Brevet FR2694129A1 — publié le 19940128

Expulseur d'ions pour collecteur ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION 1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un collecteur amélioré pour faisceau d'électrons et, plus particulièrement, à un collecteur comprenant un expulseur d'ions pour s'opposer à l'accumulation des ions à l'intérieur du collecteur et pour promouvoir une dispersion efficace des électrons. 2 Description des techniques apparentées De nombreux dispositifs électroniques utilisent un flux en déplacement de particules chargées, telles que des électrons rassemblés sous la forme d'un faisceau, et remplissant une fonction essentielle dans le fonctionnement de l'appareil. Dans un appareil à faisceau linéaire, un faisceau d'électrons provenant d'un canon à électrons est amené à se propager à travers un tunnel, ou tube à transit, qui contient en général une structure d'interactions RF (à radio-fréquences) A l'intérieur de la structure d'interactions, le faisceau doit être focalisé par des champs magnétiques ou électrostatiques afin qu'ils soient transportés de manière effective à travers la structure d'interactions sans perte d'énergie Dans la structure d'interactions, de l'énergie cinétique est transférée depuis les électrons en déplacement du faisceau vers une onde électromagnétique qui se propage à travers la région d'interactions approximativement à la même vitesse que les électrons en déplacement Les électrons abandonnent de l'énergie à l'onde électromagnétique à travers un processus30 d'échange caractérisé comme interaction électronique, ce qui est rendu évident par une vitesse réduite du faisceau d'électrons depuis la région d'interaction Ces électrons "consommés" sortent de la région d'interaction o ils sont incidents sur un élément final, et collectés par cet élément, 2 - appelé collecteur Le collecteur collecte les électrons incidents et les retourne à la source de tension Une partie importante de l'énergie restante dans les particules chargées est relâchée sous la forme de chaleur lorsque les particules frappent un élément stationnaire, comme par exemple les05 parois du collecteur. Après que le faisceau soit entré dans le collecteur, l'absence d'une focalisation magnétique amène les électrons individuels à se disperser en raison de la charge spatiale.10 Puisque les électrons ont des charges égales, ils se repoussent naturellement les uns les autres Les électrons dispersés frappent de manière homogène les parois intérieures du collecteur De façon typique, la chaleur produite par l'impact des électrons est conduite à travers les parois du15 collecteur jusqu'à une chemise réfrigérante externe qui entoure le collecteur. Le fonctionnement du collecteur peut être sensiblement dégradé si le faisceau ne se disperse pas de manière homogène20 à l'intérieur du collecteur L'impact des électrons à l'intérieur du collecteur produit souvent des ions positifs qui peuvent s'accumuler à l'intérieur du collecteur et annuler la charge spatiale L'absence de charge spatiale à l'intérieur du collecteur peut amener les électrons à rester25 focalisés dans le faisceau Si le faisceau concentré devait tomber sur un point unique à l'intérieur du collecteur, au lieu d'être dispersé, le faisceau pourrait rapidement provoquer des sur-sollicitations du collecteur, ou l'endommager Des faisceaux à haute puissance qui30 fonctionnent à des vitesses proches des vitesses relativistes tendent à développer un champ magnétique auto-induit qui contribue également à maintenir le faisceau focalisé après qu'il soit entré dans le collecteur. 3 - Ainsi, il serait désirable de proposer un collecteur pour faisceau d'électrons qui soit capable d'éjecter les ions qui s'accumulent à l'intérieur du collecteur et empêchent une dispersion efficace du faisceau d'électrons. RESUME DE L'INVENTION C'est par conséquent un objectif de la présente invention de proposer un collecteur pour faisceau d'électron qui rejette les ions à l'entrée du collecteur pour permettre une10 dispersion efficace du faisceau d'électrons. Pour atteindre cet objectif et en accord avec le but de l'invention, on propose un collecteur d'électrons pour collecter les électrons délivrés qui sont produits par une15 cathode d'un canon à électrons après passage à travers une région d'interaction à micro-ondes Un collecteur comprend un godet comportant des parois intérieures qui définissent une région enfermée qui présente une ouverture d'entrée à travers laquelle les électrons passent après être sortis de20 l'appareil à micro-ondes Une électrode est disposée au voisinage de l'ouverture d'entrée à l'intérieur