Brevet FR2925757A1 — publié le 20090626

Refroidissement d'un tube électronique L'invention concerne le refroidissement d'un tube électronique à cavité résonnante destiné à amplifier un signal haute fréquence, par exemple supérieure à 1 GHz, pour des applications scientifiques. L'invention sera décrite en rapport à un tube à sortie inductive bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom d'IOT (Inductive Output Tube). Plus précisément, un tel tube comporte dans une enceinte à vide un canon générant un faisceau d'électrons traversant une anode et un espace d'interaction avant d'atteindre un collecteur. L'espace d'interaction est situé entre l'anode et un bec relié au potentiel du collecteur. Au niveau de l'espace interaction, l'anode forme également un bec. Un signal d'entrée introduit au niveau du canon à électrons est amplifié au niveau d'une cavité résonnante formée autour de l'espace interaction Les tubes à sortie inductive sont notamment utilisés comme dernier étage d'amplification d'un signal radiofréquence, la sortie du tube étant connectée à une cavité accélératrice. Ces tubes véhiculent de fortes puissances électriques et leur rendement est typiquement de l'ordre de 60 %. Ce rendement entraîne une émission de chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer. Une grande partie de la chaleur est générée au niveau du collecteur recevant le bombardement du faisceau d'électrons. Pour refroidir le collecteur on peut, au moyen d'un circuit hydraulique, faire circuler dans le collecteur un fluide caloporteur comportant par exemple de l'eau. Par ailleurs, lorsque le faisceau d'électrons traverse les becs, une partie du faisceau peut diverger et heurter les becs. Cette divergence intervient plus particulièrement au niveau du bec relié au collecteur. En effet, en ce lieu, le faisceau d'électrons a déjà perdu une grande partie de son énergie dans l'espace d'interaction et se défocalise. On constate néanmoins qu'une certaine divergence du faisceau d'électrons peut également intervenir au niveau de l'anode. Ces électrons divergents génèrent de la chaleur qui jusqu'à présent est essentiellement dissipée par conduction dans les becs eux-mêmes. La forme allongée des becs est dictée par celle de l'espace d'interaction et entraîne des difficultés dans l'évacuation de la chaleur. II peut donc apparaître des points chauds dans les becs qui, dans des cas extrêmes, peuvent entraîner des fusions localisées du matériau des becs et donc leur destruction. L'invention vise à palier ce problème en proposant une nouvelle 5 façon de refroidir les becs. A cet effet, l'invention a pour objet un tube électronique comprenant un canon à électrons, une cavité résonnante et un collecteur, le canon à électrons générant un faisceau d'électrons en direction d'un espace d'interaction situé entre des becs situés dans la cavité résonnante, le 10 faisceau d'électrons traversant les becs, caractérisé en ce qu'au moins un des becs comporte un circuit de refroidissement hydraulique entourant le faisceau d'électrons. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 15 apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente un tube à sortie inductive ; la figure 2 représente, en vue éclatée, un circuit de refroidissement hydraulique d'un bec du tube de la figure 1 ; 20 la figure 3 représente ce même bec une fois assemblé. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. Le tube électronique représenté figure 1 possède un faisceau 25 électronique axial et utilise en entrée le principe de la modulation d'amplitude comme dans les tubes classiques à grille et en sortie la structure axiale des tubes à modulation de vitesse comme dans les klystrons. Plus précisément, le tube comporte successivement un canon à électrons 1 construit autour d'un axe de révolution XX' et, le long de l'axe, 30 une anode 5 ayant la forme d'un bec qui débouche dans un espace d'interaction 6 d'une cavité résonnante 7 de sortie, l'espace d'interaction 6 étant délimité par un second bec d'interaction 8 qui fait face au premier, puis un collecteur 15. Les deux becs 5 et 8 sont en vis à vis. Le bec d'interaction 8 et le collecteur 15 sont montés