Brevet FR2641414A1 — publié le 19900706

TUBE A FAISCEAU D'ELECTRONS REFROIDI PARTIELLEMENT PAR RAYONNEMENT DIRECT La présente invention concerne les tubes à faisceau d'électrons du type à Intéraction longitudinale ou à champs croisés utilisés notamment dans l'espace. Elle propose plus particulièrement un tube à faisceau d'électrons dont le collecteur ou l'anode collectrice d'électrons, dissipent la puissance thermique provenant du faisceau d'électrons, par rayonnement direct sur une source froide à basse température notamment dans le vide spatial. Cette invention s'applique plus particulièrement aux tubes à ondes progressives ou aux klystrons qui sont fréquemment !0 utilisés à bord de satellites de télécommunication ou de télédiffusion, o ils servent d'amplificateurs de puissance. Pour le satellite, ils représentent la principale source de dissipation thermique. Actuellement les tubes à ondes progressives utilisés sur les satellites de télédiffusion représentent une source de chaleur d'environ 100 watts. Un tiers de cette puissance est dissipé par l'ensemble canon-ligne et les deux tiers restants sont dissipés par le collecteur. Sur certains satellites, toute la puissance du tube à ondes progressives est dissipée par conduction sur un panneau fixé au satellite, rayonnant dans le vide spatial. Ce panneau a une température proche de la température ambiante terrestre c'est-à-dire de l'ordre de 300 K. Dans ce cas pour dissiper une centaine de watts une surface d'environ 0,3 ma est nécessaire. C'est une surface importante. Sur d'autres satellites on utilise des tubes à ondes progressives dont]e collecteur rayonne directement dans le vide 2 6 4 1 4 1 4 spatial sans l'intermédiaire d'un panneau rayonnant. L'ensemble canonligne continue à dissiper la puissance thermique par conduction car le fonctionnement de l'ensemble canon-ligne est limité en température. L'ensemble canon-ligne est fixé sur un panneau rayonnant. Le collecteur lui peut fonctionner à haute température et peut rayonner directement sans l'intermédiaire d'un panneau rayonnant. Le collecteur d'un tube à ondes progressives comporte une ou plusieurs électrodes entourées d'une paroi G métallique en forme de cylindre.Les électrodes sont en contact thermique avec la paroi. S'il y a plusieurs électrodes elles sont portées à des tensions différentes adaptées à la dispersion de vitesse des électrons du faisceau. Ce cylindre est généralement en acier inoxydable ou en cuivre. Pour que la paroi du collecteur rayonne directement il faut augmenter sa température. Néanmoins le collecteur doit présenter une surface extérieure suffisante et pour cela on est obligé d'augmenter ses dimensions et donc sa masse. On recouvre généralement la paroi extérieure du collecteur d'alumine afin qu'elle se rapproche le plus possible d'un corps noir. Le fabricant doit réaliser des collecteurs spéciaux pour les tubes à usage spatial. Ces collecteurs sont plus grands que les collecteurs de tubes ayant les mêmes caractéristiques et qui fonctionnent dans une ambiance à pression atmosphérique. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un tube à faisceau d'électrons dont le collecteur ou l'anode collectrice d'électrons dissipent par rayonnement direct la puissance thermique à évacuer sur une source froide à basse température notamment dans le vide spatial. L'invention propose un tube à faisceau d'électrons du type à interaction longitudinale ou à champs croisés comportant un collecteur ou une anode collectrice d'électrons, sensiblement en forme d'un cylindre d'axe longitudinal YY' caractérisé en ce que la paroi extérieure du collecteur ou de l'anode collectrice définit une pluralité de cavités ouvertes vers l'extérieur réparties autour du cylindre de manière à se comporter thermiquement comme un corps noir artificiel, ces cavités permettant le refroidissement du collecteur ou de l'anode collectrice par rayonnement direct sur une source froide à basse température. Selon un premier mode de réalisation la paroi extérieure du collecteur ou de l'anode collectrice d'électrons comporte une pluralité d'ailettes. Ces ailettes sont placées radialement soit sensiblement parallèlement, soit sensiblement transversalement à l'axe YY'. Cette paroi peut aussi comporter certaines ailettes dans une direction et d'autres dans l'autre direction. Selon un autre mode de réalisation des caloducs sont- solidaires des ailettes de manière à diminuer et à uniformiser la température des ailettes. Les ailettes sont réalisées dans un métal ou un alliage léger. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemples non limitatifs et illustrée par les figures annexées - la figure 1 représente un collecteur de tube à ondes progressives dont la paroi extérieure comporte des ailettes orientées radialement et disposées parallèlement par rapport à l'axe longitudinal du collecteur, - la figure 2 représente un collecteur de tube à ondes progressives dont la paroi extérieure comporte des ailettes radiales, certaines étant parallèles à l'axe du collecteur d'autres étant perpendiculaires au même axe. - la figure 3 représente le même collecteur qu'à la figure G 2 les ailettes étant équipées de caloducs. La figure 1 représente un collecteur 1 de tube à ondes progressives de forme extérieure sensiblement cylindrique, d'axe longitudinal YY'. Le collecteur d'un tube à ondes progressives a pour but de recueillir un faisceau d'électrons produit par un canon et circulant dans un tunnel. Le collecteur est disposé à la sortie du tunnel sensiblement dans l'axe du faisceau d'électrons. Le collecteur 1 est constitué d'une ou plusieurs électrodes, non représentées, entourées d'une paroi 3 métallique, généralement cylindrique. Lorsqu'il y a plusieurs électrodes, elles sont portées à des potentiels différents adaptés à la dispersion de vitesse du faisceau d'électrons. Elles sont destinées à répartir les impacts d'électrons de manière homogène tout le long du collecteur. Afin de pouvoir rayonner directement dans le vide spatial, par exemple, la paroi extérieure 3 du collecteur 1 comporte une pluralité d'ailettes 4. Sur la figure, la paroi 3 est réalisée à partir d'une pièce 2 métallique en forme de cylindre creux, coaxiale avec le collecteur 1. Sur cette pièce 2 on a fixé n ailettes 4. La pièce 2 sera, de préférence la paroi extérieure d'un collecteur classique, de tube à ondes progressives. Cette pièce 2 métallique est en acier inoxydable ou en cuivre par exemple. Les ailettes 4 sont sensiblement parallèles à l'axe YY' et sont orientées radialement par rapport à cet axe. Deux ailettes 4 consécutives délimitent une cavité 5 ouverte vers l'extérieur. Les ailettes 4 sont réalisées dans un métal ou un alliage léger: un alliage d'aluminium anodisé par exemple. Les ailettes 4, de forme rectangulaire par exemple sont fixées à la pièce 2 métallique par un côté 6, sur la figure il s'agit d'un grand côté du rectangle. Elles sont fixées par soudure, brasage, frettage ou tout autre moyen connu de l'homme de l'art. La référence 7 indique le côté opposé au côté 6. Le côté 7 de chaque ailette 4 est libre. On aurait pu envisager que la paroi 3 du collecteur soit directement réalisée avec des ailettes, par moulage par exemple. Si on a disposé n ailettes 4 rectangulaires de hauteur d et de longueur I, la puissance P rayonnée par la paroi extérieure du collecteur est donnée par: P = A.2 'Â.d.l.(T)4.[(sin Â/n)/(Â1/n)] - T représente la température moyenne des ailettes en degrés Kelvin, les ailettes étant considérées comme des éléments 2 6 4 1 4 1 4 isothermes. - A représente la constante de Boltzmann et vaut -2 -2 -4 ,7. 10-I2 W m2 K4 Le nombre n d'ailettes 4 est supérieur ou égal à deux. Mais on remarque que la puissance rayonnée varie dans le même sens que le nombre d'ailettes 4. Sur la figure 1, huit ailettes 4 ont été représentées et ce choix a été guidé principalement par des considérations de tenue mécanique. 1G0 Le collecteur 1 a une paroi extérieure 3 définissant des cavités 5. Son émissivité équivalente est bien supérieure à l'émissivité du matériau utilisé. Le collecteur 1 tend à se comporter comme un corps noir artificiel. Dans cette structure. les ailettes 4 ont deux rôles. Elles servent à transporter le flux de chaleur provenant des i5 électrodes vers le côté 7 libre de chaque ailette 4. Leurs deux surfaces principales sont des surfaces radiatives. Sur la figure 1 on a représenté des ailettes 4 ayant une section droite 8 triangulaire. Cette section 8 permet une meilleure répartition de la température tout au long de la hauteur d de chaque ailette 4. Cette forme est facilement réalisable. Les dimensions des ailettes 4 doivent être caleulées, compte tenu de la puissance à dissiper pour que leur température moyenne soit inférieure à environ 500 K. Lorsque l'on se déplace le long de la hauteur d d'une ailette 4 entre le côté 6 et le côté 7 la température décroît progressivement. Ce collecteur i dissipe de la puissance thermique également par convection naturelle et rayonnement si le tube à ondes progressives est placé dans une ambiance à la pression atmosphérique. Les ailettes toujours radiales auraient pu être disposées sensiblement transversalement à l'axe YY' du collecteur. Cette variante aurait donné des résultats similaires au point de vue puissance dissipée et émissivité. 