Brevet FR2737042A1 — publié le 19970124

COLLECTEUR D'ELECTRONS MULTIETAGE SUPPORTANT DES TENSIONS ELEVEES ET TUBE ELECTRONIQUE MUNI D'UN TEL COLLECTEUR La présente invention se rapporte au domaine des tubes électroniques et notamment ceux à ondes progressives fonctionnant en ondes millimétriques (fréquence supérieure à 30 Ghz). Leur fonctionnement est basé sur un échange d'énergie entre un faisceau d'électrons linéaire et une onde électromagnétique hyperfréquence. Le faisceau d'électrons est émis à partir d'un canon, par une cathode. Le canon est placé en entrée d'un espace d'interaction tubulaire. Le faisceau d'électrons est long et fin, il parcourt l'espace d'interaction. Un dispositif de focalisation entoure l'espace d'interaction et confine les électrons du faisceau sur des trajectoires convenables. Dans l'espace d'interaction, le faisceau d'électrons interagit avec une onde électromagnétique hyperfréquence. L'onde électromagnétique hyperfréquence amplifiée est extraite par un dispositif approprié en sortie de l'espace d'interaction. Le faisceau d'électrons termine sa course dans un collecteur placé en sortie de l'espace d'interaction. L'espace d'interaction comporte un circuit hyperfréquence qui est généralement une ligne à retard en hélice dans le cas d'un tube à ondes progressive. Il est porté à un potentiel qui est généralement une masse. Après avoir cédé une partie de son énergie à l'onde électromagnétique hyperfréquence, le faisceau d'électrons possède encore une énergie cinétique importante en pénétrant dans le collecteur. Le collecteur dissipe cette énergie sous forme de chaleur. En raison des difficultés de focalisation du faisceau d'électrons ces tubes fonctionnent avec des pervéances faibles. Leur faible rendement d'interaction (de l'ordre de 4 % à 80 Ghz) conduit à des puissances de faisceau élevées et donc des valeurs absolues de tension cathode élevées pouvant dépasser plusieurs dizaines de kilovolts. Le faible rendement d'interaction se traduit par une faible dispersion de la vitesse des électrons à leur entrée dans le collecteur. Pour obtenir un rendement global supérieur au rendement d'interaction, on utilise généralement un collecteur déprimé comportant une ou plusieurs électrodes portées à des potentiels supérieurs ou égaux à celui de la cathode mais inférieur à celui de l'espace d'interaction. Plus ce potentiel est proche de celui de la cathode meilleur sera le rendement d'interaction. Dans le cas d'un collecteur à plusieurs électrodes ou multiétage, les électrodes sont portées à des potentiels décroissants plus on s'éloigne de l'espace d'interaction, la dernière électrode étant à un potentiel proche de ou égal à celui de la cathode. Dans ces collecteurs, on doit assurer l'isolement électrique des différentes électrodes et une évacuation de l'énergie dissipée sous forme de chaleur par les électrons percutant les électrodes. De tels collecteurs peuvent être de type serré. Les électrodes insérées dans une enveloppe étanche sont maintenues en place les unes par rapport aux autres à l'aide de bâtonnets diélectriques longitudinaux qui assurent l'interface entre les électrodes et l'enveloppe. Ces bâtonnets assurent également l'isolation électrique des électrodes entre elles et vis-à-vis de l'enveloppe qui est généralement portée au potentiel de l'espace d'interaction soit la masse. L'évacuation thermique s'effectue radialement des électrodes vers l'enveloppe via les bâtonnets. L'augmentation en valeur absolue des tensions des électrodes conduit à augmenter le diamètre des bâtonnets et à diminuer leur nombre. L'augmentation de l'encombrement radial du collecteur qui en découle n'est pas souhaitable. La diminution de la surface de contact entre les bâtonnets et les électrodes d'une part et entre les bâtonnets et l'enveloppe d'autre part détériore l'évacuation de la chaleur. Pour améliorer cette évacuation, on a été amené à remplacer les bâtonnets par des entretoises annulaires placées entre les électrodes, en contact d'un côté avec