Brevet FR2648272A1 — publié le 19901214

TUBE HYPERE;EQUENCE A SORTIE COAXIALE AVEC LE COLLECTEUR. La présente invention concerne les tubes hyperfréquences à faisceaux d'électrons longitudinaux traversant au moins une cavité de sortie. Elle concerne plus particulièrement les klystrons classiques et tous les tubes dérivés notamment les klystrons multifais ceaux, les klystrodes monofalsceaux, multlfalsceaux, à faisceau creux, les klystrons à cavités surmodées etc.. Un klystron classique monofaisceau est un tube à modulation de vitesse d'un faisceau d'électrons. Son principe est basé sur l'interaction entre un faisceau d'électrons longitudinal et des champs électromagnétiques indults dans des cavités résonantes. Un dispositif de focalisation entoure les cavités. Ce dispositif empêche le faisceau d'électrons de diverger. Les cavités au nombre de quatre ou clnq sont placées les unes à la suite des autres, le long de l'axe du faisceau d'électrons. Elles sont séparées par des tubes de glissement. Le faisceau d'électrons formé par un canon traverse successlvement les cavités résonantes et les tubes de glissement. Il est recueilli par un collecteur généralement cylindrique, coaxial avec le faisceau d'électrons et placé en aval de la dernière cavité. Le dispositif de focalisation est souvent constitué d'un électroalmant. Il a la forme d'un cylindre creux, tl peut servir d'enveloppe au tube. Lors du montage, on plonge dans le dispositif de focalisation, l'ensemble des cavités solidaires à une extrémité du canon et à l'autre extrémité du collecteur. Le collecteur recueillant le faisceau d'électrons s'échauffe et on le refroidit en falsant circuler, autour de sa paroi externe, un fluide réfrigérant, de l'eau par exemple. On introduit dans la première cavité située près du canon une onde hyperfréquence à amplifier ; la dernière cavité ou cavité de sortie est reliée à un organe d'utilisation externe par l'intermédiaire d'une courte ligne de transmission. Cette ligne est généralement un guide d'onde de section rectangulaire ou un guide d'onde coaxial. Ce guide d'onde est disposé transversalement par rapport au faisceau d'électrons. La cavité de sortie peut être reliée a plusieurs lignes de transmission. Le couplage entre la cavité de sortie et le guide d'onde se fait par un orifice placé dans une paroi latérale de la cavité; on obtient ainsi un iris de couplage. On peut placer une fenêtre hyperfréquence constituée d'une lame mince d'un matériau diélectrique, au niveau de l'orifice de couplage de manière à l'obturer complètement. Cette fenêtre est destinée à laisser passer les ondes hyperfréquences vers l'organe d'utilisation tout en maintenant un vide poussé à l'intérieur de la cavité. Cette fenêtre hyperfréquence pourrait aussi autre fixée à l'intérieur du guide d'onde. Dans d'autres klystrons dits "å cavités externes", des manchons en matériau diélectrique, coaxiaux avec l'axe du faisceau d'électrons sont montés de manière étanche à l'intérieur des cavités. Chaque manchon délimite une portion de cavité intérieure soumise au vide poussé et une portion de cavité extérieure soumise à la pression atmosphérique. Dans cette construction, c'est la portion extérieure de la cavité de sertie qui est reliée par un orifice de couplage à L'organe d'utilisation. La ligne de transmission reliée à la cavité de sortie étant transversale à l'axe du faisceau d'électrons, le klystron est dissymétrique. Cette dissymétrie entraîne Ru moins deux conséquences fâcheuses. Le dispositif de focalisation ne peut entourer totalement la cavité de sortie. Le champ magnétique est considérablement réduit dans la cavité de sortie alors que c est l'endroit où l'on en a le plus besoin, la grandeur du champ électromagnétique étant alors maximale et susceptible de perturber la trajectoire du faisceau de façon importante. Dans la technique antérieure, on a utilisé des bobines d'électroaimant échancrées au niveau (le la ligne de transmission. Mais cette construction ne permet pas vraiment de