Brevet FR2630832A1 — publié le 19891103

SYSTEME DE MIROIRS POUR LE GUIDAGE D'UNE ONDE ELECTROMAGNETIQUE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un système de miroirs pour Le guidage d'une onde électromagnétique. ELLe trouve une application notamment dans Le domaine de La physique des plasmas, o elLe permet de guider une onde milLimétrique ou infra-mitLLtmétrique entre un générateur et une machine à plasma, à des fins diverses (ionisation, chauffage, contrôLe de densité ou de stabilité, etc...). Lorsque La longueur d'onde est supérieure à 3 mm, on utilise généralement des guides d'onde surdimensionnés. On parvient à y maintenir La propagation de L'onde dans un mode choisi, par exemple TE01, sur une distance qui atteint parfois plusieurs dizaines de mètres. Pour des longueurs d'onde plus faibLes, IL a été démontré que des systèmes de miroirs sont plus avantageux, bien que plus encombrants. En effet, Les pertes d'énergie d'un faisceau hertzien sur un miroir sont indépendantes du diamètre de O20 ce faisceau, mais la distance entre Les miroirs croit avec La surface des miroirs, pour une perte maximale par diffraction donnée. Le principe connu d'un système à miroirs est illustré sur La figure 1. LUn tel système est décrit dans L'article de 6. FAILLON et 6. MOURIER intitulé "Developments in Microvave Tubes for RF Heating of PLasmas" pubLié dans "Proceedings of the 2nd Joint GrenobleVarenna International Symposium", symposium qui s'est tenu à Villa Olm, Come (Italie) du 3 au 12 septembre 1980. Dans un tel système, on utiLise des miroirs El, E2,... en forme de portion d'etltipsoldes. Aux foyers de ces eLiLpso;des, on trouve des images successives, aLignées sur L'axe commun des eLLipsoides. Si-un tel système est satisfaisant à certains égards, iL reste difficile à réaLiser à cause des miroirs en forme d'eLlipsolde. Il existe dans Le mime domaine un autre besoin, qui est celui de modifier La direction générale d'une onde électromagnétique: par exempte, une onde peut sortir d'un générateur dans une direction verticale alors que L'enceinte d'utilisation de cette onde se trouve à L'horizontale du générateur. Dans ce cas, comme-le montre la figure 2, on peut aussi utiliser un miroir elliptique. M, qui dévie Le faisceau en le reconcentrant dans la direction voulue. On peut utiliser plusieurs miroirs de ce type, mis bout à bout. Cette solution, si elle est plus simple que la précédente, présente encore des inconvénients. Si le faisceau possède une section circulaire, le contour du miroir doit être d'autant plus elliptique que l'angle d'incidence est plus grand. Par ailleurs, la distance focale n'est pas la mime dans Le plan d'incidence et dans le plan perpendiculaire. Un faisceau à rayons parallèles convergera à une distance R/2 coso$ dans Le plan d'incidence et à une distance R/2 dans le plan perpendiculaire, si R est le rayon de courbure. Pour concentrer un faisceau vers un point unique situé à une distance f, il serait nécessaire en fait d'utiliser un miroir'à deux courbures, égales respectivement à: R = 2.. dans le plan d'incidence t cos. et R = 2f dans Le plan perpendiculaire. P La réalisation de miroirs à deux courbures pose cependant des difficultés de réalisation et L'on en revient quasiment aux difficultés du miroir en forme d'elLlipsolde. Le but de La présente invention est justement de remédier à ces inconvénients en proposant un système de miroirs très simple à réaliser et très simple de mise en oeuvre. A cette fin, L'invention propose un système comprenant au moins deux miroirs concaves en forme de portion de cylindre, la concavité de l'un des miroirs étant tournée vers L'autre - miroir,' Les plans de section droite des deux miroirs étant perpendiculaires Cen d'autres termes Les miroirs sont "croisés"). Dans cette définition, le mot "cylindre" est pris au sens géométrique du terme, à savoir, surface engendrée par une droite se déplaçant parallèlement à elle-même en s'appuyant sur une courbe. Cette courbe peut être un cercle, auquel cas on parlera de cylindre circulaire, mais elle peut aussi être une parabole (cylindre parabolique), ou tout autre courbe. L'indépendance des deux miroirs permet de donner à chacun d'eux la courbure désirée, pour que l'ensemble présente une distance focale unique et déterminée. Un grand nombre de variantes sont possibles. On pourra se Limiter par exemple à deux miroirs ayant des rayons de courbure R1 et R2 égaux respectivement à 2fl/cose1 et 2f2/cosv2 o e1 et &2 sont les angles d'incidence de l'onde sur les miroirs et fl et f2 des distances focales. Mais on pourra utiliser aussi des systèmes plus complexes à trois miroirs. Dans une variante symétrique, le premier et le troisième miroirs ont une même courbure R égale à 2f/coso., et le miroir intermédiaire une courbure 