Brevet FR2690784A1 — publié le 19931105

TUBE HYPERFREQUENCE A CAVITE QUASI-OPTIQUE MUNI D'UN DISPOSITIF SUPPRESSEUR D'OSCILLATION PARASITE. La présente invention concerne le domaine des tubes hyperfréquences à cavité quasi-optique. Diverses techniques et en particulier la mise en oeuvre de la fusion thermonucléaire font appel à des sources hyperfréquences très puissantes, à très hautes fréquences qui peuvent aller jusqu'au tera Hz. Parmi les sources étudiées, les gyrotrons font l'objet de nombreux travaux et publications. Dans la famille des gyrotrons, les gyrotrons quasi optiques semblent capables d'atteindre les fréquences les plus élevées mais de nombreuses difficultés doivent encore être résolues. Dans un gyrotron quasi optique, un faisceau d'électrons dirigé selon un axe z traverse un faisceau électromagnétique confiné dans une cavité à au moins deux miroirs. Un champ magnétique uniforme dirigé selon l'axe z agit sur les électrons et leur donne une trajectoire hélicoïdale. Le faisceau électromagnétique, dans la zone d'interaction avec le faisceau d'électrons, est normal au faisceau d'électrons ou est décalé d'un angle e par rapport à un plan normal au faisceau d'électrons. Les miroirs utilisés sont légèrement concaves de manière à éviter les pertes par diffraction. Le faisceau électromagnétique se réfléchit sur les miroirs. Lorsqu'il y a plus de deux miroirs dans la cavité, le faisceau électromagnétique est formé d'une succession de bras. Le faisceau d'électrons intéragit avec un des bras. Entre deux miroirs, le faisceau électromagnétique est concentré dans un volume en forme d'hyperboloïde. Dans ces cavités à miroirs, on est obligé d'espacer les miroirs suffisamment pour que le parcours total du faisceau électromagnétique soit égal à un grand nombre de longueurs d'ondes de l'onde électromagnétique excitée lors de l'interaction avec le faisceau d'électrons. On peut alors diminuer la densité de pertes ohmiques de puissance à la surface des miroirs. Par exemple, le parcours total du faisceau électromagnétique entre les miroirs est de l'ordre de 1 mètre si la longueur d'ondes est de l'ordre de 2 mm. Avec cette longueur de parcours, plusieurs fréquences peuvent être excitées par le faisceau d'électrons. Les oscillations parasites diminuent le rendement du tube et introduisent des problèmes de claquage. On est amené à utiliser des filtres de fréquence pour éliminer les fréquences indésirables. I1 est connu, pour éliminer une fréquence parasite, d'utiliser un miroir déformé ayant au moins deux zones de réflexion distinctes séparées d'une distance d. Cette distance est égale à un premier nombre entier de demies longueurs d'ondes correspondant à la fréquence désirée et est différente d'un second nombre entier de demies longueurs d'ondes correspondant à la fréquence à éliminer. Le coût de fabrication de ces miroirs est élevé. De plus, on rencontre certaines difficultés à faire osciller le tube sur la fréquence désirée. La présente invention propose un tube à cavité quasi optique muni d'un dispositif pour supprimer les oscillations parasites qui ne présente pas ces inconvénients. Un tube hyperfréquence selon l'invention comporte une cavité résonante principale quasi optique contenant un faisceau électromagnétique principal. Un faisceau d'électrons traverse le faisceau électromagnétique principal. Le dispositif apte à supprimer au moins une fréquence parasite est formé d'au moins une cavité résonante auxiliaire comportant au moins deux miroirs à pertes. La cavité auxiliaire est accordée sur la fréquence parasite. Un faisceau électromagnétique auxiliaire apparait dans la cavité résonante auxiliaire lorsqu'une oscillation parasite est générée dans la cavité résonante principale. Le faisceau électromagnétique auxiliaire traverse le faisceau d'électrons au niveau de l'intersection entre le faisceau d'électrons et le faisceau électromagnétique principal. La longueur du parcours du faisceau électromagnétique auxiliaire est égale à un nombre entier de longueurs d'ondes correspondant à la fréquence parasite. Lorsque la cavité résonante principale et la cavité résonante auxiliaire possèdent chacune deux miroirs, la distance entre les deux miroirs à pertes de la cavité résonante auxiliaire est égale à un sous multiple d'une puissance de deux de la distance entre les deux miroirs de la cavité principale. De préférence, le faisceau électromagnétique principal est décalé