Brevet FR2742580A1 — publié le 19970620

COLLECTEUR D'ELECTRONS A EMISSION SECONDAIRE REDUITE La présente invention se rapporte aux collecteurs multiétages pour tubes électroniques de type "O" comme les klystrons et les tubes à ondes progressives. Ces tubes comportent un canon à électrons produisant un faisceau d'électrons à travers un dispositif d'interaction, les électrons étant recueillis en sortie du dispositif d'interaction dans un collecteur. La puissance hyperfréquence du tube provient de la transformation de l'énergie cinétique des électrons lors de leur interaction avec l'onde incidente, dans le dispositif d'interaction. A leur sortie du dispositif d'interaction, les électrons ont encore de l'énergie et pour améliorer le rendement du tube, il est connu de ralentir les électrons par utilisation d'un collecteur multiétage. Les étages sont portés à des potentiels décroissants plus on s'éloigne du dispositif d'interaction. L'étage le plus éloigné du dispositif d'interaction est généralement porté à un potentiel proche de ou égal à celui de la cathode du canon. Les électrons les plus lents sont interceptés par le premier étage, les plus rapides par les autres étages. Un tri des électrons s'effectue ainsi en fonction de leur vitesse. L'efficacité d'un collecteur multiétage dépend de la qualité du tri des électrons en fonction de leur vitesse, du piégeage des électrons incidents qui peuvent être réfléchis après avoir percuté un étage du collecteur et des électrons dits secondaires qui peuvent etre émis lors de l'impact d'un électron incident sur un étage du collecteur. Les électrons réfléchis et secondaires peuvent retoumer vers les étages précédents et même vers le dispositif d'interaction, ce qui n'est pas souhaitable. II apparait que l'émission secondaire constitue un phénomène parasite important pouvant entrainer une dégradation de la variation du gain en petit signal en fonction de la fréquence, I'apparition de raies parasites, une augmentation du bruit, des oscillations et un bombardement du dispositif d'interaction lorsque les électrons secondaires sont réinjectés vers le dispositif d'interaction. Les collecteurs multiétages qui existent actuellement appartiennent à plusieurs catégories. Les collecteurs à déflexion électrostatique ont comme inconvénient majeur l'effet de divergence rapide des électrons ce qui ne permet pas aux électrons rapides d'aller jusqu'au fond du collecteur. Un tel collecteur est représenté à la figure la. Il comporte n (n entier 2 2) étages formés chacun d'une électrode el, e2, ... en de rang 1 à n. Dans l'exemple n = 4. L'électrode e1 est située en sortie du dispositif d'interaction 1 et la dernière électrode e4 forme le fond 2 du collecteur. Les potentiels des électrodes successives décroissent plus on se rapproche du fond 2. Deux électrodes successives sont e1, e2 séparées par une entretoise 3 diélectrique. Les trajectoires des électrons sont représentées par les flèches. Dans ce type de collecteur multiétage, les électrons secondaires ne sont pas générés, car l'électrode en de rang n crée un champ électrique à proximité de l'électrode en-I de rang n-l, ce qui empêche les électrons secondaires de quitter leur support. Au niveau du fond 2 du collecteur, une pointe 4 centrale, portée généralement au potentiel de la cathode du canon peut éviter que les électrons secondaires ne s'échappent de la dernière électrode e4. Cette pointe 4 est isolée électriquement de la demière électrode e4 par une entretoise diélectrique 5. II existe aussi des collecteurs de type à "boite" à déflexion électrostatique. Un tel collecteur est représenté sur la figure I b. Au moins un étage du collecteur a la forme d'une botte, c'est-à-dire qu'il comporte une paroi d'entrée 10 et une paroi de sortie 11. S'il s'agit d'un étage en-l de rang n-1, les parois d'entrée 10 et de sortie 11 sont munies d'ouvertures 1 osa, Il a dans leur zone centrale pour qu'elles puissent être traversées par les électrons les plus rapides. Au niveau du demier étage en de rang n, seule la paroi d'entrée 10 comporte une ouverte iota. Chaque étage en peut être considéré comme un espace de glissement 12 équipotentiel et le faisceau d'électrons ne diverge pratiquement que sous l'effet de sa charge d'espace. Le tri est bien meilleur qu'avec la structure de la figure la, si les étages sont assez grands et les ouvertures également. L'inconvénient majeur réside dans le fat que rien ne s'oppose à l'émission d'électrons secondaires dans les espaces 12. Il a été proposé de recouvrir l'intérieur des espaces 12 avec un matériau à faible taux d'émission secondaire comme le carbone, mais cette solution comporte néanmoins des limites car le coefficient d'émission secondaire ne descend pas en dessous de 0,5, ce qui signifie que deux électrons primaires génèrent un électron secondaire. Pour réduire encore la divergence du faisceau d'électrons dans un collecteur à botte tel que celui de la figure lb, il a été proposé de lui associer un champ magnétique longitudinal de refocalisation en plaçant des aimants 15 extérieurement à sa périphérie. Ce champ permet de réduire