Brevet FR2709598A1 — publié le 19950310

La présente invention concerne des magnétrons permettant de générer un rayonnement micro-ondes haute fréquence. L'invention est particulièrement utile dans les magnétrons relativistes et elle est par conséquent décrite ci-après plus particulièrement en relation avec cette application. Le magnétron relativiste est un magnétron de la catégorie qui a le plus de succès parmi les générateurs micro-ondes haute énergie utilisés jusqu'à ce jour, c'est-à-dire des générateurs qui permettent de générer des impulsions d'énergie électromagnétique au-delà d'environ 100 mégawatts et jusqu'à plusieurs dizaines de gigawatts. Des longueurs d'impulsion typiques se situent entre quelques dizaines de nanosecondes et quelques microsecondes. Les magnétrons relativistes produisent des niveaux haute énergie moyennant un bon rendement et une bonne stabilité de fréquence. Ils sont fondamentalement très similaires aux magnétrons classiques développés pendant la seconde guerre mondiale. A la fois le magnétron classique et le magnétron relativiste incluent une cathode et une anode contenues dans une chambre sous vide, laquelle cathode et laquelle anode sont radialement espacées l'une de l'autre pour définir une région d'interaction, et un moyen permettant de produire un champ magnétique parallèle à la région d'interaction. Des électrons émis depuis la cathode sont accélérés par le champ électrique E en direction de l'anode en présence du champ magnétique B perpendiculaire au champ électrique. A l'intérieur de l'anode, un ensemble de cavités identiques crée une structure d'ondes lentes. Lorsque la vitesse de phase de l'onde électromagnétique qui est en rotation dans la région d'interaction est égale à la vitesse de dérive E x B des électrons, l'énergie est transférée des électrons à l'onde électromagnétique. Le magnétron relativiste diffère du magnetron classique de par les deux points fondamentaux suivants: (a) Les tensions de commande et les courants de commande dans le magnétron relativiste sont au moins d'un ordre de grandeur supérieur à ceux observés dans le magnétron classique; ainsi, le terme "relativiste" indique qu'à ces tensions, les électrons gagnent une énergie cinétique comparable à la masse au repos de l'électron (511 keV). (b) Dans le magnétron classique, les électrons sont émis depuis une cathode chaude. Le magnétron relativiste exploite cependant le champ électrique extrêmement élevé pour émettre des électrons à partir d'une cathode froide. Le mécanisme d'action de la cathode est relativement compliqué et il est quelquefois connu en tant que "émission explosive". Des densités de courant très importantes sont produites, ce qui permet la génération de micro-ondes très haute energie. Puisque les magnétrons relativistes sont commandés par des impulsions de plusieurs centaines de kV, une quelconque surface courbe au potentiel de la cathode tend à émettre des électrons et/ou à initier un claquage haute tension. En outre, des problèmes spéciaux sont mis en jeu en ce qui concerne la fourniture du champ magnétique de niveau élevé requis (de l'ordre de quelques kgauss), ce qui constitue un problème essentiel pour la réduction de la taille, du poids et du coût du magnétron relativiste. En outre, un problème bien connu des magnétrons relativistes de la conception classique est le "courant axial" qui résulte de la dérive le long des lignes de champ magnétique des électrons émis depuis la cathode et quittant la région d'interaction. Ces électrons ne contribuent pas à la génération des micro-ondes; leur énergie est perdue en chaleur et le rendement du magnétron est de ce fait réduit. Un objet de la présente invention consiste à proposer une nouvelle construction de magnétron qui assure un certain nombre des avantages mentionnés ci- avant, plus particulièrement lors d'une mise en oeuvre selon un magnétron relativiste. Selon la présente invention, on propose un magnétron incluant une cathode et une anode dans une chambre sous vide espacées radialement l'une de l'autre pour