Brevet FR2537776A1 — publié le 19840615

la présente invention concerne les tubes destinés à produire de l'énergie hyperfréquence par interaction en- tre un faisceau d'électrons et des champs électromagnéti- ques de cavités résonnantes On a produit les puissances les plus élevées avec des tubes du type gyrotron, dans les- quels il y a une interaction entre des mouvements de type cyclotron des électrons dans un champ magnétique axial constant et intense, et des champs électriques hyperfré- quences tranverses par rapport à l'axe Dans l'oscillateur gyro-monotron habituel, les champs électriques sont ceux d'une onde stationnaire dans un mode présentant un champ électrique transverse circulaire Pour obtenir des puissan- ces très élevées à des fréquences élevées, on utilise de grandes cavités, fonctionnant dans les modes TE O Ces mo- des sont quelquefois des modes d'ordre supérieurà celui du mode TE 01, pour réduire les pertes de la cavitéS Les grandes cavités peuvent également supporter de nombreux au- tres modes qui n'ont pas un champ électrique circulaire. Lorsque la fréquence d'un mode parasite est proche de la fréquence de fonctionnement, de l'énergie peut être couplée vers ce modé, ce qui dégrade les performances du tube De plus, le mode parasite peut quelquefois donner lieu à une interaction avec le faisceau, ce qui produit une oscilla- tion avec un faible rendement. Le nombre de modes résonnants parasites possibles dans une gamme de fréquence donnée augmente avec la taille de la cavitéS La technique de base qui a été employée dans le passé pour traiter les couplages entre modes a été de réaliser un compromis entre la taille de la cavité et la séparation de fréquence-des modes Cependant, de cette ma- nière, aucun de ces deux paramètres n'est optimiséS Lorsqu'on fonctionne dans un mode à champ élec- trique circulaire, il y a deux procédés basés sur la symé- trie pour s'opposer aux modes qui n'ont pas des champs cir- culaires Un procédé qui a été utilisé depuis longtemps consiste à former dans la cavité (ou le guide d'ondes) des rainures s'étendant à la circonférence, dans la direction de circulation du courant RF On place une matière résisti- ve au fond des rainures, ou dans une chambre extérieure derrière elles La plupart des modes parasites auront des courants de paroi traversant les rainures, ce qui fait que ces modes seront amortis sélectivement le principe est de réduire leurs fréquences de résonance de façon qu'ils ne donnent pas lieu à une forte interaction avec le faisceau d'électrons. Le brevet US 3 471 744 décrit des absorbeurs de modes du-type à rainures dans une cavité résonnante de ma- gnétron le brevet US 3 441 793 décrit des rainures circu- laires dans un guide d'ondes pour coupler des modes non circulaires vers un absorbeur situé à l'extérieur du guide. Le brevet US 3 008 102 décrit une cavité de stabilisation à champ électrique circulaire dans laquelle la paroi cylin- drique est formée par des conducteurs circulaires entre lesquels est intercalée une matière à pertes Les brevets précités ont été cédés à la demanderesse Ils font tous in- tervenir l'absorption, à l'intérieur de la cavité, de l'énergie de modes non circulaires. Dans des tubes de puissance et de fréquence ex- tremement élevées, la technique des rainures resistives at- teint une limitation la puissance dissipée dans la matière résistive produit une quantité de chaleur supérieure à cel- le qui peut 8 tre évacuée par conduction Une structure per- fectionnée visant à résoudre ce problème est décrite dans la demande de brevet US 232 059 déposée le 5 février 1981 par Marvin Chodorôw et Robert S Symons et cédée à la de- manderesse Dans cette technique, une rainure orientée dans la direction du courant circulaire est formée avec une ma- tière ayant seulement de faibles pertes Les modes ayant des courants de paroi qui traversent la rainure, en parti- culier certains modes TM très gênants,ont leurs diagrammes de mode déformé d'une manière telle que leur énergie est rayonnée vers l'extérieur par le guide d'ondes de sortie, ce qui réduit l'impédance de ces modes parasites. Un but de l'invention est de procurer un-oscil- lateur hyperfréquence dans lequel les problèmes de couplage entre modes soient réduits. Un autre but est de