Brevet FR2691012A1 — publié le 19931112

La présente invention concerne un canon à électrons perfectionné et plus particulièrement, une configuration de canon perfectionné présentant des gradients électrostatiques réduits, ce qui permet une tension de fonctionnement plus élevée sans claquage. Il est bien connu de l'art d'utiliser un dispositif à faisceau linéaire dans un tube à onde progressive (TWT), dans un klystron (tube à modulation de vitesse à double grille) ou dans tout autre dispositif à particules chargées Dans un dispositif à faisceau linéaire, un faisceau d'électrons qui prend son origine au niveau d'un canon à électrons est amené à se propager au travers d'un tunnel ou klystron à glissement (tube à transit) contenant de façon générale une structure d'interaction haute fréquence (RF) A la fin de sa propagation, le faisceau d'électrons est déposé dans un collecteur ou amortisseur de faisceau qui capture de fait le faisceau d'électrons épuisé Le faisceau doit être focalisé par des champs magnétiques ou électrostatiques dans la structure d'interaction du dispositif afin qu'il soit efficacement transporté depuis le canon à électrons jusqu'au collecteur sans perte vis-à-vis de la structure d'interaction. En particulier, un TWT est un tube micro-ondes large bande qui dépend quant à ses caractéristiques de l'interaction entre le champ électrique d'une onde propagée le long d'un guide d'ondes et le faisceau d'électrons qui se propage dans l'onde Dans ce tube, les électrons situés dans le faisceau se propagent à des vitesses légèrement supérieures à celle de l'onde et en moyenne, ils sont ralentis par le champ de l'onde Ainsi, la perte d'énergie cinétique des électrons apparaît en tant qu'augmentation d'énergie convoyée par le champ sur l'onde Le TWT peut par conséquent être utilisé en tant qu'amplificateur ou en tant qu'oscillateur. Le canon à électrons qui forme le faisceau d'électrons comprend typiquement une cathode et une anode La cathode inclut un dispositif de chauffage interne pour augmenter la température de la surface de cathode jusqu'à un niveau qui suffit pour la production d'une émission thermionique Lorsque le potentiel de l'anode est positif par rapport à la cathode, les électrons sont tirés depuis la surface de cathode et sont déplacés en direction de l'anode Dans un flux limité par la charge d'espace, un courant de faisceau est déterminé par l'intensité du champ électrostatique au niveau de la surface de la cathode Les géométries de la cathode, de l'anode et d'une électrode de focalisation produisent une conformation de champ électrostatique qui définit la configuration du flux. Le flux électronique traverse une ouverture ménagée dans l'anode et arrive à l'intérieur du TWT Un canon à électrons de ce type est connu en tant que canon de Pierce. On a longtemps souhaité augmenter la puissance de faisceau du canon de Pierce typique puisqu'un faisceau davantage puissant pourrait conduire à ce que davantage de puissance soit transférée à l'onde La tension de fonctionnement du canon est en gros proportionnelle à la puissance de sortie du faisceau et une augmentation de la tension de fonctionnement a été suggérée en tant que procédé d'augmentation de la puissance du faisceau. Cependant, si la tension de fonctionnement est augmentée au- delà d'un seuil déterminé par le gradient de champ négatif de pic, le champ devient susceptible de créer un claquage Une condition de claquage est catastrophique pour le canon et pour le TWT Pendant un claquage, des ponts d'arc haute tension se produisent entre l'anode et la cathode ou l'électrode de focalisation, ce qui provoque par ailleurs une génération de plasma qui peut griller et détruire le canon et le TWT Pareillement, un canon de Pierce fonctionnant à 600 k V est censé présenter un gradient négatif de pic au niveau de l'électrode de focalisation d'approximativement 200 k V/cm Bien que cette conception puisse suffire pour un fonctionnement à impulsions courtes dans la plage de l'ordre d'une microseconde, une formation d'arc se produit de façon probable si la longueur d'impulsion est étendue jusqu'à 5 gs et au-delà. Un procédé d'augmentation de la tension de fonctionnement d'un canon de Pierce propose le partitionnement de l'espace inter-électrode avec des électrodes d'échelonnement Ce procédé