Brevet FR2737340A1 — publié le 19970131

TUBE ELECTRONIQUE MULTIFAISCEAU A COUPLAGE CAVITEIFAISCEAU AMELIORE La présente invention se rapporte au domaine des tubes électroniques multifaisceaux à cavités tels que les klystrons multifaisceaux. Un klystron multifaisceau comporte plusieurs faisceaux d'électrons élémentaires longitudinaux parallèles produits par un ou plusieurs canons. Ces faisceaux traversent une succession de cavités résonnantes. Deux cavités successives sont séparées par des tubes de glissement qui contiennent les faisceaux entre les cavités. Les tubes de glissement se terminent dans les cavités par des becs, deux becs en vis-à-vis définissant un espace d'interaction. Le fait de multiplier le nombre des faisceaux permet, comparativement à un klystron monofaisceau de même puissance, de diminuer la haute tension, le courant total étant plus élevé. Cette réduction de haute tension présente les avantages de simplifier et de rendre plus fiables les alimentations et modulateurs, de réduire les risques d'arcs dans le canon, d'augmenter les largeurs d'impulsions. La longueur du tube s'en trouve également réduite. Les faisceaux élémentaires possèdent généralement une pervéance plus faible que celle du klystron monofaisceau de même puissance, ce qui permet d'obtenir des rendements d'interaction plus élevés, les effets de charge d'espace étant diminués. Enfin les cavités étant chargées par un courant total plus important (pervéance totale plus élevée), la bande passante du klystron multifaisceau est plus large. Toutefois ces tubes électroniques présentent aussi des inconvénients. Un klystron monofaisceau possède une symétrie de révolution autour d'un axe qui est l'axe du tube. Les cavités et le focalisateur sont montés coaxialement autour de cet axe. Le faisceau d'électrons est centré sur cet axe. Dans les cavités, le champ électrique longitudinal entre les becs possède une symétrie de révolution autour de l'axe du tube. Le mode d'oscillation de la cavité est en général son mode fondamental. Dans un klystron multifaisceau, on retrouve cette symétrie de révolution autour d'un axe qui est l'axe du tube. Les cavités et le focalisateur sont montés coaxialement autour de cet axe mais les faisceaux d'électrons ne sont plus centrés sur l'axe du tube. Ils sont désaxés. Ils sont disposés selon des génératrices d'un ou plusieurs cylindres coaxiaux avec l'axe du tube. Dans les cavités, le champ électrique longitudinal est toujours symétrique et de révolution autour de l'axe du tube pour le mode fondamental et les modes supérieurs de premier indice nul, par exemple TMOmp, mais entre les becs des tubes de glissement, le champ électrique ne présente pas de symétrie de révolution autour de l'axe de chacun des faisceaux.De ce fait, les électrons ne se regroupent pas de manière homogène selon l'azimut. II en résulte une dégradation des mécanismes de regroupement des électrons dans les tubes de glissement ainsi que des risques d'interaction. La perturbation de la mise en paquet des électrons peut s'amplifier d'une cavité à la suivante pour devenir suffisamment importante dans la dernière cavité ou cavité de sortie et conduire à une réduction sensible du rendement d'interaction. La présente invention vise à rétablir une symétrie de révolution du champ électrique longitudinal au niveau des faisceaux d'électrons de manière à garder un groupement idéal des électrons dans un tube de glissement sortant d'une cavité et à éviter une déflexion d'une partie des électrons. En d'autres termes, la présente invention vise à homogénéiser le couplage cavité/faisceau. Pour y parvenir la présente invention propose un tube électronique comportant plusieurs faisceaux d'électrons sensiblement parallèles à un axe, ces faisceaux traversant au moins une cavité résonnante coaxiale à cet axe. Les faisceaux sont contenus de part et d'autre de la cavité dans des tubes de glissement qui se terminent dans la cavité par des becs, deux becs en vis à vis définissant un espace d'interaction. L'espacement entre deux becs en vis à vis n'est pas constant en azimut. Cet espacement est maximum dans une zone de l'espace d'interaction proche de l'axe du tube et est minimum dans une zone de l'espace d'interaction éloignée de l'axe du tube. Les becs des tubes de glissement sont de préférence biseautés sur une partie au moins de leur périphérie. Le biseau peut avoir un profil plan ou incurvé. Lorsque le biseau est partiel, L'autre partie de leur périphérie est de préférence normale à