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EMI1.1
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Appareil d'amplification ou de multiplication de la fréquence d'oscillations électriques.
Cette invention concerne les appareils d'amplification ou de multiplication de la fréquence d'oscillations électriques à haute fréquence, et spécialement, mais non exclusivement, de fréquences aussi élevées ou plus élevées que 3000 mégacycles/ seconde.
Un des types d'appareils les meilleurs servant à en- gendrer des oscillations électriques à très haute fréquence est l'oscillateur à magnétron, et l'invention a pour but d'adapter les principes de génération d'oscillations par magnétron à l'am- plification ou à la multiplication de fréquence.
Pour que l'invention soit clairement comprise, on dé- crira d'abord brièvement les principes du magnétron, en se re- portant à un magnétron du type à cavité résonnante; il est évi- dent que ces principes sont les mêmes pour les magnétrons d'autres
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types, tels que ceux utilisant des doigts résonants entrelacés, et que l'invention qui sera décrite ci-après n'est pas limitée à cette forme de cavité résonnante.
La figure 1 du dessin annex représente schématiquement une coupe, perpendiculaire à l'axe, d'un magntron claseique à cavités résonnantes, qui est supposé, pour la simplicités n'avoir que quatre cavités résonnantes 1; ces cavités s'étandent radialement d'une ouverture centrale cylindrinue dans laquelle une cathode cylindrique 4 est disposée suivant l'axe, et pénè- trent dans un bloc d'anode métallique 2.
Le champ magnétique est appliqué parallèlement à cet axe et le champ électrostatique est appliqué radialement entre l'anode 2 et la cathode 4. Soumis à l'influence de ces champs combinés, les électrons émis de la cathode décrivent des tra- jectoires cycloïdale? dans l'espace de gravitation des Electrons situé entre l'anode 2 et la cathode 4.
Au moment où le magnétron démarre, dès que les élec- trons sont émis par la cathode et traversent les fentes 5 par lesquelles les cavités 1 débouchent dans l'espace de gravita -.ion des électrons, de faibles oscillations initiales prennent déjà naissance dans les cavités; pour obtenir des oscillations entre- tenues, ces oscillations initiales doivent être transformées en oscillations d'amplitudes relativement grandes.
Aussi, lorsqu'un électron traverse pour la première fois la fente d'une cavit excitée, ceci peut-il se produire, par rapport au champ oscil- lant correspondant à cette cavité, suivant une relation chrono- logique telle que l'électron, durant sa trajectoire, délivre de l'énergie au champ ou reçoit de l'énergie de ce dernier; en- viron la moitié des électrons émis par la cathode recevront de l'énergie du champ associé à la première cavité résonnante dont ils traversent la fente et le système est corbin de façon que ces électrons retournent à. la cathode, cornue la courbe a en traits interrompus de la figure 1 le montre, cette courbe repré-
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sentant la trajectoire d'un ,seul électron de ce genre.
D'autre part, environ la moitié des électrons émis par la cathode délivreront de l'énergie au champ associé à la pre- mière cavité dont ils traversent la fente et le système est com- biné de façon que l'électron qui délivre de l'énergie au champ à l'intérieur de la cavité, de cette manière, ne retourne pas à la cathode mais décrit une boucle et continue sa trajectoire jusqu'à traverser la fente 5 de la cavité suivante.
La variation dans le temps du potentiel autour du bloc d'anode 2 est réglée de façon que l'électron traverse la fente dans une relation de phase telle avec le champ oscillant associé à la cavité suivante, qu'il délivre encore de l'énergie à ce champ ; decette manière l'électron traverse les fentes de plusieurs cavités et délivre de l'énergie aux champs associés à celles-ci avant d'atteindre l'anode; la trajectoire d'un tel électron est représentée par la courbe en'traits interrompus b de la figure 1.
On voit ainsi qu'au total, les champs associés à ces cavités reçoivent plus d'énergie qu'ils n'en délivrent, puisque les électrons qui absorbent de l'énergie sont immédiatement re- tirés de la circulation tandis que ceux qui en délivrent le font plusieurs fois, et les champs augmentent ainsi en intensité jusqu'au moment où la perte par radiation dans l'espace ou par alimentation d'une charge, égale le gain d'énergie produit par l'émission utile de la cathode. La fréquence de l'oscillation est définie principalement par les dimensions des cavités réson- nantes.
