Brevet FR2699325A1 — publié le 19940617

i Cette invention concerne un amplificateur à champs croisés et, en particulier, un dispositif d'émission d'électrons utilisé dans un amplificateur à champ croisé afin de réduire l'instabilité de l'amplificateur provoquée par l'arrêt et le redémarrage de l'amplificateur. Des amplificateurs à champs croisés (CF As) ont été utilisés pendant plusieurs années dans des dispositifs électroniques nécessitant une forte puissance R F tels que des systèmes radars Un CFA fonctionne en faisant passer un signal R F à travers un champ électrique de grande tension formé entre une15 cathode et une anode La cathode émet des électrons interagissant avec une onde R F pendant son déplacement à travers un trajet de ralentissement d'onde prévu dans la structure d'anode entourant la cathode L'onde R F est guidée par un champ magnétique20 croisant à la perpendiculaire le champ électrique Des amplificateurs à champs croisés sont décrits dans le Brevet U S NO 4 700 109 publié le 13 Octobre 1987 de Mac Phail et dans le Brevet U S NO 4 814 720 publié le 21 Mars 1989 de Mac Phail et as, tous deux du même titulaire et qui sont incorporés ici en référence. Dans certaines applications, on désire faire fonctionner le CFA dans un mode pulsé dans lequel le CFA est, de façon répétée, activé et désactivé Dans un système radar, la précision de la synchronisation des30 impulsions est critique pour obtenir une information précise en retour Pour amorcer un CFA, il doit y avoir un petit nombre d'électrons dans la zone d'interaction de façon à amorcer l'opération de la cathode Ces électrons d'amorçage proviennent de sources naturelles, telles qu'une radioactivité résiduelle, un stockage d'électrons d'impulsions précédentes, des rayons cosmiques, etc Les électrons d'amorçage frappent la structure de cathode, provoquant des émissions secondaires d'électrons de la surface de la cathode, 5 entraînant, de plus, une cascade d'électrons se déplacant en un faisceau à travers la zone d'interaction A des fréquences répétitives d'impulsions relativement grandes, un grand nombre d'électrons restent dans la zone d'interaction après10 l'arrêt du CFA Ces électrons résiduels amorcent le CFA pour redémarrer rapidement le processus d'émission secondaire Cependant, à des fréquences répétitives d'impulsions relativement basses, les électrons dans la zone d'interaction se dissipent dans la structure15 d'anode, laissant un trou d'électrons pour amorcer le CFA lors du redémarrage Bien que les électrons de source naturelle démarreront éventuellement le CFA, le temps de départ ne peut être déterminé avec certitude. Alors, le redémarrage du CFA à de faible fréquence20 répétitive d'impulsions est fortement irrégulier et est connu comme un phénomène d"'instabilité". Des solutions au problème d'instabilité ont surtout concerné le maintien d'une alimentation des électrons dans la zone d'interaction lors de la période o le CFA est arrêté Une telle solution comporte l'utilisation d'un circuit de polarisation maintenant les électrons dans la zone d'interaction entre la cathode et l'anode lorsque le CFA est arrêté Le circuit de polarisation est décrit dans le Brevet U S.30 NO 4 894 586 publié le 16 Janvier 1990 pour Crager et as appartenant au titulaire commun Le circuit de polarisation fournit une tension D C négative à la cathode maintenant les électrons dans la zone d'interaction Un inconvénient significatif de ce35 procédé est qu'une alimentation de puissance et un transformateur sont nécessaires pour fournir et réguler la tension D C L'addition de l'alimentation de puissance augmente la complexité du CFA et la tension D.C doit être isolée de la tension d'impulsions de cathode qui est usuellement supérieure à 10 000 volts.5 On recherche alors une solution au problème d'instabilité ne reposant pas sur des sources de puissance externes ou dans laquelle la source de puissance externe est écartée de la cathode. Ainsi, un objet de cette invention est d'établir lo un procédé pour améliorer les