procurer un oscillateur ayant un rendement accru. Un autre but encore est de procurer un oscilla- teur ayant une puissance de sortie accrue. On parvient à ces buts en construisant la cavité résonnante'de l'oscillateur en deux parties ayant des di- mensions de section transversale différentes la partie proche de l'orifice d'entrée du faisceau a un diamètre re- lativement faible et elle supporte de préférence un mode d'ordre faible tel que le mode T Ez 1 la partie proche de l'orifice de sortie du faisceau est plus grande et supporte un mode d'ordre plus élevé, comme le mode TE 021 les modes sont fortement couplés du fait que la jonction entre les deux parties est ouverte, sans diaphragme restreint la se- -conde partie contient les champs les plus élevés, mais du fait qu'elle est plus grande, elle peut accepter les puis- sances élevées Un avantage principal de l'invention con- siste en ce que la grande partie est plus courte que dans l'art antérieur, ce qui fait que l'écartement de fréquence entre des modes parasites est augmenté et le couplage entre modes est réduit Un avantage supplémentaire consiste en ce que les modes d'ordre élevé de la partie de sortie de gran- des dimensions ne peuvent pas pénétrer dans la partie d'en- trée de petites dimensions Par conséquente le faisceau est pré-groupé par le mode désiré, ce qui s'oppose à l'interac- tion avec des modes parasites. 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 axiale schématique d'un oscillateur gyrotron de l'art antérieur. Les figures 2 A et 2 B sont des représentations schématiques de diagrammes de champ de la cavité de la fi- gure 1. la figure 3 est une coupe axiale schématique d'un gyrotron conforme à l'invention. La figure 4 est une coupe axiale schématique d'un mode de réalisation différent. la figure 1 représente un oscillateur gyrotron à une seule cavité de l'art antérieur Le gyrotron est un tu- be hyperfréquence dans lequel un faisceau d'électrons ayant un mouvement en hélice dans un champ magnétique axial pa- rallèle à la direction de glissement des électrons donne lieu à une interaction avec les champs électriques d'un circuit entretenant une onde Le champ électrique dans des tubes pratiques correspond à un mode à champ électrique circulaire Dans le gyro-klystron, le circuit entretenant une onde est une cavité résonnante, résonnant habituelle- ment dans un mode TE Om 1 o Sur la figure 1, tous les éléments correspondent à des figures de révolution autour de l'axe. Dans le gyro-klystron de la figure 1, une cathode thermoélectronique 20 est supportée sur la plaque d'extré- mité 22 de l'enceinte à vide La plaque d'extrémité 22 est fixée hermétiquement à l'anode accélératrice 24 par une pièce diélectrique 26 de l'enceinte L'anode 24 est elle- m 8 me fixée hermétiquement au corps principal 28 du tube par une seconde pièce diélectrique 30 Pendant le fonctionne- ment, une alimentation 32 maintient la cathode 20 à un po- tentiel négatif par rapport à l'anode 24 L a cathode 20 est chauffée par un élément chauffant interne rayonnant (non représenté) Des électrons émis par effet thermoélectronique sont extraits de la surface émettrice extérieure conique de la cathode par le champ attractif de l'anode conique coa- xiale 24 la structure complète est immergée dans un champ magnétique axial H qui est produit par un aimant à solénoï- de (non représenté) qui entoure la* structure O Le mouvement radial initial des électrons est converti par les champs électrique et magnétique croisés en un mouvement qui éloi- gne les électrons de la cathode 20 en les faisant tourner autour de l'axe, ce qui forme un faisceau creux en hélice 34 L'anode 24 est maintenue à un potentiel négatif par rapport au corps 28 du tube par une seconde alimentation 36 donnant une accélération axiale supplémentaire au faisceau 34 Dans la région comprise entre la cathode 20 et le corps 28, l'intensité du champ magnétique H est fortement augmen- tée, ce qui provoque une compression du diamètre du fais- ceau 34 et augmente également son énergie de rotation aux dépens de l'énergie axiale L'énergie de rotation est la composante qui intervient dans l'interaction utile avec les champs d'ondes du circuit L'énergie axiale assure simple- ment le transport du faisceau à travers la région