Brevet FR2646732A1 — publié le 19901109

La présente invention concerne d'une manière gé- nérale des amplificateurs-à haute fréquence et plus parti- culièrement des amplificateurs du type incluant des struc- tures formant lignes à retard à ondes lentes. Comme cela est connu dans la technique, les am- plificateurs à haute fréquence ont une gamme étendue d'ap- plications. Un type de tels amplificateurs inclut une structure formant ligne à retard à ondes lentes, dans la- quelle un signal d'énergie à haute fréquence appliqué se propage le long de la structure formant ligne à retard à ondes lentes, l'énergie à l'intérieur de cette ligne coopé- rant avec un faisceau d'électrons voisins de telle sorte qu'une partie de l'énergie du faisceau d'électrons est transférée à l'onde se propageant, ce qui a pour effet que l'énergie à haute fréquence délivrée par la structure for- mant ligne à retard est amplifiée. Un type d'un tel ampli- ficateur est un amplificateur à tube à ondes progressives (TWT). Dans ce cas, un canon à électrons produit un fais- ceau d'électrons, en forme de pinceau, possédant une vi- tesse correspondant de façon typique à une tension accé- lératrice de l'ordre de 10 kilovolts. De façon typique, le faisceau est dirigé depuis une cathode en direction d'un collecteur à travers un long fil hélicoïdal électriquement conducteur, enroulé de façon lâche, qui constitue la struc- ture formant ligne à retard à ondes lentes. Il est prévu un champ magnétique axial de focalisation, soit uniforme, soit périodique, qui sert à empêcher le faisceau de s'étaler et sert à le guider au centre de l'hélice. Le signal d'énergie à haute fréquence est appliqué à l'extrémité du fil héli- coïdal qui est voisin de la cathode, et le signal amplifié apparaît alors à l'extrémité du fil de l'hélice, au voisi- nage du coilecteur. Le signal appliqué se propage autour des spires du fil de l'hélice et produit, au centre de l'hélice, un champ électrique qui est dirigé le long de l'axe de l'hélice. Etant donné que la vitesse, avec la- quelle le signal se propage le-long du fil hélicoïdal, est approximativement la vitesse de la lumière, le champ élec- trique produit par le signal appliqué se déplace à une vi- tesse inférieure à la vitesse de la lumière; c'est-à-dire qu'il avance à la vitesse qui est égale approximativement à la vitesse de la lumière multipliée par le rapport du pas du fil hélicoïdal à la circonférence de ce fil. Lorsque la vitesse des électrons dans le faisceau se déplaçant à tra- vers le fil hélicoïdal est égale approximativement à la vi- tesse du signal se propageant axialement le long de la structure hélicoïdale à ondes lentes, il se produit une in- teraction entre le signal ou l'onde mobile produite par le champ électrique et les électrons mobiles, cette interac- tion étant d'une nature telle qu'en moyenne, les électrons du faisceau délivrent une énergie au signal se propageant dans le fil hélicoïdal. Ceci provoque une amplification du signal circulant dans le fil hélicoïdal, à l'extrémité de sortie de ce dernier. Comme cela est également connu dans la technique, on a utilisé différentes structures de support pour suppor- ter le fil hélicoïdal à l'intérieur de l'enveloppe du tube à ondes progressives (TWT). Un type de structure de support inclut l'utilisation d'une pluralité de tiges diélectriques de support, telles que celles décrites dans le brevet US N'3 778 665 dëliyré le 11 Décembre 1973, les inventeurs étant Robert Harper et David Zavadil. Plus particulière- ment, le tube à ondes progressives TWT inclut une enveloppe fermée de façon hermétique, de forme allongée et cylin- drique. Le fil hélicoïdal est disposé coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe cylindrique. Il est prévu plu- sieurs, de façon typique trois, tiges 'diélectriques allon- gées espacées symétriquement, qui s'étendent longitudinale- ment parallèlement à l'axe commun de l'enveloppe cylin- drique et au fil hélicoïdal. Les tiges sont réalisées en un matériau diélectrique de manière à isoler électriquement le fil hélicoïdal par rapport à l'enveloppe ou la masse du tube à ondes progressives et empêcher de ce fait un court- circuit du signal d'énergie à