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.Dispositif à tube à décharges.
L'invention est relative à un dispositif comportant un tube à décharges à l'intérieur duquel est engendréun faisceau électronique dont la vitesse est commandée par une tension à haute fréquence, après quoi les variations de la vitesse du faisceau sont transformées en des variations de l'intensité, une tension de sortie étant ensuite empruntée au faisceau modifié en intensité. On peut utiliser un dispo- sitif de ce genre pour amplifier, engendrer, détecter, modu- ler ou mélanger des oscillations électriques à fréquence très élevée.
Dans les dispositifs connus de ce genre on réalise la commande de la vitesse en faisant passer le faisceau élec- tronique par un espace exempt de tout champ électrique (champ
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de commande) qui est délimité par deux électrodes de blin- dage et dans lequel se trouve une électrode de commande à laquelle est amenée la tension de commande à haute fréquen- ce. Puis, les variations ainsi obtenues de la vitesse du faisceau sont transformées en variations de l'intensité, ce qu'on réalise, de préférence, en faisant passer le faisceau à travers un espace dit "de dépassement" dans lequel les électrons lents sont dépassés par les électrons plus rapides de sorte qu'il se produit des maxima et des minima consécu- tifs de la densité des électrons.
L'énergie de sortie est ensuite empruntée au faisceau modulé en intensité, ce qu'on peut réaliser, par exemple en faisant passer le faisceau par un second espace exempt de tout champ électrique (espace de prélèvement) qui est également délimité par deux électro- des de blindage et dans lequel est disposée une électrode de sortie.
Le dispositif décrit ci-dessus présente l'inconve- nient qu'on obtient seulement une faible modulation de vi- tesse et, en outre, que seulement une partie de l'énergie disponible est empruntée au faisceau modulé en intensité de sorte que l'amplification qui peut être obtenue, est relative- ment faible. Pour obtenir une modulation d'intensité plus forte ou un prélèvement d'énergie plus grand, on a déjà pro- posé de disposer dans l'espace de commande et dans l'espace de prélèvement plusieurs électrodes qui influencent successi- vement la vitesse du faisceau ou prélèvent de l'énergie sur le faisceau.
Cela mène, toutefois à une construction com- pliquée et, en outre, la longueur axiale de l'espace de com- mande devient fréquemment assez grande pour que les électrons se dépassent déjà dans cet espace de sorte qu'il s'y produit des variations d'intensité non désirées.
L'invention a pour but de procurer des moyens d'obte-
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tenir de façon simple une modulation pure et très intense de la vitesse du faisceau électronique ainsi qu'un rendement élevé du prélèvement d'énergie.
Conformément à l'invention, on réalise la commande de la vitesse et/ou le prélèvement de la tension de sortie en faisant entrer le faisceau électronique dans un système à champ de freinage comportant deux ou plusieurs anodes, dans une direction oblique à l'axe du système, la tension de commande à haute fréquence ou la tension de sortie respecti- vement se produisant entre les anodes sdu système.
Par un "système à champ de freinage" on doit enten- dre ci-après un système d'électrodes en montage Barkhausen- Kurz ou un magnétron dont la cathode est supprimée. Si un faisceau électronique entre dans un tel système obliquement à l'axe, les électrons suivent un parcours en hélice ou en zigzag, arrivant ainsi à tour de rôle au voisinage des diffé- rentes anodes.
Si l'on utilise un système de ce genre pour la com- mande de la vitesse du faisceau électronique, le choix appro- prié des phases des tensions à haute fréquence qui se prodii- sent sur les anodes, en rapport avec la durée de passage des électrons, permet d'obtenir que certains électrons soient. toujours accélérés lorsqu'ils arrivent au voisinage d'une des anodes tandis que d'autres électrons sont toujours retardés.
Il se produit ainsi des variations très grandes de la vitesse du faisceau électronique.
D'autre part,' si l'on utilise un système de ce genre pour soustraire l'énergie de sortie du faisceau électronique modulé en intensité, on peut parvenir d'une manière analogue au résultat que les maxima consécutifs de la densité des élec- trons arrivent toujours au voisinage des différentes anodes à des moments tels que les électrons excitent ces dernières dans
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la phase correcte, de sorte que sensiblement toute l'énergie disponible peut être soustraite du faisceau.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'in- vention peut être réalisée, les particularités qui ressor- tent tant du texte que du dessin, faisant bien entendu partie de l'invention.
La fig. 1 du dessin annexé représente un tube à dé- charges suivant l'invention dans lequel sont utilisés des systèmes à champ de freinage du type magnétron.
