Brevet FR2936354A1 — publié le 20100326

TUBE HYPERFREQUENCES AVEC DISPOSITIF D'EXTRACTION D'IONS PRODUITS DANS LE TUBE L'invention concerne les tubes hyperfréquences avec faisceau électronique linéaire et notamment un dispositif d'extraction des ions positifs produits dans le tube. Les tubes hyperfréquences à faisceau linéaire tels que les tubes à ondes progressives d'acronyme TOP ou les klystrons comportent essentiellement un canon à électrons ayant une cathode fournissant un faisceau cylindrique d'électrons dans une enveloppe cylindrique sous vide d'une structure hyperfréquences du tube. Un collecteur, à une extrémité de la structure hyperfréquences, recueille les électrons du faisceau en sortie de l'enveloppe cylindrique. Les électrons en sortie de la cathode sont focalisés sous forme d'un faisceau linéaire dans l'enveloppe cylindrique sous vide au moyen d'un champ magnétique. Ce champ magnétique peut être crée soit par des aimants permanents, soit par des bobinages autour de l'enveloppe cylindrique sous vide. La structure hyperfréquences est l'élément du tube où s'effectue une interaction entre le faisceau d'électrons et une onde électromagnétique qui peut être, soit appliquée à une entrée radiofréquences (RF) du tube dans le cas de tubes amplificateurs, soit créée dans le tube dans le cas des tubes fonctionnant en oscillateurs hyperfréquences. Plus précisément le faisceau d'électrons cède une partie de son énergie cinétique à l'onde électromagnétique dans la structure hyperfréquences. La structure hyperfréquences comporte des cavités résonnantes et des tubes de glissement dans le cas d'un klystron et d'une hélice ou des cavités couplées dans le cas d'un TOP. Le vide à l'intérieur d'un tube électronique n'est jamais parfait et des molécules de gaz présentes dans l'enveloppe sous vide du tube passent dans le faisceau et perdent des électrons (phénomène d'ionisation) sous l'impact des électrons du faisceau qui sont très énergétiques (typiquement plusieurs Kev). Des ions positifs sont ainsi formés dans le faisceau. Les charges positives étant attirées par les charges négatives du faisceau, les ions positifs restent bloqués dans le faisceau dans une position d'équilibre radiale. La figure 1 montre une portion axiale d'un TOP amplificateur à 5 hélice de l'état de l'art. Le TOP de la figure 1 comporte une structure hyperfréquences 10 ayant, selon un axe ZZ' longitudinal du tube, une enveloppe sous vide 12 contenant une hélice 14 traversée selon cet axe ZZ' par un faisceau 16 cylindrique d'électrons se propageant de la cathode vers l'anode du tube. Le 10 sens de propagation du faisceau est représenté par les flèches F sur la figure 1. La structure hyperfréquences 10 comporte, de façon connue, des aimants permanents sépares par des entretoises magnétiques (non représentés sur la figure) pour fournir un champ de confinement (ou de 15 focalisation) du faisceau 16 dans l'axe ZZ' de l'enveloppe sous vide. Une entrée RF assure une connexion RF de l'hélice du TOP avec par exemple une source RF externe. Comme cela a été décrit précédemment, les molécules de gaz passant dans le faisceau électronique percutées par des électrons dudit 20 faisceau produisent des ions positifs 20 qui se déplacent lentement, par exemple, du côté de la cathode du tube (non représentée sur la figure 1). La force axiale agissant sur ces ions positifs 20 est très faible et ils peuvent rester très longtemps dans le faisceau 16 avant que leur lente vitesse de dérive ne les évacue, soit vers la cathode, soit vers le collecteur 25 du tube. En conséquence, une grande quantité d'ions peut s'accumuler à l'intérieur du faisceau 16 et générer une charge d'espace positive importante pouvant compromettre une bonne focalisation du faisceau. Il résulte de cette concentration des ions positifs dans le faisceau une instabilité de focalisation périodique, appelée relaxation ionique. C'est un phénomène parasite qui 30 perturbe le signal RF de télécommunication, par exemple dans le cas d'un amplificateur de type TOP, et que l'on cherche à éliminer. Les ions positifs produits par le choc des électrons du faisceau avec les molécules de gaz dans l'enveloppe sous vide, outre le phénomène 35 de relaxation ionique, présentent un autre inconvénient. En effet, lorsque ces ions arrivent, après leur long parcours dans le faisceau, au niveau de la cathode du tube, le potentiel négatif de la cathode les attire produisant des impacts sur la cathode et une