Brevet FR2573915A1 — publié le 19860530

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour produire un faisceau d'électrons. On a proposé différents amplificateurs et oscillateurs micro-ondes, o il est nécessaire d'avoir un faisceau d'électrons de diamètre périodiquement va- riable. Voir par exemple les pages 374 à 376 de IEEE Transactions on Electron Devices Vol. ED-13 No 3 mars 1966, dans un article intitulé "interaction entre un faisceau d'électrons de diamètre périodiquement variable et des ondes électromagnétiques dans un guide cylindrique" (Interaction between an Electron Beam of Periodically varying diameter and EM Waves in a Cylindrical Guide). Un des buts de l'invention est de produire un faisceau d'électrons qui suit une trajectoire spirale. La présente invention concerne d'une part un procédé pour produire un faisceau d'électrons qui suit une trajectoire en forme de spirale autour d'un axe, comprenant les étapes consistant à former un champ magné- tique parallèle à l'axe, et à diriger un faisceau d'élec- trons suivant une ligne faisant un angle avec l'axe et intersectant le champ. Dans un mode de mise en oeuvre du procédé,le champ magnétique est orienté parallèlement à l'axe et, dans la région adjacente à ladite ligne, il est orienté parallèlement à celle-ci. L'invention concerne d'autre part un dispo- sitif pour produire un faisceau d'électrons qui suit une trajectoire en forme de spirale autour d'un axe. L'invention concerne également des moyens pour produire un champ magnétique parallèle à un axe, et des moyens pour produire un faisceau d'électrons dirigé suivant une ligne faisant un angle avec l'axe et inter- sectant le champ. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, on trouve également des moyens pour rendre le champ parallèle à ladite ligne, dans la région adjacente à ladite ligne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, o: la figure 1 est une illustration schématique du mode TMo01 dans un guide d'ondes circulaire; les figures 2a à 2c définissent une illustra- tion schématique du fonctionnement d'un dispositif micro- ondesdu type intéressé par la présente invention; la figure 3 est une illustration schématique du mode TM02 d'un guide d'ondes circulaire; la figure 4 est un schéma d'un amplificateur selon la présente invention; la figure 5 est un schéma du canon à électrons de l'amplificateur; 20. la figure 6 est un diagramme schématique expli- quant le fonctionnement du canon à électrons. On décrira maintenant, tel qu'il est connu jusqu'à présent, le fonctionnement d'un amplificateur à micro-ondes auquel on se référera dans la suite comme étant un amplificateur à faisceau "ondulé". Dans-ce type de fonctionnement connu, l'amplification de l'amplifi- cateur à faisceau ondulé est fondée sur l'interaction des électrons avec la composante z du champ électrique d'un mode de guide d'ondes circulaire TM01, comme le montre la figure 1. Cette configuration de mode présente un maximum E sur l'axe AX, pour tomber à zéro sur le bord ED du z guide. Les ondulations du faisceau d'électrons (figure 2a) permettent à des régions de synchronisme de s'établir, là o le faisceau est proche de l'axe, c'est- à-dire avec un fort champ Ez, tandis que des régions de non-synchronisme apparaissent là o le faisceau est proche de la paroi ou tunnel de faisceau, c'est-à-dire là o le champ électrique E est faible. Cette méthode de z synchronisation peut être comprise en considérant la figure 2. La figure 2a montre le faisceau d'électrons creux et ondulé. Aux points A, B, C, D, etc., le rayon du faisceau se situe à un minimum, et par conséquent les électrons sont dans une valeur élevée de E. A mi- chemin z entre ces points, le rayon du faisceau est un maximum, et par conséquent les électrons sont dans une région de faible E. z Les points A, B, C, etc., définissent la période du faisceau ondulé, et comme les ondulations sont fixes -15 dans l'espace, l'interaction est considérée sur cette pé- riode. La figure 2c montre la phase instantanée du signal radiofréquence du faisceau