Brevet FR2651369A1 — publié le 19910301

L'invention concerne un gyrotron quasi optique dans lequel un canon à faisceau électronique produit, au moyen d'une cathode annulaire, un faisceau d'électrons qui se développe le long d'un axe et est alors comprimé par un champ magnétique statique et contraint d'exécuter un mouvement de giration, en sorte qu'il engendre un champ électromagnétique alternatif stationnaire de longueur d'ondes déterminée dans un résonateur quasi optique qui présente deux miroirs disposés l'un en face de l'autre sur un axe du résonateur orienté perpendiculairement à l'axe du faisceau d'électrons. Un gyrotron quasi optique du type défini dans ce qui précède est connu par exemple d'après le brevet CH- 664045 ou d'après l'article de H.G. Mathews, Minh Quang Tran, intitulé "Das Gyrotron, Schl sselkomponente fur Hochleistungs-Mikrowellensender", Brown Boveri Review 661987, p. 303-307. Un tel gyrotron travaille typiquement à des fréquences de 150 GHz et plus et produit des puissances de rayonnement de quelques centaines de kW lorsqu'il travaille en régime continu. Pour des raisons d'optique électronique, un gyrotron du type mentionné cidessus a un faisceau annulaire d'électrons. Lorsque ce faisceau d'électrons pénètre dans le résonateur, une certaine partie du courant passe par des surfaces nodales du champ électromagnétique alternatif stationnaire et ne contribue donc que dans une mesure peu importante à l'excitation de ce champ. D'autre part, l'énergie cinétique azimutale du faisceau d'électrons est largement transformée en énergie de micro-ondes dans les ventres du champ alternatif stationnaire. Il est donc inévitable qu'une certaine proportion de l'énergie du faisceau d'électrons ne puisse pas être utilisée. Ce problème a déjà été reconnu et des proposi- tions correspondantes ont déjà été faites en vue de le résoudre. Dans la publication intitulée "The NRL Quasi- optical Gyrotron Experiment", de T.A. Hargreaves et collaborateurs, diffusée à l'occasion de la 12ème Con- férence Internationale sur les Ondes Infrarouges et Millimétriques, 14-18 décembre 1987, Lake Buena Vista (Orlando), Floride, Conference Digest par R.J. Temkin, p. 239-239, il est proposé d'utiliser un canon électronique à faisceau stratiforme à la place d'un canon d'injection à magnétron pour améliorer le rendement. Une proposition concrète de canon à faisceau stratiforme est connue par exemple d'après la publication de M.E. Read et collaborateurs, intitulée "Design of a Quasi-optical Gyrotron with Sheet Electron Beam", diffusée à l'occasion de la 13ème Conférence Internationale sur les Ondes Infrarouges et Millimétriques, 5-9 décembre 1988, Honolulu, Hawai, Conference Digest par R.J. Temkin, p. 279- 280. Plusieurs éléments cathodiques lamellaires émettant des électrons sont alors juxtaposés parallèlement et fournissent le faisceau stratiforme désiré. Un tel faisceau d'électrons permet bien d'accroître considérablement le rendement d'un gyrotron, mais sa production est coûteuse et il réclame une optique électronique d'un genre entièrement nouveau. Les gyrotrons construits jusqu'à présent sont en effet conçus pour un faisceau à symétrie de rotation et on ne peut donc pas les faire fonctionner sans difficulté avec le nouveau type de canon à faisceau stratiforme. Si l'on veut accroître encore davantage la puissance du gyrotron quasi optique, il est nécessaire de pouvoir élever la densité de courant du faisceau d'élec- trons. Un pas important dans cette direction a été effectué avec le développement de ce que l'on appelle des cathodes à matrice en "Mischmetall", comme cela est connu par exemple d'après le brevet EP 0 157 634 B1. Les hautes densités de courant (plus de 10 A/cm2), que ces cathodes sont capables de produire, et la compatibilité avec l'optique électroni- que traditionnelle, permettent une amélioration de la puissance totale de la structure de gyrotron connue. On doit également indiquer à ce propos la technologie des cathodes imprégnées et des cathodes du type "Dispenser". Une vue d'ensemble de cette technologie est fournie par l'article intitulé "Dispenser Cathodes"; "The Current State of Technology", de L.R. Falce, Hughes Aircraft Company, Electron Dynamics Division, Torrance, California, IEDM 83, p. 448-451, IEEE 1983. Enfin, il est connu d'après l'article intitulé "Performance Analysis of three different M-Type Dispenser Cathodes", de