détérioration de sa surface émissive par un phénomène d'érosion ionique ou � sputtering � en langue anglaise. Pour supprimer l'impact des ions positifs sur la cathode du tube, les tubes électroniques de l'état de l'art sont équipés d'un dispositif désigné par le terme de � barrière ionique �. La barrière ionique est une électrode placée après la cathode et portée à un potentiel positif pour repousser ou réfléchir les ions positifs en provenance du faisceau. L'inconvénient de la ~o barrière ionique est qu'elle aggrave la relaxation ionique décrite précédemment perturbant encore plus fortement le signal RF dans le tube. En effet les ions positifs ne peuvent plus s'évacuer par la cathode et passent plus de temps dans le faisceau d'électrons. 15 Afin de pallier les inconvénients des tubes électroniques hyperfréquences de l'état de l'art, l'invention propose un tube électronique comportant : - une structure hyperfréquences ayant une enveloppe sous vide comportant deux extrémités, la structure hyperfréquence étant sous un 20 potentiel de référence (M), - un canon à électrons comportant une cathode pour fournir un faisceau d'électrons, selon un axe ZZ', à une extrémité de l'enveloppe sous vide, - un collecteur d'électrons pour recueillir des électrons du faisceau à 25 l'autre extrémité de l'enveloppe sous vide, - au moins une alimentation haute tension pour appliquer à la cathode un potentiel haute tension négatif par rapport au potentiel de référence, caractérisé en ce qu'il comporte, entre la cathode et la structure 30 hyperfréquences, un dispositif d'extraction des ions positifs comportant au moins une électrode e2 portée à un potentiel négatif par rapport au potentiel de référence pour extraire des ions positifs de l'enveloppe sous vide, ces ions positifs étant produits par le choc des électrons du faisceau d'électrons avec des molécules de gaz résiduel dans l'enveloppe sous vide. 35 Avantageusement, le dispositif d'extraction des ions positifs comporte une autre électrode el formant avec l'électrode e2 une paire d'électrodes el, e2, les électrodes de la paire se faisant face de part et d'autre du faisceau d'électrons, l'autre électrode el de la paire étant portée au potentiel de référence, l'électrode e2 étant portée au potentiel négatif (Vp) par rapport au potentiel de référence pour créer entre les deux électrodes un champ électrique d'extraction de ions. Dans une réalisation, les électrodes se faisant face comportent des 10 surfaces planes parallèles à un plan passant par l'axe ZZ' créant un passage pour le faisceau d'électrons. Dans une autre réalisation, chaque électrode el, e2, de la paire a une forme de demi-plaque cylindrique, les deux électrodes étant symétriques 15 de part et d'autre de l'axe ZZ'. Dans une autre réalisation, les surfaces planes parallèles au plan passant par l'axe ZZ' sont sépares d'un distance De de part et d'autre de cet axe ZZ' pour laisser passer le faisceau d'électrons du tube. Dans une autre réalisation, le tube électronique comporte d'autres dispositifs d'extraction des ions positifs le long du faisceau d'électrons dans l'enveloppe sous vide. 25 Dans une autre réalisation, le potentiel de référence est le potentiel de masse du tube. Dans une autre réalisation, le potentiel négatif de l'autre l'électrode e2 est typiquement de 100 volts en dessous de la masse électrique du tube. 30 Un principal objectif de l'invention est de réaliser des tubes hyperfréquence supprimant le phénomène de relaxation ionique par évacuation des ions positifs du tube. Un autre objectif et de protéger la cathode du tube contre des 35 impacts par les ions positifs. 20 Un autre objectif de l'invention est de reporter les impacts par les ions extraits du tube sur une surface prédéterminée choisie par le concepteur du tube. L'invention sera mieux comprise par la descrption d'un tube hyperfréquence selon l'invention par des figures indexées dans les quelles : - la figure 1, déjà décrite, montre une portion axiale d'un TOP amplificateur à hélice de l'état de l'art ; - la figure 2 représente un schéma de principe d'un tube 10 hyperfréquence selon l'invention comportant un dispositif d'extraction d'ions positifs et ; - la figure 3 montre une vue axiale du dispositif d'extraction du tube de la figure 2 selon l'invention. 