Brevet FR2613534A1 — publié le 19881007

La présente invention concerne un gyrotron destiné à produire de l'énergie micro-onde, et elle porte plus parti- culièrement sur un gyrotron qui comprend un résonateur coa- xial pour convertir l'énergie d'un faisceau d'électrons en énergie d'une onde électromagnétique. La figure 1 montre une structure fondamentale d'un gyrotron classique pour la génération d'énergie micro-onde. Le gyrotron comprend une cathode de canon à élec- tronsl destinée à émettre un faisceau d'électrons, une élec- trode d'anode 2 destinée à commander le faisceau d'électrons qui est émis par la cathode 1, des bobines d'aimants 3, 4 destinés à appliquer un champ magnétique qui donne des mouve- ments de type cyclotron aux électrons du faisceau d'électrons, un résonateur à cavité 5 destiné à recevoir les électrons du faisceau d'électrons et à les faire résonner avec des micro- ondes, pour produire de l'énergie micro-onde, un collecteur 6 destiné à collecter les électrons, une fenêtre diélectrique de sortie 7 et un tube de guide d'ondes de sortie 8 qui coo- père à l'émission de l'énergie micro-onde produite. Dans le gyrotron décrit ci-dessus, des électrons émis par la cathode de canon à électrons 1 sont commandés par l'électrode d'anode 2, et les mouvements de type cyclotron des électrons sont produits dans le champ magnétique des bo- bines d'aimants 3, 4. Lorsque les éléments traversent le ré- sonateur à cavité 5, leur énergie est convertie en énergie micro-onde par le fait qu'ils résonnent avec les micro-ondes. Le collecteur 6 collecte les électrons qui traversent le ré- sonateur à cavité 5. L'énergie micro-onde qui est produite traverse la fenêtre diélectrique de sortie 7 et elle est émise par le tube de guide d'ondes de sortie 8. Le gyrotron produit de façon générale de l'énergie micro-onde par couplage par résonance cyclotron entre les électrons qui sont soumis à des mouvements de type cyclotron, et les micro-ondes que produit le résonateur à cavité 5. Dans le gyrotron comprenant le résonateur à cavité 5, si la fré- quence des micro-ondes est fixée à une valeur élevée, la fré- quence de résonance entre les micro-ondes et les électrons dans le résonateur à cavité 5 est également élevée. Lorsque la fréquence de résonance est élevée, le diamètre intérieur du résonateur à cavité 5 est limité à une valeur faible. De ce fait, l'aire de la paroi intérieure du résonateur à cavité est réduite, ce qui fait que la surface de la paroi inté- rieure du résonateur à cavité 5 est chauffée à une températu- re élevée par la chaleur dégagée par effet Joule. Dans le cas de la génération de micro-ondes de puissance élevée et de fréquence élevée, la surface de paroi intérieure du résona- teur à cavité 5 est chauffée à une température extrêmement élevée, ce qui provoque une déformation thermique et une destruction du résonateur à cavité 5 qui ne peut pas suppor- ter l'échauffement. Il est dcnc difficile de réaliser le gy- rotron pour produire une oscillation fournissant des micro- ondes de fréquence élevée et de puissance élevée. L'invention a pour but de procurer un gyrotron ca- pable de minimiser la chaleur produite par effet Joule sur une surface de paroi intérieure d'un résonateur, et capable de produire des micro-ondes de puissance élevée ayant une fréquence élevée. L'invention procure un gyrotron comprenant un ca- non à électrons, ayant un axe, destiné à émettre le long de l'axe un faisceau d'électrons ayant une section transversale annulaire, des moyens destinés à appliquer un champ magnéti- que axial aux électrons qui sont émis par le canon à élec- trons, pour communiquer aux électrons des mouvements de type cyclotron, des moyens résonnants ayant une cavité destinée à recevoir le faisceau d'électrons et à convertir l'énergie des électrons du faisceau d'électrons en énergie micro-onde, les moyens résonnants comportant un conducteur extérieur pratiquement cylindrique, placé en position coaxiale le long de l'axe, sur une surface extérieure des moyens résonnants, et un conducteur intérieur sensiblement cylindrique et plein, placé en position coaxiale le long de l'axe à la surface in- térieure des moyens résonnants, des moyens de guidage d'ondes comportant un guide d'ondes