Brevet FR2668297A1 — publié le 19920424

COLLECTEUR POUR TUBE HYPERFREQUENCE ET TUBE HYPERFREQUENCE COMPORTANT UN TEL COLLECTEUR. La présente invention se rapporte aux collecteurs pour tubes hyperfréquences Elle concerne également les tubes hyperfréquences comportant de tels collecteurs et notamment les tubes à interaction longitudinale. Les klystrons et les tubes à ondes progressives appartiennent à cette catégorie de tubes hyperfréquences Leur fonctionnement est basé sur un échange d'énergie entre un faisceau d'électrons linéaire et une onde électromagnétique hyperfréquence Le faisceau d'électrons est émis dans un canon, par une cathode Le canon est placé en entrée d'un espace d'interaction tubulaire Le faisceau d'électrons est long et fin, il parcourt l'espace d'interaction Un dispositif de focalisation entoure l'espace d'interaction et confine les électrons du faisceau sur des trajectoires désirées. Dans l'espace d'interaction, le faisceau d'électrons interagit avec une onde électromagnétique hyperfréquence. L'onde électromagnétique hyperfréquence amplifiée est extraite par un dispositif approprié en sortie de l'espace d'interaction. Le faisceau d'électrons termine sa course dans un collecteur placé en sortie de l'espace d'interaction. L'espace d'interaction comporte un circuit hyperfréquence qui est généralement, soit une ligne à retard en hélice dans le cas d'un tube à ondes progressives, soit une succession de cavités résonantes dans le cas d'un klystron L'espace d'interaction est porté à un potentiel qui est généralement une masse. Après avoir cédé une partie de son énergie à l'onde électromagnétique hyperfréquence, le faisceau d'électrons I possède encore une énergie cinétique importante en pénétrant dans le collecteur Le collecteur dissipe cette énergie sous forme de chaleur On essaie de récupérer une partie de cette énergie en freinant les électrons du faisceau Pour cela on utilise un collecteur déprimé qui est porté à un potentiel intermédiaire entre le potentiel de la cathode et celui de l'espace d'interaction Le collecteur peut comporter une électrodes ou plusieurs électrodes successives; lorsqu'il y en a plusieurs, elles sont portées à des potentiels décroissants plus ou s'éloigne de l'espace d'interaction Le collecteur a alors plusieurs étages L'utilisation d'un collecteur déprimé contribue à augmenter le rendement du tube hyperfréquence et à réduire les difficultés rencontrées pour évacuer la chaleur. Le faisceau d'électrons, par suite de son interaction avec l'onde électromagnétique hyperfréquence, est loin d'être monocinétique Les électrons rapides possèdent une énergie plus importante que les électrons lents. Dans le cas d'un collecteur à plusieurs étages, les électrons les plus lents sont interceptés par la première électrode, les autres électrons poursuivent leur course Leur vitesse est diminuée par le champ de freinage qui existe entre les électrodes successives Ils sont peu à peu interceptés par les différentes électrodes A l'entrée du collecteur, si le potentiel est inférieur à celui qui correspond à l'énergie des électrons les plus lents, ces électrons sont réfléchis et sont renvoyés dans l'espace d'interaction Certains peuvent même atteindre le canon à électrons o ils sont de nouveau réfléchis. Le courant modulé supplémentaire qui leur correspond entraîne un couplage parasite entre l'entrée et la sortie de l'espace d'interaction Cela provoque une distorsion de phase et d'amplitude, en fonction de la fréquence, de l'onde électromagnétique hyperfréquence récupérée en sortie de l'espace d'interaction Le bruit en sortie du tube est augmenté et le tube peut même se mettre à osciller Cet inconvénient est particulièrement gênant dans certains systèmes de télécommunications qui présentent alors de la diaphonie. Les électrons réfléchis qui n'atteignent pas le canon sont interceptés par le circuit hyperfréquence Ils engendrent son échauffement et même sa fusion, ce qui est fatal pour la vie du tube. Dans le cas de tubes hyperfréquences à forte modulation du faisceau tels que les klystrons et les tubes à ondes progressives de puissance, on essaye de diminuer au maximum l'écart de potentiel entre l'espace d'interaction et l'entrée du collecteur pour que les électrons les plus lents puissent pénétrer à l'intérieur du collecteur sans être réfléchis On s'aperçoit alors que la dépression se réduit à peu de choses et l'on retrouve alors les difficultés pour évacuer la chaleur Le rendement du tube hyperfréquence s'en ressent. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients Elle propose un collecteur déprimé recueillant les électrons d'un faisceau, la quasi totalité des électrons les plus lents étant projettes dans une zone o ils ne causent pas de dommage, au lieu d'être réfléchis vers l'espace d'interaction. Il est alors possible de choisir une dépression qui optimise le rendement du tube sans mettre sa vie en danger, ni amoindrir ses performances. La présente invention propose un collecteur pour recueillir les électrons de vitesses différentes d'un faisceau, disposé en sortie d'un espace d'interaction, comprenant une enceinte déprimée, limitée en amont par une paroi d'entrée et une chambre d'expansion interposée entre l'espace d'interaction et l'enceinte déprimée La chambre d'expansion est limitée en amont par une paroi d'entrée La surface extérieure de la paroi d'entrée de l'enceinte déprimée et la surface intérieure de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion sont conformées de manière à ce que la quasi totalité des électrons les plus lents percutent la surface intérieure de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion au lieu d'être réfléchis vers l'espace d'interaction. La surface intérieure de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion et la surface extérieure de la paroi d'entrée de l'enceinte déprimée peuvent être sensiblement en forme de cônes tronqués, orientés dans le même sens, évasés vers l'aval Les cônes peuvent avoir approximativement le même angle au sommet. De préférence, la paroi d'entrée de la chambre d'expansion comporte un orifice circulaire, de diamètre d suffisant pour laisser passer les électrons du faisceau. De préférence, la paroi d'entrée de l'enceinte déprimée comporte un orifice circulaire, de diamètre D, le diamètre D étant supérieur à deux fois le diamètre d. De préférence, la distance L comprise entre l'orifice de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion et l'orifice de la paroi d'entrée de l'enceinte déprimée est supérieure ou égale au diamètre d de l'orifice de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion. La surface extérieure de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion peut être refroidie par circulation d'un fluide. Le potentiel de l'espace d'interaction peut être une masse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées qui représentent: la figure 1: une coupe longitudinale d'un collecteur selon l'art antérieur; la figure 2: une coupe longitudinale d'un collecteur selon l'invention. La figure 1 représente, en coupe longitudinale un collecteur 10 déprimé, de type connu, pour tube hyperfréquence à faisceau 1 d'électrons linéaire Ce faisceau est produit par une cathode d'un canon à électrons, non représenté Les électrons du faisceau 1 parcourent ensuite un espace d'interaction 2 de forme tubulaire En sortie de l'espace d'interaction 2, le collecteur 10 recueille une grande partie des électrons. Le collecteur 10 est construit autour d'un axe XX' de révolution qui coïncide avec l'axe du faisceau l d'électrons. Cet espace d'interaction 2 comprend un circuit hyperfréquence qui peut être, par exemple, une ligne à retard dans le cas des tubes à ondes progressives ou une succession de cavités résonantes dans le cas des klystrons Le circuit hyperfréquence n'est pas représenté L'espace d'interaction 2 est porté à un potentiel qui est généralement une masse. L'espace d'interaction 2 est entouré d'un dispositif de focalisation 6 qui empêche le faisceau d'électrons de diverger. Il confine les électrons sur des trajectoires désirées sensiblement parallèles. Une pièce conductrice annulaire 3 est disposée en aval de l'espace d'interaction 2 Elle est portée au même potentiel que ce dernier. Le collecteur 10 représenté est déprimé avec un seul étage ou une seule électrode Il aurait pu être multi étages avec une succession d'électrodes portées à des potentiels décroissants plus on s'éloigne de l'espace d'interaction. Il est formé d'une enceinte 4 pourvue d'un orifice 7 pour laisser pénétrer les électrons Cette enceinte 4 forme l'électrode L'enceinte 4 est reliée mécaniquement, de façon étanche, par l'intermédiaire d'une entretoise 5 isolante à la pièce annulaire 3 Cette liaison se fait à proximité de l'orifice 7 L'enceinte 4 est portée à un potentiel inférieur au potentiel de l'espace d'interaction 2. L'entretoise isolante 5, de forme cylindrique, isole électriquement l'espace d'interaction 2 et le collecteur 10. On a représenté la paroi de l'enceinte 4 par deux tubes tronconiques assemblés par leur grande extrémité La petite extrémité de l'un des tubes est fermée, ce qui forme un fond au collecteur. La petite extrémité de l'autre tube tronconique est ouverte et l'ouverture forme l'orifice 7 de l'enceinte 4 De façon connue, un fluide approprié peut circuler autour de l'enceinte 4 pour refroidir sa paroi Cela n'est pas représenté. Dans l'espace d'interaction 2, le faisceau d'électrons est focalisé par un champ magnétique axial A la sortie de l'espace d'interaction, ce champ magnétique décroit brusquement En sortant de l'espace d'interaction 2, le faisceau d'électrons 1 commence à diverger rapidement, sous l'influence des forces de charge d'espace. Le faisceau d'électrons 1, par suite de son passage dans l'espace d'interaction o il a interagi avec une onde électromagnétique est loin d'être monocinétique Certains électrons sont plus lents que d'autres Si le potentiel de l'enceinte 4 est inférieur à celui qui correspond à l'énergie des électrons les plus lents, ceux-ci ne pourront pénétrer dans l'enceinte 4 Ils