Brevet FR2533748A1 — publié le 19840330

La présente invention se rapporte aux tubes électroniques à faisceau linéaire utilisés pour amplifier des hyperfréquences, particulièrement des ondes porteuses de signaux modulés en amplitude, comme des signaux d'images de télévision Des klystrons sont largement utilisés dans ce but L'invention peut aussi être appliquée à des tubes à onde progressive. Il a été déterminé qu'un inconvénient qu'ont longtemps présenté les klystrons d'émetteur de télévi- sion était dû à des électrons qui revenaient en arrière depuis le collecteur, le long du trajet du faisceau, vers le canon à électrons Les électrons perturbateurs se propagent environ à la vitesse du faisceau initial Ils sont appelés des "électrons réfléchis" ou des "électrons secondaires à grande vitesse". En passant par les cavités du klystron, le flux des électrons en retour est modulé en vitesse par les tensions des cavités et il est groupé par le mécanisme de klystron pour former un faisceau avec une densité de courant modulée Ce courant secondaire à haute fréquence passant par la cavité d'entrée (ou autre cavité en amont) induit dans la cavité une tension qui est exactement la même que celle du courant du faisceau primaire modulé car la cavité du klystron est complètement bi-directionnelle. L'effet final est une régénération du signal, extrêmement non linéaire, en amplitude et en phase. Cette régénération a deux effets indésirables ( 1) des variations de la caractéristique de transfert d'amplitude qui se manifestent par des disconti- nuités de luminosité dans l'image; ( 2) un phénomène connu comme "oscillations d'impulsions de synchronisation". Ce dernier phénomène peut s'expliquer de la manière suivante A la fin de chaque ligne de balayage (et de trame), une impulsion de synchronisation raide est émise avec une amplitude voisine de la saturation de crête à la sortie de l'émetteur Cette impulsion a 2 2533748 des temps de montée et de descente très courts, limités seulement par la largeur de bande de l'émetteur Le gain du klystron varie pendant la montée et la descente en raison du retard d'établissement ou de disparition des tensions dans la cavité, résultant de leur coefficient de qualité élevée Lorsqu'une régénération s'y ajoute, les tensions peuvent dépasser leur valeur d'équilibre créant uneoscillation après la montée ou la descente de l'im- pulsion. Plusieurs dispositions ont été essayées pour éviter cette régénération du signal en réduisant le nombre des électrons du flux en retour Une disposition dépend du fait que le pourcentage des électrons secondaires à grande vitesse produits par une surface bombardée est une fonc- tion croissante du nombre atomique Par conséquent, la surface du collecteur est revêtue d'une matière de faible numéro atomique Le carbone est efficace mais il augmente considérablement le temps nécessaire pour dégazer le tube. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 4 233 539 décrit un revêtement amélioré en borure d'aluminium qui est beau- coup plus facile à dégazer. Une autre disposition consiste à modifier la géométrie du collecteur pour réduire la probabilité que des électrons secondaires entrent à nouveau dans le tube de dérive Le brevet des Etats-Unis N O 3 936 695 décrit une série de déflecteurs à l'intérieur du collecteur, réalisée pour permettre le passage du faisceau entrant mais pour intercepter certains des électrons secondaires - Une autre disposition encore est décrite dans le brevet des Etats-Unisd'Amérique N O 3 806 755 Son but * est de réduire statistiquement la fraction des électrons réfléchis qui pénètrent à nouveau par l'ouverture d'entrée du collecteur en éloignant le plus possible la surface bombardée de l'ouverture. Toutes les dispositions précitées se sont avérées aider à réduire la régénération Mais chacune d'entre-elles ne fait que réduire le nombre des électrons en retour sans les éliminer. 3 2533748 Diverses tentatives ont été faites pour élimi- ner le retour des électrons par des champs magnétiques perpendiculaires à l'axe du faisceau Etant donné que les champs magnétiques dévient les charges en mouvement selon la règle des "trois doigts", les électrons en retour sont déviés dans le sens opposé à celui dans lequel le faisceau direct est dévié Par conséquent, les électrons en retour doivent être séparés en principe du faisceau direct, et être collectés Mais aucune-de ces dispositions n'areg u un succès commercial en raison du prix élevé et des difficultés associées avec la géométrie dissymétrique et la caractéristique non uniforme de dissipation du collecteur dans ces dispositions Bien entendu, de nom- breux autres exemples de dispositions plus élaborées utilisant l'action mutuelle d'un champ magnétique avec un faisceau d'électrons pourraient se trouver dans la technique antérieure mais ils ont été orientés vers d'autres buts et n'ont apporté aucune aide concernant le problème des électrons en retour Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 398 376 décrit un maser à cyclotron électronique qui produit et amplifie un rayonnement électromagnétique dans les bandes des hyperfréquences etdes ondes millimétriques Cette produc- tion et cette amplification sont obtenues en soumettant un faisceau d'électrons plongé dans un champ magnétique longitudinal à l'action d'un champ électrique-ou magné- tique hélicoïdal pour lui imprimer une trajectoire en spirale et le faisceau en spirale passant ensuite par une cavité ayant une fréquence de mode égale à la fréquence de cyclotron des électrons en spirale L'effet du champ hélicoïdal augmente la vitesse transversale du faisceau d'électrons au prix de sa vitesse axiale, ren- dant possible l'action mutuelle avec les champs trans- versaux dans la cavité Mais là également ces disposi- tions n'ont apporté aucune solution au problème des électrons en retour. 4 2533748 Un but de l'invention est donc de proposer un tube à faisceau linéaire avec une régénération négli- geable. Un but objet est de proposer un tube avec une dissipation uniforme au collecteur. Un but objet est de proposer un tube bon marché à fabriquer. Ces buts sont atteints en incorporant le long du trajet du faisceau un piège a sélection de direction pour les électrons Un champ magnétique transversal périodique tourne dans un sens opposé à celui dans lequel tournent les électrons du faisceau direct dans un champ uniforme axial utilisé pour focaliser le faisceau La moyenne des temps des forces périodiques sur les électrons directs est nulle La période du champ transversale est à peu près égale à la longueur d'onde de cyclotron Les électrons en retour voient le sens de rotation du champ transversal identique à leur rotation de cyclotron de sorte qu'ils sont accélérés sur des orbites de cyclotron plus grandes et rencontrent éventuellement le tube de regroupement et sont collectés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs la Fig 1 est une coupe schématique partielle d'un klystron selon l'invention, la Fig 2 A représente schématiquement la dévia- tion magnétique d'un électron dans le faisceau primaire, la Fig 2 B montre schématiquement la déviation magnétique d'un électron réfléchi, la Fig 3 est une coupe d'un autre mode de réalisation, la Fig 4 A représente un autre mode encore de réalisation, et la Fig 4 B est une coupe de ce mode de réalisa- tion. 2533748 La Fig 1 représente donc un klystron selon l'invention Les klystrons sont largement utilisés comme amplificateurs dans les émetteurs de télévision à ultra haute fréquence L'invention trouve sa plus grande utilité dans des klystrons qui présentent l'inconvénient de régénération par des électrons en retour Le flux en retour se produit également dans des tubes à onde progres- sive La régénération est moindre dans ces tubes car le faisceau réfléchi se propageant à l'opposé de l'onde du circuit primaire à haute fréquence n'est pas synchrone avec elle et par conséquent, il est modulé dans une mesure beaucoup moins importante que dans le cas des klystrons Néanmoins, l'invention peut apporter certaines améliorations aux performances des tubes à onde progres- sive. Selon la Fig 1, un faisceau d'électrons 10 est extrait d'une cathode thermoionique 12 par un potentiel positif sur une anode creuse 14 La cathode 12 est chauffée par rayonnement au moyen d'un élément chauffant à résistance 16 Le faisceau 10 est focalisé par une électrode de focalisation 18 en un petit diamètre pour passer dans un long tube de regroupement 20 Suivant la longueur du tube de regroupement, le faisceau 10 est maintenu focalisé en forme d'un-pinceau par le champ axial uniforme d'un enroulement d'électroaimant Le trajet de retour du flux est formé par une enveloppe de fer 24 qui l'entoure Après le passage par le tube de regroupement , le faisceau 10 quitte le champ magnétique, s'étale et- il est recueilli