Brevet FR2606937A1 — publié le 19880520

LIGNE A RETARD A COUPLAGE PAR CAVITES POUR TUBE A ONDE PROGRESSIVE. La présente invention a pour objet un tube à onde progressive et, de manière plus précise, une ligne à retard du type à couplage par cavités, employée dans un tube à onde progressive et presentant des caractéristiques de refroidissement améliorées. Divers tubes à onde progressive sont utilisés aujourd'hui dans le domaine des télécommunications et de la télédiffusion. En général, un tube à onde pro- gressive comprend une enveloppe sous vide en cuivre, contenant un canon à électrons disposé à une extré- mité pour former et projeter un faisceau d'électrons le Long d'un trajet allongé jusqu'à une électrode collectrice d'électrons disposée à l'autre extrémité de l'enveloppe. Un circuit à retard, ou ligne à retard, est disposé le long du trajet du faisceau entre le canon à électrons et le collecteur de faisceau, pour produire une interaction électromagnétique avec le faisceau. Des signaux micro-ondes d'entrée à amplifier sont appliqués en amont de la ligne à retard, et des signaux de sortie amplifiés sont extraits en aval de la ligne à retard. Un ensemble d'aimants permanents périodiques est disposé coaxialement, de telle sorte qu'il entoure l'enveloppe et produit des champs magné- tiques périodiques disposés axialement à l'intérieur de l'enveloppe de telle sorte que le faisceau est focalisé à travers la ligne à retard. La ligne à retard utilisée dans un tube à onde progressive de ce type est schématiquement soit un circuit à hélice à onde retardée soit une ligne à retard à couplage par cavités. En se référant aux figures 1 et 2, on voit un exemple classique d'une ligne à retard à couplage par cavités pour un tube à onde progressive. La ligne à retard représentée comprend une pluralité de cavités couplées et une 2 2606937 série de disques en matériau magnétique, ou pièces polai- res 10, alignés de manière à être parallèles Les uns aux autres le long d'un axe commun 0-0 qui coincide avec l'axe de propagation du faisceau électronique. La ligne à retard comporte aussi une série de membres tubulaires 11 réalisés par exemple en cuivre, disposés de manière coaxiale avec l'axe commun 0-0, chacun des membres tubu- laires étant intercalé entre une paire de pièces polaires adjacentes. Chacun des membres tubulaires coopère ainsi avec une paire de pièces polaires disposées à des extré- mités opposées et définit ainsi une cavité. Par consé- quent, les pièces polaires 10 constituent la paroi qui est commune à deux cavités adjacentes 12. Chaque pièce polaire 10 est percée par deux ouvertures 14 qui produi- sent un couplage entre les cavités. Ces deux ouvertures sont symétriques par rapport à l'axe représenté par la ligne 0-0. En outre, chaque pièce polaire 10 est égale- ment percée par une ouverture 16 à travers laquelle on fait passer le faisceau électronique. L'ouverture 16 est située au centre de la pièce polaire. En outre, l'ouver- ture 16 présente généralement une forme circulaire et se trouve entourée par un manchon annulaire coaxial dési- gné par "tube de glissement" 18. Ce tube de glissement est brasé à la pièce polaire 10. Un dispositif de foca- lisation du faisceau électronique entoure les cavités et est constitué par une disposition alternée d'aimants per- manents 20 et de pièces polaires 10. De plus, pour un re- froidissement par air forcé, la ligne à retard comprend un certain nombre d'ailettes de rayonnement ou d'évacua- tion 22 qui s'étendent radialement depuis la périphérie de chaque pièce polaire 10 à des intervalles angulaires réguliers. En cours de fonctionnement, les tubes de glis- sement 18 sont chauffés par un courant dit "de masse" et un courant d'induction. La chaleur des tubes de glisse- ment 18 est transférée aux pièces polaires associées 10 -3 et se trouve ensuite dissipée par les ailettes rayon- nantes 22. En général, plus la puissance moyenne RF aug- mente et plus la chaleur engendrée dans les tubes de glissement est grande. Par ailleurs, les pièces polaires sont généralement faites en fer doux pour