Brevet FR2530075A1 — publié le 19840113

La présente invention concerne un tube électro- nique avec une interaction transversale du type cyclotron. Les tubes électroniques courants destinés à pro- duire des hyperfréquences, comme le tube à onde progres- sive et le klystron reposent sur un mouvement axial d'un faisceau d'électrons réagissant avec des composantes axia- les du champ électrique d'une structure support onde Dans Le tube à onde progressive, la vitesse de l'onde doit être égale à la vitesse des électrons, de sorte qu'un circuit "d'onde lente" périodique doit être utilisé Pour de très hautes fréquences comme des ondes millimétriques, le pas périodique du circuit devient trèspetit, donc difficile à fabriquer et ne permettant de ne produire que de faibles puissances De ptus, le diamètre du circuit doit être pe- tit comparativement à la longueur d'onde et il doit 8 tre proche du faisceau pour que son champ de fuite utile puisaç réagir avec ce faisceau. A la suite des recherches de puissance plus éle- vée à des fréquences plus élevées, plusieurs tubes à"ondes rapides" ont été proposés, dans lesquels un circuit non périodique, comme un guide d'onde lisse est utilisé pour réagir avec une modulation périodique du faisceau d'élec- trons Bien entendu, dans un guide d'onde creux et lisse, la vitesse de phase axiale de l'onde est toujours supé- rieure à la vitesse de la lumière de sorte que la vitesse axiale du faisceau ne peut jamais être synchrone avec elle. Une ligne à deux conducteurs dans laquelle la vitesse est exactement égale à la vitesse de la lumière est également classée comme un circuit à "onde rapide" Un électron doit avoir une énergie infinie pour être synchrone avec elle. Le tube à onde rapide qui a eu de plus de succès a été'le "gyrotron" dans lequel les électrons d'un fais- ceau subissent des mouvements en hélice dans un champ mag- nétique axial Les électrons se groupent en certaines pha- ses de leurs orbites en réagissant avec un champ électri- que transversal d'un guide d'onde lisse supportant une on- de, ou au voisinage de sa fréquence de coupure inférieure. Le gyrotron a connu le succès comme un oscillateur pour une puissance extrêmement élevée Il est apparu plus tard que de par sa nature, sa largeur de bande est réduite de sorte qu'il ne peut ttre très utile comme amplificateur des Télécommunications ou similaires. Un autre tube mettant en oeuvre un mouvement hé- licoidal des électrons dans un champ transversal est dé- crit dans le Brevet des Etats Unis d'Amérique No 3 183 399. Ce tube comporte un guide d'onde lisse rectangulaire sup- portant une onde TE 01 polarisée linéairement Ce brevet décrit la modulation du faisceau comme résultant d'un grou- pement axial des électrons en un ruban hélicoldal, par les vitesses provoquées par le mouvement hélicoïdal coupant les Lignes de force magnétique transversalesdu mode en on- de de radiofréquence Ce groupement peut certainement exister bien qu'il apparaisse maintenant que le tube selon ce brevet fonctionnait probablement avec un groupement gyrotron utilisant un mouvement des électrons légèrement relativiste Ce tube était donc un premier gyrotron et de- vait avoir une largeur de bande très étroite Le brevet des Etats Unis d'Amérique No 3 249 792 décrit une variante du tube mentionné ci-dessus utilisant une ligne de trans- mission à deux fils au lieu d'un guide d'onde creux La vitesse de l'onde est alors juste la vitesse de la lumière à toutes les fréquences La Figure 3 de ce dernier brevet est un diagramme omega-beta en regard duquel il apparait clairement que l' interaction sychrone ne peut se produire qu'à des fréquences strictement limitées La théorie ac- tuelle indique que le tube selon ce dernier brevet ne fonctionnerait probablement pas. Un objet de l'invention est de proposer un tube a faisceau d'électrons produisant une hautepuissance de sortie à des fréquences élevées et avec également une grande;:argeur de bande. Un autre objet de l'invention est de proposer un tube avec un circuit d'onde rapide facile à réaliser. Un autre objet de l'invention est de proposer un tube