Brevet FR2669772A1 — publié le 19920529

La présente invention concerne un gyrotron compre- nant un convertisseur de mode quasi-optique. Au cours de ces dernières années, on a étudié l'utilisation d'une onde électromagnétique de la bande millimétrique pour le chauffage du plasma dans un réacteur de fusion nucléaire On a utilisé avantageusement le gyrotron en mode à voûte acoustique (WGM) comme source oscillant à haute fréquence et de forte énergie. Cependant, dans ce mode WGM, les pertes de l'onde par transmission sont importantes dans un guide d'onde En conséquence, on a reconnu que ce mode à voûte acoustique ne convenait pas à la transmission d'une puissance élevée au réacteur de fusion nucléaire qui se trouve à quelques dizaines de mètres de la source d'oscillation. On a déjà proposé, comme dispositif pour la résolu- tion du problème précité, la transformation de l'onde millimétrique en mode à voûte acoustique en un faisceau polarisé linéairement, et la transmission du faisceau transformé dans un mode quasi-optique, afin qu'il soit focalisé puis mis sous forme divergente par un miroir Plus précisément, on utilise, comme dispositif précité par exemple, un convertisseur de mode quasi-optique (par exemple un convertisseur de Vlasov) décrit dans un premier document qui est un article de Vlasov S N et al, 1975, Radio Engineering and Electronic Physics, vol 21, no 10, pages 14 à 17, et dans un deuxième document de Osami Wada et al Int J Electronics, 1988, Vol 65, N O 3, pages 725 à 732. En outre, on a proposé, comme autre dispositif, l'utilisation d'un convertisseur de mode quasi-optique ayant un réflecteur focalisant le faisceau millimétrique, tel que représenté dans la demande de brevet japonais no 1-83506, et la transformation du mode à voûte acoustique en "un mode ayant une faible perte par transmission", et la transmission du faisceau. Le convertisseur précité de mode quasi-optique peut être construit partiellement ou entièrement dans le gyrotron. La figure 3 est une coupe par un plan vertical du gyrotron dans lequel le convertisseur de mode quasi-optique précité est incorporé. Sur la figure, la référence 10 désigne une paroi d'un récipient délimitant l'état de vide, la référence 11 un électro-aimant destiné à appliquer un champ magnétique qui est nécessaire à la création d'un faisceau électronique 2, la référence 12 un électro-aimant destiné à appliquer un champ magnétique qui est nécessaire pour l'oscillation, et la référence 13 un collecteur de faisceau électronique destiné à collecter le faisceau d'électrons. Sur le dessin, un faisceau électronique annulaire 2 créé par un canon à électrons 1 est guidé vers un résona- teur 3 à cavité, et il oscille. L'onde de la voûte acoustique créée dans un résona- teur 3 à cavité est guidée vers un convertisseur 7 de mode quasi-optique qui comporte un réflecteur 6 et un radiateur 5 connectés à un guide d'onde circulaire par l'intermé- diaire d'un résonateur 3 à cavité. Le mode à voûte acoustique est transformé en un faisceau 8 d'ondes millimétriques dans le convertisseur 7 de mode quasi-optique et est transmis vers l'extérieur par une fenêtre 9 de sortie. Contrairement au gyrotron classique qui ne comprend pas le convertisseur 7 de mode quasi-optique, il n'est pas nécessaire de former un guide d'onde dans le collecteur 13 du faisceau électronique En conséquence, l'ensemble de l'appareil peut être agrandi, et cette possibilité présente l'avantage de permettre le fonctionnement du gyrotron de l'avenir avec un débit constant et des puissances élevées. Cependant, dans le gyrotron ayant la structure précitée, le problème suivant se pose. Il est en général très difficile de réduire les pertes, provoquées par la diffraction créée par le conver- tisseur 7 de mode quasi-optique, à une valeur nulle En conséquence, une partie de l'onde millimétrique diffractée rayonnée par le radiateur 5 ne peut pas être transmise par le tube du gyrotron, et est conservée dans le tube, alors que de nombreuses réflexions irrégulières se répètent. Ensuite, il arrive qu'une partie de l'onde millimétrique atteigne la position du résonateur 3 de la cavité ou celle du panneau électronique 1 Si l'onde millimétrique atteint la position du résonateur 3, elle a une influence défavo- rable sur l'état d'oscillation. Lorsque l'onde atteint la position du canon électro- nique 1 par l'intermédiaire d'un guide d'onde circulaire 4, le canon électronique 1 est échauffé par l'onde