Brevet FR2694447A1 — publié le 19940204

CANON A ELECTRONS POUR FOURNIR DES ELECTRONS GROUPES EN IMPULSIONS COURTES La présente invention se rapporte à un canon à électrons pour fournir des électrons groupés en impulsions courtes de fréquence de répétition prédéterminée f 0. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de fournir des électrons groupés en paquets courts C'est le cas notamment lorsque l'on veut injecter ces paquets d'électrons dans des systèmes d'accélération du type linéaire à haute énergie. Les solutions classiques utilisent des canons à électrons à structure de triode formée d'une cathode émissive, d'une grille et d'une anode alignées Les électrons sont fournis pendant les temps o une tension de déblocage est appliquée à la grille, l'anode et la cathode étant alimentées par des tensions continues. Un inconvénient important de ces solutions est lié au déblocage de la grille pendant un temps très court, par exemple inférieur à la nanoseconde En effet, la présence des capacités parasites inévitables induit dans les circuits de déclenchement des constantes de temps difficiles à diminuer Si de plus, comme c'est le cas dans certaines applications, on souhaite obtenir des électrons groupés dans des temps extrêmement courts de l'ordre de 10 à 100 ps, il faut alors procéder à une modulation de vitesse avec une cavité supplémentaire, ce qui augmente la complexité et le coût du dispositif. L'invention a pour objet de remédier à ces inconvénients grâce à une solution très simple permettant d'éliminer les circuits de déclenchement habituels. Un autre objet de l'invention est un canon à électrons o toutes les tensions utilisées sont des tensions radiofréquence Par radiofréquence, on entend, comme cela est généralement admis, des fréquences supérieures à quelques dizaines de kilohertz. Selon l'invention, il est donc prévu un canon à électrons pour fournir des électrons groupés en impulsions courtes de fréquence de répétition prédéterminée f 0, ledit canon comportant une structure de triode formée d'une cathode émissive, d'une grille et d'une anode, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens pour créer une tension cathode- grille radiofréquence à partir d'au moins une onde radiofréquence de fréquence au moins égale à ladite fréquence de répétition f et des seconds moyens pour créer une tension anode-grille radiofréquence à partir d'une première onde radiofréquence de fréquence F = k f o k est un o o o o entier plus grand ou égal à 1. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints o: la figure 1 est un schéma de principe d'un canon à électrons selon l'invention sans son dispositif d'alimentation; la figure 2 est un schéma du canon à électrons selon l'invention y compris les circuits d'alimentation; la figure 3 montre des courbes représentant les diverses tensions en fonction du temps pour un exemple de choix de fréquences; la figure 4 représente des courbes similaires pour un autre jeu de fréquences; et la figure 5 reprend les courbes de la figure 3 pour un mode de réalisation optimisé. Sur la figure 1 est représenté le schéma de la structure d'un canon à électrons selon l'invention. Il s'agit de fournir des électrons groupés en impulsions courtes de fréquence de répétition f Ce canon comprend de manière connue une cathode émisssive K, une grille G et une anode A. Au lieu d'appliquer à la cathode et à l'anode des tensions continues et à la grille des impulsions de déblocage de courte durée, on prévoit selon l'invention d'appliquer entre grille et cathode d'une part et entre grille et anode d'autre part des tensions alternatives radiofréquence Pour cela, on prévoit une première cavité coaxiale 1 comportant un conducteur central 2 Cette cavité est fermée à une extrémité par un court-circuit 3 et est fermée à son autre extrémité sur une capacité cathode-grille KG, la grille G délimitant la cavité 1 et la cathode K étant supportée à l'extrémité du conducteur central 2 en regard de la grille G Sur la cavité 1 est prévue une dérivation coaxiale 4 avec un conducteur central 5 Cette dérivation est fermée par un court-circuit 6 disposé de manière à ce que la longueur de la dérivation soit égale à X g 1/4, o Xg 1 est la longueur d'onde dans la cavité coaxiale 1 correspondant