2f'/cos i ', o L et,' sont des angles d'incidence et f et f' des distances focales. Dans une autre variante, le système comporte une pluralité de miroirs répartis alternativement d'un c8té d'un axe et de L'autre, et ont leurs génératrices alternativement parallèles et perpendiculaires à cet axe. De toute façon, les caractéristiques de L'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation donnés à titre non limitatif et elle se réfère à des dessins annexes sur Lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente un dispositif de l'art antérieur; - Lt figure 2, déjà décrite, montre un miroir sphérique de l'art antérieur; - La figure 3 montre une variante de L'invention à deux miroirs cylindriques; - la figure 4 montre une variante de l'invention à trois miroirs cylindriques; - la figure 5 montre un autre mode de réaLisation-de La variante à trois miroirs; - La figure 6 montre encore un autre mode de réalisation de la variante à trois miroirs; - la figure 7 illustre un système à plusieurs miroirs cyLindriques répartis le Long d'un axe; - la figure 8 montre un mode de réalisation d'un miroir cylindrique; - la figure 9 montre une installation mettant en oeuvre des systèmes conformes à l'invention. Sur La figure 3, on voit un système à deux mirpirs M1 et M2, de rayons de courbure respectifs R1 et R2. Un point objet P est situé à une distance L1 du sommet 01 et un point image P' à une distance 12 du sommet 02. La distance entre les sommets 01 et 02 est notée l1,2. L'angle d'incidence sur M1 est noté 1 et l'angle d'incidence sur M2 est noté %2. Les miroirs sont croisés, c'est-à-dire que leurs plans de section droite (plans perpendiculaires aux génératrices) sont perpendiculaires. En d'autres termes, Les génératrices des deux miroirs sont des droites orthogonales. Les rayons de courbure R1 et R2 sont définis par: 2fI R1 =... R1 cos 1 2f2 R2 =...... cosd 2 avec fi et f2 déterminés par: I I 1 ____ = ____ + _- _______ fi L1 11,2 + L2 1 I 1 f2 1l + 11,2 12 Comme cas particulier, on peut avoir o 1= o 2=450. Les rayons incident et réfléchi sont alors parallèles et les rayons de courbure sont égaux respectivement à 2 -2 f1 et 2 '2 f2. Dans un système symétrique, avec 11=l2, on aura en outre fl=f2=f et Rl=R2=2 "2 f. Cette variante à deux miroirs croisés, si elle est simple à réaliser, présente néanmoins un inconvénient. En effet, elle conduit à une déformation du faisceau. Si celui-ci présente une section circulaire en P, la section sera elliptique en P'. La raison en est que, dans le plan de propagation, le rapport y'/y des dimensions de l'image à L'objet est égal à 12/Cl1+l1,2) alors que dans le plan perpendiculaire, le rapport x'/x des dimensions est égal à t1,2+L2/t1. Un faisceau de section droite circulaire en P se transforme donc en un faisceau de section droite elliptique en P', L'ellipse ayant des axes dans le rapport y 11l2 x' (L1 +l1,2)(L2 + L1,2) Pour corriger ce défaut, on peut utiliser une variante à trois miroirs, conformément aux figures 4, 5 et 6. Sur la figure 4 le système représenté comprend un troisième miroir concave M3, lui aussi en forme de portion de cylindre, dont la concavité est tournée vers le deuxième miroir M2 et dont le plan de section droite est perpendiculaire à celui du deuxième miroir. Dans la variante illustrée, le troisième miroir est identique au premier, et, de plus, le premier (MI) et le troisième C(M3) miroirs sont disposés symétriquement par rapport au deuxième (M2). Le rayon de courbure R des premier et troisième miroirs et te rayon de courbure R' du deuxième miroir sont donnés par: Zf R M __ Co; c% 2f' R' = à-__ Ru ------m COS @% cos A o: - o est l'angle d'incidence sur les premier et troisième miroirs, - i' est l'angle d'incidence sur le deuxième miroir. Les distances focales f et f' sont déterminées par les relations: I 1 1 f l I + 2l' 1 2 f' l + l' o: - i est la distance commune entre le point objet P et le sommet du premier miroir et La distance entre le sommet du troisième miroir et un point image P', - l' est la distance entre le sommet du deuxième miroir et Les sommets du premier et du troisième miroirs. Cette variante à trois miroirs est susceptible d'un grand nombre de modes de mise en oeuvre. Avec Le mode ilLustré sur la figure 4, on pourra obtenir par exemple un changement de. direction de 90 , pour passer d'une onde horizontale à une onde verticale, en choisissant des angles i et t' vérifiant la relation 2 I.