Brevet FR2652446A1 — publié le 19910329

L'invention concerne un gyrotron quasi optique, qui comprend: a) des premiers moyens servant à produire un faisceau d'électrons se développant dans la direction d'un axe de ce faisceau, b) des deuxièmes moyens servant à produire un champ magnétique statique orienté parallèlement à l'axe du faisceau d'électrons, par lequel ce faisceau est comprimé et est contraint d'exécuter un mouvement de giration, c) un résonateur quasi optique qui présente deux miroirs disposés l'un en face de l'autre, orientés perpendiculairement à l'axe du faisceau d'électrons, résonateur dans lequel un champ alternatif électromagné- tique de fréquence donnée est excité par la giration du faisceau d'électrons, et d) des troisièmes moyens permettant de capter le rayonnement électromagnétique à la sortie du résonateur. Un gyrotron quasi optique du type défini en préambule est connu, par exemple d'après le brevet suisse N 664 045 ou d'après l'article intitulé "Das Gyrotron, Schl sselkomponente fur Hochleistungs-Mikrowellensender", H.G. Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pages 303-307. Un tel gyrotron travaille typiquement à des fréquences de 100 GHz et plus et produit des puissances de rayonnement de quelques centaines de kW lorsqu'il travaille en régime continu. Le gyrotron est un tube à micro-ondes à grande puissance pour le chauffage de plasmas produits par fusion. Etant donné que les installations actuelles de fusion sont des installations expérimentales, il est désirable que la fréquence de l'émetteur puisse être accordée sur une plus grande plage de fréquences. Dans tous les gyrotrons à grande puissance déjà connus équipés d'un résonateur, la bande passante utilisa- ble d'oscillations est d'environ 10 à 20 %. Dans le cas de plus grands écarts de la fréquence d'oscillations par rapport à la fréquence optimale, le rendement est extrême- ment bas. L'utilisation de résonateurs croisés, comme le propose la demande de brevet suisse CH-1490/89, constitue une possibilité d'élargissement de la plage de fréquences des gyrotrons quasi optiques classiques. Un avantage essentiel des résonateurs croisés réside dans la possi- bilité qui est offerte de passer d'une fréquence au double de cette fréquence en un court intervalle de temps (de moins d'une seconde). Ce résultat est obtenu par le fait que la géométrie des résonateurs est choisie de manière que la plage optimale d'oscillations du second résonateur (pour les mêmes paramètres du faisceau) se situe exactement au double de la fréquence du premier résonateur. Il est donc possible de choisir deux fréquences indépendantes. Dans ce cas, on doit aussi changer le champ magnétique (intensité de champ), en plus du résonateur. Toutefois, la solution passant par les résonateurs croisés ne permet pas de couvrir une plage de fréquences suffisamment large. Depuis un certain temps, on s'efforce en outre d'améliorer le rendement du gyrotron par ce que l'on appelle des canons électroniques à faisceau stratiforme. Un canon à faisceau stratiforme optimisé pour le gyrotron quasi optique avec sa cylindro-symétrie est décrit par exemple dans la demande de brevet suisse CH-3046/89. L'avantage d'un tel canon à électrons réside dans le fait que la densité de courant dans le résonateur est maintenue faible dans les surfaces nodales du champ électromagnétique alternatif, en sorte que l'énergie cinétique des électrons est convertie aussi totalement que possible en énergie de rayonnement. Mais il en va de façon telle que le canon à faisceau stratiforme ne peut pas se servir de tous ses avantages dans le cas d'un résonateur croisé, à cause de la différence d'orientation des surfaces nodales dans les différents résonateurs. L'objectif de l'invention est donc de réaliser un gyrotron quasi optique du type mentionné en préambule, de manière qu'il puisse couvrir une large plage de fréquences, désirable notamment dans des installations expérimentales, et qui convienne alors également pour l'utilisation de canons à faisceau stratiforme. Conformément à l'invention, la solution réside dans le fait que chacun des deux miroirs du résonateur est disposé sur un support mobile correspondant, conjointement avec au moins un autre miroir, et que pour le réglage d'une fréquence déterminée du champ alternatif, deux miroirs qui se correspondent mutuellement et qui sont accordés sur la fréquence désirée peuvent être placés, par actionnement des supports