par un collecteur creux 26. Un certain nombre de cavités résonnantes d'action mutuelle avec des intervalles 30 que traverse le faisceau 10 sont espacés le long du tube de regroupement Ces cavités comprennent une cavité d'entrée 32 avec une boucle de couplage 34 pour introduire un signal d'entrée en hyperfréquence, une cavité en cascade 36 non 6 2533748 couplée et une cavité de sortie 38 avec une boucle de sortie 40 pour extraire la puissance à haute fréquence. Les cavités supportent le signal en hyperfréquence en relation d'énergie avec le faisceau d'électrons, ce faisceau subissant une modulation de vitesse en passant par les cavités successives, de la manière bien connue. Bien entendu, les cavités du klystron ne sont pas le seul circuit qui peuvent permettre cette modulation de vitesse linéaire; les structures à onde lente des tubes à onde progressive en sont un autre exemple courant. Une partie du tube de regroupement 20 entre la cavité d'entrée 32 et la cavité de sortie 38 est uti- lisée pour le piège 42 d'électrons réfléchis selon l'invention Le piège 42 comporte un dispositif pour produire un champ magnétique périodique perpendiculaire à l'axe du faisceau 10, la périodicité étant telle que la direction du champ transversal tourne avec la distance le long du faisceau Le pas de rotation est égal à la distanc axiale qu'un électron franchit en une période de cyclotron Selon la Fig 1, ce champ magnétique transver- sal de spirale est produit par une paire bifilaire d'hélices conductrices 44, 46 enroulées autour d'une partie prolongée du tube de regroupement mais en en étant isolées Les hélices 44, 46 reçoivent un courant continu dans des sens de rotation opposés comme le montrent les flèches aux extrémités des hélices Le champ magnétique de ce courant passant par les hélices est principalement perpendiculaire à l'axe du faisceau 10 et il tourne suivant le pas des hélices 44, 46. Les Fig 2 A et 2 B illustrent le fonctionnement du champ périodique Elles représentent des coupes dans des plans transversaux successifs désignés par O, 1/4, 1/2, 3/4 et 1 le long du tube de regroumenent 48 de la Fig 1, les fractions désignant les fractions d'un cycle de rota- tion des hélices 44, 46 Les flèches 50, 52 depuis et vers le plan du papier indiquent la position angulaire des hélices 44, 46 et le sens du courant continu qui les parcourt Le vecteur Bp indique la direction de la compo- sante principale du champ magnétique transversal en spirale Le vecteur F indique la direction de la force magnétique produite sur un électron direct 54 (représenté par un petit cercle) quand son mouvement axial par le plan du papier coupe le champ transversal B p L'arc en poin- tillé 56 indique la trajectoire de cyclotron d'un électron direct 54 dans le champ magnétique axial B dirigé vers le plan du dessin et qui est produit par l'électroaimant. La Fig 2 A représente les forces sur un électron direct 54 et ses mouvements lorsqu'il se déplace de la cathode vers le collecteur Au plan O la force du champ transversal est dirigée en amont tendant à accélérer l'électron 54 dans son orbite de cyclotron dans le sens des aiguilles d'une montre Au plan 1/4, la force F est dirigée vers la droite s'opposant-au mouvement de cyclo- tron et provoquant un ralentissement Au plan 1/2, la force accélère à nouveau le mouvement de cyclotron et au plan 3/4, ralentit à nouveau ce mouvement Au plan 1, les conditions sont revenues les mêmes qu'au plan O Ainsi, pour un électron du faisceau primaire, le-champ magnétique transversal n'a aucun effet global car l'électron 54 a été accéléré pendant la moitié du temps et ralenti pendant l'autre moitié, de sorte que la moyenne est nulle et, pour un électron direct, l'orbite-normale de cyclotron reste virtuellement inchangée sous l'influence du champ magné- tique. La Fig 2 Billustre'les forces et les mouvements sur un électron réfléchi 58 dont le mouvement axial sort du plan de la figure Son mouvement de cyclotron sous l'effet du champ axial Bb est un sens de rotation opposé à, celui de l'électron direct'54 et il est représenté par l'arc en pointillé 56 ' Au plan 0, la force F est dirigée vers le haut, accélérant l'électron réfléchi 58 dans son orbite de cyclotron Au plan 1/4, l'électron réfléchi 58 a effectué un quart d'une orbite de cyclotron et le champ transversal B a tourné de la même valeur de sorte que la force -F accélère à nouveau le mouvement de