Brevet FR2625836A1 — publié le 19890713

1i 2625836 COLLECTEUR D'ELECTRONS POUR TUBE ELECTRONIQUE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un collecteur d'électrons pour tube électronique. Elle trouve une application dans la réalisation de tubes hyperfréquences du genre gyrotrons, klystrons, tubes à ondes progressives, etc. Un gyrotron est un générateur d'ondes hyperfréquences dont la structure est représentée schématiquement sur la figure 1. Cette structure comprend un canon à électrons 10, une section 12 de compression magnétique, une cavité 14 et un collecteur 16 servant également de guide de sortie. Un solénolde (non représenté) crée un champ magnétique donnant aux électrons émis par le canon des trajectoires hélicodales 22. La partie extrême 16 comprend une paroi métallique 23, chargée de collecter les électrons à leur sortie du tube. Cette collection s'effectue sur un secteur annulaire 24. Un tel secteur peut avoir, par exemple, 10 cm de diamètre et 10 cm de hauteur. Pour un faisceau d'électrons transportant une puissance de 2MW, la densité de puissance dissipée dans ce secteur sera de 6,37 kW/cm. Une telle densité est considérable. Elle nécessite donc un refroidissement énergique de la paroi. Ce refroidissement est obtenu en général par une circulation d'eau, à l'aide d'une installation volumineuse et encombrante. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient. A cette fin, elle propose un dispositif qui permet d'étaler la zone d'impact des électrons le long de la paroi collectrice et de réduire ainsi la densité de puissance dissipée. Ce résultat est obtenu en créant, dans le volume (imité par la paroi collectrice, un champ magnétique faiblement divergent dans le sens de déplacement du faisceau d'électrons. Un 2 2625836 tel champ a pour effet de coucher les trajectoires des électrons pour les rendre quasi parallèles à la paroi. La zone d'impact se trouve alors considérablement allongée. Le champ magnétique peut être obtenu par tout moyen et, par exemple, par un enroulement ayant un nombre de tours par unité de longueur qui décroît le long du collecteur dans le sens de déplacement des électrons. Un tel enroulement peut être tronconique. Mais on peut utiliser également une bobine cylindrique coaxiale à une bobine conique; ou encore une juxtaposition de bobines de même diamètre intérieur mais de diamètre extérieur décroissant, etc. L'effet d'étalement spatial obtenu peut être combiné à un effet de balayage périodique. A cette fin, le courant parcourant l'enroulement peut être formé d'une composante continue et d'une composante variable périodique. De préférence, la composante variable a la forme d'un signal triangulaire. Le dispositif de l'invention peut être utilisé pour tous les tubes électroniques de puissance tels que les klystrons, les tubes à ondes progressives, etc. Il est cependant particulièrement bien adapté au gyrotron parce que, dans ce cas, le faisceau d'électrons remplit un tube qui, d'une part, présente une épaisseur mince et, d'autre part, ne peut être modifié à volonté puisqu'il forme en même temps le guide d'ondes de sortie. De toute façon, les caractéristiques de L'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description se rapporte à des exemples de' réalisation donnés à titre explicatif et non limitatif. Elle se réfère à des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente un gyrotron selon l'art antérieur, - [a figure 2 représente, en coupe, un collecteur selon l'invention, dans une variante adaptée au gyrotron, - la figure 3 montre les variations du courant d'alimentation d'un enroulement, 3 2625836 - la figure 4 montre un collecteur selon l'invention, dans une variante adaptée à un klystron à faisceau non modulé, - la figure 5 montre un collecteur selon l'invention, dans une variante adaptée à un klystron à faisceau modulé, - la figure 6 illustre une variante à deux bobines, - la figure 7 est un exemple de circuit d'alimentation d'un dispositif à plusieurs bobines. Le collecteur représenté sur la figure 2 est disposé à l'extrémité d'un gyrotron dont on ne voit que l'enroulement principal 32. Le collecteur comprend une paroi conductrice 34, de forme légèrement évasée. Le guide ainsi constitué est fermé par une fenêtre 35 transparente à l'onde engendrée. Selon l'invention, cette paroi est disposée dans une bobine 36 qui, dans l'exemple illustré, est unique et présente la forme d'un tronc de cône. Cette bobine crée un champ magnétique légèrement décroissant lorsqu'on s'éloigne du tube (c'est-à-dire vers la droite sur la figure 2). Les lignes d'induction 37 sont donc légèrement divergentes vers la droite. Vers la gauche, elles se raccordent aux lignes d'induction de l'enroulement principal 32. Dans ces conditions, les électrons du faisceau 38 vont s'enrouler autour de ces lignes; le faisceau va s'évaser faiblement et venir frapper la paroi 23 de manière quasi tangentielle. La zone d'impact 40 se trouve alors allongée et la densité de puissance dissipée diminuée. Si le courant I circulant dans l'enroulement 36 présente une composante continue Io et une composante variable périodique Il, comme représenté sur la figure 3, on obtiendra, en outre, un balayage de la zone d'impact, au rythme de la composante périodique. Ainsi, une grande partie (voire la totalité) de la face intérieure de la paroi 23 collectera les électrons, ce qui réduit encore la densité moyenne de puissance dissipée. Sur la figure 3, la composante I1 présente la forme d'un signal triangulaire de période T. Mais d'autres formes sont naturellement possibles (en dents de scie ou en sinusoïde). 