Brevet FR2544127A1 — publié le 19841012

CANON A ELECTRONS POUR GENERATEURS D'ONDES RADIOELECTRIQUES POUR HYPERFREQUENCES La présente invention concerne un canon à électrons pour générateurs d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences Elle con- cerne plus particulièrement un canon à électrons fournissant un faisceau d'électrons se propageant selon des trajets cycloîdaux destiné à être utilisé dans des générateurs hyperfréquences du type masers à résonnance cyclotronique. Dans les générateurs appelés masers à résonnance cyclo- tronique tels que les gyrotrons, un faisceau d'électrons provenant d'un canon à électrons se propage selon des trajets hélicoïdaux en étant guidé par un champ magnétique uniforme dirigé suivant l'axe de l'hélice Le faisceau traverse alors une cavité électromagnétique résonnant à une fréquence f O voisine d'un multiple de la fréquence cyclotronique, cavité dans laquelle les composantes de vitesse transversales des électrons interagissent avec une composante de champ électrique transversale de l'onde pour lui céder leur énergie. Dans ce cas, le faisceau se propage essentiellement parallèlement au champ magnétique Or l'interaction ayant lieu avec la compo- sante de vitesse transversale va des électrons, la composante de vitesse parallèle v il correspond donc à une énergie inutilisée On cherche donc à éliminer cette vitesse parallèle en proposant un nouveau type de masers à résonnance cyclotronique utilisant la même interaction entre les électrons tournant dans un champ magnétique et une cavité résonnante que celle utilisée -dans les masers de l'art antérieur mais caractérisé par le fait que la vitesse des électrons parallèlement au champ magnétique est nulle ou sensiblement nulle dans tout le maser tandis qu'il existe une vitesse de dérive perpendiculaire au champ magnétique due à un champ électrique continu régnant dans le canon à électrons et la structure résonnante. Dans ce cas, cependant, les canons à électrons du type 2544-127 comprenant une cathode conique, et une anode coaxiale conique soumises a un champ magnétique axial, utilisés dans les masers à résonnance cyclotronique tels que les gyrotrons, ne conviennent pas. En conséquence, la présente invention a pour but de fournir un nouveau type de canon à électrons susceptible de fournir un faisceau d'électrons se propageant selon une trajectoire cyclo Ydale dans un champ magnétique transversal sous Peffet d'une vitesse de dérive due à un champ électrique continu. Elle a donc pour objet un canon à électrons pour générateurs d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences du type comportant deux électrodes se faisant face portées à deux potentiels différents de manière à créer entre elles un champ électrique continu et une cathode positionnée dans le prolongement de lélectrode se trouvant au potentiel négatif ou nul et portée au même potentiel que celle-ci, l'ensemble étant soumis à un champ magnétique perpendiculaire au champ électrique caractérisé en ce que, dans le plan perpendiculaire au champ magnétique, au moins une des électrodes présente un profil divergent de sorte que la distance entre électrodes soit croissante de la cathode vers l'extérieur du canon. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faite ci-après avec référence au dessin ci-annexé dans lequel: la figure 1 est une vue en coupe axiale schématique, dans le plan perpendiculaire au champ magnétique, d'un premier mode de réalisation d'un canon à électrons conforme à la présente invention; la figure 2 est une vue semblable à celle de figure 1 d'un deuxième mode de réalisation d'un canon à électrons conforme à la présente invention; la figure 3 est une vue semblable à celle de figure 1 d'un troisième mode de réalisation d'un canon à électrons conforme à la présente invention; la figure 4 représente schématiquement la trajectoire d'un électron soumis à un champ électrique E continu et à un champ c magnétique B. Dans les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments mais pour des raisons de clarté, les cotes et proportions n'ont pas été respectees. Comme représenté sur la figure 1, le canon à électrons conforme à la présente invention est constitué par une cathode 1 et par deux électrodes 2, 3 portées à des potentiels différents de manière à créer entre ces deux électrodes 2, 3 un champ électrique continu Ec De manière plus spécifique, l'électrode 