retrouver une valeur du champ magnétique correcte et de plus on risque d'obtenir une composante radiale trop importante du champ magnétique qui provoque une défocalisation du faisceau. Cette dissymétrie entraîne aussi une difficulté importante au cours du montage du klystron. En effet il faut glisser et ajuster de façon très précise l'ensemble canon-cavités-collecteur a. l'intérieur du dispositif de focalisation. Cette manipulation est toujours très délicate à réallser en raison de la précision exigée, des masses mises en oeuvre et de la fragilité de la liaison entre la cavité de sortie et la ligne de transmission. Il faut noter que l'ensemble canon-cavités-collecteur pèse souvent plusieurs centaines de kilogrammes. La présente invention a pour but de réaliser un tube hyperfréquence de type klystron qui ne présente pas les inconvénients cités plus haut. La présente invention fournit une solution particulièrement simple pour réaliser de tels tubes avec des éléments préexistants. Les modification s n'interviennent principalement qu au niveau de la cavité de sortie. Pour attendre ces buts la présente invention propose un tube hyperfréquence d'axe longitudinal, A au moins un faisceau d'électrons longitudinal traversant au moins une cavité de sortie et recueilli dans un collecteur Aligné avec l'axe du tube, cette cavité de sortie étant couplée à un organe d'utilisation par l'intermédiaire d'une ligne de transmission caractérisé en ce que la ligne de transmission entoure le collecteur et en ce que la ligne de transmission et le collecteur sont coaxiaux. Selon une construction préférentielle la ligne de transmission est un guide d'onde coaxial comprenant- un conducteur intérieur entouré d'un conducteur extérieur. Le diamètre du conducteur intérieur est voisin du diamètre dU collecteur. Le diamètre du conducteur extérieur est voisin de la grande dimension de la paroi terminale de la cavité de sortie. Un orifice au moins traverse le paroi terminale de la cavité de sortie et débouche dans un espace compris entre le conducteur extérieur et soit le collecteur soit le conducteur intérieur. Selon une première - variante au moins une fenêtre hyperfréquence obture de façon étanche l'orifice. Selon une seconde variante la fenêtre hyperfréquence est fixée de façon étanche dans un espace compris entre le conducteur extérieur et le conducteur intérieur ou le collecteur. De préférence on placera la fenêtre au delà du collecteur. Selon une troisième variante un manchon en matériau diélectrique, coaxial avec l'axe du tube est monté de façon étanche à l'intérieur de la cavité de sortie. I1 délimite une partie interne et une partie externe. L'orifice traverse la paroi terminale de la partie externe de la cavité de sortie. Un fluide de refroidissement circule autour du collecteur, ce fluide est acheminé par au moins un premier conduit et est évacué par au moins un second conduit, ces conduits passant à proximité de l'orifice de couplage. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées qui représentent - la figure 1 une coupe longitudinale d'un klystron classique - la figure 2a une coupe longitudinale d'un klystron selon 1 'invention - la figure 2b une coupe transversale au niveau d'un plan AA' du même klystron - la figure 3 une coupe longitudinale d'une variante d'un klystron conforme à l'invention - la figure 4 une coupe longitudinale d'une autre variante d'un klystron conforme A l'invention - la figure 5 une vue éclatée d"in klystron multifaisceaux conforme à l'invention. Le klystron représenté sur la figure 1 comporte quatre cavités 1,2,3. Un faisceau d'électrons 4 longitudinal d'axe XX' est produit par un canon 5. Le faisceau d'électrons 4 traverse successivement les cavités 1,3,2. Elles sont alignées avec l'axe XX'. Elles sont séparées par des tubes de glissement 6. L'axe XX' est confondu avec l'axe principal du tube. La première cavité 1 près du canon 5 est la cavité d'entrée. Elle comporte un dispositif de couplage 7 destiné à introduire une onde hyperfréquence