par rapport au faisceau électromagnétique auxiliaire au niveau de l'interaction avec le faisceau d'électrons. Pour réduire l'encombrement du tube, le faisceau électromagnétique auxiliaire comporte entre les deux miroirs à pertes, un premier tronçon traversant le faisceau d'électrons, et au moins un second tronçon décalé par rapport au premier tronçon par un miroir présentant des pertes aussi faibles que possible. Le second tronçon peut être sensiblement parallèle au faisceau d'électrons ou sensiblement parallèle au faisceau électromagnétique principal. La cavité principale comporte au moins deux miroirs à pertes aussi faibles que possible. De préférence les miroirs à pertes seront formés de céramique chargée d'au moins un corps capable d'absorber la longueur d'onde de l'oscillation parasite. Ils peuvent aussi être semi-transparents, un matériau absorbant étant disposé à proximité sur une paroi du tube. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation donnés à titre non limitatif et se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1, représente une coupe longitudinale partielle d'un gyrotron connu; - la figure 2, représente en coupe transversale un gyrotron selon l'invention; - la figure 3, représente en coupe transversale une première variante d'un gyrotron selon l'invention; - la figure 4, représente la répartition des longueurs d'ondes possibles dans la cavité principale et des longueurs d'ondes amorties dans les cavités auxiliaires - la figure 5, représente une seconde variante d'un gyrotron selon l'invention; ; - les figures 6a,6b représentent respectivement en coupe transversale et longitudinale une troisième variante d'un gyrotron selon l'invention. La figure 1 représente en coupe longitudinale un gyrotron quasi optique connu. Un faisceau d'électrons 2 est émis par une cathode 1. Ce faisceau 2 est dirigé selon un axe z. Un fort champ magnétique uniforme B, dirigé selon un axe z agit sur les électrons et leur donne des trajectoires hélicoïdales. Le faisceau d'électrons 2 traverse un faisceau électromagnétique F confiné dans une cavité résonante 10 formée de deux miroirs m, m' réfléchissants qui se font face. Les miroirs m, m' sont légèrement concaves. Le faisceau d'électrons est récupéré après l'interaction dans un collecteur non représenté. Le faisceau électromagnétique F est dirigé suivant un axe y normal à l'axe z. Un des miroirs m' comporte un filtre de fréquence pour éliminer au moins une fréquence indésirée prenant naissance dans la cavité résonante 10 lors de l'interaction avec le faisceau d'électrons 2. Le miroir m' comporte deux zones de réflexion 3,4 distinctes séparées d'une distance d.La zone 4 est située dans la partie centrale du miroir m' et est plus proche du faisceau d'électrons 2 que la zone 3. Ce n'est qu'un exemple de réalisation. La distance d est choisie de manière que: x d= n- et dn- 2 2 n et n' sont des nombres entiers relativement petits (inférieurs à 10 par exemple). X est la longueur d'ondes correspond à la fréquence de résonance souhaitée dans la cavité. ' est la longueur d'ondes correspondant à une fréquence à éliminer, cette fréquence étant une autre fréquence de résonance de la cavité. La figure 2 représente en coupe transversale un gyrotron quasi optique selon l'invention. On retrouve le faisceau d'électrons 2 en coupe transversale dirigé selon l'axe z. Une cavité résonante principale 10 est formée d'au moins deux miroirs principaux MP1, MP2 qui réfléchissent un faisceau électromagnétique FP. Sur la figure 2 il n'y a que deux miroirs principaux, mais la cavité principale pourrait être en anneau avec plus de deux miroirs. Le faisceau d'électrons 2 interagit avec le faisceau électromagnétique principal FP. La longueur totale parcourue par le faisceau électromagnétique FP entre les miroirs MPl,MP2 est très grande par rapport à la longueur d'ondes correspondant à la fréquence d'oscillation souhaitée dans la cavité 10 résonante principale. I1 se produit des oscillations sur d'autres fréquences qu'il faut éliminer. Ces oscillations parasites diminuent le rendement du gyrotron. Pour cela on utilise, au moins une cavité auxiliaire 20 accordée sur au moins une fréquence à éliminer, formée d'au moins deux miroirs à pertes MA1, MA2.Le faisceau d'électrons 2 intéragit aussi avec un faisceau électromagnétique auxiliaire FA confiné dans la cavité auxiliaire 20. Sur la figure 2, la cavité auxiliaire 20 est formée de