d'inter- action. Le faisceau 34 traverse un tube de glissement 38 pour pénétrer dans la cavité d'interaction 40 qui résonne à la fréquence de fonctionnement dans un mode TEOMîo Dans cet exemple, il s'agit du mode TE 021 L'intensité H du champ magnétique est réglée de façon que le mouvement de rotation des électrons à la fréquence cyclotron soit appro- ximativement synchrone avec la résonance de la cavité. L'interaction produit un groupement de phase du faisceau 34, c'est-à-dire que les mouvements de rotation des élec- trons sont synchronisés Ils peuvent alors fournir leur énergie de rotation au champ électrique circulaire, ce qui établit une oscillation entretenue. A l'extrénité de sortie de la cavité 40, une partie 44 évasée vers l'extérieur couple l'énergie de sor- *tie vers un guide d'ondes uniforme 46 qui a un diamètre. supérieur à celui de la cavité résonnante 40, afin de pro- pager une onde progressive Le champ magnétique H est ré- duit près de la sortie de la cavité 40 le diamètre du faisceau 34 augmente ainsi sous l'influence de l'expansion des lignes de champ magnétique et de sa propre charge d'es- pace auto-répulsive le faisceau 34 est ensuite recueilli sur la paroi intérieure du guide-d'ondes 46, qui fait éga- lement fonction -dec Qllecteur de faisceau Une fenêtre diélectrique 48, par exemple en céramique à base d'alumine, est placée transversalement dans le guide d'ondes 46 de façon à le fermer hermétiquement pour compléter l'enceinte à vide. La figure 2 A est un schéma des champs électroma- gnétiques d'ondes stationnaires dans la cavité 40 ' de la figure 1, vue dans un plan axial Le mode résonnant est fondamentalement le mode TE 021, Il n'y a pas de variation de champ sous l'effet d'une rotation autour de l'axe Il y a une inversion de champ, avec deux-maximums entre l'axe et la paroi de la cavité cylindrique Il y a un seul maximum sur la distance axiale dans toute la cavité, c'est-à-dire que si on considérait la cavité comme une ligne de trans- mission, elle résonnerait dans le mode demi-onde. la figure 23 est un schéma du diagramme de champ vu en regardant dans la direction de l'axe. Ia figure 2 A est quelque peu idéalisée Elle mon- tre les champs pour une onde stationnaire pure, comme si la cavité 40 était fermée aux deux extrémités Dans des gy- rotrons pratiques de très forte puissance, les-champs s'établissent rapidement au passage dans le circuit et l'extrémité de sortie est fortement couplée au guide d'on- des de sortie Il n'y a pas de diaphragme partiellement réfléchissant, comme dans des tubes de faible puissance. La paroi de la cavité 40 ' s'agrandit simplement par l'in- termédiaire d'un évasement 44 ' pour se raccorder à un guide d'ondes émetteur 46 ' Les champs dans la cavité 40 s'écar- tent ainsi considérablement du diagramme d'onde stationnai- re pure qui est représenté Ce dernier peut cependant 9 tre calculé et représenté simplement On a représenté un mode TE 021 Les lignes de champ électrique 50 sont des cercles perpendiculaires à l'axe de la cavité cylindrique Les li- gnes de force magnétiques 54 sont des boucles fermées si- tuées dans des plans qui contiennent l'axe La figure 3 montre une coupe axiale schématique d'une cavité de gyrotron conforme à l'invention La partie de cavité de grande taille, 40 ", qui supporte le mode TE 021, est plus courte que dans le tube de l'art antérieur des figures 1 et 2 Elle est directement couplée à la partie de cavité plus petite, 60, qui supporte un mode TE 011 Dans le plan de jonction 64, ou à proximité de ce plan, le champ électrique passe du mode TE 011 au maximum intérieur du mode TE 021 Approximativement au rayon de ce maximum, un faisceau d'électrons cylindrique et creux, 66, traverse la cavité, en entrant par la petite cavité 60. Bien que les deux parties de cavité soient forte- ment couplées ensemble, les champs dans la petite partie sont plus faibles que dans la grande partie 40 ", du fait que le courant RF dans le faisceau 66,comme les amplitudes de l'onde,augmentent rapidement avec la distance parcourue par le faisceau 66 L'onde comporte une composante d'onde progressive de valeur élevée Les courants de paroi de cir- culation dans la partie d'entrée 60 sont ainsi inférieurs à ce qu'ils seraient dans la partie de sortie si elle