cyclotron. Cette condition est maintenue dans toute l'orbite si le pas axial de rotation du champ transversal est à peu près égal à la distance axiale qu'un électron franchit pendant une période d'orbite de cyclotron Etant donné que l'élec- tron réfléchi 58 est accéléré continuellement, le diamètre de son orbite de cyclotron 56 ' s'agrandit encore Eventu- ellement, il rencontre la paroi du tube de regroupement 20 et il est éliminé du faisceau en retour Le principe est analogue à celui du premier étage du dispositif décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 398 376 précité selon lequel la vitesse transversale du faisceau d'électron est également augmentée au prix de la vitesse axiale Mais dans le cas présent, un filtre ou un piège à électrons est prévu, et non une amplification. Etant donné que-le piège à électrons 42 est essentiellement symétrique axialement comme l'a montré la description des Figs 2 A, 2 B, il n'y a aucun déplacement global du faisceau direct 10 par rapport à sa symétrie axiale Ainsi, aucun électron direct n'est collecté et la distribution du courant du faisceau primaire atteignant le collecteur est encore symétrique axialement Cela élimine certains problèmes de dissipation non uniforme apparaissant dans les pièges antérieurs utilisant une déviation latérale de l'ensemble du faisceau. La Fig 3 est une coupe transversale d'un mode deréalisation légèrement différent dans lequel le champ - magnétique transversal en spirale est produit par deux aimants permanents 60, 62 disposés en spirale longitudi- nale autour du-tube de regroupement 20 ' Ces aimants sont magnétisés radialement dans des sens opposés de sorte que dans une section axiale donnée, leurs aimantations sont dans le même sens, comme représenté. Les Figs 4 A et 4 B sont respectivement une vue de côté et une coupe perpendiculaire à l'axe d'un autre mode de réalisation Dans ce cas, au lieu des longs aimants en spirale coûteux de la Fig 3, des paires opposées d'aimants discrets 64, 66 sont disposés en succession le long du tube de regroupement 20 " Pour chacune de ces paires, par exemple les aimants 64 et 66, l'aimantation est faite dans le même sens (comme selon la Fig 3) Les paires opposées successives tournent en orientation avec la distance suivant l'axe, avec un pas comme défini ci- dessus Dans le mode de réalisation illustré, les paires sont espacées du quart du pas et tournées de 90 par rapport à la paire précédente Mais cela n'est pas une nécessité Tout nombre entier de paires supérieur à l'unité pourrait convenir pour produire un pas axial. Il est bien évident que l'invention pourrait être mise en oeuvre de diverses autres formes Des tubes à faisceau linéaire et à modulation de vitesse autres que ceux décrits ci-dessus peuvent bénéficier de l'invention. L'invention peut aussi s'appliquer à d'autres tubes a vide, comprenant des tubes à faisceau électronique modulés en densité, des tubes à rayon cathodique et des pièges à ions Les exemples décrits ne sont en aucune manière limitatifs. 2533748 REVENDICATIONS 1 Tube électronique à faisceau linéaire destiné à p-roduire des ondes électromagnétiques à haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif ( 12,14) pour produire un faisceau linéaire ( 10) d'électrons, un circuit t 32,36,38) destiné à supporter une onde électro- magnétique pour moduler en vitesse linéaire ledit faisceau et obtenir un échange d'énergie entre ledit faisceau et ladite onde, ledit circuit comprenant un passage( 20)pour le transit dudit faisceau, un dispositif ( 26) pour recueillir ledit faisceau après son transit par ledit circuit, un dispositif ( 40) pour extraire de l'énergie électromagnétique dudit circuit, un dispositif ( 22) destiné à produire un champ magnétique dirigé suivant l'axe dudit passage afin de focaliser ledit faisceau en une section uniforme dans ledit passage, et un dispositif ( 42) pour produire un champ magnétique périodique trans- versal audit axe le long d'une partie dudit faisceau, l'orientation dudit champ périodique tournant avec la distance le long dudit axe avec un pas à peu près égal à la distance franchie par un électron dudit faisceau dans une période de cyclotron dudit électron dans ledit champ magnétique axial. 