Brevet FR2877139A1 — publié le 20060428

TUBE HYPERFREQUENCE DE FORTE PUISSANCE AVEC ETALEMENT DU FAISCEAU DANS LE COLLECTEUR L'invention concerne les tubes hyperfréquences de forte puissance et notamment le collecteur d'électrons du tube. Cette invention trouve une application dans des tubes de type gyrotron, klystron, tubes à ondes progressives, etc. Les tubes hyperfréquences de forte puissance fournissent de l'énergie électromagnétique à partir de l'énergie cinétique des électrons émis par une diode (canon à électrons) du tube. Les électrons du faisceau sont o recueillis en final à une extrémité du tube par un collecteur d'électrons. La figure 1 montre les trajectoires Tj des électrons d'un faisceau d'électrons 2 dans le collecteur 3 d'un klystron. Les trajectoires Tj des électrons dans le collecteur du klystron dépendent de leur niveau d'énergie. Plus l'électron est énergétique, (ou rapide) plus sa trajectoire est haute dans le collecteur. Les électrons les plus lents ont des trajectoires Tj plus défléchies dès la base 4 du collecteur et sont par conséquent interceptés plus bas dans le collecteur. L'étalement du faisceau sur la face intérieure 5 du collecteur est donc conditionnée par le spectre énergétique du faisceau d'électrons. Dans le cas d'un gyrotron, les trajectoires des électrons dans le collecteur sont principalement liées aux lignes de champ magnétique. Le gyrotron est un tube générateur d'ondes hyperfréquences dont la structure est représentée à la figure 2. Le gyrotron comporte essentiellement, selon un axe longitudinal ZZ' du tube, un canon à électrons 12, une section de compression magnétique 14, une cavité résonante 16, un injecteur 18 avec une sortie de puissance hyperfréquence 20 et un collecteur d'électrons 22. Le canon à électrons 12 comporte une cathode 26 générant un faisceau d'électrons 28, selon l'axe ZZ' du tube, ayant une section en forme de couronne. Le faisceau prend une forme de tube creux le long de l'axe ZZ'. Un solénoïde 30, au niveau de la section de compression magnétique 14, génère un champ magnétique B maintenant les électrons émis par la cathode 12 dans l'axe ZZ' du tube hyperfréquence. Le faisceau d'électrons en cédant une partie de son énergie cinétique dans la cavité résonnante 16 fournit une onde électromagnétique hyperfréquence, canalisée par des réflecteurs focalisateurs 34 au niveau de la sortie de l'injecteur 18, vers la sortie hyperfréquence de puissance 20 du gyrotron. Environ 20 à 50% de l'énergie cinétique des électrons est transformée en énergie électromagnétique. En sortie de l'injecteur 18, les électrons du faisceau vont frapper les parois du collecteur 22 produisant son échauffement par la transformation de leur énergie cinétique restante en énergie calorifique. Dans le cas du gyrotron, le faisceau d'électrons est canalisé par les lignes de champs Ch du champ magnétique B généré par le solénoïde 30. Les trajectoires Tj des électrons se trouvent piègées par les lignes de champ magnétique et ne peuvent pas s'étaler naturellement dans le collecteur. Les lignes de champs Ch, sensiblement parallèles dans la zone de compression, s'écartent progressivement de l'axe ZZ' du tube. Les électrons du faisceau suivent sensiblement ces lignes de champs créées par le solénoïde 30 et, par conséquent, l'impact des électrons du faisceau s'effectue toujours sur une même zone Z1, de forme annulaire, sur parois internes 34 cylindriques du collecteur autour de l'axe ZZ' du tube. Pour un faisceau d'électrons transportant par exemple une puissance de 2MW, la densité de puissance dissipée dans ce secteur annulaire Z1 du collecteur est considérable et nécessite un refroidissement énergique de la paroi. Ce refroidissement peut être obtenu en général par une circulation d'eau à l'aide d'une installation de refroidissement volumineuse et encombrante. Afin de limiter la densité de puissance sur le collecteur, des dispositifs magnétiques sont utilisés dans les tubes hyperfréquences de l'état de l'art pour étaler la zone d'impact des électrons dans le collecteur. Dans un premier dispositif magnétique d'étalement de l'état de l'art, le collecteur du tube comporte un solénoïde de collecteur 40 générant un champ magnétique faiblement divergent dans le sens du déplacement des électrons. Ce champ divergent à pour effet de coucher les trajectoires des électrons pour les rendre quasi-parallèles aux parois du collecteur. La zone d'impact se trouve ainsi considérablement allongée et donc agrandie en surface diminuant la densité de puissance sur la surface du collecteur. L'effet d'étalement spatial obtenu par le dispositif magnétique peut être combiné à un effet de balayage périodique du