a été décrit dans R True, "Design of Electron Sources and Beam Transport Systems for Very High Power Microwave Tubes", Proceedings of the Fifth National Conference on High Power Microwave Technology, United States Military Academy, West Point, New York, pages 178 à 181, Juin 1990 Dans ce document, il est décrit que moyennant l'utilisation d'électrodes d'échelonnement le long de lignes équipotentielles, la tension maximum avant claquage augmente de façon significative Le calcul de la tension de claquage maximum dans un canon de Pierce est décrit dans A Staprans, "Electron Gun Breakdown", High Voltage Workshop, Monterey, Californie, Février 1985, lequel document propose l'équation V = k LO'8 o L est égal à un espacement inter-électrode minimum. Le facteur k dépend de la longueur d'impulsion et il est approximativement égal à 9 x 106, 6 x 106, 4 x 106 et 3 x 106 pour respectivement des impulsions de 1, 5, ps et pour un fonctionnement en courant continu. Pour un espace inter-électrode comportant N régions, la tension de claquage pour chaque région serait définie par l'équation: V'/n = k (lLl/lnl) 0,8 Par conséquent, V' serait égal à Vn O '2 Pour résumer, la tension de claquage totale moyennant l'espacement inter-électrode partitionné en N régions est supérieure à la tension de claquage originale d'un canon non partitionné. Dans un canon qui utilise trois électrodes d'échelonnement (n = 4), la tension maximum avant claquage augmenterait d'un facteur 1,32 Dans des klystrons à puissance élevée, la puissance de sortie de pic est en gros proportionnelle à PV 2 '5 o P est égal à la pervéance Pour l'exemple à trois électrodes d'échelonnement, la puissance maximum susceptible d'être obtenue peut valoir le double Bien que cette analyse néglige certains facteurs qui peuvent affecter la limite de claquage haute tension et la tension réelle ainsi que le fait que l'augmentation de puissance puisse être inférieure au double, elle est néanmoins toujours très significative. Néanmoins, les applications de puissance continuent à demander des canons à électrons susceptibles de produire des quantités augmentées de puissance Ainsi, il serait souhaitable de proposer un canon de Pierce susceptible de produire une puissance de faisceau augmentée par rapport à un canon classique en utilisant des électrodes d'échelonnement. Par conséquent, un objet principal de la présente invention consiste à proposer un canon de Pierce susceptible de produire une puissance de faisceau augmentée par rapport à celle produite par un canon de Pierce classique, en utilisant des électrodes d'échelonnement. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, on propose un canon à électrons de Pierce comportant une cathode, une électrode de focalisation entourant la35 cathode, une anode disposée à une distance fixe par rapport à la cathode et comportant une ouverture la traversant Au moins une électrode d'échelonnement est disposée entre l'électrode de focalisation et l'anode. L'électrode d'échelonnement est conformée de façon à commander la position des lignes équipotentielles d'un champ électrique produit dans l'espace inter-électrode entre la cathode et l'anode de manière à réduire à propos des niveaux du gradient de champ formé par le champ électrique. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, on propose un canon à électrons de l O Piercecomprenant une cathode, une électrode de focalisation adjacente à la cathode et une anode disposée à une distance fixe par rapport à ladite cathode; au moins une électrode d'échelonnement disposée entre ladite électrode de focalisation et ladite anode; et un moyen pour réduire des gradients de champ de surface formés par une différence de potentiel électrique produite entre ladite cathode et ladite anode. Dans un autre mode de réalisation particulier de la présente invention, on propose un canon à électrons de 2 O Pierce comportant une cathode, une électrode de focalisation entourant la cathode et une anode disposée à une distance fixe par rapport à ladite cathode et comportant une ouverture la traversant, le canon à électrons comprenant en outre: au moins une électrode d'échelonnement disposée entre ladite électrode de focalisation et ladite anode, l'électrode d'échelonnement commandant une position de lignes équipotentielles d'une différence