coaxial orienté le long de l'axe, pour guider les micro-ondes converties par les moyens réson- nants, et un coupleur directionnel, comportant des fentes destinées à réaliser un couplage pour les ondes électroma- gnétiques entre la cavité et le guide d'ondes, afin de guider les micro-ondes de la cavité vers le guide d'ondes. Conformément à l'invernzion, on peut minimiser la température résultant de l'échauffement par effet Joule sur la surface de paroi intérieure des moyens résonnants, de façon que cette température ne devienne pas trop élevée. Ainsi, contrairement au gyrotrcn classique ayant un résona- teur à cavité, le gyrotron de l':nvention peut osciller de façon à produire des micro-ondes ayant une fréquence élevée et une puissance élevée. En outre, le coupleur directionnel comportant les fentes est disposé entre la cavité et le guide d'ondes, de façon à permettre la génération des micro-ondes de sortie ayant le mode d'oscillation exia_. D'autres caractéristicues et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisati-n, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe montrant un gyrotron classique; La figure 2 est une ccupe montrant un gyrotron conforme à l'invention; et La figure 3 est une ccupe agrandie montrant une partie du gyrotron qui est représenté sur la figure 2. On voit sur la figure 2 un gyrotron conforme à un mode de réalisation de l'invention. Le gyrotron comprend une enveloppe en métal 20, pratiquement cylindrique, ayant un axe. L'enveloppe 20 comprend un conducteur extérieur 24, pra- tiquement cylindrique, qui a une surface intérieure, et un conducteur intérieur 26 pratiquement cylindrique qui est placé en position coaxiale dans le conducteur extérieur 24 et qui a une surface extérieure. Une cavité, qui constitue un espace permettant de faire résonner les électrons avec l'énergie- micro-onde, est définie par la surface intérieure du conduc- teur extérieur 24 et la surface extérieure du conducteur in- térieur 26. Des bobines principales 30 sont placées sur la surface extérieure de l'enveloppe 20. En outre, une partie d'enveloppe de canon à électrons 17, pratiquement cylindrique, est fixée à une extrémité de l'enveloppe 20. Des bobines de canon 18 sont placées sur la surface extérieure de la partie d'enveloppe de canon à électrons 17. Le gyrotron comprend un canon à électrons 10, de type magnétron, qui est logé à l'intérieur de la partie d'en- veloppe de canon à électrons 17, et qui émet dans la direction axiale du dispositif un faisceau d'électrons qui a une section transversale annulaire. Les bobines de canon 18, destinées à produire un champ magnétique dans la direction axiale, sont disposées à la surface extérieure de la partie d'enveloppe de canon à électrons 17, pour faire en sorte que chaque électron du faisceau d'électrons qui est émis par le canon à électrons présente un mouvement cyclotron. Le conducteur extérieur pratiquement cylindrique 24 et le conducteur intérieur prati- quement cylindrique 26, se trouvant du côté intérieur du con- ducteur extérieur, définissent de façon coaxiale la cavité 22 qui fait résonner les électrons émis avec les micro-ondes, et ces conducteurs sont logés dans l'enveloppe 20. Pour élever jusqu'à une fréquence prédéterminée la fréquence de rotation des mouvements de type cyclotron des électrons dans la cavité 22, les bobines principales 30 destinées à produire un champ magnétique dans la direction axiale, sont placées sur la sur- face extérieure du conducteur extérieur 24. Une section de guide d'ondes coaxial 34, destinée à émettre les micro-ondes à partir de la cavité 22, est formée entre une partie cylin- drique creuse et une partie cylindrique pleine ayant une ex- trémité distale conique. La partie cylindrique creuse et la partie cylindrique pleine sont définies par des parties d'extension du conducteur intérieur 26 qui s'étendent dans la direction axiale. Un ensemble de fentes 32 qui guident les micro-ondes de la cavité 22 vers la section de guide d'ondes coaxial 34, sont formées dans la partie cylindrique creuse, qui est la partie d'extension du conducteur - intérieur 26 se trouvant entre la cavité 22 et la section de guide d'ondescoaxial 34. Un collecteur 42 est placé sur la surface de paroi