Brevet FR2705829A1 — publié le 19941202

La présente invention concerne des tubes électro- niques, et elle concerne plus précisément ceux dans lesquels une cavité d'un résonateur d'entrée, à laquelle est appliquée de l'énergie à hautes fréquences, entoure un canon à électrons. La présente invention s'applique en particulier aux dispositifs inductifs à tétrode de sortie (appelés parfois dispositifs "IOT"), par exemple ceux qui sont appelés dans le commerce sous le nom "Klystrode" (marque de fabrique de Varian Associates Inc.). Un dispositif inductif à tétrode de sortie comporte un canon à électrons disposé afin qu'il crée un faisceau rectiligne d'électrons et une cavité résonante d'entrée à laquelle un signal à hautes fréquences destiné à être amplifié est appliqué afin qu'il provoque une modulation du faisceau au niveau d'une grille du canon à électrons. L'interaction résultante entre l'énergie à hautes fré- quences et le faisceau électronique provoque une amplifi- cation du signal à hautes fréquences qui est alors extrait de la cavité résonante de sortie. Lors du fonctionnement du tube, les électrodes du canon à électrons doivent travailler à des tensions relati- vement élevées, de l'ordre de quelques dizaines de kilo- volts. Des problèmes peuvent se poser à cause des effets du chauffage et des contraintes thermiques apparaissant pendant le cycle de fonctionnement du tube. La présente invention a été réalisée dans le cadre du perfectionnement des dispositifs inductifs à tétrode de sortie, mais elle peut s'appliquer à d'autres types de dispositifs ayant des faisceaux et comprenant des cavités résonantes d'entrée. Selon l'invention, un tube électronique comprend un canon à électrons destiné à produire un faisceau d'élec- trons, une cavité résonante annulaire entourant le canon de manière pratiquement coaxiale, un dispositif d'application d'énergie à hautes fréquences à la cavité, et un dispositif destiné à transmettre un fluide de refroidissement à l'intérieur de la cavité. Le fluide de refroidissement peut être un liquide ou un gaz et il est avantageusement formé d'air dans la plupart des applications. L'invention peut s'appliquer avantageusement aux tubes inductifs à tétrode de sortie, mais elle peut aussi être utilisée pour d'autres tubes électroniques dans lesquels des cavités résonantes entourent un canon à électrons. Lors du fonctionnement d'un dispositif inductif à tétrode de sortie, par exemple, des contraintes thermiques importantes peuvent apparaître à cause de la dilatation différentielle car les températures dans le tube augmentent lorsque le fonctionnement commence et diminuent lorsque le tube est mis hors de fonctionnement. Ces effets peuvent être suffisants pour provoquer une fissuration au niveau des joints des différents composants de l'ensemble et peuvent provoquer des distorsions conduisant à un défaut d'alignement. Celui-ci peut provoquer une perte de l'inté- grité au vide aux endroits des joints hermétiques, et peut aussi affecter les connexions électriques. Lors de la mise en oeuvre de l'invention, les températures à l'intérieur du tube peuvent être réduites et leur uniformité peut être accrue, si bien que les effets perturbateurs des contraintes thermiques sont réduits. Le fluide de refroidissement peut être mis en circulation dans la cavité de manière laminaire ou turbu- lente ou peut présenter les deux caractéristiques dans des parties différentes de la cavité suivant la configuration géométrique et la manière dont elle est liée aux parties qui sont à des températures relativement élevées. Le type d'écoulement est choisi afin qu'il assure un contact thermique maximal entre le fluide de refroidissement et les surfaces de la cavité, et que la probabilité de création de points chauds localisés soit réduite. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un dispositif à paroi est incorporé afin qu'il délimite au moins partiellement une enveloppe sous vide autour du canon à électrons, et le fluide de refroidissement est destiné à circuler à la surface externe du dispositif à paroi. Ce dispositif à paroi peut être placé radialement vers l'inté-5 rieur de la cavité et peut ne pas délimiter la longueur de celle-ci. Dans une telle disposition, le fluide de refroi- dissement circule ainsi à la fois sur une partie de l'enve- loppe sous vide et dans la cavité. De préférence, le dispositif à paroi est pratiquement cylindrique et il est10 placé coaxialement autour du canon à électrons. Le dispo- sitif à paroi peut comporter, au moins en partie, un matériau céramique, car de tels matériaux sont disponibles et sont pratiquement transparents à l'énergie à hautes fréquences et ils peuvent être usinés et facilement raccor- dés à d'autres éléments pour la formation d'un bon joint hermétique. Dans un mode de réalisation de l'invention, un organe diélectrique pratiquement cylindrique est disposé au moins partiellement dans la cavité et s'étend entre les surfaces opposées de la cavité, l'organe diélectrique ayant des ouvertures qui le traversent et par lesquelles le fluide de refroidissement peut s'écouler. Un tel organe diélectrique peut être utilisé à l'endroit o les parties de la cavité doivent être supportées mécaniquement afin qu'elles gardent des positions relatives convenables. L'organe diélectrique peut être élastiquement déformable, par exemple sous forme de caoutchouc de silicone, permet- tant un déplacement le cas échéant, par exemple pour la compensation d'une certaine dilatation thermique, tout en assurant un bon support mécanique. Dans un autre ensemble, l'organe diélectrique peut être relativement rigide. Il peut par exemple être formé d'une matière à base d'une résine. Les ouvertures peuvent être des trous cylindriques traversant l'organe diélectrique entre ses surfaces interne et externe, la configuration, le nombre d'ouvertures et leurs emplacements dépendant des fonctions que doivent remplir l'organe diélectrique et du trajet que doit parcourir le courant de fluide. Une configuration géomé- trique en réseau ou grille peut être utilisée afin qu'elle donne une section ouverte relativement grande par laquelle le fluide de refroidissement peut être transmis. Dans un mode de réalisation de l'invention, un canal d'entrée destiné à transmettre le fluide de refroidissement à l'intérieur de la cavité est disposé à la paroi circonfé- rentielle externe et est pratiquement adjacent à une paroi transversale d'extrémité de la cavité. Un orifice de sortie peut être placé de manière analogue et il est avantageu- sement diamétralement opposé à l'orifice d'entrée. Cette configuration a tendance à provoquer un déplacement du fluide de refroidissement dans la cavité en direction pratiquement transversale. Dans un autre mode de réalisa- tion, le fluide de refroidissement est destiné à sortir du tube pratiquement dans la direction longitudinale, par une ou plusieurs ouvertures formées dans un organe transversal à l'axe longitudinal du tube. Dans un mode de réalisation avantageux de l'inven- tion, un dispositif est incorporé afin qu'il dirige le fluide de refroidissement sur les surfaces externes de la cavité. En conséquence, le refroidissement de l'intérieur et de l'extérieur de la cavité peut être réalisé. Les surfaces externes qui doivent être refroidies peuvent être des régions radialement internes de la cavité annulaire car celles- ci ont normalement tendance à former les parties externes les plus chaudes de la cavité lors du fonction- nement du tube. Dans un mode de réalisation préféré, le fluide de refroidissement est dirigé vers les surfaces externes, en direction pratiquement longitudinale. Le tube peut comprendre plusieurs ouvertures formées dans un ou plusieurs de ses éléments si bien que le fluide de refroidissement dirigé sur les surfaces externes de la cavité est aussi transmis à l'intérieur de la cavité. Par exemple, des ouvertures formées dans l'organe diélectrique précité peuvent former un passage vers l'intérieur de la cavité pour le fluide de refroidissement après qu'il a circulé sur les surfaces externes. Suivant les effets de refroidissement qui sont nécessaires dans un ensemble particulier, le fluide de refroidissement peut être direc- tement transmis à l'intérieur de la cavité, sans circula-5 tion sur les surfaces externes, ou il peut n'être transmis à la cavité qu'après refroidissement des surfaces externes, ou les deux trajets de circulation du fluide de refroidis- sement peuvent être utilisés simultanément ou à des moments différents. Dans un mode de réalisation préféré, la cavité possède deux parois transversales et elle est connectée électriquement à une partie du canon à électrons par l'intermédiaire de plusieurs doigts élastiques placés autour de la circonférence interne de l'une des parois15 transversales ou des deux. Le fluide peut être dirigé par des espaces délimités par les doigts élastiques vers l'intérieur de la cavité ou vers l'extérieur des parois de délimitation du vide. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'un dispo- sitif inductif à tétrode de sortie selon l'invention; et la figure 2 représente schématiquement un autre dispositif inductif à tétrode de sortie selon l'invention. On se réfère à la figure 1; un dispositif inductif à tétrode de sortie comporte un canon 1 à électrons qui comprend une cathode 2 et une grille 3, destinées à former un faisceau d'électrons dirigé suivant l'axe longitudinal X-X de l'ensemble. Le dispositif inductif à tétrode de sortie comporte des tubes 4 et 5 de dérive par l'intermé- diaire desquels le faisceau d'électrons circule avant d'être collecté par un collecteur (non représenté). Une cavité résonante cylindrique annulaire 6 d'entrée est disposée coaxialement autour du canon 1 à électrons et comporte un raccord d'entrée 7 placé dans une plaque annulaire d'accord au niveau de laquelle est appliqué un signal à hautes fréquences qui doit être amplifié. Une cavité 8 de sortie entoure les tubes 4 et 5 de dérive et comporte une boucle 9 de couplage par laquelle un signal5 amplifié à hautes fréquences est extrait et est couplé à une cavité secondaire de sortie 10 et à partir du tube par l'intermédiaire d'un organe 11 de couplage de sortie. Pendant le fonctionnement du dispositif, la cathode 2 et la grille 3 sont maintenues à des potentiels de l'ordre de 30 kV, la grille 3 étant maintenue à une tension continue de polarisation inférieure d'environ 100 V au potentiel cathodique. Le signal à la haute fréquence d'entrée, appliquée en 7, donne une tension à hautes fréquences de quelques centaines de volts, produite entre15 la cathode 2 et la grille 3. La cavité d'entrée 6 est délimitée par une partie interne de corps comprenant des plaques transversales annulaires 12 et 13 et une autre partie de corps 14 compre- nant deux canaux annulaires dans lesquels sont disposées les plaques transversales 12 et 13. Un organe diélectrique pratiquement cylindrique 15 est placé entre les plaques transversales 12 et 13 et est formé d'un matériau élasti- quement déformable, un caoutchouc de silicone dans ce cas. La partie externe 14 de corps est maintenue pratiquement au potentiel de la masse et facilite ainsi une manipulation du dispositif d'une manière sûre, alors que la partie interne de corps est maintenue à des tensions bien supérieures. L'organe diélectrique 15 est disposé entre les deux parois transversales 12 et 13 d'extrémité de la cavité 6 et assure leur support mécanique en les maintenant en position d'alignement convenable. Un matériau isolant de l'électri- cité 16 est aussi placé entre les parties interne et externe de corps de la cavité 6 à l'endroit o elles s'emboîtent pour former une structure d'arrêt des hautes fréquences. Le matériau 16 est aussi un caoutchouc de silicone et se raccorde à l'organe 15. L'organe 15 comporte dix ouvertures 17 qui le traversent, deux d'entre elles étant représentées. Les ouvertures 17 sont disposées dans la direction transversale et régulièrement espacées autour de la circonférence de l'organe cylindrique 15. Une fenêtre céramique cylindrique sous vide 18 est disposée coaxialement autour du canon à électrons 1 et est placée radialement vers l'intérieur de la cavité 6 qui l'entoure. Elle délimite une région 19 qui est sous vide ou pratiquement sous vide. La cavité est connectée électriquement à une struc- ture 20 qui supporte la cathode 2 et se trouve au potentiel cathodique. La connexion est formée par plusieurs doigts élastiques 21 placés entre une première plaque 12 de la cavité 6, disposée autour de la circonférence interne, et le tube 20. L'autre plaque transversale 13 de la partie interne de la cavité 6 est connectée électriquement par des doigts élastiques 22 à un