+. '=3'"t14. Avec = d' par exemple, on aura un angle d'indicence de 45 sur chacun des miroirs. Avec des miroirs identiques, on aura un rayon de courbure unique égal à 2 -2 f. Dans Le mode de réalisation de la figure 5, les ondes d'entrée et de sortie ont des directions parallèles, mais des sens opposés. Dans le mode de réalisation de La figure 6, Les ondes d'entrée et de sortie ont mime sens. La figure 7 montre encore une autre variante comprenant une double pluralité de miroirs M1, M3, M5,... et M2, M4... Ces miroirs sont répartis de part et d'autre d'un axe ZZ'. Les miroirs de rang impair Ml, M3... ont Leurs génératrices parallèles à l'axe ZZ'. Inversement, cet axe est dans le plan de section droite des miroirs de rang pair M2, W4... Comme les génératrices des miroirs Ml, M3, MS... sont toutes parallèles entre elles, ces miroirs peuvent être constitués par un seul et mime miroir cylindrique (représenté en tiretés sur La figure 7) monté sur un support fixe. Les miroirs M2, M4... peuvent être montés sur des supports orientables pour assurer un réglage fin. Pour réaliser un miroir cylindrique destiné à l'un quelconque des modes de réalisation de l'invention, on peut utiliser un montage tel que représenté sur La figure 8. Un support 10 comprend deux profils 12 et 14 dont la partie supérieure présente La forme requise (arc de cercle, arc de parabole, etc...). Une tôle 18 est appliquée sur ces profils et pliée pour épouser la partie supérieure des profils. Elle constitue alors un miroir cylindrique. Pour finir, La figure 9 montre très schématiquement une installation mettant en oeuvre divers systèmes de miroirs seLon L'invention. Une source 20 de rayonnement électromagnétique millimétrique ou infra- miLlimétrique délivre une onde 22 verticale qui est renvoyée par un premier système S1 à deux miroirs (du type de celui de La figure 3) vers un second système S2 comprenant une série de miroirs faisant face à un miroir unique (comme ceLui de La figure 7); un troisième système de miroirs S3, à trois miroirs (comme ceLui des figures 5 et 6) renvoie L'onde vers une machine à plasma 30. REVENDICATIONS 1. Système de miroirs pour Le guidage d'une onde électromagnétique, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux miroirs concaves (M1, M2) en forme de portion de cylindre, la- concavité de l'un des miroirs étant tournée vers l'autre miroir, les plans de section droite des deux miroirs étant perpendiculaires. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que Les rayons de courbure (R1 et R2) des miroirs sont égaux respectivement à 2fl/cosr1 et 2f2/coso(2 o e1 et o2 sont les angles d'incidence de l'onde sur les miroirs et fi et f2 sont des distances focales déterminées par les deux relations: 1 I 1 ____= ---- - ---------- fi L1 L1,2 + L2 1 1 1 __à_= ------- - - _---- f2 ll + L1,2 12 o l est la distance d'un point objet (P) au sommet (01) du premier miroir (M1), 12 est la distance du sommet (02) du deuxième miroir (M2) à un point image (P') et L1,2 La distance entre les sommets (01, 02) des miroirs (M1, M2). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé par Le fait que les angles e1 et u2 sont tous deux égaux à 45 . 4. Système selon La revendication 1, caractérisé par Le fait qu'il comprend un troisième miroir concave (M3) en forme de portion de cylindre, dont la concavité est tournée vers Le deuxième miroir (M2) et dont le plan de section droite est -perpendiculaire à celui du deuxième miroir. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le troisième miroir CM3) est identique au premier (M1), le premier (M1) et le troisième -(M3) miroirs étant disposés symétriquement par rapport au deuxième (M2). 6. Système selon la revendication 5, caractérisé par Le fait que Le rayon de courbure R des premier et troisième miroirs (M1, M3) et le rayon de courbure R' du deuxième miroir (M2) sont donnés par: 2f R cos Z 2f' R' = ------ coso4' o: - ( est l'angle d'incidence sur les premier et troisième miroirs (M1, M3), - e ' est l'angle d'incidence sur le deuxième miroir (M2), o f et f' sont détqrminés par les relations: 1 1 1 ----..--± f l l + 2l' I 2 f' t + l' o - I est la distance commune entre le point objet (P) et Le sommet du premier miroir et la distance entre le sommet du troisième miroir et un point image (P'), - l' est la distance entre le sommet du deuxième miroir. et les sommets du premier et du troisième miroirs. 7. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend une succession de miroirs (M1, M3, M5... M2, M4) répartis alternativement de part et d'autre d'un axe (ZZ'), un miroir sur deux (M1, M3, M5) ayant ses génératrices parallèles à l'axe et les autres (M2, M4.. .) ayant leurs génératrices perpendicuLaires à cet axe. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les miroirs (M1, M3, M5...) dont Les génératrices sont parallèles à L'axe (ZZ') sont réunis en un seuL miroir cyLindrique de génératrices paraLLèLes à L'axe ZZ, miroir unique dans La concavité duqueL sont disposés Les autres miroirs (M2, M4..). 9. Système selon L'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par Le fait que Les miroirs ont des sections droites circulaires.