champ magnétique dans le collecteur. A cet effet, on alimente le solénoïde de collecteur 40 par un signal périodique Ubl d'amplitude constante. La figure 3, représente une vue du collecteur 22 du gyrotron de la figure 2 de l'état de l'art comportant un dispositif magnétique d'étalement 39 5 des électrons dans le collecteur. Le dispositif magnétique d'étalement 39 comporte essentiellement le solénoïde de collecteur 40 alimenté par le signal de balayage Ubl sinusoïdal d'amplitude constante à une fréquence Fb. Le solénoïde 40 produit alors dans le collecteur, un champ de balayage Bbl variable au o rythme du signal Ubl. La variation du champ Bbl dans le collecteur entraîne le déplacement de la zone d'impact des électrons au même rythme du signal UbI, cette zône d'impact se déplaçant entre une surface d'impact basse Zb de position moyenne Pb et une surface d'impact Zh haute de position moyenne Ph. La position moyenne Pmy pourra être définie par exemple comme la position d'un cercle situé à égale distance des bords du faisceau sur la surface d'impact. La figure 4 montre la position moyenne Pmy de la zone d'impact des électrons sur le collecteur en fonction du temps t, passant, au rythme du signal de balayage Ubl, de la position basse Pb à la position haute Ph puis dans le sens inverse. Le balayage d'étalement du faisceau produit par le signal Ubl diminue la densité de puissance maximum sur la surface interne du collecteur du fait de la variation de la position du faisceau dans le temps. Ce type de balayage comporte néanmoins des inconvénients. En effet, la température de la surface du collecteur impactée par les électrons est loin d'être homogène. La figure 5 montre la variation de la température T du collecteur en fonction de la position moyenne Pmy d'impact du faisceau. On constate une variation importante de la température du collecteur en fonction de la position moyenne Pmy du faisceau. La température est beaucoup plus élevée pour les positions moyennes basse Pb et haute Ph du faisceau d'électrons correspondant sensiblement aux points des rebroussements de la variation du champ d'étalement, soit sensiblement pour le maximum et le minimum du signal d'étalement de balayage UbI. Par exemple, la température du collecteur (voir figure 5) peut varier pour un gyrotron de puissance entre une température minimum Tmin de 140 C entre les deux points de rebroussement et des températures crêtes Tmax de l'ordre de 300 C aux points de rebroussement. Afin de pallier aux inconvénients des tubes de l'état de l'art, l'invention propose un tube de puissance hyperfréquence comportant, un canon à électrons ayant une cathode générant un faisceau d'électrons dans une structure hyperfréquence du tube, un collecteur d'électrons du faisceau, un dispositif magnétique d'étalement du faisceau générant un champ magnétique d'étalement dans le collecteur, caractérisé en ce que le champ magnétique d'étalement est périodique et modulé en amplitude. Un principal objet de l'invention est d'homogénéiser la variation de température sur le collecteur des tubes hyperfréquence de puissance. A cet effet, la modulation d'amplitude du signal assure une variation dans le temps de la position de rebroussement du faisceau dans le collecteur. Un autre objet de cette invention est de pouvoir simplifier le dispositif de refroidissement des tubes de puissance et donc le coût du tube. Dans une réalisation du tube hyperfréquence selon l'invention, le dispositif magnétique d'étalement du faisceau, comporte un solénoïde alimenté par un signal électrique Ublm d'étalement du faisceau, de pulsation col, modulé en amplitude par deux autres signaux de modulation, de respectives pulsations w2 et w3i le signal d'étalement Ublm étant normalisé à une amplitude unitaire S exprimé par la relation: S = (l + m É sin w3t É sin w2t) s. t 1+m 1 m étant le paramètre de modulation, la valeur de m est comprise entre 0 et 1. Dans une autre réalisation simplifiée le signal d'étalement de pulsation 30 w.1 peut être modulé par un seul signal de pulsation w2. L'invention sera mieux comprise par les descriptions de réalisations du dispositif d'étalement du tube selon l'invention en référence aux figures dans lesquelles: - la figure 1, déjà décrite, montre les trajectoires Tj des électrons dans le collecteur d'un klystron; - la figure 2, déjà décrite, représente un gyrotron de l'état de l'art; - la figure 3, déjà décrite, représente une vue du collecteur du 5 gyrotron de la figure 2; la figure 4, déjà décrite montre la position moyenne d'impact des électrons sur le collecteur du gyrotron de la figure 1; - la figure 5, déjà décrite, montre la variation de la température du collecteur