de par et d'autre d'une collerette 18. Le canon 1 comporte une cathode 2, son filament de chauffage 3 et une grille 4. L'espace cathode 2/grille 4 forme le circuit d'entrée du tube et l'acheminement du signal d'entrée E au circuit d'entrée du tube se fait généralement par une cavité coaxiale résonnante d'entrée 9 couplée à l'espace cathode/grille. Le signal d'entrée E à amplifier est introduit dans la cavité 9 à l'aide de moyens de couplage direct dans l'exemple décrit. Ce signal d'entrée E est fourni par des moyens extérieurs au tube incluant généralement un préamplificateur (non représenté sur la figure 1). La grille 4 et la cathode 2 sont portées à des hautes tensions continues négatives et les électrons émis par la cathode émergent de la grille 4 sous forme d'un faisceau 10 en paquets déjà modulé en densité par le signal d'entrée E. Le faisceau 10 est longitudinal d'axe XX'. Les électrons du faisceau 10 attirés et focalisés par l'anode 5 pénètrent dans la cavité de sortie 7 et traversent l'espace d'interaction 6 où ils se couplent au champ électromagnétique de la cavité résonnante 7. De cette cavité de sortie 7 un signal de sortie S, de puissance bien supérieure à celle du signal d'entrée E, peut être extrait. Les électrons ayant cédé une grande partie de leur énergie sont ensuite recueillis par les parois du collecteur 15. L'anode 5 est généralement portée à la masse. La cavité coaxiale d'entrée 9, formée de deux cylindres 90, 91 conducteurs coaxiaux, est généralement pourvue d'un dispositif 11 de réglage de sa fréquence de résonance, par exemple de type piston dont la position est réglable. Pour des raisons de sécurité et pour découpler le préamplificateur de la haute tension, cette cavité coaxiale d'entrée 9 est portée à la masse électrique. Un condensateur de découplage Cl assure un isolement électrique, du point de vue continu, entre le cylindre intérieur 90 et la cathode 2 et un autre condensateur de découplage C2 assure un isolement électrique entre le cylindre extérieur 91 et la grille de modulation 4. Ces condensateurs Cl, C2 peuvent être réalisés par des feuilles isolantes serrées entre respectivement un cylindre 90, 91 de cavité et une pièce cylindrique 13, 16 connectée à l'électrode respective 2, 4. Dans cette application, les hautes tensions sont de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts, la cathode étant moins négative que la grille. Le signal de sortie S amplifié en puissance par rapport au signal d'entrée E est extrait de la cavité de sortie 7 par couplage par exemple capacitif ou selfique. Sur la figure 1 c'est un couplage inductif qui est représenté sous la forme d'un conducteur 12 qui définit une boucle dans la cavité de sortie 7. Il est transmis à un dispositif utilisateur tel qu'une antenne (non représentée). L'intérieur du tube est classiquement soumis au vide. Lorsque la fréquence d'utilisation du tube électronique dépasse 1 GHz, le volume de la cavité résonnante 7 est petit, et cette dernière peut donc être brasée avec le tube et fera partie intégrante de celui-ci. L'étanchéité est assurée par une rondelle diélectrique 14, situé au niveau du couplage de sortie radiofréquence où l'on prélève le signal S. Lorsque le collecteur 15 est complètement relié à la masse, le rendement d'un tube électronique est de l'ordre de 60 %. Plus précisément, l'énergie contenue dans le signal de sortie S est de l'ordre de la 60 % de l'énergie reçue par le tube électronique, essentiellement par les sources de tension continues l'alimentant. L'essentiel de l'énergie dissipée par le tube électronique l'est au niveau du collecteur 15 à l'intérieur duquel sont prévus des canaux dans lesquels circule un fluide. Une partie plus faible de l'énergie est dissipée au niveau du bec d'interaction 8 et est jusqu'à présent évacué non pas directement au niveau 20 du bec mais par l'intermédiaire de la collerette 18. Le collecteur 15 peut comporter plusieurs électrodes portées à différents potentiels. Cette structure de collecteur 15 comportant plusieurs électrodes est appelée collecteur déprimé. Ces différentes électrodes ont pour but de ralentir les électrons avant qu'ils ne frappent les parois des 25 électrodes. Ainsi la chaleur dissipée dans le collecteur 15 est moindre et le rendement du tube électronique augmente. La figure 2 représente, en vue éclatée, un circuit de refroidissement hydraulique du bec d'interaction 8 du tube de la figure 1. 