Brevet FR2618252A1 — publié le 19890120

GYROTRON A ONDES PROGRESSIVES PROTEGE CONTRE LES MODES INDESIRES Les gyrotrons à ondes progressives aussi appelés gyro-TOP peuvent produire des dizaines de kilowatts en régime continu, à GHz et au-delà. Dans la suite de la description chaque fois qu'il sera question d'un gyrotron, sans autre précision, il faudra entendre gyrotron à ondes progressives. Ces gyrotrons à ondes progressives, de type connu, lorsqu'ils fonctionnent sur le mode TE 01, ont leur faisceau qui peut égale- ment interagir avec les modes TE 21 et TE 11, donnant lieu à des ondes se propageant dans le sens inverse du faisceau. c'est un régime de fonctionnement qui permet théoriquement une puissance de sortie élevée mais avec lequel, du fait des risques d'instabilité dus aux intersections avec les modes TE 21 et TE 11, il est néces- saire de limiter l'amplification. La présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de limiter cet inconvénient. Ceci est obtenu, en particulier, en atténuant la propagation des modes indésirés. Selon l'invention, un gyrotron à ondes progressives comportant un canon a électrons, un collecteur et une structure tubulaire en guides d'ondes pour coupler le canon au collecteur, est caractérisé en ce que la structure est formée, au moins pour partie, de guides corrugués. La présente invention sera mieux comprise et d'autres carac- téristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - la figure 1, un schéma d'un gyrotron à ondes progressives de type connu; - la figure 2, un diagramme relatif au gyrotron selon la figure 1; - les figures 3, 4, 5 et 6, des coupes de guides d'ondes destinés 2 2618252 à des gyrotrons selon l'invention: - la figure 7, un diagramme relatif à un gyrotron selon l'invention: - la figure 8, une vue partielle dun gyrotron selon l'invention. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. La structure du gyrotron à ondes progressives est illustrée sur la figure 1 qui représente la coupe d'un tube à vide à rl'intérieur d'un solénoïde S qui excite un champ magnétique. Le canon à électrons 2 du type MIG (magnétron injection gun dans la littérature anglo-saxonne) comprend une cathode chaude 21 portée à un potentiel négatif de - 50 kV, entourée d'une anode 20 portée à un potentiel de - 40 kV qui extrait un faisceau électronique tubulaire dans lequel les électrons possèdent des trajectoires héli- coldales telles que TI, TI, guidées par le champ magnétique; le faisceau se déplace concentriquement à une structure tubulaire én guides d'ondes 1'. Ce faisceau traverse une partie rétrécie, 10, de la structure tubulaire 1', puis un guide d'ondes à peu près cylindrique 1 1 comportant une région atténuée 7 et se terminant sur un cornet 3 suivi d'un collecteur 4 fermé par une fenêtre, 5, étanche au vide et transparente aux ondes de haute fréquence. Le long de la structure tubulaire, entre la partie rétrécie 10 et le guide 11, se trouve un circuit d'excitation 6 permettant à ronde à amplifier, acheminée dans un guide d'ondes 60, d'exciter dans le guide 1 1 une onde qui sera amplifiée par le faisceau électronique et sortira par la fenêtre 5 vers un organe d'utilisation tel qu'une antenne de radar. Le faisceau électronique est caractérisé par son diamètre, son courant I, les vitesses longitudinales, u, et transversale, v, de ses électrons. L'onde électromagnétique est caractérisée par la fréquence f, le mode de propagation, la vitesse de phase V, qui dépend du mode, de la fréquence et du diamètre du guide. Le nombre d'onde = 21f/V = 'f/V est souvent utilisé de préférence à V. La figure 2 est un diagramme de Brillouin qui illustre la variation de UWa/c en fonction de ba (o c est la vitesse de la lumière et o j5a et Wa sont variables réduites pour fl et tu c'est-à- dire des variables sans dimensions) pour trois modes différents dont les lignes de champ sont schématisées à droite de la figure 2. Le comportement du faisceau d'électrons est caractérisé par la fréquence de résonance cyclotonique fi, ou par u i = 2 ( fi; il est à noter que la fréquence de résonance cyclotonique est d'habitude indiquée fc mais, pour ne pas confondre avec la vitesse de la lumière, c, rl'indice i a été préféré. Cette grandeur WU est la