Brevet FR2528626A2 — publié le 19831216

FR 2528626 A2 19831216 FR 8210408 A 19820615 GENERATEUR D'ONDES RADIOELECTRIQUES POUR HYPERFREQUENCE La présente addition concerne un générateur d'ondes radio électriques pour hyperfréquence. Le brevet principal auquel se rattache la présente addition a été déposé le 29 Décembre 1978 au nom de THOMSON-CSF sous le numéro 78.36960 et publié sous le numéro 2.445.611. Ce brevet principal concerne un générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquence fournissant des ondes millimétriques et submillimé triques. Ce genérateur utilise un faisceau d'électrons se propageant suivant un axe, ce faisceau étant soumis à l'action d'un champ magnétique dirigé suivant cet axe et à l'action d'un champ électrique de haute fréquence dirigé transversalement au champ magnétique. Ce générateur comporte deux parties qui se succèdent le long de l'axe: - dans la première partie, qui est celle par laquelle entre le faisceau d'électrons, on trouve des volumes résonnants qui ont une fréquence de résonance égale à la fréquence cyclotronique f c des électrons dans le champ magnétique. Ces volumes sont alimentés en haute fréquence par une source d'ondes à la fréquence cyclotronique f .Dans cette première partie, le champ électrique haute fréquence c à la fréquence f c communique de énergie aux électrons; - dans la deuxième partie, qui résonne à une fréquence voisine d'un multiple n.f c de la fréquence cyclotronique, a lieu le prélè- vement, sur une charge, d'une énergie à une fréquence voisine de n.f Ce générateur permet d'obtenir une énergie transversale finale de l'ordre de 100 KeV au maximum. II n'est pas possible avec ce générateur d'obtenir des énergies beaucoup plus élevées à cause d'une limitation relativiste. Lorsque l'énerie de l'électron augmente sa vitesse v et sa masse m augmentent (m = mO / CZ) mais sa vitesse de rotation diminue ( c= (eB / mO). 2/.2X c2)* Le synchronisme entre l'électron et l'onde n'est pas maintenu et il faut arrêter l'interaction entre l'onde et l'électron avant que l'électron ne cède de l'énergie à Ponde. Une première addition à ce brevet principal a été déposée le 22 Janvier 1982 sous le numéro 8201013. Cette addition concerne un générateur selon la revendication 1 du brevet principal, mais dans lequel les volumes résonnants consistent en un guide d'ondes dont la section varie le long de l'axe, au moins en ce qui concerne la partie des volumes résonnants couplée à la source d'ondes. Dans cette première addition, on compense l'augmentation de la vitesse v des électrons, qui accompagne l'augmentation d'énergie, en faisant varier la section droite du guide, donc en modifiant sa constante de propagation k. Le problème qui se pose est que les variations de k sont limitées. Dans un guide d'ondes, la vitesse de phase V est toujours supérieure à la vitesse de la lumière c, ce qui se traduit par la limitatipn suivante imposée à k: k ,Lclj /VCb ou'6J, oùO, est la pulsation délivrée par la souri d'ondes 7. Le générateur selon la première addition est donc limité en énergie. La présente addition concerne un générateur permettant d'atteindre des énergies plus élevées. La présente addition concerne un générateur d'ondes radio électriques pour hyperfréquence, selon la revendication 1 du brevet principal, dont les volumes résonnants consistent en un guide d'ondes dont la section varie le long de l'axe, en ce qui concerne la partie des volumes résonnants couplée à la source d'ondes, ce guide d'ondes étant suivi, selon le sens de propagation des ondes, par un guide d'ondes à retard variable. Ce guide d'ondes à retard variable permet de retarder l'onde pour que le synchronisme entre l'électron et l'onde soit maintenu. I1 permet obtenir des valeurs de la constante de propagation k supérieures à bJ Ic. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - les figures 1 et 2, les schémas de deux variantes du générateur selon l'invention; - les figures 3 et 4, deux schémas montrant la répartition du champ électrique dans la section droite du générateur selon l'invention, pour les modes TEll et TMo2 Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. La figure 1 représente, vu en coupe longitudinale, un mode de réalisation du générateur selon la présente addition. Sur cette figure, on a repris les mêmes références que celles utilisées à la figure 2 du brevet principal. On trouve donc un canon à électrons qui comporte une cathode 10 circulaire, une électrode de Pierce 12, et une anode 14 qui accélère le faisceau 1 émis par la cathode. Ce faisceau 1 se propage selon un axe XX. Un champ magnétique B, qui est produit par des moyens non représentés, est dirigé longitudinalement suivant l'axe XX. Le faisceau pénètre dans la première partie du générateur, la partie accélératrice, qui est constituée par un guide d'onde cylindrique 20 dont la section 2 augmente dans le sens de propagation du faisceau d'électrons. Une source d'ondes 7 c'est-à-dire un oscillateur, est reliée