Brevet FR2699003A1 — publié le 19940610

i La présente invention concerne un collecteur de faisceau d'électrons et, plus particulièrement, un collecteur refroidi par conduction pouvant fonctionner sous haute dépression sans claquage de tension. De nombreux dispositifs électroniques utilisent un courant mobile de particules chargées, telles que des électrons formées en un faisceau comme fonction10 essentielle du fonctionnement du dispositif Dans un dispositif à faisceau linéaire, un faisceau d'électrons sortant d'un canon à électrons doit se propager dans un tunnel ou tube à champ interne, contenant en général une structure à interaction R F Dans la structure à15 interaction, le faisceau d'électrons doit être focalisé par des champs magnétiques ou électrostatiques de façon à être transporté, de façon effective, dans la structure à interaction sans perte d'énergie Dans la structure à interaction, l'énergie cinétique est20 transférée des électrons mobiles du faisceau sur une onde électromagnétique se propageant dans la zone d'interaction à environ la même vitesse que les électrons mobiles Les électrons abandonnent leur énergie à l'onde électromagnétique par un processus d'échange dit d'interaction électronique qui est rendu évident par une vitesse réduite du faisceau d'électrons à partir de la zone d'interaction. Ces électrons "délestés" passent la zone d'interaction o ils frappent et sont récupérés par un élément final appelé le collecteur Le collecteur récupère et retourne les électrons incidents à la source de tension La plupart de l'énergie restante dans les particules chargées est libérée sous la forme de chaleur lorsque les particules frappent un élément35 fixe tel que les parois du collecteur - Le collecteur d'électrons peut soit être directement monté sur le corps du dispositif R F. contenant la structure d'interaction R F, soit être électriquement isolé de la structure Les collecteurs isolés peuvent fonctionner à une tension nettement inférieure à celle du dispositif R F et sont connus comme collecteurs à dépression En faisant fonctionner le collecteur dans un état de dépression, le champ électrique dans le collecteur ralentit les électrons mobiles de façon à ce qu'ils puissent être collectés à une vitesse réduite Ce procédé augmente l'efficacité électrique du dispositif R F tout en réduisant une génération thermique indésirable dans le collecteur. Des collecteurs à dépression sont décrits dans le Brevet U S NO 4 794 303 de Hechtel et ass appartenant au même titulaire que la présente invention et incorporé ici en référence. Un collecteur à dépression utilise usuellement une structure métallique externe qui est fixée au dispositif R F et forme une partie de l'enveloppe sous vide de la zone d'interaction Une structure métallique interne est centrée dans la structure externe et sert de récipient pour le faisceau d'électrons Ces structures de collecteur sont souvent de forme25 cylindrique mais d'autres formes en option sont utilisées Pour maintenir la structure interne en place et pour assurer une conductivité thermique et une isolation électrique, des ensembles de séparation sont prévus, joignant les structures externe et interne Les30 ensembles de séparation doivent assurer la conduction de la chaleur de la structure interne à la structure externe de façon à ce que la chaleur puisse finalement être évacuée du dispositif. Pour assurer le champ électrique à des pressions dans la structure interne, une tension fortement négative est appliquée à la structure interne Comme la tension de la structure externe est équivalente à celle du dispositif R F, une différence de tension existe entre les structures interne et externe du collecteur, créant un champ électrique entre les structures. L'ensemble de séparation doit être fortement isolé, d'un point de vue électrique, de façon à empêcher une conduction électrique entre les structures Si la différence de tension devient trop grande, une condition de claquage peut survenir selon laquelle des ponts d'arc électrique apparaissent sur la surface d'un ou de plusieurs des ensembles de séparation Cette condition de claquage risque réduire, de façon significative, l'efficacité du collecteur