Brevet FR2591031A1 — publié le 19870605

Focalisateur pour faisceau électronique et tube à ondes progressives équipé d'un tel focalisateur. La présente invention concerne les focalisateurs de faisceaux électroniques et plus particulièrement les focalisateurs utilisés pour les tubes à ondes progressives fonctionnant à des fréquences élevées (ondes millimétriques) et délivrant une puissance de sortie assez grande (de l'ordre de 500 W et plus; avec de tels tubes focalisation du faisceau électronique par un système de focalisation classique n'est plus possible. Dans les tubes à ondes progressives classiques les électrons émis par un canon à électrons progressent le long d'une ligne à retard et restent focalisés grâce à un focalisateur périodique dont un exemple sera donné dans la description ci-après. Les focalisateurs connus présentent une structure magnétique périodique dont la demi-période comporte un aimant permanent en anneau; les aimants sont montés en série autour de l'axe de propagation du faisceau à focaliser et leurs lignes d'induction sont canalisées vers cet axe par des masses polaires magnétiques; des entretoises amagnétiques ou un fourreau amagnétique ou ces deux types d'éléments sont employés pour assurer la rigidité mécanique de Ensemble. Dans cette structure le sens d'aimentation est inversé d'un aimant au suivant. Quel que soit le mode de réalisation de ces focalisateurs connus, le but est de produire, le long de l'axe du faisceau électronique, un champ magnétique sinusoldal de la forme: B(Z) = Be. .cors 2LZ L où Be est le champ magnétique efficace du focalisateur, L la longueur de la période du focalisateur et Z la distance le long de l'axe du faisceau. Le rayon du faisceau à focaliser impose la valeur Be; le champ ainsi créé permet d'obtenir un faisceau électronique dont la valeur du rayon ondule autour d'une valeur moyenne, déterminée par Be, avec un taux d'ondulation d'autant plus faible que L est petit. L'obtention d'un faisceau qui reste stable et dont le taux d'ondulation soit inférieur à une valeur généralement fixée à de l'ordre de 15%, entraîne une valeur limite à ne pas dépasser pour L. Lorsque le faisceau à focaliser est de rayon faible et d'intensité élevée, le champ Be nécessaire pour assurer la focalisation devient très élevé et la valeur limite de L très faible. Ceci conduit à des impossibilités d'ordre technologique puisque la faible valeur de L impose d'utiliser des aimants d'épaisseur insuffisante pour produire le champ magnétique désiré. La présente invention a pour but d'éviter ou pour le moins de réduire les inconvénients de l'art antérieur. Ceci est obtenu avec un focalisateur réalisé de manière à ajouter, à la composante sinusoldale du champ magnétique des focalisateurs connus, au moins une autre composante harmonique d'ordre impair, d'amplitude plus faible et en opposition de phase. L'ondulation du faisceau est ajustée sur l'harmonique. Ceci permet, pour un même faisceau, de multiplier le pas du fondamental par le numéro d'harmonique utilisé. Selon l'invention un focalisateur pour faisceau électronique formé de cellules régulièrement disposées le long d'un axe, chaque cellule comportant un aimant originel centré sur raxe, est caractérisé en ce que chaque cellule comporte également, dans un volume entouré latéralement par raimant originel, n (n: entier positif) aimants auxiliaires, centrés sur l'axe et disposés à la file, pour nAl, le long de cet axe. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - la figure I, une vue partielle d'un focalisateur selon l'art connu, - la figure 2, un diagramme relatif au focalisateur de la figure 1, - la figure 3, une vue partielle d'un focalisateur selon l'invention, - la figure 4, un diagramme relatif au focalisateur de la figure 3. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. La figure 1 montre, vu en coupe longitudinale, un tronçon de focalisateur selon l'art connu. Il s'agit d'une structure magnétique périodique faite d'une succession de cellules. La période de la structure est déterminée par la longueur, L, de deux cellules consécutives; cette longueur L est représentée sur la figure 1. Le focalisateur comporte un fourreau amagnétique, N, d'axe Z'Z, sur lequel sont enfilees les cellules; c'est à l'intérieur de ce fourreau que sera disposée la ligne à retard du tube à ondes progressives. Le focalisateur est de révolution autour de l'axe Z'Z. Chaque cellule comporte - un aimant permanent, tel que I, 2, en forme d'anneau à section rectangulaire et dont le sens, N-S, d'aimentation est inversé par rapport à celui des deux aimants qui l'entourent, - une entretoise amagnétique, telle que P1 et P2, qui sépare l'aimant du fourreau N, - la moitié de chacune des deux masses polaires magnétiques, telles que M1, M2 et M3, qui d'une part collaborent au maintien en position de L'aimant autour du fourreau et d'autre part canalisent, vers l'axe Z'Z, les lignes d'induction créées par l'aimant. Il a été vu dans l'introduction de ce texte, que le focalisateur selon la figure 1 produisait un champ magnétique sinusoïdal B(Z) = Be. #2.##### où Be est le champ magnétique efficace du focalisa- teur et Z la distance sur l'axe Z'Z à partir d'une origine 0. La figure 2 montre la variation sinusoldale de B(Z) en fonction de Z. Comme il a été remarqué plus avant, la structure selon la figure 1 peut conduire rapidement à des difficultés, voir à une impossibilité de réalisation, en raison de la taille maximale à ne pas dépasser pour L qui limite l'épaisseur des aimants et donc la valeur Be susceptible d'être atteinte. Ainsi, par exemple, pour un tube fonctionnant à une fréquence de 30 GHz, avec un faisceau accéléré sous une tension de 11000V, d'intensité 0,8 A et de rayon 0,2 mm, il vivent: Be. 5400 Gauss et mm. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un tronçon d'un focalisateur selon l'invention. Ce focalisateur comme celui de la figure 1, est formé d'un fourreau amagnétique N, d'axe Z'Z, suer lequel sont enfilées des cellules qui forment une structure magnétique périodique, dont la longueur L a été figurée sur le dessin. Chaque cellule de ce focalisateur selon l'invention forme un ensemble de révolution autour de l'axe Z'Z et comporte deux parties dont I'une a son pendant dans le focalisateur selon la figure I et dont Irautre est nouvelle. La première de ces parties est formée d'un gros aimant permanent, tel que 1, 2, qui sera dit aimant originel dans les revendicatisons, et de la moitié de deux masses polaires magnétiques, telles que Ml, M2 et M3; et, comme dans le cas précédent, le sens, N-S, d'aimantation de ces gros aimants change d'une cellule à la suivante.La seconde de ces parties comporte trois petits aimants permanents identiques, tels que 10, 11, 12 et 20, 21, 22, une entretoise amagnétique, telle que P10, Pli, P12 et P20, P21, P22, remplissant respace entre chaque petit aimant et le fourreau N, et deux masses polaires magnétiques, telles que M10, Mil et M20, M21, disposées dans les intervalles entre les petits aimants pour canaliser leurs lignes d'induction vers l'axe Z'Z. Les trois petits aimants, tels que 10, 11, 12 et 20, 21, 22 sont régulièrement répartis selon la direction Z'Z et ont le même sens, N-S, d'aimentation que le gros aimant de la cellule, sauf pour le petit aimant du milieu, tel que 11 et 21, dont le sens d'aimantation est inversé. Le long de Paxe Z'Z du focalisateur selon la figure 3 est créé un champ magnétique de la forme: B(Z)= Be #2 (cos### +mcos###) où Be, L et Z ont la même L L signification que dans la formule donnant le champ magnétique pour le cas selon la figure 1, et où m est le taux d'harmonique 3. Cette présence de l'harmonique 3, due aux petits aimants, favorise la focalisation du faisceau électronique et l'expérience montre que la meilleure focalisation est atteinte pour m = - 0,5; le réglage de m se fait, en modifiant l'aimantation des petits aimants et/ou des