Brevet FR2882465A1 — publié le 20060825

La présente invention concerne les dispositifs à tube à faisceau rectiligne, notamment les dispositifs à tube à faisceau d'électrons, tels que ceux connus sous l'appellation de tubes à sortie inductive (notés 10T, d'après "Inductive Output Tubes") et les klystrons. Les dispositifs à tube à faisceau rectiligne, tels que les dispositifs à tube à faisceau d'électrons sont utilisés pour assurer l'amplification de signaux de radiofréquence (notés signaux RF). Il existe divers types de dispositifs à tube à faisceau d'électrons rectiligne, qui sont connus de l'homme de l'art, deux exemples étant le klystron et le tube à sortie inductive (10T). Les tubes à faisceau d'électrons rectiligne incorporent un canon à électrons servant à la production d'un faisceau d'électrons d'une puissance appropriée. Le canon à électrons comporte une cathode chauffée à une température élevée de façon que l'application d'un champ électrique entre la cathode et l'anode conduise à l'émission d'électrons. Typiquement, l'anode est maintenue au potentiel de la terre et la cathode a un important potentiel négatif, de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolts. Les dispositifs à tube à faisceau d'électrons qui sont utilisés comme amplificateurs comprennent, grossièrement, trois sections. Un canon à électrons produit un faisceau d'électrons, qui est modulé par application d'un signal d'entrée. Le faisceau d'électrons passe ensuite dans une deuxième section, connue sous l'appellation de région d'interaction, qui est un montage à cavité comportant un montage à cavité de sortie duquel est extrait le signal amplifié. Le troisième étage est un collecteur, qui recueille le faisceau d'électrons après utilisation. Dans un tube à sortie inductive (10T), une grille est placée à proximité de la cathode et devant cette dernière, et le signal RF à amplifier est appliqué entre la cathode et la grille de sorte que le faisceau d'électrons produit dans le canon est modulé en densité. Le faisceau d'électrons modulé en densité est dirigé dans une région d'interaction RF, qui comporte une ou plusieurs cavités résonantes, comprenant un montage à cavité de sortie. Le faisceau est focalisé par un moyen magnétique, typiquement des bobines électromagnétiques, afin d'assurer qu'il passe dans la région RF et qu'il délivre de l'énergie une section de sortie, à l'intérieur de la région d'interaction, où le signal RF amplifié est extrait. Après passage dans la section de sortie, le faisceau entre dans le 2882465 2 collecteur, où il est recueilli, la puissance restante étant dissipée. La puissance qui doit être dissipée dépend du rendement du tube à faisceau rectiligne, à savoir la différence entre la puissance du faisceau produit dans la région du canon à électrons et la puissance de radiofréquences extraite dans le couplage de sortie de la région RF. La différence entre un tube 10T et un klystron est que, dans un tube 10T, le signal d'entrée RF est appliqué entre la cathode et une grille proche de l'avant de la cathode. Ceci amène une modulation de densité du faisceau d'électrons. Au contraire, un klystron module la vitesse du faisceau d'électrons, lequel entre ensuite dans un espace de glissement dans lequel les électrons qui ont été accélérés rattrapent les électrons qui ont été ralentis. Des paquets se forment donc dans l'espace de glissement, plutôt que dans la région du canon elle-même. Les dispositifs à tube à faisceau rectiligne ont typiquement l'un des deux montages de sortie suivants, à savoir une cavité de sortie externe ou une cavité de sortie intégrée. Une cavité de sortie externe est une cavité dans laquelle le couplage de sortie, qui utilise typiquement une boucle de couplage, est extérieur à l'ampoule sous vide de la région d'interaction du tube de glissement. Une cavité de sortie intégrée est une cavité dans laquelle la boucle de couplage fait saillie jusque dans la région d'interaction. On aura compris la nécessité d'ajuster le montage de couplage d'un dispositif à tube à faisceau rectiligne. On aura également compris qu'il est relativement simple pour les dispositifs à cavité externe, dans lesquels la boucle de couplage est extérieure à l'ampoule sous vide, mais qu'il pose des problèmes pour les dispositifs à cavité intégrée de la technique antérieure. L'invention est définie par les points 1 à 7 ci-dessous. 