à une fréquence F 1 = k 1 f O à laquelle la cavité 1 est prévue pour résonner (en fonction de ses dimensions et de la capacité KG), k 1 étant un nombre entier supérieur ou égal à 1 A cette fréquence, la dérivation 4 ramène une impédance infinie sur la cavité 1 et n'a donc pas d'influence Par contre, cette dérivation permet de faire résonner la cavité 1 à une deuxième fréquence F 2 = k 2 f 0, o k 2 est un nombre entier supérieur à 1 tel que k 2 = pk 1, p étant un nombre entier supérieur à 1. Par exemple, si la dérivation 4 est située sensiblement au milieu de la cavité 1 et si on prend p = 2, la cavité 1 résonnera à la fréquence F 1 et à la fréquence F 2 double de F 1, la dérivation 4 ramenant pour la fréquence F 2 un court-circuit sur la structure coaxiale 1 du fait de sa longueur Xg 2/2. Les ondes d'excitation avec radiofréquences Fl et F 2 sont appliquées à la cavité 1 par l'intermédiaire d'entrées d'excitation 7 et 8. Ainsi, on obtient dans la cavité 1 une onde radiofréquence résultant du battement des ondes aux fréquences F 1 et F 2 et induisant une tension radiofréquence entre cathode et grille. D'une manière similaire, on constitue une seconde cavité coaxiale 10 comportant un conducteur central Il Cette cavité 10 est fermée à une extrémité par un court-circuit 17 et est fermée à l'autre extrémité sur une capacité grille-anode GA, la grille G délimitant la cavité 10 et l'anode A étant constituée par l'extrémité du conducteur central 11 en regard de la grille G Le conducteur central 11 est constitué par un cylindre creux dont l'espace intérieur permettra le passage des paquets d'électrons émis selon l'axe 15 de l'ensemble, ainsi qu'on le verra ci-dessous Les caractéristiques de la cavité 10 et la capacité GA sont déterminées pour que la cavité 10 résonne à une fréquence F = k O f O o k est un nombre entier supérieur ou égal à 1. L'onde d'excitation à la radiofréquence F est appliquée à la cavité 10 par l'intermédiaire d'une entrée d'excitation 13. On obtient ainsi dans la cavité 10 une onde radiofréquence à la fréquence F qui induit une tension radiofréquence entre grille et anode. On peut prévoir des supports diélectriques 16 pour assurer un meilleur soutien et centrage du conducteur central 11 Par ailleurs il est prévu à l'extrémité de l'espace intérieur du conducteur 11 une fenêtre 14 pour le passage des électrons. Enfin, un solénoïde 12 entoure la cavité 10 à hauteur du conducteur central 11 pour focaliser les électrons le long de l'axe 15 et constituer ainsi un espace de glissement à l'intérieur de ce conducteur. Le fonctionnement du système sera mieux compris à l'aide des courbes de la figure 3 qui correspondent à un exemple o on a choisi k = 1 (F= f), k 1 4 (F 1 = 4 f et k 2 = 8 (p = 2, F 2 = 8 f 0) Sur le diagramme de la figure 3, sont représentées les tensions V en fonction du temps, T étant la période de répétition des paquets d'électrons (T = l/f 0) La courbe V Fo représente la tension anode-grille La courbe VF Fb représente la tension grille-cathode, résultant du battement des deux fréquences F 1 et IF 2 représentées sur la figure 3 par les courbes VF 1 et VF 2 en supposant que les amplitudes des deux ondes sont égales. Le courant d'électrons ne passe que lorsque la tension grille-cathode V Fb et la tension anode-grille V Fo sont simultanément positives Il faut noter ici que le rapport d'amplitude entre ces deux tensions n'est absolument pas respecté pour permettre leur représentation sur un même diagramme Par exemple, la puissance injectée dans la cavité 10 peut être de l'ordre de 30 k W, ce qui correspond à des tensions de l'ordre de quelques dizaines à une centaine de kilovolts, alors que les puissances injectées dans la cavité 1 peuvent être de l'ordre de 50 W chacune, ce qui correspond à des tensions de l'ordre de quelques centaines de Volts. Ainsi, sur la figure 3 le courant d'électron ne passera que pendant le pic positif de V Fb hachuré Les autres pics de VI Fb, soit ne donneront qu'un courant d'électrons très faiblement accéléré aisément éliminé, correspondant à une valeur sensiblement nulle de VF 0, soit ne donneront aucun courant d'électrons puisqu'ils seront bloqués par une tension anode-grille V Fo très fortement négative Ainsi à chaque période de la tension VF 0, à