Brevet FR2736204A1 — publié le 19970103

SYSTEME DE DEMARRAGE INSTANTANE DE TUBES ELECTRONIQUES A CHAMPS CROISES DESCRIPTION La présente invention a pour objet un système de démarrage instantané de tubes électroniques à champs croisés. Elle trouve une application dans la réalisation de tubes du genre magnétrons ou amplificateurs à champs croisés. On sait que la plupart des tubes à champs croisés à cathode continue fonctionnent en impulsions grâce à l'émission secondaire de la cathode. Seul le démarrage des impulsions requiert une émission primaire, en général d'origine thermoionique. Parfois même, dans le cas de certains tubes amplificateurs à champs croisés, l'émission éLectronique est déclenchée par l'injection du signal hyperfréquence à amplifier, et la cathode, qui est énergiquement refroidie, peut alors être constituee par un simple matériau à bon coefficient d'emission secondaire tel que le platine. Les avantages d'un tel système sont considérables - possibilité de démarrage instantané, sans periode de préchauffage de la cathode, ce qui devient de plus en plus important pour certaines applications militaires, - maintien de la cathode à basse temperature, ce qui reduit les contraintes mécaniques et augmente la longévité du tube, - enfin, et surtout, utilisation pour la cathode d'un matériau quasi inusable qui, contrairement aux cathodes à oxydes ou imprégnées, ne présente aucun phénomène d'évaporation ou d'épuisement, ce qui est capital pour La durée du tube et sa fiabilité. Malheureusement, nombre de tubes amplificateurs à champs croises ne peuvent bénéficier de cette technique, le champ électrique du signal d'entrée étant trop faible pour permettre une émission de champ initiale reproductible à chaque impulsion. Par ailleurs, le magnetron oscillateur classique est totalement exclu du champ des applications de cette technique puisqu'il ne reçoit aucun signal injecté. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient en proposant un systeme qui permet le demarrage instantané de tous les tubes à champs croises à cathode fonctionnant grâce à l'émission secondaire. A cette fin le système de l'invention comprend : - un circuit modulateur apte à émettre une tension présentant un front de montée suivi d'un palier, - une ligne à retard disposée à l'intérieur de La cathode et possédant une première extrémité reliée au circuit modulateur et une seconde extrémité reliée à la cathode, - au moins une tige métallique reliée à la première extrémité de la ligne à retard du circuit en regard d'au moins une ouverture percée dans la cathode. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un schéma général d'un système conforme à l'invention, - la figure 2 montre la forme d'une impulsion de tension, - la figure 3 représente un mode de réalisation d'une ligne à retard, - la figure 4 représente un détail d'une pointe, - La figure 5 représente un mode particulier de réalisation utilisant un passage étanche, - la figure 6 montre une variante du systeme à plusieurs pointes. Le système représenté sur la figure 1 comprend un tube à champs croisés comportant une anode 1 et une cathode cylindrique de revolution 2 munie de deflecteurs 3. Un moyen non représenté permet de créer un champ magnétique dans l'espace d'interaction s'etendant entre l'anode et la cathode, ce champ étant parallèle aux parois d'anode et de cathode, donc croisé avec le champ électrique dirige de l'anode vers la cathode. Ce tube est alimenté par un modulateur 4 relie à la cathode via une connexion 5 et une ligne à retard 6 figurée symboliquement par un système bien connu de self-inductances en série et de capacités parallèles. Face à un trou 8 perce dans la cathode se trouve une pointe 7 fournissant des électrons par émission de champ. Cette pointe est reliée à l'extrémité d'entrée de la ligne à retard. Lorsqu'il est déclenché, le modulateur fournit une impulsion de tension négative représentée en figure 2. A partir de l'instant initial,to, la tension monte (en valeur absolue) de façon approximativement linéaire en fonction du temps. Ce transitoire se propage le long du circuit à retard 6 pendant un temps Z , valeur du retard de ce circuit. Il atteint alors le fond de la cathode à laquelle la Ligne à retard est connectée, et s'y réfléchit en changeant de signe, revenant à l'entrée de la ligne à retard après un second temps t , après quoi ce potentiel se propage sur la surface externe de la cathode. De cette manière, la difference de potentiel à un instant t entre l'entrée de la ligne à retard (en 5 ou en 7) et la cathode proprement dite se trouve être V(t) - V(t - 2 s ) (1) soit sensiblement v = 2 Z dV/dt. La tension fournie par le modulateur est negative ainsi que sa dérivée par rapport au temps dV/dt pendant la durée du transitoire. On constate donc l'apparition d'une tension negative par rapport à la cathode sur la pointe 7 pendant La durée du front d'impulsion, t étant très petit par rapport à cette durée. La pointe, qui se trouve polarisée negativement, émet des électrons par effet de champ. Une partie de ceux-ci aboutissent directement aux bords du