Brevet FR2764730A1 — publié le 19981218

CANON ELECTRONIQUE POUR TUBE ELECTRONIQUE MULTIFAISCEAU ET TUBE ELECTRONIQUE MULTIFAISCEAU EQUIPE DE CE CANON La présente invention est relative aux tubes électroniques à interaction longitudinale multifaisceaux tels par exemple que les klystrons ou les tubes à ondes progressives. Ces tubes construits autour d'un axe principal comportent plusieurs faisceaux d'électrons longitudinaux parallèles à cet axe principal. Ces faisceaux sont généralement produits par un canon à électrons commun, équipé de plusieurs cathodes et sont recueillis en fin de course dans un ou plusieurs collecteurs. Entre le canon et le collecteur, ils traversent un corps qui est une structure hyperfréquence à la sortie de laquelle est extraite de l'énergie hyperfréquence. Cette structure peut être lo formée d'une succession de cavités résonantes, dans le cas d'un klystron, ou d'une ligne hyperfréquence, dans le cas d'un tube à ondes progressives. Les faisceaux d'électrons, pour conserver leur forme longue et fine, sont focalisés par un focalisateur centré sur l'axe principal et qui entoure la structure hyperfréquence. L'avantage des tubes électroniques multifaisceaux par rapport aux tubes monofaisceaux sont les suivants. Le courant produit est plus élevé et la puissance aussi ou bien la haute tension et la longueur sont plus faibles. L'encombrement du tube à courant égal est considérablement réduit. L'alimentation électrique et le modulateur utilisés sont ainsi simplifiés et plus compacts. Les isolements au niveau du canon peuvent se faire dans l'air, alors que dans un tube monofaisceau de même courant, il faudrait utiliser de l'huile ou du fluorure de soufre, ou tout autre milieu isolant. Le rendement d'interaction est meilleur en raison de la pervéance généralement plus faible de chacun des faisceaux. La bande passante des klystrons multifaisceaux est élargie en raison du fait que les cavités sont chargées avec un courant plus important que dans la configuration monofaisceau. Par rapport aux tubes monofaisceaux l'inconvénient majeur est qu'il est difficile de générer un champ magnétique de focalisation optimum. Cela est dû notamment au fait qu'il y a une absence de symétrie de révolution entre le focalisateur et chacun des faisceaux. Le champ magnétique axial produit par le focalisateur n'est pas axisymétrique par rapport à l'axe de chacun des faisceaux. Dans un tube monofaisceau, I'axe du focalisateur est confondu avec celui du faisceau d'électrons et le champ magnétique axial qu'il produit présente une symétrie de révolution autour de l'axe du faisceau. Une autre raison est que le canon est délicat à réaliser pour produire des faisceaux d'électrons corrects. Il faudrait que les faisceaux d'électrons se trouvent le plus près possible de l'axe principal du tube pour réduire les champs magnétiques radiaux défocalisants, qui croissent plus on s'éloigne de l'axe principal. Mais la place manque plus on se rapproche de cet axe et les cathodes doivent être très proches les unes des autres et de faible surface. Dans le cas des klystrons, la distance entre deux faisceaux voisins est imposé par la géométrie des cavités, le diamètre des tubes de glissement qui séparent deux cavités et le mode dans la cavité. Le fait de vouloir rapprocher les faisceaux d'électrons impose aux cathodes une faible surface émissive et une densité de courant très importante ce qui réduit considérablement leur durée de vie. Des compromis entre toutes ces contraintes doivent être faits. Il a été proposé pour pouvoir augmenter la distance entre les cathodes et réduire leur densité de courant, sans pour autant que les faisceaux soient éloignés de l'axe principal, de disposer les cathodes sur la partie concave d'une calotte généralement sphérique. Leur densité de courant peut être réduite et les faisceaux d'électrons convergent vers le corps du tube. Une pièce polaire en anneau ceinture généralement le canon au niveau de l'ensemble des cathodes. Localement le champ magnétique axial n'est pas symétrique par rapport à l'axe de chacun des faisceaux et les faisceaux subissent une déviation et peuvent être interceptés par les parois des tubes de glissement et des cavités. Cette disposition ne peut convenir que pour des cathodes peu convergentes. La présente invention vise à optimiser le champ magnétique