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Perfectionnements apportés à la stabilisation ou à la mesure de la fréquence d'oscillations de micro-ondes.
La présente invention concerne l'utilisation de la pro- priété de résonance moléculaire de certains gaz, dans le but d'ob- tenir des facteurs de détermination de la fréquence ayant une sé- lectivité ou un Qélevé à des ultra-hautes fréquences déterminées et distinctes, et elle se rapporte particulièrement à la stabilisa- tion de la fréquence d'oscillateurs à micro-ondes.
On a déjà proposé plusieurs procédés et systèmes pour stabiliser la fréquence d'oscillateurs à micro-ondes, mais, en général, ces procédés n'ont pas présenté la précision de fréquence ou la rigidité de commande que l'on peut obtenir aux radio-fré- quences moyennes et basses avec les cristaux piézo-électriques.
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Le spectre d'absorption de micro-ondes par certains gaz, parmi lesquels, le gaz ammoniac, le sulfure carbonyle et les ha- loïdes méthyliques, consiste en "bandes" de répartition de fréquence: distinctes et différentes pour les différents gaz. Dans le cas du gaz ammoniac, à des pressions très basses, chacune de ces "bandes" se subdivise en plusieurs bandes encore plus étroites, correspon- dant chacune à une fréquence déterminée qui est indépendante des conditions ambiantes telles que la température ou la pression et qui, dans l'état actuel des connaissances, ne peut être variée qu'en soumettant le gaz à un champ magnétique ou électrique relati- vement intense.
Conformément à un aspect de l'invention, la résonance moléculaire d'un tel gaz est exploitée dans le but de créer un effet "d'attraction" sur la fréquence des oscillations produites par un magnétron, un klystron ou un autre générateur de micro- ondes comprenant ou utilisé avec une cavité résonnante ou un élé- ment équivalent. Quand la fréquence des oscillations créées tend à augmenter ou à diminuer par rapport à la fréquence désirée, la réactance d'une masse de gaz, réfléchie dans la cavité du tube, varie dans un sens tel qu'elle tend à ramener la fréquence à sa valeur normale. Donc la masse de gaz, semblable grosso modo à un cristal piézo-électrique, est l'équivalent électrique d'un cir- cuit de Q élevé à deux extrémités, qui forme l'élément déterminant la fréquence du système oscillateur.
Dans certaines formes de l'invention, le récipient con- tenant le gaz ayant la propriété d'absorber les micro-ondes, réson- ne relatitivement largement lui-même à la fréquence de travail désirée de l'oscillateur, de sorte, qu'en combinaison avec le gaz absorbant, il forme un circuit de Q extrêmement élevé à la fré- quence de résonance et qui a une réactance importante dans une gamme appréciable au-dessus et au-dessous de la fréquence de ré- sonance.
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Dans une autre forme de 'invention, le récipient du gaz absorbant résonne lui-même mais les effets de sa réactance sur l'oscillateur sont équilibrés par la réactance d'une autre cavité, ou l'équivalent, sans gaz et aussi couplée à l'oscillateur. Le ré- cipient résonnant ou chambre à gaz, en ce qui concerne l'oscilla- teur, est apériodique ou non-résonnant, de sorte que seul le gaz sert d'élément résonnant aigu pour maintenir constante la fréquence des oscillations produites.
Dans toutes les formes précédentes, l'oscillateur stabi- lisé peut être utilisé pour délivrer de l'énergie à une charge ou comme générateur de signaux en tant qu'étalon de fréquence de grande précision.
Toujours conformément à l'invention, les circuits à Q élevé décrits ci-dessus peuvent être employés eux-mêmes comme onde- mètres de haute précision dans le but de vérifier la fréquence des oscillations produites en la comparant à une quelconque des fréquences distinctes correspondant aux bandes d'absorption d'un ou plusieurs gaz ayant la caractéristique de résonance moléculaire.
L'invention consiste aussi dans les procédés et systèmes décrits et revendiqués ci-après.
L'invention ressortira plus clairement en se référant aux dessins annexés, dont :
Les figures 1 à 4A inclusivement sont des courbes servant à l'exposé des principes de l'invention.
La figure 5 est la représentation schématique d'un système stabilisateur d'un magnétron, l'élément de stabilisation étant une cavité résonnante contenant un gaz à résonance moléculaire.
La figure 6 est la représentation schématique d'un sys- tème semblable à celui de la figure 5, avec moyen de compenser la réaction de la cavité contenant le gaz.
La figure 7 est une table indiquant certaines fréquences micro-ondulatoires auxquelles des gaz déterminés présentent de la
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résonance moléculaire.
La figure 8 est la représentation schématique d'une variante du système oscillateur pour des fréquences plus basses, utilisant la propriété de la résonance moléculaire en vue de la stabilisation.
Les figures 9 et 10 montrent deux formes d'ondemètres utilisant un gaz à résonance moléculaire comme étalon de fréquence.