dans lequel les diamètres du circuit et du fais- ceau sont comparables à la moitié de la longueur d'onde dans le vide. Ces objets sont atteints dans un tube dans le- quel un faisceau d'électrons se propage dans la direction axiale pendant que les électrons décrivent des trajectoi- res en hélice en raison de la rotation dans un champ mag- nétique axial L'onde du circuit est une onde rapide ayant une composante de champ électrique transversale po- larisée qui réagit avec le mouvement des électrons en hé- lice Pour obtenir une largeur de bande, la polarisation de l'onde varie en hélice avec la distance dans le cir- cuit Cela modifie la fréquence apparente de l'onde vue par les électrons de sorte qu'unsynchronisme avec un fais- ceau d'électrons à vitesse constante est obtenu dans une plus large plage de fréquences. D'autres caractéristiques de l'invention appa- rattront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples: La Figure 1 est une coupe axiale schématique d'un tube antérieur à interaction du type cyclotron, la Figure 2 est un diagramme schématique oméga- beta du tube antérieur de la Fig 1, la Figure 3 A est une co-upe schématique axiale d'un tube selon l'invention, la Figure 3 83 est une coupe perpendiculaire à l'axe du tube de la Fig 3 A, - la Figure 4 est un diagramme schématique oméga- beta du tube de la Fig 2, la Figure 5 A est une vue schématique de côté d'un autre circuit à onde rapide qui convient selon l'in- vention, la Figure 5 B est une caupe du circuit de la Fig 5 A, la Figure 6 A est une vue schématique de c 8 té d'un autre circuit à onde rapide, et la Figure 6 B est une coupe perpendiculaire à l'axe du circuit de la Fig 6 A. La Figure 1 est tirée du Brevet des Etats Unis d'Amérique No 3 183 399 précité Il s'agit d'une coupe longitudinale du tube Un faisceau creux d'électrons pro- duit par une cathode thermoionique annulaire 32 est at- tiré par une anode 34 comportant un intervalle annulaire pour le passage du faisceau. Un champ magnétique radial dans l'intervalle annulaire d' anode produit un mquvement de rotation trans- versale d'électrons Le faisceau passe ensuite par un 1 i tunnel d'entrée 36 qui est suffisamment petit pour être au-dessous de la fréquence de coupure aux fréquences utiles. Le faisceau passe ensuite par une section de guide d'onde rectangulaire 10 qui est le circuit d'interaction d'onde- faisceau Le faisceau émis est recueilli sur une paroi décalée 20 du guide d'onde 10 Une onde d'entrée est four- nie par un guide d'onde 12 et le signal amplifié est pré- levé à l'extrémité amalepar un guide d'onde de sortie 14. Le champ magnétique axial le long du guide d'on- de 10 d'interaction est produit par un électro-aimant 38 entourant l ensemble. Comme cela est mentionné ci-dessus, le brevet précité décrit l'interactiondÈs électrons et de l'onde comme étant déclenchéepar le groupement des électrons sous l'effet du mouvement axial résultant du fait que leurs or- bites hélicoldales coupent des lignes de champ magnétique transversal de l'onde radiofréquence Cela doit grouper les électrons en un ruban en forme d'une hélice autour de l'axe avec un pas égal à la longueur d'onde dans le guide. Le ruban dans son ensemble subit une rotation du type cyclotron Les forces magnétiques des électrons utilisées pour le groupement sont bien entendu beaucoup plus faibles que les forces développées par le champ électrique à haute fréquence sur les électrons Des analyses théoriques en cours suggèrent que le groupement dans ce tube est très probablement un groupement de phases dans les orbites hélicoïdales, dépendant des variations relativistes de la masse des électrons lorsqu'ils sont accélérés ou ralentis dans leur orbite par la composante transversale du champ électrique à haute fréquence Ce groupement dutype gyrotron est décrit dans l'article t Cyclotron Résonance Devices" de R S Symons et H R Jory, publié dans le livre "Advances in Electronics et Electron Phlysics", volume 55 Academic Press, Inc Commne le montre cet article, le grou- pement se forme à une phase des orbites hélicoïdales o il délivre son énergie de rotation