de cette dernière Ainsi, une plus grande ou une plus petite quantité de matière magnétique à perméa- bilité élevée est amenée dans la région du canon et influ- ence de façon correspondante le champ magnétique dans cette région Par conséquent, on peut faire varier progressivement le diamètre du faisceau d'électrons dans la région d'inter- action avec l'énergie micro-onde, dans une plage de plus ou moins 10 %, comme on l'a vu Dans la plupart des cas, le réglage nécessaire pour optimiser les performances du tube sera très faible Comme'il est indiqué par la figure 2 et sa courbe d'intensité de champ magnétique, le réglage est par nature un réglage fin, et la configuration filetée con- sidérée ci-dessus apporte une aide supplémentaixe pour pro- duire de petites variations, avec un ajustage fin, qui constituent normalement la seule chose nécessaire pour que le tube fournisse le gain, la largeur de bande et le rende- ment optimaux. 251419 ? Dans certaines applications, il peut être néces- saire d'utiliser des canons à électrons à plus faible con- vergence, au lieu des canons à convergence très élevée envi- sagés jusqu'ici De plus, même avec des canons à convergence plus -élevée, on peut trouver qu'un réglage satisfaisant du faisceau nécessite la présence d'un élément rapporté en matière magnétique dont-l'épaisseur ou l'étendue axiale commencent à entrer en conflit avec la capacité d'isolation à haute tension de l'enceinte isolante 9 du canon, qui doit isoler la haute tension présente à l'intérieur du canon, par rapport à la masse et à la pièce polaire environnante Dans de tels cas, -on utilise un aimant permanent auxiliaire pour les éléments rapportés, soit pour obtenir le même degré de correction du champ magnétique avec moins de métal, soit pour obtenir, en particulier dans le cas du canon à faible convergence, un degré de correction du champ magnétique au-delà de ce qui est possible avec seulement les éléments rapportés non assistés Par exemple, comme le montre la figure 2, un petit aimant permanent 46, aimanté radialement, de préférence en samarium-cobalt, peut être placé en posi- tion adjacente au bord avant du cylindre intérieur 44. L'aimant est de préférence un aimant annulaire continu min- ce, mais il pourrait également être constitué par de peti- tes sections d' aimant permanent disposées de manière symétrique selon une configuration en anneau autour de l'axe de l'élément rapporté cylindrique Le présence et la dispo- sition de cette matière d'aimant permanent permet d'utiliser des éléments rapportés plus minces et moins massifs pour un niveau de correction donné et/ou procure un degré de correc- tion plus élevé, par exemple jusqu'à a 15 % du diamètre du faisceau, environ, que ce qui serait par ailleurs possible avec un élément rapporté physiquement petit qui n'utilise- rait que du fer De cette manière, lespoesibilités de tenue en tension peuvent être mieux préservées De plus, on peut bénéficier des avantages de l'invention même dans des tubes ayant des canons à plus faible convergence. Dans des applications dans lesquelles ou bien une 251419 l faible correction suffit pour optimiser les performances, ou bien on doit réduire au minimum la présence de métal en excès, par exemple à cause du problème de tenue en haute ten- sion mentionné précédemment, la variante d'élément rapporté 38 qui apparaît sur la figure 3 peut être la plus utile Cet élément comprend unedouille de support intérieure mince 48, avec une profondeur qui est de façon générale comparable à celle de la cavité 14 de la pièce polaire Elle peut facul- tativement comporter une bride à son extrémité extérieure, pour recevoir une vis de réglage 49 qui traverse la bride et porte sur une partie d'extrémité de la pièce polaire 12, juste à l'extérieur de la cavité 14 Ainsi, la rotation de la vis 49 a pour effet de déplacer axialement le douille 48 vers l'intérieur ou vers l'extérieur, et ceci constitue un moyen commode pour effectuer le réglage précis et fin qui- donne les performances optimales du tube, conformément à ce qu'on a trouvé. A l'extrémité intérieure de la douille 48, une couche 50 de matière à magnétisme permanent est fixée sur la surface intérieure de la douille, selon une configura- tion en anneau d'épaisseur modérée, et avec une profondeur axiale qui est une fraction faible de celle de la douille 48 Comme sur la figure 2, la couche magnétique est polori- sée radialement, et peut consister soit en un aimant annu- laire continu, soit en petits aimants