1) Un dispositif à tube à faisceau d'électrons, du type possédant une cavité intégrée, est tel que la cavité intégrée possède un vide et comprend une fenêtre pour radiofréquences qui pénètre dans la cavité de manière à réaliser un joint hermétique vis-à-vis du vide pour une sortie, la fenêtre pour radiofréquences produisant une barrière qui sert à définir un espace qui se trouve à l'intérieur de la cavité, mais à l'extérieur du vide, l'espace étant destiné à recevoir un coupleur qui est donc à l'intérieur de la cavité, mais à 'extérieur du vide 2882465 3 2) Le dispositif à tube à faisceau d'électrons défini au point 1, est tel que la fenêtre pour radiofréquences comprend de la céramique. 3) Le dispositif à tube à faisceau d'électrons défini au point 2, est tel que la fenêtre pour radiofréquences a la forme d'un dôme. 4) Le dispositif à tube à faisceau d'électrons défini à l'un des points 1, 2 et 3, est tel que la fenêtre à radiofréquences est fixée à une paroi latérale du tube à faisceau d'électrons et recouvre une ligne de sortie. 5) Le dispositif à tube à faisceau d'électrons défini à l'un des points 1 à 4, est tel que le coupleur comprend une boucle de couplage. 6) Le dispositif à tube à faisceau d'électrons défini à l'un des points 1 à 5, est tel que la cavité intégrée est une cavité de sortie intégrée et le coupleur est une boucle de couplage de sortie. 7) L'invention propose également un tube à sortie inductive, qui comprend un dispositif à tube à faisceau d'électrons tel que défini à l'un 15 quelconque des points 1 à 6. L'invention réside en un montage à fenêtre pour radiofréquences (RF) destiné à un tube à faisceau d'électrons ainsi conçu que le coupleur de sortie peut s'étendre jusque dans la cavité d'interaction tout en restant extérieur à l'enceinte sous vide du tube à faisceau d'électrons. Le montage à fenêtre RF préféré est un dôme de céramique qui couvre une boucle de sortie et réalise un joint hermétique vis-à-vis du vide régnant à l'intérieur du tube, tout en étant sensiblement transparent pour les radiofréquences. Alors que le mode de réalisation préféré est un dôme de céramique, d'autres montages, comme par exemple un montage cylindrique court fermé, peuvent se révéler appropriés dans certaines applications. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié d'un tube à sortie inductive incorporant un ensemble à cavité de sortie externe la figure 1A est une vue en perspective simplifiée du montage à cavité externe et de la fenêtre RF de la figure 1; la figure 2 est un montage à cavité intégrée d'un tube à faisceau d'électrons 2882465 4 la figure 2A est une vue en perspective simplifiée de la cavité intégrée et du dispositif d'alimentation de sortie de la figure 2; la figure 3 montre un tube à faisceau d'électrons à cavité de sortie intégrée, qui constitue un mode de réalisation de l'invention; et la figure 3A est une vue en perspective simplifiée du montage de sortie à cavité intégrée de la figure 3. Le mode de réalisation de l'invention qui est ici décrit est un tube à sortie inductive (noté 10T). Toutefois, l'homme de l'art aura compris que l'invention s'applique également à d'autres dispositifs à faisceau rectiligne, comme des tubes à ondes progressives et des klystrons. On va d'abord décrire, en liaison avec la figure 1, un tube 10T à cavité de sortie externe connu, qui comprend un canon à électrons 10 servant à produire un faisceau d'électrons. Le faisceau d'électrons est créé à partir d'une cathode chauffée 12 qui est maintenue à un potentiel de faisceau négatif d'environ -36 kV