Brevet FR2599565A1 — publié le 19871204

LASERTRON A FAISCEAUX MULTIPLES La présente invention concerne les lasertrons à faisceaux multiples. On connait dans l'art antérieur par des articles et par le brevet américain 4.313.072, des tubes électroniques appelés "lasertrons". Dans ces tubes, une photocathode est éclairée par un faisceau laser dont la longueur d'onde est choisie en fonction du travail de sortie du matériau dont est réalisée la photocathode. Ainsi un faisceau laser pulsé à la fréquence F arrache à la photocathode, à cette même fréquence F, des paquets d'électrons. Ces paquets 10 d'électrons sont ensuite accélérés dans un champ électrique électrostatique et ainsi gagnent en énergie cinétique. Ils traversent ensuite une cavité résonnant à la fréquence F et leur énergie cinétique se transforme en énergie électromagnétique à la fréquence F.On prélève l'énergie de la cavité en la couplant à un circuit d'utilisation 15 externe. Sur les figures 1 et 2, on a représenté, de façon schématique et vus en coupe longitudinale, deux mode de réalisation de lasertrons selon l'art antérieur. Sur ces figures, on désigne par la référence 1, la photocathode, 20 par la référence 2, le faisceau laser et par la référence 3, le faisceau d'électrons. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la photocathode 1 est éclairée obliquement par le fasceau laser 2 et le faisceau d'électrons 3 se propage selon l'axe longitudinal XX' du tube. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le faisceau laser 2 et le faisceau d'électrons 3 se propagent selon l'axe longitudinal XX' du tube, mais en sens inverse. Le faisceau laser 2 est donc normal à la surface émissive de la photocathode. Le faisceau d'électrons 3 est accéléré par le champ électrique électrostatique créé par une anode 4, puis pénètre dans une cavité 5 résonnant à la fréquence F. Un collecteur 6 reçoit ensuite le faisceau d'électrons. On prélève l'énergie électromagnétique à la fréquence F sur la cavité 5 en la couplant à un circuit d'utilisation externe, par un guide d'onde 7, associé à une fenêtre 8, comme sur la figure I ou par une boucle 9, comme sur la figure 2. L'intérêt des lasertrons est qu'il s'agit de tubes très compacts. Dans les lasertrons, on arrache à la photocathode des paquets d'électrons à la fréquence F. Alors que dans des tubes tels que les klystrons, il faut utiliser plusieurs cavités pour répartir les électrons 10 d'un faisceau initialement continu en paquets. Le problème qui se pose avec les lasertrons est qu'il sont limités en fréquence, et en puissance. Ainsi par exemple, pour produire de grandes puissances, il faut extraire un courant important, ce qui nécessite une cathode de 15 grande surface et entraîne le passage d'un faisceau important dans la cavité. Il faut alors que les dimensions de la cavité soient suffisantes pour permettre le passage de ce faisceau, ce qui limite la fréquence de fonctionnement. De plus, l'utilisation d'une cavité de grandes dimensions produit un mauvais couplage entre le faisceau et 20 la cavité, ce qui entraîne un mauvais rendement. Les modes de réalisation de lasertrons qui sont représentés sur les figures 1 et 2 présentent les inconvénients suivants: - dans le mode de réalisation de la figure 1, la photocathode est éclairée obliquement. Il en résulte d'une part, un mauvais 25 rendement lumineux de la photocathode et d'autre part, un dispositif d'éclairage par faisceau laser qu'il faut rendre aussi peu encombrant que possible pour le loger à proximité de pièces à haute tension; - dans le mode de réalisation de la figure 2, le faisceau laser et le faisceau d'électrons empruntent le même chemin. En consé30 quence, la surface de la photocathode qui reçoit le faisceau laser est limitée par le diamètre D du tube de glissement de la cavité 5 qui permet le passage de ces faisceaux. Par ailleurs, le dispositif d'éclairage par faisceau laser est soumis au bombardement du faisceau d'électrons. 3 2599565 La présente invention propose une nouvelle structure de lasertrons qui permet d'éviter les inconvénients des lasertrons connus. La présente invention concerne un lasertron, caractérisé en ce qu'il comporte n photocathodes recevant en fonctionnement un 5 faisceau laser pulsé à une fréquence F, et émettant n faisceaux d'électrons, et comportant au moins une cavité résonnante à la fréquence F, munie de n tubes de glissement permettant le passage des n faisceaux d'électrons. La présente invention propose une structure nouvelle de laser10 tron qui comporte un premier et un second systèmes optiques, centrés sur l'axe longitudinal du lasertron, le premier système optique, placé avant le collecteur selon le sens de propagation du faisceau laser, recevant en fonctionnement le faisceau laser et produisant un faisceau laser parallèle à l'axe longitudinal du laser15 tron, en ce que les parois, perpendiculaires à l'axe longitudinal du lasertron, de la ou des cavités de résonance comportent n orifices assurant en fonctionnement la production de n faisceaux lasers parallèles à l'axe longitudinal du lasertron, le deuxième système optique placé avant les photocathodes selon le sens de propagation 20 des faisceaux lasers, assurant en fonctionnement la déviation des n faisceaux lasers afin qu'ils éclairent ces n photocathodes. 