à la composante du champ électrique à haute fréquence perpendiculaire à son axe de rotation. La Figure 2 est un diagramme schématique de dis- persion d'un tube à onde rapide comprenant un guide dbnde lisse comme celui décrit dans le Brevet ci-dessus ou dans les *yrotrons de la référence précitée La fréquence W est tracée verticalement en fonction du numéro d'onde k tracé horizontalement Le numéro d'onde k est utilisé pour un circuit non périodique tandis que la constante de pro- pagation axiale équivalente f est couramment utilisée avec les circuits périodiques La courbe de dispersion 40 pour un guide d'onde creuxet lisse est une hyperbole coupant l'axe k _ O à la fréquence de coupure Jc Pour les fré- quences élevées, la courbe 40 s'approche asymptotiquement des lignes droites 42 dont les pentes sontégales à la vi- tesse de la lumière dans le vide La ligne droite 44 est le lieu des points pour lesquels la fréquence diune onde subie par un électron en mouvement axial est égale à la fréquence de cyclotron dans le champ magnétique de foca- lisation axiale Cette fréquence peut aussi être considé- rée comme la fréquence de l'onde modifiée par le décalage Doppler sous l'effet de la vitesse axiale des électrons. L'équation de la ligne 44 est: Ad k V b o -Vb est la vitesse de déplacement axial du faisceau et -I-est la fréquence cyclotron La droite 44 a une pente égale à la vitesse dedéplacement axial b Elle croise la ligne de fréquence nulle à k =-S/\)b L'interaction synchrone du faisceau périodique et de l'onde de guide d'onde se produit aux fréquences ou au voisinage, o leuiscourbesde dispersion 40, 44 se coupent entre elles ou s'approchent au moins l'une de l'autre C'est le point auquel le champ à haute fréquence vu par un électron se déplaçant à la vitesse axiale du faisceau est juste égale à la fréquence cyclotron La plus large bande de fré- quence sur laquelle cela se produit est obtenue en réglant la fréquence cyclotron et la vitesse axiale du faisceau de manière que la courbe 44 soit tangente à la courbe 40 du guide d'onde au point 46 Dans les gyrotrons en prati- que, les courbes sont très proches sur au moins une bande étroite de fréquences entre W 1 et W 2 correspondant aux points 47, 48 Ainsi, les gyrotrons, les tubes décrits dans le Brevet précité,ntorntqu' une bande étroite de fré- quences-de fonctionnement. Les Figures 3 A et 3 B sont des coupes schémati- ques d'un tube selon l'invention Un canon à électrons est utilisé pour produire un faisceau creux d'électrons 56 qui subissent un mouvement de rotation perpendiculaire à leur mouvement axial Le canon 50 est similaire à celui décrit dans le Brevet des Etats Unis d'Amérique N 03 258 626. Il comporte une cathode thermoionique 626 I 1 comporte une cathode thermoionique 52 conique entourée par une anode conductrice 54 conique maintenue à un potentiel relative- ment positif par une source d'alimentation 58 dont la ten- sion apparait aux extrémités d'un joint diélectrique 60 faisant partie de l'enveloppe sous vide L'ensemble du canon se trouve dans un champ magnétique axial relative- ment constant (non représenté) Les électrons émis par la cathode 52 coupent les lignes de force du champ magnétique axial et y reçoivent un mouvement de rotation Ils aquiè- rent également une vitesse axiale par la composante axiale du champ électrique entre la cathode conique 52 et l'anode conique 54 Un faisceau d'électrons pleinpourrait aussi être utilisé selon l'invention, en utilisant un dispositif magnétique approprié pour imprimer aux électrons une rota- tion perpendiaulaire à l'axe Un tel dispositif est décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N 3 398 376. Le faisceau 56 est ensuite attiré dans le corps tubulaire principal 61, une structure métallique maintenue dans le présent exemple au potentiel de lanode 54 Dans la partie d'entrée du corps 61, l'intensité du champ magnétique axial peut 8 tre accrue pour augmenter la composante trans- versale du mouvement des électrons dans la mesure de la vitesse axiale Dans les tubes de ce genre, l'énergie trans- versale est la source principale de