15 La figure 2 représente un schéma de principe d'un tube hyperfréquence selon l'invention comportant un dispositif d'extraction d'ions positifs. Dans cet exemple de réalisation le tube hyperfréquence est un tube à ondes progressives ou TOP à hélice. Le tube hyperfréquences de la figure 2 comporte une structure 20 hyperfréquence 30 selon un axe longitudinal ZZ' contenant une enveloppe cylindrique sous vide 32 ayant deux extrémités. Un canon à électrons 34 comportant une cathode 36 sous un potentiel haute tension négatif HT par rapport à une masse M du tube (potentiel de référence) fournit un faisceau cylindrique d'électrons 38 à 25 grande vitesse selon l'axe ZZ' à une des extrémités de l'enveloppe cylindrique sous vide. Le tube comporte un collecteur 40 pour recueillir les électrons en sortie de la structure hyperfréquence 30, à l'autre extrémité de l'enveloppe cylindrique sous vide. 30 L'enveloppe cylindrique sous vide 32 comporte, une hélice 42 selon l'axe ZZ' faisant office de guide d'onde. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, le TOP est un amplificateur RF comportant une entré RF 50 connectée à une des extrémités de l'hélice, du coté de la cathode 34, et une sortie RF 52 connectée à l'autre extrémité de l'hélice du côté de du collecteur 35 40. La structure hyperfréquence 30 du TOP comporte, au tour de l'axe ZZ', des bobines 60 fournissant un champ magnétique de confinement (ou focalisation) du faisceau d'électrons 38 selon l'axe ZZ'. Le dispositif d'extraction d'ions positifs du tube hyperfréquence de la figure 2 comporte une paire Pe d'électrodes (purge ionique) entre la cathode 36 et une extrémité de la structure hyperfréquences 30, du côte de la cathode 36. Chaque électrode de la paire Pe est dans un même plan radial Pr perpendiculaire à l'axe ZZ' du tube. Le dispositif d'extraction d'ions positifs comporte une première électrode el relié à la masse M du tube et selon une principale caractéristique de l'invention, une deuxième électrode e2 reliée à un potentiel Vp négatif par rapport à la masse du tube. Ce potentiel négatif Vp est aussi désigné par potentiel de purge ionique. Le potentiel Vp de purge ionique appliqué à la deuxième électrode e2 est typiquement de 100 volts en dessous de la masse M électrique du tube, mais cette tension Vp peut être de valeur significativement différente en fonction de l'espacement choisi entre les électrodes du dispositif d'extraction d'ions positifs. Les ions positifs ln arrivant à proximité de la paire Pe d'électrodes el, e2 sont extraits du faisceau 38 latéralement. Les ions ln dans le faisceau d'électrons 38 prennent une vitesse radiale qui les extrait du faisceau vers la deuxième électrode e2, désignée aussi par électrode de purge ionique, et les éloigne de l'axe ZZ'. Les ions ln, dans cette configuration selon l'invention, sont projetés sur une surface du tube choisie par le concepteur du tube évitant ainsi leur projection sur la cathode 36 et par conséquent supprimant l'érosion de la cathode (sputtering). La figure 3 montre une vue axiale du dispositif d'extraction du tube de la figure 2 selon l'invention. La vue axiale de la figure 3 montre la paire Pe d'électrodes el, e2 dans le plan Pr perpendiculaire à l'axe ZZ' de la structure hyperfréquences du TOP de la figure 2. Chaque électrode el, e2 de la paire Pe a une forme de demi-plaque cylindrique, les deux électrodes el, e2 étant symétriques de part et d'autre de l'axe ZZ' de l'enveloppe sous vide, chacune comportant un bord rectiligne b1, b2 sous forme d'une surface plane. Les surfaces planes des bords rectilignes des demi-plaques cylindriques sont parallèles et sépares d'un distance De part et d'autre de cet axe ZZ' pour laisser passer le faisceau d'électrons du tube. L'électrode e1 est reliée à la masse du tube et l'électrode e2 (ou extracteur ionique) est relié à une source Ep fournissant le potentiel négatif 10 Vp par rapport à cette masse M Les ions positifs dans le faisceau d'électrons passant entre les deux demi-plaques e1, e2 sont attirés par le potentiel négatif Vp lorsqu'ils arrivent à proximité de l'électrode e2 (ou de l'extracteur ionique). Les ions négatifs extraits du faisceau d'électrons 38 passent par la demi-plaque e2 et 15 sont conduits par la connexion électrique 62 reliant la demi-plaque e2 à la source Ep de potentiel négatif Vp vers une surface de projection des ions déterminée par le concepteur du tube (surface non représentée sur la figure 3). Comme représenté sur la figure 3 la forme non axisymétrique de 20 la paire Pe d'électrodes permet de générer entre les bords b1, b2 droits des deux électrodes e1, e2 un champ électrique