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; - les figures 1 et 2, des vues en coupe longitudinale de deux modes de réalisation de lasertrons selon l'art antérieur; - les figures 3 et 4, des vues en coupe longitudinale de deux modes de réalisation de lasertrons selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les 30 mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. Les figures Iet 2 ont été décrites dans l'introduction à la description. L'invention propose une nouvelle structure de lasertrons, appelés lasertrons à faisceaux mutiples. Deux modes de réalisation de ces lasertrons sont représentés vus en coupe longitudinale sur les figures 3 et 4. Les klystrons à faisceaux multiples sont connus de l'art antérieur par des 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. Un grand avantage de ces klystrons est qu'ils sont particulièrement adaptés à 10 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 cathode du klystron est beaucoup plus faible dans un klystron à faisceaux multiples que dans les klystrons à un seul faisceau. Or quel que soit le type de klystron, 15 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 fasceau n'est plus modulable. 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 20 d'obtenir avec un klystron à un seul faisceau. Les klystrons à faisceaux multiples fonctionnent généralement sur le mode TM01. I1 est possible d'obtenir des klystrons à faisceaux multiples de grandes puissances, à des fréquences élevées, en dimensionnant les cavités de façon que ces klystrons fonctionnent de façon optimale au mode TM02. Les lasertrons à faisceaux multiples sont obtenus en apportant aux lasertrons à un seul faisceau des modifications du même type que celles qui sont apportées aux klystrons à un seul faisceau pour 30 obtenir des klystrons à faisceaux multiples. Ainsi, pour obtenir un lasertron à n faisceaux, on utilise n photocathodes éclairées par un faisceau laser. Chaque photocathode produit un faisceau d'électrons qui traverse au moins une cavité de résonance avec n tubes de glissement, avant d'aboutir sur un collecteur. Les avantages obtenus du fait du passage aux lasertrons à faisceaux multiples sont semblables à ceux obtenus par le passage des klystrons à un seul faisceau aux klystrons à faisceaux multiples. Les lasertrons à faisceaux multiples permettent donc d'obtenir des puissances de haute fréquence élevées et lorsqu'ils fonctionnent au mode TM02, des grandes puissances et des fréquences élevées. La figure 3 montre à titre d'exemple les modifications apportées au lasertron de la figure I pour obtenir un lasertron à faisceaux 10 multiples. Dans le cas d'un lasertron à n faisceaux, on utilise n photocathodes portant la référence I qui sont éclairées par le faisceau laser 2. Ces n photocathodes 1 produisent n faisceaux d'électrons 3 qui 15 sont accélérés par n anodes 4 polarisées positivement par rapport aux cathodes. Les n faisceaux 3 traversent une cavité 5 à n tubes de glissement 16 et y cèdent leur énergie cinétique sous forme d'énergie électromagnétique avant d'être recueillis dans le collec20 teur 6. Le lasertron à faisceaux multiples de la figure 3 présente toujours les inconvénients signalés dans l'introduction à la description à propos du lasertron à un seul faisceau de la figure 1. Sur la figure 4, on a représenté une vue en coupe transversale 25 d'un lasertron à faisceaux multiples de structure entièrement nouvelle et qui ne présente pas les inconvénients des lasertrons des figures 1, 2, et 3. Ce lasertron comporte n photocathodes I qui sont régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal XX' du tube. Un faisceau laser incident 2 arrive sur un système optique 10, qui peut être constitué par une lentille, en quartz, par exemple. On utilise de préférence un faisceau laser incident annulaire. Ce système optique 10 est centré sur l'axe XX'. Il est placé avant le collecteur, selon le sens de propagation du faisceau laser, comme on peut le voir sur la figure 4. Le système optique produit un faisceau laser qui se déplace parallèlement à l'axe longitudinal XX' du tube. Le lasertron de la figure 4 comporte une seule cavité de résonance 5, dont les parois 12 et 13, perpendiculaires à l'axe XX', sont percées de n orifices 14. Ces orifices permettent d'obtenir en fonctionnement n faisceaux laser. On utilise un dispositif de refroidissement, non représenté, sur la paroi 12 de la cavité 5 qui reçoit l'impact du faisceau laser et qui le transforme en n faisceaux lasers. Ainsi on recueille une partie de la puissance du laser. Le diamètre des orifices 14 permettant le passage des n faisceaux lasers est choisi, ainsi que l'épaisseur des parois 12 et 13 de la cavité, de manière à limiter la fuite de l'énergie électromagnétique provenant de la