30 Conformément à l'invention, on place un circuit hydraulique véhiculant un fluide caloporteur permettant de refroidir directement le bec d'interaction 8 sans passer par l'intermédiaire de la collerette 18. Le bec d'interaction 8 et l'anode 5 ayant des formes voisines et symétriques, il est possible de mettre en oeuvre ce circuit hydraulique de refroidissement conforme à l'invention aussi bien dans le bec d'interaction 8 que dans l'anode 5 au niveau de sa forme de bec. Le bec d'interaction 8 est de révolution autour de l'axe XX' selon lequel se déplace le faisceau d'électrons 10 et il comporte une surface intérieure 20 visible sur les figures 1 et 3 et de forme sensiblement conique à l'intérieure de laquelle se déplace le faisceau d'électrons 10. Les électrons du faisceau 10 peuvent heurter le bec d'interaction 8 sur la surface 20 tout autour de l'axe XX'. En conséquence, pour une bonne efficacité du refroidissement du bec d'interaction 8, le circuit hydraulique entoure le faisceau d'électrons 10. Avantageusement, le bec d'interaction 8 comporte un corps 21 et une bague 22, tous deux de révolution autour de l'axe XX'. Le circuit de refroidissement comprend un canal 23 formé entre la bague 22 et le corps 21. Pour faciliter la réalisation du canal 23, il comprend une forme en creux réalisée dans une surface extérieure 24 de la bague 22 et le canal 23 est fermé par une surface cylindrique intérieure 25 du corps 21. La forme en creux est par exemple réalisée par fraisage de la surface extérieure 24. Pour augmenter la surface d'échange thermique entre le fluide caloporteur circulant dans le canal 23 et le bec d'interaction 8, on peut faire suivre au canal 23 un tracé de forme crénelé autour de l'axe XX'. Pour que le canal 23 soit au plus près de la surface intérieure 20 du bec d'interaction 8, celle-ci est formée, au moins en partie, dans la bague 22. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3, la surface intérieure 20 est également réalisée en partie dans le corps 21. Cela permet de réaliser un épaulement 26 dans le corps 21 afin qu'une extrémité 27 de la bague 22 puisse prendre appui contre l'épaulement 26 et ainsi assurer un bon positionnement de la bague 22 par rapport au corps 21 en translation suivant l'axe XX'. Sur la figure 2, la bague 22 est représentée à distance du corps 21 et l'assemblage de ces deux pièces 21 et 22 est représenté sur la figure 3. Les surfaces 24 et 25 sont cylindriques, d'axe XX' et s'ajustent l'une dans l'autre. L'assemblage de la bague 22 dans le corps 21 peut se faire par brasage pour assurer l'étanchéité du canal 23. Le circuit de refroidissement comprend deux tuyaux 29 et 30 traversant le corps 21 et permettant l'alimentation du canal 23. Les tuyaux 29 et 30 traversent le corps 21 perpendiculairement à l'axe XX' et débouchent tous deux dans le canal 23. Les tuyaux 29 et 30 sont rapportés dans des trous, respectivement 31 et 32, du corps 21 et fixés au corps de façon étanche. Le fluide caloporteur est amené dans le canal 23 par exemple par le tuyau 29. A la jonction, entre le tuyau 29 et le canal 23, le débit du fluide caloporteur peut être divisé en deux, chaque moitié du débit faisant, dans le canal 23 un demi-tour autour de l'axe XX' avant de se rejoindre pour pénétrer dans le tuyau 30. Le circuit hydraulique peut se refermer en traversant un échangeur permettant son refroidissement et une pompe de circulation permettant son entraînement. Ces composants du circuit hydraulique ne sont pas représentés sur les différentes figures. Avantageusement, le tube comprend des moyens de mesure, non représentés sur les figures, d'un écart de température du fluide caloporteur circulant dans le circuit de refroidissement entre l'amont et l'aval du bec d'interaction 8 et des moyens d'alerte lorsque l'écart de température dépasse une valeur donnée. En effet, outre la fonction de refroidissement du bec d'interaction 8, le fluide