deux miroirs face à face. On pourrait envisager qu'il y en ait plus de deux. Dans ce cas, le faisceau électromagnétique auxiliaire FA serait formé d'une succession de bras et le faisceau d'électrons intéragirait avec un des bras du faisceau électromagnétique auxiliaire. Dans la suite sauf indication contraire, on considère que les cavités principale et auxiliaires n'ont que deux miroirs pour simplifier l'exposé. On s'arrange pour que le faisceau électromagnétique principal FP et le faisceau électromagnétique auxiliaire FA soient concourants et pour que l'interaction avec le faisceau d'électrons 2 ait lieu au niveau de leur intersection. Si une oscillation parasite prend naissance dans la cavité principale 10, lors de l'interaction avec le faisceau d'électrons, cette oscillation parasite est amortie grâce à la présence de la cavité auxiliaire formée de miroirs absorbants et accordée sur la fréquence de l'oscillation parasite. On peut envisager comme sur la figure 3 d'utiliser plusieurs cavités auxiliaires 20,30 formées chacune d'au moins deux miroirs respectivement MA1, MA2 et MA3, MA4 et confinant chacune un faisceau électromagnétique auxiliaire FA1 et FA2. Chaque cavité auxiliaire 20,30 est accordée sur au moins une fréquence parasite à éliminer. On va maintenant montrer que les longueurs d'ondes correspondant aux fréquences d'oscillation pouvant prendre naissance dans la cavité principale 10 sont très proches. Pour qu'il puisse y avoir résonance, il faut que la longueur totale du faisceau électromagnétique confiné dans la cavité principale soit égale à un nombre entier de longueur d'ondes correspondant à la fréquence d'oscillation souhaitée. Si la cavité principale comporte k miroirs successifs MP1,M2,...MPk (k entier, en général 2,3 ou 4) le faisceau électromagnétique est formé d'une succession de bras ayant des longueur L1,2, L2,3,...Lk-l, Lk, Lk,1 Pour que la cavité principale puisse résonner sur une fréquence souhaitée correspondant à une longueur d'ondes Xm on doit avoir: L1,2 + L2,3+ -+ Lk-l,k + Lk,l = mX m m est un entier qui peut être de plusieurs centaines. Les longueurs d'ondes Sm-l et Xm+l sont proches de Xm et lors de l'interaction avec le faisceau d'électrons, la cavité peut résonner sur plusieurs fréquences correspondant à des longueurs d'ondes Xm-l, Xm+l, Xm-2, Xm+2 voisines de #m car: (m-l) #m-l = mm #m - #m-1 = #m - m #m et m-1 est très petit devant Xm. Sur la figure 4, l'axe supérieur représente la distribution des longueurs d'ondes pouvant donner naissance à des oscillations dans la cavité principale. Si m est suffisamment grand les longueurs d'ondes pouvant exister sont à peu près équidistantes. La présente invention consiste à introduire au moins une cavité auxiliaire, accordée sur au moins une fréquence parasite, formée de miroirs à pertes de manière à amortir les oscillations à la fréquence parasite. Dans la réalisation particulière de la figure 3, les calculs suivants permettent de déterminer la distance L' séparant les deux miroirs à pertes MAl, MA2 de la première cavité 20 auxiliaire et la distance L" séparant les deux miroirs à pertes MA3, MA4 de la seconde cavité 30 auxiliaire en fonction de la distance L séparant les deux miroirs MPl,MP2 de la cavité principale 10. On suppose toujours que l'on est dans une réalisation où les cavités n'ont que deux miroirs ce qui est le cas le plus simple. La cavité principale est telle qu'elle résonne sur une fréquence souhaitée correspondant à la longueur d'ondes #m avec 2 L = m # m La première cavité auxiliaire 20 est telle qu'elle est accordée sur une première fréquence correspondant à la longueur d'ondes Xmt telle que: Xm' = Xm-l et aussi sur une seconde fréquence correspondant à la longueur d'ondes Xm' + 1 telle que: h,l+l = X m + 1. m + 1 On constate que Xm = Sm-l si: 2L 2L' m-1 etque: #m+1 = X m + l si: 2L 2L' m+i m'+i Ces deux conditions donnent: m = 2m'+1 L' = 2 La première cavité auxiliaire 20 pourra produire un premier faisceau électromagnétique auxiliaire résonnant sur des fréquences correspondant aux longueurs d'ondes Xm-l et "m+1 et mais pas sur celles correspondant à la longueur d'ondes . En effet: et m' + 1/2 n'est pas un nombre entier. Si les deux miroirs de la première cavité auxiliaire sont distants de L' = L/2, les oscillations correspondant aux longueurs d'ondes Xm-l et X m+l, prenant naissance dans la cavité principale seront amorties.Cette distance L' permet aussi