Brevet FR2599188A1 — publié le 19871127

: GYROTRON L'invention concerne un gyrotron destiné à générer une onde électromagnétique de puissance élevée qui est utilisée pour le chauffage d'un plasma dans un réacteur de fusion nucléaire, par l'injection de l'onde électromagnétique de puissance élevée. La figure 1 représente un gyrotron de ce type. Le gyrotron comprend un canon à électrons 10 destiné à émettre un faisceau d'électrons dans la direction d'une fenêtre dié10 lectrique 51, une bobine magnétique 22 destinée à communiquer un mouvement de type cyclotron aux électrons dans un résonateur 30 prévu pour faire résonner l'onde électromagnétique générée à partir du faisceau d'électrons, et une section de sortie destinée à transmettre l'onde électromagnétique à tra15 vers la fenêtre 51. Le canon à électrons 10 comprend une cathode thermoélectronique 11 de forme conique, avec un émetteur 14 qui est chauffé par un élément chauffant rayonnant interne , une anode creuse entourant la cathode et se présentant sous la forme d'une électrode de commande 12, et un solénoïde 20 21 entourant l'anode de façon à produire un champ magnétique axial. L'élément chauffant 15 est alimenté par une alimentation 17 par l'intermédiaire d'un conducteur de borne 16. En fonctionnement, la cathode est maintenue à une certaine tension continue par une alimentation 80 qui comprend un gé25 nérateur de tension continue 81 et des résistances de division 82, 83. La tension divisée est appliquée à l'électrode de commande 12. Chacune des électrodes 11, 12, 13 est isolée par des isolateurs respectifs 71, 72. Le faisceau d'électrons creux émis par le canon 10 est attiré vers un corps principal 20 du gyrotron par un potentiel encore plus positif. Dans la région d'entrée de l'anode 5 13, le diamètre du faisceau d'électrons est ainsi comprimé par le champ magnétique axial que produit la bobine magnétique 22. De plus, la vitesse de rotation des électrons autour de l'axe est augmentée tandis que leur vitesse axiale est diminuée. L'énergie axiale est convertie en énergie de rotation. Apres 10 que le faisceau d'électrons a été comprimé, il entre dans la cavité d'interaction 30, qui est une cavité à symétrie circulaire ayant des parois à conductivité élevée, en cuivre. La cavité 30 est dimensionnée de façon à donner lieu à une résonance électromagnétique dans un mode comportant un champ élec15 trique circulaire perpendiculaire à l'axe. A l'extrémité d'entrée du faisceau, une cellule de cavité présente une section réduite de façon à former une ouverture de diamètre suffisamment faible pour empêcher la transmission de l'onde de la cavité, qui s'accompagnerait d'une perte d'énergie. A l'extrémité 20 de sortie du faisceau, une ouverture similaire (seconde restriction) n'empêche pas complètement le passage de l'onde, de façon que celle-ci puisse émerger en traversant la fenêtre diélectrique 51, permettant le maintien du vide, pour entrer dans une charge utile (non représentée) connectée à un guide 25 micro-onde de sortie 52. La cavité d'interaction 30 est évasée de façon à présenter un diamètre croissant lorsqu'on se dirige vers son extrémité de sortie, afin que l'amplitude de l'onde stationnaire augmente pour produire une interaction cumulative. Après avoir quitté la cavité 30, le faisceau d'électrons entre dans un champ magnétique décroissant produit par la bobine 22 et son diamètre augmente donc jusqu'à ce que le faisceau soit collecté sur une paroi extérieure 40 du guide d'ondes à propagation qui est refroidi par de l'eau constituant 35 un fluide de refroidissement qui circule dans des conduits 41. Les fonctions de collecteur de faisceau et de guide d'ondes de sortie sont ainsi combinées. Ce gyrotron de l'art antérieur présente un problème qui consiste en ce qu'il est nécessaire de produire un courant élevé pour le faisceau d'électrons dans le canon à électrons 10, pour faire démarrer l'oscillation afin d'obtenir l'oscillation à rendement élevé qui est désirée. L'obtention d'un rendement d'oscillation élevé est conditionnée dans une large mesure par un facteur de pas du faisceau d'électrons. Cepen10 dant, pour obtenir un facteur de pas élevé, le courant de démarrage qui est fourni doit être élevé, et une source d'alimentation habituelle est de ce fait inadaptée. On doit donc utiliser une source d'alimentation de forte puissance pour produire l'onde électromagnétique de puissance élevée. La présente invention