intégrés dans une petite matrice, pour former l'anneau Enfin, une couche 52 similaire à la couche 50, et en matière magnétique telle que du fer, mais qui est avantageusement plus mince que la couche 50, est facultativement présente du coté intérieur de la couche 50, en particulier lorsque cette dernière con- siste en plusieurs aimants discrets, afin de répartir plus uniformément le flux magnétique autour du canon. On notera que les modes de réalisation décrits ci-dessus ne sont que des exemples, non mutuellement exclu- sifs, et peuvent faire l'objet de modifications considéra- bles tout en restant dans le cadre de l'invention Par exemple, les avantages de l'optimisation du diamètre du du faisceau pourraient très bien être combinés avec un dispo-. sitif de compensation de défaut d'alignement du faisceau, en ajoutant une partie aimantée transversalement à l'un des éléments rapportés considérés ci-dessus à titre d'exemple. On pourrait alors modifierl'alignement-du faisceau, aussi bien que son diamètre, par un réglage axial d'un tel élément rapporté Bien que les principes de l'invention soient parti- culièrement intéressants pour les applications aux ondes millimétriques, ils peuvent procurer des avantages de valeur dans le cadre de n'importe quel tube micro-onde à faisceau linéaire Pour la première fois, on a réalisé une structure de tube qui offre la possibilité de régler, par l'extérieur du tube, le gain, le rendement et la largeur de bande, pen- dant le fonctionnement, en toute sécurité, avec isolation par rapport aux hautes tensions, et sans risque de dégrada- tion en ce qui concerne l'effet de festons du faisceau d'électrons Pour la première fois, cette possibilité de réglage du diamètre du faisceau dans la région d'interaction peut 8 tre mise en oeuvre par une manipulation mécanique simple dans la région du canon, et le réglage peut être effectué de façon précise et fine L'invention permet de disposer d'une plage étendue pour le réglage du faisceau, bien qu'elle ne nécessite qu'un petit déplacement physique, par exemple au moyen d'une vis de réglage On peut effectuer le réglage aisément et rapidement sur chaque tube individuel d'une fabrication en série, et chaque tube est ainsi optimi- sé individuellement pour avoir les meilleures caractéristi- ques de gain, de rendement et de largeur de bande, pendant le fonctionnement et le test initiaux On peut ainsi -dépasser en toute sécurité les limites de conception classiques con- cernant le rapport entre le diamètre du faisceau et celui du tunnel, et les niveaux de rendement et de gain qu'on ne pouvait pas obtenir précédemment de façon homogène pour des -tubes fabriqués en série sont maintenant obtenus très faci- lement dans le cadre d'une fabrication régulière Simultané- ment, les rendements de fabrication,en particulier pour les tubes à faisceau linéaire à ondes millimétriques et à aimant 251419 7 permanent de forte puissance, difficiles à fabriquer, sont fortement améliorés, du fait qu'on peut habituellement apporter des corrections pour éviter la défaillance-presque immédiate qui se produirait par ailleurs au cours du test en cas de présence d'un problème mineur relatif à l'optique du faisceau, avec les puissances de faisceau élevéeset les petites tailles que nécessitent de tels tubes - 2514 1 9 REVENDICATIONS 1 Tube micro-onde ( 1) à faisceau linéaire- focalisé par aimant permanent, caractérisé en ce qu'il com- prend: un canon à électrons ( 2) placé en position adjacente à une extrémité du tube, pour émettre un faisceau d'électrons ( 3-) linéaire, ce canon comprenant une cathode ( 5) et une enceinte ( 9):; un collecteur ( 29) situé à l'extrémité oppo- sée du tube pour collecter les électrons du faisceau ( 3); des moyens ( 15) disposés entre le canon et le collecteur, le long du faisceau, pour donner lieu à une interaction d'échange d'énergie entre le faisceau d'électrons et les m i c r o o N d e S; un circuit magnétiqueà aimant permanent ( 30) destiné à focaliser le faisceau pour donner un diamètre faible et pratiquement uniforme à l'in- térieur des moyens d'interaction, ce circuit comprenant une pièce polaire ( 12) qui s'étend autour du canon; et des moyens ( 35, 38, 40, 44) destinés à régler de façon externe pratiquement uniquement le champ magnétique à l'intérieur de la région du canon, ces moyens comprenant une matière à perméabilité magnétique élevée qui est disposée à l'inté- rieur de la pièce polaire ( 12), hors de 1 ' enceinte ( 9) et en position adjacente à cette dernière, avec un certain espacement, ces moyens pouvant 8 tre déplacés par rapport à la pièce polaire ( 12) et au canon ( 2) pendant le fonction- nement du tube, grace à quoi on peut réduire ou optimiser le diamètre du faisceau d'électrons pendant le fonctionne- ment, tout en maintenant à un niveau négligeable les varia- tions du diamètre du faisceau sur le parcours du faisceau. 