mobiles, sur l'axe du résonateur. Pour des raisons de place, il est particulière- ment avantageux de disposer les miroirs sur un support tournant dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe du résonateur. Lorsque, selon une forme de réalisation particulièrement appréciée, le support comprend jusqu'à six miroirs à la manière d'un révolver, le gyrotron peut alors couvrir d'une manière mécaniquement simple et peu encom- brante, une plage de fréquences de grandeur suffisante pour la plupart des cas d'utilisation. Un refroidissement du miroir permet de produire de très grandes puissances de rayonnement. Selon une forme de réalisation avantageuse de l'invention, l'apport de fluide de refroidissement s'effectue par l'axe de rotation du support mobile. Pour une forme de réalisation particulièrement simple, il suffit de deux paires de miroirs qui sont disposés sur un support réalisé à la manière d'un coulis- seau ou d'un révolver. Il est avantageux que les troisièmes moyens servant à capter le rayonnement électromagnétique comprennent au moins un hologramme qui est disposé dans chaque cas sur une face de l'un des deux miroirs qui se correspondent, de manière que le rayonnement à capter soit diffracté en direction d'au moins exactement un axe de captage, lequel fait un angle a prédéterminé supérieur à zéro avec l'axe du résonateur. A côté du captage du rayonnement sous la forme désirée d'ondes de Gauss, une telle forme de réalisation permet une transformation mécaniquement stable et sans problème du support. L'axe de captage et l'axe du résonateur sont principalement situés dans un même plan qui est perpen- diculaire à l'axe du faisceau d'électrons. En vue d'obtenir un haut rendement, les premiers moyens servant à la production d'un faisceau d'électrons comprennent avantageusement un canon à faisceau stratiforme. Selon une autre particularité de l'invention, les miroirs sont disposés sur un support qui peut tourner autour d'un axe parallèle à l'axe du résonateur. Une autre particularité réside dans le fait que le support tournant présente jusqu'à six miroirs, à la manière d'un révolver. Une autre particularité de l'invention réside dans le fait que les miroirs sont refroidis par passage d'un fluide de refroidissement à travers l'axe de rotation du support. Selon une autre variante de l'invention, les troisièmes moyens comprennent au moins un hologramme qui est disposé sur une face de l'un des deux miroirs du résonateur et qui est conçu de manière que le rayonnement capté soit dispersé dans la direction d'au moins exactement un axe de captage, lequel fait un angle a prédéterminé différent de zéro avec l'axe du résonateur. Selon une autre variante, l'axe de captage et l'axe du résonateur se situent dans un même plan qui est principalement perpendiculaire à l'axe du faisceau d'électrons. Une autre variante de l'invention réside dans le fait que les moyens de production d'un faisceau d'électrons comprennent un canon électronique avec au moins deux faisceaux stratiformes. Dans une autre variante de l'invention a) les deuxièmes moyens de production d'un champ magnétique statique comprennent deux bobines disposées selon Helmholtz sur l'axe du faisceau d'élec- trons, b) le résonateur quasi optique est disposé entre les deux bobines et c) l'axe du résonateur et l'axe de captage sont situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe du faisceau d'électrons. L'invention est illustrée ci-après à l'aide d'exemples de réalisation dont la description est faite en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schémati- que d'un gyrotron quasi optique, en coupe longitudinale; - la figure 2 est une représentation schémati- que d'un support à révolver comportant six miroirs; et - la figure 3 est une représentation schémati- que d'un résonateur à déclenchement holographique. Les références utilisées sur les dessins et leur définition sont récapitulées sous forme de tableau dans la liste de références. Sur le dessin, les mêmes éléments sont affectés fondamentalement des mêmes réfé- rences. La figure 1 représente schématiquement les parties d'un gyrotron quasi optique conforme à l'invention qui sont essentielles pour l'explication de l'invention. Ce gyrotron comprend un canon 6 à faisceau d'électrons servant à produire un faisceau électronique 1 par exemple de forme annulaire, qui court le long d'un axe 2. On peut utiliser comme canon 6 à faisceau d'électrons tant un canon