statique Ech dont la composante perpendiculaire à l'axe du faisceau d'électrons est non nulle. Les ions positif du faisceau prennent une vitesse radiale qui les extrait du faisceau et les éloigne de l'axe ZZ' du tube. 25 Les ions positifs sont projetés sur la surface de projection choisie par le concepteur et sur laquelle le sputtering ne met pas en danger le fonctionnement du tube. Le champ électrostatique produit par les électrodes e1, e2 est trop faible pour influencer significativement les trajectoires des électrons du 30 faisceau électronique du tube, seules les trajectoires des ions positifs sont déviées. Le dispositif d'extraction d'ions positifs selon l'invention évacue les ions positif du faisceau réduisant notablement le problème de relaxation ionique et permet de choisir la surface d'impact des ions ce qui évite une érosion des surfaces sensibles du tube, et notamment celle de la cathode, mettant en danger le fonctionnement du tube Dans d'autres réalisations du tube électronique selon l'invention, l'enveloppe sous vide peut comporter plusieurs purges ionique, soit plusieurs paires d'électrodes d'extraction des ions positifs le long de la trajectoire du faisceau électronique, soit le long de l'axe ZZ', afin d'éliminer plus efficacement l'influence des ions positifs dans le tube hyperfréquences. L'exemple de TOP décrit n'est pas limitatif et l'invention peut s'appliquer à d'autres types de tubes électroniques, formes d'enveloppes ~o sous vide et faisceaux électroniques. Par exemple dans certains tubes électroniques le faisceau d'électrons peut être de section rectangulaire. REVENDICATIONS1. Tube électronique comportant : - une structure hyperfréquences (10, 30) ayant une enveloppe (12, 32) sous vide comportant deux extrémités, la structure hyperfréquence étant sous un potentiel de référence (M), - un canon à électrons (34) comportant une cathode (36) pour fournir un faisceau (16, 38) d'électrons, selon un axe ZZ', à une extrémité de l'enveloppe sous vide, - un collecteur (40) d'électrons pour recueillir des électrons du faisceau à l'autre extrémité de l'enveloppe sous vide, - au moins une alimentation haute tension pour appliquer à la cathode (36) un potentiel haute tension (HT) négatif par rapport au potentiel de référence (M), caractérisé en ce qu'il comporte, entre la cathode (36) et la structure hyperfréquences, un dispositif (Pe) d'extraction des ions positifs comportant au moins une électrode e2 portée à un potentiel négatif (Vp) par rapport au potentiel de référence (M) pour extraire des ions positifs (In) de l'enveloppe sous vide, ces ions positifs étant produits par le choc des électrons du faisceau d'électrons avec des molécules de gaz résiduel dans l'enveloppe sous vide. 2. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'extraction des ions positifs comporte une autre électrode el formant avec l'électrode e2 une paire (Pe) d'électrodes el, e2, les électrodes de la paire se faisant face de part et d'autre du faisceau d'électrons, l'autre électrode el de la paire étant portée au potentiel de référence (M), l'électrode e2 étant portée au potentiel négatif (Vp) par rapport au potentiel de référence (M) pour créer entre les deux électrodes un champ électrique (Ech) d'extraction de ions. 3. Tube électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes se faisant face comportent des surfaces planes parallèles (b1,b2) à un plan passant par l'axe ZZ' créant un passage pour le faisceau d'électrons (38). 4. Tube électronique selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce chaque électrode el, e2 de la paire (Pe) a une forme de demi-plaque cylindrique, les deux électrodes étant symétriques de part et d'autre de l'axe ZZ'. 5. Tube électronique selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les surfaces planes parallèles (b1, b2) au plan passant par l'axe ZZ' sont sépares d'un distance De de part et d'autre de cet axe ZZ' pour laisser passer le faisceau d'électrons du tube. 6. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte d'autres dispositifs d'extraction des ions positifs le long du faisceau d'électrons dans l'enveloppe sous vide. 7. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le potentiel de référence (M) est le potentiel de masse 20 du tube. 8. Tube électronique selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le potentiel négatif (Vp) de l'électrode e2 est typiquement de 100 volts en dessous de la masse (M) électrique du tube. 25 30