caloporteur peut donner une information sur un éventuel échauffement anormal du tube au niveau du bec d'interaction 8. On définit la valeur donnée comme étant égale à un écart maximum de température du fluide en régime normal entre les deux tuyaux 29 et 30. Si lors d'une utilisation ultérieure du tube l'écart de température mesuré dépasse cette valeur donnée, une alarme peut être déclenchée soit pour informer un utilisateur d'un échauffement anormal, soit pour arrêter le fonctionnement du tube et ainsi le protéger. On a vu précédemment que le collecteur 15 pouvait comporter plusieurs électrodes portées à différents potentiels. Le bec d'interaction 8 peut, dans ce cas, ne pas être placé à un potentiel nul lors de son fonctionnement. Pour éviter que la circulation du fluide caloporteur ne risque de générer des défauts d'isolement électrique, le tube peut comporter des moyens pour maintenir la résistivité du fluide caloporteur circulant le circuit de refroidissement au-dessus d'une valeur limite, moyens non représentés sur les figures. A cet effet, on peut placer, dans le circuit hydraulique, un filtre contenant une résine réalisant un échange d'ions. Plus précisément, le passage du fluide hydraulique sur la résine permet le remplacement d'ions tendant à diminuer la résistivité du fluide hydraulique par d'autres ions ne diminuant pas la résistivité du fluide. On remplace par exemple des sels minéraux par des ions hydroxyles ou hydronium. La résine comporte par exemple des composés organiques obtenus par polymérisation d'un monomère et sur lequel on greffe des groupes fonctionnels qui définiront les ions captables lors de la phase d'échange d'ions. REVENDICATIONS 1. Tube électronique comprenant un canon à électrons (1), une cavité résonnante (7) et un collecteur (15), le canon à électrons (1) générant un faisceau d'électrons (10) en direction d'un espace d'interaction (6) situé entre des becs (5, 8) situés dans la cavité résonnante (7), le faisceau d'électrons (10) traversant les becs (5, 8), caractérisé en ce qu'au moins un des becs (5, 8) comporte un circuit de refroidissement hydraulique (23, 29, 30) entourant le faisceau d'électrons (10). 2. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bec (5, 8) est de révolution autour d'un axe (XX') selon lequel se déplace le faisceau d'électrons (10) et en ce que le bec (5, 8) comporte un corps (21) et une bague (22), tous deux de révolution autour de l'axe (XX'), en ce que le circuit de refroidissement comprend un canal (23) formé entre la bague (22) et le corps (21). 3. Tube électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le canal (23) comprend une forme en creux réalisée dans une surface extérieure (24) de la bague (22) et en ce que le canal (23) est fermé par une surface cylindrique (25) du corps (21). 4. Tube électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la forme en creux suit un tracé de forme crénelé autour de l'axe (XX'). 5. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 2 25 à 4, caractérisé en ce que la bague (22) est brasée sur le corps (21). 6. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le bec (5, 8) comporte une surface intérieure (20) de forme sensiblement conique à l'intérieure de laquelle se déplace le 30 faisceau d'électrons (10) et en ce que la surface intérieure (20) est formée au moins en partie dans la bague (22). 7. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comprend deux20tuyaux (29, 30) traversant le corps (21) et permettant l'alimentation du canal (23). 8. Tube électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce 5 que les tuyaux (29, 30) traversent le corps (21) sensiblement perpendiculairement à l'axe (XX'). 9. Tube électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure d'un écart de 10 température d'un fluide caloporteur circulant dans le circuit de refroidissement entre l'amont et l'aval du bec et des moyens d'alerte lorsque l'écart de température dépasse une valeur donnée. 10. Tube électronique selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour maintenir la résistivité d'un fluide caloporteur circulant le circuit de refroidissement au-dessus d'une valeur limite.