haute fréquence appliqué. Les tiges possèdent une section transversale de forme générale rectangulaire dans un plan perpendiculaire à l'axe commun. Les tiges sont coincées entre des éléments de surface inté- rieurs de l'enveloppe de forme cylindrique et des parties périphériques extérieures du fil hélicoïdal de manière à supporter le fil hélicoïdal dans une position alignée co- axialement à l'intérieur de l'enveloppe de forme allongée cylindrique, tout en étant isolé électriquement par rapport à cette dernière. Il faut que, sous l'effet de sa résis- tance ohmique ainsi que sous l'action du bombardement par les électrons, la structure formant ligne à retard à ondes lentes en forme d'hélice dissipe une quantité considérable d'énergie thermique dans le processus d'interaction. Par conséquent, bien qu'il soit nécessaire que les tiges de support soient réalisées en un matériau diélectrique, elles doivent posséder une conductibilité thermique élevée. Des dispositifs typiques de l'art antérieur utilisent des structures de support à ondes lentes réalisées en des maté- riaux non électriquement conducteurs, mais thermoconduc- teurs, comme par exemple l'oxyde de béryllium, le nitrure de bore ou d'autres céramiques possédant des caractéris- tiques de conductibilité thermique élevée. Comme cela est en outre connu dans la technique, les tiges de support diélectrique sont susceptibles d'être chargées électriquement lorsque les électrons de diffusion émanant du faisceau d'électrons les frappent. La formation d'une charge, qui en résulte, provoque la déviation du faisceau d'électrons, dans le cas o elle est dissymétri- que, ou bien agit en tant que lentille électrostatique, dans le cas o elle est symétrique. Ce dernier phénomène pourrait accroître l'étalement du faisceau qui pourrait également accroître l'interception du faisceau par l'hélice, en provoquant un accroissemeht du courant d'interception dans cette dernière. En outre, la charge ap- pliquée à la tige peut entraîner un ralentissement ou une déviation du faisceau d'électrons, conduisant à un accrois- sement du courant appliqué au fil hélicoïdal, dans une zone localisée. Ceci peut conduire en définitive à un accroisse- ment excessif de la température du fil hélicoïdal et, fina- lement, à une défaillance du tube. Mais, d'une manière gé- nérale, le tube à ondes progressives, dans lequel une charge est appliquée à la tige de support, tombe en panne en raison de la présence d'un courant excessif d'interception du fil hélicoïdal. Un procédé permettant d'éviter ce problème consiste en un réglage long et délicat du champ magnétique local le long du fil hélicoïdal. Cette opération, désignée quelquefois sous le terme de compensation, prend beaucoup de temps étant donné que les tentatives de compensation ne convergent pas toujours vers un résultat admissible. Une difficulté supplémentaire réside dans le temps nécessaire pour que la charge électrique se forme sur les tiges de support étant donné que ceci peut conduire à un tube com- pensé ne fonctionnant pas dans le cas o il est mis en marche lors d'un "démarrage à froid". Un autre procédé utilisé pour supprimer la charge appliquée à la tige de support consistait à accroître la conductivité électrique de la surface de la tige de manière à empêcher la formation de la charge sur cette surface. Cette solution requiert l'utilisation-d'une pellicule mince électriquement conductrice, par exemple en graphite, sur les parties des tiges qui sont à proximité immédiate du faisceau d'électrons étant donné que ces parties sont dans le champ à haute fréquence de l'rhélice et peuvent intro- duire une perte indésirable dans le circuit de l'hélice. C'est pourquoi, ces techniques imposent quelquefois un com- promis entre l'obtention d'une pellicule fiable qui est suffisamment épaisse pour empêcher une charge de la tige, et une pellicule qui n'est pas suffisamment épaisse pour provoquer une perte d'énergie à haute fréquence. Enfin, comme cela a été mentionné brièvement pré- cédemment, le matériau utilisé de façon typique pour les tiges de support diélectriques en forme d'hélice est le ni- trure de bore (BN) ou l'oxyde de béryllium (BeO). Bien que- le phénomène de