Brevet FR2568057A1 — publié le 19860124

La présente invention concerne un tube à hyper- fréquences de grande puissance dans lequel un faisceau d'électrons, après avoir traversé une région d'interaction dans laquelle une partie de leur énergie cinétique est convertie en énergie vibrationnelle, entre dans un collec- teur creux et est amené à se dilater et à être recueilli sur la paroi intérieure du collecteur. Le problème que concerne l'invention est la dissipation thermique non uni- forme sur la surface du collecteur. Ce problème est par- ticulièrement important dans les tubes gyrotron. Dans les tubes avec un faisceau d'électrons dit linéaire comme les klystrons et les tubes à ondes pro- gressives, la vitesse des électrons est principalement pa- rallèle à l'axe. Le collecteur est une cuvette creuse fer- mée à son extrémité aval. A l'intérieur du collecteur, le champ magnétique axial utilisé pour maintenir le faisceau focalisé en un cylindre uniforme, est pratiquement éli- miné et le faisceau se dilate sous l'effet de la répulsion mutuelle de sa propre force de charge d'espace et il frap- pe la paroi du collecteur. Moyennant certaines supposi- tions simplificatrices, il est possible de réaliser la for- me du collecteur pour obtenir une densité de dissipation de puissance uniforme avec l'ensemble le plus sévère de conditions de fonctionnement. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2 928 972 décrit une telle réalisation. Dans le tube gyrotron, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 388 555, l'onde électro- magnétique d'interaction est généralement dans un mode avec champ électrique circulaire transversal. La cavité supportant l'onde et le guide d'onde de sortie sont des figures de révolution autour de l'axe pour éviter l'exci- tation de modes parasites ne présentant pas une symétrie circulaire. Dans ces gyrotrons, le collecteur de faisceau est également le guide d'onde de sortie avec une fenê- tre circulaire en céramique de dépression à son extrémité aval. Le faisceau d'électrons est généralement creux, tour- nant autour de l'axe et guidé par un champ magnétique axial. Dans la région du collecteur, ce champ magnétique diminue vers zéro et le faisceau se dilate, en grande partie sous l'effet de la force centrifuge d'électrons en rotation. Dans le cas idéal, il n'y a pas d'électrons au centre du faisceau de sorte qu'il n'y a pas de bombardement de la fenêtre. Mais en pratique, des électrons qui ont reçu une vitesse centripète et également des électrons secondaires à grande vitesse, dirigés de façon aléatoire, heurtent souvent la fenêtre. Il est connu dans cette technique de créer un champ magnétique transversal dans le guide d'ondes sur le côté amont de la fenêtre pour dévier ces électrons indésirables et les écarter ainsi de la fenêtre. Il sub- siste encore un problème en ce que ces électrons sont dé- viés du même côté du guide d'ondes-collecteur et peuvent entrainer un échauffement exagéré et non uniforme de ce côté. Les électrons du faisceau principal sontconcentrés dans certaines plages de rayons car le faisceau initial est focalisé sur un ou plusieurs rayons pour réagir 1 o le champ électrique circulaire est plus intense. Il en résulte que certaines zones axiales de la surface du col- lecteur reçoivent des bombardements de densités extrême- ment élevées. Il n'est pas possible en pratique de donner à la surface du collecteur une forme telle qu'elle égali- se la dissipation, comme cela est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2 928 972 précité. Des chan- gements du diamètre du collecteur-guide d'ondes produisent des réflexions ondulatoires. Egalement, si une partie du collecteur est exagérément élargie, elle peut se comporter comme une cavité résonnante supportant des modes ondula- toires parasites. Un objet de l'invention est donc de réaliser un tu- be à faisceau axial avec une meilleure uniformité d'inter- ception du courant sur la surface du collecteur. Cet objet est atteint en disposant, près de l'en- trée du collecteur, un aimant qui produit dans le collec- teur une composante de champ magnétique perpendiculaire à l'axe du faisceau. Deux aimants peuvent être utilisés, positionnés sur des côtés opposés de l'axe et aimantés dans la même direction pour produire un champ transversal plus intense sur tout le diamètre du collecteur. De même, une double hélice d'aimants opposés peut produire un champ transversal tournant avec la distance axiale. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexes, donnés uniquement à titre d'e- xemples nullement limitatifs: - la Fig. 1 est une coupe axiale schématique d'un tube oscillateur gyrotron selon l'invention, - la Fig. 2 représente une partie de l'a figure 1 avec en plus un croquis des lignes de force, la Fig. 3 est une coupe perpendiculaire à l'axe du tube de la figure 1, la Fig. 4 est une coupe perpendiculaire à l'axe d'un autre mode de réalisation, - la Fig. 5 est une vue perpendiculaire à l'axe d'un autre mode encore de réalisation, - la Fig. 6 est un graphe des trajectoires radiales des électrons dans un collecteur de gyrotron selon la technique antérieure, et - les Fig. 7A et 7B sont des graphes des trajec- toires radiales dans le collecteur de la figure 5 selon l'invention. La figure 1 représente donc un oscillateur de base à gyrotron. Ces tubes produisent les puissances de loin les plus élevées aux fréquences les plus hautes et par conséquent, l'invention leur apporte un perfectionnement très important. Le gyrotron est un tube à hyperfréquences dans lequel un faisceau d'électrons exécutant des mouve- 35. ments en spirales dans un champ magnétique axial parallèle à leur direction de déplacement, réagit avec les champs électriques d'un circuit support d'ondes. En pratique, le champ électrique dans ces tubes est dans un mode de champ électrique circulaire. Dans le gyrotron, le circuit support d'ondes est une cavité résonnante, résonnant généralement dans un mode TEom. Dans le gyro-monotron de la figure 1, une cathode thermo-ionique 20 est supportée par une plaque d'extrémi- té 22 de l'enceinte sous vide. La plaque d'extrémité 22 est scellée sur l'anode d'accélération 24 par une pièce d'enveloppe diélectrique 26. A son tour, l'anode 24 est scellée sur le corps principal 28 du tube par une seconde pièce diélectrique 30. En fonctionnement, la cathode 20 est maintenue à un potentiel négatif par rapport à l'anode 24 au moyen d'une source d'alimentation 32. La cathode 20 est chauffée par un filament intérieur rayonnant (non re- présenté). Des électrons "thermiques" sont arrachés de la surface d'émission extérieure conique par le champ d'at- traction de l'anode conique coaxiale 24. L'ensemble de la structure se trouve dans un champ magnétique axial H pro- duit par un enroulement extérieur (non représenté). Le mouvement radial initial des électrons est converti par le champ électrique et le'champ magnétique croisés en-un mouvement les éloignant de la cathode 20 et en tournant en spirale autour des lignes de forces magnétiques, for- mant un faisceau creux 34. L'anode 24 est maintenue à un potentiel négatif par rapport au corps 28 du tube par une seconde source d'alimentation 36, imprimant ainsi une autre accélération axiale au faisceau 34. Dans la région entre la cathode 20 et le corps 28, l'intensité du champ magnétique H augmente progressivement de sorte que le faisceau 34 diminue progressivement de diamètre et augmen- te également son énergie de rotation aux dépens de l'éner- gie axiale. L'énergie de rotation est la partie qui inter- vient dans l'interaction utile avec les champs vibration- nels. L'énergie axiale assure simplement l'entrainement du faisceau dans la région d'interaction. Le faisceau 34 passe, par un tube à transit ou une ouverture 38, dans la cavité d'interaction 40 qui réson- ne généralement à la fréquence de fonctionnement dans un mode TEom1. L'intensité H du champ magnétique est réglée de manière que le mouvement de rotation à la fréquence de cyclotron des électrons soit à peu près synchrone avec la résonance de la cavité. Les électrons peuvent alors délivrer de l'énergie de rotation au champ élecrique cir- culaire, établissant ainsi une oscillation entretenue. A l'extrémité de sortie de la cavité 40, une sec- tion conique vers l'extérieur 44 couple l'énergie de sor- tie dans un guide d'ondes uniforme 46 dont le diamètre est supérieur à celui de la cavité résonnante 40 de maniè- re à se faire propager une onde progressive. Près de la sortie de la cavité 40, le champ magnétique H est réduit. Le diamètre du faisceau 34 augmente donc sous l'influence des lignes de force magnétiques en expansion et de sa pro- pre charge d'espace répulsive. Le faisceau 34 est alors recueilli sur la paroi intérieure du guide d'ondes 46 qui sert