de potentiel électrique produite entre ladite cathode et ladite anode afin de réduire des niveaux de gradient de champ de surface formés par ladite différence de potentiel électrique, ladite électrode d'échelonnement comportant une courbure radiale double incluant une courbe radiale externe d'un premier rayon et une courbe radiale interne d'un second rayon. Dans un autre mode de réalisation particulier de la présente invention, trois électrodes d'échelonnement sont utilisées Chaque électrode d'échelonnement comporte une courbure radiale double comprenant une courbe radiale externe d'un premier rayon et une courbe radiale interne d'un second rayon Les électrodes d'échelonnement comportent en outre des extrémités arrondies. Une compréhension davantage complète du canon de Pierce comportant des électrodes d'échelonnement selon la présente invention est proposée à l'homme de l'art de même qu'une réalisation d'avantages supplémentaires et d'objets s'y rapportant au moyen de la considération de la description détaillée qui suit du mode de réalisation particulier Référence est faite aux dessins annexés qui sont ci-après brièvement décrits. La figure 1 est une vue de côté en coupe d'un canon de Pierce comportant des électrodes d'échelonnement de la présente invention; et la figure 2 est une vue de côté d'un canon de Pierce comportant des électrodes d'échelonnement montrant les lignes équipotentielles et le flux laminaire des électrons. Reportons-nous maintenant aux dessins et parmi ceux-ci, la figure 1 représente un canon à électrons 10 comportant une anode 12 et un assemblage de logement de cathode 16 L'assemblage de logement de cathode 16 est fixé à un montage de support de canon 14 et il est constitué par une cathode comportant une surface émettrice d'électrons concave et sans arête vive 18 La surface émettrice est chauffée au moyen d'une bobine de chauffage encapsulée 20 Une électrode de focalisation 22 entoure la circonférence externe de l'assemblage de cathode 16 et est physiquement isolée de l'assemblage de cathode de telle sorte qu'elle reste plus froide que la cathode Des protections vis-à-vis de la chaleur 17 et 19 sont prévues pour empêcher la conduction de la chaleur depuis la surface émettrice 18 jusqu'à l'électrode de focalisation 22. L'anode 12 comporte une ouverture annulaire 24 disposée axialement par rapport à la surface émettrice 18 de l'assemblage de cathode 16 Il doit être compris que l'anode 12 et que l'assemblage de cathode 16 sont disposés de façon symétrique par rapport à un axe central traversant le centre de l'anode et de la cathode. Comme il est connu de l'art, des électrons émis depuis la surface concave sans arête vive 18 de l'assemblage de cathode 16 sont accélérés en direction de l'ouverture annulaire 24 ménagée dans l'anode 12. Ces électrons émis se combinent selon un faisceau représenté de façon générale en 26 sur la figure 2 Le faisceau peut être modulé en rendant alternative la tension entre l'anode 12 et la surface émettrice 18. L'électrode de focalisation 22 a pour rôle de conformer le champ électrique dans l'espace inter-électrode entre l'assemblage de cathode 16 et l'anode 12 Dans l'espace inter-électrode représenté sur la figure 2, des lignes équipotentielles 28 sont dessinées, lesquelles indiquent des surfaces imaginaires présentant un potentiel électrique constant. Dans la présente invention, une pluralité d'électrodes d'échelonnement 30 sont prévues dans l'espace inter-électrode entre l'anode 12 et l'assemblage de cathode 16 Les électrodes d'échelonnement 30 sont positionnées de manière à minimiser le gradient de champ électrique dans l'espace inter-électrode et ainsi, elles commandent la position des lignes équipotentielles La conformation précise peut être déterminée au moyen d'une simulation par calculateur Comme il ressort de la figure 2, les électrodes d'échelonnement 30 ne suivent pas nécessairement les lignes équipotentielles mais en lieu et place, elles forment des surfaces qui de façon générale intersectent les lignes et elles présentent une courbure radiale double Les extrémités 36 des électrodes d'échelonnement 30 sont de façon générale arrondies. Les électrodes d'échelonnement 30 comportent chacune une première courbe externe 32 qui constitue une transition par rapport à une courbe interne 34 Le