d'électrons, c'est-à-dire la composante fondamentale du groupement d'électrons, au sens d'un courant d'électaons à vitesse modulée. Comme le signal se déplace plus lentement dans le faisceau que sur la structure, le signal de faisceau subit un changement de phase plus grand à chaque période. Toutefois, dans un état de synchronisme, la tension de faisceau, et par conséquent la vitesse électronique, est choisie de telle sorte que le changement de phase sur le faisceau par pé- riode soit 2 w+ O (ou plus généralement 2nu + 0, avec ici n = 1.). Cela signifie que si le signal sur la structure et celui du faisceau sont en phase au point A, ils sont également en phase au point B. A mi-chemin entre A et B, la phase du signal de structure est 6/2, et la phase du signal de faisceau est 0/2 + s. En conséquence, les deux signaux se trouvent maintenant en opposition de phase, et on observe une inter- action destructive. Cette interaction destructive se produit lorsque les électrons ont ondulé jusqu'à une position de champ faible. Cependant, comme l'interaction constructive intervient lorsque les électrons ont ondulé jusqu'à une région de champ élevé, de ce fait, il y a sur une période une interaction globale constructive. Le dispositif décrit fonctionne dans le mode de guide d'ondes circulaire TMo01. Le mécanisme d'interaction souffre de deux inconvénients, dont chacun se serait éliminé en prenant un fonctionnement dans le mode de guide d'ondes TM02- Comme le montre la figure 3, dans le mode de guide d'ondes circulaire TM02, la composante Ez du champ électrique possède une valeur élevée sur l'axe AX, tout en tombant vers zéro lorsqu'on s'éloigne de l'axe, jusqu'à un point intermédiaire IP. Cette composante Ez s'inverse ensuite entre le point IP et le bord ED ou paroi du guide d'ondes. Premièrement, comme on l'a montré plus haut, un demi-cycle de l'interaction est destructif. C'est seulement le fait que ceci intervient dans un faible champ électrique qui amène l'interaction-globale sur le cycle à se trouver constructive. Toutefois, en fonctionnant dans le mode TM02, comme le montre la figure 3, les ondulations de faisceau peuventêtre agencées de telle sorte que le demi-cycle constructif peut interagir avec le champ électrique près de l'axe comme précédemment, mais ce qui était auparavant le demi-cycle destructif vient maintenant interagir avec la configuration de champ externe, qui est en opposition de phase avec le champ axial, et produit de la sorte une nouvelle interaction constructive. En conséquence, si l'ondulation de faisceau est choisie pour s'accorder avec la configuration de mode TMo2, il n'y a pas d'interaction destructive. Secondement, dans le mode de fonctionnement TMo1, les électrons du demicycle constructif seront retardés, tandis que ceux du demi-cycle destructif seront accélérés, ce qui se traduit globalement par un morcellement ou rup- ture qui intervient dans la structure d'ondulation. Au contraire, dans le mode de fonctionnement TMo2, les deux demi cycles sont retardés, ce qui se traduit par un ra- lentissement global des électrons sans rupture de la structure ondulée. Le changement dans l'interaction qui est dû au ralentissement global des électrons peut être compensé en prévoyant un variateur de vitesses progressif, qui prendra la forme d'un évasement contrôlé du guide d'ondes vers son extrémité de sortie. De manière à fonctionner dans le mode TM2 différents moyens sont prévus pour supprimer tous les modes intermédiaires concurrents, qui sont: TE11 TM TM01 TE TEo1, TM,, TE31 TM21 TE41 TE12 TMo2 Tous les modes TE sont supprimés facilement par une fente longitudinale ménagée dans la paroi du guide d'ondes. La figure 4 illustre un exemple d'amplificateur à faisceau ondulé selon la présente invention. L'amplificateur comprend une section de canon à électrons et d'entrée radiofréquence notée 40, une section d'interaction 41, et une section de sortie et de collection de faisceau notée 42. L'amplificateur fait usage d'un faisceau d'élec- trons cylindrique creux 45, qui possède un diamètre à variation périodique