par une antenne 5 au guide d'ondes 20, du côté de l'entrée du faisceau, et excite le guide à la fréquence f c qui est sensiblement égale à la fréquence cyclotronique des électrons du faisceau placés dans le champ magnétique B. Cette source établit dans le guide un champ électrique à la fréqence fc dirigé transversalement au champ magnétique. Le guide à section variable 20 est suivi, selon le sens de propagation des ondes, par un autre guide cylindrique 15 à section constante. Ce guide 15 présente un retard variable. En effet, sa paroi comporte des saignées circulaires 16 orthogonales au sens de propagation de faisceau, dont la profondeur "p" augmente lorsqu'on s'éloigne du canon à électrons. Le retard que ce guide impose à l'onde qui le parcourt va donc en augmentant de gauche à droite sur la figure 1. Le guide à retard variable 15 se termine sur une charge 8 couplée à une antenne de sortie 6. Le générateur selon l'invention peut également fonctionner sans cette charge.En matière d'accélérateurs, on connaît deux modes de fonctionnement: - un premier mode de fonctionnement dans lequel la partie accélératrice ne comporte pas de charge et se trouve à la résonance; - un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la partie accélératrice se termine par une charge et fonctionne en onde progressive. Selon la présente addition, le générateur comporte une première partie (la partie accélératrice) qui est constituée par un guide à section variable et un guide d'ondes à retard variable et une deuxième partie (la partie collectrice, où s'effectue le prélévement de l'énergie) qui peut être , par exemple, un guide à section constante ou variable, une enceinte résonnante, un miroir Fabry Perot, cette deuxième partie n'est pas représentée sur les figures 1 et2 Dans le générateur selon la première addition, la vitesse de phase V est toujours supérieure à la vitesse de la lumière c, et k = W)/ la constante de propagation est toujours inférieure à floc. Lorsque l'onde se propage dans la direction de propagation du faisceau d'électrons, on a: Ok Le rapport E/Eo de l'énergie des électrons à la sortie et à l'entrée du générateur. s'écrit: E/Eo = m/mo = #co/#c - avec Eo = mo.c l'énergie des électrons au repos ; - avec E = m.c = Eo + Ec, où E est l'énergie totale et Ec est l'énergie cinétique des électrons égale initialement à la tension du canon; - avec OcoP e B/mO et ()c = e B/m. Pour qu'il y ait synchronisme entre les électrons et l'onde, il faut qu'il y ait égalité entre la fréquence cyclotronique des électrons dans le système du laboratoire, c'est-à-dire du canon à électrons, et la fréquence Doppler, qui est la fréquence de l'onde vue par les électrons dans le système du laboratoire, ce qui s'écrit: #c = # - k (I) . V// ou #co = # - k (oà - V// où V// représente la vitesse des électrons selon l'axe XX et k (o) et k (I) sont les constantes de propagation à l'entrée et à la sortie du tube. Le rapport E/Eo s'écrit donc aussi Pour que le rapport E/Eo soit maximum, on prend k (o)~o, c'est-à-dire qu'à l'entrée du générateur le guide à section variable travaille à une fréquence proche de sa fréquence de coupure. Pour k (o) # o et en tenant compte de la relation (1), l'inégalité suivante est vérifiée: E/Eo # 1/(1 - V///c) On constate donc que la limitation de k introduit une limitation en énergie du générateur. Par exemple, pour Vfl /c = 0,2 ce qui correspond à une tension entre l'anode et la cathode du canon à électrons de 10 KV environ et pour k (o)~o, l'énergie transversale finale est limitée à 128 KeV. On peut bien sûr augmenter l'énergie transversale finale en augmentant la tension du canon et V// /c mais le rendement se trouve diminué car l'énergie ainsi apportée n'est pas utilisée au cours de l'interaction dans la deuxième partie du générateur. Lorsque l'onde se propage dans la direction opposée à la direction de propagation du faisceau, il y a également limitation de la valeur de la constante du propagation k et limitation en énergie du générateur. Selon la présente addition, le générateur comporte un guide à section variable suivi d'un guide à retard variable. Le guide à retard variable est choisi pour qutil y ait sur son axe un champ électo- magnétique de même forme générale que le champ existant dans le guide à section variable. Ainsi, des valeurs de k supérieures à sont possibles. On a alors lorsque l'onde se propage dans la direction de propagation du faisceau et pour k (o) # o et k (1) = #/V# (1): E/Eo =1/(1-V///V# (I)) où V8 (1) représente la vitesse de phase de l'onde à la sortie du générateur. Si l'on reprend l'exemple numérique déjà envisagé avec V11 /c = 0,2, une tension entre l'anode et la cathode de 10 KV environ, et k(o)o, l'énergie transversale finale atteint 1024 KeV, lorsque V (I) descend jusqu'à la valeur 0,3.c. Pour les mêmes valeurs numériques, lorsque l'onde se propage dans la direction inverse de propagation du faisceau, l'énergie transversale finale est limitée à 341 KeV. La disposition