Brevet FR2683941A1 — publié le 19930521

i La présente invention concerne une électrode formant anode, ou collecteur d'électrons, pour tube à ondes progressives (T O P), et plus particulièrement des collecteurs d'électrons comportant un nombre réduit de parties constitutives, tout en offrant des caractéristiques supérieures de fonctionnement et une très grande fiabilité. Les collecteurs d'électrons pour tubes à ondes progressives (T O P) et les dispositifs analogues constituant des électrodes formant anode sont d'un usage très répandu Quelle que soit leur conception, tous ces collecteurs d'électrons remplissent essentiellement la même fonction Ils sont chargés positivement de o façon à attirer et dissiper le bombardement d'électrons émis à partir d'une élec- trode formant cathode L'absorption de ce bombardement d'électrons fait s'échauffer le collecteur d'électrons C'est pourquoi de nombreux collecteurs d'électrons sont rendus solidaires de puits thermiques, échangeurs de chaleur ou autres dispositifs de refroidissement Si un collecteur d'électrons devient l'objet d'un échauffement excessif, ce collecteur d'électrons se trouve incapable de maintenir sa charge positive et ne joue plus son rôle d'anode. Lorsque des dispositifs tels que des T O P sont miniaturisés de façon à s'adapter à certaines applications, leurs collecteurs d'électrons sont aussi miniatu- risés Dans le cas d'un tel collecteur d'électrons miniaturisé, il n'existe pas beaucoup de place pour des puits thermiques ou échangeurs de chaleur C'est pourquoi, afin d'empêcher un échauffement excessif, la puissance dissipée par le T.O P doit être limitée de façon à ne pas excéder la capacité du collecteur d'électrons A cet égard, c'est le collecteur d'électrons qui limite souvent la capacité d'un T O P dans le cas d'une application à puissance élevée et de faible encom- brement. Un collecteur d'électrons pour T O P qui est typique de l'état de la technique est présenté à la figure 1 qui représente un collecteur provenant d'un T O P type F- 2390 fabriqué par ITT Corporation, titulaire de la présente demande Ainsi que cela sera exposé, ce collecteur d'électrons est constitué de plusieurs éléments consti- tutifs qui le rendent difficile et cher, à la fois à fabriquer et à miniaturiser. C'est pourquoi la présente invention a pour but principal de fournir un collecteur d'électrons pour T O P qui utilise un nombre réduit de parties constitu- tives, qui soit très facile à fabriquer et soit plus fiable et qui fonctionne à des tempé- ratures plus élevées que des collecteurs d'électrons classiques de la technique antérieure d'une taille comparable. La présente invention a pour objet un collecteur d'électrons pour T O P qui comporte un boîtier céramique dans lequel une cavité cylindrique est formée Les surfaces intérieures de cette cavité cylindrique sont revêtues d'au moins une couche d'une matière électriquement conductrice Les couches de matière conductrice sont agencées de façon à pouvoir être raccordées à une source de tension positive de polarisation électrique; les surfaces intérieures de la cavité cylindrique reçoivent ainsi une charge positive Un faisceau d'électrons pénètre dans la cavité cylindrique et est absorbé par ces surfaces positivement chargées de la cavité Lorsque le faisceau d'électrons rencontre les parois de la cavité, de la chaleur est créée et la température des parois de la cavité s'élève La chaleur est transmise des surfaces de la cavité jusque dans le boîtier en céramique La chaleur est alors transmise à travers ce boîtier en céramique et dirigée vers la surface exté- o rieure de ce dernier Cette surface extérieure du boîtier est revêtue de métal ou autre matière conductrice Cette couche conductrice extérieure sert à la fois de blindage H F et de base de fixation au moyen de laquelle on peut fixer des échan- geurs de chaleur ou dispositifs analogues de dissipation de chaleur. Grâce à la réduction du nombre des parties constitutives du collecteur d'électrons, les caractéristiques de performances restent inchangées, alors que le poids, la taille et les coûts de fabrication sont réduits La taille réduite permet une gamme plus étendue d'applications et laisse aussi plus d'espace disponible pour des dispositifs de dissipation de chaleur Par conséquent, les collecteurs d'électrons peuvent dissiper des quantités plus importantes de chaleur pour une application de taille donnée, ce qui accroît les performances du T O P sur lequel le collecteur d'électrons est fixé. L'invention a pour objet un collecteur de faisceau d'électrons, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier, qui est réalisé en un matériau isolant et dans lequel est ménagée une cavité comportant des surfaces intérieures revêtues d'au moins une couche de matière électriquement conductrice, des moyens d'entrée de faisceau d'électrons, par lesquels un faisceau d'électrons pénètre dans la cavité, et des moyens de connexion électrique permettant de connecter la ou les couches de matière électriquement conductrice à une source de charge électrique positive. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue de côté, en coupe, d'un collecteur, pour tube à ondes progressives, qui est conforme à la technique antérieure et est représenté en liaison avec l'extrémité d'anode d'un tube à ondes progressives et la figure 2 est une vue de côté, en coupe, d'un collecteur d'électrons, pour tube à ondes progressives, qui est agencé conformément à un exemple de réali- sation de la présente invention et est représenté en liaison avec un tube à ondes progressives. Bien que la présente invention puisse être utilisée dans de nombreuses applications différentes dans lesquelles un faisceau d'électrons est recueilli à l'intérieur d'un tube sous vide, elle convient tout spécialement pour une utilisation en liaison avec des tubes à ondes progressives (T O P) C'est pourquoi la présente invention va être décrite en liaison avec un T O P Si on se reporte à la figure 1, il y est représenté un collecteur d'électrons 10 de la technique antérieure relié à un T O P 12 Ce collecteur d'électrons 10 est constitué d'un boîtier métallique 14 dans lequel une cavité cylindrique 16 est formée Dans cette cavité 16, il est disposé un godet 18 à extrémité fermée, réalisé à partir d'une enveloppe tubulaire 20 comportant à une extrémité une pièce de base 22 pleine D'une manière classique, cette enveloppe tubulaire 20 et cette pièce de base 22 sont réalisées soit en cuivre exempt d'oxygène, soit en molyb- dène et elles sont brasées ensemble de façon à former le godet 18. La pièce de base 20 pleine est fixée sur un connecteur électrique 24 qui sert à brancher cette pièce sur une source fournissant une tension positive de polari- is sation électrique (non représentée) Le collecteur électrique 24 est isolé du boîtier métallique 14 au moyen d'une traversée céramique 26 réalisée en une céramique d'alumine Une tubulure 30 en Kovare est brasée sur le connecteur électrique 24 à l'endroit o il s'étend dans cette traversée céramique 26 Cette tubulure 30 empêche le connecteur électrique 24 d'être l'objet de piqûres de corrosion et améliore les caractéristiques de ce connecteur 24 aux températures élevées. Le godet 18 à extrémité fermée possède un axe longitudinal qui est situé dans l'alignement du faisceau d'électrons du T O P 12, ou d'un tube à micro- ondes, à faisceau rectiligne, analogue Le faisceau d'électrons pénètre dans le godet 18 par un orifice extrême 32 à position centrale Le godet 18 absorbe le bombardement du faisceau d'électrons, ce qui provoque un échauffement de ce godet 18 L'enveloppe tubulaire 20 du godet 18 est entourée de plusieurs tiges 34 en céramique qui viennent au contact de la surface de cette enveloppe tubulaire Ces tiges 34 en céramique servent d'isolants séparant le godet 18, qui est chargé positivement, du boîtier métallique 14 l'entourant Ces tiges 34 en céra- mique servent elles aussi à éloigner la chaleur, par conduction, du godet vers le boîtier 14. Le boîtier métallique 14 sert de puits thermique absorbant la chaleur trans- mise par conduction par les tiges 34 en céramique Ce boîtier 14 peut comporter des ailettes de refroidissement (non représentées) ou d'autres dispositifs échangeurs de chaleur montés sur sa surface extérieure, afin d'aider le boîtier à dissiper la chaleur qu'il a absorbé. Si on se reporte à la figure 2, il y est représenté un exemple de réalisation du collecteur d'électrons 40, conforme à la présente invention, en combinaison avec un T O P 12 Ce collecteur d'électrons 40 comprend un boîtier pratiquement cylin- drique 42 réalisé en une matière céramique telle qu'un nitrure d'aluminium ou oxyde de béryllium Dans ce boîtier 42, il est formé une cavité cylindrique 44 comportant une large extrémité ouverte 46 L'extrémité opposée de la cavité est fermée sur sa plus grande partie, en dehors de la présence d'une petite ouverture s 48 dans laquelle un connecteur électrique 50 à broche est disposé. La paroi intérieure 52 de la cavité cylindrique 44 est revêtue d'une matière électriquement conductrice De préférence, cette paroi intérieure 52 de la cavité 44 est revêtue d'un film 54 d'alliage molybdène-manganèse d'une épaisseur de 0,0127 à 0,0254 mm L'alliage molybdène-manganèse 54 peut être pourvu d'un plaquage de couches supplémentaires de nickel 56 et de cuivre 58 On comprendra toutefois que la cavité cylindrique 44 peut être revêtue de n'importe quelle matière ou combinaison de matières qui sont à la fois électriquement et thermiquement conductrices, telles que le Kovar . Le connecteur électrique 50 à broche, qui est disposé à l'extrémité de la cavité cylindrique 44 