d'un tube électronique multifaisceau notamment au voisinage de ses cathodes de manière à ce que les risques d'interception soient réduits. Pour y parvenir, la présente invention propose un canon électronique comportant plusieurs électrodes parmi lesquelles une pluralité de cathodes destinées à émettre à partir d'une face émissive, chacune un faisceau d'électrons. Chaque cathode comporte dans son voisinage une pièce polaire qui l'entoure, cette pièce polaire en matériau magnétique étant destinée à véhiculer un flux magnétique à proximité de la face émissive de la cathode de manière à ce que les lignes de flux magnétique épousent sensiblement la trajectoire des électrons du faisceau dès leur émission. Pour simplifier la fabrication, il est avantageux que les pièces polaires soient solidaires les unes des autres de manière à former une pièce polaire commune avec des ouvertures pour y loger les cathodes. Pour améliorer la circulation du flux magnétique, la pièce polaire commune peut comporter, à l'opposé des cathodes, une collerette. Dans le cas o le canon comporte une électrode de focalisation, cette électrode peut former au voisinage des cathodes un revêtement des pièces polaires ou de la pièce polaire commune. Les pièces polaires ou la pièce polaire commune peuvent avantageusement être réalisées dans un alliage à base de fer nickel de manière à supporter une température élevée et à peu dégazer. Un élément de production de champ magnétique tel qu'une bobine ou un aimant peut coopérer avec les pièces polaires ou la pièce polaire commune de manière à permettre un ajustement du flux magnétique au voisinage des cathodes. Il est avantageux d.e prévoir à proximité de l'anode du canon, une pièce polaire d'anode de manière à conserver aux faisceaux les caractéristiques requises plus loin des cathodes. Cette pièce polaire d'anode est traversée par les faisceaux. Elle peut même être intégrée à l'anode. Dans cette configuration l'anode est alors réalisée partiellement ou totalement en matériau magnétique. La présente invention concerne aussi un tube électronique multifaisceau comportant un corps entouré d'un focalisateur et un canon électronique tel que décrit précédemment relié au corps. Pour conserver aux faisceaux électroniques les caractéristiques requises dans le corps, il est possible que le corps comporte au moins une pièce polaire supplémentaire traversée par les faisceaux d'électrons. Cette pièce polaire peut se prolonger magnétiquement dans le focalisateur. Si le focalisateur comporte une succession d'éléments produisant un champ magnétique, la pièce polaire supplémentaire peut être insérée entre deux éléments de la succession. D'autre caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure I une coupe longitudinale d'un canon électronique objet de l'invention avec une pièce polaire commune; les figures 2a, 2b, 2c une vue de face et deux coupes d'une pièece polaire commune; - la figure 3a une coupe longitudinale d'un tube électronique objet de l'invention avec plusieurs pièces polaires; - la figure 3b le champ magnétique axial et le champ magnétique radial le long d'un faisceau électronique du tube de la figure 3a. La figure 1 montre en coupe longitudinale un canon d'un tube électronique selon l'invention. Ce canon destiné à un tube électronique multifaisceau construit autour d'un axe principal XX', comporte une pluralité de cathodes 1. Chaque cathode 1 comporte un élément émissif 11 ayant une face 30 émettant un faisceau d'électrons 100 d'axe z. Chaque élément émissif 11 est supporté par une jupe 8. Dans l'exemple décrit il y a sept cathodes 1 dont six sont disposées en couronne et une est centrale centrée sur l'axe principal XX'. Une autre disposition et un autre nombre sont bien sûr possibles. Toutes les cathodes 1 sont supportées par une pièce 2 commune relativement massive. De manière classique, il est prévu un dispositif de chauffage 3, des cathodes 1 sous forme d'éléments résistifs 4, chacun d'entre eux étant placé à l'intérieur de la jupe 8 à l'opposé de la face émissive 30 des éléments émissifs 11. La pièce support 2 comporte des ouvertures 5 nécessaires au passage de conducteurs pour les éléments résistifs 4. De manière classique, le canon comporte en outre une électrode 6 de focalisation connue sous la dénomination de wehnelt portée au même potentiel que celui des