constituer un circuit magnétique coopérant avec les aimants perma- nents périodiques 20. Le fer doux a une conductivité ther- mique assez basse, de sorte que, si la chaleur provenant des tubes de glissement augmente, les pièces polaires ne peuvent pas transférer efficacement cette chaleur des tubes de glissement aux ailettes rayonnantes 22. En con- séquence, il apparaîtra souvent une surchauffe locale des tubes de glissement qui peut avoir de sérieuses conséquen- ces telles que l'apparition de gaz dans les cavités et qui peut même aller jusqu'à la destruction du tube à onde progressive du fait de la fusion d'un tube de glissement. Pour éviter ce problème, le brevet américain 4 471 266 propose une installation de tubes de chaleur s'étendant axialement à travers une série de pièces po- laires, de telle sorte que les tubes de glissement soient refroidis de manière forcée, à travers les pièces polaires associées, par un liquide de refroidissement circulant à travers les tubes de chaleur. Cependant, ce refroidisse- ment reste insuffisant en raison de ce que la chaleur en- gendrée dans le tube de glissement est transférée à tra- vers les pièces polaires en fer aux tubes de chaleur. En outre, ce système de refroidissement est compliqué dans sa structure et présente en outre un danger potentiel du fait des risques de fuite du liquide de refroidissement et de l'endommagement des tubes de chaleur qui se produit lorsque le liquide de refroidissement est gelé. En conséquence, la présente invention a pour objet une ligne à retard à couplage par cavités pour un tube à onde progressive qui ne présente pas les inconvé- nients des dispositifs classiques. La présente invention a encore pour objet une ligne retard à couplage par cavités qui peut être incorporée dans un tube à onde progressive et qui peut transférer efficacement la cha- leur engendrée dans les tubes de glissement vers l'extérieur pour une dissipation thermique. La présente invention a encore pour objet une ligne à retard à couplage par cavités du type refroidie à air pour un tube à onde progressive, qui peut transférer efficacement la chaleur des tubes de glissement vers des ailettes refroidies par air, même si une quantité importante de chaleur est engendrée dans les tubes de glissement. Ces buts ainsi que d'autres sont atteints, selon la présente invention, grâce à une ligne à retard du type à couplage par cavités pour un tube à onde progressive, qui comprend un dispo- sitif pour focaliser un faisceau électronique le long d'un axe de la ligne à retard pour une interaction entre le faisceau électroni- que et l'onde électromagnétique se propageant le long de la ligne à retard, le dispositif de focalisation comprenant une série alternée d'aimants permanents et de pièces polaires qui définissent des cavi- tés résonantes de chaque côté, chacune des pièces polaires étant commune à une paire de cavités adjacentes et étant pourvue d'un tube de glissement qui est disposé au centre de la pièce polaire et qui possède une ouverture centrale pour le passage du faisceau électro- nique, chacune des pièces polaires étant également percée par au moins une ouverture de couplage inter-cavités, caractérisée par un moyen de transfert de la chaleur disposé dans au moins une des pièces polaires et s'étendant du tube de glissement vers l'extérieur de la pièce polaire, le moyen de transfert de chaleur étant réalisé en un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à celle de la pièce polaire. Avec cette disposition, la chaleur engendrée dans te tube de glissement est transférée à travers le moyen de transfert de chaleur ayant une conductivité thermique supérieure à celle de la pièce polaire. En conséquence, la chaleur peut être efficacement conduite vers l'extérieur de la cavité résonante. Par ailleurs, puisque la pièce polaire peut encore être construite en un matériau magnétique tel que le fer, La fonction du circuit magnétique est assurée. Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à La lumière. de La description qui va suivre d'exemples de réa- lisation décrits en référence aux dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 est une coupe longidutinale partielle d'une ligne à retard à couplage par cavités classique, coupe selon la ligne A-A de la figure 2; - La figure 2 est une vue en coupe trans- verse partielle le long de la ligne B-B de la figure I; - La figure 3 est une vue en coupe longitu- dinale partielle d'un premier mode de réalisation de la ligne à retard à couplage par cavités selon la présente invention, coupe le long de la ligne C-C de la figure 4; - La figure 4 est une vue en coupe trans- verse partielle le long de la ligne D-D de la figure 3; - La figure 5 est une vue en coupe longi- tudinale partielle d'un second mode de réalisation de la ligne à retard à couplage par cavités selon la présente invention, coupe le long de la ligne E-E de la figure 6; - La figure 6 est une vue en coupe transverse partielle le long de la ligne F-F de la figure 5; - La figure 7 est une vue en coupe longitu- dinale partielle d'un troisième mode de réalisation de la ligne à retard à couplage par cavités selon la présente invention, coupe le long de la ligne G-G de la figure 8; - La figure 8 est une vue en coupe trans- verse partieLLe Le Long de La Ligne H-H de La figure 7; - La figure 9 est une vue en coupe Longi- tudinale partielle d'un quatrième mode de réalisation de la ligne à retard à couplage par cavités de la présente invention, coupe le long de la ligne I-I de la figure 10; et - La figure 10 est une vue en coupe trans- verse partielle le long de la ligne J-J de la figure 9. Les figures 3 et 4 représentent partielle- ment un premier mode de réalisation de la ligne à retard à couplage par cavités selon la présente inven- tion. La ligne à retard représentée comprend une pluralité de cavités résonantes couplées 30 et une série de disques en fer ou pièces polaires 32 alignées de manière à être parallèles les unes aux autres le long d'un axe central commun 0-0 qui coïncide avec l'axe de propagation du faisceau électronique La ligne à retard comporte aussi une série de membres tubulaires 31 réalisés par exemple en cuivre, disposés de manière coaxiale avec l'axe commun 0-0, chacun des membres tubulaires étant intercalé entre une paire de pièces polaires adjacentes. Chacun des membres tubulaires coopère ainsi avec une paire de pièces polaires disposées à des extrémités opposées et définit ainsi une cavité. Par conséquent, les pièces polaires 32 constituent la paroi qui est commune à deux cavités adjacentes 30. Chaque pièce polaire 32 est percée par une paire d'ouvertures de couplage inter-cavités 34 qui sont disposées symétri- quement par rapport à l'axe de la ligne 0-0. En outre, chaque pièce polaire 32 est également percée par une ouverture 36 à travers laquelle on fait passer le faisceau électronique. L'ouverture 36 est disposée au centre de la pièce polaire 32. En outre, l'ouver- ture 36 présente généralement une forme circulaire et se trouve entourée par un tube de glissement 38 brasé à la pièce polaire 32. Un dispositif de focali- sation du faisceau électronique entoure les cavités et est constitué par un ensemble alterné d'aimants permanents 40 et de pièces polaires 32. Par ailleurs, pour un refroidissement à air force, la ligne à retard comprend des ailettes de refroidissement ou d'évacuation de la chaleur 42 qui s'étendent radialement depuis la périphérie de chaque pièce polaire 32 à des intervalles angulaires réguliers. La structure qui vient d'être décrite est semblable aux structures classiques décrites en liai- son avec les figures 1 et 2. Dans la ligne à retard représentée, en outre, une pièce polaire centrale pos- sède une paire de tiges de transfert de chaleur en cuivre 44 incorporées dans la pièce polaire 32. Les tiges en cuivre 44 sont brasées à leur extrémité inté- rieure au tube de glissement 38 et ont leur autre extrémité s'étendant dans une direction diamétralement opposée, rayonnant ainsi à partir de la périphérie de la pièce polaire 32. L'extrémité extérieure de chaque tige en cuivre possède une pluralité d'ailettes de rayonrnement et de refroidissement 46 brasées