de la région enfermée Un potentiel positif est appliqué à l'électrode par rapport à l'appareil à micro- ondes Le potentiel forme une région sensiblement exempte d'ions au niveau de l'ouverture25 d'entrée, ce qui favorise la dispersion des électrons distribués en raison de la charge spatiale L'électrode a sensiblement la forme d'un entonnoir et est attachée à la région enfermée par une pluralité de tiges de support thermo- conductrices et électriquement isolantes Une connexion30 électrique est formée entre l'électrode et une source de tension externe par l'intermédiaire d'une traversée électrique. -4 Les hommes de métier retireront une compréhension plus complète de l'expulseur d'ions pour collecteur, de la présente invention, ainsi qu'une réalisation des avantages et objectifs additionnels de celui-ci en considérant la description détaillée qui suit du mode de réalisation05 préféré On se référera aux planches de dessins ci-jointes, qui seront décrites brièvement en premier lieu. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La fig 1 montre un modèle réalisé à l'ordinateur d'un faisceau d'électrons qui se disperse en raison de la charge spatiale à l'intérieur d'un collecteur typique, la fig 2 montre un modèle réalisé à l'ordinateur d'un faisceau d'électrons tel qu'à la fig 1, le faisceau étant en15 général écrasé sur lui-même en raison de l'accumulation des ions à l'intérieur du collecteur; la fig 3 montre un modèle réalisé à l'ordinateur d'un faisceau d'électrons tel qu'à la fig 1, le faisceau se dispersant à l'intérieur du collecteur en réaction à une20 électrode d'évacuation des ions disposée au niveau d'une ouverture d'entrée du collecteur; la fig 4 montre une vue en coupe transversale du collecteur équipé de l'électrode d'évacuation des ions; la fig 5 montre une vue en coupe transversale de l'électrode d'évacuation des ions pour le collecteur, comme à la fig 4, plus en détail; la fig 6 montre une vue en coupe de l'électrode d'évacuation des ions, prise suivant la ligne 6-6 à la fig 5; et la fig 7 montre un collecteur typique utilisé en association30 avec un canon à électrons et une structure d'interactions. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES - En se reportant tout d'abord aux figs 1, 2 et 3, celles-ci montrent divers modèles réalisés à l'ordinateur, qui simulent le flux électronique à l'intérieur d'un collecteur La limite inférieure de chacune des vues représente l'axe central d'un collecteur typique 10 Du côté gauche des figures, il est prévu un corps 12 de tube à micro-ondes qui est raccordé à une ouverture d'entrée 22 pour le collecteur Le collecteur a des parois internes 18 de collecteur, qui sont représentées par les limites supérieures de la figure, ainsi qu'une section conique 28 de collecteur, représentée par la limite en pente descendante sur la partie droite des figures, et une extrémité arrière 26 Comme connu dans la technique, un collecteur typique 10 comporte une chambre interne pour recevoir et dissiper le flux électronique qui sort du corps 12 du tube à micro-ondes. La fig 1 montre un collecteur typique qui reçoit un faisceau focalisé 14 depuis un corps 12 de tube à micro-ondes Après être entré à travers l'ouverture d'entrée 22 du collecteur le faisceau commence immédiatement à diverger en raison de l'absence de focalisation magnétique et en raison de la charge spatiale à l'intérieur du collecteur 10 On peut voir les électrons individuels 16 qui heurtent les parois intérieures 18 du collecteur et la section conique 28 suivant un motif à écartement généralement constant La fig 1 représente des conditions presque idéales à l'intérieur du collecteur 10, de telle sorte que le faisceau électronique est efficacement dispersé et dissipé. Au contraire, la fig 2 représente le cas le plus défavorable pour le collecteur 10 Au lieu de diverger comme à la fig 1, le faisceau d'électrons 14 reste focalisé sur la totalité de la longueur du collecteur, et tombe enfin sur l'extrémité arrière 26 du collecteur A la différence de la figure décrite ci-avant, le faisceau d'électrons 14 n'a pas divergé 6 - en raison de l'accumulation d'ions positifs à l'intérieur du collecteur L'accumulation d'ions neutralise la charge spatiale, et maintient le faisceau 14 dans un état focalisé. La concentration du faisceau au niveau de l'extrémité arrière 26 du collecteur aurait pour effet de chauffer la partie du collecteur et finalement d'endommager le collecteur 10. Les conditions de la fig 2 sont efficacement éliminées par l'introduction d'un potentiel positif net au voisinage de l'ouverture d'entrée 22 du collecteur, comme montré à la fig.10 