la fréquence f, ne passera qu'un paquet d'électrons pendant un temps court correspondant à la largeur du pic de V Fb. Par exemple, si on choisit une fréquence f de 62,5 M Hz, soit une période T = 16 ns, le courant d'électrons ne passe que pendant environ 1 ns, lorsque la tension V Fa est maximum. On a ainsi un moyen très simple d'obtenir une impulsion de durée 1 ns contenant des charges de l'ordre de quatre nanocoulombs par exemple avec une cathode délivrant 4 A. L'alimentation des cavités 1 et 10 peut être réalisée facilement, par exemple par un circuit tel que celui de la figure 2. Une source oscillatrice radiofréquence 20 fournit directement une onde à la fréquence F = fo qui est appliquée à l'entrée d'excitation 13 de la cavité 10 après passage dans un dispositif de réglage d'amplitude 21, éventuellement un dispositif de réglage de phase 21 ', bien que cela ne soit pas indispensable dans tous les cas, et un amplificateur 22 pour que le signal appliqué sur l'entrée 13 ait la phase et l'amplitude souhaitées. D'autre part, un coupleur 23 permet de prélever une partie de l'énergie fournie par la source 20 pour l'envoyer vers les entrées 7 et 8 de la cavité 1 Cette énergie prélevée est envoyée d'une part vers l'entrée 7 après passage par un multiplieur de fréquence, ici par 4 pour obtenir la fréquence F 1 = 4 f C, par un dispositif de réglage d'amplitude 25, un dispositif de réglage de phase 26 et un amplificateur 27. Enfin, un coupleur 28 prélève une partie de l'énergie à la sortie du multiplieur de fréquence 24 pour l'envoyer vers l'entrée 8 après passage par un multiplieur de fréquence 29, ici par 2 pour obtenir la fréquence F 2 = 8 f o, par un dispositif de réglage d'amplitude 30, un dispositif de réglage de phase 31 et un amplificateur 32. L'avantage de prévoir une seule source 20 est que l'on n'a pas besoin d'utiliser de circuits complexes d'asservissement de phase et de fréquence entre les diverses ondes radiofréquence utilisées. La figure 4 représente des courbes correspondant à un autre choix de fréquences qui permet de mieux apprécier les diverses solutions possibles. Dans le cas de la figure 4, on a choisi k = 4 (d'ou F= 4 f 0), k 1 = 1 (d'o F 1 = f 0) et k 2 = 4 (d'o F 2 = 4 f 0) On aurait les mêmes courbes si on prenait, pour des raisons de commodité de réalisation des diverses structures coaxiales et circuits d'alimentation, des fréquences multiples de ces mêmes valeurs, par exemple F = 8 f 0, F 1 = 2 f O et F 2 = 8 f 0. Dans l'exemple de la figure 4, on a choisi d'exciter une onde à la fréquence F 2 avec une amplitude moitié de celle de l'onde à la fréquence F 1. On peut voir que l'on obtient bien un pic principal 40 de la courbe V Fb dont la partie hachurée correspond au passage d'un faisceau d'électrons et qui se reproduit à la fréquence f souhaitée Mais ce pic 40 est ici encadré par des pics secondaires 4 i et 42 de la courbe V Fb qui donnent aussi lieu au passage d'un faisceau d'électrons dans leur partie hachurée coïncidant avec une tension anode-grille positive Ces faisceaux secondaires sont indésirables Par ailleurs, le faisceau d'électrons principal correspondant au pic 40 est plus large que dans le cas de la figure 3 Si cependant cette solution illustrée sur la figure 4 est choisie pour d'autres raisons, on peut éliminer l'effet des pics secondaires en appliquant une polarisation additionnelle continue à la grille G, ce qui décale les niveaux de la courbe V Fb. D'autre part, cette figure 4 permet d'illustrer que l'on peut diminuer l'amplitude relative des pics secondaires par rapport au pic principal en choisissant un rapport entre les amplitudes des ondes à la fréquence F 1 et F 2 plus élevé. En considérant la figure 3, on voit également la raison pour laquelle on a choisi de créer un battement entre deux fréquences F 1 et F 2 dans la cavité 1 cathode-grille On obtient ainsi des pics de la tension V Fb plus étroits, donc des électrons groupés dans une impulsion plus courte qui si on avait utilisé la seule fréquence F 1, tout en réduisant notablement l'émission d'électrons non souhaités. Les choix correspondant à la figure 3 représentent un compromis intéressant. La figure 5 illustre un autre aspect important pour l'invention Sur cette figure 5 sont représentées les courbes