millimé- trique, et le réglage de température du canon électronique 1 lui-même devient difficile En conséquence, comme le faisceau transmis par le canon électronique 1 varie, l'énergie millimétrique sortant du gyrotron varie aussi En conséquence, des inconvénients peuvent se présenter pour le réglage du chauffage du plasma. L'invention a pour objet la réalisation d'un gyro- tron dans lequel l'influence de la diffraction d'un conver- tisseur de mode quasi-optique est réduite et le fonctionne- ment de l'appareil principal et son débit peuvent être stabilisés. A cet effet, l'invention concerne un appareil ayant la structure suivante. L'invention concerne un gyrotron qui contient un convertisseur de mode quasi-optique Une couche diélec- trique solide formée de carbure de silicium est placée à la périphérie du convertisseur de mode afin qu'elle absorbe les ondes diffractées superflues, créées en petites quanti- tés par diffraction du convertisseur de mode quasi-optique. En outre, un fluide à absorption millimétrique peut être transmis à la périphérie du convertisseur de mode, à travers la paroi de protection contre le vide formée de l'organe diélectrique. Dans le gyrotron ayant cette structure, les ondes diffractées superflues créées par diffraction du convertisseur de mode quasi-optique peuvent être absorbées par l'absorbeur d'ondes millimétriques En conséquence, le fonctionnement oscillant instable de l'appareil lui-même, qui est provoqué par la chaleur dégagée par les ondes diffractées superflues, et le débit instable peuvent être supprimés. Un troisième document, le document ORIVL/Svb/79- 21453/21 indique qu'un mélange de carbure de silicium est placé dans le tube du gyrotron Ce document représente un exemple de la structure dans laquelle du carbure de sili- cium est placé à la face interne de manière qu'une partie de tunnel pour faisceau possède un amortissement élevé à hautes fréquences et empêche que la partie de tunnel pour faisceau ne serve comme résonateur à la cavité et ne provoque une création anormale Cependant, ceci ne consti- tue pas la structure ayant pour objet la suppression du chauffage anormal du canon électronique, provoqué par l'onde diffractée par un convertisseur de mode quasi- optique, et la création stable du résonateur à cavité lui- même. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe par un plan vertical représentant schématiquement un gyrotron dans un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 A est une coupe par un plan vertical représentant schématiquement un gyrotron dans un second mode de réalisation de l'invention; les figures 2 B à 2 D sont des coupes verticales représentant schématiquement la partie principale d'une variante du second mode de réalisation; et la figure 3 est une coupe par un plan vertical représentant schématiquement le gyrotron classique. Dans le gyrotron du premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, les références numériques identiques à celles de la figure 3 désignent les mêmes parties que sur cette figure En conséquence, on ne décrit en détail que les autres parties caractéristiques La différence importante avec la technique antérieure repose sur le point suivant. Dans une région qui entoure un convertisseur 7 de mode quasi-optique, dans une surface périphérique interne d'une paroi 7 de récipient formant un espace contenant le convertisseur 7 de mode quasi-optique et qui permet la transmission d'un faisceau millimétrique 8, une couche 21 d'absorption des ondes millimétriques est disposée, cette couche étant formée d'une couche diélectrique solide, par exemple de carbure de silicium, ayant une propriété d'ab- sorption facile des ondes millimétriques. Dans la structure précitée, la plus grande partie des ondes millimétriques dites "diffractées", créées par diffraction du convertisseur de mode quasi-optique 7 et qui restent dans le tube, sont absorbées par la couche 21 En conséquence, les ondes superflues peuvent être maîtrisées et ne peuvent pas atteindre l'oscillateur 3 à cavité et le canon électronique 1 De cette manière, le fonctionnement oscillant du gyrotron lui-même et son débit peuvent être stabilisés. La couche 21 d'absorption des ondes millimétriques peut occuper des positions quelconques à l'intérieur de la paroi 10 du récipient, dans une variante de la disposition de la couche 21 En outre, un circuit de refroidissement de la couche 21 d'absorption des ondes millimétriques peut en outre être présent. Dans