Il est bon de remarquer que les électrons qui retour- nent à la cathode libèrent d'autres électrons par émission se- condaire et ceux-ci se comportent de la même manière que les électrons primaires ; fait pour entretenir les oscillations, une fois qu'elles sont amorcées, l'émission primaire de la ca- thode n'est pas toujours nécessaire.
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Compte tenu des considérations précédentes,l'on peut exposer maintenant les principes sur lesquels 1'invention est basée et la nature de l'invention sera décrite de façon gnrale avant d'en donner -un exposé détailla.
Il faut d'abord remarquer que si le magnétron n'avait qu'une cavité résonnante et pas de trajectoire circulaire com plète ne pouvant donc pas passer plus d'une fois devant la cavité, il n'y aurait pas production d'oscillations entretenues, puisque la moitié des électrons qui traversent la fente délivre- raient de l'énergie au champ associé à la cavit tandis que l'autre moitié en recevrait, et le transfert résultant d'énergie au champ serait pratiquement nul.
Donc si la partie de 1 électrode cathodique qui '-1-et des électrons primaires, et qui sera dorénavant dénommée cathode primaire, a son émission limitée à une face d'une seule cavité résonnante dont la fente n'est traversée au'une fois par les électrons, si la cavité n'a pas été excitée initialement elle restera non excitée, et même si la cavité est excitée il n'y aura pas de transfert d'énergie appréciable au champ assccié à la cavité.
Quand la cavité n'est pas excite pratiquement tous les électrons émis par la cathode primaire accompliront une simple boucle cycloldale et retourneront à l'électrode catho- dique en un endroit éloigné de la cathode primaire et si la partie de l'électrode cathodique sur laquelle ils aboutissent n'émet pas d'électrons secondaires, il n'y aure pratiquement pas d'électrons qui graviteront en dehors de cette partie.
Mais si la cavité, qui peut être déncoumée la cavité d'entrée, est excitée par une oscillation d'entrée qu lui est appliquée, le champ oscillant cré par celle-ci réagira sur les électrons émis par la cathode primaire de sorte nue pendant une demi-période du champ, les électrons recevront de l'énergie et seront accélérés, tandis que, pendant l'autre deri-période, les
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électrons délivreront de l'énergie et seront retardés ; électrons accélérés retourneront à la cathode comme ci-dessus, mais les électrons retardés n'y retourneront pas et continueront à se déplacer, exécutant une série de boucles cycloidales.
Si l'on dispose alors d'autres cavités résonnant pratiquement à la fréquence de l'oscillation d'entrée de façon que les électrons retardés en mouvement traversent leurs fentes, les cavités seront excitées par les électrons et la phase et la fréquence des champs ainsi créés seront automatiquement telles qu'il y aura un transfert continuel d'énergie des électrons retardés vers ces champs.
Il s'ensuit que l'on pourra tirer de ces cavités, qui peuvent être dénommées cavités de sortie, une oscillation de sortie dont la' fréquence est la même que celle de l'oscillation d'entrée, et comme chaque électron peut délivrer de l'énergie successivement aux champs associés à plusieurs cavités diffé- rentes, on peut obtenir un transfert d'énergie résultant impor- tent, et si les cavités sont couplées entre elles comme dans un oscillateur à magnétron, on pourra produire une oscillation de sortie de grande amplitude.
Si les cavités de sortie résonnent sur une fréquence qui est un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée, elles seront également excitées, puisque la variation dans le temps de la densité du flux électronique excitant les cavités n'est pas sinusoïdale et favorable à la création d'harmoniques, et l'on peut tirer des cavités une oscillation de sortie dont la fréquence est égale à un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée.