l'énergie de sortie en hyperfréquences L'énergie transversale peut ttre accrue par d'autres procédés, par exemple un champ magnétique transversal tournant en azimuth avec un pas axial égal à la longueur d'onde de cyclotron, comme décrit dans le brevet ci-dessus. Le faisceau 56 pénètre ensuite dans la section de guide d'onde 64 dans laquelle il réagit avec l'onde élec? troraagnétique Le guide d'onde 64 consiste en un conducteur cylindrique creux 62 avec deux nervures 66 conductrices juxtaposées en saillie vers l'intérieur dans la direction de l'axe Sa section perpendiculaire à l'axe est juste celle d'un guide d'onde à nervures courant Mais comme cela sera expliqué par la suite, le but et la caractéris- tique des nervures 66 sont tout à fait différents de ceux d'un guide ordinaire à nervures, dont le but est dtaugmen- ter la largeur de bande de fréquence entre des modes en compé tition. Un signal d'entrée en hyperfréquencees est intro- duit dans l'extrémité d'entrée du guide d'onde 64 par un diaphragme de couplage 70, depuis un guide d'onde rectan- gulaire d'entrée 72 Ce signal est amplifié dans le guide d'onde 64 par interaction avec le faisceau 56 et il est extrait à l'extrémité de sortie par un guide d'onde de sor- tie 72 Des fengtres de guide d'onde (non représentées) ferment hermétiquement les extrémités de l'enveloppe sous vide des guides d'ondes 72 Le faisceau 56 passe par un diaphragme 67 suffisamment petit pour ne pas transmettre l'onde et il est recueilli sur la surface intérieure d'un collecteur creux 68. Une innovation essentielle de l'invention est que le guide d'onde 64 n'est ni une structure à onde rapide lisse comme dans la technique antérieure, ni un circuit à ondes lentes à guide d'onde périodique (charge) comme dans un tube à onde progressive courant avec un groupement axial du faisceau L'orientation des nervures 66 dans le guide d'onde 64 tourne avec la distance axiale Commne dans un guide nervuré uniforme courant, les nervures sont suffi- samment épaisses et pénètrent suffisamment pour éliminer la dégénérescence de mode inhérente d'un guide cylindrique lisse Elles chargent capacitivement le mode avec le champ électrique à haute fréquence passant d'une nervure à l'autre de sorte que sa fréquence de coupure est inférieure à celle de l'autre mode transversal avec un champ électrique perpen- diculaire au plan des nervures, et également inférieure à celle du guide sans nervures Ainsi, aux fréquences de fonc- tionnsment en mode chargés le mode transversal est au-des- sous de sa fréquence de coupure propre et n'est pas excité. Dans le tube selon l'invention, les nervures sont suffisam- ment grandes pour supporter la configuration de mode chargé et font que toute la configuration de mode tourne en avan- gant dans la direction axiale La relation spatiale entre la configuration de mode et les nervures ne change donc pas. Le pas axial des nervures est également important pour verrouiller sur lui la configuration de mode Il appa- rait qu'il doit 9 tre plus long due la moitié d'une longueur d'onde du guide pour préserver la section instantanée de la configuration de mode mais il doit 9 tre de l'ordre de la longueur d'onde de guide d'onde pour apporter les avantages décrits ci-après Il apparait également que le demipas axial doit être supérieur à la distance entre des sommets opposés de deux nervures. La Figure 4 illustre certains avantages de l'in- vention Cette figure est un diagramme de dispersion du m 9 me genre que celui de la Fig 2, mais pour le guide dsi- de des figures 3 A, 3 B Dans le circuit lisse de la Fig 2 -à la fréquence de coupure W c du guide d'onde, la longueur d'onde du guide devient infinie et le numéro d'onde est donc zéro Sur la Fig 4 pour le circuit en hélice, les numéros d'onde sont indiqués pour les champs ondulatoires vus par-les électrons Ce sont ces valeurs qui sont impor- tantes pour linteraction A la fréquence de coupures Wc, la longueur d'onde du guide mesurée le long d'une nervure en hélice est encore infinie Mais un électron qui se pro- page par le tube voit le champ transversal en rotation de 360 ou 2 t