et il est accéléré en direction et au travers d'une ouverture ménagée dans une anode 14 mise au potentiel de terre, qui fait partie d'une première partie d'un tube de glissement 22 décrit ultérieurement. En usage normal, le canon à électrons 10 est en position supérieure. Une grille 16 est placée près de la cathode et devant cette dernière et elle possède une tension de polarisation continue d'environ -80 V par rapport au potentiel de cathode appliqué, si bien que, en l'absence d'une excitation RF, il circule un courant d'environ 500 mA. La grille ellemême est serrée en position devant la cathode (soutenue sur un cylindre métallique) et est isolée de la cathode par un isolant en céramique, qui fait également partie de l'ampoule sous vide. Le signal d'entrée (RF) est produit sur une ligne de transmission d'entrée, contre la cathode et la grille. Le canon à électrons 10 est couplé à un tube de glissement, ou région d'interaction, 22 et à la cavité de sortie 24 par l'intermédiaire d'une pièce polaire métallique 18. Le faisceau d'électrons produit par le canon à électrons 10, et qui est ensuite modulé en densité par le signal d'entrée RF entre la cathode 12 et la grille 16, est accéléré par la différence de potentiel élevée (de l'ordre de 30 kV) entre la cathode 12 et l'anode 14 et il accélère dans e tube de glissement 22. Le tube de glissement 22 est défini comme une 2882465 5 première partie 26 de tube de glissement et une deuxième partie 28 de tube de glissement entourées par une cavité RF 24 définie en partie par une paroi externe 27 formant une partie fenêtre en céramique de l'enceinte sous vide avec le canon à électrons et l'ensemble collecteur. Le faisceau d'électrons passe par une ouverture centrale 25 ménagée dans la première partie 26 de tube de glissement, possédant une partie sensiblement en forme de disque attachée à la pièce polaire 18 ou comprenant cette pièce polaire, et une section tronconique. Le tube de glissement tout entier (ou région d'interaction) 22 est placé à l'intérieur d'un champ magnétique de focalisation qui est créé par une bobine supérieure 30 et une bobine inférieure 32 représentées par une ligne en trait interrompu. Ceci crée un champ magnétique suivant la longueur du tube de glissement. Le champ magnétique possède un trajet de retour passant par une carcasse magnétique (décrite ultérieurement). Le tube de glissement est typiquement en cuivre. A la section 22 du tube de glisse-ment, est connectée une cavité de sortie 24 contenant une boucle de sortie 29 par l'intermédiaire de laquelle l'énergie RF présente dans la section de tube de glissement 22 est couplée et prélevée sur le tube 10T. Ce type de cavité de sortie constitue une sortie externe au sens où la cavité 24 ne fait pas partie de l'ampoule sous vide définie, en partie, par la paroi 27. Le faisceau d'électrons qui est passé dans l'espace de glisse-ment et dans la région de sortie 28 possède encore une énergie considérable. C'est à la fonction de l'étage collecteur 34 de recueillir cette énergie. Le montage de la cavité de sortie peut être observé sur la vue en perspective de la figure 1A. Celle-ci montre une forme sensiblement cylindrique pour le corps 31 du tube à faisceau d'électrons principal et la cavité de sortie 24 attachée qui est séparée par rapport au vide régnant à l'intérieur du tube à faisceau d'électrons au moyen d'une paroi de céramique 27 qui est sensiblement transparente vis-à-vis du rayonnement RF, mais qui assure l'étanchéité avec l'enceinte sous vide. On l'appellera donc une "fenêtre RF". Le corps principal du tube à faisceau d'électrons est naturellement en métal. Le montage de sortie représenté sur la figure 1 est une cavité 35 de sortie externe 24. Un autre montage de cavité, avec lequel l'invention est particulièrement avantageuse, est constitué d'une cavité de sortie 2882465 6 intégrée, comme représenté sur la figure 2. Dans ce montage, le canon à électrons et le collecteur 34 sont disposés comme