Dans des buts d'amplification, et parfois de multipli- cation de fréquence, l'amplitude de l'oscillation de sortie doit pouvoir varier, de préférence pratiquement linéairement, en fonction de l'amplitude de l'oscillation d'entrée; ceci peut être réalisé en disposant la cathode primaire tout près ou en- dessous de la cavité d'entrée de sorte que son émission. soit
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commandée par le champ créé par l'oscillation d'entrée;
le nombre d'électrons venant de la cathode primaire varier? alors en fonction de l'amplitude de l'oscillation d'entrée, et cornue il y a toujours environ la moitié de ces électrons qui est retar- dée, le nombre des électrons excitant les cavités de sortie et, par conséquent, l'amplitude de l'oscillation de sortie, varier.'', habituellement pratiquement linéairement en fonction de l'am0 plitude de l'oscillation d'entrée
Il faut remarquer qu'avec d'autres formes d'amplifica- tion, par exemple, cet appareil peut êtreutile,même si l'ampli- tude de l'oscillation de sortie est plus petite que celle de l'oscillation d'entrée;
il est donc clair que le sens du mot "amplification"n'implique pas nécessairement que l'amplitude de l'oscillation de sortie soit supérieure '3 celle de l'oscilla0 tion d'entrée, quoique ce sera souvent le cas.
Il faut remarquer également que les cavités de sortie ne doivent pas résonner individuellement% la fréqueence ou ? % un multiple entier de la' fréquence de l'escillation d'entrée pour autant que le circuit combiné de sortie formé par les cavités couplées entre elles est réellement résonnant µ. la fréquence dd sortie requise; donc la disposition en soleil levent fréquen ment employéedans les magnétrons à cavités résonnantes neuf être adoptépour assurer une fréquence stable.
Le couplage des cavités de sortie entre elles peut être obtenu simplement par le choix de leurs emplacements, mais on utilise, de préférence, des dispositifs de couplage spciux. tels que des straps en matière conductrice. Il est Evident qu'il ne peut pratiquement pas y avoir de couplage entre la ca- vite d'entrée et celles de sortie sinon le système accrochera en auto-oscillateur au lieu de fonctionner cornue amplificateur ou multiplicateur de fréquence.
Egalement dans le but d'éviter des auto-oscillations, l'électrode cathodique n'émettra des électrons secondaires en
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aucune partie de sa surface et non seulement dans la partie de sa surface où les électrons accélérés et tous les électrons, dans le cas où la cavité d'entrée n'est pas excitée, aboutissent; cette précaution minimise la possibilité d'avoir des électrons qui retournent directement à l'électrode cathodique au-delà de cette partie, ou d'avoir des électrons secondaires qui peuvent être libérés sur cette partie de surface, ces électrons primai- res et secondaires libérant respectivement des électrons pri- majres et des électrons secondaires d'un degré supérieur qui pourraient donner naissance à de l'auto-oscillation.
Il est intéressant de savoir que la cathode primaire' peut être séparée du reste de l'électrode cathodique, ces deux électrodes pouvant alors être désignées comme cathode primaire et comme électrode cathodique, et pouvant être maintenues à des potentiels différents. De même,la partie de l'électrode catho- dique sur laquelle aboutissent les électrons accélérés et tous les électrons, dans le cas où la cavité d'entrée n'est pas excitée, peut constituer une électrode séparée..
Il est intéressant de savoir également que l'on peut utiliser différentes formes de circuits résonnants de sortie couplés au lieu de cavités résonnantes, par exemple des groupes entrelacés de doigts métalliques dont les réactances réparties et les connexions constituent des circuits de sortie montés à cheval sur les fentes séparant deux doigts voisins, ou l'on peut em- ployer encore des circuits résonnants de sortie physiquement distincts montés à cheval sur les fentes séparant deux segments d'anode adjacents; de plus, le circuit d'entrée ne doit pas nécessairement consister en une cavité unique ou ne doit pas être une cavité du tout - il peut être fait d'un doigt réson- nant, par exemple.
En général, et spécialement dans le cas de fréquences très élevées, toutes les électrodes et tous les circuits seront enfermés à l'intérieur ou feront partie des parois de l'espace
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vidé d'air dans lequel les électrons doivent graviter, mais dans certains cas des parties de l'appareil, et spécialement des parties des circuits d'entrée et de sortie, peuventse trouver à. l'extérieur ou s'étendre à 1'* extérieur des parois de l'espace fermé.
Après cet exposé, l'invention peut maintenant être décrite en détail.