d'amortir des oscillations correspondant aux longueurs d'ondes: Xm'-1 = Xm-3 et Xm+2 = Xm+3 Sur la figure 4, le deuxième axe représente la répartition des longueurs d'ondes amorties par la première cavité auxiliaire 20. De la même manière, la seconde cavité auxiliaire est accordée sur une première fréquence parasite correspondant à longueur d'ondes Xm" = Xm-2 et sur une seconde fréquence parasite correspondant à la longueur d'ondes Xm"+1 = #m+2. Les miroirs MA3 et MA4 sont distants d'une distance L" telle que L" = L/4. Le miroirs MA3 et MA4 ont des pertes suffisantes pour amortir les oscillations aux fréquences correspondant aux longueurs d'ondes Xm et Xm"+l- Le troisième axe de la figure 4 montre la répartition des longueurs d'ondes correspondant aux fréquences amorties par la deuxième cavité auxiliaire 30. On s'aperçoit que seule la fréquence correspondant à la longueur d'ondes Xm peut subsister, elle ne coïncide pas avec les fréquences d'accord des cavités auxiliaires. Les autres fréquences proches de Xm sur lesquelles la cavité principale peut osciller sont toutes amorties par les cavités auxiliaires. Les exemples décrits montrent que les cavités auxiliaires destinées à amortir les résonances parasites sont moins encombrantes que la cavité principale. En effet les deux miroirs de chaque cavités auxiliaires sont plus rapprochés que ceux de la cavité principale. L'introduction des cavités auxiliaires n'augmente que peu l'encombrement du gyrotron. Au niveau de l'interaction avec le faisceau d'électrons, le faisceau électromagnétique principal est décalé avec le faisceau électromagnétique auxiliaire. n n'est pas souhaitable que les deux faisceaux électromagnétiques soient dirigés dans la même direction et que les deux miroirs de la cavité auxiliaire soient disposés entre les deux miroirs de la cavité principale car les pertes de puissance seraient trop importantes. Par contre, il est possible qu'au niveau de l'interaction avec le faisceau d'électrons, les faisceaux électromagnétique auxiliaires FAl, FA2 soient dirigés dans la même direction. C'est ce que représente la figure 5. La première cavité auxiliaire 20 est formée de deux miroirs MAl, MA2 à pertes, le premier faisceau électromagnétique auxiliaire FAl est dirigé selon un axe qui est l'axe x sur la figure 5. La deuxième cavité auxiliaire 30 est formée de deux miroirs à pertes MA3, MA4 et le second faisceau électromagnétique auxiliaire FA2 est aussi dirigé selon l'axe x. Les miroirs MA3 et MA4 sont disposés entre les miroirs MAl, MA2. Si l'on veut restreindre l'encombrement des gyrotrons selon l'invention, on peut disposer sur le trajet du faisceau électromagnétique auxiliaire FA au moins un miroir MS 1 MS2 à pertes aussi faibles que possible de manière à le dévier et à former au moins deux tronçons. Dans cette configuration dont deux exemples de réalisation sont représentés sur les figures 6a, 6b le faisceau électromagnétique auxiliaire FA comporte entre deux miroirs à pertes MAl, MA2 un premier tronçon 60 qui traverse le faisceau d'électrons et deux seconds tronçons 61 qui sont déviés par des miroirs MS1, MS2 à pertes aussi faibles que possible. Il pourrait n'y avoir qu'un seul miroir MSl ou MS2 et qu'un seul second tronçon. Les figures 6a, 6b illustrent des exemples où l'encombrement est minimum. Sur la figure 6a les deux seconds tronçons 61 sont sensiblement parallèles au faisceau électromagnétique principal FP et sur la figure 6b ils sont sensiblement parallèles au faisceau d'électrons 2. Le premier tronçon 60 dirigé selon l'axe x est normal à la fois au faisceau d'électrons 2 et au faisceau électromagnétique principal FP. Le premier tronçon 60 est central. Les miroirs à pertes aussi faibles que possible sont dans ces exemples plans et inclinés à 45" par rapport au premier tronçon 60. Dans les gyrotrons comportant une cavité principale en anneau, avec plus de deux miroirs le faisceau électromagnétique principal contient des ondes électromagnétiques se propageant dans deux sens opposés. Le faisceau électromagnétique est formé de bras et le faisceau d'électrons intéragit avec un des bras. Pour augmenter le rendement du gyrotron, on est amené à éliminer les ondes électromagnétiques qui se propagent dans un des sens. Si Ie faisceau d'électrons interagit avec un bras du faisceau électromagnétique qui est incliné d'un angle e par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau d'électrons, alors