le gyrotron du second mode de réalisation et les variantes, représentées sur les figures 2 A à 2 D, comme pour le premier mode de réalisation, les références numé- riques identiques à celles de la figure 3 désignent des mêmes parties d'appareil que sur cette figure En consé- quence on ne décrit en détail que les parties différentes. La caractéristique principale du second mode de réalisation est la suivante. Dans une région qui permet la transmission du faisceau millimétrique 8, à la surface périphérique interne de la paroi 10 du récipient formant un espace contenant le convertisseur de mode quasi- optique 7, des parois 23 a et 23 b formant des barrières pour le vide sont formées d'un matériau diélectrique afin que des passages annulaires 22 a et 22 b de circulation soient formés à la paroi 10 En outre, les passages 22 a et 22 b de circulation sont connec- tés à des tubes 24 a et 24 b d'entrée de fluide et à des tubes 25 a et 25 b de sortie de fluide Le "fluide d'absorp- tion millimétrique", tel que l'eau ou la vapeur d'eau, est chassé dans les passages 22 a et 22 b par ces tubes, par une alimentation en fluide (non représentée) Le fluide peut aussi être un alcool ou un composé halocarboné. Dans la structure précitée, la plus grande partie des ondes millimétriques diffractées, créées par diffrac- tion du convertisseur de mode quasi-optique 7, passe à travers les parois 23 a et 23 b formées de l'organe diélec- trique et avance dans les passages 22 a et 22 b Les ondes millimétriques diffractées sont alors absorbées par le fluide 21, dans les passages, et la température du fluide s'élève En outre, dans la partie externe, un appareil (non représenté) de circulation et d'alimentation en fluide est connecté au tube respectif et forme un trajet de circula- tion de fluide qui assure une circulation forcée du fluide. En conséquence, on peut obtenir le même fonctionnement et le même effet que dans le premier mode de réalisation. Il n'est pas nécessaire que chaque partie des passages 22 a et 22 b soit formée par la paroi 10 et on peut utiliser un organe formant une paroi de protection du vide qui est différent de la paroi 10. Le second mode de réalisation précité et d'autres variantes sont représentés dans les coupes des parties principales des figures 2 B, 2 C et 2 D, qui représentent ces caractéristiques. Dans la variante de la figure 2 B, la paroi 23 a ( 23 b) de protection du vide peut être formée d'un autre matériau, par exemple une couche de carbure de silicium qui peut facilement absorber les ondes millimétriques. En outre, dans la variante de la figure 2 C, des passages 22 a ( 22 b) sont formés à l'intérieur de la paroi 10 par une couche 21 d'absorption des ondes millimétriques et des organes diélectriques 23 a ( 23 b), transparents aux ondes millimétriques En outre, un circuit de circulation permet le passage éventuel d'un fluide de refroidissement et/ou d'un fluide d'absorption des ondes millimétriques. Dans la variante de la figure 2 D, la couche 21 d'absorption des ondes millimétriques est la plus à l'inté- rieur du tube, et la mince paroi 23 a ( 23) de protection, par exemple de métal, est formée à l'extérieur de la couche d'absorption La chaleur qui est absorbée dans la couche 21 qui est à l'intérieur, par la paroi 23 a ( 23 b) de protection contre le vide formant une structure double, est transmise à la paroi métallique 23 a ( 23 b) ayant une conductibilité thermique élevée, et est absorbée par un fluide de refroi- dissement, tel que de l'eau, qui circule dans les passages 22 a ( 22 b) et qui est entraîné efficacement à l'extérieur de l'appareil. Dans tous les cas, il est possible d'utiliser un fluide comme matière de refroidissement de l'organe d'ab- sorption des ondes millimétriques. Dans les modes de réalisation précités, l'invention est appliquée à un gyrotron qui comprend un convertisseur de mode quasi-optique 7 qui est formé de manière qu'un réflecteur 6 fasse converger le faisceau millimétrique. L'invention s'applique aussi au gyrotron comprenant un convertisseur de mode quasi-optique ayant un miroir dont la courbure en direction verticale est infinie en direction verticale (par exemple une surface parabolique). Les avantages techniques des modes de réalisation précités et de leurs variantes sont les suivants. L'extraction de la chaleur du collecteur de faisceau électronique, qui est agrandi lorsque le débit de l'appa- reil augmente et qui est transmis de façon continue, du