vitesse angulaire qui caractérise les orbites des électrons dans le champ magnétique, c'est-à-dire les projections sur un plan perpendiculaire à l'axe des hélices. Elle est donnée par l'équation: u0. eB i m Y o B est la valeur du champ magnétique, e la charge de l'electron, mrn la masse au repos de l'électron,. le facteur relativiste égal numériquement à lU +v c o c est la vitesse de la lumière, u la vitesse longitudinale des électrons et v la vitesse transversale des électrons. La résonance C ', c'est-à-dire l'amplification des mouvements transversaux des électrons sous l'effet du champ électrique de l'onde, se produit lorsque X i/2 f est égal à une fréquence voisine de la fréquence de ronde vue par les électrons, c'est-à-dire, à cause de leur vitesse longitudinale u: O' =(W-ku soit, avec) ' = W i uX =A u+Wi 4 26 18252 Sur le diagramme de la figure 2, les points qu: correspondent à cette équation sont sur une droite, D, passant par l'axe vertical à l'ordonnée U ia/c et de pente u/c. Lorsque cette droite D coupe la courbe caractéristique d'un mode de propagation, il en résulte que le mécanisme de résonance des électrons peut se produire avec l'onde correspondante et il en résulte la possibilité d'oscillations ou d'amplification autour du point d'intersection dans un système tel que celui de la figure 1. Les modes possèdent différentes propriétés en ce qui concerne l'interaction. La droite D de la figure 2 est tangente en A à la courbe du mode TEOI et permet l'amplification dans une bande de fréquences autour de la fréquence correspondante au point A. Sur la figure 2 est représenté, en traits interrompus, une droite D'; cette droite D', qui est tangente en A' à la courbe du mode TE' I, permet l'interaction. avec la mode TE1 à une frécquence de résonance plus basse dans le même guide (fA/fA'-22,08, rapport des "nombres propres" des modes) o à la même fréquence dans un guide 2,08 fois plus petit. L'interaction avec le mode TEI01 correspond donc à un guide de plus grande section qui permet aussi un courant électronique plus élevé que le mode TE 11. Il est à remarquer que le faisceau électronique correspondant à la droite D peut également interagir avec les modes TE21 et TEIl1 (points M et N) dans la région négative de /3a, qui correspond à des ondes se propageant en sens inverse du faisceau électronique. Ces interactions parasites correspondent à des oscillations analogues à celles des carcinotrons ou "backward wave oscillators" bien connus. Le régime en A' est stable et permet une amplification élevée à une puissance modérée. Le régime en A permet une puissance élevée mais il est potentiellement instable; l'amplification des tubes fonctionnant sur ce régime doit donc être limitée. Comme il va être vu, à l'aide des figures 3 à 8, il est possible d'augmenter la stabilité de gyrotrons fonctionnant sur le mode TE01, ou plus généralement sur un mode TEon. Pour cela il est proposé, en particulier, d'utiliser des guides dont la paroi interne est 'creusée de rainures ou fentes circonféren- tielles appelées corrugations. Les figures 3 et 4 montrent un tel guide, G, respectivement en coupe longitudinale et en coupe trans- versale. Dans un guide de ce type, lorsque la largeur, d, des fentes circonférentielles est sensiblement inférieure à une demi longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement, les modes TEon, dont le champ magnétique est parallèle aux fentes comme indiqué par une flèche K sur la figure 4, ne pénètrent pas loin dans la région intérieure aux fentes, car ils sont atténués exponentiellement comme dans un guide d'ondes en-dessous de la fréquence de coupure. Tous les autres modes, qui possèdent une composante radiale et/ou longitudinale de champ électrique, pénètrent dans les corrugations. En disposant au fond des corrugations une substance absor- bante H, il y a donc possibilité d'atténuer très fortement la propagation de tous les modes à l'exception des modes TEon dont la propagation dépend uniquement, en première approximation, du rayon intérieur, r, des corrugations. Mais les corrugations seules peuvent suffire dans certaines applications car elles assurent déjà une forte atténuation des modes indésirés. Les figures 5 et 6 montrent respectivement