Brevet FR2687840A1 — publié le 19930827

TUBE HYPERFREQUENCE A FOCALISATEUR ALLEGE La présente invention concerne les tubes hyperfréquences à interaction longitudinale de la famille des klystrons Elle vise plus particulièrement à réduire leur poids et leur encombrement. Un klystron classique est un tube hyperfréquence à modulation de vitesse d'un faisceau d'électrons Son principe est basé sur l'interaction entre un faisceau d'électrons long et fin et des ondes électromagnétiques induites dans des cavités résonantes Les cavités généralement au nombre de quatre ou cinq sont placées les unes à la suite des autres Elles sont reliées entre elles par des tubes de glissement Le faisceau d'électrons, formé dans un canon, traverse successivement les cavités et les tubes de glissement Il est recueilli dans un collecteur, placé en aval de la dernière cavité. Un focalisateur placé autour du faisceau d'électrons confine les électrons sur des trajectoires appropriées, de manière à ce que le faisceau d'électrons soit le plus possible cylindrique. Le focalisateur peut être un électro-aimant, en forme de cylindre creux à l'intérieur duquel est plongé l'ensemble des cavités et des tubes de glissement Les klystrons ayant de tels focalisateurs sont lourds et encombrants. Des focalisateurs à aimants permanents alternés sont aussi connus L'ensemble des cavités et des tubes de glissement est entouré d'aimants permanents alternés Les aimants permanents, de forme annulaire sont sensiblement jointifs Il sont situés 'à l'extérieur des cavités et l'encombrement du tube est encore important Les aimants sont relativement éloignés du faisceau d'électrons et le champ magnétique au niveau du faisceau d'électrons est faible par rapport au champ magnétique existant à proximité des aimants. Il a déjà été proposé, pour réduire l'encombrement et le poids du tube, de rapprocher les aimants du faisceau d'électrons On supprime les aimants autour des cavités et ceux qui sont autour des tubes de glissement sont rapprochés du faisceau Ils sont logés entre les cavités Les aimants sont toujours alternés mais plus espacés. Bien que la taille des aimants soit réduite, on peut obtenir une intensité de champ magnétique, au niveau du faisceau, comparable à celle existante avec des aimants autour des cavités. Les aimants étant plus espacés, le pas de focalisation est sensiblement deux fois plus grand que celui obtenu lorsque les aimants entourent l'ensemble des cavités et des tubes de glissement L'intensité du faisceau d'électrons qui peut être focalisé est réduite en conséquence car l'intensité du faisceau et le pas de Localisation varient en sens inverses. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un tube hyperfréquence dont le focalisateur est allégé et a un encombrement réduit Le tube ne présente pas les inconvénients soulignés précédemment au point de vue intensité du faisceau. La présente invention a pour objet un tube hyperfréquence à au moins un faisceau d'électrons comportant une alternance de tubes de glissement et de cavités résonantes traversée par le faisceau d'électrons Des aimants permanents sont montés coaxialement autour des tubes de glissement pour focaliser le faisceau d'électrons Ces aimants permanents sont orientés dans le même sens. De préférence, les aimants sont de forme annulaire et leur rayon intérieur est sensiblement égal au rayon extérieur des tubes de glissement. Les cavités résonantes peuvent être limitées par des parois transversales au faisceau d'électrons qui servent de masses polaires et les aimants peuvent occuper l'espace existant entre deux masses polaires en vis à vis appartenant à des cavité successives. Au lieu d'être entourées d'aimants comme dans l'art antérieur, les cavités sont accessibles, elles peuvent contenir un dispositif d'accord en fréquence que l'on actionne de l'extérieur du tube Elles peuvent être refroidies par un dispositif de refroidissement avec lequel elles sont en contact thermique direct. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées qui représentent: la figure l A: une succession de cavités résonantes d'un tube hyperfréquence de type connu; la figure 1 B: le champ magnétique Bz le long des cavités de la figure l A; la figure 2: le flux magnétique engendré par un seul aimant entourant une cavité de la figure l A; la figure 3 A: une succession de cavités résonantes d'un autre tube de type connu; la figure 3 B: le champ magnétique Bz le long des cavités de la figure 3 A; la figure 4 A: une succession de cavités résonantes d'un tube selon l'invention; la figure 4 B: le champ magnétique Bz le long des cavités de la figure 4 A; la figure 5: une succession de cavités résonantesd'une variante d'un tube selon l'invention. La figure l A représente, de manière connue, une succession de cavités d'un klystron construit autour d'un axe ZZ' La figure 1 B montre le champ magnétique Bz le long de l'axe ZZ' Un faisceau d'électrons, non représenté, se propage le long de l'axe ZZ' et traverse une succession de cavités 1 Ces cavités 1, généralement en forme de parallélépipède ou de cylindre sont reliées entre elles par des tubes de glissement 2. Les cavités 1 sont généralement délimitées par des parois 3 longitudinales situées vers l'extérieur du tube et par des parois 4 transversales qui servent de masses polaires Les parois longitudinales 3 sont souvent en cuivre pour bien tenir le vide, tandis que les parois transversales 4 sont de préférence en acier Le faisceau d'électrons est focalisé par une succession d'aimants 7 permanents annulaires Deux cavités 1 successives et un tube de glissement 2 délimitent un espace 6 intercavité Dans l'exemple décrit, l'espace 6 intercavité est rempli d'un élément 5 en cuivre par exemple On a disposé un aimant 7 autour de chaque élément 5 en cuivre et un aimant 7 autour de chaque cavité 1 Cette structure est lourde et encombrante car les aimants 7 sont à l'extérieur des cavités Les aimants 7 sont alternés Cela signifie que deux aimants 7 successifs ont des pôles de même nom qui se font face. Le champ magnétique Bz le long de l'axe ZZ' est représenté sur la figure l B Le champ magnétique Bz est sensiblement sinusoïdal Il prend des valeurs extrêmes au niveau de chaque aimant 7 et s'annule au niveau de chaque masse polaire 4 Le champ magnétique Bz a un pas de focalisation Pl qui correspond à la longueur de deux aimants 7 successifs et de deux masses polaires 4 ou bien d'une cavité 1, d'un espace Intercavité 6 et de deux masses polaires 4. La figure 2 A représente les lignes de flux magnétique générées par un seul aimant 7 annulaire placé autour d'une cavité 1 de la figure l A Les parois transversales de la cavité servent de masses polaires Il n'y a pas d'autre corps magnétique à proximité de la cavité Les lignes de flux dirigées du pôle nord vers le pôle sud se referment sur elles-mêmes. Elles sont guidées par les masses polaires 4 Ces lignes de flux sont très denses autour de l'aimant 7 et s'espacent de plus en plus lorsqu'on s'en éloigne Sur la figure 2 A, on n'a représenté les lignes de flux que sur la moitié supérieure de la figure pour ne pas la surcharger Au niveau du faisceau d'électrons, à proximité de l'axe ZZ', la densité de flux est très inférieure à celle que l'on a à proximité de l'aimant 7 Plus l'aimant 7 est gros plus son effet se ressent au niveau du faisceau d'électrons mais plus l'encombrement du tube est important L'efficacité de l'aimant sur le faisceau d'électrons est faible par rapport à son encombrement. La figure 3 A représente de manière connue une succession de cavités d'un klystron construit autour d'un axe ZZ' La figure 3 B montre le champ magnétique Bz le long de l'axe ZZ'. On retrouve comme sur la figure 1 A, l'alternance de cavités 1 et de tubes de glissement 2 La différence principale se situe au niveau des aimants 30 permanents annulaires utilisés pour focaliser le faisceau Il n'y a pas d'aimants autour des cavités l comme sur la figure l A Maintenant les aimants 30 sont montés coaxialement autour des tubes de glissement 2, dans l'espace intercavité 6 Les aimants 30 successifs sont alternés. Les aimants 30 sont plus petits, moins lourds et moins nombreux que dans la structure de la figure 1 A Leur action sur les électrons est tout aussi efficace car ils sont plus proches du faisceau d'électrons Un petit aimant proche du faisceau peut avoir une action comparable à celle d'un gros aimant éloigné du faisceau. Les aimants 30 sont plus espacés que dans la structure de la figure 1 A Le champ magnétique Bz le long de l'axe ZZ' est alternatif comme on peut le voir sur la figure 3 B Il prend des valeurs extrêmes au niveau de chaque aimant 30 et s'annule au niveau des cavités l. Le pas de focalisation P 2 correspond à la longueur de deux cavités 1, de deux aimants successifs 30 et de quatre masses polaires 4 Le pas de focalisation P 2 a doublé par rapport à la figure l B et l'intensité du faisceau qui peut être focalisé est réduite en conséquence. La figure 4 A représente une succession de cavités d'un klystron selon l'invention Le klystron est construit autour d'un axe ZZ' La figure 4 B montre le champ magnétique Bz le long de l'axe ZZ'. Cette figure 4 A est comparable à la figure 3 A On retrouve comme sur la figure 3 A, la succession de cavités 1, les tubes de glissement 2 et les aimants