B. Latini, P. Cristini, I. Fragela et G. Marletta, Int. Conf. on Microwave Tubes in Systems, Problems and Prospects, Londres, 22-24 octobre 1984, Conf. Publ. No. 241, p. 35-41, que la densité de courant des cathodes peut être augmentée considérablement par revêtement avec des métaux appropriés tels que, par exemple, Os/Ru, Os/W, Ir et des métaux similaires. L'objet de l'invention est donc de créer un gyrotron du type défini dans ce qui précède, qui puisse aussi bien produire une grande puissance de rayonnement que présenter également un haut rendement en remédiant ainsi aux inconvénients des propositions de solutions connues. Conformément à l'invention, la solution réside dans le fait que la cathode annulaire présente en alter- nance des segments de fort et faible pouvoirs émissifs, de telle sorte que le faisceau d'électrons possède une densité de courant à variation azimutale, dont les valeurs faibles coincident localement dans le résonateur avec des surfaces nodales du champ électromagnétique alternatif stationnaire. Les segments sont de préférence réalisés de telle manière qu'ils correspondent au total principalement à une superposition d'un motif périodique de lamelles parallèles avec un secteur de cercle. La période du motif correspond avantageusement au produit du facteur de compression par la demi-longueur d'onde ou à un multiple entier de ce produit. Les avantages d'un faisceau strati- forme sont alliés de façon optimale dans cette forme de réalisation avec ceux de la disposition cylindro-symétrique du faisceau d'électrons. Selon une forme de réalisation appréciée, le grand pouvoir émissif est choisi de manière qu'il présente une valeur au moins double de celle du faible pouvoir émissif. On peut ainsi assurer une élévation en rapport du rendement. Pour éviter une concentration par trop forte du courant cathodique, on réalise avantageusement la cathode annulaire de manière que les segments de grand pouvoir émissif constituent une fraction aussi grande que possible de la surface de la cathode. Une cathode conforme à l'invention peut être réalisée de différentes façons. Une première possibilité consiste à recouvrir sélectivement une cathode à matrice d'un métal abaissant le travail d'émission électronique, par exemple un "Mischmetall" contenant de l'osmium. Les endroits revêtus du métal mentionné forment alors les segments de grand pouvoir émissif. La couche contenant de l'osmium est très simple à réaliser (par exemple par pulvérisation à travers un cache de configuration cor- respondante) et elle élève le pouvoir émissif d'un facteur 2 à 5. L'avantage de cette forme de réalisation réside dans le fait que le courant total est très haut et que l'énergie des électrons est répartie de façon très homogène dans le faisceau du fait des passages en douceur entre des segments de forte et de faible émission. Une deuxième possibilité consiste à revêtir sélectivement une cathode à matrice d'une substance inhibant l'émission, c'est-à-dire d'une matière non émettrice ou faiblement émettrice, par exemple une couche de Mo/Ru. La région revêtue forme alors les segments de faible pouvoir émissif. L'avantage de cette forme de réalisation réside dans le grand rapport du fort pouvoir émissif au faible pouvoir émissif. Enfin, une troisième possibilité est offerte par une cathode composée de segments individuels de différentes émissivités. Les segments de faible pouvoir émissif sont constitués par exemple de molybdène et les segments de fort pouvoir émissif sont constitués de la matière formant la cathode à matrice. Les zones de fort et de faible pouvoir émissif sont ainsi nettement séparées les unes des autres. Selon d'autres particularités de l'invention, la cathode présente au moins deux segments de grand pouvoir émissif et deux segments de faible pouvoir émissif. Les lamelles parallèles ont une largeur qui correspond à peu près à leur distance mutuelle. Selon une autre particulari- té, la cathode est une cathode à matrice et les segments de faible et de fort pouvoir émissif sont formés par des éléments soudés les uns aux autres, ayant alternativement des émissivités différentes. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description, donnée ci-après, d'exemples de réalisation, faite en regard du dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un gyrotron quasi optique, la figure 2 est une représentation schématique d'une cathode annulaire segmentée comportant deux segments de forte émissivité, la figure 3 est une représentation schématique d'une cathode annulaire segmentée comportant six segments de forte émissivité. Les références utilisées sur le dessin sont récapitulées avec leur définition à la fin de la présente description. On utilise essentiellement les mêmes référen- ces pour désigner les mêmes parties. La figure 1 représente schématiquement les éléments d'un gyrotron quasi optique qui sont essentiels pour l'explication de l'invention. Un canon 1 à faisceau d'électrons, qui comprend normalement une cathode 2, une anode auxiliaire 3 et une anode 4, produit un faisceau d'électrons 5. Celui-ci court le long d'un axe 6, est comprimé par un champ magnétique qui est produit par exemple par deux bobines 10a, 10b, disposées comme bobines de Helmholtz, et entre ensuite dans un résonateur quasi optique. Celui-ci est formé par deux miroirs 9a, 9b, placés l'un en face de l'autre sur un axe de résonateur 8. Ce dernier est essentiellement perpendiculaire à l'axe 6 du faisceau d'électrons. Les électrons du faisceau d'électrons 5, que le champ magnétique intense force à exécuter un mouvement de giration, engendrent dans le résonateur un champ électro- magnétique alternatif 7 stationnaire, de longueur d'ondes déterminée. Le rayonnement millimétrique ou sub-millimétri- que désiré est ensuite capté à la sortie du résonateur. Les aspects décrits jusqu'ici du gyrotron quasi optique sont suffisamment connus d'après l'art antérieur précité et il n'est pas nécessaire d'en donner ici une description plus détaillée. La nouveauté réside dans le canon électronique 1 et en particulier dans sa cathode 2. Celle-ci a une forme annulaire et, conformément à l'invention, elle est conçue de façon telle que le faisceau d'électrons 5 possède une densité de courant à variation azimutale. La densité de courant est alors relativement basse dans les surfaces nodales du champ alternatif stationnaire 7 et elle est grande dans les ventres, c'est-à- dire dans les zones de grande intensité de champ électrique. A cette fin, la cathode 2 présente plusieurs segments dont l'émissivité est alternativement forte et faible. La figure 2 illustre cet état de chose. Elle représente par exemple une cathode annulaire 2 comportant deux segments 11a, llb de faible pouvoir émissif et deux segments 12a, 12b de fort pouvoir émissif. Comme on l'a déjà indiqué, les segments lla, llb de faible pouvoir émissif sont réalisés et orientés de manière qu'ils mènent à une densité de courant relativement faible dans le résonateur, dans les surfaces nodales du champ alternatif 7 stationnaire. L'amplitude du champ alternatif station- naire 7 apparaît sur le côté droit de la figure 2 telle qu'elle est "vue" de la cathode. Dans le présent exemple, une seule surface nodale et deux ventres sont donc pris en considération dans la segmentation de la cathode. Les deux segments lla, llb de faible pouvoir émissif mentionnés sont d'égale grandeur et sont symétri- ques par rapport à l'axe 6 du faisceau d'électrons (qui est perpendiculaire au plan du dessin dans la représentation intermédiaire selon la figure 2). Les segments 12a, 12b de grand pouvoir émissif qui sont situés entre les segments précités sont maintenus aussi grands que possible afin d'éviter une concentration par trop forte du courant. Les segments sont essentiellement produits par le fait qu'un motif périodique de lamelles parallèles (correspondant au motif d'amplitude du champ électroma- gnétique alternatif) est superposé à un secteur de cercle (correspondant à la cathode 2). Le motif a alors de préférence une période qui correspond au produit de la demi-longueur d'onde par le facteur de compression. Ce dernier indique alors le rapport de l'intensité du champ magnétique au niveau de l'émetteur d'électrons (cathode) à son intensité au niveau du résonateur (zone d'action réciproque). Selon une forme de réalisation appréciée, les lamelles qui représentent une zone de haute densité de courant ou respectivement de grande amplitude du champ alternatif (lamelles indiquées par un pointillé) ont une largeur b qui correspond approximativement à leur distance mutuelle d. La somme de la largeur b et de la distance d correspond alors à la période mentionnée du motif. Le passage d'une forte à une faible concentration de courant est alors localisé à une amplitude relative