sur elle et disposées à l'extérieur des aimants 40, de telle sorte que les ailettes sont refroidies par air forcé. En fonctionnement, les tubes de glissement 38 sont chauffés par le courant de masse et le courant d'induction. La chaleur des tubes de glissement 38 est transférée aux tiges en cuivre associées 44 et ensuite dissipée à partir des ailettes de rayonnement 46 dis- posées à l'autre extrémité des tiges. Comme les tiges 44 ont une conductivité thermique élevée, la chaleur peut être transférée efficacement et dissipée à l'ex- térieur du tube. Les figures 5 et 6 représentent un autre mode de réalisation de la ligne à retard à couplage de cavités de l'invention. Sur ces figures, les élé- ments déjà représentés sur les figures 3 et 4 portent les mêmes références numériques et les explications à leur égard ne seront pas reprises. Ce second mode de réalisation comprend une paire de tiges en cuivre 50 qui s'étendent paral- lèlement les unes aux autres et disposées de chaque côté d'un tube de glissement 38. Ces tiges 50 sont brasées en leur partie centrale au tube de glissement de telle manière qu'un tube de glissement soit inter- posé entre une paire de tiges diamétralement opposées. En outre, chaque extrémité des tiges 50 dirigée vers la périphérie des pièces polaires 32 possède une plu- ralité d'ailettes de rayonnement de chaleur 52. Dans ce second mode de réalisation, les tiges 50 forment une voie de transfert de chaleur depuis le tube de glissement jusqu'à l'extérieur du tube. Cette voie de transfert de chaleur formée par les tiges 50 a une section droite plus grande que celle formée par les tubes 44 du premier mode de réalisation. En outre, la surface totale des ailettes 52 est plus grande que celle des ailettes 46 du pre- mier mode de réalisation.- En conséquence, ce second mode de réalisation produit un effet de refroidisse- ment supérieur à celui du premier mode de réalisation. Dans les deux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, les ailettes de refroidisse- ment par air 46 et 52 peuvent être enlevées et les extrémités extérieures des tiges 44 et 50 peuvent être couplées à des tubes de chaleur pour un refroi- dissement forcé. A la place des paires de tiges de transfert de chaleur 44 ou 50, trois tiges de transfert de cha- leur ou plus peuvent être prévues à intervalles angu- laires réguliers. En outre, dans les modes de réalisa- tion décrits plus haut, un moyen de transfert de cha- leur tel que les tiges 44 et 50 est prévu sur une pièce polaire seulement, mais peut être disposé sur une pluralité de pièces polaires ou sur toutes les pièces polaires que comprend la ligne à retard par couplage par cavités. Dans ce cas, les tiges de trans- fert de chaleur 44 ou 50 peuvent être remplacées par une plaque 60 qui peut être réalisée par exemple en cuivre, et qui est disposée sur toutes les pièces polaires ainsi qu'il est représenté sur les figures 7 et 8. Cette plaque 60 est prise en sandwich entre une paire de plaques en fer 62, chacune d'entre elles définissant une cavité résonante. La plaque 60 est brasée en son centre à un tube de glissement 38 et est percée d'une paire d'ouvertures 64 en rapport avec les ouvertures 34. La plaque en cuivre 60 et les plaques en fer 62 sont analogues en dimensions et en configuration, et les ailettes 42 sont brasées à la périphérie de ces trois plaques 60 et 62. Ce troisième mode de réalisation peut avoir une voie de transfert de chaleur plus grande que dans le cas du second mode de réalisation et, en consé- quence, permet d'obtenir un effet de refroidissement plus grand. En outre, comme représenté sur les figures 9 et 10, les ailettes 42 brasées sur la plaque en cuivre 60 et sur les plaques en fer 62 peuvent être remplacées par une pluralité d'ailettes 70 s'étendant intégralement à partir de la périphérie de la plaque en cuivre 60. Ces ailettes 70 peuvent être obtenues en préparant une plaque circulaire plus grande que les plaques en fer 62 d'une quantité égale à la lon- gueur de l'ailette 42, en coupant radialement la por- tion périphérique à des intervalles réguliers