bien connu d'injection à magnétron qu'un canon à faisceau stratiforme préféré. Deux bobines 3a, 3b à disposition selon Helmholtz (c'est-à-dire qu'elles se trouvent à une distance l'une de l'autre qui correspond à leur rayon) produisent un champ magnétique statique parallèle à l'axe 2 du faisceau d'électrons, si bien que le faisceau d'élec- trons 1 est comprimé et contraint d'exécuter un mouvement de giration. Un résonateur quasi optique, formé par deux miroirs 4a, 4b disposés l'un en face de l'autre sur un axe du résonateur, est disposé entre les deux bobines 3a, 3b de manière que son axe 5 soit orienté perpendiculairement à l'axe 2 du faisceau d'électrons. Les miroirs 4a, 4b qui se correspondent sont optimisés à une fréquence déterminée. Ils ont une courbure par exemple sphérique et ont la forme d'un disque cir- culaire. Un champ électromagnétique alternatif 14 à haute fréquence est excité par la giration des électrons dans le résonateur, de sorte que le rayonnement électroma- gnétique désiré est capté par des moyens appropriés à la sortie du résonateur et peut être délivré à un utilisateur par une fenêtre H.F. et à la rigueur par un guide d'ondes. La fenêtre H.F. (non représentée sur la figure 1) ferme avec transparence par rapport à l'espace extérieur (par exemple un guide d'ondes) un récipient 9 vidé d'air dans lequel les parties décrites sont disposées. Les deux bobines 3a, 3b qui exercent de grandes forces l'une sur l'autre prennent appui l'une contre l'autre à l'aide d'une structure de support 7. Cette structure présente des alésages ou respectivement des espaces libres qui conviennent pour le résonateur. La structure de support 7 peut être par exemple un support en acier présentant des alésages, ou une ossature de support formée de barreaux en titane convenablement disposés. Le tout est logé dans un récipient 9 vidé d'air. Les parties du gyrotron décrites jusqu'ici sont suffisamment connues (par exemple d'après l'état de la technique cité en préambule). C'est pourquoi on peut renoncer à en donner une description détaillée. La nouveauté réside en revanche dans la conformation du résonateur servant à la production de différentes fréquences. Conformément à l'invention, le gyrotron comprend donc au moins deux autres miroirs 4c, 4d qui correspondent l'un à l'autre et qui sont disposés conjoin- tement avec chacun des deux miroirs 4a, 4b sur un support mobile 8a, 8b. Les autres miroirs 4c, 4d sont accordés à une fréquence autre que celle des deux premiers miroirs 4a, 4b. Mais pour le reste, ils sont réalisés de façon similaire. Les deux supports 8a, 8b peuvent de préférence tourner autour d'un axe parallèle à l'axe 5 du résonateur, à savoir de façon telle que les deux autres miroirs 4c, 4d puissent être disposés à la place des deux premiers miroirs 4a, 4b. On conçoit que des moyens doivent être prévus pour garantir la possibilité d'orientation exacte (centrage) et de fixation (immobilisation) de chaque paire de miroirs se trouvant sur l'axe 5 du résonateur. Pour faire passer le gyrotron d'une fréquence à une autre, on fait tourner les deux supports 8a, 8b de manière que les miroirs 4a, 4b soient échangés contre les miroirs 4c, 4d. En même temps, le champ magnétique est accordé à la nouvelle fréquence par élévation ou abaisse- ment de l'intensité du courant dans les bobines 3a, 3b. Selon une forme de réalisation avantageuse, les miroirs 4a, 4b, 4c, 4d sont refroidis par un fluide 10 de refroidissement. L'amenée de ce fluide est effectuée à travers l'axe de rotation du support 8a ou respectivement 8b. Ce qui a été dit par souci de simplicité pour deux paires de miroirs 4a, 4b et respectivement 4c, 4d seulement est naturellement valable par analogie pour trois ou plus de trois paires de miroirs. En particulier, la disposition de jusqu'à six miroirs sur un support cor- respond à une forme de réalisation préférée. La figure 2 représente un support 8a sur lequel sont disposés, à la manière d'un révolver, six miroirs 4e,...,4k. Dans le présent exemple, les miroirs 4e,...,4k sont maintenus par des bras individuels qui sont distants entre eux de 60 . Le captage du rayonnement électromagnétique peut être effectué de diverses façons connues. Une possibilité consiste à pourvoir chacun des miroirs de fentes appropriées de captage. Une autre possibilité permet le captage au bord d'un miroir. Dans ce cas, l'un des deux miroirs qui se correspondent a un diamètre un peu plus petit que