Brevet FR2596198A1 — publié le 19870925

CATHODES POUR KLYSTRON A FAISCEAUX MULTIPLES, KLYSTRON COMPORTANT DE TELLES CATHODES ET PROCEDE DE FABRICATION DE TELLES CATHODES La présente invention concerne les cathodes destinées aux klystrons à faisceaux multiples. Les klystrons à faisceaux multiples sont bien connus de PArt Antérieur, par des articles, ainsi que par le brevet français nO 992.853. On rappellera dans la description de la figure 1 le principe de ces klystrons et leur structure. Dans l'art antérieur, on utilise dans le cas d'un klystron comportant N faisceaux, N canons à électrons distincts et donc N cathodes distinctes. Il est impératif pour obtenir un fonctionnement satisfaisant des klystrons à faisceaux multiples que les N cathodes de chaque klystron soient aussi identiques que possible de façon à émettre N faisceaux identiques. En pratique, la fabrication de ces cathodes est difficile. L'invention propose une structure nouvelle de cathodes pour klystrons à faisceaux multiples, ainsi que des procédés de labri cation de ces cathodes. Les cathodes selon l'invention présentent des caractéristiques beaucoup plus proches entre elles que celles présentées par des cathodes distinctes. Enfin, l'invention permet de simplifier le montage du canon à électrons des klystrons à faisceaux multiples. La présente invention concerne des cathodes pour klystrons à faisceaux multiples, ces cathodes étant des cathodes imprégnées réalisées sur une matrice poreuse imprégnée d'un produit émissif, caractérisées en ce que ces cathodes sont disposées sur une même matrice poreuse imprégnée et en ce que ces cathodes sont séparées les unes des autres par une couche compacte d'un matériau réfractaire portée par la matrice. Dans un mode de réalisation de l'invention, une électrode de focalisation est placée à proximité de la surface de la couche compacte. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, une électrode de focalisation intégrée est réalisée, en donnant une forme adaptée à la matrice poreuse imprégnée. 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: - la figure 1, le schéma d'un klystron à plusieurs faisceaux selon l'art antérieur; - la figure 2, une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation d'un klystron à plusieurs faisceaux selon l'invention; - la figure 3, une vue en coupe selon la direction AA' indiquée sur la figure 2. - les figures 4, 5 et 7, des vues en coupe illustrant diverses étapes de procédés de fabrication de cathodes selon l'invention; - la figure 6, une vue de dessus de cathodes selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes repères de signet les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. Les klystrons à plusieurs faisceaux sont des klystrons perfectionnés pour lesquels on cherche à la fois la compacité, le haut rendement tout en n'utilisant qu'une faible tension accélératrice. On sait que, avec la conception conventionnelle des klystrons, ces trois dernières exigences sont contradictoires. En effet, le haut rendement ne peut être obtenu qu'avec un faisceau de faible pervéance, c'est-à-dire de haute tension. Or, la longueur des klystrons croît comme la racine carrée de la haute tension. Pour contourner cette difficulté, on peut diviser le faisceau en plusieurs faisceaux élémentaires. Le principe peut être expliqué comme suit : soit un faisceau divisé en N faisceaux élémentaires de courant 1, accéléré à une tension V et soit p la pervéance et n le rendement de conversion entre la puissance d'alimentation VI et la puissance de haute fréquence P. Les relations suivantes sont vérifiées: I= pV3/2 P = rp V Si l'on accélère N de ces faisceaux élémentaires, en parallèle, par la même tension V, la puissance de haute fréquence totale PTOT égale: PTOT N. Il p. V On a donc: Pour une même puissance de haute fréquence, la tension d'accélération appliquée entre l'anode et la cathode est donc divisée par le facteur N2/5. Pour N = 6, la tension d'accélération est divisée par 62/5, c'est-à-dire sensiblement par un facteur 2. La figure 1 montre le schéma d'un klystron à plusieurs faisceaux selon l'art antérieur. Des faisceaux individuels, émis par des canons à électrons qui portent la référence A, traversent la première cavité B, se groupent dans les tubes de