Brevet FR2661778A1 — publié le 19911108

TUBE D'AMPLIFICATION A GRILLE AVEC BARREAUX DE LARGEUR VARIABLE L'invention concerne les tubes d'amplification de puissance tels que par exemple les tétrodes. Plus les tubes sont capables de fournir une puissance élevée, plus les pertes d'énergie dans le tube doivent être prises en compte et éliminées pour ne pas risquer de provoquer la détérioration ou la destruction du tube par échauffement anormal. Dans les tubes fonctionnant à fréquence élevée, il se produit notamment des pertes dues à la circulation de courants à haute fréquence dans les grilles situées entre la cathode et l'anode du tube. Notamment, dans le cas d'une tétrode, la grille-écran, appelée le plus souvent grille G2, est parcourue par des courants haute fréquence circulant verticalement entre le haut et le bas de la grille. La grille est alors soumise à un échauffement très important. On ne sait pas précisément mesurer cet échauffement (à l'intérieur d'un tube à vide fermé), mais on a constaté l'apparition de courants inverses de grille lors de fonctionnements à très forte puissance et haute fréquence. En d'autres mots, alors que le courant normal de grille est une consommation de courant dans un sens, on constate qu'une augmentation de la puissance de fonctionnement du tube conduit à l'inversion du sens de passage du courant dans la connexion de grille. On a constaté par exemple que lors du démarrage d'une tétrode le courant de grille passait très rapidement d'une valeur normale positive de quelques ampères à une valeur négative de quelques ampères (en quelques secondes). Cette Inversion du courant de grille laisse supposer que la grille se met à émettre des électrons en grande quantité (alors qu'elle ne devrait pas le faire). Cette émission d'électrons est vraisemblablement provoquée par l'augmentation de température de la grille. En effet, le matériau employé pour la grille est le plus souvent du graphite pyrolytique qui a un pouvoir émissif relativement faible à la température normale de fonctionnement du tube. I1 est donc probable que test un échauffement anormal très important de la grille qui lui confère un pouvoir thermoémissif élevé.La quantité de courant qu'on peut mesurer laisse penser que la grille atteint des températures de l'ordre de 20000 C. Seules de telles températures peuvent en effet expliquer l'apparition d'un courant inverse de grille aussi élevé. Cette température élevée de la grille peut être la cause de mauvais fonctionnements du tube la grille rayonne une quantité de chaleur très importante vers les parties plus froides du tube et provoque un dégazage anormal de celle-ci. Les ions libérés dans le tube sont alors sources de claquages électriques, de disjonctions, etc. Les céramiques d'isolation de grille peuvent se détériorer (fêlures) sous l'action de la chaleur. I1 en résulte de toutes façons une réduction de la fiabilité et de la durée de vie des tubes. L'invention a pour but de réduire les risques de mauvais fonctionnement qui semblent dus à une augmentation anormale de température de la grille. Selon l'invention, on propose d'utiliser une grille ayant des barreaux dont la largeur est variable et est plus grande aux endroits où les courants qui circulent sont les plus élevés. De préférence, la largeur varie le long d'un barreau entre un côté où le barreau est soumis à des courants plus faibles et un autre côté où le barreau est soumis à des courants plus élevés. En particulier, dans un certain nombre de cas, on prévoira que la largeur des barreaux est plus grande dans le bas de la grille (c'est-à-dire du côté de la connexion vers l'extérieur du tube) que dans le haut. Dans une réalisation, les barreaux ont une largeur régulièrement croissante au fur et à mesure que l'on s'approche du bas de la grille. La croissance peut être continue ou discontinue. L'invention est applicable à des grilles à barreaux verticaux ou des grilles à barreaux obliques. On construit en effet souvent des grilles à barreaux obliques pour améliorer la résistance mécanique de ces grilles. En pratique l'application de l'invention est destinée surtout aux grilles réalisées par usinage ou découpage telles que les grilles de graphite pyrolytique usinées par sablage ou les grilles de molybdène découpées au laser par électroérosion ou par emboutissage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un exemple de grille classique de tétrode de puissance; - la figure 2 représente un autre exemple de grille classique, à barreaux obliques; - la figure 3 représente une réalisation de grille selon l'invention à barreaux verticaux; - la figure 4 représente une autre réalisation pour une grille à barreaux obliques. L'invention sera décrite en détail à propos d'une grille de triode ou tétrode de grande puissance ayant une cathode cylindrique, une grille (triode) ou deux grilles (tétrode) cylindriques de structure maillée, entourant la cathode, et une anode entourant les grilles. Mais bien entendu, l'invention est applicable à d'autres structures de tubes où les mêmes problèmes se rencontrent. La grille, que ce soit une grille de