cathodes. Ce wehnelt 6 commun entoure l'ensemble des cathodes 1. Le canon comporte également une anode commune 13 munie d'ouvertures 15 pour chacun des faisceaux d'électrons 100. Conformément à l'invention, chacune des cathodes I comporte dans son voisinage une pièce polaire 70 qui l'entoure. Ces pièces polaires , en matériau magnétique sont portées au potentiel des cathodes 1. C'est cette configuration qu'illustre la figure 3a. Il est préférable pour simplifier la fabrication et le montage que ces pièces polaires 70 soient solidaires les unes des autres pour ne faire qu'une pièce polaire 7 commune munie d'ouvertures 9 qui sont destinées à accueillir chacune une cathode 1. C'est cette configuration qu'illustre la figure 1. Les ouvertures 9 sont sensiblement cylindriques et les cathodes 1 sont logées à l'intérieur des ouvertures. Les pièces polaires 70 ou la pièce polaire 7 commune sont destinées à véhiculer un flux magnétique à proximité de la face émissive 30 et elles agissent sur les électrons émis dès leur sortie de la cathode. Les lignes du flux magnétique que les pièces polaires 7, 70 véhiculent, épousent sensiblement la trajectoire des électrons émis par les éléments émissifs 11. Les faisceaux d'électrons 100 se forment bien et les risques d'interception sont réduits au minimum. Les pièces polaires 70, 7 sont en contact avec la pièce support 2 des cathodes 1. Ce contact permet d'évacuer de la chaleur vers la pièce support 2. Par la suite, tout ce qui est dit pour la pièce polaire 7 commune s'applique aussi pour les pièces polaires 70 à moins d'une mention contraire. On s'arrange pour que la température de la pièce polaire 7 n'excède pas environ 400 C et qu'en tout cas elle soit largement inférieure à la température de Curie du matériau magnétique qui la réalise. La pièce polaire 7 commune peut être réalisée à base d'un alliage ferreux choisi pour dégazer au minimum à chaud. De tels alliages peuvent être de type Fer - Nickel ou Fer - Nickel - Cobalt par exemple. La température de Curie de ce type d'alliage est de l'ordre de 750 C. Pour éviter que la température de la pièce polaire 7 commune ne soit trop importante, on s'arrange pour qu'elle ne soit pas en contact avec la jupe 8 des cathodes. Cette jupe 8 est une pièce généralement cylindrique. Pour limiter encore la température de la pièce polaire 7 commune, il est possible d'intercaler un écran thermique 10 entre chacune des cathodes 1 et la pièce polaire 7 commune. Cet écran 10 en contact avec la pièce support 2 est de préférence sans contact avec la pièce polaire 7 commune. Il peut être réalisé dans un matériau bon conducteur thermique tel que du cuivre. Une pièce polaire 7 commune est représentée sur les figures 2a, 2b, 2c. La description de ces figures ne concerne que la pièce polaire commune 7. Cette pièce polaire 7 commune est globalement en forme de disque troué. Des ouvertures 9 sont prévues pour loger les cathodes. Des trous 25 peuvent être prévus pour accueillir des vis de fixation à la pièce support 2. Pour simplifier la réalisation, on peut imaginer que la pièce polaire 7 commune soit solidaire du wehnelt 6. Sur la figure 1, les cathodes I sont relativement proches les unes des autres et le wehnelt 6 est représenté autour de chacun des éléments émissifs 11, sur le bord des ouvertures 9 comme un revêtement de la pièce polaire 7 commune. Ce revêtement peut être en cuivre ou en molybdène par exemple. Sur la figure 3a également le wehnelt 6 forme au voisinage de chacune des cathodes 1 un revêtement des pièces polaires 70. La pièce polaire 7 commune peut comporter à sa périphérie, comme l'illustre clairement les figures 2a, 2b, 2c, une collerette 12 qui s'avance à l'opposé des cathodes 1 et qui est dimensionnée notamment en épaisseur pour assurer une circulation optimum de flux magnétique via le wehnelt 6 vers un focalisateur 20 qui produit ce flux et qui entoure le corps du tube multifaisceau auquel doit être relié le canon. Avec une telle pièce polaire 7, le champ magnétique axial Bz est quasi identique à proximité de chacune des cathodes 1 et est très proche de celui obtenu dans les tubes monofaiceaux comme l'illustre la figure 3b décrite plus loin. De plus, le champ magnétique possède au voisinage des cathodes 1 un profil quasi symétrique par rapport à l'axe z de chacun des faisceaux et sa composante radiale