caractéristiques de démarrage d'un amplificateur à champs croisés et pour minimiser le problème d"'instabilité". Un autre objet de cette invention est de fournir un dispositif améliorant les caractéristiques de démarrage d'un amplificateur à champs croisés ne dépendant pas de l'utilisation d'une source de puissance externe. Un objet supplémentaire de cette invention est de fournir un dispositif améliorant les caractéristiques de démarrage d'un amplificateur à champs croisés selon une source de puissance écartée de la cathode de l'amplificateur à champs croisés. Pour obtenir ces objets ainsi que d'autres, un émetteur de champ incorporé dans la cathode de l'amplificateur à champs croisés est prévu L'émetteur de champ présente une pluralité de pointes émettant des électrons en réponse au champ électrique prévu entre la cathode et l'anode du CFA Les électrons produits par l'émetteur de champ aident au redémarrage du CFA en30 constituant une source d'amorçage pour commencer l'émission des électrons secondaires L'émetteur de champ comprend un bloc de silicium présentant des fibres 34 de disiliciure de tantale développées sur une face du bloc Le bloc de silicium est placé dans une35 fente formée à la surface de la cathode adjacente à l'orifice d'entrée R F du CFA au début de la zone d'interaction Les fibres 34 constituent les pointes émettant les électrons d'amorçage En plaçant l'émetteur de champ adjacent à l'orifice d'entrée R F. du CFA, les électrons d'amorçage traversent la zone5 d'interaction pour commencer l'émission secondaire. Des tests empiriques montrent qu'un amplificateur à champs croisés, possédant un émetteur de champ selon la présente invention, peut réduire les retards maximum de démarrage du CFA de valeurs dépassant 3 000lo nanosecondes à moins de 30 nanosecondes. Dans un mode de réalisation en option de la présente invention, un filament d'émission thermo- ionique est placé dans un espace prévu entre les ailettes d'anode du CFA Le filament s'étend parallèle15 à un axe central de la cathode En appliquant une basse tension au filament, un certain nombre d'électrons peuvent être émis de façon thermo-ionique Bien que le filament ne soit pas placé à proximité de la cathode, les ondes R F entrant dans le CFA forment des20 différences de tension entre les ailettes séparées d'anode Cette différence de tension accélère les électrons émis par le filament, frappant les ailettes à des vitesses correspondants à plusieurs centaines de volts Ces impacts génèrent des rayons X se déplaçant25 en ligne de mire, la plupart d'entre eux frappant la surface de cathode Ces impacts sur la cathode provoquant l'éjection de photo-électrons, démarrant alors le processus d'émission secondaire Bien que le filament thermo-ionique dépende d'une source de30 puissance externe, la source de puissance est prévue dans la zone d'anode qui se trouve à un potentiel plus proche de la masse que la cathode possédant une tension bien supérieure Alors, l'isolation de la tension de filament de la tension d'impulsions de cathode est35 simplifiée. Une meilleure compréhension du dispositif pour la suppression de l'instabilité dans un amplificateur à champs croisés sera procurée à l'homme de l'art ainsi qu'une réalisation de ces avantages et objets5 additionnels à l'aide de la description détaillée suivante du mode de réalisation préféré On fera référence aux planches de dessins annexées qui seront tout d'abord brièvement décrits. La Figure 1 est une vue latérale de section 1 o droite d'un amplificateur à champs croisés; la Figure 2 est une vue supérieure de section droite de l'amplificateur à champs croisés de la Figure 1 illustrant l'émetteur de champ de la présente invention selon la section 2-2; la Figure 3 est une vue supérieure agrandie de la surface de cathode illustrant la position de la configuration d'émetteur de champ; la Figure 4 est une vue latérale de la structure de cathode illustrant la fente dans la cathode pour le placement de la configuration d'émetteur de champ; la Figure 5 est