Brevet FR2578357A1 — publié le 19860905

La présente invention concerne des dispositifs du type gyrotron destinés à produire des ondes électromagnétiques, et elle porte plus particulièrement, mais non exclusivement, sur des gyrotrons appliqués au chauffage par résonance cyclotron d'électrons, par exemple pour le chauffage d'un plasma par des ondes électromagnétiques dans des réacteurs de fusion nucléaire. La figure 1 montre un gyrotron du type indiqué ci-dessus, dont la structure comprend un canon à électrons 1 destiné à émettre un faisceau d'électrons dans 1-a direction de la flèche Z, une bobine magnétique 2 destinée à communiquer un mouvement cyclotron aux électrons contenus dans le faisceau d'électrons émis par le canon à électrons 1, un résonateur à cavité 3 destiné à produire des conditions de résonance pour l'onde électromagnétique générée à partir du faisceau d'électrons, et une section de sortie 5 destinée à émettre l'onde électromagnétique à travers une fenetre de sortie 4. Le diamètre intérieur du résonateur à cavité 3 est de façon générale faible vis-àvis de la longueur de l'onde électromagnétique. Lorsqu'on génère avec le gyrotron équipé du résonateur à cavité 3 mentionné ci-dessus une onde électromagnétique ayant une fréquence supérieure à 100 GHz et un niveau de puissance de plusieurs mégawatts, la fréquence de résonance de l'onde électromagnétique dans le résonateur à cavité 3 est tellement élevée que-ce résonateur ne peut pas avoir un diamètre suffisamment grand pour réduire l'échauffement par effet Joule à un niveau tolérable. Il en résulte que la paroi intérieure du résonateur à cavité 3, chauffée de façon ohmique,reçoit inévitablement une quantité de chaleur extrêmement élevée (supérieure à 1 kW/cm2). Ce gyrotron ne peut donc pas fournir en pratique des ondes électromagnétiques de fréquence supérieure à 100 GHz de puissance élevée, en régime continu ou en régime d'impulsions longues.On doit alors construire un système complexe comportant plusieurs gyrotrons pour réaliser le chauffage par résonance cyclotron d'électrons d'un plasma de fusion nucléaire. Dans le gyrotron mentionné ci-dessus, l'onde électromagnétique est transmise à travers la fenêtre de sortie 4 dans une direction qu'il est possible de choisir. Ceci exige l'utilisation d'un guide d'ondes pour transmettre l'onde vers l'emplacement désiré. Lorsque l'onde électromagnétique est transmise de cette manière par le guide d'ondes, son énergie diminue progressivement du fait de pertes ohmiques, c'est-à-dire que le rendement de transmission de l'onde électromagnétique est réduit. De plus, si l'onde électromagnétique est transmise par le guide d'ondes, il est difficile de concentrer la puissance de l'onde sur un objet désiré. Ceci constitue une autre raison qui fait que le gyrotron mentionné ci-dessus est défavorable pour le chauffage d'un plasma dans un réacteur de fusion nucléaire. On connait un autre type de gyrotron qui utilise un résonateur de Fabry-Pérot. On appelle ce dispositif un "gyrotron quasi-optique". L'axe de son résonateur est perpendiculaire à celui de bobines magnétiques qui génèrent un champ magnétique destiné à guider un faisceau d'électrons émis par un canon à électrons. Ce dispositif ne présente donc pas une symétrie axiale, ce qui exige des réglages de position complexes de miroirs, du canon à électrons, des bobines d'aimants, etc, ce qui augmente inévitablement le coût de fabrication du gyrotron quasioptique. L'invention a donc pour but de procurer un gyrotron de type original qui soit relativement petit, qui ait une configuration présentant une symétrie axiale, qui puisse générer efficacement une onde électromagnétique sous la forme d'un faisceau de forte intensité, et qui permette de transmettre efficacement et de focaliser aisé ment le faisceau. Pour atteindre ce but, l'invention procure un gyrotron comprenant : un canon à électrons destiné à émettre un faisceau d'électrons creux entourant un axe de faisceau ; des moyens de génération de champ magnétique destinés à générer un champ magnétique pour produire un mouvement cyclotron dans le faisceau d'électrons émis par le canon à électrons ; un résonateur optique destiné à donner lieu à une