d'environ 0,7. Pour réduire la concentration de courant, on peut alors sans difficulté choisir une largeur b plus grande et la distance mutuelle d'autant plus faible. Inversement, pour élever le rendement, on peut rendre la largeur b très petite et la mettre en accord avec les maximums d'amplitude du champ alternatif. La figure 3 représente une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention. Sur cette figure, la cathode présente respectivement six segments de grand pouvoir émissif et six segments de faible pouvoir émissif. Les segments de grande émissivité sont caractérisés par des hachures sur cette figure. Là encore, le motif périodique déterminé par le champ alternatif du résonateur est indiqué sur la moitié droite de la figure. Sur le côté gauche est indiqué un angle d'ouverture a,, a2, a3, a4, a5, a6, correspondant à chaque segment. Les valeurs suivantes sont avantageuses par exemple pour obtenir un rendement aussi haut que possible: ai = 64 , a2 = 35 , a3 = 10 , a4 = 26 , a5 = a3, '6 = 62- Les valeurs mentionnées pour les angles d'ouverture résultent de ce que les segments de forte émissivité (a1, a3, a5) sont choisis de manière que les fortes densités de courant correspondantes recouvrent localement dans le résonateur les zones du champ alternatif qui présentent une amplitude relative au moins égale à 0,95. Le rendement du gyrotron se situe alors à 90-95 % du rendement théori- quement possible. On doit tenir compte du fait qu'une élévation considérable du rendement apparaît déjà pour un petit nombre de segments. Lorsque, par exemple, le rapport de la forte émissivité à la faible émissivité pour une cathode selon la figure 2 s'élève à environ 3:1, le rendement par rapport à une cathode non segmentée s'élève déjà d'au moins 50 %. En service, les surfaces nodales du champ électromagnétique alternatif stationnaire sont alignées sur les zones de faible densité de courant par un réglage des miroirs 9a et 9b. Le nombre de segments dépend principale- ment de la longueur d'onde, du facteur de compression et du diamètre de la cathode annulaire. Conformément à l'invention, on doit prévoir au moins deux segments de forte émissivité. Le nombre est limité vers le haut par la dimension structurale minimale conditionnée par la fabrication. En tout cas, des cathodes segmentées peuvent être utilisées en descendant jusqu'à des longueurs d'ondes d'environ 1/10 mm. Un petit exemple numérique illustrera l'en- semble. Si l'on suppose que le facteur de compression s'élève à 20 environ et que la longueur d'onde est de 1 mm, on peut alors considérer, pour une cathode ayant un diamètre moyen d'environ 20 mm, juste deux surfaces nodales environ. En revanche, pour une longueur d'onde de 0,2 mm, on considère environ 20 surfaces nodales. Si l'on compte pour une surface nodale environ deux segments de faible pouvoir émissif, une telle cathode est alors constituée d'environ 40 segments de faible émissivité et d'un nombre égal de segments de forte émissivité. On donne ci-après la description de quelques formes appréciées de réalisation d'une cathode conforme à l'invention. Selon une première forme de réalisation, on utilise comme cathode une cathode à matrice recouverte localement d'une substance favorisant fortement l'émis- sivité, de préférence un métal contenant de l'osmium. Aux fins de l'invention, on applique, en tant que troisième étape lors de la fabrication, une couche d'osmium struc- turée localement dans le sens de l'invention (application par pulvérisation à travers un cache approprié). Les régions de la cathode recouvertes d'osmium forment alors les segments de grande émissivité. Les régions inter- médiaires non recouvertes ont une émissivité inférieure d'un facteur 2 à 4 et sont alignées sur les surfaces nodales. Etant donné que la surface d'une telle cathode est pratiquement plane, les électrons émergents ont tous pratiquement les mêmes conditions au départ et forment ainsi un faisceau d'électrons avec une répartition d'énergie assez homogène. Un autre avantage réside dans le fait que la dernière étape de la fabrication, à savoir l'application par pulvérisation d'osmium à travers un cache convenable- ment segmenté, peut être intégrée sans problème au procédé normal de fabrication de la cathode à matrice. Cette forme de réalisation convient bien en particulier pour des cathodes finement segmentées. D'après une deuxième forme de