radians pour chaque pas complet des nervures en hélice Les électrons voient ainsi un champ pé- riodique pour lequel le diagramme de dispersion 50 a été dé- placé vers le centre à k = 2 X /P o P est le pas de l'béli- ce C'est un champ périodique et il est constitué par des harmoniques spatiales L'harmonique spatiale importante est celle dont la courbe de dispersion 52 est centrée sur k = -27/P Cette courbe a la m 8 me forme que la courbe 40 de la Fig 2, mais déplacée vers la gauche Elle est plus proche de l'extrémité 46 ' de la courbe de dispersion du faisceau d'électrons 54, représentant un faisceau à plus grande vi- tesse qui est nécessaire pour amener la droite 54 à être tangente avec l'hyperbole 52 du guide d'onde L'effet impor- tant est que la partie plus fortement inclinée del'hyper- bole 52 apparait plus loin de l'origine à c et la vitesse de variation de la pente est considérablement moindre Ain- si, les deux courbes restent très proches l'une de l'autre dans une plus grande plage de fréquences de W 3 à k La lar- geur de bande du tube est considérablement agrandie. Les Figures 5 A et 5 B illustrent un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le guide d'onde con- siste en une hélice bifilaire de deux conducteurs isolés l'un par rapport à l'autre Dans un tube, les deux hélices doivent 9 tre connectéespour que leurs courants soient en op- position de phase en toute section La distribution de mode est pratiquement la mmre que pour le guide d'onde à nevures des Fig 3 A et 3 B L,'hélice bifilaire n'est pas un circuit à bande passante mais elle transmet les fréquences jusqu'à zéro Elle a donc une possibilité de largeur de bande ex- trémement grande Hais l'élimination de la chaleur des con- ducteurs isolés est difficile de sorte que la capacité en puissance de ce circuit est limitée comparativement au guide d'onde à nervures. Des hélices bifilaires ont été utilisées dans des tubes à ondes progressives de type o Pour cette application, c'est la composante axiale du champ à haute fréquence qui est uti-le de sorte que le pas des hélices est petit comparativement à leur diamètre Dans la pré- sente application, c'est le champ électrique transversal qui est utile dé sorte que le pas P est au moins compara- ble au diamètre D. La Pig 6 A est une vue de c 8 té et la Fig 6 B une vue en bout d'un autre mode encore dtun circuit à onde rapide qui peut être utilisé selon l'invention Il s'agit d'un guide d'onde rectangulaire 60 de type courant, vrillé en hélice autour de son axe 62 Le faisceau d'élec- trons 64 peut 9 tre un pinceau plein comme représenté, ou un faisceau creux comme le montrent les Fig 3 A et 3 B. La structure des Fig 6 A et 6 B offre d'excellentes possi- bilités de traitement de puissance Elle peut être utilisée avec un faisceau plus grand que le guide d'onde nervuré des Fig 3 A, 3 B car la surface du champ électrique essen- tiellement uniforme est plus grande. Bien entendu, d'autres formes encore de guides d'ondes en hélice peuvent être utilisées comme un guide à une seule nervure avec url contour cylindrique -ou rec- tangulaire, un guide rectangulaire à double nervure etc. Mais avec chacun des circuits décrits ci-dessus, un avantage important de l'invention est qu'elle utilise le champ électrique transversal principal de l'onde plu- t 8 t que les champs extérieurs de circuits périodiques comme dans les tubes courants à onde progressive Les champs extérieurs décroissent de façon exponentielle avec la distance des circuits périodiques, de sorte que les cir- cuits doivent être très petits comparativement à la lon- gueur d'onde et le faisceau doit être très proche du cir- cuit Par contre selon l'invention, la section du circuit peut 9 tre une fraction mesurable d'une longueur d'onde et le faisceau peut subir essentiellement la totalité du champ dans une large part de la section du circuit. Ainsi, les conditions de haute puissance, notamment dans les ondes millimétriques, sont satisfaites. T Les modes de réalisation décrits ci-dessus doi- vent tre considérés comme des exemples nullement limita- tifs De nombreuses variantes sont