Brevet FR2542928A1 — publié le 19840921

e TRANSFORMATEUR DE MODES DE PROPAGATION H YPERFREQUENCE La présente invention concerne un transformateur de modes de propagation hyperfréquence. Certains tubes, tels que par exemple les oscillateurs milli- métriques de puissance du type gyrotron ou les lasers à électrons libres, fonctionnent sur des de modes élevés Si l'on prend pour exemple le cas des gyrotrons, ces tubes sont maintenant utilisés pour chauffer des plasmas dans le but de les amener à une température thermonucléaire Le problème qui se pose est que, pour obtenir un rayonnement important, il faut passer d'un mode com- plexe, le mode circulaire T Eon par exemple, qui est produit dans la cavité de révolution des gyrotrons, à un mode o le champ élec- trique est polarisé linéairement, et est donc sensiblement parallèle à une direction donnée, et même o il faut passer de préférence à une onde plane. La présente invention permet de résoudre le problème du passage d'un mode complexe, du type TE on, à un mode o le champ électrique est sensiblement parallèle à une direction donnée, et même à une onde plane. La présente invention concerne un transformateur de modes assurant le passage d'un mode complexe du type T Eon, à un mode o le champ électrique est sensiblement parallèle à une direction donnée, caractérisé en ce qu'il est constitué par un guide d'onde, de section sensiblement elliptique, et d'excentricité croissante le long de l'axe du transformateur. 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, 2 et 3, les lignes de champ électrique dans les sections droites de la cavité d'un gyrotron, d'un guide elliptique et 2 '42928 d'un système constitué de deux plaques conductrices paraileles. la figure 4, un procédé permettant d'obtenir un trans- formateur selon l'invention; la figure 5, le transformateur obtenu par le procédé de la figure 4; la figure 6, une projection de coupes réalisées perpen- diculairement à l'axe Oz sur le transformateur de la figure 5; les figures 7 et 8, deux schémas montrant la répartition du champ électrique dans la section du transformateur selon l'invention; la figure 9, la section droite d'un transformateur selon l'invention comportant des volumes V 1 et V 2; la figure 10, une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un transformateur selon l'invention comportant deux miroirs M et M 2 et deux zones collectrices C 1 et C 2; les figures Il à 14, les lignes de champ électrique dans la section droite de la cavité du gyrotron et d'un transformateur selon l'invention constitué de deux miroirs M 1 et M 2; les figures 15 et 16, les éléments faisant suite au trans- formateur selon l'invention et permettant d'obtenir respectivement deux ondes planes et une onde plane. 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. On va expliquer, le fonctionnement du transformateur de' modes selon l'invention en se référant aux figures 1, 2 et 3. Sur la figure 1, on a représenté les lignes de champ électrique dans la section droite circulaire de la cavité 1 d'un gyrotron, dans le cas o un mode TE 02 est etabli dans cette cavite Les cercles en trait plein indiquent les zones o le champ électrique est maximum et les cercles en pointillés indiquent les zones ou le champ elec- trique est nul. la figure 2 montre la répartition des lignes de champ élec- trique dans la section droite d'un guide d'onde 2 de section elliptique placé à la suite de la cavité d'un gyrotron o est établi un mode TE 02 comme sur la figure 1 On désigne par a et b le grand axe et le petit axe de l'ellipse Sur la figure 2, le petit axe b égale deux fois le rayon intérieur R de la cavité du gyrotron. On constate sur la figure 2 qu'il y a une modification impor- tante de la forme des lignes de champ électrique par rapport à la figure 1 Les lignes de champ électrique deviennent sensiblement parallèles à la direction x indiquée sur la figure 2 On peut noter que vers les deux extrémités du grand axe, le champ électrique est faible. La figure 3 montre montre la répartition des lignes de champ électrique dans la section droite d'un système constitué de deux plaques conductrices parallèles, portant la référence 3 La distance d entre les plaques est prise égale à deux fois le rayon R de la cavité du gyrotron On constate que les lignes de champ électrique sont parallèles