Le tube à décharges 1 comporte un système d'électro- des 2 servant à engendrer un faisceau électronique. Ce systè- me d'électrodes est de la construction usuelle et comporte une cathode, un cylindre de Wehnelt et une anode. De plus, on peut prévoir les moyens qui sont habituellement utilisés pour la concentration du faisceau.
Un système à champ de freinage 3 sert à moduler la vitesse du faisceau électronique engendré. Ce système est constitué par deux anodes semi-cylindriques auxquelles est appliquée une tension de polarisation positive, Un champ magnétique homogène agit dans le sens de l'axe du système, ce champ étant engendré par des dispositifs non représentés sur le dessin, par exemple pa.r un système de bobines disposé autour du tube.
A l'aide de moyens déviateurs magnétiques ou élec- trostatiques qui sont indiqués schématiquement sur la figure par une plaque déviatrice 4, on parvient au résultat que le faisceau entre dans le système à champ de freinage 3 oblique- ment à l'axe. Eu égard à la vitesse des électrons, à la ten- sion de polarisation des anodes et à.l'intensite du champ magnétique, on a choisi cette obliquité de telle façon que les électrons, au lieu d'être interceptés par les anodes, parcourent le système à champ de freinage suivant une trajec-
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toire hélicoida.le tout en venant à tour de rôle au voisinage de chacune des anodes.
La tension de commande à haute-fréquence est amenée aux bornes 5 et 6, et cela de telle façon qu'entre les ten- sions des deux anodes il se produise une différence de phase de 180 .
Suivant la loi'de Larmor l'intervalle de temps dans lequel les électrons parcourent une spire de l'hélice, dépend exclusivement de l'intensité de champ magnétique. Or, cette intensité est choisie de telle façon que cet intervalle de temps soit égal, au moins approximativement, à la période de la tension de commande à haute tension ou à un multiple impair de cette période. Un électron qui vient à un certain instant au voisinage d'une des anodes se trouve, par conséquent, une demi-période (ou un nombre impair de demi-périodes) plus tard dans une position analogue par rapport à l'autre anode et après une période (ou après un nombre impair de périodes) il est retourné au voisinage de l'anode mentionnée en premier lieu.
Si la première fois cet électron a été accéléré par l'anode mentionnée en premier lieu, il est également accéléré par la seconde anode, puis, il est accéléré à nouveau par l'anode mentionnée en premier lieu, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'enfin l'électron quitte le système à champ de freinage avec une vitesse qui a augmenté considérablement. Par contre, un électron qui, une demi-période plus tard, arrive pour la première fois au voisinage de l'anode mentionnée en premier lieu, est ralenti par cette anode; puis, il est ralenti par la seconde anode et ainsi de suite de sorte que ce dernier électron quitte enfin le système à champ de freinage avec une vitesse considérablement réduite. Il est clair qu'on obtient ainsi une modulation très intense de la vitesse du faisceau électronique.
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Après avoir quitté le système à champ de freinage, le faisceau électronique est ramené sur l'axe du tube par des moyens déviateurs appropriés (représentés schématiquement par une plaque déviatrice 7) et entre alors dans un espace 8 dit "de dépassement" qui est formé par un cylindre métalli- que creux auquel' est appliquée une tension de polarisation positive. Dans cet espace, les électrons lents sont dépassés par les électrons plus rapides, ce qui a pour résultat qu'il se produit des maxima et des minima consécutifs de la densité des électrons, de sorte que les variations de la vitesse du faisceau sont converties en variations de l'intensité.
Sous l'action de moyens déviateurs appropriés 9 le faisceau électronique module en intensité qui sort de l'espa- ce 8, entre alors, obliquement par rapport à l'axe du tube, dans un second système à champ de freinage 10 qui peut être formé et ajusté de la même manière que le système 3. Une impé- dance de sortie, par exemple un circuit oscillant accordé sur la fréquence de la tension de commande à haute frequence, est reliée à travers les bornes 11 et 12 en montage équilibré aux deux anodes du système 10. Ici également l'intensité du champ magnétique est choisie de telle façon qu'en une période (ou en un nombre impair de périodes) de la tension de commande les électrons parcourent environ une spire de l'hélice.
Un maximum de la densité des électrons qui, pour la première fois, donc cède de l'énergie à l'une des anodes, cède/également de l'é- nergie à la seconde anode, puis à nouveau à la première anode, et ainsi de suite, jusqu'à ce qu'enfin sensiblement toute l'énergie disponible soit soustraite du faisceau. Après avoir quitté le second système à champ de freinage, le faisceau élec- tronique est ramené par des dispositifs déviateurs 13 dans l'axe du tube et intercepté par une électrode 14 à tension de polarisation positive.