en fonction de la position moyenne Pmy d'impact du faisceau du o collecteur de la figure 3; - la figure 6a, montre une vue d'un collecteur d'une réalisation d'un gyrotron selon l'invention; - la figure 6b, montre une vue du collecteur d'une autre réalisation du gyrotron selon l'invention; les figures 7a, 7b et 7c montrent le signal de balayage pour trois taux de modulation differents; - la figure 8 montre des courbes de variation de température en fonction de la position de mesure sur la parois du collecteur pour les trois taux de modulationdes des figures 7a, 7b et 7c; La figure 6a, montre une vue d'un collecteur 50 d'une réalisation d'un gyrotron selon l'invention comportant un dispositif d'étalement du faisceau 52. Le collecteur 50 comporte une paroi conductrice 54 cylindrique selon l'axe ZZ' du tube destinée à recueillir les électrons. Un faisceau 56 d'électrons en sortie de la structure hyperfréquence du tube frappe notamment la paroi conductrice intérieure 54 du collecteur. Le dispositif d'étalement comporte une bobine 60, d'axe de révolution ZZ', entourant la paroi conductrice 54 du collecteur. La bobine 60, alimentée par un signal d'étalement Ublm, génére un champ magnétique d'étalement Bblm, périodique et modulé en amplitude, selon l'axe ZZ' du collecteur 50. Le signal d'étalement Ublm sera exprimé par le signal S normalisé à une amplitude égale à 1, avec Ublm =k.S, k étant un facteur d'amplification nécessaire pour attaquer la bobine 60. S = (l + m É sin w3t É sin w2t) . sin (oit 1+m m étant le paramètre de modulation, sa valeur est comprise entre 0 et 1. Le circuit 62, de type connu, fournit le signal Ublm de pulsation w1 5 modulé en amplitude selon le taux de modulation m choisi. Il existe des circuits de type connu dans le marché de composants électroniques fournissant ce type de signal S (ou Bblm). Par exemple, on peut obtenir un tel signal S modulé en amplitude à partir d'un signal de pulsation w1 d'amplitude constante que l'on amplifié par un amplificateur dont le gain varie selon une première sinusoïde de modulation de pulsation (1)2, le signal résultant pouvant être modulé à son tour par un deuxième amplificateur dont le gain varie selon une deuxième sinusoïde de modulation de pulsation w3. Le taux de modulation m, ainsi que les pulsations w1, w2, et w3 sont 15 choisis de façon à rendre la température de la paroi du collecteur la plus homogène possible. Dans cette première réalisation du dispositif d'étalement du faisceau, les fréquences de modulation du signal d'attaque de la bobine 60 sont: F1= 1/w1= 50Hz, F2= 1/w2 = 5Hz F3= 1/w3= 0,5Hz Comme cela a été dit précédemment, le taux de modulation m est choisi de façon à ce que l'étalement correspondant de balayage du faisceau conduise à une température sur la paroi conductrice du collecteur la plus homogène possible. Une homogénéité en température étant par exemple liée à une densité de puissance sensiblement constante pendant un même temps. La figure 6b, montre une vue d'un collecteur 64 d'une autre réalisation du gyrotron selon l'invention comportant un dispositif d'étalement 63 du faisceau. Dans cette autre réalisation le collecteur comporte, à l'interieur du collecteur une bobine 66 d'étalement du faisceau, d'axe colinaire à l'axe ZZ' du collecteur, alimenté par le signal de modulation Ublm créant le champ magnétique d'étalement du faisceau, selon l'axe ZZ', dans le collecteur 64. Comme pour la réalisation de la figure 6a, le circuit électronique 62 fournit le signal périodique Ublm modulé en amplitude pour alimenter la bobine 66 créant le champ magnétique Bblm d'étalement du faisceau dans le collecteur du tube selon l'invention. Les figures 7a, 7b et 7c montrent les signaux d'alimentation Ublm de la bobine de collecteur pour respectivement trois taux de modulation et la figure 8 les courbes de température du collecteur, pour ces trois taux de modulation, en fonction de la position moyenne Pmy d'impact du faisceau sur la surface interne du collecteur. La figure 7a montre le signal de balayage S (Ubml normalisé à 1 en amplitude) sans aucune modulation, m=0. Avec un taux de modulation m=0 on est ramené au cas de l'état de l'art du dispositif magnétique de balayage alimenté par un signal périodique d'amplitude constante. La courbe CmO de la figure 8 montre, comme à la figure 5 de l'état de l'art, les deux pointes de température vers 320 C correspondant au reboussement du champ de balayage dans le collecteur. La figure 7b montre une signal de balayage S (Ublm normalisé à 1 en amplitude) avec un taux de modulation, m=1. La courbe de la figure 8 Cml, correspondante à ce taux de modulation m=1, montre une pointe de température importante