devant être amplifiée. La dernière cavité 2 traversée par le faisceau d'électrons 4 est la cavité de sortie. Elle est reliée à un organe d'utilisation par l'intermédiaire d'une ligne de transmission 8. L'organe d'utilisation n'est pas représenté. Par ligne de transmission on entend aussi bien une ligne coaxiale qu'un guide d'onde ou qu'un guide d'onde coaxial. La ligne de transmission 8 représentée est içi un guide d'onde. Elle est perpendiculaire A l'axe XX'. On a monté de manière étanche une fenêtre hyperfréquence 9 à l'intérieur du guide d'onde 8. Cette fenêtre 9 est destinée à maintenir un vide poussé à l'intérieur du tube tout en laissant sortir les ondes hyperfréquences veF D L'organe d'utilisation. Le couplage entre la cavité de sortie 2 et la ligne de transmission 8 se fait grâce à un orifice 10 de couplage situé dans une paroi 1 1 latérale de la cavité de sortie 2, cette paroi étant sensiblement parallèle à l'axe XX'. On réalise ainsi un Iris de couplage. Les cavités 1,2,3 des klystrons ont généralement la forme de cylindres de révolution ou de parallélépipèdes rectangles. La fenêtre hyperfréquence 9 aurait pu obturer l'orifice de couplage 10 au lieu d'être située dans le guide d'onde 8. Après avoir traversé la cavité 2 de sortie le faisceau d'électrons 4 est recueilli dans un collecteur 12 situé en aval de IR cavité de sortie. Ce collecteur a souvent la forme d'un cylindre de révolution creux, coaxial avec l'axe XX'. On fait circuler un fluide réfrigérant, de l'eau par exemple, dans des conduits agencés convenablement autour du collecteur 12. Ces conduits ne sont pas représentés. Une première pièce polaire 13 est placée entre la sortie du canon 5 et la cavité d'entrée 1. Une seconde pièce polaire 24 est placée entre la cavité de sortie 2 et le collecteur 12. Ces pièces -polaires contribuent à faire converger le faisceau d'électrons 4. Un , dispositif de focalisation 14 entoure presque totalement les cavités 1,2,3. Ce dispositif de focalisation a la forme d'un cylindre de révolution creux d'axe XX'. Il produit un champ magnétique parallèle à l'axe XX'. Le dispositif de focalisation 14 est constitué de bobines 15,16 d'électroaimant successives. Ce dispositif de focalisation sert d'enveloppe au klystron. La bobine 16 qui entoure la cavité 2 de sortie comporte deux échancrures 17,18. Une des échancrures 17 laisse passer le guide d'onde 8, l'autre échancrure 18 est diamétralement opposée pour des raisons de symétrie. Une telle bobine 16 malgré les deux échancrures 17,18 symétriques risque de faire apparaitre un champ magnétique parasite radial défocalisant et de toute façon réduit le champ magnétique sur l'axe XX'. La figure 2a représente en coupe longitudinale un klystron informe à l'invention. Par rapport A la figure 1, les différences entre les deux klystrons ne se situent que dans une zone comprise entre la cavité de sortie et le collecteur. Les autres éléments du tube sont agencés comme sur la figure I et ils portent les mêmes références. Pour des raisons de clarté les proportions ne sont pas respectées. La cavité de sortie porte la référence 30. Elle est entourée d'une bobine 31 d'électroaimant identique aux autres bobines 15. Le faisceau d'électrons 4 après avoir traversé la cavité de sortie 30 est recueilli par un collecteur 32 en forme de cylindre de révolution creux, coaxial avec l'axe XX'. Le collecteur 32 comporte un dispositif de refroidissement fonctionnant par circulation d'un fluide réfrigérant. Ce dispositif de refroidissement sera décrit ultérieurement. La cavité de sortie 30 est toujours reliée à un organe d'utilisation non représenté, par l'intermédiaire d'une ligne de transmission 35 mais cette ligne de transmission n'est plus transversale à l'axe XX'. Cette ligne de transmission 35 est maintenant dans l'axe . du tube. Pour cela la paroi terminale 33 de la cavité de sortie 30 qui se trouve face au collecteur 32 comporte au moins un orifice de couplage 56. Cette parol 33 est sensiblement transversale à l'axe XX'. Sur