à la direction x. Le transformateur de modes selon l'invention permet de passer du mode TE 02 établi dans la cavité de section circulaire d'un gyrotron à un mode o le champ électrique est sensiblement parallèle à la direction x en utilisant un guide d'onde, de section sensiblement elliptique, et d'excentricité croissante. On définit l'excentricité d'une ellipse par la relation suivante: e=VI 2/ L'excentricité est nulle lorsque a égale b, c'est-à-dire lorsque l'ellipse devient un centre. Lorsque le grand axe a tend vers l'infini l'excentricité de l'ellipse tend vers 1. Le transformateur de modes selon l'invention est constitué par un guide d'onde de section sensiblement elliptique, et d'excentricité croissante, c'est-à-dire que la section droite de ce transformateur a la forme d'une ellipse dont le grand axe a augmente et tend vers la section droite de la figure 3 qui est celle d'un système constitué de deux plaques parallèles qui peut être assimilée à la section droite d'une ellipse d'excentricité égale à 1 Dans le transformateur de modes selon l'invention, les lignes de champ ont la répartition indiquée sur la figure 2 puis tendent vers la répartition de la figure 3, c'est-à-dire que lorsque l'excentricité de l'ellipse croît, les lignes de champ deviennent de plus en plus parallèles à la direction x. Ce qui vient d'être exposé pour le mode TE 02 s'applique de la même façon à tous les modes T Eon On verra dans la suite de la description que le transformateur de modes selon l'invention s'ap- plique à d'autres modes complexes que les modes T Eon. Dans la cavité du gyrotron pour le mode TE 02, la fréquence f et le rayon R de la cavité sont liés par la relation suivante: b O = 2 7 f -7,0156 R, ( 27 '+ 0,7324) o c est la vitesse de la lumière Cette relation exprime que la fréquence est très voisine de la fréquence de coupure. La fréquence de coupure f 3 du système constitué de deux plaques conductrices parallèles représenté sur la figure 3 s'écrit: W 3 = 2 rf 3 d Dans le cas o la distance d est égale à 2 R, on obtient la relation suivante: = 1, 1166 Le système de la figure 3 se trouve au-dessus de la fréquence de coupure On obtient alors pour la vitesse de phase VX et la longueur d'onde guidée ? V O = 1 W) = 2,2477 c- et Äg = 2,2477 ?. On constate donc que lorsque le petit axe b de l'ellipse est constant, on passe d'une onde stationnaire dans le gyrotron a une onde progressive dans le tranformateur selon l'invention. Lorsque le petit axe b de l'ellipse augmente le long de l'axe z, perpendiculaire aux axes x et y, l'onde propage plus vite l'énergie car la fréquence de coupure diminue En réglant cette augmen- tation, on peut donc modifier l'impédance de rayonnement présentée par le transformateur selon l'invention au guide ou à la cavité circulaire auquel il est relié C'est ce qui se passe dans les cornets de section circulaire qui sont d'ordinaire reliés à la ca Vité d'un gyrotron et dont le rayon croit avec la coordonnée axiale z. Le transformateur selon l'invention peut être réalisé en effec- tuant par électrolyse un dépôt métallique sur une matrice, comme cela se fait pour réaliser des guides d'ondes. La figure 4 illustre un autre procédé permettant d'obtenir un transformateur selon l'invention. On part d'un tronc de cône 4 dont le rayon de la petite section 5 égale R On scie ce tronc de cône selon deux plans Pl et P 2 passant par un même diamètre D de la petite section 5 On isole ainsi deux portions 6 en forme de coins qui ont été hachurées sur la figure 4 et que l'on élimine On brase ensuite les deux parties du tronc de cône 7 restantes qui présentent une flèche R 1 sur la grande section 8 du tronc de cône primitif. La figure 5 représente le tranformateur selon l'invention 9 qui est obtenu de cette façon. La figure 6 est une projection de coupes réalisées perpen- diculairement à l'axe Oz sur le cornet représenté sur la figure 5. Dans l'exemple des figures 5 et 6 le petit axe b de l'ellipse, dirigé selon l'axe Oy augmente légèrement le long de l'axe Oz. Le cornet représenté sur la figure 5 constitue une bonne réalisation du transformateur selon l'invention car on montre qu'au fur et à mesure que l'excentricité d'une ellipse augmente, l'énergie électromagnétique se concentre entre deux hyperboles Hl et H 2 ayant F 1 et F 2 pour foyers On a représenté