Conformément à l'invention, dans un appareil amplifica teur d'oscillations d'entrée électriques à haute fréquence, les électrons émis par une cathode primaire sont amenas dans et par- courent un espace de gravitation électronique sous 1''influence de champs croisés électrostatique et magnétrique de façon à exci- ter un certain nombre de circuits résonnants de sortie, l'oscil lation d'entrée attaque un circuit résonnant d'entrée disposé de façon à créer, lorsqu'il est excité,
un champ électrostatique oscillant réglant le nombre d'électrons qui quittent la cathode primaire et modifiant la trajectoire des électrons de façon au'une fraction de ceux-ci n'atteignent plus une électrode pratiquement sans émission d'électrons secondaires destinée à receullir ces électrons lorsque le circuit résonnant d'entrée n'est pasexcité, cette fraction formantun flux d'électrons qui parcourt l'espace de gravitation des électrons dans le but d'exciter les circuits résonnants de sortie, ceux-ci étant couplés effectivement entre eux de façon à forcer un circuit complexe de sortie résonnant pratiquementà la fréquence de l'oscillation d'entrée,
leur disposition étant telle que l'on peut tirer de ce circuit de sortie complexe une oscillation de sortie dont la fréquence est celle de l'oscillation d'en- trée et d.ont l'amplitude varie en fonction de l'amplitude de l'oscillation d'entrée
De préférence, l'appareil comprend une cathode émet- tant des électrons primaires, des électrodes pour l'établis- sement d'un champ électrostatique déterinant un espace de gra-
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vitation des électrons dans lequel les électrons émis par la cathode peuvent se mouvoir suivant des trajectoires pratiquement cycloïdales sous l'influence d'un champ électrostatique et d'un champ magnétique croisé, un circuit résonnant d'entrée pouvant être excité par l'oscillation d'entrée et pouvant, une fois excité,
créer un champ électrique oscillant qui règle le nombre d'électrons venant de la cathode primaire et modifie la trajec- toire des électrons en accélérant et retardant alternativement les électrons de façon que les électrons retardés n'atteignent plus une électrode pratiquement sans émission d'électrons se- condaires destinéeà recueillir les électrons accélérés'et pra- tiquement tous'les électrons dans le cas où le circuit réson- nant d'entrée n'est pas excité, grâce à quoi les électrons re- tardés peuvent se mouvoir dans l'espace'de gravitation électro- nique;
l'appareil comprend aussi, placées dans le voisinage de l'espacement de gravitation des électrons, plusieurs fentes séparant des conducteurs, un circuit résonnant de sortie étant connecté à cheval sur chaque fente et pouvant être excité par les électrons retardés précités lorsque ceux-ci traversent la fente en parcourant l'espace de gravitation électronique, ces circuits résonnants de sortie étant pratiquement couplés entre eux de façon à former un circuit de sortie complexe résonnant à la fréquence de l'oscillation d'entrée, et l'appareil comprend encore un dispositif de sortie pour dériver une oscillation de sortie de ce circuit de sortie complexe, sa disposition étant telle que l'on peut obtenir une oscillation de sortie dont la fréquence est celle de 1'oscillation d'entrée et dont l'ampli- tude varie en fonction de celle de l'oscillation d'entrée.
De même, conformément à l'invention, dans un appareil dérivant d'une oscillation d'entrée à haute fréquence une oscillation de sortie dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée, les électrons émis par une cathode primaire sont amenés dans et parcourent un
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espace de gravitation des électrons sous l'influence de champs croisés électrostatique et magnétique de façon à exciter un certain nombre de circuits résonnants de sortie, l'oscillation d'entrée attaque un circuit résonnant d'entrée dispos(--' de façon à créer, lorsqu'il est excité, un champ électrique oscillpnt, modifiant la.
trajectoire des électrons de façon qu'une fraction de ceux-ci n'atteignent plus une électrode pratiquement sans émission d'électrons secondaires destinée à recueillir ces électrons lorsque le circuit résonnant d'entrée n'est pas excité, cette fraction formant un flux d'électrons qui parcourt l'espace de gravitation des électrons dans le but d'exciter les circuits résonnants de sortie, ceux-ci étant couplés effective- ment entre eux de façon à former un circuit complexe de sortie résonnant à une fréquence qui est un multiple entier de la fré- quence de l'oscillation d'entrée, leur disposition étant telle que l'on peut tirer de ce circuit de sortie complexe une oscil- lation de sortie dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée.