l'autre. Il est particulièrement avantageux de capter le rayonnement électromagnétique désiré à l'aide de structures holographiques. Cela est expliqué en détail dans ce qui suit. La figure 3 est une représentation en coupe d'un résonateur tel que déjà représenté dans son principe sur la figure 1. Sur les deux figures, les parties identiques sont affectées des mêmes signes de référence. Dans la représentation de la figure 3, le faisceau d'électrons 1 s'écarte de l'observateur. On reconnaît la bobine 3b derrière la structure de support 7. La surface du miroir 4b est munie d'un hologramme qui a pour effet qu'une petite partie de l'énergie du champ alternatif est captée le long de l'axe de captage 11. Ce dernier fait un angle a prédéterminé, supérieur à zéro, avec l'axe 5 du résonateur. Normalement, l'angle a est d'un ordre de grandeur de 30 . Une fenêtre H.F. 15 laisse sortir le rayonnement désiré et ferme le récipient 9 de façon étanche au vide. Des détails sur le captage holographique sont donnés dans la demande de brevet suisse CH-2822/89. L'avantage du captage holographique réside principalement dans le fait qu'un rayon de Gauss peut être capté exactement dans une direction prédéterminée. En effet, seul un rayon de Gauss peut être transporté sans perte sur une assez longue distance. Mais le captage holographique présente encore d'autres avantages en rapport avec l'invention. En effet, tandis que lors du captage à travers des fentes ou au bord du miroir, le rayonnement est émis le long de l'axe du résonateur, auquel cas le support vient forcément se placer sur le trajet des rayons, le captage est en quelque sorte séparé localement du résonateur dans le cas de l'utilisation d'hologrammes. En conséquence, on ne doit alors pas veiller à ce que le rayonnement capté soit aussi peu gêné que possible par le support (comme cela est le cas dans les autres formes de réalisation). Le support peut donc être incorporé de façon simple et sans poser de problème. Une autre forme de réalisation avantageuse résulte de l'utilisation d'un canon à faisceau stratiforme à la place d'un canon électronique 6 classique dont le faisceau d'électrons 1 est annulaire. Le canon à faisceau stratiforme comporte une cathode annulaire de nature telle que le faisceau d'électrons 5 possède une densité de courant à variation azimutale. En fait, dans les surfaces nodales du champ alternatif stationnaire 8 dans le résonateur, la densité de courant est relativement petite, et elle est grande dans les ventres d'ondes, c'est-à-dire dans les régions de haute intensité de champ électrique. A cette fin, la cathode présente plusieurs segments avec alternance de forte et de faible émissivité. Cet état de choses est indiqué sur la figure 3. Le faisceau d'électrons 1 présente, correspondant à la cathode, par exemple chaque fois deux segments 12a, 12b de faible densité de courant et deux segments 13a, 13b de forte densité de courant. Comme on l'a déjà indiqué, les segments 12a, 12b de faible densité de courant sont réalisés et orientés de façon telle qu'ils mènent, dans le résonateur, à une densité de courant relativement faible dans les surfaces nodales du champ alternatif stationnaire 8. Les segments sont essentiellement produits par le fait qu'un modèle périodique de bandes parallèles (correspondant au modèle d'amplitude du champ alternatif électromagnétique) est superposé à un anneau (correspondant à la cathode). Le modèle a alors de préférence une période correspondant au produit de la demi-longueur d'onde par la racine carrée du facteur de compression. Le facteur de compression indique alors le rapport de l'intensité du champ magnétique au niveau du résonateur (zone d'action réciproque) à l'intensité au niveau de l'émetteur d'élec- trons (cathode). Le faisceau d'électrons se compose de deux faisceaux stratiformes dans l'exemple de réalisation décrit. Naturellement, ce qui a été dit est valable également par analogie pour des faisceaux comportant n strates. Des détails sur le canon à faisceau stratiforme sont donnés dans la demande de brevet suisse CH-3046/89. On donne encore ci-après une brève description de quelques variantes relatives aux exemples de réalisation décrits. Le support qui porte les miroirs à la manière ll d'un révolver ne présente pas nécessairement des bras individuels. En particulier dans le captage à travers des fentes des miroirs ou dans le captage holographique, il peut être constitué par un disque