charge ne se présente pas pour les tiges en oxyde de béryllium, il s'agit d'un matériau plus difficile à utiliser du point de vue de la fabrication mécanique, en raison de sa toxicité et de sa fragilité. D'autre part, le nitrure de bore est un matériau plus facile à traiter et préférable à utiliser étant:donné qu'il est plus "adapté" en ce qui concerne ses propriétés d'adaptation mécanique, lorsqu'il sert d'interface entre les parties périphériques extérieures de l'hélice; cependant, le nitrure de bore ne présente pas les caractéristiques indésirables, mentionnées précédemment, de charge de la tige. Le nitrure de bore pos-. sède également une constante diélectrique inférieure à celle de l'oxyde de béryllium, ce qui présente des avan- tages électriques. C'est' pourquoi un but de la présente invention est de fournir un amplificateur à haute fréquence perfec- tionné. Un autre but de l'invention est de fournir une structure de support perfectionnée pour une structure for- mant ligne à retard à ondes lentes, utilisée dans un ampli- ficateur à haute fréquence. Ces objectifs ainsi que d'autres objectifs de l'invention sont atteints d'une manière générale à l'aide d'un amplificateur à haute fréquence possédant une struc- ture à ondes lentes supportée au voisinage d'un faisceau d'électrons par une structure de support. Cette structure de support inclut au moins un élément structurel de support comprenant une tige de support et un matériau diélectrique disposé sur un élément de surface extérieur de la tige de support. Le matériau diélectrique diffère du matériau de la tige de support. Conformément à la première caractéristique de l'invention, la tige de support est réalisée en un maté- riau possédant une conductibilité thermique élevée. De pré- férence, le matériau de la tige de support est du nitrure de bore. Le matériau diélectrique disposé sur l'élément de surface extérieur de la tige de support est un isolant électrique possédant une résistivité qui diminue lorsqu'il est frappé par des électrons et/ou possède une caracté- ristique désirée d'émission d'électrons secondaires. Les matériaux diélectriques tels que l'oxyde de titane, l'oxyde de béryllium et la magnésie, sont des matériaux di- électriques préférés. Avec un tel agencement, on peut maintenant utili- ser des tiges de support en nitrure de bore, qui possèdent la conductibilité thermique désirée et sont avantageuses pour un montage mécanique, sans la formation d'aucune charge électrique sur ces tiges, par suite de l'utilisation d'un matériau diélectrique sur un élément de surface exté- rieur de ces tiges, ce matériau étant tel que, lorsqu'il est frappé par des électrons, sa conductibilité électrique est réduite et forme un trajet de décharge pour les élec- trons qui le frappent, ou bien présente un taux d'émission d'électrons secondaires sensiblement égal à l'unité et em- péche ainsi la formation d'une charge sur les éléments structurels de support. Le matériau diélectrique se présente sous la forme d'une pellicule mince possédant une épaisseur qui, de façon typique, est inférieure à 1 micron, et dans la forme de réalisation préférée, on utilise une épaisseur de 0,1 micron. De façon appropriée, on peut déposer de telles pel- licules au moyen de procédés d'évaporation et de pulvérisa- tion, qui sont bien connus. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels:' - la figure 1 représente un dessin schématique d'une vue en coupe longitudinale d'un tube à ondes progres- sives (TWT) possédant une structure formant ligne à retard à ondes lentes en forme d'hélice, supportée par des élé- ments structurels de support conformément àl'invention; - la figure 2 représente une vue en coupe trans- versale prise suivant la ligne 2-2 sur la figure 1; - la figure 3 représente une vue isométrique par- tiellement en coupe transversale d'une partie du tube à ondes progressives de la figure 2; - la figure 4 représente une vue en coupe trans- versale schématique d'une partie du tube à ondes progres- sives 'de la figure 1, montrant la relation entre la struc- ture de support, un faisceau d'électrons et des extrémités périphériques extérieures d'un fil hélicoïdal, un tel des- sin étant utile