Brevet FR2688342A1 — publié le 19930910

TUBE ELECTROMQUE llYPERFREQUENCE La présente invention concerne les tubes électroniques hyperfréquences et plus particulièrement les tubes du type gyrotron. Les gyrotrons sont particulièrement intéressants car ils sont aptes, à la fois, à fournir des puissances extrêmement élevées et des longueurs d'onde millimétriques ou même quasi-optiques. A titre d'exemple, on peut atteindre des puissances supérieures à plusieurs centaines de KW et des fréquences supérieures à 100 MHz. Avec les progrès réalisés, la technique des gyrotrons évolue naturellement vers des fréquences plus élevées et, si possible des puissances également plus élevées. Les guides d'ondes utilisés pour la propagation de la puissance de sortie deviennent alors de plus en plus grands devant la longueur d'onde et peuvent corrélativement propager un nombre de plus en plus grand de modes. n est alors difficile d'assurer une propagation dans un mode dominant pur. En outre, le guide de sortie sert généralement de collecteur d'électrons, et le problème des modes empêche de l'optimiser pour la fonction de collecteur. C'est pour ces raisons que l'on s'arrange pour que la puissance sorte latéralement du gyrotron, sous forme d'un faisceau gaussien, tandis que le faisceau électronique, après avoir excité la puissance électromagnétique par interaction, continue sa progression suivant la direction axiale vers un espace collecteur sans champ électromagnétique. En séparant en deux fonctions, on peut alors optimiser le collecteur d'électrons. Un gyrotron a la structure générale d'un tube. A l'une des extrémités du tube, est disposé un canon à électrons nécessaire pour générer le faisceau d'électrons. A l'autre extrémité, est disposée une chambre à parois métalliques, généralement cylindrique, vers laquelle est guidé le rayonnement avant d'être émis vers l'extérieur axialement ou latéralement. Dans le dernier cas, le faisceau sort du tube par une fenêtre de céramique étanche, située dans la paroi cylindrique de cette chambre. Toutefois, le rayonnement, la propagation du faisceau et toutes ses réflexions s'accompagnent de la diffraction d'une partie de la puissance dans des directions mal contrôlées à l'intérieur de l'enceinte métallique qui est à peu près totalement réfléchissante. L'énergie électromagnétique s'accumule à l'intérieur du tube et peut y exciter des résonances aboutissant à la détérioration de certains éléments, et/ou à la déviation du faisceau électronique. On peut certes disposer des éléments absorbants dans l'enceinte métallique, mais ceux-ci sont coûteux, fragiles et sujets à un dégagement d'une quantité importante de gaz. L'invention vise à pallier les inconvénients de l'art connu. Pour ce faire, selon l'invention, on réalise une partie de la chambre cylindrique en matériau céramique de manière à laisser sortir le rayonnement indésirable, que l'on peut alors dissiper à l'extérieur sans contraintes de volume et de dégazage. L'invention a donc pour objet un tube électronique générant une onde électromagnétique hyperfréquence du type mettant en oeuvre une interaction entre une onde électromagnétique et un faisceau d'électrons émis suivant un premier axe déterminé et comprenant une enceinte sous vide munie à l'une de ses extrémités d'une chambre permettant à l'onde électromagnétique d'être émise suivant une direction, parallèle à un second axe déterminé, par une fenêtre en matériau transparent à celle-ci, caractérisé en ce que au moins une partie des parois de la chambre est réalisée en un matériau diélectrique de manière à permettre la sortie d'ondes parasites prenant naissance dans la chambre et se propageant dans des directions autres que ladite direction parallèle au second axe déterminée. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées. - La figure 1 illustre schématiquement un dispositif selon l'art connu. - La figure 2, illustre de façon plus détaillée la structure d'un tel dispositif. - Les figures 3 et 4 illustrent un premier exemple de réalisation de l'invention. - La figure 5 illustre un second exemple de réalisation de l'invention. - Les figures 6 et 7 sont des variantes supplémentaires de réalisation d'un dispositif de l'invention. On va tout d'abord rappeler brièvement le fonctionnement d'un tube électronique du type gyrotron par référence à la figure 1. Pour fixer les idées, sans que cela soit limitatif de l'invention, on se placera dans le cas d'un gyrotron pour lequel la puissance est distribuée sous forme d'un faisceau électromagnétique gaussien. ll est connu que le faisceau ou rayon gaussien est celui qui a la plus petite dispersion latérale par diffraction lors de sa propagation dans le vide, et il est caractérisé par des lignes de champ électrique essentiellement parallèles, comme pour une onde plane, mais avec une distribution de l'intensité autour de son axe suivant la loi gaussienne ci-dessous: 1(r) = 10 e -(r2 / w2) où r est la distance séparant un point du faisceau de l'axe du gyrotron w est le rayon efficace du faisceau. 