intérieure de l'enveloppe 20 pour collecter les électrons qui sont transmis par la cavité 22. De plus, un premier tube de guide d'ondes creux 36 est disposé dans l'en- veloppe 20 pour guider les micro-cndes qui sont émises par la section de guide d'ondes coaxial 34. Une fenêtre de sortie diélectrique circulaire 38 qui guide les micro-ondes inciden- tes, est en contact avec le premier tube de guide d'ondes 36 dans l'enveloppe 20. En outre, un second tube de guide d'on- des creux 40 est placé dans l'enveloppe 20, de façon à guider vers une partie externe les.icrc-zndes qui proviennent de la fenêtre de sortie diélectrique 38. Le canon à électrons 10 comprend une cathode chaude 14 et une électrode d'anode 16. La cathode chaude 14 comprend une zone d'émissicn d'électrons 12 de forme annulaire. L'élec- trode d'anode 16, pratiquement cylindrique, est coaxiale par rapport à la cathode chaude 14, de façon à faire face à la surface extérieure de la cathode chaude 14. Les différentes fentes 32 ont une taille qui est définie pour constituer de façon appropriée un coupleur directionnel. Sur les figures 2 et 3, le faisceau d'électrons ayant une section transversale annulaire est émis par la zone d'émission d'électrons 12 dans la cathode chaude 14 du canon à électrons 10. Un champ électrique situé entre la cathode chaude 12 et l'électrode d'anode 16, et un champ magnétique orienté dans la direction axiale, qui est produit par les bobines de canon 18 qui sont placées sur la surface exté- rieure de la partie d'enveloppe de canon à électrons 17, com- muniquent des mouvements en hélice aux électrons du faisceau d'électrons. Le faisceau d'électrons est accéléré par le champ électrique établi entre l'électrode d'anode 16, le con- ducteur extérieur 24 et le conducteur intérieur 26. Le fais- ceau d'électrons se propage dans la direction axiale tout en accomplissant un mouvement cyclotron. Ensuite, le faisceau d'électrons incident est projeté dans la cavité 22 dans l'enveloppe 20. La fréquence de rotation du mouvement héli- coldal du faisceau d'électrons est élevée jusqu'à la fréquen- ce prédéterminée par le champ magnétique orienté dans la di- rection axiale, que produisent les bobines principales 30. Le faisceau d'électrons résonne avec les micro-ondes présentes dans la cavité 22, qui ont la fréquence prédéterminée pour convertir l'énergie des électrons en énergie micro-onde à la fréquence prédéterminée. Les électrons du faisceau d'élec- trons, dont une partie de l'énergie est convertie en énergie micro-onde, sont guidés par le champ magnétique et tombent sur le collecteur 42. Le faisceau d'électrons est ensuite converti en chaleur. Les micro-ondes ayant la fréquence pré- déterminée, qui sont produites dans la cavité 22, traversent l'ensemble de fentes 32 qui sont formées dans le conducteur intérieur 26, et elles sont guidées vers la section de guide d'ondes coaxial 34. Ensuite, les micro-ondes ayant la fré- quence prédéterminée sont émises par la section de guide d'ondes coaxial 34. Les micro-ondes tombent sur la fenêtre de sortie diélectrique 38 après avoir traversé le premier tube de guide d'ondes 36. Les micro-ondes sont guidées dans le second tube de guide d'ondes 40 et elles sont émises vers l'extérieur à partir de la fenêtre de sortie 38. Le faisceau d'électrons qui est émis par le canon à électrons 10 a une section transversale annulaire de façon que les micro-ondes de sortie soient axialement symétriques. Pour produire des micro-ondes ayant la fréquence prédéterminée, on détermine la distance entre le conducteur extérieur 24 et le conducteur intérieur 26, c'est-à-dire la taille de la cavité 22, en correspondance avec la fréquence prédéterminée. Conformément à ce mode de réalisation de l'in- vention, du fait que le résonateur destiné à faire résonner les microondes est disposé en position coaxiale dans l'enve- loppe et le long de l'axe de cette dernière, le diamètre in- térieur de l'enveloppe ne dépend pas de la taille de la cavi- té 22 du résonateur. Plus précisément, du fait que le diamè- tre intérieur de l'enveloppe ne dépend pas de la taille de la cavité 22, on peut le déterminer librement, même si on pro- duit des micro-ondes de fréquence élevée. Par conséquent, si on produit des