2 6 4 1 4 1 4 Pour améliorer l'émissivité du collecteur, on peut être amené à augmenter le nombre de cavités. Cette variante est représentée sur la figure 2. Sur cette figure le repère 20 désigne un collecteur de tube à ondes progressives d'axe longitudinal YY'. Il a la forme d'un cylindre. Il comporte une ou plusieurs électrodes non représentées, entourées d'une paroi extérieure 22 métallique. La paroi extérieure 22 comporte une pluralité d'ailette 23,24. La paroi 22 est réalisée comme sur la figure 1 à partir d'une pièce 21 métallique en forme de cylindre creux, coaxiale avec le collecteur. A la périphérie de cette pièce 21 on a fixé, de préférence uniformément, une pluralité d'ailettes 23,24. Les ailettes 23 sont disposées parallèlement à l'axe YY' tandis que les ailettes 24 sont disposées sensiblement transversalement à l'axe YY'. Les ailettes 23,24 sont orientées radialement par rapport à l'axe YY'. Deux ailettes 23 consécutives et deux ailettes 24 consécutives délimitent une cavité 25 qui est ouverte vers l'extérieur. Ce collecteur 20 a une émissivité supérieure à celle du collecteur décrit à la figure 1, grâce au nombre plus Important cavités. En augmentant le nombre de cavités cela permet soit d'augmenter la puissance thermique dissipée soit de diminuer la température moyenne des ailettes 23,24. La figure 3 représente une autre variante d'un collecteur d'un tube à ondes progressives. Ce collecteur 30 est comparable au collecteur 20 de la figure 2. Il a une paroi extérieure 32 qui comporte une pluralité d'ailettes 33,34. Cette paroi 32 entoure une ou plusieurs électrodes non représentées. Cette paroi 32 est réalisée à partir d'une pièce 31 métallique en forme de cylindre creux, coaxiale avec le collecteur 30. A la périphérie de cette pièce 31 on a fixé, de préference uniformement, une pluralité d'ailettes 33,34. Les ailettes 33 sont sensiblement parallèles à l'axe YY', tandis que les ailettes 34 sont sensiblement transversales a l'axe YY'. Les ailettes 33,34 sont orientées radialement par rapport à l'axe YY'. Le repère 35 désigne une cavité ouverte vers l'extérieur délimitée par deux ailettes 33 consécutives et deux ailettes 34 consécutives. Afin d'améliorer encore les caractéristiques thermiques du collecteur 30 on a rajouté sur les ailettes 33,34 des caloducs 36. Sur cette figure ils sont placés de façon radiale par rapport à l'axe YY' du collecteur 30, à l'intersection entre une ailette 33 et une ailette 34. Ils auraient pu être placés, toujours radialement à l'axe du collecteur 30 mais sur une seule ailette 33 ou 34. Ils sont fixés sur les ailettes 33,34 par soudure ou tout autre moyen connu. Ils peuvent même être intégrés dans l'épaisseur des ailettes 33,34. Un calodue est un dispositif en circuit fermé généralement en forme de tube contenant un liquide qui s'évapore puis se condense. La température d'ébullition du liquide utilisé dans les caloducs sera légèrement inférieure à la température maximale des ailettes 33,34. Le nombre de caloducs 36 est fonction de la puissance à dissiper. Ils permettent d'uniformiser la température des ailettes 33,34, d'en abaisser la température maximale et par conséquent d'en abaisser aussi la température moyenne. - Des essais ont été réalisés avec un tube à ondes progressives délivrant une puissance hyperfréquence de 130 watts, équipé d'un collecteur dont la paroi extérieure comporte 8 ailettes conformément à l'invention. Ce tube est placé sous vide. En fonctionnement la puissance totale à dissiper est de i W. Elle se répartit de la manière suivante: - 38 W dissipés par l'ensemble canon-ligne par conduction - 72 W dissipés par le collecteur par rayonnement. Dans ces conditions la température moyenne des ailettes est de 438 K. Au point de vue masse un tube à ondes progressives de même puissance, équipé d'un dispositif de refroidissement par conduction à la fois pour l'ensemble canon-ligne et pour le collecteur a une masse de 900 grammes. La puissance totale de W doit être dissipée par conduction. 