résonance d'ondes électromagnétiques qui sont générées lorsque le faisceau d'électrons est injecté le long des lignes de force du champ magnétique, ce résonateur optique comprenant des moyens destinés à réfléchir les ondes électromagnétiques qui se propagent dans le résonateur, de façon que ces ondes électromagnétiques rencontrent plusieurs fois le faisceau d'électrons, avec une interaction à chaque rencontre ; et un ensemble de miroirs annulaires disposés en aval du résonateur dans la direction de l'axe du faisceau d'électrons, pour transmettre les ondes électromagnétiques qui résonnent dans le résonateur. Conformément à l'invention, du fait que l'utilisation du résonateur optique donne lieu à une résonance quasi-optique des ondes électromagnétiques ainsi produites, on peut réduire considérablement la chaleur due à l'effet Joule qui est transmise aux miroirs du résonateur. En outre, du fait que les ondes électromagnétiques rencontrent.plusieurs fois le faisceau d'électrons à l'intérieur du résonateur, on peut générer les ondes électromagnétiques avec un rendement élevé. De plus, on peut aisément transmettre les ondes électromagnétiques ainsi produites au moyen d'un canal de transmission quasi-optique et à symétrie axiale, en minimisant les pertes d'énergie dans le processus de transmission. En outre, la transmission des ondes électroma gnétiques par des moyens de transmission quasi-optiques permet de focaliser aisément les ondes électromagnétiques sur l'objet à irradier. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une coupe d'un gyrotron classique La figure 2 est une coupe d'un premier exemple du gyrotron conforme à l'invention La figure 3 est une vue en perspective d'une structure d'un miroir annulaire à surface courbe qui est utilisé dans le gyrotron représenté sur la figure 2 La figure 4 est une coupe montrant la structure générale du gyrotron conforme à un second mode de réalisation de l'invention ; et Les figures 5a et 5b sont des coupes de modes de réalisation respectifs du matériau magnétique utilisé dans le gyrotron représenté sur les figures 2 et 4. En considérant maintenant les dessins, sur lesquels les éléments identiques ou correspondants des diverses représentations sont désignés par les memes références numériques, et en se référant plus particulièrement à la figure 2, on note que le gyrotron conforme à un mode de réalisation de l'invention comprend un corps cylindrique 10 dans lequel sont disposés, de gauche à droite, un canon à électrons 20, des miroirs annulaires de résonateur à surface courbe, 31, 32, constituant un résonateur optique 30, d'autres miroirs annulaires à surface courbe 41, 42 constituant un canal de transmission d'ondes électromagnétiques 40 qui transmet les ondes électromagnétiques, et un collecteur de faisceau d'électrons 50.Autour du résonateur optique 30 se trouve un espace vide dans lequel est disposé un matériau magnétique 60, tandis qu'un miroir annulaire 33 entoure la périphérie extérieure du miroir annulaire de résonateur à surface courbe 32 du résonateur 30. De plus, des bobines magnétiques 71, 72, 73, disposées dans cet ordre de gauche à droite, sont placées à l'extérieur du corps cylindrique 10. Le canon à électrons est du type magnétron et il comprend une cathode 21 destinée à émettre un faisceau d'électrons creux, une électrode de commande 22 et une anode 23. Le faisceau d'électrons 81 qui est émis par le canon à électrons 20 est injecté dans le résonateur optique 30. Dans le résonateur optique 30, le faisceau d'électrons 81 dans lequel existe un mouvement de giration et qui coupe les lignes de force des champs magnétiques produits par les bobines magnétiques 71, 72, excite des ondes électromagnétiques 82. Le faisceau d'électrons 81 qui traverse le résonateur 30 est collecté par un collecteur de faisceau d'électrons qui se trouve à l'intérieur du canal de transmission d'ondes électromagnétiques 40. Le résonateur 30 comprend un premier miroir de résonateur annulaire à surface courbe 31 et un second miroir de résonateur annulaire à surface courbe 32 qui réfléchissent à la fois les ondes électromagnétiques se propageant dans la direction radiale et les ondes électromagnétiques se