Brevet FR2925758A1 — publié le 20090626

Tube électronique à cavité résonnante L'invention concerne un tube électronique à cavité résonnante destiné à amplifier un signal haute fréquence, par exemple 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 dans une cavité résonnante. Un signal d'entrée introduit au niveau du canon à électrons est amplifié au niveau de la cavité résonnante. 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 charge comme par exemple une cavité accélératrice. Le canon à électrons comporte une cathode et une grille de commande entre lesquelles est appliqué un signal radiofréquence à amplifier qui module l'énergie du faisceau d'électrons. Dans l'espace d'interaction, l'énergie cinétique du faisceau d'électrons est convertie en onde électromagnétique dans la cavité résonnante. La proximité de la grille de commande et de l'anode limite la différence de potentiel appliquée entre ces deux éléments, donc la vitesse du faisceau d'électrons et par voie de conséquence la puissance de sortie du tube électronique. L'invention vise à augmenter la différence de potentiel appliquée entre la grille de commande et l'anode tout en protégeant la grille de commande d'un champ électrique généré par une différence de potentiel entre l'anode et la grille. A cet effet, l'invention a pour objet un tube électronique comprenant un canon à électrons, une anode, une cavité résonnante et un collecteur, le canon à électrons générant un faisceau d'électrons focalisé par l'anode vers la cavité résonnante convertissant une partie de l'énergie contenue dans le faisceau d'électrons en énergie radiofréquence, le collecteur recevant la plus grande partie des électrons du faisceau en aval de la cavité résonnante, le canon à électrons comprenant une cathode émettant le faisceau d'électrons et une grille permettant de moduler le faisceau d'électrons au moyen d'un signal radiofréquence appliqué entre la cathode et la grille, caractérisé en ce que le tube comprend en outre un écran polarisé situé entre la grille et l'anode. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 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 ; ~o la figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel un écran et une grille sont au même potentiel ; la figure 3 représente un second mode de réalisation de l'invention dans lequel un écran et une grille sont isolés ; les figures 4a et 4b représentent une première variante de 15 réalisation de l'écran ; les figures 5a et 5b représentent une seconde variante de réalisation de l'écran. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. 20 Le tube électronique, représenté figure 1, possède un faisceau 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. 25 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, 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 30 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 à électrons 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 35 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). 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. 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 électrodes. Ainsi la chaleur dissipée dans le collecteur 15 est moindre et le rendement du tube électronique augmente. La figure 2 représente en partie le tube à sortie inductive de la figure 1. Seuls le canon à électrons 1 et l'anode 5 sont représentés. Le canon à électrons 1 comprend la cathode 2 et la grille 4, par exemple réalisée en graphite pyrolitique afin d'assurer une bonne tenue en température de la grille 4. En effet, au voisinage de la cathode 2, la grille 4 peut atteindre une température supérieure à 900°C. Selon l'invention, le tube comprend un écran 20 polarisé et situé entre la grille 4 et l'anode 5. Afin de bien maîtriser le potentiel de l'écran 20, il est préférable de disposer l'écran 20 à distance de la grille 4 pour éviter tout contact avec celle-ci. Une distance entre la grille 4 et l'écran 20 de l'ordre de l mm convient pour un tube de forte puissance pouvant dépasser les 1000 kW. Dans le mode de réalisation représenté figure 2, l'écran 20 et la grille 4 sont au même potentiel. La fonction de l'écran 20 est de protéger la grille 4 du champ électrique intense régnant