une vue supérieure agrandie d'un amplificateur à champs croisés illustrant la position du filament thermo-ionique adjacent à une ailette d'anode; et25 la Figure 6 est une vue latérale de l'ailette d'anode de la Figure 5 illustrant le filament thermo- ionique. En référence à présent aux dessins, la Figure 1 illustre un amplificateur à champs croisés 10 formé entre une paire d'aimants permanents creux 13 de forme cylindrique La paire d'aimants 13 est montée au dessus et en dessous d'un anneau de corps 15 du CFA formant une partie de l'anode, comme cela sera décrit en détails ci-dessous L'anneau de corps 15 est obturé par35 des couvercles 20 fixés aux aimants 13. S'étendant radialement vers l'intérieur à partir de la surface interne de l'anneau de corps 15 se trouve une pluralité d'ailettes d'anode 18 fixées dessus, comme par soudage tendre Les ailettes sont5 électriquement raccordées par une paire de spires 42 et 44 de ressort hélicoïdal de forme toroïdale présentant des enroulements respectifs vers la droite et vers la gauche Les spires 42 et 44, les ailettes 18 et l'anneau de corps 15 sont tous électriquement raccordés10 pour former l'anode Bien qu'une hélice de fil 42, 44 soit illustrée sur la Figure 1, il est aussi connu dans le domaine de l'art d'utiliser une hélice usinée dans les ailettes d'anode 18 Les concepts inventifs décrits ici sont également applicables soit à un CFA possédant15 une spire de fil, soit une hélice usinée. Une cathode 12 est placée au centre de l'anneau de corps 15 et est entourée par des ailettes d'anode 18 s'étendant radialement La cathode 12 possède une surface d'émetteur de cathode 14 de forme cylindrique, 20 une entretoise 62 de chaque coté et un blindage d'extrémité 64 de chaque coté des entretoises La surface d'émission 14 est généralement constituée de béryllium et les entretoises 62 sont constituées, en général, de béryllium ou de cuivre Une borne de25 cathode 66 reçoit une forte tension négative telle que 13 k V par un alésage central de l'aimant inférieur 13. Une tige de support mécanique 19 est fixée au bouclier d'extrémité supérieure 64, constituant un support structurel pour la cathode 12 Une pluralité de tubes30 de refroidissement 17 s'étendent axialement à travers la tige de support mécanique 19 pour fournir un fluide de refroidissement maintenant la cathode 12 à une température fixée. En référence à présent à la Figure 2, est illustrée une vue supérieure de section droite de la structure du CFA illustré sur la Figure 1 La vue illustre la cathode 12 entourée par la pluralité d'ailettes 18 s'étendant radialement qui sont fixées à l'anneau de corps 15 Une pluralité de perforations de refroidissement 16 s'étendent axialement à travers la 5 cathode 12, rejoignant les tubes de refroidissement 17 décrits ci-dessus Un orifice d'entrée R F 36 et un orifice de sortie R F 38 s'étendent à travers l'anneau de corps 15 pour constituer respectivement un trajet d'entrée et un trajet de sortie d'un signal R F fourni10 au CFA Une zone d'interaction 24 est prévue entre la surface de cathode 14 et les sommets 22 des ailettes d'anode 18. En fonctionnement, une forte tension négative est appliquée à la cathode 12 par rapport aux ailettes d'anode 18 La tension provoque un déplacement d'électrons entre la cathode 12 et les ailettes d'anode 18 Les éléments 13 fournissent un champ magnétique perpendiculaire au champ électrique formé dans la structure de CFA 10 Le champ magnétique provoque une20 mise sur orbite des électrons autour de la structure de cathode, orbite sur laquelle ils interagissent avec le signal R F entrant par l'orifice d'entrée 36. L'énergie des électrons en orbite est échangée avec le signal R F, provoquant une amplification du signal Un25 signal R F amplifié sort du CFA 10 par l'orifice de sortie 38. Comme cela est connu dans le domaine de l'art, les électrons devant se déplacer dans la zone d'interaction 24 sont produits par un processus30 d'émission secondaire La surface de cathode 14 utilise un oxyde de béryllium