3 Une électrode qui présente un potentiel de champ de + 75 kilovolts par rapport au tube à micro-ondes est simulée par la surface 30 de la fig 3 Les lignes équipotentielles 24 sont tirées à l'intérieur du collecteur 10 pour montrer le niveau de champ en diminution tandis que la distance augmente15 depuis la surface 30 de l'électrode Le potentiel appliqué sur la surface de l'électrode 30 force tous les ions à l'intérieur du collecteur 10 à se retirer vers l'extrémité arrière du collecteur 10 Ceci permet au faisceau d'électrons 14 de se disperser de manière efficace, comme ceci se produirait en absence d'ions Malgré la concentration des ions à l'extrémité arrière du collecteur 10, le faisceau 14 n'est pas refocalisé puisqu'il est déjà devenu sensiblement dispersé. En se reportant maintenant à la fig 4, celle-ci montre un collecteur typique 10 Le collecteur 10 présente une ouverture d'entrée 22 qui reçoit le faisceau électronique fourni depuis le corps 12 du tube à micro-ondes Le collecteur 10 a en outre des parois 18 généralement30 cylindriques qui se transforment en une section à forme conique 28 A l'extrémité éloignée du collecteur 10, la section conique 28 se termine par une partie d'extrémité 26. Les parois 18 et la section conique 28 sont formées en général en un matériau fortement thermo-conducteur, comme par35 exemple du cuivre Une chemise de refroidissement 32 entoure les parois 18 et la section conique 28 La chemise 32 mène un flux de liquide de refroidissement pour évacuer la chaleur absorbée à travers les parois 18 et la section conique 28 Un tube d'entrée 25 et un tube de sortie 27 sont prévus pour05 mener le fluide de refroidissement depuis un réservoir de refroidissement (non représenté) et vers celui- ci. La fig 5 montre le collecteur 10 plus en détail pour permettre une description de l'électrode 34 d'expulsion des10 ions L'électrode 34 a la forme générale d'un entonnoir et elle est disposée à l'intérieur du collecteur 10 au voisinage de l'ouverture d'entrée 22 du collecteur L'électrode 34 comporte un bord d'attaque 36 adjacent à l'ouverture 22, et un bord de fuite 38 adjacent aux parois extérieures 18.15 L'électrode 34 est généralement formée en un matériau conducteur de la chaleur et de l'électricité, comme par exemple du cuivre. L'électrode 34 est suspendue en place à l'intérieur du collecteur 10 au moyen d'une pluralité de tiges de support thermo-conductrices et électriquement isolantes, désignées de manière générale par la référence 50 Les tiges de support 50 comprennent un élément d'accouplement 56 qui est relié à l'électrode 34, un isolateur en céramique 52 qui entoure le25 coupleur 56, et un coupleur 62 qui s'étend à travers les parois de support frontales 19 du collecteur 10 Le coupleur 56 présente une surface de montage 44 avec un tenon en forme de téton 58 qui s'étend axialement depuis la surface de montage L'électrode 34 présente une surface de montage30 correspondante 42 et une mortaise 46 correspondante qui reçoit le tenon 58 Le coupleur 56 et l'électrode 34 sont formés de manière à ne faire qu'une seule pièce afin de retenir rigidement l'électrode en place et de conduire la 8 - chaleur depuis l'électrode vers un point à l'extérieur du collecteur 10. L'isolateur 52 a en général la forme d'une coupelle et entoure le coupleur 56 afin d'empêcher que de la chaleur ne05 soit échangée en retour vers le collecteur 10 Comme connu dans la technique, l'isolateur 52 comporte une pluralité d'ailettes de radiateur 54 afin de promouvoir ses capacités isolantes On peut prévoir de réaliser l'isolateur 52 en un matériau céramique aux oxydes de béryllium.10 L'élément de couplage 62 est attaché axialement à l'isolateur 52 L'élément de couplage 62 s'étend à travers les parois de support 19 et attache l'électrode 34 de façon rigide sur les parois Le coupleur 62 assure à la fois un support rigide15 pour la tige 50 et un trajet thermique vers un canal de refroidissement annulaire 64 Un radiateur de chaleur 66 est adjoint au coupleur 62 dans le but de transférer la chaleur extraite depuis l'électrode 34 vers le canal réfrigérant 64. Le radiateur de chaleur 66 comporte une pluralité d'ailettes20 68, comme connu dans la technique. Afin d'amener le potentiel de tension à l'électrode 34, il est prévu une traversée électrique unique désignée de manière générale par la référence 70 La traversée électrique 7025 comprend un isolateur en céramique 72 qui entoure un conducteur à haute tension 73 Le conducteur 73 présente une borne conductrice 76 qui est raccordée électriquement dans un évidement correspondant 78 prévu dans l'électrode 34 Une extrémité du