glissement C puis libèrent leur énergie sous forme de signal haute fréquence dans la cavité de sortie D, avant de tomber sur les collecteurs E. Comme cela a été expliqué dans l'introduction à la description, II est difficile d'obtenir des faisceaux d'électrons identiques en utilisant cette structure. La figure 2 représente de façon schématique une vue en coupe longitudinale d'un klystron à plusieurs faisceaux selon un mode de réalisation de l'invention. Ce tube comporte un canon à électrons avec des cathodes qui portent la référence 1 et une anode qui porte la référence 2. Cette anode est percée de trous disposés en face des cathodes. On reviendra par la suite sur ces cathodes. Ce klystron comporte quatre cavités de résonnance 3 qui servent à moduler les faisceaux en vitesse. Des tubes de glissement 4 relient les cavités entre elles et permettent d'assurer rétanchéité. Un circuit de sortie 16, représenté de façon schématique, permet de recueillir la puissance haute fréquence du klystron et de la distribuer au circuit d'utilisation. La focalisation des faisceaux est réalisée par un ensemble de bobines 5. On voit sur la figure I qu'on a disposé de part et d'autre de l'ensemble de bobines 5, deux plaques de blindage 6, en matériau magnétique, par exemple en fer doux. Ces plaques sont percées de trous de diamètre très voisin de ceux des faisceaux, de façon à permettre le passage des faisceaux des canons à électrons dans les cavités puis des cavités vers le collecteur 7. Sur la figure 2, on a représenté deux faisceaux d'électrons 8 et 9. Ces plaques 6 sont des surfaces équipotentielles d'un point de vue magnétique et contribuent à créer le long du tube un champ magnétique aussi constant que possible. La plaque de blindage 6 située du côté des canons permet d'empêcher le champ de fuite des bobines d'atteindre les cathodes. Pour cela les orifices que porte cette plaque de blindage 6 comportent un renflement 10 dirigé vers les cathodes. De plus,-- un cylindre 11 en matériau magnétique est accolé à cette plaque de blindage 6. Ce cylindre 11 est relié à d'autres pièces 12, qui sont en céramique, pour des raisons d'isolation. Enfin, on peut utiliser une anode 2 en matériau magnétique pour parfaire le blindage des cathodes. La figure 3 est une vue en coupe selon la direction AA' indiquée sur la figure 2. On voit sur cette coupe que le klystron de la figure 2 comporte six tubes de glissement 4, donc comporte six faisceaux d'électrons. On a représenté les extrémités d'une cavité 3, mais le dispositif de focalisation n'a pas été représenté. Les tubes de glissement sont disposés selon un cercle centré sur l'axe longitudinal XX' du tube. L'écart angulaire entre les tubes est constant. Ainsi, les champs électriques ont une configuration identique, dans chaque cavité, entre les parties des tubes de glissement qui se font face. Dans chaque cavité, la distance séparant deux parties d'un tube de glissement qui se font face est de l'ordre du diamètre interne du tube-de glissement. La distribution du champ électrique entre deux parties d'un tube de glissement qui se font face a une symétrie cylindrique autour de l'axe longitudinal du tube de glissement. Ainsi, chaque cavité 3 du tube a des fréquences de résonance supérieures très éloignées de la fréquence du mode fondamental TM01 du klystron. Selon l'invention, les cathodes des klystrons à faisceaux multiples sont des cathodes imprégnées, c'est-à-dire des cathodes qui comportent une matrice poreuse imprégnée d'une substance émissive, et ces cathodes sont portées par une même matrice poreuseimprégnée. Ainsi, on obtient des cathodes de caractéristiques sensiblement identiques puisqu'elles sont réalisées en même temps, avec les mêmes matériaux. Comme on le verra dans la suite de la description, il faut prendre quelques précautions de façon à bien obtenir des cathodes distinctes. On va décrire un procédé de fabrication de ces cathodes en se référant aux figures 4 à 6. Sur la figure 4, on a représenté une vue en coupe d'un disque poreux plan qui porte la référence 14. Ce disque peut être constitué de tungstène ou de tungstène mélangé avec un métal de la mine du platine, tel que l'osmium, le rhénium, I'iridium. La proportion de métal mélangé avec le tungstène est généralement comprise