définir une région d'interaction et un moyen pour produire un champ magnétique parallèle à ladite région d'interaction, caractérisé en ce que ladite anode se voit appliquer des impulsions haute tension positives tandis que ladite cathode et ladite chambre sous vide sont à un potentiel de référence. Selon d'autres caractéristiques des modes de réalisation particuliers de l'invention décrits ci- après, la cathode et la chambre sous vide sont au potentiel de masse; en outre, la cathode se présente sous la forme d'une tige et l'anode est d'une configuration annulaire placée coaxialement autour de la cathode et elle est munie de cavités qui font face à la cathode pour définir une région d'interaction annulaire entre l'anode et la cathode. En outre, la cathode inclut une structure d'augmentation de champ. Dans le mode de réalisation décrit, la seconde structure se présente sous la forme d'un disque fixé à la tige de cathode et comportant des bords externes en arête vive faisant face à la région d'interaction annulaire, pour augmenter l'émission d'électrons depuis une petite surface annulaire de la tige de cathode à l'intérieur de la région d'interaction annulaire; cependant, d'autres structures d'augmentation de champ peuvent être utilisées. Un magnétron construit selon les caractéristiques qui précèdent procure un certain nombre d'avantages qui sont particulièrement importants dans les magnétrons relativistes par rapport à la construction des magnétrons classiques dans laquelle des impulsions haute tension négative sont appliquées sur l'électrode interne (c'est-à-dire la cathode), et l'électrode externe (c'est-à-dire l'anode) ainsi que le boîtier sont sensiblement au potentiel de masse. Un avantage important est dérivé du fait que des électrodes positives n'émettent pas d'électrons. Ainsi, l'application de l'impulsion haute tension positive à l'anode tout en maintenant le boîtier externe sensiblement au potentiel de masse permet de réaliser des parties externes moyennant des rayons de courbure beaucoup plus importants que ceux des parties internes positives (l'anode et son alimentation en tension) moyennant une réduction significative de l'émission électronique non souhaitée et également du risque de claquage haute tension. La structure d'augmentation de champ de la cathode (par exemple le disque fixé à la tige de cathode et muni de bords externes en arête vive) assure une émission électronique à l'emplacement souhaité. Un autre avantage important est que le risque réduit d'émission électronique et de claquage haute tension permet de construire des magnétrons et plus particulièrement des magnétrons relativistes moyennant des espaces inter-électrodes réduits et par conséquent, ceux-ci peuvent présenter une taille et un poids réduits. Encore un autre avantage est que, puisque le magnétron est commandé par des impulsions haute tension positives appliquées à l'anode, l'alimentation haute tension n'a pas à être coaxiale à la structure anode- cathode (parallèle au champ magnétique) et elle est peut être connectée à l'extérieur de l'anode, perpendiculairement au champ magnétique appliqué. Ceci rend possible d'utiliser des aimants permanents ou électro-aimants en forme de U qui comportent des âmes ferromagnétiques en forme de U, ce qui permet une réduction significative de la taille, du poids et du coût du magnétron. Encore un autre avantage, plus particulièrement dans des magnétrons relativistes, est que la région d'émission d'électrons sur la cathode peut être positionnée symétriquement dans l'anode de telle sorte que la composante du champ électrique parallèle au champ magnétique soit réduite. Ceci réduit la dérive des électrons suivant cette direction, ce qui réduit le problème de "courant axial" mentionné précédemment. En outre, puisque le boîtier externe est au potentiel de masse, des électrons sont réfléchis par le boîtier en direction de la région d'interaction, ce qui réduit encore le courant axial. Les objets et avantages de la présente invention mentionnés ci-avant ainsi que d'autres apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui suit que l'on lira en relation avec les dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 représente schématiquement un magnétron relativiste connu de l'art antérieur; la figure 2 est une vue en coupe transversale qui représente une forme d'un magnétron relativiste construit selon la présente invention; la figure 3 est une vue en coupe longitudinale du magnétron relativiste de la figure 2; la figure 4 est une vue partielle qui représente une modification du magnétron relativiste des figures 2 et 3; et la figure 5 est une vue en coupe longitudinale qui représente une autre forme d'un magnétron relativiste construit selon la présente invention. Référence est tout d'abord faite à la figure 1 qui représente une construction de l'art antérieur d'un magnétron relativiste. Cette construction inclut un boîtier 2 qui définit une chambre sous vide interne 3 munie d'un orifice de vide 4 connecté à une source de vide pour maintenir la chambre 3 sous un vide poussé (environ 10-6 Torr). Le boîtier 2 est fermé par un isolant diélectrique haute tension 5 qui est pénétré par la partie de saisie 6 d'une tige de cathode 7 placée à l'intérieur de la chambre sous vide. Une anode annulaire 8 positionnée de façon coaxiale autour de la cathode 7 est également placée à l'intérieur de la chambre sous vide. La face interne de l'anode 8 est munie d'une pluralité de cavités (non représentées) qui font face à la cathode et qui en sont espacées pour définir une région d'interaction annulaire 9 entre l'anode et la cathode. La cathode 7 inclut une structure d'augmentation de champ se présentant sous la forme d'un disque 10 qui lui est fixé et qui est muni de bords externes en arête vive, pour augmenter l'émission électronique depuis une petite surface annulaire de la cathode à l'intérieur de la région d'interaction annulaire 9. Dans le magnétron relativiste de l'art antérieur de la figure 1, des impulsions haute tension négatives sont appliquées sur l'extrémité de saisie de cathode 6 via un générateur d'énergie pulsée haute tension 11. Le générateur 11 inclut une capacité de stockage d'énergie 12 (ou un réseau de formation d'impulsions) comportant un côté positif relié à 1 masse via le boîtier 2 et un côté négatif relié à un commutateur à activation rapide 13 pour appliquer des impulsions haute tension négatives (comme représenté par l'impulsion 14 sur la figure 1) à la cathode 7. Des bobines de Helmholz 15 créent le champ magnétique axial. L'énergie haute fréquence générée par le magnétron relativiste est émise en sortie via un guide d'ondes 16 connecté à l'orifice de sortie 17 via une fenêtre de vide 18. Comme décrit précédemment, une telle construction de l'art antérieur nécessite des surfaces présentant des rayons de courbure importants afin de réduire des émissions d'électrons non souhaitées et également afin de réduire le risque d'un claquage haute tension. En outre, les bobines de Helmholz de grande dimension et encombrantes sont généralement nécessaires pour produire le champ magnétique d'intensité élevée nécessaire. En outre, le "courant axial" produit par ce magnétron réduit son rendement. Les inconvénients mentionnés ci-avant de la construction de l'art antérieur des magnétrons relativistes sont évités ou significativement réduits au moyen de la structure de magnétron relativiste représentée sur les figures 2 et 3. Une caractéristique essentielle de cette nouvelle construction est que, au lieu d'appliquer à la cathode des impulsions haute tension négatives comme dans la construction de l'art antérieur, l'anode de la nouvelle construction représentée sur les figures 2 et 3 se voit appliquer des impulsions haute tension positives tandis que la cathode et que la chambre sous vide sont maintenues à un potentiel de référence, par exemple la masse. Ainsi, le magnétron relativiste représenté sur les figures 2 et 3 inclut un boîtier en métal 20 définissant une chambre sous vide interne 21. Le boîtier 20 est muni de trois orifices: un orifice de vide 22 qui peut