la figure 2b qui est une coupe transversale dans le plan AA' au niveau de la paroi terminale 33 on a représenté quatre orifices 56 de couplage de forme oblongue. Ces orifices 56 auraient pu être circulaires ou d'une autre forme. Pour des raisons de tenue mécanique on utilisera, si possible, plusieurs orifices de couplage, La ligne de transmission 35 est un guide d'onde coaxial. Son axe est confondu avec l'axe du tube et par conséquent du collecteur 32. Ce guide d'onde coaxial comporte un conducteur intérieur 36 entouré d'un conducteur extérieur 37. Ces deux conducteurs 36,37 sont des cylindres creux, de révolution, coaxiaux; Les deux conducteurs 36,37 ont respectivement chacun une extrémité 38,39 reliée à l'organe d'utillsation, c'est leur extrémité supérieure. Leur autre extrémité 40,41 ou base est solidaire .u klystron. Le base 41 du conducteur extérieur 37 est fixée de manière étanche, à l'aide de vis 42 et d'un joint d'étanchéité 43 aux ondes électromagnétiques sur une pièce 44. Cette plece 44 en forme de disque est solidaire à la fois de la paroi terminale 33 de la cavité de sortie 30 et de la bobine d'électroaimant 31. Cette pièce 44 comporte des trous 49 de même taille que les orifices 56. Ces trous 49 sont situés en regard des orifices 56. Les orifices de couplage 56 débouchent dans un espace compris entre le conducteur extérieur 37 et le collecterlr 32. On pourrait envisager que la base 41 du conducteur 37 soit fixée de manière étanche directement sur la paroi terminale 33 de la cavité de sortie 30 ou sur la bobine 31. Cela dépend du diamètre du conducteur 37. Le conducteur extérieur 37 aura un diamètre sensiblement voisin du diamètre extérieur de la cavité de sortie, si cette dernière est cylindrique. Si la cavité de sortie est parallélépipède on R une autre forme, le diamètre du conducteur extérieur sera voisin de la plus grande dimension de la surface terminale 33 de la cavité de sortie 30. La base 40 du conducteur Intérieur 36 est solidaire d'un étrier 46 lui-meme fixé de manière étanche à l'aide de vis 47 et de joint 48 étanche aux ondes hyperfréquences au sommet du collecteur 32. Le diamètre du conducteur intérieur 36 sera voisin du diamètre extérieur du collecteur 32. D'autres moyens de fixation du conducteur intérieur et du conducteur extérieur peuvent être envisagés. Dans tous les cas il est nécessaire que le diamètre du conducteur intérieur 36 soit inférieur au diamètre du conducteur extérieur 37. Cette contrainte impose que le diamètre extérieur du collecteur 32 soit Inférieur à la plus grande dimension de la surface terminale 33 de la cavité de sortie 30. Le collecteur 32 comporte une enveloppe interne 50 généralement en forme de cylindre de révolution, creuse fermée à son extrémité supérieure. C'est à l'intérieur de cette enveloppe 50 que sont recueillis les électrons. Cette enveloppe 50 est entourée une enveloppe externe 51 également en forme de cylindre de révolution fermée à son extrémité supérieure, coaxiale avec l'enveloppe interne 50. C'est entre ces deux enveloppes 50, 51 que va circuler le fluide réfrigérant. Pour cela on place une paroi intermédiaire 52, en forme de cylindre de révolution, creux ayant une extrémité supérieure ouverte. Un espace 53 est aménagé entre l'extrémité supérieure de la paroi intermédiaire 52 et le sommet de l'enveloppe externe 51. Les extrémités inférieures de l'enveloppe interne. 50, de l'enveloppe externe 51 et de la paroi intermédiaire .')2 sont ouvertes et sont fixées de manière étanche soit à la pièce 44, soit sur la surface terminale 33 de la cavité de sortie 30. Le fluide réfrigérant circule d'une part entre l'enveloppe externe 51 et la paroi intermédiaire 52 et d'autre part entre la paroi Intermédiaire 52 et l'enveloppe interne 50. Ce fluide est injecté par des conduits 54 sltués À la base du collecteur 32 au niveau de la pièce 44 ou de la paroi terminale 33 de la cavité de sortie. Ces conduits 54 sont placés entre les orifices 56 dans le cas où 1l y A plusieurs orifices. I1 