à dépression et dans certains cas, risque d'endommager la structure. Pour assurer la qualité requise d'isolation électrique, on utilise usuellement des matériaux de céramique dans l'ensemble de séparation Ces composants en céramique peuvent prendre diverses formes, comprenant des feuilles solides de matériaux de céramique remplissant partiellement ou complètement l'espace du champ, des sphères disposées, de façon uniforme, dans l'espace du champ et des patins rectangulaires conformés pour maximiser l'écart de tension Cependant, ces conceptions de séparation selon l'art antérieur n'ont entraîné que peu de résultats désirés à cause des grandes tensions et des charges thermiques subies par les dispositifs R F modernes. Les conceptions en feuille de céramique sont, d'ordinaire, incapables de sublr de fortes charges30 thermiques sans se fissurer Les conceptions en forme de sphère ou de patin ne sont pas capables de supporter de grandes différences de tension sans arc Alors, les conceptions de séparation selon l'art antérieur sont incapables de procurer les niveaux acceptables, à la35 fois, de conductivité thermique et de- résistance au claquage de tension. Par conséquent, on cherche à obtenir un collecteur à refroidissement par conduction et à forte dépression possédant une grande capacité de conduction thermique et une grande résistance au claquage de tension On recherche, de même, un collecteur à dépression possédant une conception de séparation combinant un court trajet thermique dans la séparation avec un long trajet de claquage de tension sur la surface de la séparation. Ainsi, un objet principal de la présente invention est de fournir un collecteur refroidi par conduction à forte dépression possédant une capacité de conduction thermique et une résistance au claquage de tension acceptables. Un autre objet de la présente invention est de fournir une conception de séparation pour un collecteur refroidi par conduction combinant un court trajet thermique dans la séparation avec un trajet de conduction électrique relativement long en travers de la surface de la séparation. Pour obtenir les susdits objets et selon le but de l'invention, un collecteur d'électrons est prévu pour collecter les électrons délestés, générés par un dispositif à particules chargées après leur passage dans une zone d'interaction d'un circuit R F Le collecteur comprend une structure externe de collecteur couplée au circuit R F Une structure interne de collecteur est placée dans la structure externe et reçoit les électrons délestés Une tension négative est appliquée à la structure interne, créant un champ électrique entre la structure interne et la structure externe Une pluralité d'ensembles de séparation, à conduction thermique et à isolation électrique, s'étendent entre les structures externe et interne.35 Chacun des ensembles comprend une pièce plane, non conductrice de l'électricité, centrée dans une paroi externe non conductrice et des obturateurs à conduction thermique et électrique joignant chaque côté de la pièce plane à une structure respective des structures de collecteur Un axe de symétrie de chaque ensemble s'étend parallèlement à un vecteur du champ électrique défini par le champ électrique entre les structures externe et interne de collecteur Comme les obturateurs conducteurs sont partiellement entourés par les parois externes, un trajet de claquage de tension relativement long est constitué entre les obturateurs avec un trajet thermique relativement court sur la largeur de la pièce plane. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, les structures de collecteur ont une forme cylindrique, la structure interne étant placée concentriquement à la structure externe Les ensembles de séparation s'étendent radialement entre les structures interne et externe du collecteur La pièce plane est en forme de disque et la paroi externe est globalement cylindrique, constituant une forme de double coupelle La pièce plane et la paroi externe sont agencées, de façon unitaire, avec un matériau de céramique présentant les propriétés désirées d'isolation électrique. Une meilleure compréhension du collecteur refroidi par conduction, à forte dépression et à grande