réalisation, une cathode à matrice est revêtue sélectivement d'une couche inhibant l'émission, notamment d'une couche de Mo/Ru, en vue de l'abaissement local de l'émissivité dans le sens de il l'invention, au cours d'une dernière étape de fabrication. Les régions ainsi recouvertes de la cathode à matrice ne sont pas émettrices et considèrent donc de façon optimale les surfaces nodales du champ alternatif dans le résona- teur. Lorsque la couche de Mo/Ru est appliquée ultérieurement, de préférence dans le cas de segments qui ne sont pas par trop petits, des cathodes à matrice pures, fabriquées en série, peuvent alors être transformées quant à leur fonctionnement sans grande dépense supplémentaire, aux fins de l'invention. Selon une troisième forme de réalisation, la cathode est composée de plusieurs parties. Les parties assemblées par exemple par brasage ou par soudage sont constituées en alternance d'une matière de forte émissivité et d'une matière de faible émissivité. Les matières qui conviennent dans ce sens sont toutes des matières connues à ce titre pour des cathodes à matrice. On peut aussi utiliser le molybdène et des alliages de molybdène. On peut dire en résumé que l'invention indique une voie facile à suivre pour élever le rendement de gyrotrons quasi optiques connus. Liste de Références 1 - Canon à faisceau électronique; 2 - Cathode; 3 Anode auxiliaire; 4 - Anode; 5 - Faisceau d'électrons; 6 - Axe du faisceau d'électrons; 7 - Champ alternatif; 8 - Axe du résonateur; 9a, 9b Miroirs; 10a, 10b - Bobines; lia, llb - Segments de faible pouvoir émissif; 12a, 12b- Segments de fort pouvoir émissif. REVENDICATIONS 1. Gyrotron quasi optique, dans lequel: a) un canon à faisceau électronique produit avec une cathode annulaire un faisceau d'électrons, b) qui court le long d'un axe et est alors comprimé par un champ magnétique stationnaire et contraint d'exécuter un mouvement de giration, c) de telle sorte qu'il crée un champ électro- magnétique alternatif stationnaire de longueur d'ondes déterminée dans un résonateur quasi optique qui présente deux miroirs disposés l'un en face de l'autre sur un axe du résonateur orienté perpendiculairement à l'axe du faisceau d'électrons, caractérisé en ce que: d) la cathode annulaire (2) présente des segments alternés de forte et de faible émissivité, de telle manière que le faisceau d'électrons (5) présente une densité de courant à variation azimutale, des valeurs de faible densité de courant dans le résonateur coïncidant localement avec des surfaces nodales du champ alternatif (7) électromagnétique stationnaire. 2. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les segments sont réalisés de manière qu'ils correspondent dans l'ensemble à une superposition d'un motif périodique de lamelles parallèles avec un segment de cercle. 3. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 2, caractérisé en ce que la période du motif cor- respond au produit d'un facteur de compression par une demi-longueur d'onde ou à un multiple entier de ce produit. 4. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 2, caractérisé en ce que la haute émissivité est au moins égale au double de la faible émissivité. 5. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 2, caractérisé en ce que la cathode présente au moins deux segments de haute émissivité et deux segments de faible émissivité. 6. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 2, caractérisé en ce que les lamelles parallèles ont une largeur qui correspond approximativement à leur distance mutuelle. 7. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la cathode est une cathode à matrice qui présente des régions structurées revêtues d'une matière favorisant l'émission, notamment d'une matière contenant de l'osmium, les segments de haute émissivité étant alors formés par les régions revêtues. 8. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la cathode est une cathode à matrice qui présente des régions structurées revêtues d'une matière inhibant l'émission, notamment revêtues de Mo/Ru, les segments de faible émissivité étant alors formés par les régions revêtues. 9. Gyrotron quasi optique suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la cathode est une cathode à matrice et les segments de faible ou respectivement de forte émissivité sont formés par des parties assemblées par brasage dont les émissivités diffèrent alternativement.