rayon de courbure de chaque électrode d'échelonnement à la fois au niveau de la courbe externe 32 et de la courbe interne 34 est déterminé en décalant des centres de courbure respectivement adjacents à l'électrode de focalisation 22 et à l'anode La courbe externe 32 de chacune des électrodes d'échelonnement 30 est formée selon un rayon présentant différents centres de courbure A, B et C décalés radialement L'électrode d'échelonnement la plus interne 30, correspond à un centre de courbure radial A qui est sensiblement centré dans l'électrode de focalisation 22 La courbe externe 322 de la seconde électrode d'échelonnement 302 comporte un centre de courbure radial B qui est également situé dans l'électrode de focalisation 22 mais plus proche du bord externe de l'électrode de focalisation L'électrode d'échelonnement la plus externe 303 comporte une courbe externe 323 déterminée par le centre de courbure radial C qui se situe au-delà de l'électrode de focalisation 22 dans l'espace inter- électrode. De façon similaire, la courbe interne 341 de l'électrode d'échelonnement la plus interne 301 est déterminée à partir d'un centre de courbure radial A' qui se situe sur une ligne équipotentielle 28 sensiblement centrée dans l'espace inter-électrode La seconde électrode d'échelonnement 302 comporte une courbe interne 342 déterminée par un centre de courbure radial B' qui se situe également sur une ligne équipotentielle 28 mais plus proche de l'anode 12 dans l'espace inter- électrode Pour finir, l'électrode d'échelonnement la plus externe 303 comporte une courbe interne 343 formée à partir d'un centre de courbure radial C' qui est sensiblement centré dans l'anode 12. Il est peut être prévu que les électrodes d'échelonnement soient formées à partir de cylindres en un matériau métallique non magnétique Les courbures radiales doubles peuvent être facilement formées au moyen de techniques de fabrication connues telles qu'un repoussage ou galetage Ce type de structure serait de façon inhérente mécaniquement raide et rugueux Dans un mode de réalisation particulier, les électrodes peuvent être formées à partir de cylindres concentriques en acier inoxydable et en cuivre Les cylindres sont formés d'un seul tenant en utilisant des techniques de soudage connues La partie en acier inoxydable serait dirigée vers l'extérieur en direction de l'anode 12 tandis que le cuivre serait dirigé vers l'intérieur Un acier allié oxydé est un matériau qui a la préférence pour les électrodes d'échelonnement puisqu'il présente une bonne capacité à supporter une tension élevée Le cuivre présente des caractéristiques thermiques bonnes quant à l'évacuation de la chaleur en provenance des électrodes d'échelonnement Selon une variante, de l'uranium appauvri ou du molybdène pourrait également être utilisé en lieu et place de l'acier inoxydable. Une modélisation par calculateur a démontré que l'utilisation de trois électrodes d'échelonnement 30 comportant la double courbure radiale réduirait le gradient négatif maximum jusqu'à approximativement 170 k V/cm soit une réduction de 15 % dans le gradient négatif de pic Ceci nous amène à une augmentation de puissance susceptible potentiellement d'être obtenue qui présente un facteur de trois par rapport au cas du canon à électrons de Pierce sans électrode d'échelonnement Pour une tension de fonctionnement de35 600 k V, la présente invention serait capable de fonctionner de façon fiable à des niveaux de longueurs d'impulsions de 5 gs et au-delà. Bien qu'ait été décrit ici un mode de réalisation particulier d'un canon de Pierce comportant des électrodes d'échelonnement, il apparaîtra à l'homme de l'art que les objets et avantages mis en exergue ci- avant quant à ce système ont été atteints L'homme de l'art appréciera également que diverses modifications, adaptations et autres modes de réalisation de l'invention puissent être mis en oeuvre dans le cadre et dans l'esprit de la présente invention Par exemple, bien qu'un canon de Pierce comportant trois électrodes d'échelonnement ait été décrit, il est bien évident que d'autres nombres d'électrodes d'échelonnement peuvent être avantageusement utilisés. il REVENDICATIONS 1 Canon à électrons ( 10) comportant une cathode ( 16), une électrode de focalisation ( 22) adjacente à la cathode ( 16) et une anode ( 12) disposée à une distance fixe par rapport à ladite cathode ( 16), le canon à électrons étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre: au moins une électrode d'échelonnement ( 301, 302 ' 303) disposée entre ladite électrode de focalisation ( 22) et ladite anode ( 12), l'électrode d'échelonnement ( 301, 302, 303) commandant une position des lignes équipotentielles d'une différence de potentiel électrique produite entre ladite cathode ( 16) et ladite anode ( 12) afin de réduire des niveaux de gradient de champ de surface formés par ladite différence de potentiel électrique. 