modulation (Gi) ou une grille écran (G2), est constituée très souvent (et c'est ce cas qui nous intéresse surtout ici) d'une feuille de matériau réfractaire en forme de cylindre usinée en structure maillée. La fonction de ces grilles est d'établir une répartition de potentiel déterminée au voisinage de la cathode tout en laissant passer la majeure partie du flux d'électrons émis par la cathode vers l'anode. Les barreaux de la structure maillée sont suffisamment proches les uns des autres pour permettre l'établissement de potentiels aussi bien distribués que possible, et cependant ils sont suffisamment séparés les uns des autres par l'espace libre des mailles pour laisser passer une proportion aussi grande que possible des électrons. Dans les structures de grilles classiques, on parvient à ce compromis avec des réseaux de barreaux formant des mailles régulières. Les barreaux sont soit des barreaux verticaux (pour permettre une évacuation optimale des courants haute fréquence car ceux-ci se propagent de haut en bas compte tenu de la répartition des potentiels haute fréquence le long de la hauteur de la grille cylindrique), soit des barreaux obliques croisés (pour améliorer la tenue mécanique de la structure). Les barreaux sont très fins par rapport aux intervalles entre barreaux. Le sens vertical conventionnellement choisi ici est l'axe du cylindre constituant la grille. La figure 1 représente une grille classique de tube d'amplification de forte puissance. C'est ici une grille en graphite pyrolytique, mais cela pourrait être aussi une grille en métal. La grille 10 est essentiellement constituée d'un réseau de barreaux verticaux 12 s'étendant entre le haut 14 de la grille et le bas 16. La grille est connectée électriquement à l'extérieur du tube par un contact pris au bas de la grille et non représenté. Dans la suite, lorsqu'on parlera du bas de la grille on se référera au côté de la connexion. De place en place, des barreaux circulaires horizontaux 18 permettent de relier mécaniquement les barreaux verticaux les uns aux autres en vue d'accroître la rigidité de la structure. Les barreaux horizontaux ne participent pas ou presque pas à l'évacuation des courants dans la grille. Très peu de courants haute fréquence se développent dans les barreaux horizontaux. Au contraire, les barreaux verticaux sont le siège de courants haute fréquence qui, dans ce type de structure, sont d'autant plus élevés qu on se rapproche du bas de la grille. La figure 2 représente une autre structure classique de grille en graphite pyrolytique. Dans cette structure, les barreaux sont obliques et il y a deux réseaux de barreaux obliques croisés 20 et 22. L'ensemble forme un réseau à mailles en losange. Bien qu'on ne I'ait pas représenté sur la figure 2, il pourrait y avoir en outre des barreaux circulaires horizontaux pour augmenter la rigidité; par exemple, il peut y avoir des barreaux horizontaux reliant les points de croisement des deux réseaux obliques, de manière à transformer le maillage en losange en un maillage triangulaire (chaque losange divisé en deux triangles). Ces barreaux horizontaux seraient là encore prévus pour augmenter la rigidité de la structure. Aussi bien dans le cas de la figure 1 que dans le cas de la figure 2, les barreaux ont des largeurs constantes du haut en bas de la grille. Selon l'invention, on propose de donner aux barreaux verticaux ou obliques des largeurs variables en fonction de la répartition de densités de courant haute fréquence dans la grille pour le fonctionnement désiré du tube (c'est-à-dire notamment pour une fréquence et une puissance désirée). Là où la densité de courant tend à être plus importante, on utilisera des barreaux plus larges. L'augmentation de la largeur du barreau permet d'augmenter la section efficace traversée par les courants donc de diminuer la puissance dissipée par effet Joule. De plus, cette augmentation de largeur permet d'augmenter la surface rayonnante du barreau. Pour une même puissance dissipée par effet Joule et évacuée principalement par rayonnement (très faible évacuation par conduction thermique et plus faible encore par convection puisqu'on est dans le vide), la température du barreau sera réduite. Les courants en différents points de la grille peuvent être calculés à partir des équations de Maxwell; les courants et potentiels suivent en effet des lois physiques et mathématiques bien connues; on peut donc déterminer quels sont les endroits (pour un fonctionnement déterminé) où la densité de courant sera la plus élevée, et on donne aux barreaux une section plus large dans ces endroits. En pratique, la densité de courant dans les barreaux de la grille est souvent très élevée dans le bas de la grille, du côté de la connexion, pour une grille cylindrique ayant classiquement une connexion dtun côté seulement du cylindre. Dans une réalisation particulière préférentielle, la largeur des barreaux va en croissant du haut de la grille vers le bas, au moins dans la partie inférieure de la grille. On obtient alors des barreaux de largeur non uniforme au fur et à mesure qu'on s' étend sur leur