précédemment, mais, maintenant, la région d'interaction comprend le tube de glissement 22 à cavité de sortie intégrée ayant un coupleur de sortie intégré 29 placé à l'intérieur d'un volume 40 défini par un bras latéral fixe 44. L'ampoule sous vide est définie par le tube de glissement 22, ainsi que la cavité de sortie intégrée et le volume 40. La boucle de couplage de sortie 29 s'étend jusque dans la cavité 22 du tube de glissement. La cavité de sortie est donc solidaire de l'ampoule sous vide. Dans ces montages, il est courant que le bras latéral 44 soit fixé de manière non séparable à la paroi de sortie 23 de la cavité du tube de glissement. L'ampoule sous vide est fermée par un disque de céramique 42 constituant une fenêtre pour les radiofréquences (RF). La cavité de sortie intégrée peut être observée sur la vue en perspective de la figure 2A. Le dispositif 44 d'alimentation de sortie, qui est fixé de façon typiquement permanente au corps principal 31 du tube à faisceau d'électrons, tandis que le vide régnant à l'intérieur du tube s'étend jusque dans le volume 40, allant jusqu'à la limite d'un disque de céramique 44 qui forme une fenêtre RF. Un tube 10T à cavité intégrée, constituant un mode de réalisation de l'invention, est représenté sur la figure 3. Comme précédemment noté, dans le tube à faisceau rectiligne incorporant une cavité de sortie externe, il est difficile, avec les montages de la technique antérieure, d'ajuster l'orientation de la boucle de couplage de sortie une fois que le tube a été scellé. Le présent mode de réalisation de l'invention surmonte ce problème en utilisant un dôme, ou fenêtre ré-entrante, qui est transparent vis-à-vis du rayonnement RF, faisant saillie jusque dans la cavité intégrée, de façon à contenir la boucle de couplage qui est placée à l'extérieur de l'espace vide (dans l'air). Ceci permet de faire accès à la boucle afin de modifier son orientation à l'intérieur de la cavité, ou sa profondeur de pénétration dans la cavité. Le dispositif à tube à faisceau d'électrons constituant le mode de réalisation de l'invention, comme représenté sur la figure 3, comprend les mêmes composants de base que ceux indiqués en liaison avec la figure 2, et les composants se partagent la même numérotation que sur la figure 2. La description du fonctionnement ne devra dont pas être répétée 2882465 7 complètement, mais de manière résumée seulement, le canon à l'électrons 10 émettant un faisceau d'électrons qui passe dans une région d'interaction située sur un tube de glissement 22 défini par une première partie 26 de tube de glissement et une deuxième partie 28 de tube de glissement. Le faisceau d'électrons produit un champ magnétique qui circule autour de la direction de passage du faisceau d'électrons auquel le coupleur de sortie, se présentant sous la forme d'une boucle de couplage de sortie 29, se couple à l'intérieur du volume de la cavité 22. L'espace d'interaction 22 est défini par la paroi métallique externe 23 du corps 31 du tube à faisceau d'électrons. Le champ magnétique (et, par conséquent, les champs électriques) que produit le faisceau d'électrons circule à l'intérieur de cet espace d'interaction. Le faisceau d'électrons ayant dépassé son énergie est recueilli dans un collecteur 34, de manière connue. La boucle de couplage 29 pénètre dans la région d'interaction 22, et le dispositif est donc du type connu sous l'appellation de dispositif à cavité de sortie intégrée. Ceci vaut dans le sens où la cavité de sortie est intégrée avec la région d'interaction et est à l'intérieur du corps du tube à faisceau d'électrons (contrairement au montage à cavité externe de la figure 1). Toutefois, la boucle de couplage de sortie 29 ne se trouve pas à l'intérieur de l'espace vide du tube à faisceau rectiligne, comme dans le dispositif de la figure 2. Au contraire, la boucle de couplage de sortie est à l'extérieur de l'espace vide et en est séparée par un dôme en céramique 50 qui forme une fenêtre RF