pour la compréhension des caractéristiques de l'invention; - la figure 5 représente un schéma d'un diélec- trique frappé par des électrons, un tel schéma étant utile pour la compréhension de caractéristiques de l'invention; et - - la figure 6 représente une courbe montrant la variation du taux d'émission d'électrons secondaires en fonction de l'énergie du faisceau d'électrons pour un maté- riau. En se référant Maintenant aux figures 1,2 et 3, on a représenté un amplificateur à haute fréquence 10, ici un tube à ondes progressives, qui comporte une structure formant ligne à retard à ondes lentes, ici un fil hélicoï- dal 12, possédant une pluralité de spires et s'étendant le long de l'axe longitudinal 13 d'une enceinte métallique de forme cylindrique 14, dans lequel le vide a été établi. Un signal à haute fréquence est introduit dans le fil hélicoï- dal 12 par un conducteur d'entrée 15, ici une ligne de transmission coaxiale classique, dont le conducteur inté- rieur 17 est raccordé à l'extrémité gauche du fil hélicoï- dal 12 et dont le conducteur extérieur 19 est raccordé électriquement à l'enceinte 14. Un conducteur de sortie 18, ici également une ligne de transmission coaxiale, a son conducteur extérieur 21 raccordé électriquement à l'encein- te 14 et son conducteur intérieur 23 raccordé à l'extrémité de droite du fil hélicoidal 12. Une source 22 du faisceau d'électrons du type en forme de canon inclut une cathode 24 émettant les électrons et possédant une courbure légèrement concave de manière à faciliter la focalisation d'une trajectoire du faisceau d'électrons le long de l'axe longitudinal 13 en direction du collecteur 20. La cathode 24 est chauffée par une bobine 26 et des conducteurs électriques traversent les parois de l'enceinte 14 pour établir la connexion des composants de la source du canon à des alimentations appropriées déli- vrant une tension continue (non représentées). Une élec- trode accélératrice 28 polarisée de façon appropriée, par exemple par un potentiel de tension positif, contribue -à focaliser le faisceau de façon classique. Un champ magné- tique extérieur est produit par des éléments 30 qui peuvent être formés par n'importe lequel des matériaux magnétiques permanents présentant une force coercitive élevée comme par exemple du samarium-cobalt ou du platine-cobalt ou une en- ceinte électromagnétique enveloppante 14. La structure 12 formant ligne à retard à ondes progressives en forme d'hélice comprend une pluralité de spires d'un fil électriquement conducteur et est supportée à l'intérieur de l'enceinte 14 au voisinage du faisceau d'électrons, par une structure de support 33. La structure de support comporte une pluralité d'éléments structurels de support allongés non conducteurs 34, disposés longitudina- lement parallèlement à l'axe 13 du dispositif. Les éléments structurels de support 34 incluent des tiges intérieures de support 36 réalisées en un matériau électriquement isolant, présentant une conductibilité thermique élevée. Le coeffi- cient de conductibilité thermique des tiges de support 36 doit être élevé, pour refroidir l'hélice. Ici, les tiges de support 36 sont formées par du nitrure de bore. Ici, les surfaces extérieures des tiges de support 36 sont recou- vertes par une pellicule mince d'un matériau diélectrique 39. On a découvert que le fait de recouvrir des surfaces extérieures des tiges de support 34 avec ces pellicules minces 39 d'une épaisseur inférieure à i micron (possédant ici une épaisseur égale à 0,1 micron) formées de matériaux diélectriques tels que le bioxyde de titane, la magnésie ou l'oxyde de béryllium, supprime réellement l'application d'une charge à la tige. On pense qu'une telle charge élec- trique des surfaces intérieures des tiges de support 36 en nitrure de bore est supprimée en raison de la mise en place, sur de telles tiges, d'un matériau diélectrique pos- sédant une résistivité qui diminue lors de l'impact d'élec- trons ou bien présente un taux d'émission d'électrons se- condaires sensiblement égal à l'unité. Par conséquent, lors d'un bombardement d'électrons de diffusion dans le faisceau d'électrons produit, une charge, qui sinon se formerait sur la surface d'une tige