longueur, les barreaux étant plus larges là où les courants qui sont susceptibles de les parcourir sont les plus importants, et là où la température de la grille a par conséquent le plus de risque de S4élever trop. En pratique, dans les cas qui seront les plus classiques, on choisira donc de donner aux barreaux verticaux une largeur croissante dans le bas de la grille. Les barreaux verticaux sont en effet les plus concernés par les problèmes de circulation de courants haute fréquence et ctest en bas de la grille que les risques d'échauffement anormal sont les plus élevés. Par exemple, les barreaux verticaux ont une largeur variable continûment du haut en bas de la grille. Mais la variation peut aussi être par paliers. Ou encore, les barreaux verticaux ont une largeur constante sur une partie de la hauteur de la grille, puis, vers le bas, la largeur croît régulièrement ou par paliers. Pour des barreaux obliques, les solutions sont les mêmes croissance continue ou par paliers, depuis le haut de la grille ou seulement dans la partie inférieure de la grille. Les barreaux horizontaux eux-mêmes peuvent être plus larges vers le bas de la grille que vers le haut, ne serait-ce que par commodité de fabrication. La figure 3 illustre un exemple de constitution de grille, pour des barreaux verticaux : la largeur (L1, L2) des barreaux va en croissant vers le bas. Cette figure représente un détail dè la grille; les proportions ne sont pas respectées, pour des raisons de commodité de représentation, afin qu'on voie bien l'augmentation de largeur des barreaux; dans la pratique en effet, les barreaux peuvent être très fins par rapport à l'intervalle entre barreaux consécutifs; d'autre part l'intervalle entre barreaux horizontaux peut être beaucoup plus large que l'intervalle entre barreaux verticaux. La largeur des ouvertures entre barreaux peut être constante ou non : le plus simple est d'utiliser un maillage de pas constant, ce qui implique que les ouvertures se réduisent à mesure que les barreaux s'élargissent. La transparence de la grille aux électrons diminue donc là où les barreaux sont plus larges, mais c'est acceptable pour deux raisons - d'une part, la largeur des barreaux peut rester faible devant l'ouverture même là où les barreaux sont les plus larges; - d'autre part, le plus souvent on aura des barreaux plus larges justement dans les régions (bas de la grille) où la densité de courant électronique issue de la cathode et récupérée par la grille G2 est la plus faible. L'invention est applicable de la même manière à des grilles dont les barreaux ne sont pas verticaux mais obliques, comme par exemple une grille telle que celle de la figure 2 comportant une série de barreaux obliques tous parallèles croisés avec une autre série de barreaux obliques tous parallèles. Un exemple de réalisation de l'invention avec une grille à barreaux obliques renforcés par des barreaux horizontaux (maillage triangulaire) est représenté à la figure 4. On voit que les deux réseaux de barreaux obliques 20 et 22 ont des largeurs croissantes du haut vers le bas. Les barreaux horizontaux 24 ont également des largeurs croissantes du haut vers le bas, mais uniquement pour des raisons de commodité de fabrication; ils pourraient avoir tous la même largeur car l'échauffement dû à la circulation de courant dans ces barreaux horizontaux est faible. Les grilles peuvent être en graphite pyrolytique; elles sont alors généralement découpées par sablage au moyen de buses de projection de sable. On peut aussi prévoir que les grilles sont en métal (de préférence du molybdène). Elles sont alors réalisées par découpage au laser ou par découpage mécanique ou par électroérosion. REVENDICATIONS 1. Tube électronique d'amplification haute fréquence, comportant une grille, caractérisé en ce que la grille a des barreaux dont la largeur est variable et plus grande aux endroits où les courants qui circulent tendent à être plus élevés. 2. Tube électronique d'amplification haute fréquence, comportant une grille, caractérisé en ce que la grille a des barreaux allongés dont la largeur varie le long du barreau. 3. Tube électronique selon 11 une des revendications l et 2, caractérisé en ce que les barreaux dont la largeur est variable sont des barreaux verticaux ou obliques par rapport à la verticale. 4. Tube électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les barreaux ont une largeur plus importante vers le bas de la grille, du côté d'une connexion électrique de grille, que vers le haut. 5. Tube électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les barreaux ont une largeur régulièrement croissante au fur et à mesure que lton s'approche du bas de la grille. 6. Tube électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les barreaux ont une largeur continûment croissante. 7. Tube électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les barreaux ont une largeur constante sur une partie de la hauteur de la grille et une largeur variable dans le bas de la grille. 8. Tube électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la grille est en graphite pyrolytique ou en métal.