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La fig. 2 représente un tube à décharges qui diffère du tube de la fig. 1 seulement en ce qu'on utilise au lieu des systèmes 3 et 10, des systèmes à champ de freinage 15 et 16 du genre Barkhausen-Kurz. Chacun de ces systèmes est formé par deux anodes, de préférence semi-cylindriques, qui sont placées l'une en face de l'autre et auxquelles est appliquée une tension de polarisation négative, et par une grille, de préférence cylindrique, 17 ou 18 à tension de polarisation positive qui se trouve à l'intérieur des anodes. La tension de commande est appliquée entre les anodes aux bornes 5 et 6, ou la tension de sortie est prélevée sur les bornes 11 et 12.
Les électrons qui entrent dans le système à champ de freinage obliquement à l'axe du tube, se dirigent au début vers l'une des anodes, inversent leur direction avant d'avoir atteint cette anode, se déplacent alors vers la seconde anode, inversent à nouveau leur direction avant d'avoir atteint cette anode, et ainsi de suite, de sorte que les électrons parcou- rent un trajet en zigzag tout en s'approchant à tour de rôle de chacune des anodes. L'angle d'obliquité sous lequel le faisceau électronique entre dans le système à champ de frei- nage, est choisi, en rapport avec la vitesse initiale des électrons et des tensions de polarisation des électrodes, de telle façon qu'aucun électron ne soit intercepté par les ano- des.
De plus, par un choix judicieux des dimensions des anodes et de la grille en rapport avec les tensions de polari- sation choisies, il est assuré que la période du mouvement en zigzag soit sensiblement égale à la période de la tension de commande à haute fréquence ou à un multiple impair de cette période, de sorte que, comme avec le tube suivant la fig, 1, on obtient un effet cumulatif de commande de la vitesse et de prélèvement d'énergie.
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Comme il ressort de ce qui précède,les tubes à dé- charges suivant les fig. 1 et 2 peuvent être utilisés pour l'amplification d'oscillations à fréquence très élevée; à cet effet, la tension à amplifier est amenée en montage équilibré aux bornes 5 et 6 et la tension amplifiée est pré- levée d'une manière analogue sur les bornes 11 et 12. On peut obtenir une amplification en cascade en prévoyant à la. suite du système à champ de freinage 10 ou 16 un second espace de dépassement qui est suivi d'un troisième système à champ de freinage sur lequel est prélevee la tension deux fois ampli- fiée.
Pour la production d'oscillations à fréquence très élevée on peut utiliser les tubes à décharges selon les fig. 1 et 2 en ramenant une partie de l'énergie prélevée sur les bornes de sortie 11 et 12, dans la phase correcte aux bornes 5 et 6. Il est aussi possible, toutefois, de régler le système de commande à champ de freinage 3 ou 15 de telle façon qu'entre les bornes 5 et 6 il se produise une résistan- ce négative. Dans ce cas, le système de commande à. champ de freinage engendre des oscillations sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à un couplage régénératif extérieur, ces oscillations, après avoir été amplifiées, peuvent être prises du système de prélèvement à champ de freinage 10 ou 16.
Pour la détection d'oscillations à frequence très élevée on peut utiliser une variante du tube à décharges de la fig. 1 ou 2 dans laquelle l'espace de dépassement 8 et le système de prélèvement à champ de freinage 10 ou 16 sont sup- primés de sorte que l'électrode collectrice se trouve immé- diatement à la suite du système de commande à champ de freina- ge 3 ou 15. A l'électrode collectrice est appliquée une ten- sion de polarisation négative ou légèrement positive telle que
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seulement les électrons rapides qui sortent du système de commande à champ de freinage, puissent atteindre l'électrode collectrice tandis qu'avant avoir atteint cette dernière électrode, les électrons lents inversent leur direction.
De préférence, on dispose au voisinage de l'électrode collectri- ce une électrode positive, par exemple une grille positive disposée en avant de l'électrode collectrice pour intercep- ter les électrons lents qui sont réfléchis par l'électrode collectrice. Un tube à décharges ainsi modifié peut également être utilisé comme changeur de fréquence pour la réception superhétérodyne, auquel cas le système de commande à champ de freinage 3 ou 15, qui est réglé de telle façon qu'entre les 1 bornes 5 et 6 il se produise une résistance négative, engen- dre les oscillations locales tandis que les oscillations reçues sont amenées à l'électrode collectrice sur laquelle sont prélevées aussi les oscillations à moyenne fréquence.