située à l'opposé de son extrémité ouverte 46, a une forme en T comportant une tête 60 plus large et une tige cylindrique 62 Lorsqu'il est disposé dans l'ouverture 48 située à l'extrémité de la cavité 44, sa tête 60 plus large obture de façon étanche cette ouverture 48 et assure un accouplement de ce connecteur à broche avec les matières conductrices revêtant la paroi intérieure 52 de la cavité 44. La connecteur 50 à broche est un connecteur haute tension, d'une seule pièce et réalisé en un alliage qui n'exige pas d'enrobage en Kovar S pour conduire l'électricité de manière efficace sans corrosion aux hautes températures Ce connecteur 50 à broche est résistant à la chaleur et électriquement conducteur à des températures d'au moins 150 OC. La tige cylindrique 62 du connecteur 50 à broche s'étend dans une ouver- ture 64 pratiquée dans le boîtier 42 Cette ouverture 64 est conformée de façon à recevoir des moyens de connexion (non représentés) qui servent à relier le connecteur 50 à broche à une source de tension positive de polarisation électrique. Le connecteur 50 à broche assure la connexion des matières conductrices revê- tissant la paroi intérieure 52 de la cavité 44 avec cette source de tension positive de polarisation électrique Par conséquent, ces matières conductrices revêtissant la cavité 44 sont maintenues aussi à une charge positive, ce qui permet à la surface revêtue d'absorber et disperser un bombardement de faisceau d'électrons. L'extrémité ouverte 46 de la cavité cylindrique 44 est recouverte d'un capuchon métallique 68 Dans ce capuchon 68, il est ménagé une ouverture 69 qui est située dans l'alignement à la fois de l'axe longitudinal de la cavité cylindrique 44 et de la trajectoire rectiligne du faisceau d'électrons dans le T O P On comprendra que, bien que ce soit un capuchon métallique 68 qui est représenté, seule la surface du capuchon qui fait face à la cavité cylindrique 44 a besoin d'être conductrice Dans ce cas, le capuchon peut être en céramique et comporter un revêtement de matière conductrice analogue à celui de la cavité 44. La surface la plus extérieure 70 du boîtier 42 en céramique est recouverte d'une couche de matière électriquement et thermiquement conductrice 72 telle que cuivre, molybdène ou analogue Cette couche de matière conductrice 72 joue le rôle de blindage H F et fournit en outre une surface métallique sur laquelle des ailettes de refroidissement 74, 76 ou autres dispositifs échangeurs de chaleur ou moyens de refroidissement peuvent être brasés ou fixés d'une autre manière. En fonctionnement, un faisceau d'électrons provenant du T O P 12 pénètre dans la cavité cylindrique 44 par l'ouverture 69 du capuchon La matière conduc- trice revêtissant la cavité 44 maintient une charge positive et absorbe le bombar- dement du faisceau d'électrons Le capuchon métallique 68 empêche des électrons de sortir de la cavité cylindrique 44 par son extrémité ouverte 69 Lorsque les matières conductrices revêtissant la cavité cylindrique 44 absorbent le faisceau d'électrons, ces matières conductrices commencent à être l'objet d'un échauf- fement La chaleur est transmise par conduction par la paroi intérieure 52 de la cavité cylindrique 44 jusqu'au boîtier céramique 42 Ce dernier transmet la chaleur par conduction jusqu'à sa surface la plus extérieure 70 qui est revêtue d'une couche de matière conductrice 72 Les ailettes de refroidissement 74, 76 absorbent la chaleur provenant du boîtier 42 pour la dissiper vers le milieu environnant qui les entoure. SI on compare le collecteur d'électrons 40 conforme à la présente invention au collecteur d'électrons de la figure 1, conforme à la technique antérieure, on peut voir que le nombre des parties constitutives formant le collecteur d'électrons est fortement réduit Cette réduction du nombre des parties constitutives entraîne une réduction à la fois des coûts en matières et des coûts de fabrication En outre, cette réduction du nombre des parties constitutives entraîne une augmentation de la fiabilité des performances, étant donné qu'il existe moins de parties et moins d'opé- rations de fabrication pour lesquelles un défaut puisse se produire. Le collecteur d'électrons conforme à la présente invention possède les caractéristiques de performances d'un collecteur d'électrons classique pour T O P, tout en étant 33 % plus petit, 20 % plus léger et 80 % moins cher à fabriquer La taille et le poids réduits laissent plus d'espace disponible pour des dispositifs échangeurs de chaleur efficaces En conséquence, le collecteur d'électrons conforme à la présente invention permet un fonctionnement à des températures plus élevées que des collecteurs d'électrons classiques de taille comparable. On comprendra que le mode de réalisation ici décrit n'est donné qu'à titre d'exemple et qu'un spécialiste en la matière