et un joint étanche vis-à-vis du vide. Ceci permet d'ajuster l'orientation et la position de la boucle 29 sans aucun compromis vis-à-vis du joint hermétique. En particulier, l'intervalle 62 ménagé dans la paroi 60, faite en diélectrique, doit seulement permettre le déplacement de la boucle de couplage et ne doit satisfaire aucune herméticité vis-à-vis du vide. Le dôme de céramique 50 fait saillie dans la cavité 22 et est donc ce que l'on appelle une fenêtre RF ré-entrante, au sens où la fenêtre revient dans la cavité d'interaction. Le choix d'un dôme a de nombreux avantages. Tout d'abord, il présente une aire superficielle grande et uniforme de sorte que tous les électrons parasites venant frapper la surface le font sur une aire si importante qu'il y a réduction de l'énergie par unité d'aire pouvant venir frapper contre la fenêtre RF. En deuxième 2882465 8 lieu, cette forme est résistante et susceptible d'assurer une bonne étanchéité vis-à-vis du vide. En troisième lieu, pour une profondeur donnée de pénétration de la boucle de couplage, on obtient une taille sensible pour la fenêtre RF à l'intérieur de la cavité. D'autres formes sont toutefois parfaitement possibles, pour autant que la boucle de couplage puisse s'ajuster et que la fenêtre RF ne gène pas le faisceau d'électrons. La fenêtre RF 50 en forme de dôme peut être mieux vue sur la vue en perspective de la figure 3A. Le dôme est de préférence fait de céramique, mais d'autres matériaux peuvent être appropriés, qui possèdent sensiblement des propriétés de transparence pour les radiofréquences à la fréquence de fonctionnement ainsi qu'une bonne capacité à réaliser un joint hermétique efficace vis-àvis du vide. Ce montage peut être utilisé avec n'importe quel tube à faisceau d'électrons du type à cavité intégrée. De plus, on pourra utiliser une cavité externe aussi bien que le montage à cavité intégrée. Ces cavités peuvent être fixées au corps 31 du tube à faisceau rectiligne et être rendues hermétiques vis-à-vis du vide par la fenêtre ré-entrante 50. Cette technique pourrait aussi être appliquée à une cavité d'entrée dans laquelle un coupleur doit assurer le couplage avec un champ régnant à l'intérieur de la cavité d'entrée. Cette technique peut donc être considérée comme relative à un montage à cavité intégrée et à coupleur. 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif à tube à faisceau d'électrons, du type possédant une cavité intégrée, caractérisé en ce que la cavité intégrée possède un vide et comprend une fenêtre pour radiofréquences (27) qui pénètre dans la cavité de manière à réaliser un joint hermétique vis-à-vis du vide pour une sortie, la fenêtre pour radiofréquences produisant une barrière qui sert à définir un espace qui se trouve à l'intérieur de la cavité, mais à l'extérieur du vide, l'espace étant destiné à recevoir un coupleur (29) qui est à l'intérieur de la cavité, mais à l'extérieur du vide. 2. Dispositif à tube à faisceau d'électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre pour radiofréquences (27) comprend de la céramique. 3. Dispositif à tube à faisceau d'électrons selon la revendica-15 fion 1 ou 2, caractérisé en ce que la fenêtre pour radiofréquences (27) a la forme d'un dôme (50). 4. Dispositif à tube à faisceau d'électrons selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la fenêtre pour radiofréquences (27) est fixée à une paroi latérale du tube à faisceau d'électrons et recouvre une ligne de sortie. 5. Dispositif à tube à faisceau d'électrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le coupleur (29) comprend une boucle de couplage. 6. Dispositif à tube à faisceau d'électrons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité intégrée est une cavité de sortie intégrée et le coupleur est une boucle de couplage de sortie. 7. Tube à sortie inductive, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à tube à faisceau d'électrons tel que défini par l'une quelconque 30 des revendications 1 à 6.