en nitrure de bore, est dissipée. Dans le cas o la résistivité du matériau de revêtement est réduite, la charge se dissipe en fuyant en direction de l'hélice. Dans le cas o le matériau de revêtement présente un taux d'émission d'électrons secondaires égal à l'unité, la charge est dissipée par la réémission des électrons. Ainsi, en référence aux figures 4 et 5, des électrons de dispersion émanant du faisceau principal d'électrons frap- pent des éléments de surface intérieurs 37 de la structure de support de 1' hélice. Par conséquent, une tension Vsurface est produite à la surface de la structure de sup- port. La tension appliquée au fil hélicoïdal peut être re- présentée par Vhélice. Par conséquent, une tension diffé- rentielle AV est produite entre le fil hélicoïdal et les éléments de surface intérieure 37 de la structure diélec- trique de support, avec AV = Vhélice - Vsurface (Vhélice étant la tension de l'hélice par rapport à la source du faisceau d'électrons, ici la cathode 24, et Vsurface étant la tension à la surface du revêtement 39par rapport à la cathode 24). A partir de la figure 4, on a: AV = [1 - b(V)] IR relation (1) A partir de la relation (1), il est évident que AV dépend: du taux d'émission d'électrons secondaires [b(V)] qui dépend de la tension; de la résistance de fuite R; et du courant I des électrons d'impact. Des mesures ont révélé que la résistance de fuite peut ne pas être constante et peut au contraire dépendre de l'amplitude du courant d'électrons d'impact et de la tension. Des mesures ont été faites sur des tiges de support réalisées en ni- trure de bore avec et sans le dépôt, par pulvérisation, de pellicules d'une épaisseur de 0,1 micron de bioxyde de ti- tane et de magnésie sur les éléments de surface interne 37, sur les éléments de surface d'extrémité 40 tournés vers la cathode 24 et le collecteur 20 et sur les éléments latéraux 42. A cet égard on notera que les extrémités des surfaces extérieures 41 des tiges 34, qui sont en contact avec l'en- ceinte métallique 14, ne sont ici pas recouvertes et que par conséquent, ici, le nitrure de bore est en contact avec l'enceinte 14. La tension appliquée était égale à 10 kV et le courant du faisceau d'électrons focalisé était égal à 10 nanoampères. Sous l'incidence normale, on a obtenu les résultats suivants: TABLEAU 1 Paramètre Nitrure de Nitrure de bore I| I. |bore non recouvert par I I recouvert Ibioxyde t l lt | magnésie Ide Ij Ij Z{Ititane 1 -------------------- ------------ ------------- ---------_I Décalage de tension 3 0,2 | 0,2 AV(kV) Résistance (ohms) 1,5 x 1013 6 x 1011 3x101 | Taux d'émission d'électrons secon- daires 0,98 0,98 0,3 _______________ Lorsqu'on a modifié le courant d'impact dans la gamme allant de 10 à 10 000 nanoampères et qu'on a modifié l'angle d'incidence de 0 à 60 , la valeur de la tension différentielle AV produite dans le matériau a été modifiée dans les limites de l'erreur de mesure d'environ 50 volts. Si la tension à la surface de la tige diffère de 3 kV (comme dans le cas du nitrure de bore non recouvert), par rapport à la tension de l'hélice qui est égale à environ kV, il se produit une défocalisation. Cependant, si cette tension différentielle est égale à seulement 220 volts, comme dans le cas du nitrure de bore recouvert par du bioxyde de titane ou de la magnésie, la défocalisation est négligeable. Par conséquent, il s'est avéré que des pellicules de masse d'oxyde métallique tel que le bioxyde de titane, la magnésie ou le béryllium, permettent de sup- primer le problème de la charge soit sur la base d'un méca- nisme amenant de tels revêtements à devenir conducteur lors d'un bombardement électronique, soit en raison d'une émis- sion d'électrons secondaires. On peut comprendre le mécanisme, par lequel les différences des taux d'émission secondaires permettent d'expliquer les différences de la charge appliquée à la tige, en se basant sur la figure 6, qui représente une va- riation typique du taux d'émission secondaire en fonction de l'énergie des électrons incidents. Si la surface émet- trice possède une résistance élevée, c'est-à-dire s'il s'agit d'un bon isolant, cette surface se charge négative- ment si l'on a È 1. Lorsque