2 appelée sole est portée a un potentiel négatif ou nul tandis que l'électrode 3 appelée anode est portée à un potentiel positif V D'autre part, la cathode 1 est située dans le prolongement de la sole 2 et est portée au même potentiel que cette électrode Cette cathode 1 comporte par exemple un filament 4 relié à une tension de manière à obtenir lors du chauffage de la cathode, l'émission d'électrons. Conformément à la présente invention, l'une des électrodes, à savoir l'anode 3 dans le mode de réalisation de la figure 1, présente un profil incurvé de sorte que la distance entre électrodes 2, 3 soit croissante de la cathode 1 vers l'extérieur du canon,-à savoir selon la direction x Les deux électrodes peuvent être réalisées à l'aide de plaques en cuivre dont l'une a été profilée convenablement Comme expliqué ci-après de manière plus détaillée, de préférence, le profil de l'électrode incurvée est choisi de manière que l'angle K que forme ledit profil avec le plan médian des électrodes soit tel que la distance entre les deux électrodes varie peu sur une longueur correspondant au double du rayon de Larmor r L D'autre part, l'ensemble du canon à électrons est soumis à un champ magnétique uniforme B perpendiculaire au plan de la figure dont on a représenté quelques lignes de force par des croix Ce champ magnétique est créé, par exemple, à partir de deux bobines supraconductrices positionnées de part et d'autre des électrodes 2, 3 selon la règle de Helmholz Dans un but de simplification, ces bobines n'ont pas été représentées sur le dessin. Comme expliqué de manière plus détaillée ci-après, sous 2544 127 l'action combinée du champ électrique continu Ec décroissant pro- gressivement de la cathode vers l'extérieur du canon par suite du profil des électrodes, ét du champ magnétique transversal et uni- forme B, les électrons émis par la cathode 1 sont amenés à suivre une trajectoire cycloildale 5 avec une vitesse de dérive vd telle que Ec Vd ôB On sait en effet qu'un électron mobile dans un champ magné- tique B et soumis à l'action d'un champ électrique E subit une force F donnée par la formule de Lorentz, à savoir l'équation vectorielle suivante: F= q(E+vx B) Considérons alors une vitesse vd telle que E + vd x B = O Alors F = q (vv) x B Ainsi, dans un nouveau système de référence relatif à V_ l'électron n'est plus soumis qu'au champ magnétique B et sa trajec- toire est donc un cercle Ce raisonnement effectué en mécanique classique reste valable en mécanique relativiste, en particulier dans le cas o v 2/2 ( 2 En conséquence, lorsqu'un électron est soumis à un champ électrique E et à un champ magnétique B, la trajectoire d'un électron est sensiblement équivalente à la superposition d'une rota- tion avec une vitesse angulaire donnée par léquation f= e B c 2 T m avec e = la charge de l'électron m = la masse de Pélectron et d'une vitesse de dérive vd donnée par léquation vectorielle E+dx B= % 30 comme représenté sur la figure 4. De plus, dans le cas de la présente invention puisque les électrons sont issus d'une cathode 1 sans avoir de vitesse d'injection, la vitesse de rotation est égale à la vitesse de dérive et on obtient les équations suivantes: 2544 1 27 Eco V vd B Bd ( 1) avec V la différence de potentiel entre des électrodes 2, 3 Comme vd = Vr m E- e B Normalement, d'après cette équation si Ec diminue r L diminue en conséquence puisque B est constant dans l'invention Toutefois, Ec étant un champ électrique continu on montre que si la distance d entre les deux électrodes varie peu sur la longueur correspondant à une rotation, on se trouve alors dans un régime dit "adiabatique,, pour lequel le moment de l'électron m = k B r L = Cste Dans ce cas, le rayon de Larmor r L reste constant et le centre de rotation se déplace selon des cercles resserés comme représenté sur la figure 1, car la vitesse de dérive vd diminue en même temps que le champ électrique ECI les équations ( 1) et ( 2) restant valable localement. On obtient donc avec le canon à électrons de la présente invention, la trajectoire cycloïdale demandée par le nouveau type de maser cyclotronique. De plus, si l'on compare ce système avec le système a injection axiale actuellement utilisé dans les gyrotrons, on voit que la vitesse de dérive vd joue un rôle identique à la vitesse parallèle dans ledit système axial. Si l'on veut par exemple obtenir la relation Vd= 2 à l'extrémité v r