également de collecteur de faisceau. Une fenêtre diélectrique 48, comme en céramique d'alumine, est scellée en travers du guide d'onde 46 pour fermer l'enceinte sous vide. La partie de collecteur 50 du guide d'onde 46 est plus large qu'il n'est nécessaire pour supporter l'onde afin d'augmenter la surface de dissipation d'énergie, Le guide 46 est conique après la zone d'interception 50 vers la fenêtre de sortie 48. Selon l'invention, un aimant 52 (de préférence un aimant permanent) est fixé juste à l'extérieur du collec- teur 46 et il est aimanté perpendiculairement à l'axe pour développer une composante de champ magnétique perpendicu- laire à cet axe. Un second aimant similaire 54 peut être placé en face de l'aimant 52 et être aimanté dans le même sens. Les deux aimants produisent un champ magnétique de plus grande intensité dans la section transversale du col- lecteur. La figure 2 montre les lignes de force magnétique dans le plan axial. Les lignes de force 56 sont beaucoup plus proches les unes des autres près du plan des aimants de sorte que la composante du champ transversal est assez peu uniforme dans ce plan. La figure 3 est une coupe perpendiculaire à l'axe de la partie représentée sur la figure 2. Les aimants 52, 54, ont une largeur plus grande pour produire un champ magnétique plus intense qui est un peu moins non-unifor- me dans le plan perpendiculaire à l'axe. La figure 4 représente un autre mode de réalisation dans lequel deux paires d'aimants opposés, comme selon les figures 2 et 3, sont espacées axialement de manière à ne pas former un quadripole mais pour réagir successi- vement avec le faisceau d'électrons. Les deux paires sont décalées en azimut de 90 autour de l'axe pour réagir for- tement avec des parties différentes angulairement du fais- ceau. Bien entendu, plus d'aimants ou de paires d'aimants peuvent être ajoutés. La figure 5 représente un autre mode de réalisation dans lequel les aimants sont prolongés sous forme de deux éléments 62, 64, d'une double hélice. Les éléments allon- gés 62, 64, peuvent être constitués par des rangées d'ai- mants séparés supportés par un support non magnétique, chaque aimant étant aimanté dans une direction dirigée vers l'axe. Un autre mode de réalisation consiste à utili- ser une bande de matière plastique souple chargée de par- ticules magnétiques. Les particules sont toutes aimantées dans une direction perpendiculaire à une surface de la bande. Deux bandes sont alors enroulées sur la surface ex- térieure du collecteur sous la forme d'une double hélice. Les parties opposées des deux bandes sont aimantées dans la même direction pour produire une composante de champ transversal dans toute la section du collecteur. Cette composante du champ tourne avec la distance axiale de ma- nière que toutes les parties du faisceau soient exposées de la même manière au champ transversal. La position axiale de cette exposition varie avec la position angulaire de la partie du faisceau. L'effet des composantes de champ transversal non uniforme selon l'invention est assez compliqué. Une ana- lyse précise et une réalisation analytique ne sont pas réalisables actuellement. Le principe général est que des composantes de champ magnétique transversales sont établies qui sont variables en direction et/ou en intensité sui- vant la section transversale et/ou la longueur axiale du faisceau et dévient les électrons de ce faisceau d'une façon assez aléatoire en fonction de chaque position d'un électron dans le faisceau et de la vitesse initiale, ces deux valeurs changeant avec le temps et la phase du cycle à haute fréquence. Il semble qu'une déviation généralement aléatoire soit optimale pour l'étalement des zones axiales de bombardement intense du collecteur, ainsi que des zones axiales produites par une perte accidentelle de symétrie circulaire. Les aimants mélangeurs sont placés près de l'entrée du collecteur de sorte que leur effet peut être ressenti sur la plus grande partie de sa longueur. Mais ils se trouvent axialement en aval de l'entrée, suffisamment loin pour que le champ de fuite axial de l'aimant de focalisa- tion et d'interaction soit réduit jusqu'à une petite frac- tion de sa valeur maximale Des calculs ont été effectués pour un exemple par- ticulier simplifié. La figure 6 est un graphe calculé de la composante radiale des trajectoires des électrons dans un collecteur dans lequel les