l'enveloppe étanche et de l'autre avec une ou deux électrodes. La surface de contact entre les entretoises annulaires et les électrodes et entre les entretoises annulaires et l'enveloppe est augmentée et la circulation du flux thermique se fait mieux des électrodes vers l'enveloppe. Au point de vue encombrement il reste inchangé. Plus les tensions des électrodes en valeur absolue sont élevées plus les entretoises annulaires sont importantes. Pour améliorer le refroidissement, on a été amené à utiliser un dispositif de refroidissement autour de l'enveloppe. Le dispositif peut être à ailettes et le refroidissement s'effectue par rayonnement. Cette structure est notamment utilisée dans les applications spatiales. Le dispositif de refroidissement peut aussi être à circulation de fluide, le refroidissement s'effectuant par conduction. Les connexions électriques des électrodes se font généralement longitudinalement par le fond du collecteur à cause du dispositif de refroidissement. Le fond du, collecteur est une zone chaude car beaucoup d'électrons percutent l'électrode la plus éloignée de l'espace d'interaction. C'est notamment le cas lorsque le tube n'est pas piloté. Les soudures nécessaires au niveau des connexions électriques des électrodes limitent la température maximale acceptable pour le fond du collecteur et donc la puissance du faisceau d'électrons. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Un collecteur selon l'invention comporte dans une enveloppe étanche soumise au vide avec une paroi d'entrée et un fond conducteurs électriquement, une succession d'électrodes et des entretoises diélectriques. Les entretoises diélectriques sont de plusieurs types. Deux électrodes successives sont isolées par une entretoise d'un premier type, en contact avec les électrodes et sans contact avec l'enveloppe. Une entretoise d'un deuxième type est en contact d'une part avec l'électrode la plus proche du fond et d'autre part avec le fond. Une entretoise d'un troisième type peut être en contact d'une part avec l'électrode la plus proche de la paroi d'entrée et d'autre part avec la paroi d'entrée. Une telle structure amène un gain en encombrement. S'il n'y a pas d'entretoise de troisième type, I'électrode la plus proche de la paroi d'entrée est séparée de ladite paroi par du vide. Cela permet de les rapprocher et d'évacuer la chaleur dissipée par les électrons vers le fond. Une entretoise de premier type assure un maintien mécanique des électrodes qu'elle sépare et elle est solidaire, par exemple par brasage, desdites électrodes. L'entretoise de deuxième type et l'entretoise de troisième type sont solidaires, par exemple par brasage, d'une électrode extrême et de l'enveloppe. Les entretoises peuvent être toutes annulaires, mais on peut envisager que l'entretoise de deuxième type soit en forme de creuset. Dans cette configuration, I'électrode la plus proche du fond comporte une partie qui est en contact avec l'intérieur du creuset. Cette partie peut être fixée, par brasage par exemple, à l'intérieur du creuset mais elle peut aussi être une métallisation réalisée notamment par pulvérisation cathodique, peinture ou voie chimique. Lorsque l'entretoise de deuxième type est en forme de creuset1 le fond peut être fixé à l'entretoise à l'opposé du creuset. Cette fixation peut être une brasure mais le fond peut aussi être une métallisation réalisée notamment par pulvérisation cathodique, peinture ou par voie chimique, Un dispositif de refroidissement peut venir en contact thermique avec le fond et lorsque le fond est déposé sur l'entretoise, la fixation du dispositif de refroidissement est facilitée. L'enveloppe peut comporter entre la paroi d'entrée et le fond une partie qui sert de frein thermique. Cela évite une propagation de la chaleur dissipée par le fond vers la paroi d'entrée. La partie qui sert de frein thermique peut être fixée à l'entretoise de deuxième type à l'aide d'une bague de scellement. Les connexions électriques des électrodes se font à travers l'enveloppe