conducteur 73 s'étend à travers la plaque de couverture extérieure 84, montrée en tirets Une fois que le conducteur 73 se trouve à l'extérieur du collecteur 10, le conducteur peut être raccordé à une source de tension 90. L'isolateur en céramique 72 comporte une pluralité d'ailettes isolantes 74 afin d'améliorer ses propriétés isolantes On35 9 - peut prévoir de réaliser l'isolateur 72 en un matériau céramique aux oxydes d'aluminium. Dans le mode de réalisation préféré, il est prévu huit tiges de support 50 et une traversée électrique 70 La situation des tiges et de la traversée est montrée à la fig 6 Les tiges 50 sont régulièrement espacées coaxialement au collecteur 10, un espace étant laissé pour la traversée unique 70 Dans la mesure o la traversée 70 est en général plus étroite que les tiges 50, l'espacement peut ne pas être complètement symétrique On notera que d'autres configurations sont également possibles pour l'espacement afin d'atteindre un résultat similaire On notera que la vue de la fig 5 montre une tige 50 et une traversée 70 divisées par moitié de façon égale Comme il apparaît de la fig 6 la vue ne serait pas entièrement à l'échelle puisque la traversée 70 n'est pas disposée à 1800 à l'opposé de la tige 50. Afin de faire fonctionner le collecteur 10 avec l'électrode 34, on applique un potentiel électrique à l'électrode au moyen du conducteur 73 On s'attend à appliquer à l'électrode 34 un potentiel qui peut atteindre + 100 kilovolts par rapport au tube 12 à micro-ondes Le potentiel formerait une région de champ en forme de selle à l'intérieur du collecteur 10 au voisinage de l'ouverture d'entrée 22 Cette région devrait forcer les ions vers l'extrémité arrière du collecteur 10 et produire une région sensiblement exempte d'ions à l'extrémité avant du collecteur Le faisceau d'électrons 14 devrait alors rapidement se disperser une fois qu'il a passé le champ concentré formé par l'électrode 34 Les électrons dispersés 16 devraient tomber sur les parois intérieures 18 et la section conique 28, et se dissiper sous la forme de chaleur qui est évacuée du collecteur 10 via les canaux de refroidissement 32 Dans la mesure o une partie des - électrons du faisceau 14 peut tomber sur l'électrode 34, le trajet vers le canal de refroidissement 34 est prévu à travers les coupleurs 56 et 62 pour évacuer la chaleur en excès depuis l'électrode 34. A la fig 7, le collecteur 10 est montré fixé sur un corps 12 de tube à micro-ondes Le corps tubulaire 12 a une structure d'interaction interne dans laquelle le faisceau d'électrons 14 interagit avec un signal RF de micro-ondes en déplacement. Un canon à électrons 5 est prévu à une extrémité opposée du corps tubulaire 12, et fourni le faisceau d'électrons 14 On notera que le faisceau d'électrons 14 reste focalisé à travers la structure d'interaction et se dissipe rapidement une fois qu'il est entré dans le collecteur 10. Ayant ainsi décrit un mode de réalisation préféré d'un expulseur d'ions pour collecteur, il devrait être maintenant apparent aux hommes de métier que l'on a atteint les objectifs et avantages précités pour le système intérieur. Les hommes de métiers devraient également apprécier qu'il est20 possible d'y apporter diverses modifications, adaptations et de réaliser des variantes de réalisation dans le cadre et dans l'esprit de la présente invention Par exemple, on pourra utiliser de façon avantageuse d'autres formes et matériaux pour l'électrode d'expulsion 34, ou d'autres25 tensions d'expulsion, y compris des tensions continues. La présente invention est mieux définie par les revendications qui suivent: il - REVENDICATIONS 1 Collecteur ( 10) à électrons destiné à collecter les électrons dispensés produits par une cathode d'un canon à électrons ( 5) après passage à travers une région d'interaction d'un dispositif à micro- ondes ( 12), comprenant: un godet comportant des parois internes qui définissent une région enfermée présentant une ouverture d'entrée ( 22) à travers laquelle passent lesdits électrons après qu'ils sortent dudit dispositif à micro-ondes ( 12);10 une électrode ( 34) disposée au voisinage de ladite ouverture d'entrée ( 22) à l'intérieur de ladite région enfermée; et des moyens ( 90, 73) pour appliquer un potentiel positif à ladite électrode ( 34) par rapport audit dispositif à micro- ondes ( 12), ledit potentiel formant une région sensiblement15 exempte d'ions au niveau de ladite ouverture d'entrée ( 22) favorisant la dispersion desdits électrons dispensés. 2 Collecteur à électrons selon la revendication 1, dans lequel ladite électrode ( 34) a sensiblement la forme d'un entonnoir. 