capacité thermique, de la présente invention, sera assurée pour l'homme de l'art ainsi qu'une réalisation de ses avantages et objets additionnels, à l'aide de la30 description détaillée suivante du mode de réalisation préféré On fera référence aux planches annexées des dessins qui seront tout d'abord brièvement décrits. La Figure 1 est une vue de section du collecteur refroidi par conduction de la présente invention couplé à un dispositif R F à titre d'exemple; la Figure 2 est une vue de section du collecteur refroidi par conduction selon la section 2-2 de la Figure 1; la Figure 3 est une vue latérale du collecteur refroidi par conduction selon la section 3-3 de la Figure 2; la Figure 4 est une vue d'extrémité d'un ensemble de séparation pour le collecteur refroidi par conduction; et la Figure 5 est une vue latérale de section de l'ensemble de séparation selon la section 5-5 de la Figure 4. En référence tout d'abord aux Figures 1 à 3, un collecteur refroidi par conduction 10 de la présente invention est illustré. Le collecteur refroidi par conduction 10 est couplé à un dispositif R F 12 possédant une zone d'interaction 16 et une ligne centrale 14 Comme connu dans le domaine de l'art, un faisceau d'électrons est projeté dans la zone d'interaction 16 le long de la ligne centrale 14 dans laquelle il transfère l'énergie à une onde électromagnétique se propageant dans le dispositif R F 12 Après avoir traversé le dispositif R.F 12, le faisceau d'électrons sort du dispositif et pénètre dans une zone de godet 18 du collecteur 10. Plutôt que de suivre la ligne centrale 14, les électrons délestés du faisceau se dissipent en frappant les surfaces internes de la zone de godet 18 et l'extrémité arrière 22 du godet.30 On suppose que le collecteur 10 fonctionne selon un mode à haute dépression de façon à renforcer la dissipation des électrons délestés sortant du dispositif R F 12 Pour mettre en dépression le collecteur 10, le collecteur 10 comprend une structure35 externe 24 et une structure interne 26 La structure interne 26 est placée dans la structure externe 24 selon une amplitude prédéterminée de séparation Dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, les structures de collecteurs sont de forme cylindrique, la structure interne 26 étant placée concentriquement à la structure externe 24. Un connecteur électrique traversant 28 traverse le panneau arrière 64 et fournit une tension d'une source de tension externe 60 à la structure interne 26. Le connecteur électrique traversant 28 possède un manchon isolé entourant un fil raccordant de façon électrique la structure interne à la source de tension externe 60 La tension fournie à la structure interne 26 et fortement négative par rapport à la structure externe 24 qui est électriquement raccordée au dispositif R F 12 et à la masse On suppose que la tension appliquée à la structure interne 26 est d'environ moins 15 000 V lorsque la séparation entre la structure interne 26 et la structure externe 24 est d'environ 0,4 pouces Par cette différence significative de tension, un champ électrique est formé entre la structure interne 26 et la structure externe 24. Une pluralité d'ensembles de séparation 30 fixent la structure interne 26 dans la structure externe 24. Dans le mode de réalisation préféré, les ensembles de séparation 30 s'étendent radialement entre la structure interne 26 et la structure externe 24 et suspendent la structure interne 26 en place dans la structure externe 24 Le but des ensembles de séparation 30 est de conduire la chaleur de la structure interne 26 à la structure externe 24 et d'assurer une isolation électrique de la structure interne 26 La chaleur conduite dans la structure externe 24 peut alors être éliminée du dispositif par des techniques connues de convexion, de conduction ou de rayonnement Les ensembles de séparation 30 doivent aussi assurer une isolation électrique de la structure interne 26, à la fois, en empêchant un claquage de surface entre les ensembles de séparation 30 et un claquage direct dans la séparation sous vide entre la structure externe 24 et la structure interne 26 Alors, les ensembles de séparation 30 doivent être fortement isolants de