et en courbant toutes ailettes ainsi coupées pour les ali- gner avec la direction axiale du tube. L'invention vient d'être décrite en réfé- rence à des modes de réalisation particuliers. Cepen- dant, l'invention n'est en rien limitée au détail des structures illustrées mais toute modification ou chan- gement pourrait être apporté sans sortir pour cela du cadre de l'invention telle que définie dans les revendications. REVENDICATIONS 1. Ligne à retard à couplage par cavités pour tube à onde progressive, comprenant un disposi- tif pour focaliser un faisceau électronique le long de l'axe de la ligne à retard pour une interaction entre le faisceau électronique et une onde électro- magnétique se propageant le long de la ligne à retard, le dispositif de focalisation comprenant une série alternée d'aimants permanents (20) et de pièces polaires (10) qui définissent des cavités résonantes de part et d'autre, chacune des pièces polaires étant en commun avec une paire de cavités adjacentes (12) et étant pourvue d'un tube de glissement (18) qui est disposé au centre de la pièce polaire et qui possède une ouverture centrale (16) pour le passage du courant électronique, chacune des pièces polaires étant également percée par au moins une ouverture (14) de couplage inter-cavités, caractérisée par le fait qu'elle comprend un moyen de transfert de chaleur (44, 50) disposé sur au moins une pièce polaire et s'étendant du tube de glissement (18) vers l'extérieur de la pièce polaire, le moyen de transfert de chaleur étant réalisé en un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à celle d'une pièce polaire. 2. Ligne à retard selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le moyen de transfert de chaleur est incorporé dans la pièce polaire de telle sorte que le moyen de transfert de chaleur n'est pas disposé dans l'espace défini par une cavité résonante. 3. Ligne à retard selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que le moyen de transfert de chaleur est en cuivre. 4. Ligne à retard selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisée par le fait que le moyen de transfert de chaleur comprend une paire de tiges de transfert (50) de chaleur brasées à une extrémité au tube de glissement (38) et s'étendant depuis ce tube de glissement dans des directions diamétralement opposées, l'extrémité libre de chaque- tige s'étendant-à la périphérie de chaque pièce polaire. 5. Ligne à retard selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le moyen de transfert de chaleur comprend une paire de tiges de transfert (50) de chaleur s'étendant parallèlement l'une à l'autre, ces tiges étant brasées dans leur partie centrale à un tube de glis- sement (38),de telle sorte que ce tube de glisse- ment soit interposé entre la paire de tiges dans une direction diamétrale, chaque extrémité des tiges s'étendant à la périphérie de la pièce polaire. 6. Ligne à retard selon l'une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisée par le fait que l'extrémité d'une tige de transfert de chaleur s'étendant depuis la périphérie de la pièce polaire possède une pluralité d'ailettes (52) de rayonnement de chaleur. 7. Ligne à retard selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le moyen de transfert de chaleur comprend une plaque (60) prise en sandwich entre une paire de plaques (62) en matériau magnétique, chacune d'elles délimitant une cavité résonante, la plaque de transfert de chaleur (60) étant brasée en son centre à un tube de glis- sement (38) et s'étendant au moins à la périphérie des plaques en matériau magnétique. 8. Ligne à retard selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la plaque de transfert de chaleur (60) comprend une pluralité d'ailettes (42) de rayonnement de chaleur disposées à sa périphérie. 9. Ligne à retard selon La revendication 7, caractérisée par Le fait que la plaque de transfert de chaleur (60) comprend une pluralité d'ailettes (70) de rayonnement de chaleur s'étendant entièrement à partir de cette plaque et s'étendant au-delà de la périphérie des plaques en matériau magnétique.