sur la figure 7 une ellipse avec ses deux foyers F 1 et F 2 et les deux hyperboles H 1 et H 2 Si les dimensions du guide sont grandes devant la longueur d'onde, la répartition de la densité d'énergie électrique E est voisine d'une fonction gaussienne comme cela est représenté sur la figure 8. L'examen des figures 7 et 8 montre que l'on peut sans perturbation modifier les parois du guide et même les espaces hachurés limités par les hyperboles H 1 et H 2 de la figure 7 Dans le transformateur selon l'invention, on peut considérer pour donner l'ordre de grandeur de l'ellipticité que dans la section finale du transformateur, on a quelques longueurs d'onde entre les deux foyers F 1 et F 2. Le transformateur selon l'invention, constitué d'un guide de section elliptique, d'excentricité croissante, peut donc être réalisé par le cornet de la figure 5, constitué de deux parties de cône de révolution. Les deux demi-cornets 7 peuvent provenir de deux troncs de cône différents Il faut obtenir un cornet comportant deux parties de courbure décroissante et dont la distance à l'axe z croît moins vite que le rayon de courbure, ce qui jouera le rôle d'ellipses d'excen- tricité croissante. Quelle que soit la façon dont il est fabriqué, le transformateur selon l'invention peut comporter sur les parties voisines des extrê- mités du grand axe des cavités dans lesquelles on dispose un matériau absorbant qui absorbe tout autre mode que le mode désiré. La figure 9 représente la section droite d'un transformateur selon l'invention obtenu en brasant deux parties de tronc de cône On a creusé les parties voisines des extrémités du grand axe pour obtenir les volumes allongés V 1 et V 2 qui renferment un matériau absorbant Comme il n'y a que très peu d'énergie emmagasinée près des extrémités du grand axe, les volumes VI et V 2 ne perturbent pas le fonctionnement du transformateur selon l'invention. Sur la figure 9, on a représenté les lignes de champ obtenues à partir d'un mode TE 02 dans la cavité circulaire du gyrotron On constate que les lignes de champ électrique sont sensiblement parallèles à l'axe x, et donc au grand axe de l'ellipse a. La figure 10 montre un autre mode de réalisation du trans- formateur selon l'invention La figure 10 est une vue en perspective o l'on voit, sur la partie gauche un gyrotron 11, qui est représenté symboliquement par un cylindre, suivi par le transformateur de modes selon l'invention 9 qui est constitué de deux miroirs M 1 et M 2 Ces deux miroirs sont concaves Ils sont disposés de part et d'autre de l'axe Oz, perpendiculairement à l'axe y, et se font face. Ces deux miroirs sont contenus dans une enceinte à vide qui n'est pas représentée sur la figure 10. Dans la partie droite de la figure 10, on a représenté en pointillés le contour de la fenêtre 12 qui assure l'étanchéité au vide de l'enceinte contenant les miroirs M 1 et M 2. Le transformateur selon l'invention peut se trouver comme c'est le cas sur la figure 10, dans la même enceinte à vide que le gyrotron Il peut aussi être placé à la sortie d'un gyrotron de structure habituelle. On choisit la forme des miroirs M, et M 2 pour que les sections perpendiculaires à l'axe z du transformateur selon l'invention ainsi réalisé soient sensiblement elliptiques et d'excentricité croissante le long de l'axe Oz, à condition de ne pas tenir compte des extrémités du grand axe de ces ellipses o l'on a vu que le champ électrique est très faible. Le transformateur selon l'invention peut assurer le passage, d'autres modes que les modes T Eon' à un mode o le champ électrique est sensiblement parallèle à une direction donnée. Les figures 11 et 13 montrent les lignes de champ électrique dans la section droite de la cavité 1 du gyrotron lorsqu'un mode TE 12 et un mode TE 22 est établi dans cette cavité. Les figures 12 et 14 montrent les lignes de champ électrique dans la section droite du transformateur selon l'invention constitué des deux miroirs M 1 et M 2 qui est placé à la suite de la cavité d'un gyrotron o est établi respectivement le mode TE 12 de la figure 11 et le mode TE 22 de la figure 13 On obtient dans le transformateur selon l'invention un mode TE 3 et un mode TE 4 de guide ouvert On constate que les lignes de champ électrique sont dirigées sensi- blement selon l'axe x et présentent 3 et 4 alternances