c V Fb et V Fo correspondant au même choix de fréquences que pour la figure 3, seul le rapport des amplitudes aux fréquences F 1 et F 2 passant de 1 à 2 à simple titre d'exemple. La différence importante avec la figure 3 est que l'on a décalé en phase la tension V Fb par rapport à la tension V Fo d'une quantité égale à la moitié de la largeur en phase du paquet d'électrons à l'anode, c'est-à-dire sensiblement la moitié de la largeur du pic de V Fb (cette largeur est ici de l'ordre de 220) Dans ce cas, le premier électron va passer l'anode alors qu'est appliquée une tension anode-grille égale sensiblement à VO cos 220, si VO est la valeur maximum de la tension anode-grille V Fo Au fur et à mesure que les électrons passent, la tension anode-grille d'accélération de ces électrons va croître jusqu'à la valeur VO pour le dernier électron qui passe Grâce à cette différence de tension d'accélération appliquée aux divers électrons, on obtient au bord d'un espace de glissement de longueur adéquate un groupement nettement amélioré du paquet d'électrons Ainsi avec l'exemple numérique déjà envisagé (fo = 62,5 M Hz; durée du paquet à l'anode de l'ordre de 1 ns), en supposant qu'on prenne une tension VO = 80 k V et un espace de glissement de l'ordre de l m, la durée du paquet est ramenée à environ 100 ps On peut encore améliorer ce résultat par l'adjonction de cavités de groupement intercalés à la fin de l'espace du glissement ce qui peut permettre d'obtenir des impulsions (durée de paquet) de l'ordre de 10 ps Le déphasage de la tension V Fb par rapport à la tension V Fo est aisément obtenu en agissant sur les dispositifs de réglage de phase 26 et 31 (Fig 2) qui, par ailleurs, servent à mettre en phase les tensions VF 1 et VF 2 (Fig 3) aux fréquences F 1 et F 2. Dans l'exemple qui a été décrit en relation avec la figure 1, on a prévu une dérivation de Xgl/4 pour faire résonner la cavité 2 à deux fréquences différentes Mais il est clair que l'on pourrait utiliser tout autre moyen équivalent connu disposé en fonction des rapports de fréquence choisis Notamment on peut utiliser de manière plus générale une dérivation coaxiale terminée par un court-circuit disposé de telle sorte que la longueur de la dérivation soit égale à ( 2 q + 1) Xgl/4, o Xg 1 est la longueur d'onde correspondant à la fréquence F 1 et o q est un entier, avec q > 0. Grâce à l'utilisation de cavités coaxiales et d'alimentations radiofréquence, on obtient avec une mise en oeuvre simple un canon à électrons o sont supprimés les problèmes de modulation liés à l'existence d'impulsions de tension continue de déblocage de courte durée (inférieure à la nanoseconde).5 Bien entendu, les exemples décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. REVENDICATIONS 1 Canon à électrons pour fournir des électrons groupés en impulsions courtes de fréquence de répétition prédéterminée fo, ledit canon comportant une structure de triode formée d'une cathode émissive (K), d'une grille (G) et d'une anode (A), caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens ( 1 à 8, 20, 23 à 32) pour créer une tension cathodegrille radiofréquence à partir d'au moins une onde radiofréquence de fréquence au moins égale à ladite fréquence de répétition fa et des seconds moyens ( 10 à 17, 20 à 22) pour créer une tension anode-grille radiofréquence à partir d'une première onde radiofréquence de fréquence F = k O f O o k O est un entier plus grand ou égal à 1. 2 Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite tension cathode-grille est créée à partir du battement d'une deuxième et d'une troisième ondes radiofréquence de fréquences respectives F 1 = k 1 f O et F 2 = k 2 f Oo k 1 et k 2 sont des entiers tels que k 2 = pk 1 j, p étant un entier supérieur à 1 et k étant supérieur ou égal à 1. 3 Canon à électrons selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens comprennent une première cavité coaxiale ( 1) ayant un conducteur central ( 2), dont une extrémité est fermée par un court-circuit ( 3) et dont l'autre extrémité est fermée par ladite grille (G), ladite cathode (K) étant supportée à l'extrémité dudit conducteur central ( 2) en regard de ladite grille (G) pour former avec elle une première capacité (KG) fermant la cavité ( 1), et en ce que les caractéristiques de ladite cavité coaxiale sont choisies pour qu'elle résonne à ladite deuxième fréquence F 1 tandis que des troisièmes moyens ( 4 à 6) sont disposés sur ladite cavité pour lui permettre de résonner également à ladite troisième il fréquence F 2, la cavité ( 1) comportant deux entrées d'excitation ( 7, 8) alimentées respectivement par lesdites deux ondes radiofréquence aux fréquences F 1 et F 2. 