est suffisamment faible pour ne pas entraîner de déviation sensible des électrons et donc d'interception gênante. De manière à ajuster au mieux le champ magnétique au voisinage des cathodes, il est envisageable de ceinturer l'ensemble des cathodes par un élément 14 de production d'un champ magnétique annulaire. Cet élément est de préférence une bobine. En ajustant le courant électrique qui l'alimente, il est possible d'obtenir un profil de champ magnétique qui s'approche encore plus du profil théorique souhaité. Un aimant permanent pourrait aussi être utilisé à la place de la bobine. Pour que les faisceaux conservent les caractéristiques requises plus loin des cathodes, il est envisageable de placer une pièce polaire d'anode 16 traversée par les faisceaux 100 à proximité de l'anode 13. Il est avantageux que la pièce polaire 16 d'anode soit intégrée à l'anode 13. Pour cela, l'anode 13 peut être réalisée partiellement ou totalement dans un matériau magnétique. Sur la figure 1 elle est réalisée totalement en matériau 1 5 magnétique. Ce matériau peut être par exemple du fer doux ou de l'acier doux. Sur la figure 3a, elle est réalisée partiellement en matériau magnétique. Elle comporte autant d'ouvertures 15 que de faisceaux d'électrons et a globalement une forme de plaque sensiblement normale aux faisceaux d'électrons. Elle possède un coeur 16 en matériau magnétique tel que du fer doux ou de l'acier doux et un revêtement 17 à proximité des ouvertures 15 dans un matériau amagnétique tel que du cuivre ou du molybdène. Grâce au coeur 16 en matériau magnétique, I'anode 13 joue le rôle de pièce polaire destinée à véhiculer un flux magnétique à proximité des faisceaux électroniques de manière à ce que les lignes de flux magnétique empêchent les électrons de dévier et donc d'être interceptés. La présente invention concerne également un tube électronique comportant un canon 102 tel que décrit précédemment et dans lequel le champ magnétique est optimisé. Ce tube électronique, construit autour d'un axe XX', représenté schématiquement à la figure 3a, comporte un corps 101 relié d'un côté au canon et de l'autre à un collecteur 103 dans lequel sont recueillis les faisceaux d'électrons 100. Le corps 101 du tube est représenté comme une succession de cavités résonantes 104. Le corps 101 est entouré d'un focalisateur 20. L'optimisation du champ magnétique est réalisé par au moins une pièce polaire 18 supplémentaire placée dans le corps 101. La pièce supplémentaire 18 sensiblement normale aux faisceaux d'électrons 100 est munie d'ouvertures 19 pour chacun des faisceaux. Cette pièce polaire 18 supplémentaire en matériau magnétique a pour rôle notamment de rendre les lignes de flux magnétique plus parallèles à l'axe principal XX' du tube au niveau des différents faisceaux d'électrons ce qui empêche notamment les électrons de dévier. Si plusieurs pièces polaires supplémentaires 18 sont utilisées, comme l'illustre la figure 3a, il est préférable de les placer relativement proches les unes des autres de manière à ce que le champ magnétique lo reste bien parallèle à l'axe principal XX' du tube. On s'arrange pour que chaque ouverture 19 soit centrée sur l'axe z d'un faisceau d'électrons 100. En effet, au voisinage d'un faisceau d'électrons 100, le champ magnétique présente une déformation mais cette déformation est de révolution par rapport à l'axe z du faisceau d'électrons 100 et cette déformation n'a pas d'effet défocalisant sur le faisceau d'électrons 100. Il est avantageux que les pièces polaires 18 supplémentaires se prolongent magnétiquement dans le focalisateur 20 pour réduire encore mieux les champs magnétiques radiaux. De la même manière, la pièce polaire d'anode 16 peut s'étendre jusqu'au focalisateur 20. Sur l'exemple de la figure 3a, le focalisateur 20 est formé d'une succession d'éléments 21, 22 produisant un champ magnétique. Ces éléments 21, 22 peuvent être de type bobine ou aimant par exemple. Le premier élément 21 est placé en entrée du focalisateur 20, entre l'anode 13 qui intègre la pièce polaire d'anode 16 et la première pièce polaire 18 supplémentaire, les autres 22 suivent une pièce polaire supplémentaire 18. Les pièces polaires 18 supplémentaires sont insérées entre deux éléments 21, 22 produisant un champ magnétique. On suppose que les éléments 22 suivant à une pièce polaire