l'axe du tube. Pour améliorer la tenue en puissance haute fréquence, le bord des becs peut être arrondi sur toute leur périphérie. La rapport entre l'espacement minimum et l'espacement maximum est supérieur ou égal à 0,6. II est préférable que l'espace d'interaction soit symétrique par rapport à un plan médian de la cavité, ce plan étant sensiblement normal à l'axe du tube. Les faisceaux d'électrons sont situés sur des génératrices d'un ou plusieurs cylindres coaxiaux à l'axe du tube. II peut être intéressant pour augmenter le nombre de faisceaux d'électrons de placer un faisceau d'électrons supplémentaire centré sur l'axe du tube. L'espacement entre deux becs en vis à vis associés à ce faisceau sera choisi supérieur ou égal à l'espacement maximum des becs associés aux autres faisceaux d'électrons. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures la, lb représentent respectivement en coupe longitudinale et transversale un tube électronique de l'art connu; - la figure I c montre les variations du champ électrique Ez longitudinal dans un plan médian de la cavité du tube des figures 1 a, 1 b, en fonction d'un rayon r de cette cavité passant par le centre de deux tubes de glissement diamétralement opposés; - les figures 2a, 2b représentent respectivement en coupe longitudinale et transversale un tube électronique conforme à l'invention;; - la figure 2c montre les variations du champ électrique Ez longitudinal dans un plan médian d'une cavité des tubes des figures 2a, 2b en fonction d'un rayon r de cette cavité passant par le centre de deux tubes de glissement diamétralement opposé s; - les figures 3a, 3b montrent respectivement en coupe longitudinale et transversale des détails d'une cavité d'un tube selon l'invention; - la figure 4a montre en coupe longitudinale des détails d'une cavité d'un autre exemple d'un tube selon l'invention; - la figure 4b illustre les variations du champ électrique Ez longitudinal dans un plan médian de la cavité de la figure 4a en fonction d'un rayon r de cette cavité passant par le centre d'un tube de glissement; - les figures 5a, 5b représentent en coupe longitudinale encore une variante d'un tube selon l'invention avec 7 faisceaux d'électrons;; - la figure 5c illustre les variations du champ électrique Ez longitudinal dans un plan médian de la cavité des figures 5a, 5b en fonction d'un rayon r de cette cavité passant par le centre d'un tube de glissement désaxé par rapport à l'axe du tube. Le tube électronique multifaisceau représenté sur les figures 1a,1b est construit autour d'un axe Z. II comporte six faisceaux d'électrons 2 sensiblement parallèles d'axe Y. Les axes Y sont des génératrices d'un cylindre d'axe Z. Chaque faisceau 2 est produit par un canon à électrons 1. Les faisceaux d'électrons 2 traversent une succession de cavités résonnantes 10. Entre les cavités 10, les faisceaux d'électrons 2 traversent des tubes de glissement 3 d'axe Y qui débouchent dans les cavités 10. Les cavités 10 sont séparées par les tubes de glissement 2. En fin de course, les électrons sont recueillis dans un collecteur 6. Un dispositif de focalisation (non représenté) entoure les cavités 10. Les cavités 10 ont généralement une forme cylindrique d'axe Z. Elles sont fermées à leurs deux extrémités par des parois normales aux faisceaux 2. A l'intérieur des cavités 10, les extrémités 5 ou becs de deux tubes de glissement 3 contenant un même faisceau 2 se font face en délimitant un espace d'interaction 4. Sur cette figure la, les becs 5 sont dans des plans normaux à l'axe Z. L'espacement entre deux becs 5 en vis à vis est constant autour de l'axe Y associé aux becs 5. Sur la figure lc, on voit que le champ électrique longitudinal Ez présente une symétrie par rapport à l'axe Z du tube et qu'aucune symétrie n'existe par rapport aux axes Y. Les tubes de glissement sont symbolisés en traits pleins. Ce champ électrique Ez possède un pic situé entre chaque axe Y et l'axe Z du tube. Cette dissymétrie rend le couplage cavité/faisceau inhomogéne ce qui perturbe le regroupement des électrons dans les tubes de glissement. La variation du champ électrique Ez atteint environ 16 % dans l'espace d'interaction. Les figures 2a, 2b montrent, en coupe longitudinale et transversale, un exemple d'un tube électronique selon l'invention. On notera que l'invention concerne principalement des tubes multifaisceaux dont les cavités résonnent sur le mode TM fondamental. Ce tube est comparable à celui des figures la,lb. On retrouve avec les mêmes