émettant des électrons secondaires après impact par des électrons d'amorçage. Une source d'oxygène peut être associée au CFA pour remplir l'oxygène se raréfiant de la surface de cathode35 14 lors du processus d'émission secondaire Les électrons d'amorçage initialisant le processus d'émission secondaire proviennent usuellement de sources naturelles qui sont suffisantes, en général, pour amorcer le processus d'émission secondaire car une amplitude très petite du courant d'électrons est5 nécessaire pour amorcer le faisceau Cependant, à des fréquences d'impulsions relativement basses, comme en dessous de 10 Hz, des retards dans le démarrage du CFA de l'ordre de la microseconde peuvent apparaître. Pour constituer une source d'électrons 1 o d'amorçage, cette invention décrit l'utilisation d'une configuration d'émetteur de champ 30 La configuration d'émetteur de champ 30 est placée dans une fente 28 prévue à la surface de cathode 14 La fente 28 est mieux illustrée sur la Figure 4 et s'étend15 parallèlement à l'axe de la cathode 12 Pour des résultats optimum, la configuration d'émetteur de champ et la fente 28 sont placées adjacentes à l'orifice d'entrée R F 36 La configuration d'émetteur de champ constitue une source d'électrons d'amorçage en réponse à la tension de fonctionnement du CFA. La configuration d'émetteur de champ 30 comprend une structure de base à semi-conducteur 32 sur laquelle s'étendent des fibres 34 presque parallèles de disiliciure de tantale (Ta Si 2) La structure de base 3225 peut être formée de silicium La densité des fibres est d'environ 1 millions/cm 2 avec un espacement moyen fibre-à-fibre d'environ 8 à 10 pm Les pointes des fibres 34 de disiliciure de tantale s'étendent juste en dessous de la surface de cathode 14, face à l'orifice30 d'entrée R F 36 Comme le CFA 10 fonctionne usuellement dans un environnement d'oxygène, un film mince d'or peut être projeté sur la surface supérieure de l'émetteur de champ 30 pour empêcher une oxydation des pointes de fibres L'émetteur de champ 30 peut35 supporter un champ électrique d'environ 20 k V par centimètre lors de la mise en marche du dispositif. En fonctionnement, un CFA 10 possédant un émetteur de champ 30 de la présente invention réduit notablement l'instabilité de pic d'environ deux degrés d'amplitude, de plusieurs microsecondes jusqu'à l'ordre5 de 30 nanosecondes L'instabilité moyenne quadratique (RMS) est, de même, améliorée mais pas dans le même rapport que l'instabilité de pic La raison à cela semble être que l'émetteur de champ se bloque à une valeur supérieure d'environ 30 nanosecondes du retard10 de démarrage et que l'autre mécanisme "naturel" démarre parfois l'émission secondaire avant que cela n'arrive. Ces temps de démarrage s'étendront, de façon aléatoire, sur les 30 premières nanosecondes, contribuant alors à l'instabilité RMS Cependant, l'utilisation de15 l'émetteur de champ 30 limite la valeur d'instabilité de pic. En référence à présent aux Figures 5 et 6 est illustré un mode de réalisation en option de cette invention Dans ce mode de réalisation, un filament 5220 est placé dans l'espace 25 entre des ailettes adjacentes d'anode 18 Le filament 52 s'étend parallèle à un axe formé par la structure de cathode 12 Pour maintenir en place le filament 52 dans le CFA 10, des tiges parallèles de support 54 s'étendent radialement25 vers l'intérieur à partir de l'anneau de corps 15 du CFA 10 Les tiges de support 54 traversent l'anneau de corps 15 via des isolants 56 Un conducteur électrique 58 traverse les tiges de support 54, raccordant le filament 52 à une source de puissance externe 60. Lorsqu'une puissance est fournie au filament 52, des électrons sont émis selon un processus thermo- ionique A l'inverse de l'émetteur de champ 30 décrit ci-dessus, les électrons émis de façon thermo-ionique par le filament 52 sont distants de la surface de35 cathode 14 Néanmoins, ces électrons peuvent contribuer au processus d'émission secondaire L'application du signal R F dans l'orifice d'entrée R F 36 crée