supplémentaire 18 sont de type bobine. Elles peuvent être avantageusement alimentées avec un même courant électrique de manière à produire un champ magnétique sensiblement constant le long du corps 101, cette constance permettant que le champ magnétique radial soit sensiblement nul. La figure 3b montre d'une part le champ magnétique radial Br en pointillés et axial Bz en trait gras le long d'un faisceau d'électrons 100 du tube de la figure 3a, et d'autre part en trait fin le champ magnétique axial Bz théorique le long du faisceau d'un tube monofaisceau comparable. La courbe en trait gras se rapproche de celle en trait fin grâce aux paliers 30 placés au niveau des pièces polaires d'anode 16 et supplémentaires 18. Ces paliers 30 recalent la courbe en trait gras sur la courbe en trait fin. Quant au champ magnétique radial Br il diminue plus on s'éloigne de la cathode 1 en suivant le trajet du faisceau 100. Son action défocalisante est négligeable. Dans les exemples illustrés les cathodes I ont été représentées dans un même plan. Il est bien entendu qu'elles pourraient être disposées sur une surface concave. REVENDICATIONS 1. Canon électronique comportant plusieurs électrodes (1, 6, 16) parmi lesquelles une pluralité de cathodes (1) destinées à produire à partir d'une face émissive (30) chacune un faisceau d'électrons (100) caractérisé en ce que chacune des cathodes (1) comporte dans son voisinage une pièce polaire (70) qui l'entoure, cette pièce polaire (70) en matériau magnétique étant destinée à véhiculer un flux magnétique à proximité de la face émissive (30) de la cathode de manière à ce que les lignes de flux magnétique épousent sensiblement la trajectoire des électrons du faisceau (100) dès leur émission. 2. Canon électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces polaires (70) sont solidaires les unes des autres pour former une pièce polaire commune (7) avec des ouvertures (9) pour y loger les cathodes (1). 3. Canon électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce polaire commune (7) comporte une collerette (12) à l'opposé des cathodes (1) qui contribue à la circulation du flux magnétique. 4. Canon électronique selon l'une des revendications 1 à 3, comportant une électrode de focalisation (6) traversée par les faisceaux (100) d'électrons, caractérisé en ce que l'électrode de focalisation forme au voisinage des cathodes (1) un revêtement des pièces polaires (70) ou de la pièce polaire commune (7). 5. Canon électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pièces polaires (70) ou la pièce polaire commune (7) sont réalisées à base de fer nickel. 6. Canon électronique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un élément (14) de production de champ magnétique, notamment de type bobine ou aimant, coopère avec les pièces polaires (7) ou la pièce polaire commune (70) permettant l'ajustement du flux magnétique au voisinage des cathodes (1). 7. Canon électronique selon l'une des revendications 1 à 6, comportant une anode (13) traversée par tous les faisceaux d'électrons (100), caractérisé en ce qu'il comporte une pièce polaire d'anode (16) traversée par les faisceaux (100) à proximité de l'anode (13). 8. Canon électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce lo que la pièce polaire d'anode (16) est intégrée à l'anode (13). 9. Canon électronique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'anode (13) est réalisée partiellement ou totalement en matériau magnétique. 10. Tube électronique multifaisceau comportant un corps (101) entouré d'un focalisateur (20), caractérisé en ce qu'il comporte un canon électronique selon l'une des revendications 1 à 9, ce canon étant relié au corps (101). 11. Tube électronique multifaisceau selon la revendication 10, caractérisé en ce que le corps (101) comporte au moins une pièce polaire (18) supplémentaire traversée par les faisceaux (100) d'électrons. 12. Tube électronique multifaisceau selon la revendication 11, caractérisé en ce que la pièce polaire (18) supplémentaire se prolonge magnétiquement dans le focalisateur (20). 13. Tube électronique multifaisceau selon la revendication 12, caractérisé en ce que le focalisateur (20) comporte une succession d'éléments (21, 22) produisant un champ magnétique, la pièce polaire (18) supplémentaire étant insérée entre deux éléments de la succession.