peut apporter des variantes et modifi- cations sans sortir du cadre de l'invention D'une manière plus précise, on comprendra que les compositions des matières de revêtement, céramiques et métalliques, indiquées peuvent être remplacées par celles de nombreuses autres matières qui possèdent des propriétés de conduction électrique et thermique ana- S logues Toutes ces variantes et modifications sont censées entrer dans le cadre de l'invention telle que définie dans les revendications annexées. En particulier, l'invention s'applique également aux klystrons ou à d'autres tubes générateurs d'électrons à faisceau rectiligne. REVENDICATIONS 1 Collecteur de faisceau d'électrons, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier ( 42), qui est réalisé en un matériau isolant et dans lequel est ménagée une cavité ( 44) comportant des surfaces intérieures revêtues d'au moins une couche de matière électriquement conductrice ( 54, 64, 58), des moyens ( 68) d'entrée de faisceau d'électrons, par lesquels un faisceau d'électrons pénètre dans la cavité, et des moyens ( 50) de branchement électrique permettant de brancher la ou les couches de matière électriquement conductrice à une source de charge électrique positive. 2 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier ( 42) est pratiquement entouré par des moyens de blindage H F. ( 72). 3 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le boîtier ( 42) est essentiellement réalisé en une matière céramique. 4 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le boîtier ( 42) et la cavité ( 44) sont pratiquement cylindriques, la cavité étant disposée d'une manière pratiquement coaxiale à l'intérieur du boîtier. Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 4, dans lequel les moyens ( 68) d'entrée de faisceau d'électrons sont constitués par un capuchon métallique fermant l'une des extrémités de la cavité, ce capuchon comportant une ouverture ( 69) qui y est ménagée pour le passage d'un faisceau d'électrons dans la cavité ( 42) à partir d'une source ( 12) extérieure au boîtier. 6 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de blindage (H F) ( 72) sont constitués par un revêtement électriquement conducteur déposé sur l'extérieur du boîtier. 7 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la matière céramique est essentiellement du nitrure d'aluminium. 8 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la matière céramique est essentiellement de l'oxyde de béryllium. 9 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la ou les couches de matière électriquement conductrice comprennent au moins une couche d'un alliage molybdène-manganèse ( 54). Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la ou les couches de matière électriquement conductrice comprennent au moins une couche de nickel ( 56). 11 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 10, caracté- risé en ce que la ou les couches de matière électriquement conductrice comprennent au moins une couche de cuivre ( 58). 12 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de connexion électrique ( 50) sont constitués par un connecteur à broche disposé à l'extrémité de la cavité ( 44) qui est la plus éloignée du capuchon ( 68). 13 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 12, caracté- risé en ce que le connecteur à broche ( 50) est pratiquement en forme de T comportant une tête aplatie ( 60) qui est au contact de la ou des couches de matière électriquement conductrice et réalise une liaison conductrice avec ces dernières. 14 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de connexion électrique sont extrêmement conducteurs sur 1 ole plan électrique à au moins une température de 150 C. Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 6, caractérisé en ce que des moyens d'échange de chaleur ( 74, 76) sont fixés sur le revêtement électriquement conducteur. 16 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 15, caracté- risé en ce que les moyens d'échange de chaleur ( 74, 76) sont constitués par au moins une ailette de refroidissement ou un trajet conduisant à un puits thermique à refroidissement de conduction. 17 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le capuchon ( 68) est essentiellement réalisé en cuivre, molybdène ou Kovar . 18 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le revêtement électriquement conducteur est essentiellement réalisé en cuivre, molybdène ou Kovar S. 19 Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la couche d'alliage de molybdène-manganèse ( 54) a une épaisseur comprise entre 0,0127 mm à 0,0254 mm. Collecteur de faisceau d'électrons suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la source ( 12) extérieure au boîtier est un tube à ondes progressives ou un Klystron ou autre tube générateur d'électrons à faisceau rectiligne.