entre la grille 4 et l'anode 5. L'écran 20 peut être réalisé comme la grille 4 en graphite pyrolitique pour une bonne tenue en température. On peut également réaliser la grille en matériau métallique pour améliorer sa tenue au champ électrique. En cas de formation d'arcs électriques entre l'écran 20 et l'anode 5, un matériau métallique résiste mieux que le graphite pyrolitique à la surface duquel des particules peuvent plus facilement s'arracher que sur un matériau métallique. On peut par exemple réaliser l'écran 20 en acier inoxydable que l'on peut polir de façon beaucoup plus fine que le graphite pyrolitique et ainsi limiter toute aspérité en surface de l'écran 20. Le polissage du graphite pyrolitique ne peut pas être réalisé de façon aussi fine du fait de sa structure lamellaire. En effet, de telles aspérités de surface peuvent entraîner la formation d'arcs électriques avec l'anode 5. Autrement, dit, le matériau métallique de l'écran 20 permet de limiter la formation d'arcs électriques avec l'anode 5 et de limiter les conséquences, notamment arrachement de matière à la surface de l'écran 20, de la formation de ces arcs. Cette réalisation d'une grille 4 en graphite et d'un écran 20 métallique revient fonctionnellement à une grille dont le centre serait réalisé en graphite et dont la périphérie serait métallique. Une telle grille bi-matériau est extrêmement difficile à réaliser du fait d'une jonction entre les deux matériaux soumise en fonctionnement à de très hautes températures. L'invention permet de simplifier une telle grille en déportant la jonction entre le graphite et le matériau métallique à bonne distance du faisceau d'électrons 10 généré par la cathode 2. La grille 4 et l'écran 20 ont tous deux sensiblement une même forme de révolution autour de l'axe XX'. La grille 4 et l'écran 20 ont une épaisseur fine en regard de leurs autres dimensions. Dans une zone traversée par le faisceau d'électrons 10, la grille 4 et l'écran 20 ont une forme de cuvette, respectivement 21 et 22, dont le creux est orienté vers l'anode 5. A l'extérieur des cuvettes 21 et 22 en s'éloignant de l'axe XX', la grille 4 et l'écran 20 se prolongent par une partie plane, respectivement 23 et 24, sensiblement perpendiculaire à l'axe XX', puis par une partie sensiblement cylindrique d'axe XX', respectivement 25 et 26 pour s'accrocher sur une embase 27 assurant à la fois la jonction entre la grille 4 et l'écran 20 et la fixation de ces deux éléments sur une structure porteuse du tube. La jonction entre la grille 4 et l'écran 20 permet de mettre ces deux éléments au même potentiel. De nombreux aciers inoxydables sont amagnétiques du fait de leur structure austénitique. Il est également possible de réaliser l'écran 20 en matériau magnétique comme par exemple un alliage de fer, de nickel et de cobalt couramment appelé � Fenico � pour fer-nickel-cobalt. En plus des propriétés déjà énumérées plus haut, un matériau magnétique permet de faire écran au champ magnétique au voisinage de la cathode 2 et ainsi de mieux focaliser le faisceau d'électrons 10.35 La figure 3 représente les mêmes éléments que ceux représentés figure 2 à savoir, la cathode 2, la grille 4, l'écran 20 et l'anode 5. A la différence de la figure 2, sur la figure 3, la grille 4 et l'écran 20 possèdent chacun leur embase distincte, respectivement 31 et 32. Ces deux embases permettent de porter la grille 4 et l'écran 20 à des potentiels différents. L'écran 20 forme alors une électrode supplémentaire permettant de contrôler le faisceau d'électrons. Les figures 4a et 4b représente une première variante de l'écran 20 pouvant être mise en oeuvre dans les deux modes de réalisations représentés aux figures 2 et 3. La figure 4a est une vue de face en coupe dans un plan contenant l'axe XX' et la figure 4b, est une vue de dessus dans un plan perpendiculaire à l'axe XX'. L'écran 20 comporte une ouverture 35 autour de son centre C et une partie pleine 36 en périphérie de l'ouverture 35. Le centre C correspond à l'intersection de l'écran 20 et de l'axe XX'. L'ouverture 35 correspond sensiblement à la cuvette 22 et la partie pleine 36 correspond sensiblement à la partie plane 24. L'anode 5 est de révolution autour de l'axe XX'. Elle comporte