la surface se charge, sa tension tend à accélérer ou réduire les électrons incidents, ce qui, à son tour, affecte le taux d'émission secondaire. Cet effet est tel qu'au-dessous de VI, la surface se charge négativement, ce qui réduit à zéro l'énergie des électrons arrivants. De façon similaire, au-dessus de VII, le potentiel est réduit en direction de la valeur VII. Entre VI et VII, la surface se charge positivement, ce qui accroit l'énergie des élec- trons arrivants jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint au niveau du point M, proche de la tension appliquée (de l'hélice), mais inférieur à la tension VII. La tension VII dépend du matériau utilisé pour le revêtement diélectrique et de son épaisseur. Si R est infi- nie, le but est d'appliquer un revêtement de surface de ma- nière que l'on ait VII = Vhélice. Par conséquent, pour une tension fixée de fonctionnement-du tube, on choisit le ma- tériau de revêtement et son -épaisseur de manière que, en - combinaison, la surface recouverte présente un taux d'émission d'électrons secondaires égal à l'unité. Après avoir décrit des formes de réalisation pré- férées de l'invention, il est évident que l'on peut utili- ser d'autres formes de réalisation mettant.en oeuvre ces concepts. Par exemple, bien que l'on n'ait pas essayé d'autres diélectriques et oxydes, on pense que d'autres ma- tériaux comme par exemple d'autres oxydes métalliques, puissent fournir des caractéristiques appropriées (c'est-à- dire un matériau dont la résistivité diminue lorsqu'il est frappé par des électrons et/ou qu'il possède un taux d'électrons secondaires égal à l'unité). En outre, on peut utiliser des techniques de revêtement autres que le dépôt par pulvérisation. C'est pourquoi, on estime que la pré- sente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites. REVEND I CATIONS 1. Amplificateur à haute fréquence possédant une structure à ondes lentes (12) supportée au voisinage d'un faisceau d'électrons par des moyens de support (33), qui comprennent au moins un élément structurel de support (34), caractérisé en ce que l'élément de support (34) comporte une tige de support (36) et un matériau diélectrique (39) disposé sur un élément de surface extérieur de la tige de support (36), un tel matériau diélectrique étant différent du matériau de la tige de support. 2. Amplificateur à haute fréquence selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que le matériau diélec- trique (39) est un isolant électrique possédant une résis- tivité qui diminue lorsqu'il est frappé par des électrons émanant du faisceau d'électrons. 3. Amplificateur à haute fréquence comportant une structure à ondes lentes (12) supportée au voisinage d'un faisceau d'électrons par une structure de support (33), ca- ractérisé en ce que la structure de support comporte au moins une tige de support (36) formée de nitrure de bore et sur un élément de surface extérieur de laquelle est disposé de l'oxyde- de titane, de la magnésie ou de l'oede fryllium. 4. Amplificateur à haute fréquence selon la re- vendication 1l caractérisé en ce que la structure à ondes lentes (12) comprend un fil hélicoïdal. 5. Amplificateur à haute fréquence selon la re- / vendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau diélec- trique (39) présente un taux d'émission secondaire sensi- blement égal à l'unité, à la tension de l'hélice, par rap- port à une source (22) du faisceau d'électrons. 6. Amplificateur à haute fréquence selon la re- vendication 2 ou 5, caractérisé en ce - que la tige de support (26) possède une conductibilité thermique élevée. 2P646732 7. Amplificateur à haute fréquence selon la re- vendication 2 ou 5, caract4risé en ce cu[ la tige support (36) est formée par du nitrure de bore. 8. Amplificateur à haute fréquence selon la re- vendication 5, caractérisé en ce que ledit matériau diélec- trique (39) est de la magnésie ou de l'oxyde de béryllimi. 9. Amplificateur à haute fréquence selon la re- vendication lou 7,o-caractérist en -e que ledit matériau diélec- trique (39) est un oxyde métallique. 10. Amplificateur à haute fréquence selon la re- vendication 9, caractérisé en ce que l'oxyde métallique- est de l'oxyde de titane.