l'électricité et fortement conducteurs de la chaleur. En référence à présent aux Figures 4 et 5, les ensembles de séparation 30 sont illustrés plus en 1 o détails Chacun des ensembles comprend un isolant 32 et une paire d'obturateurs 42 et 52 Les ensembles de séparation 30 présentent un axe de symétrie 66 selon lequel les moitiés de l'ensemble sont de forme et de taille équivalentes Dans un mode de réalisation de la15 présente invention, on suppose que les ensembles de séparation 30 ont un diamètre d'environ 0,5 pouce. L'isolant 32 possède une pièce plane 34 centrée dans une paroi externe 36 constituant une forme de double coupelle Dans le mode de réalisation préféré,20 la pièce plane 34 est ronde et la paroi externe 36 a une forme cylindrique On remarquera qu'une forme arrondie de l'isolant 32 conduira, en particulier, à des techniques de fabrication connues Cependant, on suppose, de même, que des formes en option pour la25 pièce plane 34 et la paroi externe 36 sont utilisées de façon avantageuse, telles qu'une forme rectangulaire. Dans le mode de réalisation préféré, l'isolant 32 sera constitué d'un matériau de céramique tel qu'un oxyde de béryllium et la pièce plane 34 et la paroi30 externe 36 seront agencées, de façon unitaire, à partir d'un seul lingot de céramique Cependant, on remarquera que les deux composants peuvent aussi être structurés de façon individuelle et combinés lors de la fabrication Les pièces planes 34 sont placées de telle35 façon que l'axe de symétrie 66 de l'ensemble soit parallèle au vecteur du champ électrique Ce positionnement réduit la possibilité de claquage de surface dans l'isolant 32 Dans une configuration utilisant une structure interne 26 cylindrique dans une structure externe 24 cylindrique, l'axe de symétrie 66 5 sera parallèle à un vecteur radial de la ligne centrale 14 du collecteur 10 Comme le champ électrique entre la structure interne 26 et la structure externe 24 est dirigé de façon radiale, l'axe de symétrie sera parallèle au vecteur du champ électrique. L'épaisseur de la pièce plane 34 devra être choisie de façon à équilibrer les conditions thermiques, électriques et structurelles du composant. Comme la pièce plane 34 est susceptible, de plus, à un claquage dans la masse directement à travers son15 matériau de céramique, une augmentation de l'épaisseur du matériau augmente sa résistance au claquage dans la masse De plus, un accroissement de l'épaisseur de la pièce plane 34 réduit la possibilité d'un dommage structurel de l'isolant 32, c-à-d une fissuration.20 Cependant, si l'épaisseur est trop augmentée, la conductivité thermique du ensembles de séparation 30 se dégrade Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'épaisseur de la pièce plane 34 est d'environ 0,070 pouce.25 A la fois, l'obturateur interne 42 et l'obturateur externe 52 sont réalisés en un matériau conducteur de l'électricité et de la chaleur et joignent respectivement l'isolant 32 à la structure externe 24 et à la structure interne 26 L'obturateur30 interne 42 possède une première surface 44 en contact avec la pièce plane 34 et une seconde surface 48 en contact avec la surface externe de la structure interne 26 A l'inverse, l'obturateur externe 52 possède une première surface 56 en contact avec la surface interne de la structure externe 24 et une seconde surface 58 en contact avec la pièce plane 34 On suppose que l'obturateur interne 42 et l'obturateur externe 52 sont fixés à l'isolant à l'aide d'une technique connue de fixation, comme par brazage L'obturateur interne 42 et l'obturateur externe 52 peuvent aussi être soudés respectivement à la structure interne 26 et à la structure externe 24 ou peuvent être fixés par d'autres techniques de fixation, comme par vis ou par boulons. Le diamètre de la paroi externe 36 de l'isolant 32 est légèrement supérieur à celui de l'obturateur interne 42 et de l'obturateur externe 52 de façon à ce qu'un intervalle soit créé entre eux Cet intervalle remplit un certain nombre de fonctions importantes, un trajet allongé de claquage en surface étant constitué entre l'obturateur interne 42 et l'obturateur externe 52 Le claquage de tension en surface doit passer de l'obturateur à la pièce