seront réfléchis dans l'espace d'interaction 2 Certains électrons iront percuter le circuit hyperfréquence entraînant son échauffement, d'autres pourront même atteindre le canon à électrons. Ces électrons perturbent le fonctionnement du tube hyperfréquence et peuvent même mettre en danger sa vie. Les électrons plus rapides pénètrent dans l'enceinte 4 par l'orifice 7 et percutent la surface interne de la paroi de l'enceinte 4 La transition entre la sortie de l'espace d'interaction 2 porté à un premier potentiel (généralement la masse) et l'orifice 7 de l'enceinte 4 porté à un second potentiel inférieur au premier potentiel, s'effectue sur une distance courte. Le figure 2 représente en coupe longitudinale un collecteur , conforme à l'invention, pour tube hyperfréquence à faisceau d'électrons linéaire 21. Ce collecteur 20, comme celui représenté à la figure 1, est construit autour d'un axe de révolution XX' Cet axe est aussi l'axe du faisceau d'électrons 21. Le collecteur 20 selon l'invention diffère principalement du collecteur représenté à la figure 1 par le fait qu'il comporte une chambre d'expansion 22 placée en amont d'une enceinte déprimée 23. Comme précédemment le faisceau d'électrons 21 est formé par une cathode d'un canon à électrons, non représenté Le faisceau d'électrons 21 parcourt un espace d'interaction 24 de forme tubulaire L'espace d'interaction 24 est entouré d'un dispositif de focalisation 25 qui empêche le faisceau d'électrons 21 de diverger En sortie de l'espace d'interaction 24, le faisceau d'électrons 21 pénètre dans le collecteur 20. L'enceinte déprimée 23 a un seul étage On pourrait envisager qu'elle en comporte plusieurs. L'enceinte déprimée 23 est limitée par une paroi 26 Cette paroi est pourvue, en amont, d'un orifice 27 pour laisser pénétrer les électrons Cet orifice 27 est de préférence circulaire, de diamètre D, centré sur l'axe XX' La portion de paroi 26 entourant l'orifice 27 forme une paroi d'entrée 30 à l'enceinte déprimée 23 La paroi 26 est réalisée dans un métal bon conducteur de la chaleur tel que du cuivre L'enceinte déprimée 23 est portée à un potentiel inférieur au potentiel de l'espace d'interaction 24 Ce potentiel est toutefois supérieur au potentiel de la cathode produisant le faisceau d'électrons. On a représenté la paroi 26 de l'enceinte déprimée 23, par deux tubes tronconiques assemblés par leur grande extrémité La petite extrémité de l'un des tubes tronconiques est fermée et forme un fond à l'enceinte déprimée 23 La petite extrémité de l'autre tube tronconique comporte une ouverture qui correspond à l'orifice 27 de l'enceinte déprimée 23 Ce dernier tube tronconique forme la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23. La chambre d'expansion 22 est placée entre la sortie de l'espace d'interaction 24 et l'enceinte déprimée 23 Elle est limitée en amont par une paroi d'entrée 28, conductrice, reliée de façon étanche à l'espace d'interaction 24 Cette paroi d'entrée 28 est pourvue d'un orifice 29, de préférence circulaire, de diamètre d, centré sur l'axe XX' Le diamètre d est suffisant pour laisser passer les électrons du faisceau Cet orifice 29 a sensiblement le même diamètre que celui de l'intérieur de l'espace d'interaction 24 La paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 est portée au potentiel de l'espace d'interaction 24 Elle est réalisée dans un métal dissipant bien la chaleur tel que du cuivre, par exemple En aval, la chambre d'expansion 22 est limitée par la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23. La paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 et la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23 sont reliées entre elles, de façon étanche, par une entretoise électriquement isolante 31 L'entretoise 31 représentée est tubulaire La paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 et la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23 sont portées à des potentiels différents; elles créent une lentille électrostatique En pénétrant dans la chambre d'expansion 22 les électrons du faisceau 21 divergent rapidement Cette divergence est due au champ magnétique qui décroît rapidement à la sortie de l'espace d'interaction 24, à l'influence des forces de charge d'espace et aussi à l'effet de lentille électrostatique. Maintenant tous les électrons pénètrent dans la chambre d'expansion 22 en divergeant. La surface intérieure de la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 et la surface extérieure de la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23 sont conformées de manière à ce que la quasi totalité des électrons trop lents pour pénétrer dans l'enceinte déprimée 23 aillent percuter la surface intérieure de la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22. Dans la chambre d'expansion 22, on s'arrange pour que les surfaces équipotentielles soient orientées de manière à ce que les électrons ayant une vitesse quasi nulle soient déviés vers la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 La trajectoire d'un électron est sensiblement