plein pouvant tourner. Un refroidissement peut ainsi être effectué dans tous les cas de façon particulièrement simple et efficace. Le support est de préférence entraîné par un moteur et immobilisé automatiquement. Pour un réglage précis des miroirs, on peut prévoir par exemple des vis micrométriques. Les miroirs peuvent être des éléments séparés qui ont été fixés ultérieurement sur le support ou bien ils peuvent être des constituants intégrés au support (par exemple dans le cas d'un disque plein). A côté d'un canon cylindrique à faisceau stratiforme, on peut naturellement utiliser aussi un canon à faisceau linéaire pour accroître le rendement. Dans le cas de canons à faisceau linéaire stratiforme, les faisceaux individuels se développent essentiellement dans un plan commun convenablement orienté. On peut affirmer en résumé que l'invention constitue une possibilité simple d'élargissement de la plage de fréquences des gyrotrons quasi optiques connus. LISTE DE REFERENCES 1 - faisceau d'électrons; 2 - axe du faisceau d'élec- trons; 3a, 3b - bobine; 4a,...,4k - miroirs; 5 - axe du résonateur; 6 - canon à faisceau d'électrons; 7- structure de support; 8a, 8b - support; 9 - récipient; - fluide de refroidissement; 11 - axe de captation; 12a, 12b - segment de faible densité de courant; 13a, 13b - segment de forte densité de courant; 14 champ alternatif; 15 - fenêtre H.F. REVENDICATIONS 1. Gyrotron quasi optique comprenant a) des premiers moyens servant à produire un faisceau d'électrons se développant dans la direction d'un axe de ce faisceau, b) des deuxièmes moyens servant à produire un champ magnétique statique orienté parallèlement à l'axe du faisceau d'électrons, par lequel ce faisceau est comprimé et est contraint d'exécuter un mouvement de giration, c) un résonateur quasi optique qui présente deux miroirs disposés l'un en face de l'autre, orientés perpendiculairement à l'axe du faisceau d'électrons, résonateur dans lequel un champ alternatif électromagné- tique de fréquence donnée est excité par la giration du faisceau d'électrons, et d) des troisièmes moyens permettant de capter le rayonnement électromagnétique à la sortie du résonateur, caractérisé en ce que chacun des deux miroirs (4a, 4b) du résonateur est disposé sur un support mobile (8a, 8b) correspondant, conjointement avec au moins un autre miroir (4c ou respectivement 4d), et que pour le réglage d'une fréquence déterminée du champ alternatif, deux miroirs qui se correspondent mutuellement et qui sont accordés sur la fréquence désirée peuvent être placés, par actionnement des supports mobiles (8a, 8b), sur l'axe (5) du résonateur. 2. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les miroirs (4a,...4d) sont disposés sur un support qui peut tourner autour d'un axe parallèle à l'axe (5) du résonateur. 3. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le support tournant (8a, 8b) présente jusqu'à six miroirs (4e,...4k), à la manière d'un révolver. 4. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 3, caractérisé en ce que les miroirs sont refroidis par passage d'un fluide de refroidissement (10) à travers l'axe de rotation du support (8a, 8b). 5. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les troisièmes moyens comprennent au moins un hologramme qui est disposé sur une face de l'un des deux miroirs (4b) du résonateur et qui est conçu de manière que le rayonnement capté soit dispersé dans la direction d'au moins exactement un axe de captage (11), lequel fait un angle a prédéterminé différent de zéro avec l'axe (5) du résonateur. 6. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 5, caractérisé en ce que l'axe de captage (11) et l'axe (5) du résonateur se situent dans un même plan qui est principalement perpendiculaire à l'axe (2) du faisceau d'électrons. 7. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les moyens de production d'un faisceau d'électrons (1) comprennent un canon électronique avec au moins deux faisceaux stratiformes. 8. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que a) les deuxièmes moyens de production d'un champ magnétique statique comprennent deux bobines (3a, 3b) disposées selon Helmoltz sur l'axe (2) du faisceau d'électrons, b) le résonateur quasi optique est disposé entre les deux bobines (3a, 3b) et c) l'axe du résonateur et l'axe de captage (5 et respectivement 11) sont situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe (2) du faisceau d'électrons.