une différence de tension entre des ailettes adjacentes d'anode 18 Cette tension provoque une accélération des électrons émis dans les ailettes adjacentes d'anode 18 s à des vitesses correspondant à plusieurs centaines de volts Ces impacts d'électrons génèrent des rayons X se déplaçant sur une ligne de mire dans le CFA 10 sans être gênés soit par les forces électriques, soit par les forces magnétiques Ces rayons X sont trop faibles pour être détectés à l'extérieur de la structure du CFA Une partie des rayons X frappera finalement la surface de cathode, provoquant une éjection de photoélectrons qui, à leur tour, servent d'électrons d'amorçage démarrant le processus d'émission secondaire Bien que ce procédé de transfert par rayons X soit relativement inefficace, le courant d'électrons requis pour amorcer l'émission secondaire est si faible que l'émission de filament réussira à réduire l'instabilité.20 En prévoyant le filament 52 dans la structure d'anode plutôt qu'adjacent à la cathode 12, ce mode de réalisation évite le problème d'isolation électrique rencontré dans l'art antérieur Comme pour l'émetteur de champ 30, le filament 52 devra être placé aussi25 proche que possible de l'orifice d'entrée R F 36 de façon à maximiser l'accélération des électrons émis Le filament 52 peut être un fil droit ou en hélice de tungstène ou de tungstène thorié ou un autre métal d'émission En option, le filament 52 peut être revêtu30 d'un oxyde émetteur d'électrons. Après la description d'un mode de réalisation préféré d'un dispositif utilisable dans un amplificateur à champs croisés pour la réduction de l'instabilité, il sera évident, à présent, à l'homme de35 l'art que les objets et avantages établis ci-dessus pour le système en question ont été atteints L'homme là de l'art appréciera, de même, que diverses variantes, adaptations et leurs modes de réalisation en option entreront dans le cadre et l'esprit de la présente invention Par exemple, tandis que l'invention présente l'utilisation d'un seul émetteur de champ 30 ou filament 52 placé adjacent à l'orifice d'entrée 36, on peut envisager, de même, qu'une pluralité de tels dispositifs émetteurs d'électrons puissent être utilisés dans un CFA. REVENDICATIONS 1 Amplificateur amélioré à champs croisés possédant une anode et une cathode créant un champ électrique en travers d'un champ magnétique dans une zone d'interaction, amplificateur ( 10) comprenant un moyen d'émetteur de champ ( 30) raccordé à ladite cathode ( 12) pour l'amorçage des électrons dans ladite zone d'interaction ( 24) lors du démarrage dudit10 amplificateur ( 10) afin de permettre une mise en marche rapide dudit amplificateur ( 10). 2 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'émetteur de champ ( 30) comprend une base à15 semi-conducteur ( 32) possédant une pluralité de fibres ( 34) en extension, les fibres ( 34) constituant des points d'émission des électrons en réponse audit champ électrique. 3 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une fente ( 28) prévue sur la surface externe de ladite cathode ( 12), ledit moyen d'émetteur de champ ( 30) étant placé dans ladite fente ( 28). 4 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fente ( 28) est placée adjacente à un orifice d'entrée R.F dudit amplificateur ( 10). 5 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres ( 34) présentent un dépôt de film mince d'or pour empêcher l'oxydation. 6 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres ( 34) sont constituées d'un disiliciure de35 tantale (Ta Si 2). 7 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la base de semi-conducteur ( 32) est formée de silicium (Si). 8 Amplificateur amélioré à champs croisés possédant une anode et une cathode créant un champ électrique en travers d'un champ magnétique dans une zone d'interaction, amplificateur ( 10) comprenant un moyen d'émission thermo- ionique ( 52) écarté de ladite cathode ( 12) pour fournir des électrons d'amorçage dans1 o ladite zone d'interaction ( 24) lors du démarrage dudit amplificateur ( 10) pour permettre une mise en marche rapide dudit amplificateur ( 10). 