propageant dans la direction axiale. Le second miroir de résonateur annulaire à surface courbe 32 comporte un ensemble de fentes 32a qui s'étendent radialement et axialement, comme le montre la figure 3. Les ondes électromagnétiques qui résonnent à l'intérieur du résonateur 30 se propagent selon le chemin suivant et selon le chemin inverse, pour former des ondes stationnaires.Les ondes électromagnétiques qui se propagent selon chacun des chemins coupent ou rencontrent le faisceau d'électrons et interagissent avec lui, c'est-à-dire qu'elles absorbent de l'énergie provenant du faisceau d'électrons. Les ondes électromagnétiques produites dans le résonateur 30 se propagent à la fois en direction axiale et en direction radiale à travers les fentes 32a du miroir de résonateur annulaire à surface courbe 32. Les ondes électromagnétiques qui se propagent dans la direction radiale sont réfléchies par le miroir de résonateur 33 qui entoure le miroir de résonateur annulaire à surface courbe 32, et elles sont ensuite réfléchies par la surface extérieure du miroir 32, pour venir en coincidence avec les ondes électromagnétiques 82 qui se propagent dans la direction axiale.Les ondes électromagnétiques 82 qui traversent les fentes 32a sont réfléchies par les miroirs annulaires à surface courbe 41 et 42 constituant le canal de transmission d'ondes électromagnétiques 40, et elles sont émi- ses dans la direction correcte, c'est-à-dire vers l'aval, de façon à pouvoir être transmises vers une cible placée sur l'axe de ces ondes. La surface de paroi intérieure du matériau magnétique 50 entourant le résonateur 30 comporte des cavités présentant une symétrie héIicoidale. Ce matériau magnétique 60 donne une forme helicoidale aux lignes-de force du champ magnétique à l'intérieur du résonateur optique 30. Avec cette structure, les ondes électromagnétiques qui se propagent dans le résonateur 30 rencontrent plusieurs fois (c'est-à-dire deux fois) le faisceau d'électrons traversant le résonateur 30, et elles interagissent chaque fois avec ce faisceau. Plus précisément, les ondes rencontrent le faisceau d'électrons 81 lorsqu'elles se propagent selon les chemins Pl P3 et P2 - > P4. Il en résulte qu'on peut produire des ondes électromagnétiques de forte puissance avec des rendements élevés. Dans ce mode de réalisation de l'invention, on peut obtenir une amélioration supplémentaire du rendement de la génération des ondes électromagnétiques, par la combinaison des miroirs de résonateur annulaires à surface courbe 31, 32 et du matériau magnétique creux 60, pour les raisons suivantes Les champs électriques des ondes électromagnétiques qui oscillent dans le résonateur 30 sont proportionnels à cos(m), (m = 0, 1, 2....), en désignant par m le numéro de mode azimutal des ondes électromagnétiques et par Q l'angle défini sur la figure 3.Lorsque les ondes électromagnétiques oscillent avec des modes pour lesquels m > O, en étant orientées sous l'angle Q ~ (2n + 1) ir 1r/2m (n étant un entier), le faisceau d'électrons ne transmet pas efficacement de l'énergie aux ondes électromagnétiques, du fait que les champs électriques sont faibles. Si le matériau magnétique 60 comportant une paroi intérieure à symétrie hélicoldale est introduit dans la bobine magnétique 72, les lignes de force magnétiques sont également disposées en hélice. On désignera par rB le rayon du faisceau d'électrons creux. Lorsque le matériau magnétique 60 ayant la paroi intérieure à symétrie hélicoidale fait tourner les lignes de force magnétiques de l'anglewr/2m, au rayon rB, dans la région allant du miroir annulaire.