aval du canon, il faudra réduire vd dans un rapport 2 le long de la - trajectoire du canon, ce que l'on obtiendra en augmentant progres- sivement la distance entre les électrodes 2, 3 dans un rapport 2. D'autre part l'anode 3 doit être placée au-dessus du sommet de la trajectoire des électrons Il en résulte que le potentiel minimum Vmin est donné par l'équation Vmin = 2 r L Eco = 2 m Eco e B 2, Or l'énergie cinétique continue dans le mouvement de rotation est 1 m 2 1 m (Eco) r e 2 r= 2 e B E étant le champ électrique devant la cathode. Co Il en résulte que lanode 3 doit donc avoir par rapport à la cathode un potentiel au moins 4 fois supérieur à l'énergie de rotation des électrons qui est utilisable dans l'interaction cyclotronique. On a représenté sur la figure 2, un autre mode de réalisation du canon à électrons de la présente invention Dans ce mode de réalisation la sole 2 ' présente un profil incurvé synjetrique de celui de l'anode 3 par rapport au plan médian Cette forme particulière donne une dérive selon une direction constante suivant le plan médian. La figure 3 représente une variante de réalisation des figures 1 et 2 Dans ce cas, la cathode 1 est positionnée dans le prolongement de la sole 2 mais dans un plan formant un angle compris entre 45 et 1800 par rapport au plan de la sole 2 L'anode se prolonge alors par un profil incurvé de manière à recouvrir la cathode Dans ce cas, la vitesse de départ des électrons est de sens opposé à la vitesse de dérive, ce qui permet de diminuer la différence de potentiel à appliquer entre l'anode 3 et la cathode 1. Les canons à électrons décrits ci-dessus présentent un certain nombre d'avantages. On peut modifier la vitesse de dérive des électrons sans modifier le champ magnétique B mais en modifiant seulement le champ électrique E. Les électrons ne peuvent pas revenir dans la région du canon s'ils sont réfléchis en aval par le reste du dispositif, car la vitesse de dérive Vd est indépendante en grandeur et en signe de la forme de la trajectoire. La dimension des électrodes et de la cathode selon le champ mantqe magnétique B n'est pas limitée Il en résulte que l'on peut produire des courants électroniques très élevés avec ce type de canon. De plus, les canons à électrons conforme à la présente in- vention peuvent être utilisés, non seulement dans les nouveaux types 2544 1 27 2544 1 27 de masers a résonnance cyclotronique mentionnés dans l'introduction mais aussi dans des tubes hyperfréqucnces demandant une injection d'un faisceau d'électrons selon une trajectoire cyclo Wdale. 8 2544127 REVENDICATIONS 1 Un canon à électrons pour générateurs d'ondes radio- électriques pour hyperfréquences du type comportant deux élec- trodes ( 2, 3) se faisant face portées à deux potentiels différents de manière à créer entre elles un champ électrique continu et une cathode ( 1) positionnée dans le prolongement de -l'électrode ou sole ( 2) se trouvant au potentiel négatif ou nul et portée au même potentiel que celle-ci, l'ensemble étant soumis à un champ magné- tique perpendiculaire au champ électrique caractérisé en ce que, dans le plan perpendiculaire au champ magnétique, au moins une ( 3) des électrodes présente un profil divergent de sorte que la distance entre électrodes soit croissante de la cathode ( 1) vers l'extérieur du canon. 2 Un canon à électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que le profil des deux électrodes ( 2 ', 3) dans le plan perpen- 1 S diculaire au champ magnétique, est symétrique par rapport à leur plan médian. 3 Un canon à électrons selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que l'angle (k) du profil divergent par rapport au plan médian est tel que la distance entre les deux électrodes varie peu sur une longueur correspondant au double du rayon de Larmor. 4 Un canon à électrons selon lune quelconque des reven- dications 1 à 3 caractérisé en ce que la différence de potentiel appliquée entre les deux électrode ( 2, 3; 2 ', 3) est au moins 4 fois plus grande que lénergie de rotation des électrons. Un canon à électrons selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3 caractérisé en ce que la cathode ( 1) est positionnée dans le prolongement de la sole ( 2) dans un plan faisant un angle compris entre 45 e et 1800 par rapport au plan de la sole ( 2) de manière à communiquer aux électrons une vitesse de départ de sens opposé à la vitesse de dérive.