9 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen d'émission thermo-ionique comprend un filament ( 52) placé dans un espace prévu entre des ailettes adjacentes d'anode ( 18) dudit amplificateur ( 10). Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit moyen d'émission thermo-ionique ( 52) comprend, de plus, une source de tension externe audit amplificateur ( 10). 11 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit filament ( 52) est un fil droit.25 12 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit filament ( 52) est une hélice de tungstène. 13 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit filament ( 52) est revêtu d'un oxyde émetteur d'électrons. 14 Amplificateur amélioré à champs croisés possédant une anode et une cathode créant un champ électrique en travers d'un champ magnétique dans une zone d'interaction, amplificateur ( 10) comprenant un moyen pour fournir des électrons d'amorçage à ladite cathode ( 12) lors du démarrage dudit amplificateur ( 10) pour permettre une mise en marche rapide dudit amplificateur ( 10). 15 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit moyen comprend un émetteur de champ ( 30) possédant une base à semi-conducteur ( 32) et une pluralité de fibres ( 34) en extension, les fibres ( 34) émettant des électrons en réponse audit champ électrique. 16 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdites fibres ( 34) sont constituées d'un disiliciure de tantale (Ta Si 2). 17 Amplificateur à champs croisés ( 10) 1 S selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une fente ( 28) prévue dans une surface externe de ladite cathode ( 12), ledit émetteur de champ ( 30) étant placé dans ladite fente ( 28). 18 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit moyen comprend un filament ( 52) d'émission thermo- ionique écarté de ladite cathode ( 12), ledit filament ( 52) étant prévu pour être raccordé à une source de tension externe et émettant des électrons en réponse à ladite source de tension. 19 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 18, caractérisé en ce que le filament ( 52) est placé dans un espace séparant des ailettes adjacentes d'anode ( 18) dudit amplificateur30 ( 10). Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 18, caractérisé en ce que le filament ( 52) est un fil de tungstène. 21 Amplificateur à champs croisés comprenant: une structure de cathode ( 12) possédant une surface d'émission d'électrons secondaires lors de l'impact d'électrons incidents d'amorçage; une structure d'anode ( 18) entourant ladite cathode ( 12) et comprenant une pluralité d'ailettes s'étendant radialement; et un moyen pour fournir lesdits électrons d'amorçage à ladite cathode ( 12) au démarrage dudit amplificateur ( 10) pour permettre une mise en marche10 rapide dudit amplificateur ( 10), lesdits électrons d'amorçage provenant d'une zone séparée de ladite surface émettrice de ladite cathode ( 12). 22 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 21, caractérisé en ce que ledit moyen comprend un émetteur de champ ( 30) placé dans une fente ( 28) prévue dans ladite surface d'émission. 23 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 22, caractérisé en ce que ledit émetteur de champ ( 30) comprend, de plus, une base à semi-conducteur ( 32) et une pluralité de fibres ( 34) en extension, les fibres ( 34) émettant lesdits électrons d'amorçage. 24 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 21, caractérisé en ce que ledit moyen comprend un filament ( 52) d'émission thermo- ionique placé dans ladite structure d'anode ( 18), ledit filament ( 52) étant prévu pour être raccordé à une source de tension externe et émettant des électrons en réponse à ladite source de tension.30 25 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 24, caractérisé en ce que le filament ( 52) est placé dans un espace séparant des ailettes adjacentes desdites ailettes d'anode ( 18).