être connecté à une source de vide pour maintenir un vide poussé (par exemple environ 10-6 Torr); un orifice d'entrée de haute tension 23 pour appliquer les impulsions haute tension positives à l'anode à l'intérieur de la chambre sous vide 21; et un orifice de sortie 24 pour émettre en sortie l'énergie haute fréquence générée par le magnétron. A l'intérieur de la chambre sous vide 21 sont disposées une tige de cathode interne 25 et une anode annulaire externe 26 coaxiale a la tige de cathode. L'anode 26 est munie d'une pluralité de cavités 27 qui font face à la tige de cathode 25 et qui en sont espacées pour définir une région d'interaction annulaire 28. La tige de cathode 25 inclut en outre une structure d'augmentation de champ se présentant sous la forme d'un disque 29 fixé centralement au niveau de la tige de cathode et comportant un bord externe en arête vive qui fait face a la région d'interaction annulaire 28 pour augmenter l'émission d'électrons depuis une petite surface annulaire de la tige de cathode à l'intérieur de cette région. Les impulsions haute tension positives sont appliquées à l'anode 26 au moyen d'une tige d'anode électriquement conductrice 30 qui traverse l'orifice d'injection 23. Les impulsions positives sont appliquées à la tige d'anode 30 via un coupleur d'entrée 31. Ce coupleur inclut un conducteur électrique externe 32 connecté au boîtier 20, un conducteur électrique interne 33 connecté à la tige d'anode 30 et un isolant 34 qui assure l'étanchéité de l'intérieur du boîtier 20 et qui isole la tige d'anode 30 du conducteur externe 32 ainsi que du boîtier 20. L'espace 35 du coupleur d'entrée 32 entre les conducteurs externe et interne 32, 33 est de préférence rempli d'un fluide isolant pressurisé tel que du SF6. Le champ magnétique pour le magnétron est produit par un aimant 36 parallèle à la tige de cathode 25, comme représenté plus particulièrement sur la figure 3. Des électrons émis depuis le disque 29 de la tige de cathode 25 sont mis en rotation dans la région d'interaction 28 par la dérive E x B. Lorsque leur vitesse angulaire est approximativement à la vitesse de phase de l'onde électromagnétique entre les cavités d'anode, de l'énergie est transférée des électrons à l'onde électromagnétique. Comme représenté sur la figure 3, l'anode comporte des capuchons d'extrémité 38 qui concentrent les micro- ondes à l'intérieur du bloc d'anode. Cependant, ces capuchons d'extrémité ne sont pas essentiels pour le fonctionnement du magnétron. L'énergie haute fréquence ainsi générée est émise en sortie sur un guide d'ondes 40 couplé à l'orifice de sortie 24. A cette fin, l'anode 26 est munie d'un alésage 41 aligné avec l'orifice de sortie 24, de manière à être diamétralement opposé à l'orifice d'entrée 22 et à la tige d'anode haute tension 30. L'anode 26 inclut en outre une paire d'extensions divergentes 42 pour diriger l'énergie haute fréquence depuis l'alésage de sortie 41 et depuis l'orifice de sortie 24 jusqu'au guide d'ondes de sortie 40. L'orifice de sortie 24 est fermé par une fenêtre 43 qui est transparente à l'énergie haute fréquence générée. Le guide d'ondes de sortie 40 peut également être rempli d'un fluide isolant pressurisé tel que du SF6. On peut voir que dans le magnétron relativiste représenté sur les figures 2 et 3, l'excitation du magnétron par des impulsions haute tension positives appliquées sur l'anode 26, tout en maintenant la cathode 25 et le boîtier 20 au potentiel de masse, évite ou réduit significativement les nombreux inconvénients du magnétron relativiste de l'art antérieur décrit précédemment. La figure 4 représente une modification de la construction du magnétron relativiste des figures 2 et 3. Au lieu de prévoir des extensions d'anode divergentes (42) qui enjambent l'alésage de sortie 41 de l'anode 26 pour diriger l'énergie haute fréquence sur le guide d'ondes de sortie 40, des éléments diélectriques divergents 50 sont prévus à cette fin. Ces éléments diélectriques 50 s'étendent depuis l'alésage de sortie 41 de l'anode à l'intérieur de