Comme changeur de fréquence pour la réception super- hétérodyne on peut aussi utiliser un tube à décharges d'après la fig. 1 ou 2 dans lequel, de la manière décrite ci-dessus, l'un des systèmes à champ de freinage engendre les oscilla- tions locales tandis que les oscillations reçues sont ame- nées à l'autre système à champ de freinage. Les oscillations à moyenne fréquence sont prélevées dans ce cas sur l'électrode collectrice 14 qui possède une tension de polarisation néga- tive ou légèrement positive telle qu'elle ne puisse être atteinte par les électrons rapides tandis que les électrons lents sont réfléchis. Dans ce cas également une électrode positive servant à intercepter les électrons lents qui re- tournent, est dispos.ée, de préférence, au voisinage de l'é- lectrode collectrice.
Dans les tubes à décharges représentés sur les fig. 1 et 2, les systèmes à champ de freinage sont coàxiaux avec le système d'électrodes 2 qui sert à la production du
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faisceau cathodique, l'angle d'obliquité requis entre le faisceau et l'axe de chacun des systèmes à champ de freinage étant obtenu à l'aide de moyens deviateurs. On peut parvenir au même résultat en donnant aux systèmes à champ de freinage une position oblique par rapport à l'axe du système d'electro- des 2. La solution indiquée sur les fig. 1 et 2, est, toute- fois, plus simple au point de vue constructif et présente, en outre, l'avantage appréciable qu'on peut régler l'amplifi- cation en modifiant le courant ou la tension des éléments dé- viateurs.
En outre, on peut moduler une oscillation engendrée ou amplifiée par le tube, en amenant l'oscillation modula.tri- ce aux éléments déviateurs qui précèdent l'un des systèmes à champ de freinage.
La fig. 3 montre la manière dont une impédance d'en- trée ou de sortie peut être reliée au système à champ de freinage. Cette figure représente un système à champ de frei- nage du type magnétron qui comporte deux anodes semi-cylindri- ques 19 et 20. Un circuit oscillant 21 accordé sur la fréquen- ce de la tension de commande à haute frequence, est relié en montage équilibré aux deux anodes, le point-milieu de ce circuit étant mis à la terre pour les hautes fréquences.
Le nombre des anodes du système à champ de freinage n'est pas limité à deux. Ainsi, par exemple, il est possible d'utiliser pour l'amplification ou la production d'un système symétrique à n phases un système à champ de freinage qui comporte n anodes qui sont situées sur l'enveloppe d'un cy- lindre ou d'un prisme régulier et qui sont reliées à un montage en étoile ou en polygone de n impédance d'entrée ou de sortie. L'emploi d'un système de commande à champ de frei- nage à deux anodes comme le montre la fig. 3 et d'un système de prélèvement à champ de freinage qui comporte trois anodes reliées à un montage en étoile ou en triangle de trois impé- dance de sortie, permet de transformer, par exemple, une
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tension alternative monophasée en un système triphasé symé- trique.
Il est aussi possible d'utiliser un système à champ de freinage qui comporte un nombre pair d'anodes, auquel cas les anodes sont divisées en deux groupes de telle façon que chaque anode fasse partie d'un groupe différent de celui auquel appartiennent les deux anodes voisines. Toutes les anodes d'un groupe sont alors reliées l'une à l'autre et une impédance d'entrée ou de sortie est raccordée entre les deux groupes. Ce dernier mode de réalisation est représenté, à titre d'exemple, sur la fig. 4 qui montre un système à champ de freinage du type magnétron qui comporte quatre anodes 22, 23, 24 et 25. Les anodes 22, 24 ainsi que les anodes 23, 25 sont reliées entre elles, le circuit oscillant 21 étant rac- cordé entre les deux groupes.
Dans ce cas l'intervalle de temps endéans lequel les électrons parcourent une spire de l'hélice, doit être égal, au moins approximativement, à deux périodes de l'oscillation sur laquelle le circuit 21 est accordé. En utilisant dans le système de commande à champ de freinage un nombre d'anodes qui diffère du nombre d'anodes figurant dans le système de prélèvement à champ de freinage, on peut réaliser une transformation de fréquence. Ainsi, par exemple, on peut réaliser une duplication de la fréquence en utilisant le système de la fig. 3 comme système de commande à champ de freinage et le système de la fig. 4 comme système de prélèvement à champ de freinage.