avait la même taille que la partie 60 et si elle supportait le même mode TE 011 Dans la partie de sortie 40 "i, les pertes sont réduites du fait que la cavité est plus grande et sup- porte un mode d'ordre supérieur Bien entendu, la partie 40 ", plus grande, peut supporter davantage de modes parasi- tes, mais la séparation entre modes est plus grande que dans la cavité de l'art antérieur des figures 2 A, 2 Bi du fait que la longueur axiale de la partie 40 " est plus cour- te La plupart des modes parasites ne peuvent pas être sup- portés dans la partie 60, plus petite Le faisceau est donc groupé initialement par le mode désirés, ce qui s'oppose à la concurrence des modes parasites dans la grande cavité de sortie 40 " Le gain total pour une oscillation de mode parasite est réduit du fait que l'interaction ne peut avoir lieu que sur une courte distance. On peut encore réduire davantage les champs dans la partie d'entrée 60, par une réduction supplémentaire des pertes dans la cavité De plus, un champ d'entrée plus fai- ble peut augmenter le rendement du tube en groupant le faisceau avec un champ plus faible, comme dans un tube à ondes progressives Une manière d'effectuer ceci consiste à dimensionner la section d'entrée 60 de façon qu'elle soit proche de la coupure à la fréquence de fonctionnement. La figure 4 montre un mode de réalisation de l'in- vention dans lequel la croissance du champ en fonction de la distance dans la partie 60 est augmentée Ia section d'entrée 70 a ici un diamètre qui va en augmentant en fonc- tion de la distance à partir du tube de glissement d'entrée 38 "' Cette partie peut être exactement à la coupure en un certain point intermédiaire 68 Qu'elle soit ou non à la coupure, les champs diminuent lorsque le diamètre diminue. Il n'est pas obligatoire que la section transversale de la partie d'entrée 70 s'évase progressivement comme il est représenté, et elle peut comporter des marches ou des chan- gements de pente. On peut également faire en sorte que les champs dans la partie de sortie 40 "' augmentent avec la distance à partir de l'entrée du faisceau, en lui donnant une section transversale qui augmente en fonction de cette distance, ce qui peut améliorer le rendement de l'oscillateur. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent 9 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Oscillateur à gyrotron comprenant une cavité résonnante ( 60, 40 ") destinée à supporter une onde élec- tromagnétique stationnaire en relation d'échange d'énergie avec un faisceau d'électrons ( 66), caractérisé en ce que cette cavité comprend plusieurs parties successives le long de l'axe de glissement du faisceau ( 66), et une pre- mière partie amont ( 60) présente une section transversale, perpendiculaire à l'axe, plus petite que celle d'une secon- de partie aval ( 40 ") l 2 Oscillateur à gyrotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde partie ( 40 ") est suf- fisamment grande pour supporter une onde d' interactioadans un mode d'ordre supérieur à celui de l'onde d'interaction qui est supportée dans la première partie ( 60)o 3 Oscillateurà gyrotron selon la revendication 2, caractérisé en ce que les parties ( 60, 40 ") sont con- nectées directement, de façon que les ondes d'interaction soient en couplage direct. 4 Oscillateur à gyrbtron selon la revendication 3, caractérisé en ce que les dimensions de l'ouverture de couplage ( 64) entre les parties ( 60, 40 "), transversalement à l'axe, sont au moins aussi grandes que les dimensions de- la première partie ( 60), transversalement à l'axe. 5 Oscillateur à gyrotron selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ondes d'interaction sont des ondes TE Onn. 6 Oscillateur à gyrotron selon la revendication , caractérisé en ce que l'onde d'interaction dans la pre- mière partie ( 60) est une onde de mode TE 01 n. 7 Oscillateur à gyrotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transversale de la première partie amont ( 70) augmente avec la distance à par- tir de l'extrémité par laquelle entre le faisceau ( 66). 8 Oscillateur à gyrotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transversale de la se- conde partie aval ( 40 "') augmente avec la distance à partir de l'extrémité par laquelle entre le faisceau ( 66).