2 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière magnétique est le fer. 3 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière magnétique comprend au moins un aimant permanent ( 46, 50) et cet aimant est positionné de façon à présenter une aimantation radiale par rapport à l'axe cen- tral ( 4) du tube. 4 Tube selon la revendication 1, caractérisé en 2514 19 t' ce que la cavité ( 14) à un diamètre transversal supérieur aux dimensions transversales de l'enveloppe ( 9), et en ce que les moyens destinés au réglage du champ magnétique com- prennent un cylindre creux ( 35) en matière magnétique qui se trouve à l'intérieur de la cavité ( 14) et en contact avec cette dernière, et qui a un diamètre intérieur supérieur aux dimensions transversales de l'enceinte, de façon à établir ledit espacement entre ces éléments, et à assurer l'isolation par rapport aux tensions de fonctionnementducanon. 5 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canon à électrons ( 2), le circuit magnétique ( 30) et le collecteur ( 29) sont reliés de façon à maintenir le vide à l'intérieur. 6 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens ( 38) destinés à régler de façon externe le champ magnétique du canon peuvent être déplacés en direction axiale. 7 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réglage s'étendent vers l'intérieur jusqu'à une position adjacente à la frontière entre le canon à électrons ( 2) et les moyens ( 15)donnant lieu à l'inter-action. 8 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce polaire ( 12) de la cathode s'étend vers l'intérieur pour définir une ouverture centrale ( 13) de diamètre faible par rapport à celui de la cavité ( 14) de la pièce polaire; 1 ' enceinte ( 9) a un diamètre supérieur à celui de cette ouverture et s'étend à l'intérieur de la cavité ( 14) jusqu'à une position étroitement adjacente à l'ouverture ( 13); et les moyens de réglage du champ du canon s'étendent vers l'intérieur dans la cavité et sont disposés de façon générale symétriquement autour du canon, avec un espacement uniforme par rapport au canon, jusqu'à une position étroitement adjacente à la frontière entre l'enceinte ( 9) et la pièce polaire ( 12). 9 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que i' enceinte ( 9) comprend une matière électriquement 251419 ? isolante; le canon ( 2) fonctionne à une tension élevée; et les moyens de réglage du champ magnétique( 35, 38, 40, 44) sont pratiquement au potentiel de la masse pendant le fonc- tionnement du tube 10 Tube micro-onde millimétrique ( 1) à faisceau d'électrons linéaire et à focalisation par aimant permanent comportant un axe central ( 4), caractérisé en ce qu'il com- prend: un canon à électrons ( 2) focalisé magnétiquement et à circulation confinée, à haute convergence, qui se trouve à une extrémité du tube pour produire et projeter un faisceau d'électrons ( 3) le long de l'axe ( 4), ce canon com- prenant une cathode ( 5) qui fonctionne à une tension néga- tive élevée, et une enceinte isolante ( 9); des moyens d'interaction ( 15) entre le faisceau d'électrons et les m i c r o o N d e s, s'étendant le long de l'axe en étant reliés à la cathode de façon é t a N c h e a u vide; une pièce polaire ( 12) qui définit une cavité axiale ( 14) ayant une entrée agrandie'et une sortie res- treinte ( 13) qui s'ouvre dans les moyens d'interaction ( 15), le canon à électrons ( 2) étant disposé à l'intérieur de cette cavité et communiquant avec les moyens d'interaction ( 15) par l'intermédiaire de la sortie ( 13); et des moyens ( 25, 28, 40) en matière magnétique, réglables de l'ex- rieur, qui se trouvent à l'intérieur de la cavité, en étant disposés symétriquement autour et à l'extérieur de l'enceinte ( 9) du canon, avec un espacement par rapport à cette dernière, ces moyens étant au potentiel de la masse et pouvant être déplacés par l'extérieur du tube, par rapport au canon et à'la pièce polaire, pour les approcher ou les éloigner du canon ( 2) pendant le fonctionnement du tube, afin de permettre un réglage notable du diamètre du faisceau d'électrons, pour obtenir des performances optima- les, tout en maintenant au minimum les variations du diamè- tre du faisceau le long de l'axe ( 4). 