à surface courbe 31 jusqu'au miroir 32, le faisceau d'électrons traversant la région de champ électrique faible dans le miroir 31, c'est-à-dire la région dans laquelle Q 5 (2n + 1) li /2m progresse maintenant vers la région de champ électrique fort dans laquelle : Q ~ (n + 1) el /m dans le miroir 32, ce qui fait que l'énergie du faisceau d'électrons peut être transférée efficacement au champ électromagnétique. De cette manière1 comme décrit ci-dessus, même dans le cas de l'oscillation d'ondes électromagnétiques pour lesquelles m f O, on peut amplifier sélectivement avec un rendement élevé les ondes électromagnétiques de mode m qui satisfont la condition consistant en ce que S/2m est égal à l'angle de rotation du champ magnétique hélicoidal. D'autre part, le champ électrique des ondes électromagnétiques à l'intérieur des miroirs 31 et 32 est de façon générale proportionnel à sin (2 Nr r/ 2 dans la direction radiale, en désignant par > la longueur d'onde des ondes électromagnétiques et par r le rayon correspondant à la position. Lorsque l'épaisseur du faisceau d'électrons creux devient supérieure à A/4, le faisceau d'électrons traverse la région ayant le rayon r = n A /(2 ?) (n étant un entier) dans le miroir annulaire à surface courbe 31, c'est-à-dire la région de champ électrique faible, et l'énergie du faisceau d'électrons ne peut pas être transmise efficacement aux ondes électromagnétiques. Lorsqu'on fait varier progressivement les champs magnétiques par le réglage du courant traversant l'ensemble des bobines magnétiques 72 destinées à appliquer les champs magnétiques eu résonateur, on peut obtenir un résultat similaire à celui décrit ci-dessus en déplaçant de #/4 le rayon du faisceau d'électrons pendant la propagation du faisceau d'électrons du miroir 31 vers le miroir 32. Dans le dispositif conforme à l'invention, du fait que les ondes électromagnétiques sont réfléchies de manière quasi-optique pour résonner, par l'utilisation du résonateur optique 30, on peut réduire considérablement la charge thermique imposée au résonateur 30, par rapport au cas dans lequel on utilise un résonateur à cavité. De plus, du fait que les ondes électromagnétiques coupent ou rencontrent deux fois le faisceau d'électrons à l'intérieur du résonateur 30 dans le dispositif conforme à l'invention, on peut améliorer le rendement de la génération des ondes électromagnétiques. En outre, dans le dispositif conforme à l'invention, on peut obtenir une amélioration supplémentaire du rendement de la génération des ondes électromagnétiques en donnant une forme hélicoldale aux lignes de force des champs magnétiques à l'intérieur du résonateur 30, au moyen du matériau magnétique creux 60, et également en déplaçant d'environ ,'/4 dans la direction axiale le rayon du faisceau d'électrons creux entre les miroirs de résonateur annulaires à surface courbe 31 et 32, pour les raisons décrites précédemment. Conformément à l'invention, l'utilisation du résonateur optique à symétrie axiale 30 fait que les ondes électromagnétiques produites peuvent être transmises aisément vers un canal de transmission d'ondes électromagnétiques, en minimisant les pertes énergie dans le processus de transmission des Ondes électromagnétiques. De plus, la transmission des ondes électromagnétiques par des moyens de transmission optiques permet de focaliser aisément les ondes électromagnétiques sur un objet à irradier. Le gyrotron conforme à l'invention peut dont être extrêmement efficace pour le chauffage d'un plasma dans des réacteurs de fusion nucléaire. La figure 4 montre une extension de la structure de base du mode de réalisation représenté sur la figure 3. La structure du mode de réalisation représenté sur la figure 4 est la même que celleSde la figure 2, sauf en ce qui concerne le résonateur. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, la structure du résonateur optique est conçue de façon que les ondes électromagnétiques rencontrent plusieurs fois le faisceau d'électrons. En conséquence, dans ce mode de réalisation, le résonateur 90 comporte six miroirs annulaires 91 à 96. Dans ce cas, les ondes électromagnétiques qui oscillent à l'intérieur du résonateur 90 se propagent selon le chemin suivant et le chemin inverse, ce qui forme des ondes stationnaires. Il en résulte que le faisceau d'électrons creux rencontre les ondes électromagnétiques dans les deux régions R1 et R2. Dans ce cas, l'existence dans le miroir annulaire 961 d'un ensemble de fentes 96a similaire aux fentes 32a représentées sur la figure 3 permet aux ondes électromagnétiques d'être transmises vers l'extérieur du résonateur 90. On peut voir que cette structure permet d'obtenir des effets similaires à ceux décrits dans les modes de réalisation précédents. On peut également voir que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. A