permanents 40 montés coaxialement autour des tubes de glissement 2 Mais au lieu d'être alternés les aimants permanents 40 sont orientés dans le même sens Le champ magnétique Bz sur l'axe ZZ' a une allure sensiblement sinusoïdale Il prend des valeurs extrêmes au niveau de chaque cavité 1 et de chaque aimant 40 et s'annule au niveau des masses polaires 4. Le pas de focalisation P 3 correspond à la longueur d'une cavité 1, d'un aimant 40 et de deux masses polaires 4 Il est environ deux fois moins grand que le pas P 2 de la structure illustrée à la figure 3 A L'intensité du faisceau qui peut être focalisé est plus grande que précédemment Le klystron selon l'invention allie à la fois les avantages du klystron avec des aimants permanents alternés placés autour de l'ensemble cavités-tubes de glissement et du klystron avec des aimants permanents alternés logés dans les espaces intercavités, sans toutefois en présenter les inconvénients Les aimants sont petits et espacés d'o un gain de poids et une réduction des coûts. Les aimants placés dans l'espace intercav Ité autour des tubes de glissement permettent de réduire l'encombrement du klystron Les cavités n'étant pas entourées d'un aimant sont accessibles ce qui est appréciable si l'on veut placer dans au moins une cavité un dispositif d'accord en fréquence C'est ce qu'illustre la figure 4 A Un dispositif à palette 41 pénêtre dans une des cavités et peut être manuellement approché ou éloigné du faisceau d'électrons Ce dispositif 41 est actionné de l'extérieur du tube L'accessibilité des cavités se ressent aussi en entrée et en sortie du tube, au niveau de l'injection et de l'extraction des ondes électromagnétiques. Le klystron selon l'invention présente aussi un grand avantage au niveau de son refroidissement Ce refroidissement peut se faire directement au niveau des cavités 1 C'est ce qu'illustre la figure 5 Le refroidissement se fait par conduction. Un dispositif de refroidissement 50 avec des ailettes, par exemple, entoure les cavités 1 Les ailettes sont dirigées vers l'extérieur du tube et sont en contact thermique direct avec les cavités 1. Un dispositif de refroidissement à circulation de fluide pourrait être utilisé Dans les klystrons connus, à aimants permanents autour des cavités, le refroidissement ne pouvait se faire que via les masses polaires. On a représenté l'allure des lignes de flux mais seulement sur la partie supérieure de la figure 5 pour ne pas la surcharger La densité des lignes de flux à proximité de l'axe ZZ' est plus importante que sur la figure 2. De préférence, les aimants 40 annulaires utilisés dans le tube selon l'invention, ont un diamètre intérieur sensiblement égal au diamètre extérieur des tubes 2 de glissement Ils occupent avantageusement tout l'espace intercavité 6 sans dépasser vers l'extérieur du tube, au delà des parois longitudinales 3 des cavités Les tubes selon l'invention peuvent être aussi bien des klystrons monofaisceaux que des klystrons multifaisceaux. REVENDICATIONS 1 Tube hyperfréquence à au moins un faisceau d'électrons longitudinal comportant une alternance de tubes ( 2) de glissement et de cavités résonantes ( 1) traversée par le faisceau d'électrons, des aimants permanents ( 40) montés coaxialement autour des tubes ( 2) de glissement pour focaliser le faisceau d'électrons, caractérisé en ce que les aimants ( 40) permanents sont orientés dans le même sens. 2 Tube hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les aimants permanents ( 40) ont une forme annulaire. 3 Tube hyperfréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rayon intérieur des aimants permanents ( 40) est sensiblement égal au rayon extérieur des tubes de glissement ( 2). 4 Tube hyerfréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cavités résonantes ( 1) sont limitées par des parois ( 4) transversales au faisceau d'électrons, ces parois ( 4) formant des masses polaires. Tube hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que les aimants permanents ( 40) occupent un espace compris entre deux masses polaires ( 4) appartenant à des cavités ( 1) successives. 6 Tube hyperfréquence selon l'une des revendications i à , caractérisé en ce qu'un dispositif d'accord en fréquence ( 41) est prévu dans au moins une des cavités résonantes ( 1), ce dispositif ( 41) étant actionné de l'extérieur du tube. 7 Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un dispositif de refroidissement ( 50), disposé vers l'extérieur du tube, entoure les cavités ( 1) résonantes et est en contact direct avec les cavités ( 1) résonantes. 8 Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il appartient à la famille des klystrons.