de l'ordre de 350 C vers le mileu de la plage de balayage du faisceau dans le collecteur. La variation de la température est importante vers le centre de la plage de balayage. . La figure 7c montre une signal de balayage S (Ublm normalisé à 1 en amplitude) avec un taux de modulation optimum, soit pour m=0,625. La courbe Cm06 résultante de ce taux de modulation de m=0,625 produit une température relativement constante dans la plage de balayage de faisceau et en tout cas inférieur à la température du collecteur pour d'autres taux de modulations m. Dans le cas de la courbe Cm06 la température varie entre 200 C et 250 C. Dans le cas d'une modulation de balayage à trois fréquences F1, F2 et F3 la fréquence la plus basse (F3) sera choisie de façon à ce que la période de cette fréquence soit supérieure à la constante thermique du collecteur, ainsi, la variation de température par le passage du faisceau sera intégrée par le collecteur. Dans une réalisation simplifiée, la modulation de balayage d'étalement du faisceau comporte deux pulsations, la pulsation w1 du signal 5 de modulation et la pulsation d'un seul signal modulant soit w2. Les fréquences données à titre d'exemple ainsi que le taux de modulation optimal ne sont pas restrictifs. En effet ces paramètres peuvent différer d'un type de tube hyperfréquences à un autre du fait, par exemple, de la forme et les dimensions du collecteur, l'objectif étant de choisir ces paramètres pour obtenir une variation de température la plus basse et aussi constante que possible le long des parois conductrices du collecteur. A cet effet, une simulation à l'ordinateur peut être effectuée pour obtenir les paramètres en fréquence et taux de modulation donnant les meilleurs résultats de variation de température. REVENDICATIONS 1. Tube de puissance hyperfréquence comportant, un canon à électrons (12) ayant une cathode (26) générant un faisceau d'électrons (2, 28) dans une structure hyperfréquence (14, 16, 18) du tube, un collecteur d'électrons (5, 22, 50, 64) du faisceau, un dispositif magnétique d'étalement (39, 52, 56) du faisceau générant un champ magnétique d'étalement (Bbl, io Bblm) dans le collecteur, caractérisé en ce que le champ magnétique d'étalement (Bblm) est périodique et modulé en amplitude. 2. Tube de puissance hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif magnétique d'étalement du faisceau, comporte un solénoïde (60, 66) alimenté par un signal électrique (Ublm) d'étalement du faisceau, de pulsation w1, modulé en amplitude par deux autres signaux de modulation, de respectives pulsations w2 et w3, le signal d'étalement Ublm étant normalisé à une amplitude unitaire S exprimé par la relation: S = (1 + m É sin w3t É sin w2t) sin w tw 1+m 1 m étant le paramètre de modulation, la valeur de m étant comprise entre 0 et 1. 3. Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif d'étalement comporte une bobine (60), d'axe de révolution ZZ', entourant la paroi conductrice (54) du collecteur, la bobine (60), alimentée par le signal d'étalement Ublm, générant le champ magnétique d'étalement (Bblm) selon l'axe ZZ' du collecteur (50). 4. Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif d'étalement du faisceau comporte, à l'intérieur du collecteur (64) une bobine (66) d'étalement du faisceau, d'axe colinaire à l'axe ZZ' du collecteur, alimentée par le signal de modulation (Ublm) créant le champ magnétique d'étalement du faisceau, selon l'axe ZZ', dans le collecteur (64). 5. Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électronique (62) fournissant le signal périodique (Ublm) modulé en amplitude pour alimenter la bobine (60, 66) créant le champ magnétique (Bblm) d'étalement du faisceau dans le collecteur. 6. Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que signal d'étalement Ublm est exprimé par le signal S normalisé à une amplitude égale à 1, avec Ublm =k.S, k étant un facteur d'amplification nécessaire pour attaquer le solenoïde de collecteur (60, 66). 7. Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les fréquences de modulation du signal d'alimentation (Ublm) de la bobine (60, 66) sont: F1= 1/w1= 50Hz, F2= 1/w2 = 5Hz F3= 1/w3= 0,5Hz et en ce que le taux de modulation est m = 0,625. 8. Tube hyperfréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fréquence de modulation la plus basse (F3) sera choisie de façon à ce que sa période soit supérieur à la constante thermique du collecteur. 9. Tube hyperfréquences selon l'une des revendications 1 ou 2, 3o caractérisé en ce que la modulation de balayage d'étalement du faisceau comporte deux pulsations, la pulsation wi du signal de modulation et la pulsation d'un seul signal modulant soit w2.