normale à une surface équipotentielle. Un mode de réalisation est représenté sur la figure 2. D'autres constructions sont tout à fait possibles La surface intérieure de la paroi d'entrée 20 de la chambre d'expansion 22 et la surface extérieure de la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23 sont sensiblement en forme de cônes droits tronqués Les cônes sont orientés dans le même sens et sont évasés vers l'aval Ils peuvent avoir sensiblement le même angle au sommet. Le chemin parcouru par les électrons, entre la sortie de l'espace d'interaction 24 et l'entrée de l'enceinte déprimée 23 est beaucoup plus long que dans les collecteurs de l'art connu. En entrant dans la chambre d'expansion 22 les électrons se dispersent rapidement Les électrons rapides pénètrent dans l'enceinte déprimée 23 La quasi totalité des électrons lents percutent la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22, une fraction négligeable des électrons lents sont renvoyés dans l'espace d'interaction 24. De préférence, le diamètre D de l'orifice 27 de la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 26 est supérieur à deux fois le diamètre d de l'orifice 29 de la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 De même, la distance L comprise entre l'orifice 29 de la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 et l'orifice 27 de la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23, est supérieure au diamètre d. La paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 va être bombardée par un nombre important d'électrons Elle va s'échauffer, il est possible de la refroidir en faisant circuler un fluide 32 autour de sa surface extérieure. En pratique, ou refroidira aussi l'extérieur de l'enceinte déprimée 26 par circulation d'un fluide approprié Cette circulation n'est pas représentée. Avec un collecteur selon l'invention il est possible d'augmenter la différence de potentiel entre l'espace d'interaction 24 et l'entrée du collecteur 20 Ceci permet d'optimiser le rendement du tube hyperfréquence utilisant ce collecteur, sans mettre en danger la vie du tube, ni amoindrir ses performances en matière de linéarité. REVENDICATIONS 1 Collecteur pour recueillir les électrons de vitesse différente d'un faisceau ( 21), disposé en sortie d'un espace d'interaction ( 24), comprenant une enceinte déprimée ( 23) portée à un ou plusieurs potentiels inférieurs au potentiel de l'espace d'interaction, l'enceinte déprimée étant limitée en amont par une paroi d'entrée ( 30), caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'expansion ( 22) interposée entre l'espace d'interaction ( 24) et l'enceinte déprimée ( 23), la chambre d'expansion étant limitée en amont par une paroi d'entrée ( 28), portée au potentiel de l'espace d'interaction et en aval par la paroi d'entrée ( 30) de l'enceinte déprimée ( 23), la paroi d'entrée ( 28) de la chambre d'expansion étant isolée électriquement de la paroi d'entrée ( 30) de l'enceinte déprimée et en ce que la surface extérieure de la paroi d'entrée ( 30) de l'enceinte déprimée ( 23) et la surface intérieure de la paroi d'entrée ( 28) de la chambre d'expansion ( 22) sont conformées de manière à ce que la quasi totalité des électrons les plus lents percutent la surface intérieure de la paroi d'entrée ( 28) de la chambre d'expansion ( 22) au lieu d'être réfléchis vers l'espace d'interaction ( 24). 2 Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface intérieure de la paroi d'entrée ( 28) de la chambre d'expansion ( 22) et la surface extérieure de la paroi d'entrée ( 30) de l'enceinte déprimée ( 23) sont sensiblement en forme de cônes tronqués, orientés dans le même sens et évasés vers l'aval. 3 Collecteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que les cônes ont approximativement le même angle au sommet. 4 Collecteur selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la paroi d'entrée ( 28) de la chambre d'expansion ( 22) comporte un orifice ( 29) circulaire de diamètre d, ce diamètre d étant suffisant pour laisser passer les électrons du faisceau. Collecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi d'entrée ( 30) de l'enceinte déprimée ( 23) comporte un orifice ( 27) circulaire de diamètre D, ce diamètre D étant supérieur à deux fois le diamètre d. 6 Collecteur selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que la distance L comprise entre l'orifice ( 29) de la paroi d'entrée ( 28) de la chambre d'expansion ( 22) et l'orifice ( 27) de la paroi d'entrée ( 30) de l'enceinte déprimée ( 23) est supérieure ou égale au diamètre d. 7 Collecteur selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la surface extérieure de la paroi d'entrée ( 28) de la chambre d'expansion ( 22) est refroidie par circulation d'un fluide ( 32). 8 Collecteur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le potentiel de l'espace d'interaction ( 24) est sensiblement une masse. 9 Tube hyperfréquence à faisceau d'électrons linéaire caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur selon l'une des revendications 1 à 8.