les deux ondes électromagnétiques n'ont pas la même fréquence angulaire et il est facile d'en amortir une pour la supprimer. Cette structure est décrite dans la demande de brevet français "TUBE HYPERFREQUENCE A CAVITE A MIROIRS A RENDEMENT AMELIORE" déposée le 17 mars 1992 sous le numéro n" 92 03162 au nom de la demanderesse. En introduisant une cavité auxiliaire à miroirs à pertes, on peut amortir l'une des fréquences angulaires et pas l'autre. On ne laisse subsister que l'une des ondes électromagnétiques du faisceau électromagnétique circulant dans la cavité en anneau. Les miroirs réfléchissants de la cavité principale seront avantageusement en cuivre ou en alliage de cuivre. Les miroirs à pertes de la cavité auxiliaire pourront être recouverts de céramique chargée de carbure de silicium ou de tungstène. Ils pourraient aussi être semi transparents et être suivis d'absorbant disposé sur une paroi du tube. La cavité auxiliaire est mécaniquement et électromagnétiquement indépendante de la cavité principale. Elle ne perturbe pas le fonctionnement de la cavité principale. Elle est facilement réalisable et son montage dans le tube est aisé. Les filtres de fréquence existant auparavant étaient intégrés dans une cavité, ils n'avaient pas ces avantages car ils dépendaient électromagnétiquement et mécaniquement de la cavité dans laquelle ils étaient montés. REVENDICATIONS 1 - Tube hyperfréquence à cavité résonante principale (10) quasi-optique comportant un faisceau d'électrons (2) traversant un faisceau électromagnétique principal (FP) contenu dans la cavité résonante principale (10) et un dispositif apte à supprimer au moins une fréquence parasite génèrant une oscillation dans la cavité résonante principale (10), caractérisé en ce que le dispositif apte à supprimer la fréquence parasite est formé d'au moins une cavité résonante auxiliaire (20) comportant au moins deux miroirs (MAl, MA2) à pertes, accordée sur la fréquence parasite, un faisceau électromagnétique (FA) auxiliaire apparaissant dans la cavité résonante auxiliaire (20) lorsqu'une oscillation parasite est générée dans la cavité résonante principale (10), le faisceau électromagnétiques auxiliaire (FA) traversant le faisceau d'électrons (2) au niveau de l'intersection entre le faisceau d'électrons (2) et le faisceau électromagnétique principal (FP). 2 - Tube hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau électromagnétique auxiliaire (FA) a un parcours dont la longueur est égale à un nombre entier de longueurs d'ondes correspondant à la fréquence parasite à supprimer. 3 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications l ou 2 caractérisé en ce que la cavité principale comporte au moins deux miroirs (MPl,MP2) à pertes aussi faibles que possibles. 4 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que lorsque la cavité résonante principale (10) comporte deux miroirs réfléchissants, et la cavité auxiliaire (20) deux miroirs à pertes, la distance (L') entre les deux miroirs à pertes de la cavité auxiliaire est un sous multiple d'une puissance de deux de la distance (L') séparant les deux miroirs réfléchissants de la cavité résonante principale (10). 5 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en que le faisceau électromagnétique principal (FP) est décalé par rapport au faisceau électromagnétique auxiliaire (FA) au niveau de l'intersection avec le faisceau d'électrons. 6 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le faisceau électromagnétique auxiliaire (FA) est formé entre deux miroirs à pertes (MAl, MA2) d'au moins un premier tronçon (60) qui traverse le faisceau d'électrons (2) et d'au moins un second tronçon (61) dévié par rapport au premier tronçon (60) par un miroir (MSl, MS2) à pertes aussi faibles que possible. 7 - Tube hyperfréquence selon la revendication 6 caractérisé en ce que le second tronçon (61) est sensiblement parallèle au faisceau d'électrons (2). 8 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le second tronçon (61) est sensiblement parallèle au faisceau électromagnétique principal (FP). 9 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les miroirs à pertes sont formés de céramique chargée au moins d'un matériau capable d'absorber la longueur d'onde d'une oscillation parasite. 10 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les miroirs à pertes sont semi transparents et sont suivis d'absorbant disposé sur une paroi du tube.