11 Dispositif selon la revendication 10, caracté- risé en ce que la cavité axiale ( 14) a une section transver- sale et un diamètre pratiquement uniformes sur la majeure 1 4197 partie de sa longueur axiale; 1 ' enceinte ( 9) du canon définit de façon générale un cylindre de diamètre inférieur au diamètre de la cavité; et les moyens ( 35, 38, 40) des- tinés à permettre un réglage comprennent un cylindre creux ayant un diamètre extérieur qui correspond au diamètre de la cavité, et un diamètre intérieur supérieur au diamètre de l'enceinte du canon, ce qui définit entre eux un espace uni- forme, ce cylindre pouvant être déplacé axialement pour effectuer le réglage du diamètre du faisceau. 12 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens en matière magnétique peuvent tourner par rapport au canon ( 2). 13 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que des seconds moyens en matière magnétique ( 44) sont fixés à l'intérieur des moyens d'origine ( 40). 14 Tube selon la revendication 13, caractérisé en ce que les seconds moyens ( 44) ont une épaisseur diffé- rente de celle des moyens en matière magnétique d'origine ( 40). 15 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens en matière magnétique ( 35, 38, 40) ont une profondeur différente de celle de la cavité. 16 Tube selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens en matière magnétique sont des cylin- dres ( 40, 44); ces cylindres sont tous deux filetés de façon complémentaire; et le cylindre d'origine ( 40) est fixé à la pièce polaire ( 12), tandis que le second cylindre ( 44) peut tourner de façon à être vissé et dévissé afin de s'approcher et de s'éloigner du canon ( 2). 17 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens en matière magnétique ( 38) sont dispo- sés de façon coulissante à l'intérieur de la cavité ( 14) et ils comportent une partie ( 48) qui s'étend à l'extérieur de la cavité et qui est liée à une vis ( 49) qui porte axia- lement sur une partie d'extrémité de la pièce polaire ( 12), grâce à quoi on peut optimiser avec précision le diamètre du faisceau en faisant tourner cette vis. 2514197-' 18 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens en matière magnétique comprennert une ou plusieurs parties consistant en aimants permanents ( 46, 50) qui sont alignés de-façon à présenter une polarisation radiale par rapport à l'axe ( 4). 19 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens en matière magnétique comprennent une cou- che de matière à perméabilité magnétique élevée ( 52) qui s'étend symétriquement autour du canon, en contact avec les parties consistant en aimants permanents ( 50), et qui se trouve entre les,parties consistant en aimantpermanents et le canon ( 2). Tube selon la revendication 18, caractérisé en ce que les-parties consistant en aimants permanents ( 46, 50) constituent un aimant annulaire. 21 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une anode ( 10) disposée axiale ment en position adjacente à la sortie restreinte ( 13) de la cavité, et traversée par un passage destiné à laisser passer le faisceau qui provient du canon ( 2), cette anode fonctionnant à une tension qui est positive par rapport à la cathode ( 5), les moyens en matière magnétique ( 35, 38, ) pouvant 8 tre déplacés jusqu'à une position étroitement alignée avec l'anode, mais électriquement isolée par rapport à l'anode et par rapport à la cathode. 22 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'interaction ( 15) définissent un tunnel,( 27) pour le faisceau ayant un diamètre inférieur à 2,5 min. 23 Tube selon la revendication 22, caractérisé en ce que le faisceau ( 3) a un diamètre dans la plage de 0,13 mm à 0,75 mm. 24 Tube selon la revendication 22, caractérisé en ce que le faisceau ( 3) a une densité de puissance dans une plage qui s'étend vers le haut à partir d'environ IW/cm 2. Tube selon la revendication 22, caractérisé 251419 t en ce que les moyens en matière magnétique ( 35, 38, 40) règlent le faisceau pour l'amener à ce diamètre, et en ce que le diamètre du faisceau est une fraction notable du diamètre du tunnel ( 27). 26 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'interaction ( 15) définissent un tunnel ( 27) pour le faisceau ( 3), et en ce que les moyens en matiè- re magnétique règlent le diamètre du faisceau de façon qu'il soit une fraction élevée de celui du tunnel.