2 Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a trois électrodes d'échelonnement ( 301, 3 2 ' 303). 3 Canon à électrons selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'échelonnement ( 301, 3 2, 303) comportent une courbure radiale double. 4 Canon à électrons selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune desdites électrodes d'échelonnement présente une courbe radiale externe ( 32) d'un premier rayon et une courbe radiale interne ( 34) d'un second rayon. Canon à électrons selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite courbe radiale externe ( 32) d'une première électrode d'échelonnement ( 301) comporte un centre de courbure radial (A) sensiblement centré dans ladite électrode de focalisation ( 22). 6 Canon à électrons selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite courbe radiale externe ( 32) d'une seconde électrode d'échelonnement ( 302) comporte un centre de courbure radial (B) dans ladite électrode de focalisation ( 22) adjacent audit centre de courbure radial (A) de ladite courbe radiale externe ( 32) de ladite première électrode d'échelonnement ( 301). 7 Canon à électrons selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit centre de courbure radial (B) de ladite courbe radiale externe ( 32) de ladite seconde électrode d'échelonnement ( 302) est au niveau d'un bord externe de ladite électrode de focalisation ( 22). 8 Canon à électrons selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite courbe radiale externe ( 32) d'une troisième électrode d'échelonnement ( 303) comporte un centre de courbure radial (C) adjacent audit centre de courbure radial (B) de ladite courbe radiale externe ( 32) de ladite seconde électrode d'échelonnement ( 302)> 9 Canon à électrons selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit centre de courbure radial (C) de ladite courbe radiale externe ( 32) de ladite troisième électrode d'échelonnement ( 303) est externe à ladite électrode de focalisation ( 22). Canon à électrons selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite courbe interne ( 34) de ladite première électrode d'échelonnement ( 301) comporte un centre de courbure radial (A') sensiblement centré entre ladite anode ( 12 > et ladite cathode ( 16) et situé sur l'une desdites lignes équipotentielles. 11 Canon à électrons selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite courbe radiale interne ( 34) de ladite seconde électrode d'échelonnement ( 302) comporte un centre de courbure radial (B') entre ladite anode ( 12) et ladite cathode ( 16) et situé sur une autre desdites lignes équipotentielles entre ledit centre de courbure radial (A') de ladite première courbe radiale interne et ladite anode ( 12). 12 Canon à électrons selon la revendication il, caractérisé en ce que ladite courbe radiale interne ( 34) de ladite troisième électrode d'échelonnement ( 303) comporte un centre de courbure radial (C') sensiblement centré dans ladite anode ( 12). 13 Canon à électrons selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'échelonnement ( 301, 302 ' 303) sont formées par des cylindres non magnétiques métalliques. 14 Canon à électrons selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'échelonnement ( 301, 302 ' 303) sont en outre formées à partir de cylindres concentriques en acier inoxydable et en cuivre. 15 Canon à électrons selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'échelonnement ( 301, 302, 303) ont des extrémités sensiblement arrondies. 