cavité. Après que les n faisceaux lasers aient traversé la cavité, on 15 dispose un autre système optique 11, qui peut être constitué par une lentille; ce système optique 11 assure la déviation des n faisceaux lasers afin qu'il éclairent les n photocathodes sous un angle aussi peu incliné que possible. Du côté o il se trouve en vis-à-vis avec les photocathodes, le 20 système optique 11 comporte une plaque 15 assurant sa protection contre des dépôts divers, qui peuvent résulter de l'évaporation de divers constituants des photocathodes. Les n photocathodes, étant éclairées par n faisceaux lasers, émettent chacune un faisceau d'électrons 3, focalisé par des anodes 25 4, et qui traversent la cavité 5 par n tubes de glissement 16 avant de tomber sur le collecteur 6. Dans la cavité 5, on prélève la puissance électromagnétique par exemple par un guide d'onde 7 séparé de la cavité par une fenêtre diélectrique 8. Des bobines 9 assurent la focalisation des n faisceaux d'électrons. Le lasertron de la figure 4, en plus des avantages inhérents aux lasertrons à faisceaux multiples, présente de nombreux avantages. Ainsi, contrairement à ce qui se produit dans le mode de réalisation de la figure 2, le système optique qui produit le faisceau laser et qui le focalise ne reçoit pas de faisceau d'électrons qui risque de l'endommager et de le rendre opaque. Les deux systèmes optiques 10 et Il sont également protégés des faisceaux d'électrons. La plaque 15 permet de protéger la lentille 11 des produits pouvant venir des photocathodes. Les faisceaux lasers éclairent les photocathodes avec une incidence presque normale ce qui améliore le rendement lumineux des photocathodes. On connait des lasertrons comportant plusieurs cavités successives, c'està-dire généralement deux cavités. L'invention concerne 10 donc les lasertrons à faisceaux multiples, ayant une ou plusieurs cavités successives. REVENDICATIONS 1. Lasertron, caractérisé en ce qu'il comporte n photocathodes (1), recevant en fonctionnement un faisceau laser (2), pulsé à une fréquence F, et émettant n faisceaux d'électrons (3), et comportant au moins une cavité résonnante (5) à la fréquence F, munie de n tubes de glissement (16) permettant le passage des n faisceaux d'électrons (3). 2. Lasertron selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens, situés à proximité des photocathodes (1) du lasertron, assurant, en fonctionnement, un éclairage en biais des 10 photocathodes (1) par le faisceau laser (2). 3. Lasertron selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier et un second systèmes optiques (10, 11), centrés sur l'axe longitudinal (XX') du lasertron, le premier système optique (10), placé avant le collecteur (6), selon le sens de propa15 gation du faisceau laser, recevant en fonctionnement le faisceau laser (2) et produisant un faisceau laser (2) parallèle à l'axe longitudinal (XX') du lasertron, en ce que les parois (12, 13), perpendiculaires à l'axe longitudinal (XX') du lasertron, de la ou des cavités (5) de résonance comportent n orifices (14) assurant en 20 fonctionnement la production de n faisceaux lasers-(2) , parallèles à l'axe longitudinal (XX') du lasertron, le deuxième système optique (13) placé avant les photocathodes (1) selon le sens de propagation des faisceaux lasers (2), assurant en fonctionnement la déviation des n faisceaux lasers afin qu'ils éclairent cesn photocathodes (1). 4. Lasertron selon la revendication 3, caractérisé en ce que les systèmes optiques (10, 11) sont constitués par des lentilles. 5. Lasertron selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de refroidissement sur la première paroi (12) de cavité (5), percée de n trous, qui reçoit, en fonction30 nement, le faisceau laser (2) ayant traversé le premier système optique (10). 6. Lasertron selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le second système optique (11) comporte, du côté o il fait face aux photocathodes (1), une plaque (15) assurant sa protection contre des dépots provenant de l'évaporation de différents matériaux des photocathodes (1). 7. Lasertron selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le faisceau laser incident (2) est un faisceau annulaire. 8. Lasertron selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le diamètre des orifices (14) permettant le passage des n faisceaux lasers (2), ainsi que l'Pépaisseur des parois (12, 13) des 10 cavités (5), perpendiculaires à l'axe longitudinal (XX') du lasertron, sont choisis de manière à limiter la fuite de l'Pénergie électromagnétique provenant des cavités. 9. Lasertron selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les dimensions de sa ou ses cavités (5) sont telles qu'il 15 fonctionne de façon optimale sur le mode TM01. 10. Lasertron selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les dimensions de sa ou ses cavités (5) sont telles qu'il fonctionne de façon optimale sur le mode TM02. 11. Lasertron selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé 20 en ce qu'il comporte deux cavités successives.