références: les canons 1, les six faisceaux d'électrons 2 d'axe Y, les cavités 10, le collecteur 6 et les tubes de glissement 3 d'axe Y. La différence entre ces deux tubes se situe au niveau des becs 5' des tubes de glissement et de l'espace d'interaction 4'. L'espacement entre deux becs 5' en vis à vis n'est plus constant autour de l'axe Y associé à ces becs. II varie selon l'azimut. L'azimut correspond à une position angulaire autour d'un axe Y. II est représenté et précisé à la figure 3b. Cet espacement est maximum dans une zone 8 de l'espace d'interaction 4' proche de l'axe Z du tube et est minimum dans une zone 7 de l'espace d'interaction 4' éloignée de l'axe Z du tube. Sur l'exemple représenté, les becs 5' ont une première portion éloignée de l'axe Z en biseau et une seconde portion proche de l'axe Z sensiblement normale à l'axe Z du tube. Le biseau peut avoir un profil plan comme l'illustre la figure 2a ou un profil incurvé comme l'illustre la figure 4a. Sur l'exemple décrit, les deux portions sont des demi-périphéries. D'autres configurations sont possibles et notamment la première portion et la seconde portion peuvent être inversées. De préférence, L'espace d'interaction 4' est symétrique par rapport à un plan médian de la cavité 10 et sensiblement normal à l'axe Z du tube. En l'absence de correction des becs, dans la zone 7 éloignée de l'axe Z, le champ électrique longitudinal est plus faible que dans la zone 8 proche de l'axe Z du tube comme l'illustre la courbe de la figure 1 c. Le diagramme de la figure 2c montre que le champ électrique longitudinal Ez présente maintenant une symétrie autour des axes Y des faisceaux 2 d'électrons. Dans l'exemple représenté, le champ électrique longitudinal Ez est même sensiblement constant dans le plan de coupe de la figure 2b au niveau des faisceaux d'électrons. La variation du champ électrique est de l'ordre de 3 %. Les figures 3a et 3b illustrent un exemple d'une cavité d'un tube électronique selon l'invention qui permet d'obtenir un couplage cavité/faisceau amélioré par rapport à l'art connu. Les becs 5' sont configurés comme sur la figure 2a. L'azimut e=o correspond à la position angulaire la plus éloignée de l'axe Z du tube, L'azimut O = 1800 à la position angulaire la plus proche de l'axe Z du tube. Dans le cas de la figure la, la variation du champ électrique Ez suivant l'azimut O atteignait 16 %. Dans le cas de la figure 3a, le biseautage des becs permet de réduire la variation du champ électrique Ez à 3 % . L'opération de biseautage permet donc de retrouver une interaction presque constante, malgré des variations azimutales de la distance entre becs et du champ électrique. Ces mesures correspondent à des tubes à six faisceaux d'électrons ayant les caractéristiques suivantes: Tube multifaisceau "classique": diamètre de la cavité 1 = 350 mm désaxement des faisceaux D = 50 mm espacement des becs d = 16 mm diamètre intérieur des tubes de glissement 2 = 17 mm Tube selon l'invention: diamètre de la cavité 1 = 350 mm désaxement des faisceaux D = 50 mm espacement maximum des becs d2 = 18 mm espacement minimum des becs dl = 16 mm diamètre intérieur des tubes de glissement 2 = 17 mm La configuration des becs 5' n'est pas limitée à celle représentée sur les figures 2a,3a. La figure 4a représente, en coupe longitudinale partielle, une cavité d'une variante d'un tube électronique conforme à l'invention. Maintenant les becs sont en biseau sur toute la périphérie et le biseau a un profil incurvé. Pour améliorer la tenue en puissance HF des becs, le bord des becs est arrondi sur toute leur périphérie. La figure 4b représente dans un plan médian d'une cavité, la variation du champ électrique longitudinal Ez le long d'un diamètre d'un tube de glissement passant par l'axe Z du tube. L'une des courbes (en pointillés) correspond au cas d'un tube connu comme celui de la figure la et l'autre (en traits pleins) correspond au cas d'un tube selon l'invention ayant une cavité telle que celle de la figure 4a. Dans l'espace d'interaction 4' le champ électrique Ez longitudinal varie d'environ 19 % pour le tube connu alors que cette variation est de moins de 7 % pour le tube conforme à l'invention. Les abscisses rl et r2 sont celles des deux bords diamétralement opposés du tube de glissement 3. L'abscisse 0 est sur l'axe Z du tube.Ces mesures correspondent à des tubes à six faisceaux ayant les caractéristiques suivantes: Tube multifaisceau "classique": diamètre de la cavité 1 = 125 mm désaxement des