2 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif produisant ledit champ périodique consiste en des aimants permanents ( 60,62); ( 64,66) dispo- sés sur les côtés opposés dudit axe et aimantés dans Le meme sens dans une section perpendiculaire audit axe. 3 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif qui produit ledit champ périodique consiste en une hélice bifilaire ( 44,46) d'éléments conduc- teurs de l'électricité entourant ledit passage ( 20). 4 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sens de ladite rotation dudit champ périodique est opposé au sens de rotation par effet cyclotron des électrons dans ledit champ magnétique axial de manière que les électrons qui s'éloignent dudit dispositif générateur de il 2533748 faisceau subisse dans ledit champ transversal une accélé- ration transversale dont la moyenne est nulle et les électrons se propageant vers l'arrière dans la direction dudit dispositif générateur de faisceau subissent une accélération transversale cumulative les entraînant en dehors dudit faisceau. Tube électronique à faisceau linéaire modulé en vitesse linéaire, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif ( 12,14) générateur d'un faisceau linéaire d'électrons, le trajet desdits électrons définissant un axe, un dispositif ( 22) produisant un champ magnétique généralement uniforme dirigé le long dudit axe pour focaliser ledit faisceau en une section uniforme le long dudit axe, et un dispositif ( 42) produisant un champ magné- tique périodique transversal audit axe le long d'une partie dudit faisceau, l'orientation dudit champ périodique tour- nant avec la distance le long dudit axe avec un pas à peu près égal à la distance franchie par un électron dudit faisceau en une période de cyclotron dudit électron dans ledit champ magnétique uniforme, la rotation dudit champ périodique transversal étant opposée à la rotation par effet cyclotron des électrons dans ledit champ magnétique uniforme. 6 Tube selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif ( 26) pour recueil- lir ledit faisceau à l'extrémité dudit trajet. 7 Tube selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un tube de regroupement ( 22) définissant ledit trajet du faisceau. 8 Tube selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ca ôté résonnante d'interaction ( 32,36,38) autour dudit tube de regroupement pour moduler la vitesse linéaire dudit faisceau d'électrons par un signal d'entrée électromagnétique afin de permettre une interaction d'échange d'énergie entre eux. 9 Tube selon-la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit à onde lente pour-la 12 2533748 la modulation de vitesse linéaire dudit faisceau d'élec- trons par un signal d'entrée électromagnétique afin de permettre entre eux une interaction d'échange d'énergie. Tube électronique à faisceau linéaire, carac- térisé en ce qu'il comporte un dispositif ( 12,14) géné- rateur d'un faisceau linéaire ( 10) d'électrons, un circuit ( 32,36,38) formant un trajet linéaire pour ledit faisceau et recevant un signal électromagnétique d'entrée pour moduler la vitesse linéaire dudit faisceau avec le- dit signal, un dispositif ( 22) produisant un champ magné- ti que généralement uniforme dirigé le long du trajet linéaire pour focaliser ledit faisceau en une section uniforme le long dudit trajet et un dispositif ( 42) produisant un champ magnétique transversal audit faisceau linéaire le long d'une partie dudit faisceau, l'orienta- tion dudit champ périodique tournant avec la distance le long dudit trajet linéaire avec un pas à peu près égal à la distance franchie par un électron dudit faisceau dans une période de cyclotron dudit électron dans ledit champ magnétique uniforme. -11 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit champ périodique magnétique tourne dans un sens opposé au sens de la rotation par effet cyclotron des électrons dans ledit champ magnétique uniforme de manière que les électrons qui se propagent vers l'arrière dans la direction dudit dispositif générateur soient entraînés hors dudit faisceau tandis que les électrons qui se propagent vers l'avant ne subissent aucun effet global. 12 Tube selon la revendication 10, caractérisé en * 30 ce que ledit dispositif ( 42) qui produit ledit champ magnétique périodique est situé à l'intérieur dudit dispo- sitif ( 22) produisant un champ magnétique uniforme. 13 Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif ( 26) pour recueil- lir ledit faisceau à l'extrémité dudit trajet, certains des électrons recueillis s'échappant pour produire lesdits électrons qui se propagent en retour.