dans une zone située entre le fond et la paroi d'entrée. La présence du frein thermique évite que les connexions soient portées à trop haute température. La présente invention concerne aussi un tube électronique qui comporte un tel collecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1 : une coupe longitudinale d'un collecteur de type connu; - la figure 2 : une coupe longitudinale d'un exemple de collecteur selon l'invention; - la figure 3 : une coupe longitudinale d'un autre exemple de collecteur selon l'invention; - la figure 4 : une coupe longitudinale d'un troisième exemple de collecteur selon l'invention; - la figure 5 : une coupe longitudinale schématique d'un tube électronique selon l'invention. Sur ces figures, les mêmes éléments portent les mêmes références. Dans un souci de clarté les proportions des différents éléments ne sont pas respectées. La figure 1 représente en coupe longitudinale un collecteur d'électrons selon l'art connu. Le collecteur est construit autour d'un axe 00' qui est l'axe de propagation du faisceau d'électrons 1 produit par le tube auquel est associé le collecteur. Ce tube n'est pas représenté. Ce collecteur comporte une enveloppe 2 conductrice étanche munie d'un fond 3 et à l'opposé du fond d'une paroi d'entrée 8 avec un orifice d'entrée 4 par lequel les électrons pénètrent dans le collecteur. L'intérieur de l'enveloppe 2 est soumis au vide comme l'espace d'interaction. Les électrons qui pénètrent dans le collecteur viennent juste de quitter l'espace d'interaction. En amont de l'espace d'interaction se trouve le canon d'électrons avec la cathode. A l'intérieur de l'enveloppe 2, on trouve une succession d'électrodes el, e2, e3, e4 portées à des potentiels décroissants lorsque l'on s'éloigne de l'orifice d'entrée 4. L'électrode e4 la plus éloignée de l'orifice d'entrée 4 est portée à un potentiel qui est proche de ou égal à celui de la cathode. Le potentiel des électrodes e1, e2, e3, e4 est relativement éloigné du potentiel de l'enveloppe 2 qui est généralement celui de l'espace d'interaction c'est-àdire la masse. Les électrons pénètrent dans le collecteur et suivant l'énergie qu'ils possèdent sont interceptés par l'une ou l'autre des électrodes. Des entretoises annulaires diélectriques 5 maintiennent mécaniquement les électrodes el, e2, e3, e4 séparées les unes des autres d'une part et séparées de l'enveloppe 2 d'autre part. En plus de leur rôle mécanique, elles ont un rôle d'isolant électrique vis-à-vis de l'enveloppe 2 et vis-à-vis de deux électrodes successives, ainsi qu'un rôle thermique. Elles contribuent à acheminer le flux thermique à évacuer radialement vers l'enveloppe 2. La figure 2 montre en coupe longitudinale un collecteur selon l'invention. L'enveloppe étanche référencée 2 comporte un fond 3 conducteur électriquement et à l'opposé du fond une paroi d'entrée 8 conductrice électriquement avec un orifice d'entrée 4 pour les électrons (qui ne sont pas représentés). A l'intérieur de l'enveloppe 2 se trouve la succession d'électrodes e1, e2, e3. Dans l'exemple de la figure 2, il n'y en a que trois mais il est envisageable d'en mettre deux ou plus. Sur la figure 2, la dernière électrode e3 est en forme de creuset, elle recueille un grand nombre d'électrons surtout si le tube n'est pas piloté. Les électrodes e1, e2, e3 sont portées à des potentiels décroissants lorsque l'on s'éloigne de l'orifice d'entrée 4. L'électrode e3 la plus éloignée peut par exemple être portée à un potentiel proche de ou égal à celui de la cathode. L'enveloppe 2 elle est portée à un potentiel sensiblement égal à celui de l'espace d'interaction. La différence entre ce collecteur et celui de la figure 1 se situe principalement au niveau des entretoises diélectriques 6, 6' et 6". Dans cet exemple, elles sont toutes sensiblement annulaires. On peut distinguer plusieurs types d'entretoises. Deux électrodes successives el et e2, e2 et e3 sont séparées par une entretoise 6 d'un premier type. Une entretoise 6 de premier type est en