évidentes à l'homme de l'art Par exemple, il n'est pas nécessaire que le guide d'onde tourne régulièrement et continuellement, car il peut tourner par pas discrets De plus, certaines discon- tinuités discretes de charge d'onde dans le guide, comme des colonnettes ou des ailettes capacitives ou inductives peuvent être placées dans des positions tournant séquentiel- lement. REVE Nl DICATIOI;l S 1 Tube électronique, caractérisé en ce qu'il comporte un canon ( 50) qui produit un faisceau d'électrons ( 56) avec une composante de vitesse le long d'un axe, un dispositif qui imprime aux électrons une vitesse perpendi- culaire audit axe, un g;uide d'onde ( 64) pour propager une onde électromagnétique dans la direction du guide -en re- lation d'échange d'énergie avec ladite vitesse perpendicu- laire desdits électrons, un dispositif pour produire un champ magnétique parallèle audit axe, un dispositif ( 68) pour recueillir lesdits électrons après que ledit faisceau soit sorti dudit guide d'onde, un dispositif ( 72) pour ex- traire de l'énergie électromagnétique dudit guide d'onde, ledit guide d'onde ( 64) ayant une section transversale per- pendiculaire à l'axe ter e que la polarisation d'une compo- sante transversale du champ électrique d'un mode ondulatoire soit verrouilléesur la position en azimut d'un élé- ment dudit guide d'onde, et caractérisé en ce que ladite section ransversale tourne avec l'augmentation de la dis- tance le long dudit axe. 2 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit faisceau ( 56) est symétrique autour dudit-axe avant de réagir avec ladite onde. 3 Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit faisceau ( 56) a une section transversale annu- laire creuse. * 4 Tube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif qui imprime une vitesse perpendicu- laire consiste en une structure d'injection magnétique dudit canon. 5 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif qui imprime une vitesse perpendicu- laire comporte un dispositif qui augmente l'intensité du champ magnétique entre ledit canon et ledit guide d'onde. 6 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif qui imprime ladite vitesse perpen- diculaire consiste en un champ magnétique transversal entre ledit canon et ledit guide d'onde, la direction dudit champ transversal tournant avec la distance le long dudit axe. 7 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence d'effet cyclotron desdits électrons dans ledit champ malnétique axial est à peu près égale à la fréquence de l'onde décalée par effet Doppler par la composante axiale de la vitesse du faisceau. S Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit guide d'onde consiste en une hélice bifi- laire. 9 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit guide d'onde ( 64) consiste en un guide d'onde chargé par des nervures ( 66). 10 Tube selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit guide d'onde ( 64) consiste en un tube cy- lindrique circulaire avec une nervure conductrice ( 70) en saillie vers l'intérieur, formant une hélice en fonction de la distance le long dudit axe. 11 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit guide d'onde ( 64) comporte deux desdites nervures ( 66) en saillie vers l'intérieur, opposées symé- triquement entre elles. 12 Tube selon la revendication 1, caractériseé en ce qu'il comporte en outre un dispositif ( 72) d'injec- tion d 1 une onde d'un signal à une extrémité dudit guide d'onde de manière que ledit tube puisse fonctionner comme un amplificateur. 13 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas de ladite rotation de ladite forme de sec- tion transversale est supérieur au diamètre dudit faisceau ( 56). 14 Tube selon la revendication 1, caradtérisé en ce que le pas de ladite rotation de ladite section transversale est supérieur à la longueur d'onde du guide pour ladite onde. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite section transversale consiste en une série de discontinuités discrates de charges d'ondes dont les orientations tournent progressivement avec la distance le lon;g dudit axe.