titre d'exemple, le nombre des miroirs constituant le résonateur optique, ainsi que sa structure, ne sont pas limités aux configurations représentées sur les figures 2 et 4, et on peut commodément effectuer diverses modifications entrant dans le cadre de l'invention. En résumé, on peut employer n'importe quelle structure similaire pour faire en sorte que les ondes électromagnétiques coupent ou rencontrent plusieurs fois le faisceau d'électrons. En outre, il n'est pas obligatoire que le matériau magnétique 60 se présente sous la forme d'une seule pièce, et il peut également être segmenté, c'est-à-dire divisé dans la direction axiale en segments 61, comme le montrent les figures 5a et 5b. De plus, on peut également augmenter le rendement de sortie des ondes électromagnétiques en montant un cornet électromagnétique dans les fentes du second miroir annulaire à surfacecourbe. Enfin,- on peut supprimer le matériau magnétique 60 lorsqu'on obtient une puissance de sortie suffisante pour les ondes électromagnétiques en faisant simplement en sorte que les ondes électromagnétiques rencontrent plusieurs fois le faisceau d'électrons. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Gyrotron caractérisé en ce qu'il comprend un canon à électrons (-20) destiné à émettre un faisceau d'électrons creux (81) entourant un axe de faisceau ; des moyens de génération d champ magnétique (60, 72) destinés à générer un champ magnétique pour produire un mouvement cyclotron dans le faisceau d'électrons (81) émis par le canon à électrons (20) ; un résonateur optique (30 ; 90) destiné à faire résonner des ondes électromagnétiques (82) qui sont générées lorsque le faisceau d'électrons (81) est injecté le long des lignes de champ magnétique, le résonateur optique comprenant des moyens (31, 32 91-96) destinés à réfléchir les ondes électromagnétiques qui se propagent à l'intérieur du résonateur, de façon que les ondes électromagnétiques (82) rencontrent plusieurs fois le faisceau d'électrons (81) et interagissent plusieurs fois avec lui ; et un ensemble de miroirs annulaires (41, 42) disposés en aval du résonateur (30 ; 90) dans la direction de l'axe du faisceau d'électrons (81), pour transmettre les ondes électromagnétiques (82) qui résonnent dans le résonateur (30, 90). 2. Gyrotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réflexion comprennent : un miroir réfléchissant à fentes (32, 96) destiné à réfléchir une partie de l'onde électromagnétique (82) vers l'amont, dans la direction de l'axe du faisceau, et à transmettre les parties restantes du champ électrique vers l'aval, en direction de l'ensemble de miroirs annulaires (41, 42), à travers des fentes (32a, 96a) formées dans le miroir réfléchissant à fentes (32, 96) ; et au moins un anneau réfléchissant (31 ; 91-95) destiné à réfléchir dans une direction pratiquement perpendiculaire au faisceau d'électrons (81) des ondes électromagnétiques réfléchies vers l'amont par le miroir réfléchissant à fentes (32 ; 96), et à réfléchir ensuite ces ondes vers l'aval, en direction du miroir réfléchissant à fentes (32 ; 96). 3. Gyrotron selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de-génération de champ magnétique comprennent des moyens (60) destinés à produire un champ magnétique ayant des lignes de force magnétiques qui forment une hélice autour de l'axe du faisceau d'électrons (81). 4. Gyrotron selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire un champ magnétique ayant des lignes de force magnétiques en hélice comprennent un matériau magnétique (60) dont une surface de paroi intérieure comporte des cavités présentant une symétrie hélicoïdale, et ce matériau magnétique entoure au moins une partie du résonateur optique (30 ; 90). 5. Gyrotron selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de génération de champ magnétique (60, 72) comprennent : plusieurs bobines en forme de solénoïdes (72) qui entourent le résonateur optique (30 ; 90) et qui sont disposées de façon coaxiale par rapport au faisceau d'électrons (81) ; et des moyens destinés à exciter séparément les diverses bobines en forme de solénoïdes (72), de façon que le rayon du faisceau d'électrons (81) soit déplacé de 5 /4 à l'intérieur du résonateur optique (30 ; 90), en désignant par la longueur d'onde des ondes électromagnétiques (82). 