10 l'intensité maximale pour r = 0 La figure 1 représente schématiquement l'extrémité de sortie d'un gyrotron. Suivant une technique connue, le faisceau ou rayon gaussien f peut être engendré à partir d'un guide d'ondes, en terminant celui-ci par un organe appelé radiateur R, qui consiste en un tronçon de tube dont l'extrémité est coupée suivant, d'une part, une hélice comportant un tour complet et, d'autre part, une portion de génératrice du cylindre qui relie les deux extrémités de l'hélice. Le rayonnement qui sort de ce radiateur est déjà approximativement gaussien, avec une loi de Gauss pour laquelle le paramètre w est différent dans deux directions perpendiculaires entre elles et à l'axe du faisceau f. Celui-ci a une section d'aspect elliptique. On transforme cette section elliptique en section circulaire grâce à un miroir focalisant Mf en choisissant l'angle d'incidence du faisceau f sur ce miroir. Entre le radiateur R et ce miroir sont disposés un miroir parabolique Mp suivi de miroirs plans M disposés en vis-à-vis. Le faisceau, réfléchi par le miroir focalisant Mf, est émis suivant une direction faisant un angle généralement compris entre 45 et 900 avec l'axe du faisceau. La figure 2 illustre de façon plus détaillée la structure complète d'un gyrotron. Celui-ci se présente sous la forme générale d'une enceinte tubulaire T représentée verticalement sur la figure 2. En sa partie inférieure, il comporte un canon à électron Ce produisant un faisceau électronique fe. Celui-ci, est injecté dans une cavité Ca et traverse le radiateur R. Le faisceau d'électrons continue de se propager dans la direction de l'axe A , axe de symétrie de l'enceinte T, pour atteindre l'autre extrémité de l'enceinte T qui débouche dans une chambre de grand diamètre à parois métalliques Ch, généralement de forme cylindrique. Celle-ci comporte, d'une part, le miroir de focalisation Mf précité et une fenêtre Ws en matériau diélectrique, perméable au faisceau d'ondes électromagnétiques. Ce faisceau est généré suivant une direction ' généralement orthogonale à l'axe A, le miroir Mf étant incliné en conséquence. On n'a pas représenté sur la figure 2 les électroaimants supraconducteurs nécessaires pour la production d'un champ magnétique d'induction, parallèle à l'axe A. Ces dispositions sont bien connues et ne nécessitent pas de développements particuliers. La cavité Ca, le guide de sortie comportant les miroirs M et Mp ainsi que le radiateur R se trouvent au centre de l'électroaimant. La chambre Ch pour sa part est située à l'extérieur de celui-ci, pour que le faisceau de sortie fg ne soit pas sous son influence. En fin, la chambre comporte un collecteur d'électrons Cg dans l'axe de propagation A du faisceau électronique fe. Le faisceau sort donc du tube T par une fenêtre Ws de céramique étanche, situé dans la paroi cylindrique de cette chambre. Toutefois, comme il a été indiqué, le rayonnement, la propagation du faisceau et toutes ses réflexions s'accompagnent de la diffraction d'une partie de la puissance dans des directions mal contrôlées à l'intérieur de l'enceinte métallique Ch dont les parois sont à peu près totalement réfléchissantes. L'énergie électromagnétique peut s'accumuler à l'intérieur du tube et peut y exciter des résonances aboutissant à la détérioration de certains éléments, et/ou à la déviation du faisceau électronique fe. L'invention va permettre de pallier ces inconvénients. Les figures 3 et 4 illustrent un premier exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 3 montre, en coupe, une chambre comparable à la chambre Ca illustrée sur la figure 2 entre les réflecteurs plans M et la région du collecteur d'électrons Cg, cette coupe étant perpendiculaire à l'axe A et située au niveau de la flèche qui indique l'onde de sortie fg sur la figure 2. Le même ensemble est illustré sur la figure 4 en élévation. Selon la caractéristique principale de l'invention, le cylindre métallique formant la chambre Ch est remplacé par un cylindre de céramique 1. Une tubulure métallique 2 est brasée à ce cylindre et comporte une fenêtre en céramique étanche Ws. Une autre tubulure métallique 3 est également brasée sur le cylindre 1 et supporte un miroir elliptique Mf. Le corps du tube métallique T et l'ensemble collecteur d'électrons Cg sont tous les deux également brasés. La figure 5 illustre un second exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel le cylindre en céramique 1 ne comporte pas d'ouvertures et de tubulures latérales brasées. Cependant celui-ci est toujours brasé au collecteur Cg d'un côté, et brasé de l'autre à un tambour métallique 4 ouvert à l'autre extrémité et comportant les deux tubulures latérales 2 et 3 ; ce tambour étant brasé au corps du tube T ou constituant avec lui une seule pièce. Cette version offre moins de surface pour la sortie des ondes parasites, mais plus de résistance mécanique en raison de la simplicité de la forme de la pièce en céramique. Dans cet exemple de réalisation, on peut considérer que le tambour métallique 4 constitue en réalité la chambre Ch illustrée sur la figure 2 et qu'une partie de la paroi métallique de cette chambre a été remplacée par un élément en matériau diélectrique, perméable aux ondes parasites. L'une des caractéristiques principales de l'invention, illustrée par les deux exemples de réalisations ci-dessus, est donc qu'au moins une partie de la paroi métallique de la chambre, distincte de la fenêtre et de dimensions substantiellement plus grandes, est remplacée par un élément en matériau perméable aux ondes parasites. On peut encore améliorer les dispositifs selon l'invention en adoptant les mesures ci-dessous. Dans l'un ou l'autre des exemples qui viennent d'être décrits, la