en ondes inverses est moins avantageuse du point de vue de l'énergie, mais elle a pour avantage que l'injection d'énergie HF se fait du coté où les électrons ont la plus haute énergie. Sur la figure 1, la ligne à retard variable est constituée d'un guide d'ondes présentant sur sa paroi des saignées dont la profondeur "p" varie d'une saignée à l'autre. L'efficacité de ce guide à retard variable dépend des modes propagés. Les modes propagés doivent posséder un champ qui excite des courants longitudinaux dans la paroi du guide ; ces courants sont obligés de pénétrer les saignées. La plupart des modes conviennent, mais on peut noter que les modes TE on circulaires ne conviennent pas. Lorsque le faisceau électronique est dans la région axiale ce qui est le cas pour le canon Pierce classique représenté sur la figure 1, le mode doit présenter un champ électrique transversal sur l'axe. L'exemple le plus simple est le mode TE11 représenté sur la figure 3. Lorsqu'on utilise un canon annulaire qui produit un faisceau tubulaire concentrique à l'axe, il faut que le mode ait un champ transversal en dehors de l'axe. L'exemple le plus simple est le mode TMo2 représenté sur la figure 4. A la place d'un guide à section constante comportant des saignées, on peut utiliser comme guide d'onde à retard variable, par exemple, une ligne à retard en hélice à pas variable. On peut aussi utiliser par exemple un guide à section constante contenant un fourreau diélectrique dont l'épaisseur augmente de gauche à droite sur la figure 1 et de droite à gauche sur la figure 2. La figure 2 diffère de la figure 1 parce que la source 7 est reliée au guide du côté de la sortie du faisceau d'électrons. Le coefficient k est négatif. On est amené à utiliser un guide 20 dont la section décroît selon le sens de propagation du faisceau. ce guide est suivi, selon le sens de propagation des ondes, d'un guide à retard variable 15 qui est relié à la charge 8. Ce guide 15 est un guide cylindrique présentant sur sa paroi des saignées 16 dont la profondeur "p" diminue selon le sens de propagation du faisceau. Comme cela a été signalé dans la première addition, il est possible d'utiliser un champ magnétique B qui varie le long de l'axe de propagation. On peut utiliser pour constituer le générateur selon la présente addition d'autres formes de guides que des guides à section circulaire, et notamment des guides à section rectangulaire. De même, on peut utiliser des guides cylindriques dont la section est déformée de façon à présenter deux extensions, de section rectangulaire, diamétralement opposées. REVENDICATIONS 1. Générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquenoe, selon la revendication 1 du brevet principal, caractérisé en ce que les volumes résonnants consistent en un guide d'ondes (20) dont la section (2) varie le long de l'axe (XX), en ce qui concerne la partie des volumes résonnants couplée à la source d'ondes (7), ce guide d'ondes (20) étant suivi, selon le sens de propagation des ondes, par un guide d'ondes à retard variable (15). 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide d'ondes à retard variable (15) est un guide d'ondes à section constante et présentant des saignées (16) de profondeurs (p) différentes. 3. Générateur selon revendication 1, caractérisé en ce que le guide d'ondes à retard variable est une ligne à retard en hélice à pas var fable. 4. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide d'ondes à retard variable (15) est un guide d'ondes à section constante contenant un fourreau en matériau diélectrique d'épaisseur variable. 5. Générateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source d'ondes (7) est reliée au guide d'ondes (20) à section variable du côté de l'entrée du faisceau (1) et en ce que la section (2) de ce guide (20) croît selon le sens de propagation du faisceau. 6. Générateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source d'ondes (7) est reliée au guide d'ondes à section variable (20) du côté de la sortie du faisceau (1) et en ce que la section (2) de ce guide (20) décroît selon le sens de propagation du faisceau. 7. Générateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le champ magnétique (B) a une valeur qui varie le long de l'axe de propagation (XX). 8. Générateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les guides d'ondes sont cylindriques ou rectangulaires. 9. Générateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les guides ont une section circulaire qui est déformée de façon à présenter deux extensions, de section rectangulaire, diamétralement opposées. 10. Générateur selon l'une des revendications 1à 9, caractérisé en ce que le faisceau électronique est situé dans la région de l'axe du générateur et en ce que le mode TEll est établi dans les gui des 11. Générateur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le faisceau électronique est tubulaire et concentrique à l'axe (XX) et en ce que le mode TMo2 est établi dans les guides.