6. Gyrotron selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire un champ magnétique comportent un matériau magnétique (60) ayant des parois intérieures dans lesquelles sont formées des cavités à symétrie hélicoidale, pour produire des lignes dé force magnétiques ayant la forme d'une hélice, et le matériau magnétique (60) est introduit dans l'une au moins des bobines en forme de solénoldes (72). 7. Gyrotron selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau magnétique comprend plusieurs segments divisés (61) qui s'étendent dans la direction de l'axe du faisceau. 8. Gyrotron caractérisé en ce qu'il comprend un canon à électrons (20) destiné à émettre un faisceau d'électrons creux (81) définissant un axe de faisceau des moyens de génération de champ magnétique (60, 72) destinés à générer un champ magnétique pour produire un mouvement cyclotron dans le faisceau d'électrons (81) émis par le canon à électrons (20) ; un résonateur optique (30, 90) destiné à faire résonner des ondes électromagnétiques (82) qui sont générées lorsque le faisceau d'électrons (81) est injecté le long des lignes de champ magnétique et un ensemble de miroirs annulaires (41, 42) disposés en aval du résonateur (30, 90) dans la direction de l'axe du faisceau, pour transmettre les ondes électromagnétiques (82) émises par le résonateur (30 ; 90) ; et en ce que les moyens de génération de champ magnétique comprennent des moyens (60) destinés à produire un champ magnétique ayant des lignes de force de champ magnétique en forme d'hélice dans la direction de l'axe du faisceau d'électrons (81). 9. Gyrotron selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire un champ magnétique ayant des lignes de force de champ magnétique en forme d'hélice comprennent un matériau magnétique (60) dont une surface de paroi intérieure comporte des cavités à symétrie hélicoldale, et ce matériau magnétique (60) entoure au moins une partie du résonateur optique (30 90). 10. Gyrotron selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau magnétique comprend plusieurs segments divisés (61) qui s'étendent dans la direction de l'axe du faisceau. 11. Gyrotron selon l'une quelconque des revendi cations 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que les moyens de génération de champ magnétique comprennent plusieurs bobines en forme de solénoldes (72) qui entourent le résonateur optique (30 ; 90) et qui sont disposées de façon coaxiale par rapport au faisceau d'électrons (81) ; et des moyens destinés à exciter séparément les diverses bobines en forme de solénoides (72), de façon que le rayon du faisceau d'électrons (81) soit déplacé de h /4 à l'inté- rieur du résonateur optique (30 ; 90), en désignant par la longueur d'onde des ondes électromagnétiques (82). 12. Gyrotron caractérisé en ce qu'il comprend un canon électrons (20) destiné à émettre un faisceau d'électrons creux (81) définissant un axe de faisceau des moyens de génération de champ magnétique (60, 72) destinés à générer un champ magnétique pour produire un mouvement cyclotron dans le faisceau d'électrons (81) qui est émis par le canon à électrons (20) ; un résonateur optique (30 ; 90) destiné à faire résonner des ondes électromagné- tiques (82) qui sont générées lorsque le faisceau d'électrons (80) est injecté le long des lignes de champ magnétique ; et un ensemble de miroirs annulaires (41, 42) disposés en aval du résonateur (30) dans la direction de l'axe du faisceau, pour transmettre les ondes électromagnétiques (82) émises par le résonateur (30 ; 90) ; et en ce que les moyens de génération de champ magnétique (60, 72) comprennent : plusieurs bobines en forme de solénoïdes (72) qui entourent le résonateur optique (30 ; 90) et qui sont disposées de façon coaxiale par rapport au faisceau d'électrons (81), et des moyens destinés à exciter séparément les diverses bobines en forme de solénoides (i2), de façon que le rayon du faisceau d'électrons (81) soit déplacé de 3/4 à l'intérieur du résonateur optique (30 ; 90), en désignant par la longueur d'onde des ondes électromagnétiques (82).