comme c'est illustré. La section d'interaction 41 comprend un guide d'ondes circulaire WG agencé pour fonctionner dans le mode TMo2. Le guide possède un nombre impair de fentes longitudinales ( dont une seule 43 est illustrée) dans sa paroi, pour supprimer tous les modes TE. Les fentes 43 communiquent avec une cavité annulaire C, dont les parois sont revêtues d'un matériau dit Kanthal (marque déposée), noté K sur le dessin, et qui dissipe tous les modes qui passent à travers les fentes. A l'intérieur du guide sont supportés, sur des supports minces isolants, des anneaux conducteurs 44 qui suppriment tous les modes TM autres que le mode TMo2. Comme le montre la figure 4 et la figure 3, les anneaux sont positionnés de telle sorte que le faisceau d'électrons 45 ondule à travers eux, et qu'ainsi leurs parois sont agencées sur le point in- termédiaire IP de champ zéro dans le mode TMo2 Un solénoide 46 possédant des pièces polaires 46' et 46" entoure le guide d'ondes afin de produire un champ magnétique uniforme orienté axialement à l'inté- rieur du guide d'ondes. Le collecteur de faisceau d'électrons dans la section 42 comprend une anode 47, qui est entourée par une chemise d'eau 48 à des fins de refroidissement. Un couplage 49 transmet le signal radiofréquence amplifié à un guide d'ondes de sortie 50. Le canon à électrons et la section d'entrée 40 seront maintenant décrits en détail, en référence à la figure 5 qui montre un mode de réalisation voisin, mais différent, de celui de la figure 4. Dans un canon à électrons proposé antérieure- ment pour utilisation dans le dispositif connu fonctionnant suivant le mode TMo01, l'énergie longitudinale dans un faisceau d'électrons cylindrique était convertie en énergie transverse, par une opération de conversion qui utilise un champ magnétique afin d'amener le faisceau à onduler, c'est-à-dire à varier périodiquement en dia- mètre. Toutefois, dans le canon à électrons de la figure 5 (et de la figure 4), au lieu de convertir l'éner- gie longitudinale en énergie transverse au moyen d'une étape de champ magnétique, un faisceau linéaire, qui de préférence converge,-et possède à peu près la proportion correcte d'énergie longitudinale et d'énergie transverse, est lancé le long d'un champ magnétique de convergence similaire. Les proportions de l'énergie longitudinale et de l'énergie transverse sont définies par l'angle que forme le faisceau linéaire avec l'axe du guide d'ondes. Le faisceau entre alors dans la région de champ magné- tique uniforme, produit par le solénoide, et est alors le siège d'orbites électroniques spirales, avec une énergie longitudinale pratiquement inchangée. Ainsi, si les trajec- toires interne et externe démarrent avec la même vitesse longitudinale, un faisceau ondulé de phase cohérente se trouve produit. Une approximation du champ requis est trouvée à l'entrée sur la pièce polaire 46' du solénoide 46, avec le trajet de retour et les autres pièces po- laires de retour. L'homme de l'art comprendra que ce qui précède implique que toutes les trajectoires soient lancées avec le même angle sur l'axe, et que la diffé- rence fondamentale entre cette approche et les proposi- tions antérieures, est que l'on évite le transfert d'énergie, au lieu de s'appuyer sur lui pour produire l'ondulation. De plus, de nombreux problèmes pratiques sont éliminés par cette approche - un canon plus grand, extérieur au solénolde, peut être utilisé, et un coupleur radiofréquence d'entrée peut être introduit par le centre du canon. Cette réalisation se prête bien plus que toute autre à une réduction de taille pour atteindre une fré- quence plus élevée de fonctionnement. Pourvu que le champ magnétique puisse être convenablement mis en forme, il n'est pas nécessaire de réduire la taille du canon du même facteur que le reste du tube, comme cela était requis dans les propositions antérieures. Si l'on se réfère aux figures 5 et 6,-le canon à électrons comprend une cathode à distribution annulaire , avec une électrode de focalisation P du type "Pierce". Cette cathode est coaxiale à l'axe