De préférence l'appareil multiplicateur de fréquences comprend une cathode émettant des électrons primaires, des électrodes pour l'établissement d'un champ électrostatique dé- terminant un .espace de gravitation des Electrons dans lequel les électrons venant de la cathode peuvent se mouvoir suivant des trajectoires pratiquement cycloïdales sous l'influence d'un champ électrostatique et d'un champ magnétrique croisa un cir- cuit résonnant d'entrée pouvant être excité par l'oscillation d'entrée et pouvant,
une fois excita créer un champ életrique oscillant qui modifie la trajectoire des électrons en accélérant et retardant alternativement les électrons de façon que les électrons retardés n'atteignent plus une Electrode pratiquement sans émission d'électrons secondaires destinée à recueillir les électrons accélérés et pratiquement,tous les électrons dans le cas où le circuit résonnant d'entrée n'est pas excita grâce
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à quoi les électrons retardés peuvent se mouvoir dans l'espace de gravitation électronique, l'appareil comprend aussi, placées dans le voisinage de l'espace de gravitation des électrons, plu- sieurs fentes séparant des conducteurs,
un circuit résonnant de sortie étant connecté à cheval sur chaque fente et pouvant être excité par les électrons retardés précités lorsque ceux-ci tra- versent la fente en parcourant l'espace de gravitation des élec- trons, ces circuits résonnants de sortie étant pratiquement cou- plés entre eux de façon à former un circuit de sortie complexe résonnant à une fréquence qui est un multiple entier de la fré- quence de l'oscillation d'entrée, et l'appareil comprend encore un dispositif de sortie pour dériver une oscillation de sortie de ce circuit de sortie complexe, sa disposition étant telle que l'on peut obtenir une oscillation de sortie dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée.
Il faut remarquer qu'il n'est pas nécessaire que ces appareils d'amplification ou de multiplication de fréquence con- formes à l'invention aient la forme circulaire du magnétron re- présente à la figure 1; on peut avoir une forme d'exécution linéaire dans laquelle la cathode et l'anode associée sont pra- tiquement planes; la forme circulaire est cependant préférée et l'on décrira maintenant à titre d'exemple, un amplificateur qui est une telle forme d'exécution, avec référence aux figures 2 et 3 du dessin annexé.
La. figure 2 montre une coupe perpendiculaire à l'axe de révolution et la figure 3 une coupe contenant cet axe; la . coupe de la figure 3 se trouve dans le plan A-A de la figure 2, vue de droite, et la coupe de la figure 2 se trouve dans le plan B-B de la figure 3, égaiement vue de droite.
Dans cette forme d'exécution, l'appareil comprend un bloc d'anode métallique cylindrique 1 évidé à ses deux parois extrêmes de,façon à recevoir un rebord périphérique annulaire 2 et percé concentriquement d'un trou cylindrique 3 déterminant
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l'espace de gravitation des électrons.
Une moitié de la partie du bloc entourant le trou est de plus profondément évidée à chacune de ses parois extrêmes de façon a forcer une bague semi-circulaire 4 d'épaisseur moindre qui est perche dans le sens de l'axe de huit trous parallèles 5, chacun de ces trous communiquant avec le trou central 3 par une rainure radiale 6 pratiquée dans la bague 4 parallèlement à l'Axe, et deux trous semi-circulaires 7 attenant chacun à la partie plus épaisse du bloc et communiquant avec le trou central 3 par une rainure 8 dont la largeur vaut la moitié de la largeur des rainures 6.
Les trous 5 et les rainures 6 forcent les cavités de sortie résonnant cha.cune à la fréquence à laquelle l'appareil. doit fonctionner, c'est-à-dire amplifier, et les trous 7 et rainures 8 forment de même des cavités résonnant à la même fré- quence; ces deux dernières cavités ont une forme telle qu'ils ont un champ zéro le long de la face de la partie la plus Epaisse du bloc afin d'éviter un couplage avec le circuit d'entrée.