faisceaux D = 50 mm espacement des becs d = 24 mm diamètre intérieur des tubes de glissement f2 = 16 mm Tube selon l'invention: diamètre de la cavité f1 = 125 mm désaxement des faisceaux D = 50 mm espacement maximum des becs d2 = 24 mm espacement minimum des becs dl = 19,5 mm diamètre intérieur des tubes de glissement f2 = 16 mm Dans les exemples représentés sur les figures 3a, 3b, 4a le rapport entre l'espacement minimum dl et l'espacement maximum d2 est supérieur ou égal à 0,6. Toutes autres configurations de becs dans lesquelles l'espacement entre deux becs en vis à vis varie, de manière à ce que cet espacement soit minimum dans une portion des becs éloignée de l'axe du tube et maximum dans une portion des becs proche de axe du tube afin que le champ électrique longitudinal reste sensiblement constant selon l'azimut font partie de l'invention. Dans certains klystrons multifaisceaux, on peut être amené, pour augmenter le nombre de faisceaux, à disposer un faisceau d'électrons supplémentaire le long de l'axe Z du tube. C'est ce qu'illustrent les figures 5a et 5b. Le tube représenté est comparable à celui des figures 2a et 2b au niveau des becs 5' des tubes de glissement 3 associés aux faisceaux 2 d'électrons désaxés. II est préférable que les becs 40 des tubes de glissement 50 contenant ce faisceau d'électrons supplémentaire 30 soient séparés d'un espacement d3 supérieur ou égal à l'espacement maximum d2 des becs 5' des autres tubes de glissement 50. Le faisceau d'électrons supplémentaire 30 est identique aux autres faisceaux 2 d'électrons désaxés. Les tubes de glissement 3,40 ont tous sensiblement le même diamètre. La figure 5c comparable à la figure 4b représente, dans un plan médian de la cavité, les variations du champ électrique longitudinal Ez le long d'un rayon de la cavité passant par un diamètre d'un tube de glissement. La courbe en pointillés correspond au cas d'un klystron multifaisceau "classique" avec 7 faisceaux d'électrons dont un central et des becs sans correction. La courbe en traits pleins correspond au cas du klystron des figures Sa, 5b. L'abscisse rO est située au bord d'un bec 40 associé au faisceau supplémentaire. L'espacement d3 est égal à l'espacement d2. Le champ électrique Ez longitudinal, au lieu de comporter un minimum au niveau de l'axe Z du tube reste sensiblement constant à proximité de l'axe Z du tube. REVENDICATIONS 1. Tube électronique comportant plusieurs faisceaux d'électrons (2) sensiblement parallèles à un axe (Z), traversant au moins une cavité résonnante (10) coaxiale à cet axe (Z), et étant contenus de part et d'autre de la cavité (10) dans des tubes de glissement (3) se terminant à l'intérieur de la cavité (10) par des becs (5') en vis à vis et qui définissent un espace d'interaction (4'), caractérisé en ce que l'espacement (dl, d2) entre deux becs (5') en vis-à-vis varie en azimut et est maximum (d2) dans une zone (8) de l'espace d'interaction (4') proche de l'axe (Z) et est minimum (dl) dans une zone (7) de l'espace d'interaction éloignée de l'axe (Z). 2. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les becs (5') des tubes de glissement (3) sont biseautés au moins sur une partie de leur périphérie. 3. Tube électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'autre partie de leur périphérie est sensiblement normale à l'axe (Z) du tube. 4. Tube électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le biseau a un profil plan. 5. Tube électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le biseau a un profil incurvé. 6. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport entre l'espacement minimum (dl) et l'espacement maximum (d2) est supérieur ou égal à 0,6. 7. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'espace d'interaction (4') est symétrique par rapport à un plan médian à la cavité (10), le plan étant sensiblement normal à l'axe (Z) du tube. 8. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les faisceaux d'électrons (2) sont situés sur des génératrices d'un ou plusieurs cylindres coaxiaux à l'axe (Z) du tube. 9. Tube électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un faisceau (30) d'électrons supplémentaire ayant comme axe l'axe (Z) du tube, I'espacement (d3) entre deux becs (40) en vis-à-vis associés à ce faisceau (30) supplémentaire étant supérieur ou égal à l'espacement maximum (d2) des becs (5') associés aux autres faisceaux (2) d'électrons. 10. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le bord des becs (5', 40) est arrondi.