en coupe longitu- dinale et en coupe transversale, un autre guide dondes corrugé, 1. Le guide 1 des figures 5 et 6 est dessiné en traits interrompus de manière à mieux faire voir comment une substance absorbante, H, est placée au fond de ses corrugations. A l'aide d'une mortaiseuse quatre entailles longitudinales, à quatre vingt dix degrés rune de l'autre, ont été effectuées dans la paroi externe du guide G puis quatre plaques allongées, HI à H4, de substance absorbante, H, ont été disposées dans les entailles et chaque entaille a alors été refermée par un capot allongé, C1 à C4, de même matière que le reste du guide G et qui est soudé aux bords de l'entaille qu'il recouvre. La figure 7 est un diagramme de Brillouin d'un guide du type 2618ZS2 de ceux des figures 3 à 6 pour les courbes en traits pleins et, à titre de rappel, d'un guide du type lisse pour les courbes en trait discontinu; l'une de ces courbes, celle pour le mode TEOI- étant la même pour les deux types de guides a simplement été représentée en traits pleins. Cette figure montre que les courbes de dispersion des modes autres que TEom (en fait ici seulement TEOI, mais ce serait la même chose pour n entier supérieur à 1) sont fortement modifiées par les corrugations avec substance absorbante et que ceci permet de repousser en M' la région cd'interaction parasite M et de supprimer l'interaction N. Cette modification qui vient en plus de l'atténuation des modes indésirés, c'est-à-dire des modes autres que TEorn, est donc également favorable au bon fonctionnement du gyrotron. La figure 8 est une vue partielle' d'un gyrotron à ondes progressives dont la structure tubulaire en guides d'ondes, 1, est du même type que celle, 1', du gyrotron selon la figure 1 mais comporte, en plus, des parties réalisées en guides d'ondes corrugués avec substance absorbante dans les rainures, comme les guides G selon les figures 3 à 6; dans l'exemple décrit cette substance est de l'oxyde de magnésium. Sur cette figure ont été représentés: un canon à électrons, 2, et la structure tubulaire, 1, depuis une partie rétrécie, 10, qui fait suite au canon 2, jusqu'à environ le milieu d'un guide d'ondes à peu près cylindrique, 11; le guide 11, comme dans le cas de la figure 1, est prolongé par un cornet suivi d'un collecteur fermée par une fenêtre, ces trois derniers éléments n'ont pas été représentés sur la figure 8. La figure 8 montre également une partie d'un guide d'ondes 60 destiné, comme le guide 60 de la figure 1, à acheminer l'onde à amplifier par le faisceau électronique. Il est à noter que, dans le gyrotron partiellement représenté sur la figure 8, les corrugations de la structure tubulaire I vont pratiquement du canon à électrons 2 jusqu'aux trois quarts de la longueur du guide, avec une interruption au niveau de la portion de la partie rétrécie 10 o débouche le guide 60. Une telle répartition des- corrugations s'est avérée largement suffisante pour atteindre les 26 18252 performances qui étaient recherchées. Il est entendu que, dans d'autres applications, en fonction des performances recherchées, les corruguations devront être présentes sur une plus grande portion de la structure tubulaire ou pourront n'être présentes que sur une plus petite portion de cette structure tubulaire. Il est à remarquer, sur la figure 8, que les corrugations sont plus grandes dans la portion de la structure tubulaire I située entre le canon 2 et l'accès du guide 60, que de l'autre côté de cet accès; c'est que les corrugations doivent être suffisamment petites dans le guide 11 pour éviter que le mode TEOI puisse y pénétrer et être atténué; par contre, entre le canon et l'accès du guide 60, là o, dans la structure 1, I'onde acheminée par le guide 60 n'a pas lieu de se propager, le mode TEOI peut lui aussi être atténué. 8 2618252 REVENDICATIONS 1. Gyrotron à ondes progressives comportant un canon à électrons (2), un collecteur (4) et une structure tubulaire en guides cdondes (I) pour coupler le canon au collecteur, caractérisé en ce que la structure est formée, au moins pour partie, de guides corrugués (G). 2. Gyrotron selon la revendication 1, caractérisé en ce ouune substance absorbante (HI est placée dans les corrugations des guides corrugués (G).