Au point de vue des principes de l'invention, on sait qu'il y a un certain nombre de gaz, parmi lesquels le gaz ammoniac (NH3), COS, CH30H, CH3NH2, NH2D, NHD2 et ND3, qui ont une caracté- ristique d'absorption sélective dans la partie d'ultra-haute fré- quence du spectre des fréquences. On a constaté, par des mesures de la fréquence "de résonance" d'un tel gaz, que la valeur du coëf- ficient d'absorption peut être indépendante de la pression du gaz mais que la largeur apparente de la bande d'absorption diminue, quand la pression décroît dans une gamme importante de pression.
En particulier, à la longueur d'onde de 1,25 cm. (24 kiloméga- cycles), le Q de la "bande" de l'ammoniac est environ égal à 10 avec une pression de gaz d'un dixième d'atmosphère, et égal à 100 pour un centième d'atmosphère. Si l'on réduit de plus en plus la pression jusqu'à, par exemple, l'ordre de millimètres de mercure, la bande d'absorption se subdivise en plusieurs bandes composantes très étroites, chacune d'elles correspondant à une fréquence par- ticulière et n'étant influencée par aucun facteur connu, hormis un champ magnétique ou électrique puissant.
Cet effet aigu de résonance du gaz peut être utilisé dans un circuit micro-ondulatoire dans le but de stabiliser ou de mesurer,avec précision, une fréquence déterminée et distincte cor- respondant à une de ces bandes étroites, au moyen d'un guide d'onde ou d'une cavité résonnante servant de chambre à gaz.
Pour le moment, on admet qu'une telle cavité, ou un élément équivalent, ne présente pas de pertes, c'est-à-dire qu'elle
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a un Q infini, et qu'elle est remplie de gaz ammoniac à la pres- sion atmosphérique. Dans ce cas, le gaz ne résonne pas et absorbe de l'énergie micro-ondulatoire dans une garnie de fréquences relati- vement étendue. Le coëfficient d'absorption ([alpha]) est égal à 5 x 10-4 népers par centimètre et le Q de l'ensemble, dû au gaz seul, est : Q = #/[alpha] # = 3.14/5 x 10-4 x 1.25 = 5.000 où # = 1,25 cm.
Un tel gaz placé dans une cavité ayant un Q initial de 5. 000, donne un Q résultant de 2. 500, parce que :
1 = 1 + 1
Q Qi Q2 où Q1 = Q du gaz et Q2 = Q de la cavité.
Si, au contraire, le gaz n'absorbe des micro-ondes que dans une bande étroite qui peut être réglée, comme il a été dit plus haut en faisant varier la pression du gaz de manière que la bande d'absorption se subdivise en plusieurs bandes étroites et distinctes, la situation est toute différente. Par exemple, sous une pression de 0,02 mm. de mercure, la demi-largeur de bande de la courbe de résonance correspond à un Q de 40.000, et en diminuant encore la pression on peut atteindre facilement des Q de 100.000.
La courbe de résonance d'un circuit consistant en un résonateur à cavité contenant un gaz très résonnant a la forme de la courbe de la figure 1, celle-ci ayant un creuy prononcé à la fréquence de résonance F du gaz et de la cavité. La réactance de la cavité seule, sans gaz, est représentée, à titre d'exemple, par la courbe X de la figure 2.
Comme on peut le voir, quand la fréquence augmente, la réactance de la cavité augmente plutôt len- tement jusqu'à un maximum à la fréquence F1 assez inférieure à la fréquence de résonance F, et diminue ensuite un peu plus rapidement @
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pour passer par la valeur zéro à la fréquence F; si la fréquence continue à croître, la réactance de la cavité augmente, en sens inverse, jusqu'à un maximum à une fréquence F2, un peu supérieure à la fréquence de résonance F, diminuant ensuite plus lentement.
La cavité présente une réactance inductive maximum à la fréquence F1 et une réactance capacitive maximum à la fréquence F2, toutes deux bien distantes de la fréquence de résonance F.
En opposition avec la variation relativement lente de la réactance de la cavité entre les fréquences F1 et F2, la réactance X1 ou X2 du gaz lui-même (voir figures 3 et 3A) atteint des valeurs maxima aux fréquences F3 et F4. toutes deux très voisines de la fréquence de résonance F, entre lesquelles les valeurs changent rapidement. La courbe de réactance X2 de la figure 3A est l'inverse de celle de la figure 3, correspondant, par exemple, à une inver- sion due à un transformateur.
La réactance composée de la cavité remplie de gaz est représentée par la courbe (X, X1) de la figure 4 ou par la courbe (X, X2) de la figure 4A. Comme on peut le voir, la réactance aug- mente très rapidement pour un glissement minime de la fréquence dans l'un ou l'autre sens par rapport à la fréquence de résonance F, la forte pente de la courbe dans le voisinage de la résonance étant due au Q élevé du gaz. Dans tous les cas, la caractéristique réactance/fréquence de la cavité remplie de gaz, fait de celle-ci un circuit stable à Q élevé.
