Brevet FR2599554A1 — publié le 19871204

KLYSTRON A FAISCEAUX MULTIPLES FONCTIONNANT AU MODE TM02 La présente invention concerne les klystrons à faisceaux multiples. Les klystrons à faisceaux multiples sont bien connus de l'art antérieur par divers articles, ainsi que par le brevet français n 992.853. Ces klystrons ont été également décrits dans les demandes de brevets français n 86 03949 et 86 03950, déposées le 19 mars 1986, au nom de la Demanderesse et non encore publiées. On rappellera dans la description des figures 1 et 2 le principe 10 de ces klystrons et leur structure. Un grand avantage de ces klystrons est qu'ils sont particulièrement adaptés à un fonctionnement à très grande puissance. En effet, on démontre que pour une même puissance de haute fréquence, la tension d'accélération appliquée entre l'anode et une 15 cathode du klystron est beaucoup plus faible dans un klystron à faisceaux multiples que dans un klystron à un seul faisceau. Or quel que soit le type de klystron, la nécessité de moduler la vitesse du faisceau d'électrons impose à cette tension d'accélération une même limite supérieure à partir de laquelle le faisceau n'est plus modu20 lable. En conséquence, on peut obtenir avec un klystron à faisceaux multiples une puissance de haute fréquence beaucoup plus élevée que celle qu'il est possible d'obtenir avec un klystron à un seul faisceau. Le problème qui se pose est qu'il n'est pas possible avec les 25 klystrons à faiceaux multiples de l'art antérieur d'obtenir des grandes puissances à des fréquences élevées. En effet aux fréquences élevées, les dimensions des klystrons deviennent très petites. On est alors limité par les dimensions des tubes de glissement des cavités dont les orifices doivent être 30 suffisamment grands pour permettre le passage d'un faisceau d'élec- trons, dont la densité ne doit pas atteindre un niveau prohibitif, et cela d'autant plus qu'on veutf obtenir des puissances élevées. En pratique, des problèmes se posent lorsque l'on cherche à produire des puissances de plusieurs dizaines de mégawatts, à des fréquences de plusieurs milliers de mégahertz. La présente invention permet de réaliser des klystrons à faisceaux multiples, de grande puissance, et à des fréquences très élevées. La présente invention concerne un klystron à faisceaux 10 multiples, comportant plusieurs cavités résonnantes, caractérisé en ce que ces cavités sont dimensionnées de telle façon que le klystron fonctionne de façon optimale au mode TM02. D'autres objets, caractéristiques et résultats de Pl'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non 15 limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation d'un klystron à faisceaux multiples; - la figure 2, une vue en coupe selon la direction AA' indiquée sur la figure I; - les figt res 3 et 5, la variation du champ électrique longitudinal dans une cavité, respectivement, dans le cas d'un klystron fonctionnant au mode TM01 et au mode TM02; - les figures 4 et 6, une vue en coupe d'une cavité d'un klystron à faisceaux multiples dans laquelle a été représentée la distribution 25 des champ électrique et magnétique, respectivernent, dans le cas d'un klystron fonctionnant au mode TM01 et au mode TM02. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent 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 qu'avec la conception conventionnelle des klystrons, ces trois dernières exigences sont contradictoires. En effet, le haut 3 2599554 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 I, 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 10 fréquence P. Les relations suivantes sont vérifiées: I = p V3/2 P = np V5/2 Si l'on accélère N de ces faisceaux élémentaires, en parallèle, 15 par la même tension V, la puissance de haute fréquence totale PTOT égale: PTOT = N.n.p. V5/2 On a donc V = (PTOT) 2/5 N.n.P 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 6 c'est-à-dire sensiblement par un facteur 2. La figure I représente de façon schématique une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation d'un klystron à plusieurs faisceaux. 