2 6 4 1 4 1 4 Le même tube équipé d'un collecteur rayonnant directement selon l'art connu a une masse de 2800 grammes. Le même tube équipé d'un collecteur selon l'invention a une masse de 1150 grammes. Le gain de masse de ce dernier tube par rapport au tube équipé d'un collecteur rayonnant directement, selon l'art connu, est appréciable. L'augmentation de masse du tube selon l'invention par rapport au tube refroidi par conduction est largement compensée par le gain sur la dissipation. i50 Les collecteurs que l'on vient de décrire se réalisent facilement à partir des collecteurs des tubes à ondes progressives classiques n'ayant subi aucune modification. Il suffit de fixer des ailettes. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits notamment en ce qui concerne la géométrie de la paroi extérieure du collecteur. L'invention n'est pas limitée aux tubes à ondes progressives. Tous les collecteurs de tubes à interaction longitudinale peuvent avoir un collecteur dont la paroi extérieure définit des cavités ouvertes vers l'extérieur. L'invention s'applique aussi aux tubes à champs croisés. Dans ce cas, l'anode collectrice d'électrons a une paroi extérieure qui définit une pluralité de cavités ouvertes vers l'extérieur, l'anode collectrice d'électrons ayant une forme sensiblement cylindrique. REVEN D I C A T IONS 1. Tube A faisceau d'électrons du type à Interaction longitudinale ou à champs croisés comportant un collecteur (1,20,30) ou une anode collectrice d'électrons, sensiblement en forme d'un cylindre, d'axe longitudinal YY' caractérisé en ce que la paroi extérieure (3,22,32) du collecteur ou de l'anode collectrice définit une pluralité de cavités (5, 25,35) ouvertes vers l'extérieur, réparties autour du cylindre de manière à se comporter thermiquement comme un corps noir artificiel, ces cavités permettant le refroidissement du collecteur (1,20,30) ou a de l'anode collectrice par rayonnement direct sur une source froide à basse température. 2. Tube à faisceau d'électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la paroi extérieure (3,22,32) comporte une pluralité d'ailettes (4,23,24,33,34). 3. Tube à faisceau d'électrons selon la revendication 2 caractérisé en ce que la paroi extérieure (3,22,32) comporte des ailettes (4,23,33) orientées radialement par rapport à l'axe YY' et disposées sensiblement parallèlement à l'axe YY'. 4. Tube à faisceau d'électrons selon la revendication 2 caractérisé en ce que la paroi extérieure (22,32) comporte des ailettes (24,34) orientées sensiblement radialement par rapport A l'axe YY' et disposées sensiblement transversalement à l'axe YY'. 5. Tube à faisceau d'électrons selon la revendication 2 caractérisé en ce que la paroi extérieure (22,32) comporte des ailettes (23,24,33,34) orientées sensiblement radialement par rapport à l'axe YY', les ailettes (23,33) étant disposées sensiblement parallèlement à l'axe YY', les ailettes (24,34) étant disposées sensiblement transversalement A l'axe YY'. G 6. Tube A faisceau d'électrons selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que des caloducs (36) revendications 2 A 5 caractérisé en ce que des caloducs (36) 2 6 4 1 4 1 4 orientés radialement par rapport à l'axe YY' sont placés soit sur une seule ailette (4,23,24,33,34) soit à l'intersection entre deux ailettes (23,24,33,34). 7. Tube à faisceau d'électrons selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que les ailettes (4,23,24,33,34) sont en métal ou alliage léger. 8. Tube à faisceau d'électrons selon la revendication 7 caractérisé en ce que les ailettes (4,23,24,33,34) sont en aluminium pur ou allié. 9. Tube à faisceau d'électrons selon l'une des revendications 2 à 8 caractérisé en ce que les ailettes (4,23,24,33,34) sont fixées par soudure, brasage, frettage ou tout autre méthode sur la paroi extérieure (3,22,32) du collecteur (1,20,30) ou de l'anode collectrice d'électrons. 10. Tube à faisceau d'électrons selon l'une des revendications 2 à 9 caractérisé en ce que les dimensions des ailettes (4,23,24,33,34) et leur nombre permet le rayonnement intégral dans le vide spatial, de toute la puissance collectée par le collecteur (1,20,30), les ailettes (4,23,24,33,34) ayant une température moyenne Inférieure à environ 500 K.