contact avec les deux électrodes successives. Ces entretoises 6 de premier type sont sans contact avec l'enveloppe 2 et un espace 7 est aménagé entre elles et l'enveloppe 2. Dans cet espace 7 règne le vide. Les entretoises 6 de premier type ont un rôle de maintien mécanique des électrodes les unes par rapport aux autres. Les électrodes el, e2, e3 sont fixées aux entretoises 6 de premier type par brasage par exemple. Elles servent aussi à isoler électriquement deux électrodes e1, e2, e3 successives. Les potentiels décroissants des différentes électrodes sont relativement proches l'un de l'autre et les entretoises sont dimensionnées axialement pour tenir la différence des potentiels des deux électrodes qu'elles séparent. Le fait de prévoir le vide entre les entretoises 6 de premier type et I'enveloppe 2 permet de réduire l'encombrement radial du collecteur. Le vide est un bien meilleur isolant électrique que la surface des matériaux diélectriques tels que la céramique. Au point de vue thermique, les entretoises 6 de premier type assurent un écoulement longitudinal de la chaleur vers les entretoises des autres types. L'électrode e3 la plus proche du fond 3 est séparée de ce dernier par une entretoise 6' d'un deuxième type. L'électrode el la plus proche de la paroi d'entrée 8 est séparée de cette dernière par une entretoise 6" d'un troisième type. L'entretoise 6' de deuxième type est en contact d'une part avec l'électrode e3 la plus proche du fond 3 et d'autre part avec le fond 3. L'entretoise 6" de troisième type est en contact d'une part avec l'électrode e1 la plus proche de la paroi d'entrée et d'autre part avec la paroi d'entrée. Les entretoises 6', 6" de deuxième et troisième type ont un rôle de maintien mécanique des électrodes extrêmes e1, e3 dans l'enveloppe 2. Elles sont fixées d'un côté à une électrode e1 ou e3 et de l'autre soit au fond 3, soit à la paroi d'entrée 8 et cela par brasage par exemple. Elles servent aussi à isoler électriquement les électrodes extrêmes e1, e3 de l'enveloppe 2. Elles sont dimensionnées pour tenir la différence de potentiel entre les électrodes extrêmes et l'enveloppe 2. De préférence la longueur de l'entretoise 6' de deuxième type mesurée entre l'électrode e3 et le fond 3 est plus longue que celle de l'entretoise 6" de troisième type mesurée entre l'électrode e1 et la paroi d'entrée 8. L'électrode e3 est portée à un potentiel qui est plus éloigné de la masse que celui de l'électrode el. De préférence aussi, la longueur des entretoises 6 de premier type mesurée entre deux électrodes successives est plus courte que celle de l'entretoise 6' de deuxième type et que celle de l'entretoise 6" de troisième type. Au point de vue thermique, les entretoises 6', 6" des deuxième et troisième types assurent un écoulement de la chaleur longitudinal vers la paroi d'entrée 8 et le fond 3. Une amélioration de ce collecteur peut être obtenue en supprimant l'entretoise 6" de troisième type. Cette variante est représentée sur la figure 3. L'isolation électrique de la première électrode e1 vis-à-vis de la paroi d'entrée 8 est assurée par le vide qui règne dans l'enveloppe 2. A cause des très bonnes propriétés diélectriques du vide, la première électrode e1 peut être plus proche de la paroi d'entrée 8 que dans le cas précédent. Le collecteur ainsi réalisé est plus court axialement. Au point de vue thermique, I'écoulement de la chaleur se fait vers le fond 3. La partie 13 de l'enveloppe 2 comprise entre la paroi d'entrée 8 et le fond 3 peut avantageusement être réalisée dans un matériau conducteur électrique mais mauvais conducteur thermique tel que l'acier inoxydable par exemple. Cette partie 13 sert de frein thermique et évite que la chaleur dissipée au niveau du fond 3 se propage vers l'espace d'interaction. L'écoulement de la chaleur peut être amélioré. La figure 4 illustre cette variante. Au lieu d'être annulaire, percée de part en part, I'entretoise 6' de deuxième type est en forme de creuset. La dernière électrode e3 comporte une partie 