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 percées de trous disposés en face des 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 l'étanchéité. Les cavités de résonnance 3 sont de type ré-entrant. Elles interagissent avec le champ électromagnétique excité dans ces cavités, par une source extérieure, non représentée dans le cas de la 5 première cavité qui est la plus proche du canon à électrons, ou par ces faisceaux eux-mêmes dans les cavités suivantes. La focalisation des faisceaux est réalisée par un ensemble de bobines 5, disposées autour des cavités 3. On voit sur la figure 1 qu'on a disposé de part et d'autre de l'ensemble de bobines 5, deux 10 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 1, 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 Il en matériau magnétique est accolé à cette plaque de 25 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 2 est une vue en coupe selon la direction AA' 30 indiquée sur la figure 1. On voit sur cette coupe que le klystron de la figure 1 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, le champ électrique a une configuration identique, dans chaque cavité, entre les parties des tubes de glissement qui se font face. Les klystrons à faisceaux multiples connus de l'art antérieur fonctionnent toujours au mode TMo01, c'est-à-dire à la fréquence la plus basse. Il est d'usage dans les tubes hyperfréquences de fonctionner au mode fondamental. La figure 3 montre la variation du champ électrique longitudinal Ez dans une cavité lorsqu'on se déplace selon un axe r, qui partage la cavité en son milieu et qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal XX' du klystron, tel qu'il est représenté sur la figure 1. Ce champ présente deux maxima situés dans l'espace d'in15 teraction éparant les tubes de glissement comme cela se comprend en considérant la figure 4, o l'on a représenté, de façon schématique, et en correspondance avec la figure 3, la distribution des champs électrique et magnétique dans une cavité, vue en coupe. Les klystrons à faisceaux multiples selon l'invention fonction20 nent au mode TM02. L'ensemble du klystron, et les cavités en particulier, sont dimensionnés pour que le klystron fonctionne de façon optimale au mode TM02. La modification des dimensions des cavités entraîne 25 nécessairement des modifications des autres parties du klystron, telles que par exemple les cathodes ou le dispositif de focalisation. Ainsi, à dimensions égales, et donc pour une puissance maximum donnée, les cavités résonnent à une fréquence au moins deux fois plus élevée que dans le cas d'un fonctionnement au mode 30 TM01. Il est également possible si l'on conserve la même fréquence que dans le cas d'un fonctionnement au mode TM01 d'augmenter les dimensions des cavités pour obtenir plus de puissance. On comprend donc que le fonctionnement au mode TM02 permet d'obtenir des klystrons à faisceaux multiples, de plus grande puissance, et à une fréquence plus élevée, que ne le permet le fonctionnement au mode TM01. Les figures 5 et 6, établies dans le cas d'un klystron à 5 faisceaux multiples fonctionnant au mode TM02, correspondent aux figures 3 et 4 établies dans le cas d'un fonctionnement au mode TM01. La figure 5 représente donc les variations du champ électrique longitudinal Ez selon l'axe r. La figure 6 représente la distribution des champs électrique et magnétique dans une cavité vue en coupe. Le champ électrique longitudinal Ez présente deux maxima situés dans les espaces d'interaction entre les tubes de glissement et un minimum de signe opposé situé sur l'axe longitudinal XX' du 15 klystron. On constate sur la figure 6 que les lignes de champ magnétique sont des cercles concentriques centrés sur l'axe XX'. Dans les espaces d'interaction situés entre les tubes de glissement le champ magnétique est pratiquement nul, ce qui est favorable au maintien 20 des trajectoires des faisceaux d'électrons dans la bonne direction. On démontre quantitativement que dans le cas d'un fonctionnement à TM02 les axes YY' et ZZ' des tubes de glissement sont relativement plus éloignés de l'axe XX' que dans le cas d'un fonctionnement à TM01. Les tubes de glissement sont donc relati25 vement plus écartés les uns des autres dans le cas d'un fonctionnement à TM02. On peut donc augmenter le diamètre de leur orifice à travers lequel se propage un faisceau d'électrons, ce qui permet de monter en puissance. En conséquence, le mode TM02 facilite la réalisation de 30 klystrons à faisceaux multiples par rapport au mode TM01. Dans le cas des klystrons à faisceaux multiples, on peut sans problème choisir de fonctionner à TM02 car les faisceaux modulés ne contiennent pas de sous-harmoniques. On ne risque donc pas un fonctionnement à TM01, avec de mauvaises performances. Même s'il y a des sous-harmoniques, on peut éviter aisément qu'ils soient égaux à la fréquence du mode TM01. REVENDICATIONS 1. Klystron à faisceaux multiples, comportant plusieurs cavités résonnantes (3), caractérisé en ce que ces cavités (3) sont dimensionnées de telle façon que le klystron fonctionne de façon optimale au mode TM02. 2. Klystron selon la revendication 1, caractérisé en çe qu'il comporte un dispositif de focalisation (5), disposé autour de ses cavités (3) et 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 (5), et percées de trous 10 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.