3 Collecteur à électrons selon la revendication 2, comprenant en outre une pluralité de tiges de support ( 50) thermo-conductrices et électriquement isolantes, disposées à25 l'intérieur de ladite région enfermée, qui attachent ladite électrode ( 34) auxdites parois de godet. 4 Collecteur à électrons selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens pour appliquer un potentiel comprennent en outre un trajet de conduction électrique ( 73, 82, 76) prévu à l'intérieur d'une traversée électrique ( 70) pour raccorder électriquement ladite électrode ( 34) à une source de tension extérieure ( 90). 12 - Collecteur à électrons selon la revendication 4, dans lequel ledit potentiel est + 100 kilovolts. 6 Collecteur pour particules chargées ( 10) destiné à collecter des particules chargées délivrées depuis un dispositif à micro-ondes ( 12), comprenant: une région enfermée présentant une entrée ( 22) à travers laquelle passent lesdites particules chargées; une électrode ( 34) disposée au voisinage de ladite entrée ( 22) à l'intérieur de ladite région enfermée; et des moyens ( 90, 73) pour appliquer un potentiel positif à ladite électrode ( 34) par rapport audit dispositif à micro- ondes ( 12). 7 Collecteur de particules chargées selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit potentiel forme une région sensiblement exempte d'ions au niveau de ladite entrée ( 22), favorisant la dispersion desdites particules chargées. 8 Collecteur de particules chargées selon la revendication 7, dans lequel les particules chargées sont des électrons. 9 Collecteur de particules chargées selon la revendication 8, dans lequel ladite électrode ( 34) a sensiblement la forme d'un entonnoir et est fixée à l'intérieur de ladite région enfermée au moyen d'une pluralité de tiges ( 50) thermo- conductrices et électriquement isolantes. Collecteur de particules chargées selon la revendication 9, dans lequel lesdits moyens d'application comprennent en outre un trajet de conduction électrique ( 73, 82, 76) prévu à l'intérieur d'une traversée électrique ( 70) afin de raccorder électriquement ladite électrode ( 34) à une source de tension extérieure ( 90). 13 - 11 Collecteur de particules chargées selon la revendication , dans lequel ledit potentiel est + 100 kilovolts. 12 Collecteur à électrons destiné à collecter les électrons fournis produits par une cathode d'un canon à électrons ( 5) après passage à travers une région d'interaction d'un dispositif à micro-ondes ( 12), comprenant: un godet comportant des parois internes qui définissent une région enfermée ayant une ouverture d'entrée ( 22) à travers laquelle passent lesdits électrons après être sortis dudit10 dispositif à microondes ( 112), l'ouverture d'entrée ( 22) ayant un axe longitudinal dans le prolongement de ladite cathode; une électrode ( 34) disposée au voisinage de ladite ouverture d'entrée ( 22) à l'intérieur de ladite région enfermée, ladite15 électrode ( 34) ayant une ouverture coaxiale audit axe longitudinal; et des moyens ( 90, 73) destinés à appliquer un potentiel positif à ladite électrode ( 34) par rapport audit dispositif à microondes ( 12), ledit potentiel formant une région sensiblement exempte d'ions au niveau de ladite ouverture d'entrée ( 22), favorisant la dispersion desdits électrons fournis dans des directions sensiblement divergentes depuis ledit axe longitudinal. 13 Collecteur à électrons selon la revendication 12, dans lequel ladite électrode ( 34) a sensiblement la forme d'un entonnoir. 14 Collecteur à électrons selon la revendication 13, comprenant une pluralité de tiges de support ( 50) thermo- conductrices et électriquement isolantes, disposée à l'intérieur de ladite région enfermée, qui fixent ladite électrode ( 34) auxdites parois de godet. -14 - Collecteur à électrons selon la revendication 14, comprenant en outre un trajet de conduction électrique ( 73, 82, 76) prévu à l'intérieure d'une traversée ( 70) afin de raccorder électriquement ladite électrode ( 34) à une source de tension extérieure ( 90).05 16 Collecteur à électrons selon la revendication 15, dans lequel lesdites tiges de support ( 50) sont réalisées en un composé céramique. 17 Collecteur à électrons selon la revendication 16, dans lequel lesdites tiges sont réalisées en céramique au béryllium. 18 Collecteur à électrons selon la revendication 15, dans lequel ladite traversée ( 70) est réalisée en céramique à l'alumine. 19 Collecteur à électrons selon la revendication 12, dans lequel ledit potentiel est + 100 kilovolts. Collecteur à électrons selon la revendication 17, dans lequel lesdites tiges de support ( 50) sont au nombre de huit.