grands aimants. La figure 4 montre la variation de B(Z) en fonction de Z; la courbe représentative est la somme d'une sinusoïde de période L et d'une sinosïde de période L/3 en opposition de phase. Or il apparaît qu'avec la structure selon la figure 3, pour obtenir un faisceau électronique de même taux d'ondulation et de même rayon que celui qui serait obtenu avec une structure classique telle que décrite à l'aide des figures 1 et 2, il suffit d'un champ magnétique efficace, Be plus faible d'environ 20% et la valeur maximale de L est de Tordre de trois fois plus grande. A titre de comparaison, avec les mêmes données numériques que dans l'exemple de réalisation selon la figure 1, il vient Be V2 = 4500 Gauss au lieu de 5400 Gauss et L 418 mm au lieu de L Le champ magnétique efficace nécessaire est plus faible. Or la valeur du champ efficace dépend principalement du champ créé par les gros aimants et ces gros aimants peuvent avoir une épaisseur plus forte que dans la structure selon la figure 1 puisque L est plus grand; il en résulte que le champ nécessaire est nettement plus facile à obtenir. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, elle s'applique en particulier aux réalisations sans entretoises ou sans fourreau. D'une façon générale l'invention s'applique à tout focalisateur dont les cellules comportent, autour d'un même axe, un gros aimant et un petit aimant ou plusieurs petits aimants alignés selon l'axe, ces petits aimants étant disposés dans un volume entièrement ou partiellement limité latéralement par le gros aimant et étant orientés de manière à créer une variation périodique du champ magnétique le long de l'axe dont le taux d'harmonique 3 (ou d'ordre impair supérieur) est important et dans une phase telle que chaque maximum de l'arche fondamentale du champ magnétique soit diminué du champ magnétique harmonique.Le cas où chaque cellule n'a qu'un petit aimant peut être obtenu, à partir du cas selon la figure 3, en remplaçant les petits aimants tels que 10, 12 et 20, 22 par des entretoises amagnétiques et en ne conservant que les petits aimants du milieu, tels que 11, 21. Le cas où chaque cellule ne comporte que deux petits aimants peut être obtenu, à partir du cas selon la figure 3, en supprimant le petit aimant du milieu, tel que 11, 21,-en rapprochant les deux autres aimants, tels que 10, 12 et 20, 22, et en inversant le sens de leur aimantation. Il est à noter également que lorsque chaque cellule comporte plusieurs petits aimants, ces petits aimants peuvent ne pas avoir tous la même taille et ne pas créer tous le même champ magnétique, et, dans certaines configurations, des petits aimants peuvent ne pas être présents dans leur logement, I'espace ainsi créé se comporte comme un aimant virtuel. Les aimants dont il a été question ci-avant étaient tous des anneaux de révolution centrés sur l'axe du focalisateur ; sans sortir du cadre de l'invention il est possible d'utiliser d'autres formes d'aimants à condition que ces aimants soient centrés sur l'axe du focalisateur. REVENDICATIONS 1. Focalisateur pour faisceau électronique formé de cellules régulièrement disposées le long d'un axe (Z'Z), chaque cellule comportant un aimant originel (1-2) centré sur l'axe, caractérisé en ce que chaque cellule comporte également, dans un volume entouré latéralement par l'aimant originel (1-2), n (n: entier positif) aimants auxiliaires (10, 11, 12 - 20, 21, 22) centrés sur l'axe et disposés à la file, pour n > 1, le long de cet axe. 2. Focalisateur selon la revendication 1, dans lequel n = 3, caractérisé en ce que les trois aimants auxiliaires (10,11,12-20,21,22) d'une même cellule, sont régulièrement repartis le long de l'axe (Z'Z), sont identiques et ont, sauf celui du milieu, même sens d'aimantation que l'aimant originel (1-2) de la cellule considérée. 3. Tube à ondes progressives, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un focalisateur selon l'une des revendications précédentes.