pénètrent à l'intérieur de l'enveloppe externe 51. Ce fluide est évacué par d'autres conduits 55 situés également à la base du collecteur 32 au niveau de la pièce 44 ou de la paroi terminale 33 de la cavité de sortie 30. Ces conduits 55 sont placés entre les orifices 56 dans le cas où il y a plusieurs orifices. Ces conduits 55 pénètrent à l'intérieur de la paroi intermédiaire 52. Des fenêtres étanches 20 sont disposées dans les orifices 56. Ces fenetres sont des lames d'un matériau diélectrique tel que de la céramique par exemple. Elles sont transparentes aux ondes electromagnétlques tandis qu'elles maintlennent un vide poussé à l'intérieur du klystron. La figure 3 représente une variante d'un klystron selon l'invention. Plusieurs différences existent entre les figures 2a, 2b et la figure 3. Une première différenc- est sltuée au niveau du diamètre du conducteur intérleur C; de la ligne de transmission. Le conducteur intérieur 66 au lieu d'être solidaire du sommet du collecteur 32 sera maintenant solidaire de la paroi terminale 33 de la cavité de sortie 30. Le diamètre du conducteur intérieur 66 sera supérieur au diamètre du collecteur 32. Le diamètre du conducteur intérieur 66 sera toujours inférieur au diamètre du conducteur extérieur 37. On n'a pas représenté de pièce jouant le role de la pièce 44 de la figure 2a et maintenant les bases du conducteur extérieur 37 et du conducteur intérieur 66 sont fixées de manière étanche À la paroi terminale 33 de la cavité de sortie 30. On a percé à travers cette paroi 33 au moins un orifice 56. Cet orifice 56 débouche dans un espace compris entre le conducteur extérieur 37 et le conducteur intérieur 66. On a représenté deux orifices 56. Il peut y en avoir plus. Maintenant ces orifices 56 sont libres et une fenêtre hyperfréquence 67 est placée entre le conducteur extérieur 37 et le conducteur intérieur 66, transversalement à l'axe XX au delà du collecteur 32. Elle est constituée d'une plaque généralement mince de céramique par exemple. Les autres éléments de la figure sont identiques à ceux des figures 2a, 2b. La figure 4 représente encore une autre variante d'un klystron selon l'invention. La différence entre ce klystron et celui représenté aux figures 2a et 2b se situe au niveau de la cavité de sortie 70. Le klystron est à cavité extérieure. On a placé à l'intérieur de la cavité de sortie 70 un manchon 71 en céramique, par exemple, coaxial avec l'axe XX'. Ce manchon 71 délimite, à l'intérieur de la cavité de sortie 70, une partie interne 73 soumise au vide et une partie externe 72 soumise à une pression différente, cette dernière pression pouvant être la pression atmosphérique. Comme sur la figure 3, le conducteur extérieur 37 de la ligne de transmission 35 est solidaire de la paroi terminale 74 de la cavité de sortie 70 tandis que, comme sur les figures 2a 2b le conducteur intérieur 36 est solidaire du sommet du collecteur 32. La paro terminale 74 de la cavité de sortie 70 comporte au moins un f . if Ice 76 non obturé ce qui permet aux ondes hyperfréquences de se propager de la cavité de sortie 70 vers la ligne de transmission 35. La figure 5 représente une vue éclatée d'un klystron multifaisceaux d'axe XX'. Ce klystron multifaisceaux comporte un canon 80 qui produit quatre faisceaux d'électrons 81 longitudinaux parallèles à l axe XX'. Ces quatre faisceaux d'électrons 81 traversent des cavités 82, 83 successives alignées avec l'axe XX' Un dispositif de . focalisation 84 entoure les cavités 82, 83. Après avoir traversé la dernière cavité 83 ou cavité de sortie les quatre faisceaux d'électrons 81 sont recueillis dans un collecteur 85. Dans ce type de tube, le canon, le collecteur, le dispositif de focalisation et les cavités sont communs aux quatre falsceaux d'électrons 81. La cavité de sortie 83 est couplée à une ligne de transmission qui est collnéaire avec l'axe XX'. Cette ligne de transmission est dans cet exemple un guide d'onde coaxial 90 d'axe XX' qui entoure le collecteur 85. Le guide d'onde coaxial 