champs n'ont pas une symétrie parfaite- ment circulaire. La composante radiale est indépendante de la position angulaire de l'électron entrant. La trajec- toire 70 oscille à une amplitude croissant lentement dans la cavité cylindrique d'interaction 74. Le diamètre du guide d'onde de sortie 76 augmente progressivement jusqu'à une valeur supérieure à celui de la cavité 34 pour suppor- ter une onde de sortie progressive. Dans cette région, le champ d'interaction axial intense (un grand nombre de kilo- gauss) dans la cavité 74 décroît. Le rayon d'orbite en cyclotron des électrons qui pénètrent au rayon d'entrée choisi augmente à l'inverse du champ axial. Le guide d'on- de 76 continue à augmenter jusqu'au rayon du collecteur 78. Tous les électrons du rayon choisi rencontrent la pa- roi le long d'un anneau dans la même position axiale 80. Etant donné que les électrons dans le faisceau creux pas- sant par la cavité d'interaction 74 n'ont qu'une plage étroite de rayons initiaux,'la dissipation du collecteur est très élevée près de l'anneau d'interception 80 et re- lativement faible ailleurs. Pour les niveaux de puissance pour lesquels les gyrotrons sont excellents, une défail- lance du collecteur par forte dissipation pose un sérieux problème. Les figures 7A et 7B sont des graphes calculés de trajectoires d'électrons dans le même gyrotron que celui de la figure 6 mais avec en plus la composante de champ transversal hélicoïdale produite par l'aimant mélangeur selon l'invention, d'après la figure 5. Les trajets de huit électrons sont tracés, tous partant du même rayon de la figure 6 et dans des positions angulaires décalées les unes des autres de 45 . Etant donné que chaque élec- tron pénètre dans le champ transversal à une distance axia- le différente, les trajets à partir de ce point sont dif- férents. La figure 7A représente les mouvements projetés sur un plan perpendiculaire à l'axe. La figure 7B est une courbe du mouvement radial. La caractéristique importante est que les positions axiales d'interception sont étalées sur une distance 82 considérable en fonction de la posi- tion angulaire initiale, plutôt que d'être concentrées dans un anneau 80 comme sur la figure 6. Il est bien évident que d'autres modes de réalisa- tion peuvent être conçus dans le cadre de l'invention. Par exemple, il est possible qu'un groupe placé réellement au hasard d'aimants mélangeurs transversaux, ou de paires opposées en aval du dispositif d'interaction prés du col- lecteur pourraient donner satisfaction. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Tube pour la propagation d'un faisceau d'élec- trons ayant une composante de mouvement dans une direction axiale, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte sous vide, une cathode (20) qui produit ledit faisceau, un dispositif d'interaction (40) par lequel ledit faisceau produit une onde électromagnétique, une fenêtre de sortie (48) pour extraire ladite onde, un collecteur (50) en aval dudit dispositif d'interaction entourant au moins partiel- lement ledit faisceau et agencé pour intercepter ledit faisceau, et un dispositif de dispersion dudit faisceau pour augmenter l'uniformité spatiale d'interception du courant sur la surface intérieure dudit collecteur, ledit dispositif de dispersion comportant un premier aimant (52) disposé de manière à produire, dans ledit collecteur, une composante de champ magnétique perpendiculaire audit axe, ladite composante n'étant pas uniforme sur un cercle coa- xial audit axe, le dit aimant étant disposé axialement entre le point milieu axial dudit collecteur et l'extré- mité aval dudit dispositif d'interaction. 2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en un gyrotron. 3 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit aimant (52) est un aimant permanent. 4 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second aimant (54) généra- lement opposé audit premier aimant par rapport audit axe et aimanté dans la même direction générale que ledit pre- mier aimant. 5 - Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une seconde paire d'aimants opposés (58, 60), chacun des aimants de ladite seconde paire étant aimanté dans la même direction, ladite secon- de paire étant éloignée en position axiale et angulairement autour dudit axe par rapport à ladite première paire. 