trou, mais une autre traverse ce trou et se propage dans l'espace d'interaction. Sous l'influence du champ magnétique dans lequel est plongé le tube, les trajectoires des électrons se recourbent et finissent par aboutir sur la cathode, provoquant une émission secondaire qui amorce le tube. Dans la pratique, suivant les tubes et Les modulateurs, la dérivée dV/dt est comprise entre 30 et 200 kvas (en va leur absolue). Pour être à l'optimum de L'émission secondaire, il faut que l'énergie des électrons primaires atteignant la cathode soit de l'ordre de 1 kV. Appliquant La formule (1) pour une montée en tension de 100 kV/ s, il vient : : = 5.10 s. La durée des fronts étant en généraL superieure à plusieurs dizaines de nanosecondes, ce resultat justifie la remarque faite plus haut sur la petitesse relative de Z . Il en resulte que La ligne à retard est peu encombrante et peut facilement se loger à l'intérieur de la cathode. Cette ligne à retard peut physiquement être constituee d'inductances et de capacités Localisées, comme represente sur la figure 1. Mais elle peut également être obtenue par un conducteur filiforme enroule en hélice à l'intérieur de la cathode comme illustré par la référence 10 sur la figure 3. Un taux de retard de 30 est parfaitement realisable : il suffit d'une longueur de 5cm d'hélice. On peut encore utiliser une hélice dans un milieu 12 à forte constante diélectrique tel que l'eau désionisée (fi=81), ce qui permet de réduire la longueur à une valeur inférieure au centimètre et de refroidir La cathode. Tout circuit différentiateur peut être utilisé, à condition qu'il soit à même de supporter le courant débité par le tube pendant le plat de L'impulsion. Il faut donc un circuit de différentiation non dissipatif (une simple inductance peut suffire dans certains cas). La figure 4 représente de manière plus detaillée la source primaire d'électrons, avec sa pointe 7 (en tungstène par exemple) placée à très faible distance d'un trou 8 percé dans la cathode 2. Cependant, à cause des faibles tolérances exigées et de la sensibilité de ce système aux chocs et vibrations, il parait préférable d'utiliser un émetteur supporté par isolant. C'est ce qui est represente sur la figure 5. Il s'agit d'un simple passage coaxial où un isolant 9 joue à la fois un rôle de stabilisateur mécanique et de multiplicateur d'électrons pendant La décharge qui se développe entre la tige 7 et la cathode 2, les électrons s1 échappant par le trou 8 vers l'espace cathode-anode. De plus, un tel émetteur peut être rendu étanche, ce qui permet le refroidissement de la cathode par un fluide liquide ou gazeux. Comme il ne fonctionne que pendant les fronts, sous faible tension (1 kV) et faible courant (de l'ordre de 1 mA), l'émetteur ne présentera qu'une usure négligeable. Il est possible de disposer plusieurs émetteurs de manière à augmenter le courant au depart, donc la sécurité de démarrage. Sur la figure 6 on voit par exemple deux pointes 7' et 7" en regard de deux ouvertures 8' et 8". Bien que decrite pour des tubes fonctionnant en impulsions, l'invention est applicable pour des tubes fonctionnant en regime permanent, à condition que la montée en tension de l'alimentation soit suffisamment rapide. REVENDICATIONS 1. Système de démarrage instantane de tube électronique du type à champs croisés dans un espace d'interaction compris entre une anode (1) et une cathode (2), la cathode (2) etant en un materiau à emission électronique secondaire, ce système étant caractérisé par le fait qu'il comprend : - un circuit modulateur (4) apte à emettre une tension présentant un front de montée suivi d'un palier, - une ligne à retard (6) disposée à l'intérieur de la cathode (2) et possédant une première extrémité (5) reliée au circuit modulateur (4) et une seconde extrémité reliée à La cathode (2), - au moins une tige métallique (7) reliée à la première extrémité (5) de la ligne à retard (6) en regard d'au moins une ouverture (8) percée dans la cathode (2). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que La ligne à retard (6) est constituée par un circuit différentiateur. 3. Systeme selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la ligne à retard (6) est constituee par des inductances et des capacités localisees. 4. Systeme selon La revendication 2, caractérisé par le fait que la ligne à retard est constituee par un conducteur en hélice (10). 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par te fait que la ligne à retard (6) est plongée dans un milieu (12) à forte constante diélectrique. 6. Système selon la revendication 1, caractérise par le fait que la tige métallique (7) présente une extrémité en forme de pointe. 7. Systeme selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ouverture (8) percée dans la cathode est munie d'un passage isolant étanche (9) traverse par La tige métallique (7). 8. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit modulateur (4) émet une suite d'impulsions de tension. 9. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit modulateur (4) délivre une tension continue après un front de montée raide.