l'orifice de guide d'ondes de sortie 24 pour diriger l'énergie haute fréquence sur le guide d'ondes de sortie. La figure 5 représente une autre construction d'un magnétron relativiste selon la présente invention. Dans cette construction, le boîtier 60 qui définit la chambre sous vide interne 61 ne comporte pas un orifice de sortie de guide d'ondes séparé comme sur les figures 2-4 mais en lieu et place, l'onde électromagnétique haute fréquence générée par le magnétron est couplée à un guide d'ondes de sortie 62 via l'orifice d'entrée 63 au travers duquel les impulsions haute tension positives sont appliquées sur l'anode 64. Ainsi, l'anode 64 et la tige d'anode 65 traversant l'orifice d'entrée 63 pour appliquer les impulsions haute tension positives sur l'anode créent une antenne à l'intérieur de la chambre sous vide 61, laquelle collecte les micro-ondes à l'intérieur de l'orifice d'entrée coaxial 63. De ce point de vue, on peut appliquer des techniques standards de transitions coaxial vers guide d'ondes pour coupler la sortie sur le guide d'ondes 62. Ainsi, comme représenté sur la figure 5, l'orifice d'entrée coaxial 63 est physiquement connecté au guide d'ondes de sortie 62. La tige d'anode 65 est logée à l'intérieur d'une ouverture ménagée dans le guide d'ondes 62 et elle réalise une irradiation sur lui. Les impulsions haute tension positives sont appliquées sur la tige d'anode 65 par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance 66. L'inductance de cette bobine est choisie de manière à assurer une voie d'impédance faible pour l'impulsion haute tension appliquée sur l'anode 64 via la tige d'anode 65 et une impédance élevée pour les fréquences micro-ondes générées dans le magnétron. Le magnétron représenté sur la figure 5 inclut un coupleur d'entrée du type coaxial 67 comportant un conducteur externe 68 connecté électriquement au guide d'ondes 62 et au boîtier 60 du magnetron (lequel est relié à la masse) et un conducteur interne 69 connecté à l'anode 64 via la tige d'anode 65 et la bobine d'inductance mentionnée précédemment 66. L'intérieur du boîtier 60 et du guide d'ondes 62 est rendu étanche par un isolant 70 au travers duquel le conducteur interne 69 passe. L'anode 64 peut être supportée d'une quelconque façon appropriée, par exemple par des tiges diélectriques (non représentées) fixées au boîtier externe 60. Le coupleur d'entrée 68 peut également inclure un fluide isolant pressurisé dans l'espace 71 entre les conducteurs interne et externe 68 et 69. Comme dans les modes de réalisation décrits précédemment, la cathode 73 se présente sous la forme d'une tige incluant un disque 74 comportant un bord externe en arête vive qui fait face à la région d'interaction annulaire 75 pour augmenter l'émission d'électrons depuis une petite surface annulaire de la cathode à l'intérieur de la région d'interaction annulaire. Comme également dans les modes de réalisation décrits précédemment, l'anode 64 est positionnée coaxialement autour de la cathode 73 et elle est munie de cavités 76 qui font face à la cathode pour définir la région d'interaction annulaire 75. Dans cette construction, un boîtier 60 peut être d'une configuration sensiblement cylindrique ouverte au niveau de ses extrémités opposées. Une extrémité joue le rôle de l'orifice d'entrée de haute tension décrit précédemment 63 permettant d'appliquer les impulsions haute tension positives à l'anode 64 et son extrémité opposée joue le rôle d'un orifice de vide 77 qui peut être connecté à une source de vide pour maintenir un vide poussé à l'intérieur du boîtier. L'orifice de vide 77 peut être fermé par un isolant 78. Le boîtier 60 et la tige de cathode 73 qui lui est connectée électriquement sont reliés à la masse de telle sorte 12 2709598 que comme dans les modes de réalisation précédemment décrits, l'électrode "chaude" est l'anode 64 qui reçoit les impulsions haute tension positives. Le champ magnétique est produit par un aimant 79 placé à l'extérieur du boîtier 60 de manière à s'étendre parallèlement à la région interactive annulaire 