15 qui est en contact avec l'intérieur du creuset. Le champ de claquage des isolants en surface est plus faible que celui des isolants en volume. En insérant la dernière électrode e3 dans le creuset de l'entretoise 6', on diminue les risques de claquage entre la dernière électrode e3 et le fond 3. La dernière électrode e3 peut être brasée par exemple dans le creuset. La distance entre la dernière électrode e3 et le fond 3 peut être réduite par rapport à la variante décrite précédemment. Les dimensions de l'entretoise 6' sont prévues pour tenir une tension proche de ou égale à celle de la cathode. L'évacuation de la chaleur dissipée est bien meilleure que dans la variante de la figure 3 car une grande surface de contact existe entre le fond 3 et l'entretoise 6'. Le fond 3 peut être formé d'un élément conducteur électrique scellé, par brasage par exemple, à l'entretoise 6' à l'opposé du creuset. Sur cette figure 4, on a représenté en bout du collecteur un dispositif de refroidissement 9 à ailettes qui est fixé au fond 3 par brasage par exemple. Ce dispositif peut s'emboîter sur l'enveloppe. Un autre avantage d'un collecteur selon l'invention, se situe au niveau des connexions électriques des électrodes el, e2, e3. Ces connexions électriques peuvent se faire sensiblement transversalement à l'axe 00' c'est-à-dire transversalement à la direction des électrons à leur entrée dans le collecteur. Cette structure est rendue possible puisque l'écoulement de la chaleur dissipée se faisant vers le fond 3 de l'enveloppe, il n'est plus nécessaire de placer un dispositif de refroidissement tout autour de l'enveloppe comme dans l'art antérieur. En sortant transversalement, on, évite l'emploi des connexions longitudinaies de réalisation délicate qui traversaient les différentes électrodes. Chaque électrode el, e2, e3 est reliée à un conducteur électrique 10. Les conducteurs 10 sortent de l'enveloppe 2 dans une zone comprise entre le fond 3 et la paroi d'entrée 8 en traversant un ou plusieurs passages isolants 11 étanches. Si les tensions des électrodes sont proches, un seul passage il peut suffire. Après liaison avec un fil d'alimentation chaque conducteur est enrobé dans un matériau isolant 12. Un seul enrobage peut suffire pour tous les conducteurs 10. Les conducteurs 10 électriques sortent de l'enveloppe 2 dans une zone où la température est bien plus faible qu'au fond 3 notamment grâce à la présence du frein thermique 13. On n'est plus gêné par la limitation en température imposée par l'enrobage et la liaison au fil d'alimentation. La figure 5 représente schématiquement un tube électronique comportant un collecteur selon l'invention. L'espace d'interaction représenté sous la forme d'une hélice, porte la référence h et le canon à électrons avec la cathode respectivement les références ca et c. Le collecteur représenté comporte plusieurs différences par rapport à celui de la figure 4. La partie 15 de la dernière électrode e3 est réalisée par une métallisation déposée à l'intérieur du creuset diélectrique. Ce dépôt peut être fait par pulvérisation cathodique d'un matériau conducteur adhérant bien au matériau diélectrique de l'entretoise 6' ou par peinture éventuellement recouvert de matériau conducteur ne dégazant pas ou peu sous vide. Une autre possibilité est d'effectuer le dépôt par voie chimique. Une autre différence se situe au niveau du fond 3 de l'enveloppe 2. Maintenant le fond 3 est une métallisation qui peut être réalisée par pulvérisation cathodique, peinture ou dépôt chimique sur l'entretoise diélectrique 6' à l'opposé du creuset. Cette variante facilite le report du dispositif de refroidissement 9 par brasage. Le dispositif de refroidissement 9 est ici à circulation de fluide. Dans cette variante, la partie 13 de l'enveloppe 2 située entre le fond 3 et la paroi d'entrée 8 peut être solidaire de l'entretoise 6' par l'intermédiaire d'une bague 14 conductrice électriquement. La bague 14 est scellée, par brasage par exemple, à l'entretoise 6' proximité du