successives entre M 1 et M 2. Un des problèmes qui se pose dans le domaine du gyrotron est de séparer le circuit de sortie du collecteur du faisceau d'électrons. La figure 10 propose une solution à ce problème. Lorsqu'on s'éloigne du gyrotron, le champ magnétique continu, crée par un solénoïde de focalisation 21 disposé autour du gyrotron, décroît, le faisceau d'électrons diverge et vient frapper les parois du transformateur 9. Pour éviter l'impact des électrons sur les miroirs Ml et M 2, on dispose autour du transformateur des moyens de focalisation qui dirigent le faisceau d'électrons sur des plaques collectrices C 1 et C 2 % Ces plaques sont disposées de part et d'autre de l'axe Oz, perpendiculairement à l'axe x, et se font face Elles sont donc situées sur les parties voisines des extrémités du grand axe des ellipses constituant la section du transformateur Elles sont con- tenues dans l'enceinte à vide renfermant les miroirs MI et M 2. Sur la figure 10, on a représenté symboliquement deux trajec- toires électroniques aboutissant aux plaques collectrices C 1 et C 2. Les moyens de focalisation, qui ne sont pas représentés sur la figure 10, peuvent être constitués par exemple de deux enrou- lements allongés plaqués le long du transformateur 9 à la manière des bobines de déflexion des tubes de télévision, et reliés à une source de tension continue Ces enroulements sont parcourus par des courants tournant en sens inverse autour de l'axe x. On peut prévoir des zones collectrices dans les autres modes de réalisation du transformateur selon l'invention lorsque le trans- formateur est placé à l'intérieur de l'enceinte à vide Par exemple, dans le mode de réalisation de la figure 9 les volumes V et V 2 peuvent servir à collecter le faisceau d'électrons. On va montrer maintenant comment on peut passer d'un mode o le champ électrique est sensiblement parallèle à une direction donnée à une onde plane. Les configurations du champ électrique représentées sur les figures 2, 3, 9, 12 et 14 ont en commun les caractéristiques suivantes Il y a propagation dans la direction z Dans la direction y, il y a une onde stationnaire et dans la direction x, il y a une variation lente d'amplitude, sans variation de phase. Ce système d'ondes peut être représenté par deux ondes planes croisées 1 et 2 dont on a figuré les trajets sur la figure 15, dans le plan y Oz, dans un tronçon de guide d'ondes 13 faisant suite au transformateur selon l'invention et comportant deux parois paral- lèles à l'axe Oz Ce tronçon de guide d'ondes a la même section que la section finale du transformateur et a une section constante selon l'axe Oz On a représenté sur la partie droite de la figure 15 que lorsque le guide est interrompu, l'optique géométrique indique que l'on obtient deux faisceaux d'ondes planes 14 et 15 de directions différentes. Ces faisceaux sont naturellement sujets à la diffraction, mais celle-ci est d'autant moins importante qu'il y a plus d'ondes planes dans la largeur h des faisceaux. On peut établir la relation: h -= o q est le nombre d'alternances spatiales dans la 2 2 tgoç section droite du transformateur, selon la direction y et o o est l'angle d'inclinaison des ondes 1 et 02 sur l'axe Oz. Les deux faisceaux 14 et 15 restent parallèles avant de diverger par diffraction après une distance LR, dite distance de Rayleigh, qui est égale à: h 2 2 LR R A \* 4 t 2 O Pour un mode dans lequel q égale 10 une longueur d'onde ^ de 2 mm, un angle c O'de 10 , on obtient: LR = 804)= 160 cm. On peut donc rayonner des ondes essentiellement planes sur une grande distance à condition de faire suivre le transformateur selon l'invention par un tronçon de guides d'ondes ayant la même section que la section finale du transformateur et ayant une section constante selon l'axe Oz. On peut aussi obtenir un seul faisceau parallèle dès la sortie du tube en utilisant des miroirs placés à l'intérieur du tube comme cela va être expliqué en se référant à la figure 16. La figure 16 est une section longitudinale selon l'axe Oz qui montre: un gyrotron 11, son canon à électrons comportant une cathode 16, et une anode accélératrice 17, sa cavité résonnante 1, entourée par le solénoïde de focalisation du faisceau 12; un transformateur selon l'invention 9, dont la section est sensiblement elliptique et d'excentricité