Brevet FR2688937A1 — publié le 19930924

TUBE HYPERFREOUENCE A CAVISTE A MIROIRS A RENDEMENT AMELIORE. La présente invention concerne les tubes électroniques hyperfréquences et plus particulièrement les tubes de type gyrotron. Ces tubes peuvent fournir à la fois des puissances très élevées de longueurs d'ondes millimétriques ou même quasi optiques. Ces tubes se développent de plus en plus et trouvent leur application, par exemple, dans les domaines de la physique des plasmas. Ces tubes utilisent l'interaction d'un faisceau d'électrons et d'un faisceau d'ondes électromagnétiques contenu dans une cavité résonante. Les électrons se déplacent selon des trajets hélicoïdaux et sont guidés par un champ magnétique uniforme dirigé selon l'axe de l'hélice. La cavité résonante peut avoir de nombreuses formes et l'on utilise souvent des cavités à deux miroirs analogues à celles des lasers. La figure 1 illustre une telle cavité. Cette cavité est formée de deux miroirs ml,m2 face à face. Ils sont légèrement concaves. Un faisceau électromagnétique f est contenu entre ces deux miroirs ml,m2. Un faisceau d'électrons 1 issu d'une cathode 2 traverse le faisceau électromagnétique. il est dirigé selon un axe z. Les électrons qui le composent ont des trajectoires hélicoïdales dirigées selon l'axe z. Un champ magnétique B dirigé selon l'axe z confine les électrons sur ces trajectoires. il est produit par tout dispositif approprié connu de l'homme de l'art par exemple deux bobines supraconductrices positionnées à proximité du faisceau d'électrons selon la règle de Helmholtz. La cavité a miroirs ml,m2 a un axe optique dirigé selon un axe y perpendiculaire à l'axe z.L'interaction entre les électrons et le faisceau électromagnétique a lieu sur une distance 1. Dans la cavité, le champ électrique a une composante Ex dirigée selon un axe x perpendiculaire au plan y z et pas de composante suivant l'axe y. Avec une onde l'électromagnétique quasi plane il n'existe pas de composante du champ électrique selon y. Le champ électrique Ex présente, le long de l'axe y, des noeuds N correspondant à une amplitude nulle et des ventres V correspondant à une amplitude maximale. Ces noeuds N et ces ventres V sont fixes. La présence des noeuds N et des ventres V fixes vient du fait qu'entre les deux miroirs ml, m2 une onde électromagnétique incidente est superposée à une onde électromagnétique réfléchie. Ces deux ondes ont sensiblement la même amplitude. Cette superposition produit des interférences. La distance séparant un noeud N d'un ventre V est d'environ 4. X est la longueur d'onde du faisceau électromagnétique à la résonance. Pour que le tube ait un bon rendement il faudrait que tous les électrons du faisceau traversent le faisceau électromagnétique au niveau d'un ventre V. il y a alors une bonne interaction entre les électrons et le faisceau électromagnétique. Le diamètre d'une hélice parcourue par un électron est toujours inférieur à a . Le faisceau d'électrons rassemble un grand nombre d'électrons et ces derniers ont des trajectoires légèrement décalées de sorte que le faisceau d'électrons remplit l'espace de plusieurs ventres V. Certains électrons traversent donc le faisceau électromagnétique au niveau de noeuds N et ils n'interagissent pas avec le faisceau électromagnétique. Le rendement du tube s'en ressent de façon importante. Il est connu aussi d'utiliser une cavité résonante à deux miroirs m'l et m'2 face à face et d'incliner les deux miroirs de manière à ce que le faisceau électromagnétique soit décalé d'un angle a par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau d'électrons. Cette structure est représentée à la figure 2. Elle est comparable à celle de la figure 1. Le faisceau d'électrons porte la référence 1, il est issu d'une cathode référencée 2, le faisceau électromagnétique est référencé f Puisque le faisceau électromagnétique f est incliné par rapport au faisceau électronique 1, l'interaction entre les électrons et le faisceau électromagnétique se produit sur une longueur 1' qui est plus longue que la longueur 1 d'interaction montrée à la figure 1. Un tube utilisant une telle cavité pourra fonctionner avec une intensité de champ magnétique inférieure à celle nécessaire lorsque le faisceau d'électrons est perpendiculaire au faisceau électromagnétique. Mais le rendement ne sera pas amélioré et même sera plutôt dégradé si l'angle a est supérieur à 45 . On est toujours en présence d'une onde incidente et d'une onde réfléchie superposées qui forment des interférences. Ces interférences possèdent des noeuds et des ventres fixes. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle a pour but d'augmenter le rendement du tube. Elle propose de réaliser une cavité résonante avec au moins trois miroirs. Un faisceau d'ondes électromagnétiques circule entre les miroirs successifs. I1 est formé d'une succession de bras, chaque bras étant placé entre deux miroirs. Le faisceau d'électrons interagit avec un des bras faisant un angle O par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau d'électrons. Au lieu d'interagir avec une onde stationnaire le faisceau d'électrons interagit avec une onde progressive se propageant entre les miroirs. La présente invention propose un tube hyperfréquence avec une cavité à miroirs résonant sur une fréquence de résonance désirée. Le tube comprend un faisceau d'électrons dirigé selon un axe, interagissant avec un faisceau électromagnétique contenu dans la cavité résonante. Le faisceau électromagnétique est incliné par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau d'électrons. La cavité résonante comporte au moins trois miroirs et le faisceau circule dans la cavité selon un trajet polygonal dont les sommets sont les miroirs. Le faisceau électromagnétique est formé d'une succession de bras correspondant aux côtés du polygone et le faisceau d'électrons interagit avec l'un des bras. On choisit de préférence l'angle inférieur ou égal à 45 degrés. Selon une caractéristique de l'invention, le périmètre du polygone est un multiple de la longueur d'ondes correspondant à la fréquence de résonance désirée de la cavité. Ce périmètre est souvent d'un mètre. De préférence, l'interaction entre le faisceau d'électrons et le faisceau électromagnétique se produit sur une longueur égale à environ à 10 longueurs d'ondes de la fréquence de résonance désirée de la cavité. On donne aux miroirs, de préférence, une forme concave. Ils peuvent être avantageusement des ellipsoïdes. La cavité résonante peut contenir au moins un filtre de fréquence pour éliminer au moins une fréquence indésirée excitée lors de l'interaction. Les caractéristiques 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, déjà décrite, représente un tube selon l'art antérieur avec une cavité à deux miroirs; - la figure 2 : déjà décrite montre un tube selon l'art antérieur avec une cavité à deux miroirs inclinés; - les figures 3a, 3b illustrent en coupe transversale et longitudinale un tube à cavité à quatre miroirs; - la figure 4 montre en coupe transversale une cavité d'un tube selon l'invention avec un filtre de fréquence. Sur ces figures les mêmes éléments portent les mêmes références. Les figures 3a, 3b représentent une cavité résonante à miroirs en anneau d'un gyrotron selon l'invention. La figure 3a montre le faisceau d'électrons en coupe transversale et la figure 3b le montre en coupe longitudinale. La cavité résonante a quatre miroirs M1, M2, M3, M4 d'axes transversaux respectifs XlXl', X2X2', X3X3', X4X4'. Un faisceau d'ondes électromagnétiques F présentant une succession de bras (fl,f2,f3,f4) se réfléchit successivement sur chacun des miroirs M1,M2,M3,M4. La cavité a la forme d'un polygone dont les sommets sont les miroirs et les côtés les bras du faisceau électromagnétique. Le périmètre du polygone est égal à un nombre entier de longueurs d'ondes correspondant à la fréquence de résonance de la cavité. Le périmètre du polygone est égal à la longueur électrique du faisceau F. Sur la figure 3a, les axes des miroirs sont concourants et le polygone est régulier. Les ondes du faisceau F électromagnétique peuvent se propager à la vitesse de la lumière dans un premier sens noté + aussi bien que dans un second sens noté -. Les ondes électromagnétiques du faisceau F possèdent des noeuds et des ventres et elles sont progressives. Les noeuds et les ventres de ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière car les ondes sont progressives, en effet: un faisceau d'électrons 10 traverse un des bras (ici le bras f4). Le faisceau d'électrons 10 est dirigé selon un axe z . Le bras f4 est incliné d'un angle e par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe z du faisceau d'électrons 10. Ici le plan perpendiculaire à l'axe z du faisceau d'électrons 10 est le plan xy. Si le faisceau d'électrons 10 interagit avec une onde progressive le rendement du tube est augmenté. Dans la pratique, à la résonance on est toujours en présence d'ondes électromagnétiques progressives dans les deux sens, mais elles sont indépendantes. Puisque le bras f4 du faisceau électromagnétique avec