plane 34 vers la partie interne de la paroi externe 36, puis à travers la partie externe de la paroi externe et en retour vers la partie interne de la paroi externe, finalement à travers la pièce plane pour atteindre l'obturateur externe 52. L'intervalle permet, de même, une dilatation thermique des obturateurs à cause des fortes températures subies par le collecteur 10. Après cette description d'un mode de réalisation préféré d'un collecteur refroidi par conduction pouvant fonctionner sous haute dépression sans claquage de tension, il sera évident, à présent, pour l'homme de l'art que les objets et avantages établis ci-dessus pour le système concerné ont été atteints Il sera évident, de même, pour l'homme de l'art que diverses variantes, adaptations et modes de réalisation en option peuvent être apportés dans le cadre et l'esprit de la présente invention Par exemple, les Figures illustrent une configuration de collecteur possédant35 six ensembles de séparation 30 placés radialement selon la structure interne 26, avec six rangées d'ensembles de séparation 30 s'étendant sur la longueur du cylindre Le collecteur peut présenter, de même, des formes en option parallèlement à la forme cylindrique, comprenant des configurations rectangulaire ou plane. On remarquera que l'on peut utiliser, de façon avantageuse, un nombre et un emplacement différents pour les ensembles de séparation 30 selon la taille et la forme du collecteur. REVENDICATIONS 1 Collecteur d'électrons pour la récupération des électrons délestés, générés par un dispositif à particules chargées après passage dans une zone d'interaction d'un circuit R F, collecteur comprenant: une structure externe ( 24) couplée au circuit R. F; une structure interne ( 26) dans la structure externe, la structure interne recevant lesdits électrons délestés; et une pluralité d'ensembles de séparation ( 30), conducteurs de la chaleur et isolants de l'électricité, s'étendant entre lesdites structures externe et interne ( 24, 26), chacun desdits ensembles ( 30) comprenant une pièce plane ( 34) centrée dans une paroi externe et des obturateurs conducteurs ( 42, 52) joignant chaque côté de ladite pièce plane à une structure respective desdites structures; et un moyen ( 28) pour fournir une tension négative à ladite structure interne ( 26), ladite tension formant un champ électrique entre lesdites structures interne et externe ( 26, 24). 2 Collecteur d'électrons selon la revendication 1, dans lequel lesdits obturateurs sont partiellement entourés par lesdites parois externes, constituant un trajet de claquage en surface relativement long entre lesdits obturateurs. 3 Collecteur d'électrons selon la revendication 2, dans lequel ladite pièce plane ( 34) est réalisée en un matériau de céramique d'oxyde de béryllium. 4 Collecteur d'électrons selon la revendication 3, dans lequel lesdits obturateurs sont réalisés en un matériau de cuivre. Collecteur d'électrons selon la revendication 1, dans lequel lesdites structures interne et externe ( 26, 24) ont une forme globalement cylindrique possédant une ligne centrale commune telle que ladite structure interne ( 26) est placée, de façon concentrique, dans ladite structure externe ( 24). 6 Collecteur d'électrons selon la revendication 5, dans lequel lesdits ensembles de séparation ( 30) s'étendent radialement entre lesdites 1 o structures interne et externe ( 26, 24). 7 Collecteur d'électrons selon la revendication 6, dans lequel chacun desdits ensembles de séparation ( 30) possède un axe de symétrie s'étendant parallèlement à un vecteur radial s'étendant de ladite ligne centrale. 8 Collecteur d'électrons selon la revendication 7, dans lequel ledit axe de symétrie s'étend parallèlement à un vecteur du champ électrique défini par ledit champ électrique. 