entre 16 et 24 %. On dépose sur la matrice 14 une couche compacte 15, d'un matériau réfractaire, destinée à supprimer l'émission thermo-élec tronique, du tungstène pyrolytique par exemple. Ce matériau réfractaire peut être choisi parmi le tungstène, le molybdène ou tout autre matériau réfractaire compatible avec les conditions de fabrication et de fonctionnement des cathodes. Dans le brevet 2.537.338, déposé le 3 décembre 1982, on a décrit une telle couche 15 et son procédé de fabrication. On usine ensuite les cathodes suivant la géométrie désirée. Sur la figure 5, on a montré qu'on réalisait par usinage des sortes de coupelles 18 ; chaque coupelle va constituer une cathode. La figure 6 est une vue de dessus, vue de droite, des cathodes représentées sur la figure 5. Dans l'exemple de la figure 6, on a réalisé sur la même matrice cinq cathodes 20 qui sont régulièrement disposées et seront utilisées dans le canon à électrons d'un klystron à cinq faisceaux. Ces cathodes sont de forme circulaire et le centre de ces cathodes est situé sur un cercle dont le centre est confondu avec celui de la matrice 14 de forme circulaire. Au cours de l'usinage des cathodes, le tungstène poreux 14 est mis a nu. On brase la matrice poreuse 14 à un support 16, en molybdène par exemple. Sur la figure 5, on a représenté le filament 17 qui permet de chauffer les cathodes selon l'invention. On imprègne ensuite les cathodes en plaçant sur chaque coupelle 18 la quantité d'imprégant nécessaire. On chauffe ensuite l'ensemble sous hydrogène à haute température. L'imprégnant est généralement constitué d'un aluminate de baryum et de calcium suivant des compositions diverses. L'excédent d'imprégnant est nettoyé chimiquement en prenant soin de ne pas abîmer la surface- de la couche 15 en tungstène pyrolytique. On peut déposer sur cette couche 15 un film de zirconium ou toute autre couche connue destiné à rendre la couche 15 encore moins émissive. On positionne ensuite à la surface du graphite pyrolytique 15 une électrode de focalisation 19. L'électrode de focalisation 19 peut être réalisée en molybdène par exemple, ou en graphite pyrolytique ce qui permet d'éviter toute émission parasite de ces cathodes. L'électrode de focalisation 19 peut être en contact avec la couche 15 ou peut en être séparée par un faible intervalle. On va maintenant décrire un autre procédé de fabrication des cathodes selon l'invention en se référant à la figure 7. On utilise toujours un disque poreux plan 14 en tungstène ou en tungstène mélangé avec un autre métal. Ce qui diffère du procédé précédant est qu'on usine dans ce disque l'électrode de focalisation 19 des cathodes en donnant une forme adaptée à l'une des faces du disque poreux. On sait réaliser des électrodes de focalisation en utilisant des formes particulières. On recouvre ensuite la surface de tungstène ou de tungstène mélangé avec un autre métal d'une couche 15 compacte, en matériau réfractaire, tel que du tungstène pyrolytique. On a défini une telle couche dans la description des figures 4 à 6. Cette couche 15 a une épaisseur d'environ i mm. On usine la couche 15 pour obtenir une surface bien lisse. On usine ensuite les cathodes, c'est-à-dire qu'on vient réaliser des sortes de coupelles 18, comme dans le cas de la figure 5. On imprègne chaque cathode et on la nettoie chimiquement, comme cela a été expliqué précédemment. Les procédés qui viennent d'être décrits permettent d'obtenir un dispositif mono-bloc, comportant plusieurs cathodes avec leur électrode de focalisation. Ces cathodes qui sont réalisées simultanément, dans les mêmes matériaux, ont des caractéristiques très proches. De plus, la mise en place du canon à électrons d'un klystron à faisceaux multiples est facilitée par rapport à l'Art Antérieur où il faut positionner précisément plusieurs canons à électrons. Comme cela a été représenté sur la figure 2, on utilise pour ces cathodes une seule anode 2 percée d'orifices permettant le passage des fasceaux d'électrons. L'invention s'applique à toutes les cathodes imprégnées. REVENDICATIONS 1. Cathodes pour klystron à faisceaux multiples, ces cathodes étant des cathodes imprégnées réalisées sur une matrice poreuse (14) imprégnée d'un produit émissif, caractérisées en ce que ces cathodes sont disposées sur une même matrice poreuse imprégnée (14)et en ce que ces cathodes sont séparées les unes des autres par une couche compacte (15) d'un matériau réfractaire porté par la matrice (14). 