4 Canon à électrons selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits troisièmes moyens comportent une dérivation coaxiale ( 4, 5) terminée par un court-circuit ( 6) disposé de telle sorte que la longueur de la dérivation soit égale à ( 2 q + 1) Xgl/4, o x g 1 est la longueur d'onde correspondant à la deuxième fréquence F 1 et o q est un entier, avec q > 0. Canon à électrons selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens comprennent en outre des quatrièmes moyens ( 20, 23 à 32) pour élaborer une onde radiofréquence à la deuxième fréquence F 1 et une onde radiofréquence à la troisième fréquence F 2 et pour les appliquer auxdites entrées d'excitation ( 7, 8) avec des phases et des amplitudes prédéterminées. 6 Canon à électrons selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits quatrièmes moyens comportent une source oscillatrice radiofréquence ( 20); deux voies d'alimentation reliées respectivement aux entrées d'excitation ( 7, 8) de la première cavité ( 1) et comportant chacune un dispositif de réglage d'amplitude ( 25, 30), un dispositif de réglage de phase ( 26, 31) et un dispositif d'amplification ( 27, 32), ainsi qu'un multiplieur de fréquence ( 24, 29) dans au moins une des voies; et au moins un coupleur ( 23, 28) pour connecter la sortie de ladite source auxdites deux voies d'alimentation. 7 Canon à électrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens comprennent une seconde cavité coaxiale ( 10) ayant un conducteur central ( 11), dont une extrémité est fermée par un court-circuit ( 17) et dont l'autre extrémité est fermée par ladite grille (G), ladite anode (A) étant formée par l'extrémité du conducteur central ( 11) en regard de ladite grille pour former avec elle une seconde capacité (GA) fermant la seconde cavité ( 11) et ledit conducteur central ( 11) étant formé par un cylindre creux dont l'espace intérieur permet le passage des électrons émis le long de l'axe ( 15) desdites première et seconde cavités, en ce qu'un solénoïde ( 12) de focalisation entoure ladite seconde cavité à hauteur du conducteur central ( 11) pour constituer un espace de glissement à l'intérieur de ce dernier, et en ce que les caractéristiques de ladite seconde cavité coaxiale et ladite capacité grille-anode (GA) sont choisies pour que ladite cavité résonne à ladite fréquence F 0, la seconde cavité ( 10) comportant une entrée d'excitation ( 13) alimentée par ladite première onde radiofréquence. 8 Canon à électrons selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens comprennent en outre des cinquièmes moyens ( 20 à 22) pour élaborer ladite première onde radiofréquence à la fréquence F et pour l'appliquer à ladite entrée d'excitation ( 13) de la seconde cavité avec une phase et une amplitude prédéterminées. 9 Canon à électrons selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits cinquièmes moyens comportent une source oscillatrice radiofréquence ( 20); et une voie d'alimentation reliant ladite source ( 20) à ladite entrée d'excitation ( 13) par l'intermédiaire d'un dispositif de réglage d'amplitude ( 21), d'un dispositif de réglage de phase ( 21 ') le cas échéant, et d'un dispositif d'amplification ( 22). 10 Canon à électrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une cavité de groupement est intercalée sur le trajet des électrons, avant ou après ledit espace de glissement. 11 Canon à électrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lesdits dispositifs de réglage de phase ( 26, 31) des quatrièmes moyens sont réglés pour que les deuxième et troisième ondes radiofréquence soient en phase et pour que la phase de l'onde de battement résultante soit décalée en phase par rapport à la première onde radiofréquence d'une quantité telle que la tension anode-grille soit croissante pendant le temps de passage des électrons d'une impulsion par l'anode (A).