6 - Tube selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une autre paire d'aimants (62, 64) disposés sur une double hélice, les aimants de l'une des hélices étant aimantés généralement vers ledit axe et les aimants de l'autre hélice étant aimantés générale- ment à l'opposé dudit axe. 7 - Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier et ledit second aimants (62, 64) con- sistent en des bandes continues épousant la surface exté- rieure dudit collecteur, ladite première bande étant aiman- tée vers ledit axe et ladite seconde bande étant aimantée à l'opposé dudit axe. 8 - Tube selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites bandes forment une double hélice. 9 - Tube selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites bandes sont des bandes souples d'une ma- tière chargée de particules magnétiques. - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif qui applique un champ magnétique axial dans ledit dispositif d'interac- tion (40) pour guider lesdits électrons, ledit aimant (52) se trouvant dans une position axiale près de l'entrée dudit collecteur (50) mais à l'endroit o ledit champ magnétique axial a diminué jusqu'à une petite fraction de sa valeur maximale dans ledit dispositif d'interaction. 11 - Tube selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite fraction est inférieure à 1/10. 12 - Tube à hyperfréquences du type gyrotron, ca- ractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (20) qui pro- duit un faisceau d'électrons ayant une composante de vi- tesse le long d'un axe longitudinal, une cavité d'interac- tion (40) pour que ledit faisceau produise une onde élec- tromagnétique, un collecteur (50) pour ledit faisceau, en aval de ladite cavité pour intercepter les électrons dudit faisceau, une fenêtre (48) à l'extrémité aval dudit col- - lecteur pour extraire ladite onde, et un dispositif (52 - 64) qui produit audit collecteur un champ magnétique non uni- forme perpendiculaire audit axe, variable en direction, ou en intensité, ou en direction et en intensité de ma- nière que les électrons dudit faisceau se dispersent plus uniformément dans ledit collecteur. 13 - Tube selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit champ magnétique contient une composante non uniforme dans un plan parallèle audit axe. 14 - Tube selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit champ magnétique contient une composante non uniforme dans un plan perpendiculaire audit axe. - Tube selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit champ magnétique contient une composante qui n'est pas uniforme sur un cercle coaxial audit axe. 16 - Tube selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit dispositif qui produit ledit champ magné- tique non uniforme comporte un premier aimant permanent (52) fixé sur ledit collecteur et aimanté dans une direc- tion généralement perpendiculaire audit axe. 17 - Tube selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit premier aimant permanent est disposé transversalement par rapport audit axe. 18 - Tube selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit aimant permanent (52) est disposé trans- versalement à une distance de l'ordre du diamètre dudit faisceau. 19 - Tube selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit dispositif produisant ledit champ magné- tique non uniforme comporte un second aimant permanent (54) placé à l'opposé dudit premier aimant par rapport audit axe. - Tube selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit dispositif qui produit ledit champ magné- tique non uniforme comporte plusieurs paires d'aimants permanents (62, 64), un aimant de chaque paire étant posi- tionné à l'opposé de l'autre aimant de ladite paire par rapport audit axe, lesdites plusieurs paires d'aimants étant disposées de manière à définir une double hélice. 21 - Tube selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est agencé pour être utilisé avec un dispo- sitif produisant un champ axial le long dudit axe, agis- sant sur ledit dispositif d'interaction, dans lequel les électrons dudit faisceau subissent des mouvements en spi- rale dans ledit dispositif d'interaction. 22 - Tube selon la revendication 21, caractérisé en ce que ledit dispositif produisant ledit champ magné- tique transversal non uniforme applique ledit champtrans- versal à des parties du collecteur o ledit champ magnéti- que axial a diminué jusqu'à une petite fraction de sa va- leur maximale..