lequel interagit le faisceau d'électrons est incliné, il est possible de différentier les ondes progressant dans le sens + de celles progressant dans le sens - car elles n'ont plus la même fréquence pour un électron traversant le bras f4. On peut alors, en supprimer une. Des moyens de filtrage de type connu peuvent être utilisés. Le faisceau d'électrons interagit alors avec une onde électromagnétique progressive avec des noeuds et des ventres mobiles et le rendement du tube est accru. Le champ électrique, dans le bras f4, au voisinage du faisceau d'électrons 10, correspondant à une onde électromagnétique progressant dans le sens + est de la forme: Ex = E(+) cos (o)t - ky' + cp) Celui correspondant à une onde électromagnétique progressant dans le sens - est de la forme: Ex = E(-) cos (t + ky' + - w étant la fréquence angulaire de l'onde électromagnétique; - k = w/c car on est en présence d'ondes quasi planes; - (p est une phrase qui dépend de l'instant initial. L'axe y' fait un angle e avec l'axe y alors: y' = y cos e + z sin e Les coordonnées d'un électron du faisceau 10 peuvent s'écrire: z = vt et y = yl = constante, v est la vitesse d'un électron par rapport à l'axe z Le champ électrique qui s'exerce sur lui lorsqu'il traverse le bras f4 est Ex = E(+) cos [cot- 1 1 cos e + vu six 0) + (p] c si l'onde électromagnétique progresse dans les sens + ; et Ex = E(-) cos [ot + (y 1 cos e + vt sin 0) +(pJ c si elle progresse dans le sens -. Les électrons sont alors soumis à une fréquence angulaire qui est différente selon le sens de propagation de l'onde électromagnétique. Cette fréquence est de la forme: pour l'onde se propageant dans les sens + et pour l'onde se propageant dans le sens -. Cette fréquence est donc modifiée par l'effet Doppler qui introduit le terme 1 +sin 0. c Au niveau de l'interaction, des effets électroniques importants ne peuvent être obtenus que si les fréquences ci-dessus sont égales à oc (la fréquence cyclotronique). Cette fréquence cyclotronique wc est fixée par le champ magnétique B et corrigée par le paramètre relativiste y. e et m sont respectivement la charge et la masse de l'électron au repos. Dans la cavité à miroirs des figures 3a et 3b, deux fréquences de résonance sont possibles selon le sens de propagation de l'onde électromagnétique. La première correspond à une onde électromagnétique se propageant dans le sens + La seconde correspond à une onde électromagnétique se propageant dans le sens -. Les deux ondes qui peuvent être excitées par le faisceau sont indépendantes, elles n'ont pas la même fréquence ni en principe la même amplitude. Dans les cavités à deux miroirs même inclinés, on est toujours en présence d'ondes incidentes et d'ondes réfléchies dépendantes, de même fréquence. Des noeuds de position fixe se forment et l'efficacité de l'intéraction est diminuée. Pour supprimer l'une des ondes électromagnétiques on peut utiliser un filtre de fréquence accordé sur la fréquence à éliminer. Plusieurs filtres de fréquences sont connus de l'homme de l'art. La figure 4 représente un exemple de filtre de fréquences. La figure 4 est comparable à la figure 3a mais le miroir M1 a été modifié. Ce miroir comporte deux zones de réflexion 30,31 décalées d'une distance d. La zone 31 est en retrait par rapport à Ia zone 30. Dans l'exemple décrit la zone 31, située dans la partie centrale du miroir M1, est plus proche du faisceau d'électrons 10 que la zone 30. A chaque fréquence w + et o)- correspond respectivement une longueur d'onde X + et X - telle que: Si on choisit une distance d telle que (n, n' sont des nombres entiers), la fréquence w est éliminée. On choisit de préférence n et n' petits inférieurs à 10 par exemple. D'autres filtres de fréquence sont connus. v En pratique, le rapport - a une valeur de l'ordre de 0,2. Si l'on choisit un angle 0 de l'ordre de 5 le rapportprend une valeur de l'ordre de 1,0355. w- Le choix de wc au moyen de la valeur du champ magnétique permet une sélectivité de l'ordre de 1%. Cette sélectivité permet de ne garder qu'une seule des fréquences w+ ou o > et d'éliminer l'autre sans introduire un filtre de fréquence dans la cavité résonante. Le tube ainsi décrit avec une cavité en anneau à plusieurs miroirs tout comme ceux avec une cavité classique à deux miroirs peut osciller sur plusieurs fréquences à cause de la distance séparant les miroirs. En effet, on donne de préférence au périmètre du polygone une longueur L proche d'un mètre pour limiter la densité d'énergie sur les miroirs. Cette longueur L doit être égale à un nombre entier