16 Canon à électrons de Pierce caractérisé en ce qu'il comprend: une cathode ( 16), une électrode de focalisation ( 22) adjacente à la cathode ( 16) et une anode ( 12) disposée à une distance fixe par rapport à ladite cathode ( 16); au moins une électrode d'échelonnement ( 301, 302, 303) disposée entre ladite électrode de focalisation ( 22) et ladite anode ( 12); et un moyen pour réduire des gradients de champ de surface formés par une différence de potentiel électrique produite entre ladite cathode ( 16) et ladite anode ( 12). 17 Canon à électrons selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit moyen de réduction comprend en outre une courbure radiale double formée dans lesdites électrodes d'échelonnement ( 301, 302, 303)- 18 Canon à électrons selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il y a trois électrodes d'échelonnement ( 301, 302, 303). 19 Canon à électrons selon la revendication 18, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'échelonnement ( 301, 302, 303) comportent une courbe radiale externe ( 32) d'un premier rayon et une courbe radiale interne ( 34) d'un second rayon. Canon à électrons selon la revendication 19, caractérisé en ce que ladite courbe radiale externe ( 32) d'une première électrode d'échelonnement ( 301) comporte un centre de courbure radial (A) sensiblement centré dans ladite électrode de focalisation ( 22). 21 Canon à électrons selon la revendication 20, caractérisé en ce que ladite courbe radiale externe ( 32) d'une seconde électrode d'échelonnement ( 302) comporte un centre de courbure (B) radial dans ladite électrode de focalisation ( 22) adjacent audit centre de courbure radial (A) de ladite courbe radiale externe ( 32) de ladite première électrode d'échelonnement ( 301) - 22 Canon à électrons selon la revendication 21, caractérisé en ce que ladite courbe radiale externe ( 32) d'une troisième électrode d'échelonnement ( 303) comporte un centre de courbure radial (C) adjacent audit centre de courbure radial (B) de ladite courbe radiale externe ( 32) de ladite seconde électrode d'échelonnement ( 3 2) 23 Canon à électrons selon la revendication 19, caractérisé en ce que ladite courbe interne ( 34) de ladite première électrode d'échelonnement ( 301) comporte un centre de courbure radial (A') sensiblement centré entre ladite anode ( 12) et ladite cathode ( 16) et situé sur l'une desdites lignes équipotentielles. 24 Canon à électrons selon la revendication 23, caractérisé en ce que ladite courbe radiale interne ( 34) de ladite seconde électrode d'échelonnement ( 302) comporte un centre de courbure radial (B') entre ladite anode ( 12) et ladite cathode ( 16) et situé sur une autre desdites lignes équipotentielles entre ledit centre de courbure radial (A') de ladite première courbe radiale interne ( 301) et ladite anode ( 12). Canon à électrons selon la revendication 24, caractérisé en ce que ladite courbe radiale interne ( 34) de ladite troisième électrode d'échelonnement ( 303) comporte un centre de courbure radial (CI) sensiblement centré dans ladite anode ( 12). 26 Canon à électrons de Pierce comportant une cathode ( 16), une électrode de focalisation ( 22) entourant la cathode ( 16) et une anode ( 12) disposée à une distance fixe par rapport à ladite cathode ( 16) et comportant une ouverture la traversant, le canon à électrons étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre: au moins une électrode d'échelonnement ( 301, 302, 303) disposée entre ladite électrode de focalisation ( 22) et ladite anode ( 12), l'électrode d'échelonnement ( 301, 302, 303) commandant une position de lignes équipotentielles d'une différence de potentiel électrique produite entre ladite cathode ( 16) et ladite anode ( 12) afin de réduire des niveaux de gradient de champ de surface formés par ladite différence de potentiel électrique, ladite électrode d'échelonnement ( 301, 302 303) comportant une courbure radiale double incluant une courbe radiale externe ( 32) d'un premier rayon et une courbe radiale interne ( 34) d'un second rayon. 27 Canon à électrons selon la revendication 26, caractérisé en ce qu'il y a trois électrodes d'échelonnement ( 301, 302 303). 28 Canon à électrons selon la revendication 27, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'échelonnement ( 301 ' 302, 303) comportent des extrémités sensiblement arrondies. 29 Canon à électrons selon la revendication 28, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'échelonnement ( 301, 302 ' 303) sont formées à partir de cylindres non magnétiques métalliques.