fait du fonctionnement continu envisagé dans ce domaine technique pour l'avenir, nécessite l'incorporation du convertisseur de mode quasi- optique Dans ce cas, il est indispensable d'absorber efficacement la plupart des ondes millimétriques nuisibles qui sont dégagées par diffraction du convertisseur de mode quasi-optique et qui restent dans le tube du gyrotron En conséquence, il faut que les ondes millimétriques diffractées soient absorbées par la couche d'absorption d'ondes millimétriques placée selon l'inven- tion, afin que les ondes -millimétriques superflues ne puissent pas atteindre les principaux organes de l'appareil (par exemple l'oscillateur de la cavité ou le canon élec- tronique) Le gyrotron ayant la structure précédente selon l'invention peut remplir les conditions précitées, tout en donnant la stabilité du fonctionnement oscillant continu de l'appareil et son débit continu. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au gyrotron qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Gyrotron contenant un convertisseur de mode quasi-optique ( 7), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif ( 21) d'absorption des ondes millimétriques créées par diffraction du convertisseur de mode quasi- optique. 2 Gyrotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif ( 21) d'absorption des ondes millimé- triques comporte une couche diélectrique solide placée dans la zone périphérique du convertisseur ( 7) de mode quasi- optique qui ne perturbe pas un faisceau d'ondes millimé- triques transmises et absorbe les ondes millimétriques diffractées. 3 Gyrotron selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche ( 21) d'absorption des ondes millimé- triques, qui est la couche diélectrique solide, contient du carbure de silicium. 4 Gyrotron selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de refroidissement du dispositif d'absorption des ondes millimétriques. Gyrotron selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comprend: une paroi ( 23 a, 23 b) de protection du vide qui, avec la paroi ( 10) du récipient, forme un espace contenant le convertisseur de mode quasi-optique ( 7), avec formation de passages de circulation ( 22 a, 22 b), la paroi étant formée d'un métal ayant une bonne conductibilité thermique, un fluide de refroidissement ( 20) qui est transmis aux passages de circulation dans lesquels il s'écoule, et un dispositif ( 24 a, 24 b, 25 a, 25 b) destiné à trans- mettre le fluide de refroidissement dans les passages de circulation. 6 Gyrotron selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif ( 24 a, 24 b, 25 a, 25 b) destiné à trans- mettre le fluide de refroidissement est raccordé aux passages de circulation afin qu'il assure la circulation forcée du fluide dans ces passages. 7 Gyrotron selon la revendication 5, caractérisé en ce que la paroi ( 23 a, 23 b) formant une protection du vide joue le rôle du dispositif d'absorption des ondes millimétriques. 8 Gyrotron selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement ( 20) est formé d'eau, d'alcool ou de composés halocarbonés. 9 Gyrotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif ( 21) d'absorption des ondes millimé- triques comporte des passages ( 22 a, 22 b) de circulation qui sont formés par des parois de protection du vide et une paroi ( 10) d'un récipient, délimitant un espace contenant le convertisseur de mode quasi- optique ( 7), et qui permet la transmission d'un faisceau principal d'ondes millimétriques ( 8), les parois ( 23 a, 23 b) de protection du vide sont constituées d'un organe diélectrique qui est transparent aux ondes millimétriques, un fluide ( 20) circule dans les passages ( 22 a, 22 b) de circulation et absorbe les ondes millimétriques, et un dispositif ( 24 a, 24 b, 25 a, 25 b) est destiné à transmettre le fluide aux passages de circulation. Gyrotron selon la revendication 9, caractérisé en ce que le fluide ( 20) est un absorbeur des ondes milli- métriques, formé d'eau ou de vapeur d'eau. 11 Gyrotron selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif ( 24 a, 24 b, 25 a, 25 b) destiné à transmettre le fluide est raccordé au passage afin qu'il assure la circulation forcée du fluide dans les passages. 12 Gyrotron selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif ( 21) d'absorption des ondes milli- métriques jouant le rôle d'une couche diélectrique solide est formé de carbure de silicium disposé dans les passages de circulation.