m de longueurs d'ondes Xm correspondant à la fréquence de résonance recherchée dans la cavité: L = Pour avoir une oscillation à 150 Hz qui correspond à Sm = 2 millimètres et si L est égale à 1 mètre on obtient m = 500. Des oscillations peuvent se produire à des fréquences correspondant aux longueurs d'ondes Smw m+l, Xm-2, hum+2 etc.... Ces longueurs d'ondes sont très proches de Sm. Les fréquences qui peuvent apparaître sont écartées de multiples de 1/500 soit 0,2 %, et il existe en fait une compétition entre les oscillations à ces diverses longueurs d'onde. Le choix du champ magnétique ne permettant qu'unie sélectivité de l'ordre de 1 %, plusieurs de ces fréquences indésirables peuvent être excitées lors de l'interaction. On peut les éliminer en utilisant au moins un filtre de fréquence accordé sur au moins une des fréquences indésirables. On choisira de préférence un angle e inférieur ou égal à 45" pour que la longueur Li de l'interaction entre le faisceau électromagnétique et le faisceau d'électrons ne soit pas trop importante . Il vaut mieux en effet que la longueur d'interaction Li soit inférieure à 10 fois la longueur d'ondes correspondant à la fréquence de résonance recherchée. Si l'angle e est supérieur à 45" et si le faisceau d'électrons interagit avec l'onde se propageant dans le sens +, l'effet Doppler traduit par le terme 1- sinO est grand ce qui assure une bonne séparation en fréquence. Mais î,inctéraction devient trop longue car le diamètre du faisceau ne peut être inférieur à une certaine quantité qui dépend de la distance des miroirs et qui est généralement supérieure à 6 fois la longueur d'onde du faisceau électromagnétique. Le nombre de miroirs de la cavité est supérieur ou égal à trois. Le polygone formé par les miroirs peut être un triangle, un carré, un rectangle, un losange, un parallèlogramme ou autre. Les miroirs sont légèrement concaves et on pourra avantageusement les choisir en forme d'éllipsoïdes. REVENDICATIONS 1 - Tube hyperfréquence avec une cavité à miroirs résonant sur une fréquence de résonance désirée, comprenant un faisceau d'électrons (10) dirigé selon un axe (z) interagissant avec un faisceau éléctromagnétique (F) contenu dans la cavité résonante, le faisceau électromagnétique (F) étant incliné, au niveau de l'interaction, d'un angle (0) par rapport à un plan (xy) perpendiculaire à l'axe (z) du faisceau d'électrons (10), caractérisé en ce que la cavité résonante comporte au moins trois miroirs (M1,M2,M3,M4), le faisceau électromagnétique (F) circulant dans la cavité selon un trajet polygonal dont les sommets sont les miroirs (M1,M2,M3,M4) 2 - Tube hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau électromagnétique (F) est formé d'une succession de bras (fî,f2,f3,f4) correspondants aux côtés du polygone, le faisceau d'électrons (10) traversant un de ces bras (f4). 3 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle (0) est inférieur ou égal à 45". 4 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications I ou 3, caractérisé en ce que le périmètre (L) du polygone est un multiple de la longueur d'ondes (1) correspondant à la fréquence de résonance désirée de la cavité. 5 - Tube hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que le périmètre du polygone est de l'ordre de 1 mètre. 6 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'interaction entre le faisceau électromagnétique (F) et le faisceau électronique (10) se produit sur une longueur (Li) égale à environ 10 longueurs d'ondes correspondant à la fréquence de résonance désirée de la cavité. 7 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les miroirs (M1,M2,M3,M4) sont concaves. 8 - Tube hyperfréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que les miroirs (M1,M2,M3,M4) sont des éllipsoides. 9 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la cavité résonante contient au moins un filtre de fréquence pour éliminer au moins une fréquence indésirée excitée lors de l'interaction. 10 - Tube hyperfréquence selon la revendication 9, caractérisé en ce que le filtre de fréquence est situé sur un miroir (M'1) de la cavité, ce miroir comportant deux zones de réflexion (30,31) décalées d'une distance (d), la distance (d) étant égale à un premier nombre entier (n) de demie longueur d'ondes correspondant à la fréquence de résonance désirée et étant différent d'un deuxième nombre entier (n') de demie longueur d'ondes correspondant à la fréquence à éliminer. 11 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il appartient à la famille des gyrotrons.