La fig. 5 montre en détail le mode de construction et de raccordement d'un système à champ de freinage du type Barkhausen Kurz. Ce système comporte deux anodes semi-cylin- driques 26 et 27 et une grille cylindrique 28 disposée à l'intérieur de ces anodes. Le circuit oscillant 21 est relié en montage équilibré aux deux anodes. Les systèmes à champ de freinage du type Barkhausen-Kurz peuvent également compor-
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ter plus de deux anodes et être utilisés d'une manière analogue à celle qui a été décrite ci-dessus pour les systèmes à champ de freinage du type magnétron à plus de deux anodes.
On doit alors prendre soin que le faisceau cathodique arri- ve au voisinage de chacune des anodes sous un angle tel qu'il soit toujours réfléchi vers une anode suivante.
Au lieu d'un circuit oscillant à self-induction et à capacité concentrées, comme représenté sur les fig. 3, 4 et 5, il est naturellement aussi possible d'utiliser un cir- cuit oscillant à self-induction et à capacité divisées, par exemple un système de fils de Lecher. Suivant un mode de réalisation très avantageux de l'invention, les anodes du système à champ de freinage forment conjointement un espace creux accordé sur la fréquence de la tension de commande.
Dans ce dernier cas, par exemple, des oscillations peuvent être engendrées dans le système de commande à champ de frei- nage sans qu'un circuit oscillant extérieur soit raccordé au systè.ne.
Pour l'explication ultérieure du fonctionnement du dispositif suivant l'invention, les fig. 6 et 7 représen- tent schématiquement les trajets parcourus probablement par les électrons dans le système à champ de freinage respecti- vement pour un système du type magnétron et pour un système du type Barkhausen-Kurz.
La fig. 6 montre les deux anodes 19 et 20 d'un système à champ de freinage réalisé conformaient à l'inven- tion. Le trait plein 29 représente la trajectoire d'un élec- tron qui n'est ni accéléré ni ralenti dans le systè.ne à champ de freinage, les traits ponctués 30 et 31 indiquant les trajectoires, respectivement d'un electron à vitesse plus grande et d'un électron à vitesse plus faible. Il y a lieu d'observer à ce sujet que l'accélération ou le ralen-
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tissement des électrons a lieu dans le système à champ de freinage dans le sens tangentiel ; vitesse axiale demeure sensiblement constante.
Comme l'intervalle de temps endéans lequel l'électron parcourt une spire de l'hélice, est cons- tante, le pas de l'hélice est sensiblement constant pour toutes les vitesses des électrons. Toutefois, le diamètre de l'hélice parcourue augmente quand les électrons sont accélérés et diminue quand ils sont ralentis. L'effet de la modulation de la vitesse consiste en ce que certains élec- trons parcourent une hélice à diamètre croissant et d'autres électrons parcourent une hélice à diamètre décroissant. L'in- tensité du faisceau n'est, toutefois, pas modifiée de sorte qu'on obtient une modulation pure de la vitesse.
Là fig. 7 montre les trajectoires d'électrons cor- respondantes pour un système à champ de freinage du type Barkhausen-Kurz. Sur cette figure, 26 et 27 désignent les deux anodes et 28 représente la grille. L'accélération ou le ralentissement des électrons a lieu dans le sens transver- sal, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe du système, la vitesse axiale du faisceau demeurant sensiblement constante.
Les électrons rapides s'approchent plus des anodes 26 et 27 et parcourent, par conséquent, un trajet plus grand dans l'espace entre la grille et les anodes que les électrons lents.
Le temps qu'il faut aux électrons rapides pour parcourir l'es- pace compris entre la grille et les anodes est, par conséquent, supérieur à celui qu'il faut aux électrons lents. Par contre, les électrons rapides parcourent l'espace à l'intérieur de la grille en un intervalle de temps plus court. Par un choix judicieux des diamètres de la grille et des anodes en rapport avec les tensions de polarisation appliquées on peut parvenir au résultat que l'intervalle de temps entre deux moments où les électrons inversent leur direction, soit sensiblement- n
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constant pour toutes les vitesses des électrons.
Le pas du parcours en zigzag, terme par lequel on doit entendre la distance entre les points ^,¯: et 33 des trajectoires des électrons, devient alors., au moins approximativement, indépendant de la vitesse des electrons. Il ne se produite par conséquent, pas de maxima ou de minima de la densité des électrons, c'est-à-dire qu'on obtient une modulation pure de la vitesse dont l'effet consiste en ce que certains électrons parcourent une trajectoire en zigzag à dianètre croissant et que d'autres électrons parcourent une trajec- toire en zigzag à diamètre décroissant.