2. Cathodes selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'une électrode de focalisation (19) est placée à la surface de la couche compacte (15). 3. Cathodes selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'elles comportent une électrode de focalisation (19) intégrée, réalisée en donnant une forme adaptée à une face de la matrice poreuse imprégnée (14). 4. Cathodes selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisés en ce qu'il s'agit d'une matrice poreuse (14) en tungstène ou en tungstène mélangé avec un métal de la mine du platine. 5. Cathodes selon la revendication 4, caractérisées en ce que la proportion de métal mélangé avec le tungstène est comprise entre 16 et 24 9o. 6. Cathodes selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisées en ce que la couche compacte est en tungstène ou en molybdène. 7. Cathodes selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisées en ce que ces cathodes (20) sont de forme circulaire et en ce que le centre de ces cathodes est situé sur un cercle dont le centre est confondu avec celui de la matrice (14) de forme circulaire. 8. Cathodes selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisées en ce que la matrice (14) est reliée à un support (16), à l'intérieur duquel est placé le filament (17) de chauffage de la cathode. 9. Cathodes selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisées en ce que la matrice (14) est imprégnée avec un aluminate de baryum et de calcium. 10. Cathodes selon la revendication 2, caractérisées en ce que l'électrode de focalisation (10) est en molybdène ou en graphite pyrolytique. 11, Cathodes selon rune des revendications 1 à 10, caractérisées en ce qu'un film de zirconium recouvre la surface de la couche compacte (15). 12. Klystron à plusieurs faisceaux, comportant un nombre de cathodes égal au nombre de faisceaux, caractérisé en ce qu'il s'agit de cathodes selon l'une des revendications 1 à 11. 13. Klystron selon la revendication 12, caractérisé en ce qutil comporte plusieurs cavités de résonance (3) et un dispositif de focalisation (5), disposé autour des cavités. 14. Klystron selon la revendication 13, comportant une anode commune à toutes ses cathodes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de blindage constitué - de deux plaques (6) en matériau magnétique, disposées de part et d'autre du dispositif de focalisation (6), et percées de trous permettant le passage des faisceaux; - d'un cylindre (11) en matériau magnétique accolé à la plaque (6) située du côté des canons à électrons du klystron; - d'une anode (2) en matériau magnétique. 15. Klystron selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comporte des tubes de glissement (4) régulièrement disposés sur un cercle centré sur l'axe longitudinal du tube et en ce que dans chaque cavité (3), la distance séparant deux parties d'un tube de glissement qui se font face est de l'ordre du diamètre interne du tube (4). 16. Procédé de fabrication de cathodes selon la revendication 2 et selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - on dépose sur une matrice poreuse (14) une couche compacte (15) d'un matériau réfractaire destiné à supprimer rémission thermoélectronique; - on usine les cathodes (20) suivant la géométrie désirée; - on brase la matrice poreuse (14) à un support (16); - on imprègne les cathodes (20); - on nettoie chimiquement l'excédant d'imprégnant; - on positionne à la surface de la couche compacte (15) une électrode de focalisation (19). 17. Procédé de fabrication de cathodes selon la revendication 3 et selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes; - on usine une matrice poreuse (14) de façon à donner à l'une de ses faces une forme adaptée pour constituer une électrode de focalisation (19) des cathodes (20): - on recouvre cette face d'une couche (15) compacte en matériau réfractaire; - on usine cette couche (15) de façon à obtenir une surface bien lisse - on usine les cathodes (20) suivant la géométrie désirée - on imprégne les cathodes (20); - on nettoie chimiquement l'excédent d'imprégnant.