AX du guide d'ondes WG, et comprend un anneau de tungstène poreux, possédant une section droite triangulaire 52, la face de l'anneau étant orientée vers une ligne N, avec un angle a par rapport à l'axe AX. Un anneau 53, avec une rainure qui correspond à un chauffage, est placé en contact avec le dos de l'anneau de tungstène. La cathode est supportée sur un cylindre intérieur de molybdène 54, par l'inter- médiaire d'un écran thermique 57. L'ensemble des grilles 55 comporte un organe tubulaire, dont une partie 55' est évasée vers l'exté- rieur parallèlement à la face de l'anneau de tungstène 52. Dans la partie 55' se trouve définie une grille annulaire de fins bras radiaux. Cette grille commande le courant de cathode pour obtenir une faible pervéance, sans rendre la zone de champ d'accélération trop grande. En fonctionne- ment, la grille reçoit une tension positive (par exemple + 600 V) par rapport à la cathode. Une anode 62, qui est maintenue par exemple à 0V par rapport à la terre, possède une fente annulaire 63, qui est alignée avec le trajet de faisceau partant de la cathode. A côté de l'anode sont placés la pièce polaire 46' du soléno!de, ainsi qu'un modificateur de champ magné- tique 64. Ce modificateur 64 comprend un organe cylindrique en matériau magnétique agencé sur l'axe du guide d'ondes. La fonction du modificateur sera décrite ci-après en réfé- rence à la figure 6. Le mode de guide d'ondes utilisé pour l'interaction à faisceau ondulé est en faveur d'un coupleur d'entrée ou de sortie axial. On tire donc avan- tage de la cathode annulaire et du faisceau creux en introduisant le coupleur d'entrée 60 par le centre du canon à électrons. Un inconvénient de ceci est que le canon présente maintenant des champs électriques élevés à la fois à l'extérieur et à l'intérieur, ce qui rend nettement plus délicate que d'habitude la protection des angles aigus, tels que les liaisons de radiateurs, les points de soudure et de brasure, par exemple. Comme on peut le voir sur la figure 5, deux isolateurs en céra- mique 58 et 59 sont nécessaires pour compléter les enveloppes à vide du tube, et une bride spéciale 61 en forme de U est nécessaire pour tenir compte de la dila- tation thermique différente des céramiques et du coupleur d'entrée 60. Le bloc de cathode 150 et l'ensemble des -0 grilles 55 sont supportés sur des cylindres coaxiaux séparés respectifs 56 et 54, l'un (54) en molybdène, et l'autre (56) en acier inoxydable, afin de donner un certain degré de compensation en température. Toutes les liaisons de chauffage et de grilles sont faites dans l'espace intermédiaire entre ceux-ci. Les connexions (non représentées) s'étendent entre les cylindres ainsi qu'à travers un anneau de céramique 61, qui isole les cylindres l'un de l'autre, et à travers un anneau d'acier inoxydable 62 qui va vers des connexions externes (non représentées). Si l'on se réfère à la figure 6, le canon à électrons fonctionne pour produire un faisceau creux qui possède un diamètre périodiquement variable de la ma- nière suivante. L'angle a existant entre la normale N à la surface de la cathode distributrice 52 par rapport à l'axe AX définit les proportions entre l'énergie transverse (c'est-à-dire perpendiculaire à AX) et l'énergie axiale dans le faisceau d'électrons. Le faisceau forme ainsi un c6ne creux, comme indiqué par les lignes N. Le solénoide produit un champ axial F dans le guide d'ondes WG parallèle à l'axe AX et l'interaction du faisceau avec le champ F amène les électrons du faisceau à suivre des trajets spiraux le long du champ, ce qui produit ainsi le diamètre à variation périodique. A l'extérieur du guide d'ondes, c'est-à-dire de façon adjacente à l'anode 63 et à la cathode 52, le champ n'est pas parallèle à l'axe, mais s'incurverait en arrondi, si le modificateur 64 n'était pas prévu. Le but de ce modificateur est d'amener le champ à être parallèle aux lignes N dans la région située entre l'anode 63 et la cathode 52, avec une transition aussi abrupte 2S5739 SI que possible entre les lignes de champ qui sont parallèles à