la taille des ouvertures 10a, lita, ce qui assure un meilleur piégeage des électrons secondaires qui ont alors du mal à s'échapper des espaces 12. Cette variante est illustrée par la figure I c. L'inconvénient de ce collecteur est de nécessiter des aimants dans une zone chaude, à un endroit qui doit être refroidi efficacement. Par ailleurs, le réglage du champ magnétique optimisant le fonctionnement est très critique. La présente invention propose de réduire efficacement l'émission secondaire dans un collecteur multiétage, tout en optimisant le tri des électrons en fonction de leur vitesse. La présente invention propose un collecteur d'électrons avec une succession d'étages de rang 1 à n (n entier, n 2 2) portés à des potentiels décroissants plus leur rang augmente. Au moins l'un d'entre eux, de rang m, (m entier, 1 L'étage de rang m + 1 comporte un ou plusieurs appendices qui se projettent vers l'étage de rang m, I'extrémité des appendices faisant saillie dans l'espace. Les appendices créent sur les parois de l'espace un champ électrique retardateur qui élimine l'émission d'électrons secondaires. La présente invention concerne également un tube électronique équipé d'un tel collecteur. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description d'exemples de réalisation de l'invention, illustrée par les figures annexées, dans lesquelles: - les figures 1 a, I b, I c, déjà décrites représentent des collecteurs d'électrons connus, dans des vues partielles, en coupe longitudinale; - les figures 2a, 2b représentent un collecteur selon l'invention dans des vues partielles en coupe longitudinale et transversale; - la figure 3 représente un tube électronique conforme à l'invention équipé d'un collecteur selon l'invention dans une vue partielle en coupe longitudinale; - les figures 4a, 4b représentent deux variantes d'un collecteur selon l'invention dans des vues partielles en coupe transversale. Sur ces dessins, I'échelle n'est pas toujours respectée dans un souci de clarté. On a cherché à conserver les mêmes références pour les mêmes éléments d'une figure à l'autre. Les figure 2a et 2b montrent de manière schématique, un exemple d'un collecteur multiétage conforme à l'invention. Seule une moitié du collecteur est représentée. Ce collecteur d'électrons est placé en sortie d'un dispositif d'interaction 20. Il est construit autour d'un axe xx'. II comporte à partir de l'espace d'interaction 20 une succession d'étages el, e2,... en de rang 1 à n (n entier, n 2 2). Ici n vaut 4. Ces étages sont portés à des potentiels décroissants plus le rang de l'étage augmente. Les étages successifs sont séparés par des entretoises diélectriques 21. Au moins un des étages em (m entier, 1 Les parois d'entrée 23 de tous les étages ex, ..., en comportent une ouverture centrale 23a pour laisser pénétrer les électrons du faisceau qui proviennent du dispositif d'interaction 20. Les trajectoires des électrons du faisceau sont symbolisées par les flèches. Les parois de sortie 24 des étages, à l'exception de celle du dernier étage en, comportent une ouverture centrale 24a pour laisser sortir les électrons du faisceau qui se dirigent vers l'étage suivant. Au niveau de l'étage de rang n, la seconde paroi 24 est pleine, elle forme un fond au collecteur. Pour éviter l'émission secondaire d'électrons dans l'espace 22 de l'étage em de rang m, L'étage em + 1 de rang m + I est équipé d'un ou plusieurs appendices 25 qui se projettent vers l'étage em de rang m et dont les extrémités font saillie dans l'espace 22. Dans l'exemple décrit, les étages e2 à e4 sont équipés d'appendices 25. Ces appendices 25 créent sur les parois 23, 24 de l'espace 22 un champ électrique retardateur qui empeche les électrons secondaires qui pourraient apparaitre lors du bombardement par les électrons du faisceau, d'être émis. Ces appendices 25 piègent les électrons secondaires qui ne peuvent être accélérés. Pour améliorer l'efficacité du piège, il est préférable de répartir plusieurs appendices dans l'espace 22. La figure 2b montre deux appendices 25 par demi étage. La présence des appendices 25 ne perturbe pratiquement pas les trajectoires des électrons du faisceau, car le champ électrique qu'ils créent n'est guère sensible au niveau des ouvertures centrales 23a, 24a. La forme des appendices peut être quelconque, cette dernière n'est pas critique. La paroi de sortie 24 de l'étage em de rang m, la plus proche de l'étage em + 1 de rang m + 1 comporte des orifices 26 pour laisser passer les appendices 25. Les ouvertures centrales 23a, 24a des différents étages vont généralement en s'évasant plus on s'éloigne du dispositif d'interaction 20. Les appendices 25 ont des pieds qui peuvent etre décalés d'un étage au suivant. Sur la figure 2b, on voit que les pieds des appendices 25 issus du demier étage e4 sont plus éloignés de l'axe xx' que ceux des appendices 25 issus de l'étage e3. Le décalage est radial. Le décalage peut également être angulaire d'un étage au suivant comme l'illustre la figure 4a. II est bien sur envisageable que les pieds des appendices 25 soient situés sensiblement à la méme