vise à permettre un démarrage relativement aisé de l'oscillation d'un gyrotron de puissance élevée, pouvant être fabriqué aisément avec une structure ayant un faible encombrement et fonctionnant avec un rendement élevé. Conformément à l'invention, un gyrotron comprend une enveloppe ayant un axe longitudinal, un canon à électrons placé à une extrémité de l'enveloppe de façon à émettre un faisceau d'électrons le long de l'axe longitudinal de l'enveloppe, des moyens destinés à appliquer un champ magnétique au fais25 ceau d'électrons émis par le canon à électrons, un résonateur disposé dans l'enveloppe pour faire résonner l'onde électromagnétique générée à partir du faisceau d'électrons, et des moyens destinés à changer un facteur de pas du faisceau d'électrons généré à partir du canon à électrons, pour le faire pas30 ser d'une valeur de démarrage à une valeur de fonctionnement. Description sommaire des dessins La figure 1 est une coupe axiale schématique d'un gyrotron classique. La figure 2 montre une coupe axiale d'un gyrotron et 35 sa structure de circuit, conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention. La figure 3 est un diagramme séquentiel du fonctionnement du mode de réalisation préféré du gyrotron de la présente invention. La figure 4 montre un graphique du courant du faisceau et un graphique du rendement d'oscillation en fonctiondela puissance de sortie de l'onde électromagnétique. La figure 5 montre un autre mode de réalisation de la présente invention. La figure 6 est un diagramme séquentiel du gyrotron qui est représenté sur la figure 5. Description détaillée des modes de réalisation préférés Le premier mode de réalisation de l'invention consiste en un gyrotron tel que celui représenté sur la figure 2. Ce 15 gyrotron est partiellement similaire au dispositif classique de la figure 1 et on utilise les mêmes numéros de référence pour désigner les éléments qui sont les mêmes que dans le dispositif classique. On ne décrira ci-après que les points qui diffèrent. Une alimentation continue 60 est connectée à chaque 20 électrode 11, 12, 13 du canon à électrons 10. Une tension Vc est appliquée entre l'anode 13 et l'électrode de commande 12, et une tension Vb est appliquée entre l'anode 13 et la cathode 11. L'alimentation 60 comporte une fonction variable qu'on peut commander par la tension (-Vb-(- Vc)) entre la cathode 11 25 et l'électrode de commande 12. L'alimentation 60 comprend un générateur de tension continue 61, une résistance 62, un tube à vide 130, un circuit d'attaque 64 et un dispositif de commande 65. Le générateur de tension continue 61 est équipé d'un tube à vide 63 qui commute la tension du faisceau (Vb) de façon à l'établir ou à l'interrompre, et d'un circuit redresseur qui comporte un condensateur 66 et un redresseur 67 alimenté par une source alternative 105 par l'intermédiaire d'un transformateur 106. Les bornes de sortie du générateur de tension continue 61 sont connectées à la cathode 11 et à l'anode 35 13 du canon à électrons 10, ainsi qu'à une borne de la résis- tance 62 et à la cathode du tube à vide 130. L'autre borne de la résistance 62 est connectée à l'anode du tube à vide 130 et à l'électrode de commande 12 du canon à électrons 10. Le dispositif de commande 65 comprend un générateur d'impulsions 651 destiné à produire un signal de démarrage S1, un multivibrateur monostable 652 destiné à émettre un signal S2, et un générateur de fonction 653 destiné à produire un signal S3. Le signal S2 est émis vers une grille du tube à vide 63 par l'intermédiaire d'un circuit d'attaque 68. Le signal de commande S3 est émis vers une grille de commande du tube à vide 130 par l'intermédiaire du circuit d'attaque 64. La commande de la tension d'alimentation appliquée à l'électrode 12 s'effectue en faisant varier l'impédance du tube à vide 130, qui est commandée par le signal de fonction S3. Le facteur de pas (différent de l'unité) est déterminé par deux composantes de la vitesse des électrons, à savoir la vitesse longitudinale V0 (dans la direction du champ magnétique) et la vitesse orbitale (giration) V1. La vitesse orbitale V1 est liée au champ électrostatique Ek et au champ 20 électromagnétique Bk sur l'anneau de rayonnement d'électrons 14 de la cathode 11 dans le canon à électrons 10, par la relation suivante: V1 c( ( Ek / Bk) Le facteur de pas varie donc sous l'effet de la variation du 25 champ électrostatique Ek ou du champ électromagnétique Bk. Ce premier mode de réalisation utilise la variation de Ek, qui est comparée à la tension de différence JVb |VcJ entre une tension Vb appliquée à la cathode 11 et une tension Vc appliquée à l'électrode de commande 12. Ek = (iVbi - Jvc I)/d (d désigne une distance interélectrode entre l'anneau de rayonnement d'électrons (émetteur de cathode) 14 et l'électrode de commande 12). On change le facteur de pas du faisceau d'électrons en changeant la tension J Vb - JVc I sous la dépendance de la 35 tension appliquée à l'électrode de commande 12. Le mode de réalisation présent du gyrotron conforme à l'invention fonctionne de la manière représentée sur la figure 3.: Le diagramme (a) de la figure 3 représente, en fonction du temps, le signal de démarrage S1, le signal de com5 mande de faisceau S2 et le signal de commande de facteur de pas S3. L'alimentation continue est commandée par le signal S1pour le démarrage. Le signal S2 commande la tension de faisceau Vb de la manière indiquée par le diagramme (b) de la figure 3. Le signal S3 commande la tension d'électrode de commande Vc de la manière indiquée par le diagramme (d) de la figure 3. Un courant de faisceau (courant d'anode du canon à électrons 10) circule pendant la durée T1 sous l'action du signal S2, comme le montre le diagramme (c) de la figure 3. La tension d'électrode de commande Vc est commandée comme le 15 montre le diagramme (d) de la figure 3, de façon à passer d'une partie à tension supérieure T2 (qui est une partie de démarrage aisée, correspondant à un facteur de pas faible), à une partie de tension inférieure T4 (qui est une partie à rendement élevé, correspondant à un facteur de pas élevé). La 20 tension Vc varie pendant la partie T3. De la puissance de sortie correspondant à une onde électromagnétique est ainsi générée de la manière indiquée par le diagramme (e) de la figure 3. Les graphiques (a) et (b) de la figure 4 montrent les relations du courant du faisceau et du rendement d'oscillation en fonction de la puissance de sortie de l'onde électromagnétique. Le paramètre utilisé est le facteur de pas du faisceau d'électrons. Les points Ql à Q4 indiquent une valeur de courant de démarrage d'oscillation lorsque la puissance de 30 sortie est de zéro watt (W). Le dispositif de commande 65 règle tout d'abord le facteur de pas à une valeur faible. Ensuite, l'oscillation démarre avec un courant faible (par exemple au point Q4). Le démarrage est aisé, mais le rendement est faible. A un moment ultérieur, après le démarrage, on 35 change le facteur de pas pour lui donner une valeur élevée, en diminuant progressivement la tension appliquée à l'électrode de commande 12 du canon à électrons 10. Le point de fonctionnement se déplace d'un point A vers un point D, en passant par des points B et C. Le point D se trouve sur la courbe qui 5 correspond à la valeur de courant de démarrage Q1 permettant d'obtenir un rendement d'oscillation élevé. La figure 5 est une représentation schématique d'un gyrotron employant un mode de réalisation quelque peu différent. Dans le cas considéré ici, on change le facteur de pas 10 en commandant le courant de la bobine 21 qui est montée sur le canon à électrons 10. On fait fonctionner ce mode de réalisation en commandant le champ magnétique Bk du canon à électrons 10. Les moyens de commande de Bk sont constitués par une paire de redresseurs commandés 108, 110, qui commandent une tension de la source alternative 104, sous l'action d'un circuit de commande de gàchette 112 qui est connecté à un-dispositif de commande 128, par un redresseur 116 et un condensateur connectés à la bobine 21, et par un transformateur 114 destiné à appliquer une tension d'excitation au redresseur 116. 20 Le dispositif de commande 128 comprend un générateur d'impulsions 121 qui émet un signal S4 en tant que signal de démarrage, un circuit de retard 122 destiné à fournir un signal de démarrage S5 au bout d'une durée T5, un multivibrateur monostable (M.M.) 123 qui émet un signal S6, et un générateur de fonction 124 destiné à produire un signal S7. Le signal de sortie du M.M. 123 est appliqué à la grille du tube à vide 63 par l'intermédiaire du circuit-d'attaque de grille 68, pour commuter à l'état actif ou à l'état inactif la source continue dans l'alimentation continue 90. Les diagrammes séquentiels de la figure 6 illustrent le fonctionnement de ce mode de réalisation. Un courant de bobine (représenté par le diagramme (e) de la figure 6) circulant dans la bobine 21, est déclenché par un signal de démarrage S4 (représenté par le diagramme (a) de la figure 6), et 35 il est commandé par le signal S7 que produit le générateur de fonction 124. Un courant de faisceau (représenté par le diagramme (d) de la figure 6) et une onde électromagnétique fournissant la puissance de sortie sont déclenchés par un signal de démarrage S5 relatif à la tension du faisceau (repré5 senté par le diagramme (c) de la figure 6), au bout d'une durée T5 après le signal de démarrage S4 pour la bobine. La tension de faisceau Vb et la tension d'électrode de commande Vc sont appliquées en permanence pendant la durée T6 (comme le montre le diagramme (c) de la figure 6). Le courant de la 10 bobine est commandé de façon à passer pendant la durée T8 d'un niveau supérieur (pour lequel le facteur de pas est faible), pendant la durée T7, à un niveau inférieur (pour lequel le facteur de pas est élevé) pendant la durée T9. Ainsi, le démarrage est aisé et après le démarrage, on obtient un rende15 ment élevé. REVENDICATIONS 1. Un gyrotron comprenant: un canon à électrons (10) destiné à produire un faisceau d'électrons et comportant une cathode (11), une anode (13) et une électrode de commande (12); un générateur de champ électromagnétique (101), (21) destiné à produire un champ électromagnétique pour exciter des mouvements de type cyclotron dans le faisceau d'électrons que produit le canon à électrons (10); un résonateur à cavité (30) destiné à faire résonner une onde électromagnétique géné10 rée à partir du faisceau d'électrons; et des moyens d'alimentation (60) destinés à appliquer une tension au canon à électrons (10), caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (60) comprennent des moyens de commande (65) destinés à changer le facteur de pas du faisceau d'électrons que produit le 15 canon à électrons (10). 2. Un gyrotron selon la revendication 1, dans lequel les moyens de commande (65) comprennent un générateur de fonction (653) destiné à donner au facteur de pas une valeur faible au démarrage de l'oscillation du faisceau d'électrons, et 20 une valeur élevée après le démarrage de l'oscillation. 3. Un gyrotron selon la revendication 1, dans lequel les moyens de commande comprennent un circuit à tension variable destiné à commander la tension appliquée à une électrode de commande (12) du canon à électrons (10). 4. Un gyrotron selon la revendication 3, dans lequel le circuit à tension variable est un circuit de commande destiné à modifier une impédance d'un tube à vide (130) connecté entre l'électrode de commande (12) et la cathode (11). 5. Un gyrotron selon la revendication 1, dans lequel le générateur de champ électromagnétique (104, (114), (116), (120), (21) comprend une alimentation commandée (108), (110), (112) pour une bobine (21) et un dispositif de commande (128) 5 destiné à commander le courant de la bobine (21) pour changer l'intensité du champ magnétique appliqué au canon à électrons (10). 6. Un gyrotron selon la revendication 5, dans lequel le dispositif de commande (128) comprend un générateur de fonc10 tion (124) destiné à commander le facteur de pas de façon à lui donner une valeur faible au démarrage de l'oscillation du faisceau, et une valeur élevée après le démarrage de l'oscillation. 7. Un gyrotron comprenant une enveloppe ayant un axe 15 longitudinal, un canon à électrons (10) placé à une extrémité de l'enveloppe pour émettre un faisceau d'électrons le long de l'axe longitudinal de l'enveloppe, des moyens (101, 21) destinés à appliquer un champ magnétique au faisceau d'électrons émis par le canon à électrons (10), un résonateur (30) logé dans l'enveloppe pour faire résonner l'onde électromagnétique générée à partir du faisceau d'électrons, et des moyens (60; 21) destinés à changer un facteur de pas du faisceau d'électrons produit par le canon à électrons, pour le faire passer d'une valeur de démarrage à une valeur de fonctionne25 ment. 8. Un gyrotron selon la revendication 7, dans lequel les moyens (60) destinés à changer le facteur de pas du faisceau d'électrons comprennent une partie d'une alimentation (60) pour le canon à électrons. 9. Un gyrotron selon la revendication 7, dans lequel les moyens destinés à changer le facteur de pas du faisceau d'électrons comprennent une partie des moyens (21) destinés à appliquer le champ magnétique au faisceau d'électrons.