75 entre la cathode 73 et l'anode 64. Le guide d'ondes de sortie 68 est couplé au magnétron via l'orifice d'entrée 63 de la manière décrite ci-avant. Il peut être réglé pour assurer un couplage maximum au moyen d'un réflecteur 80 comportant un bouton réglable manuellement 81 qui fait saillie à l'extérieur du guide d'ondes. Dans un mode particulier de réalisation de l'inven- tion, la cathode est une cathode froide et l'anode est pulsée moyennant des impulsions haute tension d'au moins 10U kV. REVENDICATIONS 1. Magnétron incluant une cathode (25) et une anode (26) dans une chambre sous vide (21) espacées radialement l'une de l'autre pour définir une région d'interaction (28) et un moyen pour produire un champ magnétique parallèle à ladite région d'interaction (28), caractérisé en ce que ladite anode se voit appliquer des impulsions haute tension positives tandis que ladite cathode (25) et ladite chambre sous vide (21) sont à un potentiel de référence. 2. Magnétron selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cathode (25) et ladite chambre sous vide (21) sont au potentiel de masse. 3. Magnétron selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite cathode (25) se présente sous la forme d'une tige et ladite anode (26) est d'une configuration annulaire positionnée coaxialement autour de ladite cathode et est munie de cavités faisant face à ladite cathode pour définir une région d'interaction annulaire (28) entre ladite anode et ladite cathode. 4. Magnétron selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite cathode (25) inclut une structure d'augmentation de champ pour augmenter une émission d'électrons depuis une petite surface annulaire de celle-ci à l'intérieur de ladite région d'interaction annulaire (28). 5. Magnétron selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite structure d'augmentation de champ est un disque (29) fixé à ladite tige de cathode et muni de bords externes en arête vive faisant face à ladite région d'interaction annulaire (28). 6. Magnétron selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite chambre sous vide (21) est définie par un boîtier (20) qui inclut un orifice de vide (22) pouvant être connecté à une source de vide et un orifice d'entrée de haute tension (23); ledit magnétron étant caractérisé en ce qu'il inclut en outre une tige d'anode électriquement conductrice (30) traversant ledit orifice d'entrée de haute tension (23) et connectée à ladite anode, et un coupleur d'entrée (3i) couplé à ladite tige électriquement conductrice (30) pour appliquer des impulsions haute tension à ladite anode. 7. Magnétron selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit coupleur d'entrée (31) inclut un conducteur électrique externe (32) connecté électriquement audit boîtier (20), un conducteur électrique interne (33) connecté électriquement à ladite tige d'anode (26) et une étanchéité isolante (34) qui assure l'étanchéité de l'intérieur dudit boîtier (20) et qui isole ladite tige d'anode dudit conducteur électrique externe (32). 8. Magnétron selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ladite anode (26) est formée moyennant un alésage de sortie (41) au travers de l'une de ses cavités (27) pour émettre en sortie l'énergie haute fréquence ainsi générée, d'un orifice de sortie (24) aligné avec ledit alésage et d'un guide d'ondes de sortie (40) couplé audit orifice de sortie. 9. Magnétron selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, incluant en outre un guide d'ondes de sortie (40) connecté audit orifice d'entrée de haute tension; ledit coupleur d'entrée étant couplé à ladite tige d'anode électriquement conductrice par une impédance qui constitue un chemin d'impédance faible pour les impulsions haute tension qui lui sont appliquées et un chemin d'impédance élevée pour l'énergie haute fréquence générée par le magnétron. 10. Magnetron selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite cathode est une cathode froide et ladite anode est pulsée moyennant des impulsions haute tension d'au5 moins 100 kV.