9 Collecteur d'électrons selon la revendication 4, dans lequel lesdits obturateurs sont soudés auxdites pièces planes. Perfectionnement à un collecteur d'électrons pour la récupération d'électrons délestés, générés par un dispositif à particules chargées après passage dans une zone d'interaction d'un circuit R F, le collecteur possédant une ligne centrale et comprenant une structure externe ( 24) couplée au circuit R F et une structure interne ( 26) située dans30 la structure externe ( 24) et placée pour recevoir lesdits électrons délestés, ledit collecteur possédant, de plus, une tension appliquée à ladite structure interne ( 26), formant un champ électrique entre lesdites structures interne et externe ( 26, 24), le35 perfectionnement comprenant des moyens, conducteurs de la chaleur et isolants de l'électricité, pour suspendre ladite structure interne ( 26) dans ladite structure externe ( 24), lesdits moyens comprenant une pluralité d'ensembles de séparation ( 30) s'étendant radialement entre lesdites structures externe et interne ( 24, 26), chacun desdits ensembles ( 30) comprenant une pièce en forme de double coupelle, perfectionnement selon lequel chacun desdits ensembles de séparation ( 30) possède un axe de symétrie s'étendant parallèlement à un vecteur radial s'étendant de ladite ligne centrale. 11 Perfectionnement selon la revendication , dans lequel chacune desdites pièces en forme de coupelle comprend, de plus, une pièce plane ( 34) centrée dans les parois externes et des obturateurs conducteurs ( 42, 52) joignant chaque côté desdites pièces planes à une structure respective desdites structures ( 26, 24). 12 Perfectionnement selon la revendication 11, dans lequel lesdits obturateurs sont partiellement entourés par lesdites parois externes, constituant un trajet de claquage de tension relativement long entre lesdits obturateurs. 13 Perfectionnement selon la revendication 12, dans lequel lesdites pièces en forme de coupelle sont réalisées en un matériau de céramique d'oxyde de béryllium. 14 Perfectionnement selon la revendication , dans lequel lesdites structures interne et externe ( 26, 24) ont une forme globale cylindrique et sont symétriques selon ladite ligne centrale, ladite structure interne ( 26) étant concentrique à ladite structure externe ( 24). Perfectionnement selon la revendication 14, dans lequel lesdits ensembles de séparation ( 30) s'étendent radialement entre lesdites structures interne et externe ( 26, 24). 16 Collecteur d'électrons pour la récupération des électrons délestés, générés par un dispositif à particules chargées, le collecteur comprenant une ligne centrale et: 5 une structure externe ( 24) et une structure interne ( 26) dans la structure externe ( 24), la structure interne ( 26) recevant lesdits électrons délestés; un moyen pour fournir une tension négative à io ladite structure interne ( 26) cylindrique, ladite tension formant un champ électrique entre lesdites structures interne et externe ( 26, 24); des moyens pour raccorder lesdites structures interne et externe ( 26, 24), lesdits moyens de raccordement conduisant la chaleur entre lesdites structures interne et externe ( 26, 24) et empêchant un claquage électrique entre lesdites structures ( 26, 24) dû audit champ électrique, les moyens de raccordement possédant un axe de symétrie s'étendant20 parallèlement à un vecteur radial s'étendant de ladite ligne centrale. 17 Collecteur d'électrons selon la revendication 16, dans lequel ledit moyen de raccordement comprend de plus:25 une pièce plane ( 34) centrée dans une paroi externe présentant une forme de double coupelle; et des obturateurs conducteurs ( 42, 52) joignant chaque côté de ladite pièce plane ( 34) à une structure respective desdites structures interne et externe ( 26,30 24). 18 Collecteur d'électrons selon la revendication 17, dans lequel lesdits obturateurs sont partiellement entourés par lesdites parois externes, constituant un trajet de claquage de tension en surface35 relativement long entre lesdits obturateurs. 19 Collecteur d'électrons selon la revendication 18, dans lequel lesdites pièces planes sont réalisées en un matériau de céramique d'oxyde de béryllium.5 20 Collecteur d'électrons selon la revendication 16, dans lequel lesdites structures interne et externe ( 26, 24) ont une forme globale cylindrique, ladite structure interne ( 26) étant placée concentriquement à ladite structure externe ( 24).10 21 Collecteur d'électrons selon la revendication 20, dans lequel lesdits ensembles de séparation ( 30) s'étendent radialement entre lesdites structures interne et externe ( 26, 24).