4 2625836 Le temps de pénétration ou de sortie du champ magnétique dans un collecteur d'épaisseur d est de L'ordre de 1/140 \d secondes o d est exprimé en cm. De même, pour la chaleur, le temps de traversée est de l'ordre de sd secondes. Pour un collecteur de 1 cm d'épaisseur, on pourra prendre T=0,1 seconde, ce qui correspond à une fréquence de balayage de 10 Hz. Pendant cette durée T, le champ magnétique pourra entrer et sortir du collecteur, tandis que la paroi sera refroidie de manière à peu près constante dans le temps. Dans le collecteur d'un tube du genre klystron, le faisceau diverge plus brutalement que dans un gyrotron. Mais le problème reste le même, en ce sens qu'à certains endroits, les densités de puissance peuvent être très importantes et dépasser I kWicm en continu ou en moyenne. Cette situation risque de limiter la durée de vie du tube (grossissement des cristaux, dégazages, fusion,...) en supposant un refroidissement raisonnablement efficace (eau avec une vitesse de plusieurs mètres par seconde, hypervapotron avec une vitesse de L'ordre du mètre par seconde, etc.). Sur beaucoup de tubes hyperfréquences, cette densité et, donc, ce risque, sont réduits par l'accroissement du diamètre du collecteur. Mais, bien entendu, sur des klystrons de grande dimension on se heurte vite à des contraintes d'encombrement. L'invention permet, par l'adjonction de l'enroulement, d'étaler le faisceau sur une plus grande surface de collecteur et donc de réduire la densité de puissance ou de chaleur. C'est ce qui est représenté sur les figures 4 et 5. La figure 4 représente, de manière schématique, un collecteur 34 adapté à un klystron (partie a) avec des faisceaux d'électrons référencés F1, F2 et la densité de puissance dissipée P, exprimée par exemple en kW/cm, le long du collecteur (partie b).- Les pointes Z1 et Z2 qui apparaissent sur la courbe en trait pointillé de la partie b correspondent à l'art antérieur. Elles disparaissent ou sont fortement estompées dans l'invention 2625836 pour Laisser place à des zones Z'1 et Z'2 représentées en trait continu. La figure 4 correspond au cas o Le faisceau n'est pas modulé par la haute fréquence; en d'autres termes le klystron fonctionne en "diode", cavité d'entrée non excitée. Ce peut être le cas lors de la mise en route d'une installation, à certains moments du cycle d'une machine scientifique (synchrotron, plasma,...), d'un émetteur de télécommunications travaillant à faible régime (faible nombre des communications...). Si, au contraire, le faisceau d'électrons est modulé, la zone d'impact balaye déjà au rythme de la fréquence de modulation, une surface plus ou moins importante du collecteur. L'invention permet d'aller epcore plus loin, comme illustré sur la figure 5 et d'étaler encore les zones Z1 et Z2 (en pointillé), en zones larges Z'1 et Z'2 (en train continu). Il est alors possible de réaliser des tubes très puissants, en évitant les problèmes évoqués plus haut ou de réaliser des tubes de puissance plus modeste mais avec des collecteurs de faibles dimensions. La figure 6 illustre un exemple de réalisation d'un collecteur selon l'invention, dans le cas d'un klystron. Ce dernier comprend une cavité de sortie 50 avec deux tubes de glissement 52, 54, un iris de sortie 56 et un guide d'onde de sortie 58. Le collecteur 60 est séparé du klystron par une plaque 61. Il comprend une paroi conductrice 62 entourée de deux bobines 66 et 68 dont la forme est apte à créer un champ divergent. Ces bobines sont alimentées en phase ou de manière déphasée. Des moyens de refroidissement comprennent une entrée de liquide réfrigérant 72, de l'eau par exemple, une enceinte étanche 73 en forme de chicane, et une sortie 74. Un circuit d'alimentation électrique possible pour alimenter un dispositif à plusieurs bobines est représenté sur la figure 7. Un secteur mono- ou triphasé 80 alimente un redresseur 82 et un générateur de synchronisation et de commande 84. Des ondulateurs monophasés 86-1, 86-2,. , 86-n reçoivent une tension continue d'alimentation provenant du redresseur 82 et un..DTD: 6 2625836 signal de synchronisation provenant du générateur 84. Ils délivrent des tensions V1, V2,..., Vn comprenant une composante alternative déphasée d'un ondulateur au suivant. Ces tensions sont appliquées aux n bobines d'un collecteur selon l'invention. 7 2625836 REVENDICATIONS 1. Collecteur d'électrons pour tube électronique, ce collecteur comprenant une paroi conductrice (23) destinée à recevoir sur sa face intérieure un faisceau d'électrons (22) issu du tube (10, 12, 14) sur une zone d'impact en forme de secteur annulaire (24), ce collecteur étant caractérisé par le fait qu'il comprend en outre, autour de la paroi (23), au moins un enroulement (36) coaxial à la paroi et parcouru par un courant, cet enroulement étant apte à créer un champ magnétique (37) faiblement divergent dans le sens de déplacement du faisceau d'électrons. 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enroulement (36) comprend un nombre de tours par unité de longueur qui décroÂt le long du collecteur dans le sens de déplacement des électrons. 3. Collecteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'enroulement (36) est de forme tronconique. 4. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le courant parcourant l'enroulement (36) comprend une composante continue (Io) et une composante variable périodique (I1). 5. Collecteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la composante variable (I1) a la forme d'un signal triangulaire. 6. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enroulement est constitué par un jeu de plusieurs bobines (66, 68) juxtaposées. 7. Colleçteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les bobines sont alimentées par un courant ayant une composante continue superposée à une composante alternative, cette dernière étant déphasée d'une bobine à la suivante.