distance de l'axe xx'. Sur la figure 3, les pieds des appendices 25 d'un étage au suivant sont en vis à vis et sur la figure 4b, ils sont décalés angulairement. La figure 3 représente un tube électronique selon l'invention équipé d'une variante d'un collecteur multiétage selon l'invention. Le tube est construit autour d'un axe xx'. II comporte un canon à électrons 300 qui émet un faisceau d'électrons 301 dans un dispositif d'interaction 305. A la sortie du dispositif d'interaction 305, les électrons du faisceau sont recueillis dans le collecteur 310. Plusieurs différences existent entre ce collecteur 310 et celui des figures 2a, 2b. L'une d'entre elles se situe au niveau du fond du collecteur 310. Une pointe 30 se projette de la seconde paroi 24 du demier étage e4 vers l'intérieur du collecteur. Cette pointe 30 est portée à un potentiel plus négatif que celui de l'étage e4. Ce potentiel peut être celui de la cathode du canon. Une entretoise diélectrique 31 isole cette pointe 30 de l'étage e4. Cette pointe 30 est destinée à piéger les électrons secondaires qui pourraient être générés dans le demier étage e4 par les électrons du faisceau percutant le fond du collecteur 310. Cette pointe 30 est placée dans la zone centrale de la seconde paroi 24 mais ce n'est qu'un exemple. D'ailleurs, plusieurs pointes pourraient être utilisées. Une autre différence se situe à l'extérieur du collecteur 310, qui est équipé de moyens de focalisation 33. Dans l'exemple ce sont des aimants, des bobines auraient été possibles. Une autre différence se situe au niveau de la paroi de sortie 24 des étages traversée par les appendices 25. La paroi est en forme de grille avec des mailles 34 et les appendices 25 traversent les mailles 34. Sur la figure 3, seule une maille 34 est visible, mais plusieurs mailles peuvent être réparties en couronne autour de l'ouverture centrale 24a par exemple. Dans cet exemple, grâce à la présence des moyens de focalisation 33, le faisceau d'élections 301 diverge moins et les ouvertures centrales 23a, 24a peuvent étre plus étroites. D'un étage au suivant, les pieds des appendices 25 ont été représentés sensiblement à la meme distance de l'axe xx' et ils sont en vis à vis. Les figures 4a et 4b montrent des variantes d'un collecteur selon l'invention qui est comparable à celui des figures 2a, 2b. Sur la figure 4a, d'un étage à l'autre, les pieds des appendices sont situés sensiblement à la meme distance de l'axe xx'. Dans cette variante ils sont décalés angulairement par rapport à l'axe xx'. Sur la figure 4b, d'un étage à l'autre, les pieds des appendices 25 sont situés à des distances différentes de l'axe xx, et décalés angulairement par rapport à l'axe zone Un collecteur selon l'invention présente de nombreux avantages. Les appendices empêchent l'émission secondaire sans perturber notablement l'optique électronique du collecteur. Aucune tension supplémentaire, aucune contrainte d'isolement supplémentaire ne sont nécessaires. L'ajout des appendices ne diminue aucunement la fiabilité du collecteur. REVENDICATIONS 1. Collecteur d'électrons comportant une succession d'étages (el, e2, .. en) de rang I à n (n entier, n 2 2), portés à des potentiels décroissants plus leur rang augmente, au moins l'un d'entre eux (em) de rang m, (m entier, I s m 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (24) de l'étage (em) de rang m, la plus proche de l'étage (em + 1) de rang m + 1 comporte des orifices (26) pour laisser passer les appendices (25). 3. Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi (24) de l'étage (em) de rang m, la plus proche de l'étage (em + 1) de rang m + 1, est une grille, les orifices étant formés par les mailles (34) de la grille. 4. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 3, construit autour d'un axe (xx'), possédant plusieurs étages (e1, e2) comportant des appendices (25), caractérisé en ce que d'un étage (e1) à l'autre (e2), les pieds des appendices (25) sont situés sensiblement à la même distance de l'axe (xx'). 5. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 3, construit autour d'un axe (xx'), possédant plusieurs étages (e1, e2) comportant des appendices (25), caractérisé en ce que d'un étage (e1) à l'autre (e2), les pieds des appendices (25) sont situés à des distances différentes de l'axe (xx'). 6. Collecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pieds des appendices (25) sont en vis à vis. 7. Collecteur selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les pieds des appendices (25) sont décalés angulairement par rapport à l'axe (xx'). 8. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte extérieurement, à sa périphérie, des moyens de focalisation (33) des électrons tels que des aimants. 9. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une pointe (30) supportée par le demier étage (en) de rang n, pénètre à l'intérieur du collecteur, dans sa région centrale, cette pointe étant portée à un potentiel plus négatif que celui de l'étage (en) qui la supporte. 10. Tube électronique caractérisé en ce qu'il est équipé d'un collecteur selon l'une des revendications 1 à 9.