croissante et qui peut comporter des plaques Cl et C 2, collectant le faisceau d'électrons. un tronçon de guide d'onde 13 ayant la même section que la section finale du transformateur et dont la section est constante selon l'axe z; une dernière partie 18 qui permet l'obtention d'un seul faisceau parallèle 19 au lieu des deux faisceaux 14 et 15 de la figure 15. Cette partie 18 comporte deux miroirs M 3 et M 4 L'inclinaison de ces deux miroirs est choisie pour que le miroir M 3 reçoive l'onde plane 14 et la réfléchisse verticalement sur la figure 16 et pour que le miroir M 4 reçoive l'onde plane 15 et la réfléchisse aussi verti- calement Il faut aussi que les ondes réfléchies par les deux miroirs ne se perturbent pas Sur la figure, le miroir M 3 est parallèle à l'onde 15. La partie 18 se termine par une fenêtre 20 étanche au vide et transparente au rayonnement. On peut donner aux miroirs M 3 et M 4 une courbure shérique ou cylindrique de manière à compenser sur une certaine longueur la diffraction du faisceau issu du tube par la fenêtre. La partie 18 peut aussi permettre l'obtention d'un seul faisceau parallèle tout en n'utilisant qu'un seul miroir courbe, plus encom- brant que les deux miroirs M 1 et M 2. Le mode de réalisation de la figure 16 permet de rendre laxe principal du tube Oz vertical, ce qui est préférable pour sa tenue mécanique, alors que le faisceau parallèle obtenu est horizontal ce qui est pratique pour les utilisateurs. Il REVENDICATIONS 1 Transformateur de modes de propagation hyperfréquence assurant le passage d'un mode complexe, du type TE on, à un mode o le champ électrique est sensiblement parallèle à une direction donnée (Oz), caractérisé en ce qu'il est constitué par un guide d'onde, de section ( 2) sensiblement elliptique, et d'excentricité (e) croissante le long de l'axe (z> du transformateur ( 9). 2 Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le petit axe de l'ellipse (b) est constant. 3 Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le petit axe de l'ellipse (b) augmente le long de l'axe (Oz) du transformateur. 4 Transformateur selon l'une des revendications I à 3, carac- térisé en ce qu'il est constitué de deux parties ( 7) brasées, obtenues en découpant un tronc de cône ( 4) selon deux plans (Pl et P 2) passant par un même diamètre (D) de la petite section ( 5) de ce tronc de cône. Transformateur selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce qu'il est constitué de deux miroirs concaves (M 1 l M 2), qui se font face et qui sont disposés dans une enceinte à vide, la forme des miroirs (M 1, M 2) étant telle que les sections perpen- diculaires à l'axe (z) du transformateur ( 9) soient sensiblement elliptiques et d'excentricité (e) croissante le long de cet axe (Oz), à condition de ne pas tenir compte des extrémités du grand axe de ces ellipses. 6 Transformateur selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce qu'il est constitué d'un cornet comportant deux parties de courbure décroissante et dont la distance à l'axe du trans- formateur (z) croit moins vite que le rayon de courbure de ces deux parties. 7 Transformateur selon l'une des revendications 1 à 6, carac- térisé en ce qu'il comporte sur les parties voisines des extrêmites du grand axe (a) des ellipses des cavités (V 1, V 2) contenant un matériau absorbant ( 10). 8.-Transformateur selon l'une des revendications 1 à 7, carac- térisé en ce qu'il comporte des moyens de focalisation guidant le faisceau d'électrons vers des plaques collectrices (Ci, ), situées sur les parties voisines des extrémités du grand axe (a) des ellipses constituant la section du transformateur ( 9). 9 Application d'un transformateur selon l'une des reven- dications 1 à 8 à la production d'ondes planes, caractérisée en ce que le transformateur est suivi par un tronçon de guide d'ondes ( 13) ayant la même section que la section finale du transformateur et une section constante, ce tronçon de guide produisant deux fais- ceaux d'ondes planes ( 14 et 15). Application selon la revendication 9, caractérisée en ce que le tronçon de guide d'ondes ( 13) est suivi par une dernière partie ( 18) comportant au moins un miroir (M 3 et M 4) qui réfléchit les deux ondes planes ( 14 et 15) issues du tronçon de guide de façon à obtenir un seul faisceau d'ondes planes ( 19).