micro-ondes de puissance élevée ayant une fré- quence élevée, on peut faire en sorte que la surface inté- rieure de l'enveloppe 20 soit grande, pour éviter ainsi un échauffement par effet Joule conduisant à une température élevée. De plus, les fentes 32 sont formées dans le cou- pleur directionnel, ce qui minimise la génération d'un mode inutile pour les micro-ondes. L'extrémité distale de la partie d'extension cylindrique du conducteur intérieur 26 est conique, ce qui permet d'éviter un mode des micro-ondes correspondant à une désadaptation. Les micro-ondes nécessai- res sont donc produites efficacement. Conformément au mode de réalisation de l'invention considéré ci-dessus, l'extrémité distale de la partie d'ex- tension cylindrique du conducteur intérieur 26 est conique, dans le but d'éviter les modes correspondant à des désadapta- tions. On peut cependant utiliser d'autres formes. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent étre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Gyrotron comprenant: un canon à électrons (10), ayant un axe, destiné à émettre un faisceau d'électrons ayant une section transversale annulaire; des moyens destinés à appliquer un champ magnétique axial (18, 30) aux électrons qui sont émis par le canon à électrons, pour produire un mouvement cyclotron; des moyens résonnants (24, 26) ayant une cavité (22) destinée à recevoir le faisceau d'électrons et à convertir l'énergie des électrons en énergie sous la forme de micro-ondes; et des moyens de guidage d'ondes (34, 36, 40) destinés à guider les micro-ondes qui ont été converties par les moyens résonnants, caractérisé en ce que les moyens ré- sonnants (24, 26) comprennent un conducteur extérieur prati- uuement cylindrique (24) placé en pos.-:on coaxiale le long de l'axe et ayant une surface intérieure, et un conducteur intérieur sensiblement cylindrique et pein (26), placé en position coaxiale le long de l'axe dans le conducteur exté- rieur, et ayant une surface extérieure, la cavité de réso- nance (22) est définie par le surface extérieure du conduc- teur intérieur (26) et par la surface intérieure du conduc- teur extérieur (24), et elle est couplée par l'intermédiaire d'un coupleur directionnel aux moyens de guidage d'ondes comprenant un guide d'ondes coaxial (34) orienté le long de l'axe, et ce coupleur directionnel comporte des fentes (32) destinées à coupler des ondes électromagnétiques entre la cavité (22) et le guide d'ondes (34), les micro-ondes étant guidées de la cavité (22) vers le guide d'ondes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canon à électrons (10) est d'un type magnétron. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'application de champ magnétique (18, ) comprennent au moins une bobine placée sur une surface extérieure du canon à électrons (10) pour communiquer aux électrons des mouvements de type cyclotron, et au moins une bobine placée sur la surface extérieure des moyens résonnants pour faire en sorte que les électrons présentent des mouve- ments de type cyclotron correspondant à une fréquence prédé- terminée. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens résonnants (24, 26) comprennent un résonateur sur une surface intérieure du conducteur extérieur pratiquement cylindrique (24). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens résonnants (24, 26) comprennent un col- lecteur (42) destiné à collecter les électrons. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage d'ondes (34) sont définis entre une partie cylindrique creuse et une partie cylindrique pleine qui s'étendent à partir du conducteur intérieur sen- siblement cylindrique et plein. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les parties d'extension du conducteur intérieur sensiblement cylindrique et plein (26) comportent une extré- mité distale conique qui est coaxiale par rapport à la partie cylindrique pleine. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage d'ondes (36, 38, 40) compren- nent une fenêtre de sortie (38). 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fentes (32) du coupleur directionnel sont for- m,ées dans la partie cylindrique creuse qui s'étend à partir du conducteur intérieur sensiblement cylindrique et plein (26).