fond 3. II y a aussi une différence au niveau de la sortie des connexions électriques des électrodes el, e2, e3. Les connexions se font maintenant vers la paroi d'entrée 8 sensiblement parallèlement à l'axe OO' mais toujours à travers la partie 13 d'enveloppe 2 située entre le fond 3 et la paroi d'entrée 8. Il est bien sûr que la direction de sortie des connexions électriques pourrait être quelconque. Avec une telle sortie on améliore la compacité du collecteur. Les connexions étant accessibles vers l'espace d'interaction h il est possible de les regrouper avec celles du canon de manière à n'avoir qu'une seule connexion haute tension. II est possible sans sortir du cadre de l'invention de combiner différemment les caractéristiques du collecteur qui viennent d'être décrites. REVENDICATIONS 1. Collecteur d'électron multiétage pour tube électronique comportant dans une enveloppe étanche (2) soumise au vide, avec une paroi d'entrée (8) et un fond (3) conducteurs électriquement, une succession d'électrodes (el, e2, e3) et des entretoises diélectriques (6, 6', 6"), caractérisé en ce que deux électrodes successives (el, e2) sont isolées par une entretoise (6) d'un premier type en contact avec les deux électrodes et sans contact avec l'enveloppe, et en ce qu'une entretoise (6') d'un deuxième type est en contact d'une part avec l'électrode (e3) la plus proche du fond (3) et d'autre part avec le fond (3). 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une entretoise (6") d'un troisième type est en contact d'une part avec l'électrode (el) la plus proche de la paroi d'entrée (8) et d'autre part la paroi d'entrée (8). 3. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode (ei) la plus proche de la paroi d'entrée (8) est séparée par le vide de la paroi d'entrée (8). 4. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les entretoises (6) de premier type sont solidaires des électrodes (e1, e2, e3), les entretoises (6', 6") de second et troisième type étant solidaires des électrodes extrêmes (e1, e3) et de l'enveloppe (2). 5. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les entretoises (6, 6', 6") sont annulaires. 6. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'entretoise (6') de deuxième type est en forme de creuset, I'électrode (e3) la plus proche du fond (3) comportant une partie (15) qui est en contact avec l'intérieur du creuset. 7. Collecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie (15) est fixée notamment par brasage à l'intérieur du creuset. 8. Collecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie (15) est une métallisation réalisée notamment par pulvérisation cathodique, peinture ou par voie chimique. 9. Collecteur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le fond (3) est fixé notamment par brasage sur l'entretoise (6') de deuxième type à l'opposé du creuset. 10. Collecteur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le fond (3) est une métallisation réalisée notamment par pulvérisation cathodique, peinture ou par voie chimique sur l'entretoise (6') de deuxième type à l'opposé du creuset. Il. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'un dispositif de refroidissement (9) est en contact thermique avec le fond (3). 12. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'enveloppe (2) comporte entre la paroi d'entrée (8) et le fond (3) une partie (13) qui sert de frein thermique réalisée dans un matériau conducteur électriquement et mauvais conducteur thermique. 13. Collecteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la partie (13) qui sert de frein thermique est fixée à l'entretoise (6') de deuxième type à l'aide d'une bague de scellement (14). 14. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les connexions électriques (10,11,12) des électrodes (e1, e2, e3) se font à travers l'enveloppe (2), dans une zone située entre le fond (3) et la paroi d'entrée (8). 15. Tube électronique caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur selon l'une des revendications 1 à 14.