90 comporte un conducteur extérieur 91 entourent un conducteur intérieur 92. Le conducteur intérieur 92 est fixé à sa base de manière étanche au sommet du collecteur 85. La base du conducteur extérieur 91 est solidaire d'une pièce Intermédiaire 86 comme sur les figures 2a, 2b. Cette pièce Intermédiaire en forme de disque est fixée sur la paroi terminale 87 de la cavité de sortie 83. La paroi terminale 87 de la cavité de sortie 83 est percée d'au moins un orifice 88. La pièce intermédiaire 86 comporte su moins un trou 89 de même dimension que l'orifice 88. L'orifice 88 et le trou 89 son situés en vis à vis. Une fenêtre étanche 93 est disposée dans chaque orifice 88. Au lieu d'obturer les orifices 88, on aurait pu placer une fenêtre à l'intérieur du guide d'onde coaxial 90 de préférence au delà du collecteur 85. On aurait. pu aussi dispf v ~ dans le cavité de sortie 83 un manchon comme on l'a représenté à la figure 4. On n'a pas représenté de dispositif de refroidissement du collecteur 85. La présente invention s'appllque aux kly trons et B tous les tubes de la famille du klystron. Les klystrodes monofalsceau, multifalsceaux, à faisceau creux, les lasertrons, les klystrons relativistes etc.. appartiennent à cette famille. Cette invention s'applique aux tubes de puissance moyenne modérée car la possibilité d'alimentation du collecteur en liquide de refroidissement est un peu restreinte. Un tube selon l'invention est parfaitement de révolution et si besoin peut être enfiché facilement dans un logement. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et d'autres variantes sont envisageables sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Tube hyperfréquence d'axe XX' à au moins un faisceau d'électrons longitudinal (4) traversant au moins une cavité de sortie (30) et recueilli dans un collecteur (32) allgné avec l'axe du tube, cette cavité étant couplée à un organe d'utilisation par l'intermédiaire d'une ' ligne de transmission (35) caractérisé en ce que la ligne de transmission (35) entoure le collecteur (32) et en ce que la ligne de transmission (35) et le collecteur (32) sont coaxiaux. 2 - Tube hyperfréquence selon la revendication 1 caractérisé en ce que la ligne de transmission (35) est un guide d'onde coaxial comprenant un conducteur intérieur (36) entouré d'un conducteur extérieur (37). 3 - Tube hyperfréquence selon la revendication 2 caractérisé en ce que au moins un orifice (56) traverse la paroi terminale (33) de la cavité de sortie (30) de manière à ce que a cavité de sortie (30) communique avec un espace compris entre le conducteur extérieur (37) et soit le conducteur intérieur (36) soit le collecteur (32). 4 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le diamètre du conducteur Intérieur (36) est voisin du diamètre du collecteur (32) 5 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le diamètre du conducteur extérieur (37) est voisin de la grande dimension de la paroi terminale (33) de la cavité de sortie (30). 6 - Tube hyperfréquence selon la revendication 3 caractérisé en ce que au moins une fenêtre hyperfréquence (20) obture de façon étanche l'orifice (56). 7 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que au moins une fenêtre hyperfréquence (67) obture de façon étanche un espace compris entre le conducteur intérieur (66) et le conducteur extérieur (37). 8 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce qu'un manchon (71) en matériau diélectrique, coaxial avec l'axe du tube est monté de façon étanche à l'intérieur de la cavité de sortie (70) délimitant une partie interne (73) et une partie externe (72), l'orifice (76) traversant la paroi terminale (74) de la partie externe (72). 9 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 3 à 8 caractérisé en ce qu'un fluide de refroidissement circule autour du collecteur (32), ce fluide étant acheminé par au moins un premler conduit (54) et évacué par au moins un second conduit (55), ces conduits passant à proximité de l'orifice de couplage (56).