ensemble 23 de support de grille. La cavité 6 a un orifice 24 d'entrée et un orifice de sortie qui sont placés pratiquement près de l'une des parois transversales délimitant la cavité et qui sont disposés dans la paroi circonférentielle externe 26 de la cavité 6. Au cours du fonctionnement du tube, un fluide de refroidissement, qui est de l'air dans ce cas, est dirigé par l'orifice d'entrée 24 dans la cavité d'entrée 6 et sur les surfaces internes. Une partie de l'air est déviée autour des surfaces externes de l'organe diélectrique cylindrique 15, et une partie de l'air s'écoule par les ouvertures 17 et passe sur la surface externe de la paroi céramique 18. L'air quitte l'ensemble par l'orifice de sortie 25. Le fluide de refroidissement, qui est encore de l'air, est aussi dirigé en direction longitudinale sur la plaque transversale 12 qui forme une surface externe de la cavité 6. Une partie de l'air passe dans les ouvertures délimitées par les doigts élastiques 21 et à l'intérieur de la cavité 6 par les ouvertures 17 de l'organe diélectrique 15. La circulation de l'air dans le dispositif est indiquée schématiquement par les flèches. L'air présente aussi un mouvement en direction circonférentielle en assurant une bonne couverture des surfaces internes et externes de la cavité 6.5 Dans un autre mode de fonctionnement, seul l'un des trajets d'entrée de fluide de refroidissement est utilisé, soit l'orifice d'entrée 24, soit le trajet formé en direc- tion longitudinale par les espaces compris entre les doigts élastiques 21 et les ouvertures 17. On se réfère à la figure 2; un autre dispositif inductif à tétrode de sortie selon l'invention est analogue à celui qui est représenté sur la figure 1, les parties analogues portant des références identiques. Cependant, dans ce tube, l'orifice de sortie 25 du dispositif de la figure 1 est supprimé et des ouvertures supplémentaires 27 sont formées dans une paroi transversale 28 du support 20 de la cathode. Comme l'indiquent les flèches, un fluide de refroidissement est dirigé par l'orifice d'entrée 24 vers l'intérieur de la cavité et s'échappe du tube par les ouvertures 17 et 27. Dans un autre mode, le fluide peut être dirigé dans le tube par des ouvertures 27 et peut s'échapper par l'orifice 24. Dans les modes de réalisation représentés sur les figures, des ouvertures 17 sont formées dans le matériau diélectrique 15. Cependant, ces ouvertures peuvent être supprimées si bien que le fluide de refroidissement dirigé dans la cavité par l'orifice 24 est confiné à cette région. Un trajet séparé de refroidissement peut être formé autour de l'extérieur de l'enveloppe sous vide. Bien qu'il soit avantageux, dans la plupart des applications, d'incorporer l'organe diélectrique 15, il peut cependant être supprimé dans certains dispositifs. En outre, les ensembles d'arrêt des hautes fréquences déli- mités par les parties imbriquées de la cavité peuvent être disposés afin qu'ils soient orientés en direction générale longitudinale au lieu d'avoir les configurations transver- sales représentées. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux tubes électroniques qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Tube électronique, comprenant un canon à élec- trons (1) destiné à former un faisceau d'électrons, une cavité résonante annulaire (6) entourant le canon (1) de manière pratiquement coaxiale, et un dispositif (7) d'application d'énergie à hautes fréquences à la cavité (6), caractérisé par un dispositif (24, 27) destiné à transmettre un fluide de refroidissement à l'intérieur de la cavité (6). 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie à hautes fréquences appliquée à la cavité est destinée à provoquer une modulation du faisceau électronique. 3. Tube selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à paroi (18) délimitant au moins partiellement une enveloppe sous vide autour du canon (1) à électrons, et le fluide de refroidis- sement est destiné à circuler sur la surface externe du dispositif à paroi (18). 4. Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif à paroi (18) est pratiquement cylindrique et est disposé coaxialement autour du canon à électrons (1). 5. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un organe diélectrique (15) de forme pratiquement cylindrique, placé au moins partiellement dans la cavité (6) et disposé entre les surfaces opposées de la cavité, l'organe diélectrique (15) ayant des ouvertures (17) qui le traversent et par lesquelles le fluide de refroidissement est destiné à circuler. 6. Tube selon la revendication 5 prise en coopéra- tion avec l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'organe diélectrique (15) est pratiquement coaxial au dispositif à paroi (18) et est placé à l'extérieur de celui-ci. 7. Tube selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'organe diélectrique (15) comporte plusieurs ouvertures (17) réparties dans l'espace autour de sa circonférence. 8. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un orifice d'entrée (24) formé dans une paroi (26) de délimitation de la cavité afin que le fluide de refroidissement soit transmis à l'intérieur de la cavité (6). 9. Tube selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée (24) est placé à la paroi circonfé- rentielle externe (26) et est pratiquement adjacent à une paroi transversale d'extrémité de la cavité (6). 10. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un orifice de sortie (25), par lequel le fluide de refroidissement quitte l'intérieur de la cavité (6), est disposé à la paroi circonférentielle externe (26) et est pratiquement adjacent à une paroi transversale d'extrémité de la cavité (6). 11. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (6) a une partie radialement externe qui a une plus grande dimension en direction longitudinale axiale, parallèlement au trajet du faisceau électronique, qu'une partie interne de la cavité (6). 12. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif destiné à diriger un fluide de refroidissement sur les surfaces externes (12, 20) de la cavité (6). 13. Tube selon la revendication 12, dans lequel les surfaces externes sont des régions radialement internes (12) de la cavité annulaire (6). 14. Tube selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est dirigé sur les surfaces externes (12) en direction prati- quement longitudinale. 15. Tube selon l'une quelconque des revendications 12, 13 et 14, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément (20) ayant plusieurs ouvertures par lesquelles un fluide de refroidissement dirigé sur les surfaces externes de la cavité est aussi transmis à l'intérieur de la cavité (6). 16. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (6) est connectée électriquement à une partie (2, 20) du canon à électrons (1) par l'intermédiaire de plusieurs doigts élastiques (21) disposés autour de la circonférence interne de la paroi ou des parois transversales (12). 17. Tube selon la revendication 16, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est destiné à être dirigé dans des espaces délimités par les doigts élastiques (21). 18. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité comporte une partie interne de corps (12) connectée électriquement à une partie (2, 20) du canon à électrons (1) et une partie externe de corps (14) isolée électriquement de la partie interne de corps (12), la partie interne de corps (12) étant maintenue à une tension relativement élevée par rapport à la partie externe de corps (14), les parties interne et externe de corps ont des parties respectives qui ont pratiquement la même longueur, et un matériau (16) d'isolation électrique est placé entre ces parties. 19. Tube selon la revendication 18, caractérisé en ce que le matériau isolant de l'électricité (16) est solidaire d'un organe diélectrique (15) placé au moins en partie dans la cavité (6), l'organe diélectrique ayant des ouvertures (17) par lesquelles un fluide de refroidissement est destiné à circuler. 20. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de refroidis- sement transmis à l'intérieur de la cavité (6) quitte le tube en direction pratiquement longitudinale. 21. Tube selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comporte un organe (28) disposé en direction transversale à son axe longitudinal et ayant plusieurs ouvertures (27) par lesquelles le fluide de refroidissement est destiné à circuler entre l'intérieur et l'extérieur du tube.