une ouverture conique 38 centrée sur l'axe XX' et une protubérance annulaire 39 située autour de l'ouverture conique 38 du coté du canon à électrons 1. La partie pleine 36 de l'écran 20 s'étend entre la grille 4 et la protubérance 39 de l'anode 5. La partie pleine 36 permet de faire écran entre l'anode 5 et la grille 4 là où l'anode 5 est la plus proche de la grille 4 pour éviter que dans cette zone, la grille soit directement soumise au champ électrique généré entre l'anode 5 et la grille 4. En pratique la partie pleine 36 s'étend en partie dans la cuvette 22 et en partie dans la partie sensiblement cylindrique 26. La partie pleine 36 permet également de remplir une fonction de wehnelt afin de contribuer à la focalisation du faisceau d'électrons 10. Dans la première variante de l'écran 20, représentée sur les figures 4a et 4b, l'ouverture 35 est complètement ouverte et dans la seconde variante représentée sur les figures 5a et 5b, l'ouverture 35 comporte plusieurs barreaux circulaires 40 concentriques et plusieurs barreaux radiaux 41 solidaires de la partie pleine 36 et des barreaux circulaires 40. Comme pour les figures 4a et 4b, la figure 5a est une vue de face en coupe dans un plan contenant l'axe XX' et la figure 5b, est une vue de dessus dans un plan perpendiculaire à l'axe XX'. Les barreaux circulaires 40 sont par exemple disposés à intervalle régulier. Cette variante de l'écran 20 comportant des barreaux est surtout utile lorsque la grille 4 et l'écran 20 sont à des potentiels différents. Les barreaux assurent ainsi un contrôle homogène du faisceau 10 sur toute la surface de l'ouverture 35. REVENDICATIONS 1. Tube électronique comprenant un canon à électrons (1), une anode (5), une cavité résonnante (7) et un collecteur (15), le canon à électrons (1) générant un faisceau d'électrons (10) focalisé par l'anode (5) vers la cavité résonnante (7) convertissant une partie de l'énergie contenue dans le faisceau d'électrons (10) en énergie radiofréquence, le collecteur (15) recevant la plus grande partie des électrons du faisceau (10) en aval de la cavité résonnante (7), le canon à électrons (1) comprenant une cathode (2) émettant le faisceau d'électrons (10) et une grille (4) permettant de moduler le faisceau d'électrons (10) au moyen d'un signal radiofréquence appliqué entre la cathode (2) et la grille (4), caractérisé en ce que le tube comprend en outre un écran (20) polarisé situé entre la grille (4) et l'anode (5). 2. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que l'écran (20) est réalisé en graphite pyrolitique. 3. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran (20) est réalisé en matériau métallique. 20 4. Tube électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau métallique est magnétique. 5. Tube électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran (20) et la grille (4) sont au même potentiel. 6. Tube électronique selon l'une quelconques des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'écran (20) et la grille (4) sont à des potentiels différents. 30 7. Tube électronique selon l'une quelconques des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le faisceau d'électrons (10) s'étend selon un axe (XX'), en ce que l'écran (20) est de révolution autour de l'axe (XX') et en ce que l'écran (20) comporte une ouverture (35) autour de son centre C et une partie pleine (36) en périphérie de l'ouverture (35). 25 8. Tube électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ouverture (35) comporte plusieurs barreaux circulaires (40) concentriques et plusieurs barreaux radiaux (41) solidaires de la partie pleine (36) et des barreaux circulaires (40). 9. Tube électronique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les barreaux circulaires (40) sont disposés à intervalle régulier. 10. Tube électronique selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'anode (5) est de révolution autour de l'axe (XX'), en ce que l'anode (5) comporte une ouverture conique (38) centrée sur l'axe (XX') et une protubérance annulaire (39) située autour de l'ouverture conique (38) du coté du canon à électrons (1) et en ce que la partie pleine (36) de l'écran (20) s'étend entre la grille (4) et la protubérance (39) de l'anode (5).