l'axe AX et celles qui sont parallèles aux lignes N. Il a été observé qu'il est souhaitable de rendre le faisceau d'électrons convergent selon les lignes N. A cet effet, des moyens de focalisation élec- trostatiques peuvent être prévus sur la grille 55. Comme on le voit en 66, ces moyens peuvent être constitués par des bossages sur la grille, ou bien en variante, comme cela est illustré en 67, une lentille électrostatique dont le potentiel est contrôlé de l'extérieur peut être utilisée. Bien que le dispositif micro-ondes de la figure 4 ait été décrit à propos d'un amplificateur, il peut être appliqué à un oscillateur. Le canon à électrons selon l'invention peut être utilisé soit avec le dispositif à faisceau ondulé de la figure 4 selon l'invention, sur le mode TM2 ou soit avec le dispositif connu sur le mode TMo1. Le solénoide 46 peut être supraconducteur. 42. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire un faisceau d'électrons suivant une trajectoire en forme de spirale parallèle à un axe, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes con- sistant à former un champ magnétique ayant au moins une composante parallèle à l'axe, et à diriger un faisceau d'électrons le long d'une ligne faisant un angle avec l'axe et intersectant le champ. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ a au moins une composante dirigée parallèlement à l'axe dans le guide d'ondes et en ce que dans la région adjacente à ladite ligne, le champ est dirigé parallèlement à la ligne. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les électrons sont dirigés par une cathode annulaire coaxiale audit axe, et possédant une surface émissive annulaire qui fait face à l'axe le long de ladite ligne. 4. Dispositif pour produire un faisceau d'élec- trons selon une trajectoire en forme de spirale parallèle à un axe, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour produire un champ magnétique ayant au moins une composante -parallèle à l'axe dans le guide d'ondes, et des moyens pour produire un faisceau d'électrons dirigé le long d'une ligne faisant un angle avec l'axe et intersectant le champ. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour rendre le champ parallèle à ladite ligne dans la région adjacente à la ligne. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour rendre le faisceau d'électrons convergent- le long de ladite ligne. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour rendre le faisceau convergent comportent une lentille électrostatique dont le potentiel est commandé de l'extérieur. 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les moyens pour produire le faisceau d'électrons comportent une cathode annulaire coaxiale audit axe, et possédant une surface émissive annulaire qui fait face à l'axe le long de ladite ligne. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite surface de la cathode annu- laire est plane et perpendiculaire à ladite ligne. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la cathode est supportée par un support annulaire qui est coaxial audit axe. 11. Canon à électrons pour dispositif micro- ondes, caractérisé en ce qu'il comporte: À une cathode annulaire coaxiale à un axe, et possédant une surface émissive annulaire qui fait face à l'axe le long d'une ligne faisant un angle prédéterminé avec l'axe, des moyens pour provoquer l'émission d'électrons par la cathode, 25. des moyens de commande pour commander l'émission des électrons, une anode pour accélérer le long de ladite ligne les électrons émis. 12. Canon à électrons selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cathode est une cathode thermoélectronique, et en ce que les moyens pour provoquer l'émission comportent un filament de chauffage. 13. Canon à électrons selon l'une des reven- dications 11 et 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour faire converger les électrons le long de ladite ligne. 14. Canon à électrons selon l'une des reven- dications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour produire un champ magnétique pa- rallèle à ladite ligne.