surface intérieure, et éventuellement extérieure, de l'élément en céramique I peut être pourvue de rainures rectangulaires, triangulaires ou tronconiques de manière à diminuer les réflexions à la surface de la céramique. Ces formes ne sont données qu'à titre d'exemples non limitatifs. Une méthode usuelle permettant l'obtention de céramique est le recours au moulage. Dans ce cas, il pourra être avantageux de donner à l'élément en céramique une forme légèrement tronconique pour faciliter le démoulage. A titre d'exemple non limitatif, la figure 6 illustre une telle disposition. La pièce 1 en céramique, représentée en coupe, est munie sur sa paroi intérieure de rainures verticales 10, de forme triangulaire. Dans une variante supplémentaire de réalisation de l'invention, le cylindre en céramique 1 (figure 5) est doublé sur sa paroi interne par une couche ou chemise de matériau diélectrique dont la constante diélectrique est inférieure à celle de la céramique. La figure 7 illustre une telle disposition. Le cylindre de céramique est doublé d'une chemise 100 en matériau diélectrique. Un avantage supplémentaire apporté par l'invention est que les dimensions de la céramique ne sont pas critiques car celle-ci n'est traversée que par des ondes parasites dont la direction varie beaucoup de point à point. L'invention n'est pas limitée aux seuls dispositifs précisément décrits cidessus. En particulier, tout matériau pouvant être utilisé comme enveloppe à vide dans la région de sortie d'un gyrotron et laissant s'échapper les ondes électromagnétiques parasites, peut être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention. Bien que parfaitement adaptée aux tubes électroniques hyperfréquences du type gyrotron et plus particulièrement à faisceau électromagnétique gaussien quasi-optique, l'invention s'applique également à tout tube présentant des caractéristiques semblables. L'invention s'applique plus généralement aux domaines de la génération d'ondes hyperfréquences ou quasi-optiques à très grande puissance pour la fusion nucléaire, les accélérateurs, la spectroscopie et les radars à grandes distances. REVENDICATIONS 1. Tube électronique générant une onde électromagnétique hyperfréquence du type mettant en oeuvre une interaction entre une onde électromagnétique (f) et un faisceau d'électron (fi), émis suivant un premier axe déterminé (A), et comprenant une enceinte sous vide (T) munie à l'une de ses extrémités d'une chambre (Ch) permettant à l'onde électromagnétique (fo) d'être émise suivant une direction, parallèle à un second axe déterminée (A'), par une fenêtre (Ws) en matériau perméable à celle-ci, caractérisé en ce qu'une partie (1) distincte de la fenêtre (Ws) et de plus grande extension est réalisée en un matériau diélectrique de manière à permettre la sortie d'ondes parasite prenant naissance dans la chambre et se propageant dans des directions autres que ladite direction parallèle au second axe déterminée (A'). 2. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en un gyrotron. 3. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel la chambre est un élément tubulaire (1) ouvert par une de ses extrémités sur l'enceinte (T) et fermée sur l'autre de ses extrémités par un collecteur d'électrons (Co) recevant le faisceau électronique (Fe) ; la chambre comportant en outre un miroir (Mf) déviant le faisceau électromagnétique vers ladite fenêtre (wu), caractérisé en ce que le miroir (Mf) et la fenêtre (Ws) sont supportés par des éléments métalliques (2,3) insérés dans la paroi de l'élément tubulaire (1) et en ce que cet élément tubulaire est entièrement réalisé en matériau diélectrique. 4. Tube électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments métallique (2,3) sont insérés dans l'élément tubulaire (1) par brasage et en ce que celui-ci est fixé au collecteur d'électron (Cg) et à l'enceinte (1) par brasage. 5. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel la chambre comprend un élément tubulaire métallique (4) ouvert par une de ses extrémités sur l'enceinte (T) et comportant ladite fenêtre (W, et un collecteur d'électrons (Co) recevant le faisceau électronique (fe) ; caractérisé en ce que la chambre comprend en outre un élément tubulaire supplémentaire (1) en matériau diélectrique inséré entre l'élément tubulaire métallique (4) et le collecteur d'électron (cl). 6. Tube électronique selon la revendication 5; caractérisé en ce que l'élément tubulaire supplémentaire (1) est réalisé par brasage. 7. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la paroi interne de l'élément tubulaire (1) est recouverte d'une couche (100) de matériau diélectrique, de constante diélectrique inférieure à celle du matériau diélectrique composant ledit élément tubulaire (1). 8. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que l'une au moins des surfaces des parois intérieure ou extérieure de l'élément tubulaire (1) est munie de rainures (10). 9. Tube électronique selon la revendication 8 ; caractérisé en ce que lesdites rainures (10) ont une structure choisie parmi les suivantes : rectangulaire, triangulaire ou tronconique. 10. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9; caractérisé en ce que l'élément tubulaire (1) a une structure de forme tronconique. 11. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ; caractérisé en ce que le matériau diélectrique est de la céramique.