La partie plus épaisse du bloc est percée près de son milieu autour du trou central 3 de deux rainures radiales 9 dis- posées parallèlement à l'axe, chacune de ces rainures ayant une longueur radiale pratiquement égale à un nuart de la longueur d'onde sur laquelle l'appareil doit fonctionner, et, entre les deux rainures, le bloc est évidé à chacune de ses p?rois extr- mes de façon à former un doigt 10 en forme de coin, résonnant sur la longueur d'onde précitée et ayant la mené épaisseur axiale que la bague 4; le doigt 10 forme le circuit résonnant d'entrée.
Dans le trou central 3 est placée concentriqueemnt une cathode cylindrique 11 portée par des plaques d'extrémité circulaires 12 maintenues chacune par une connexion métallique rigide 13 scellée dans la paroi cylindrique du bloc au moyen d'une bague de scellement verre-métal 14 conformément à la technique usuelle des magnétrons. la surface de la cathode 11
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est traitée sur toute son étendue de façon à ne pas pouvoir émettre d'électrons secondaires; en la recouvrant, par exemple, de bioxyde de titane.
A peu près au centre et d'un côté du doigt 10, la ca- tbode 11 et les plaques d'extrémité 12 sont découpées de façon à pouvoir placer une cathode primaire à chauffage indirect con- sistant en une boite métallique contenant un filament de chauffage 16 ; paroi extérieure incurvée de la boite est recouverte d'une matière émissive d'électrons et complète le cylindre de cathode.
La cathode primaire est portée par des plaques d'ex- trémité 17 maintenues chacune par une' connexion métallique rigide 18 scellée dans la paroi cylindrique du bloc au moyen d'une ba- gue de scellement 'verre-métal 19 ; les connexions 18 servent éga- lement d'amenée du courant au filament de chauffage 16 et la cathode primaire est isolée de l'électrode cathodique de sorte que les deux électrodes peuvent, s'il le faut, être maintenues à des potentiels différents respectivement au moyen des connexions 18 et 13.
Une languette métallique est placée, entre la cavité 7, 8 et la cathode primaire 15, mais plus près de celle-ci ; cette languette métallique 20, parallèle à l'axe, est fixée dans la partie du bloc entourant le trou cylindrique 3 et s'étend radialement jusqu'à une très courte distance de l'électrode cathodique 11 ; languette 20 forme une barrière pour les élec- trons, empêchant ceux-ci de repasser devant la bague 10.
Une connexion d'entrée 21 allant au doigt 10 est scellée dans la paroi cylindrique du bloc au moyen d'une bague de scellement verre-métal 22, et une connexion de sortie 23 ter- minée par une boucle placée dans un des trous 5, est scellée dans la paroi au moyen d'une bague de scellement verre-métal 24.
Les cavités résonnantes formées par les trous 6 et les rainures 5 forment les circuits résonnants de sortie pouvant être
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excités par des électrons circulant dans l'espace de gravita- tion des électrons 3, et les languettes métalliques séparant des rainures voisines sont reliées entre elles, à engoue paroi ex- trême du bloc, au moyen de straps métalliques 25, 26, placés dans des rainures circulaires pratiquées dans les languettes, le strap 25 à l'une des parois du bloc connectant entre elles les languettes un, trois, cinq, sept et neuf tandis que le strap 26 relie les languettes deux, quatre, six, huit, les languettes étant numérotées en faisant le tour du bloc, tandis au'à l'putre paroi d'extrémité du bloc le strap extérieur 25 connecte les languettes deux,
quatre, six, buit et le strap intérieur 26 re- lie les languettes un, trois, cina, sept, neuf. Ainsi, les cir- cuits résonnants de sortie sont couplés entre eux de façon à former un circuit de sortie complexe.
Sur chaque face de l'évidement peu profond que surplom- bent les rebords 2 se trouve fixée par vis une planue 26 d'égalisation de tension et le bloc est hermétinuement scellé au moyen de plaques d'extrémité 27 fixées aux rebords 2 au moyen de scellements à rondelles en or, conformément à la techni- que usuelle du magnétron.
L'appareil est vidé d'air et scellé finalement au moyen d'un tube de pompage 28 scellé à la bague en verre d'un des scellements des connexions de l'électrode cathodique.