Dans le générateur de micro-ondes de la figure 5, la caractéristique aiguë de résonance d'une cavité résonnante accordée sur une fréquence de travail désirée et contenant un gaz à réso- nance moléculaire, est utilisée pour stabiliser la fréquence d'un magnétron 10 à cavités multiples. La cavité 11 qui contient la masse de gaz 12 est couplée de façon appropriée au magnétron de manière à se présenter à lui sous la forme d'une charge très ré- active capable "d'attirern la fréquence des oscillations produites
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par le magnétron sur la fréquence de travail désirée.
Le fonction- nement dépend de la qualité de l'attraction du tube, qui peut être déterminée par des techniques connues. "L'attraction" a été défi- nie arbitrairement comme la variation maxima de fréquence produite dans un générateur de micro-ondes par l'emploi d'une charge ré- active qui établit un rapport de tension stationnaire de 1,5 à 1; la phase du coefficient de réflexion est renversée de 1800 et la fréquence est notée, le rapport d'onde stationnaire étant maintenu constant. Avec ce résultat connu, on peut choisir les distances a et b de la figure 5 de manière à exploiter au maximum la propriété "d'attraction" du magnétron en vue de la stabilisation de fréquence par la caractéristique aiguë de résonance de la cavité remplie de gaz 12.
La distance b est mesurée entre la jonction magnétron- guide d'onde 9 et la jonction cavité 11 guide d'onde 9, tandis que la distance a est mesurée entre la jonction citée en dernier lieu et la fenêtre 17. Il est souhaitable de régler les longueurs "a" et "b" en surveillant la fréquence de sortie du tube au moyen d'un appareil de balayage ou analyseur de spectre, pendant que l'on applique au tube oscillateur 10 une tension de modulation. Le ré- glage optimum correspond au glissement minimum de la fréquence porteuse.
Quand on emploie une cavité résonnante, ou un élément équivalent dans le but de stabiliser ou de déterminer, par la ré- sonance moléculaire d'un gaz, la fréquence d'un oscillateur, il faut éviter la saturation. Ceci peut se produire quand l'intensité des champs à haute fréquence, à l'intérieur de la cavité, est exa- gérée, on peut s'en rendre compte, parce qu'à ce moment l'absorption apparente diminue quand on augmente l'intensité du champ. Si l'on rencontre des difficultés dans ce domaine, on peut avoir recours à des cavités à mode élevé qui utilisent une plus grande masse de gaz et dans lesquelles l'énergie haute fréquence se répartit plus, l'intensité du champ n'étant ainsi jamais exagérée.
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Des cavités résonnantes contenant un gaz absorbant à basse pression peuvent être introduites dans un système de guides d'ondes, soit en "série", soit en "parallèle", dans le sens de la technique des micro-ondes.
Quand, comme à la figure 5, l'élément stabilisateur est une cavité résonnante avec un gaz à résonance moléculaire, l'impé- dance résultante (ou admittance) comprend, comme composantes, les résistances (ou conductances) du gaz et du résonateur, et les ré- actances (ou susceptances) de la cavité et du gaz. L'effet de ré- actance (ou de susceptance) de la cavité peut être supprimé, ne laissant que les effets de résonance du gaz (voir figure 6); dans ce but on utilise une seconde cavité résonnante 14 identique à la cavité 13 mais sans gaz ayant la propriété d'absorber les micro- ondes. Les deux cavités sont écartées l'une de l'autre d'une dis- tance C telle que la réflexion à la jonction de la cavité 14 et du guide d'onde 9 annule l'onde réfléchie à la jonction de la cavité 13 et du guide d'onde 9.
En résumée la distance est choisie ou réglée, par exemple au moyen de deux parties glissant l'une dans l'autre, de telle façon qu'en l'absence de gaz absor- bant dans la chambre 13, le guide est adapté à la fréquence de travail correspondant à un transfert maximum de puissance du ma- gnétron 10 à une charge adaptée 16. La vis d'accord 15, ou élément équivalent, peut être utilisée pour ajuster finement la longueur électrique c. Quand la cavité 13 est remplie d'un gaz absorbant les micro-ondes, il ne subsiste en fait que l'impédance ou l'ad- mittance due à la résonance du gaz, et il s'ensuit que le système à deux cha:nbres de la figure 6 a la caractéristique de stabilité d'un circuit ayant un Q élevé de l'ordre de 100. 000 ou plus.
Dans tous les systèmes susmentionnés, il est entendu que la chambre contenant le gaz absorbant les micro-ondes est munie d'une fermeture, telle qu'une fenêtre 17, qui maintient le gaz enfermé mais laisse passer l'énergie micro-ondulatoire du
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générateur. Les fenêtres 17 peuvent, par exemple, être faites en mica mince.
En général, les gaz convenant comme étalons de fréquence de précision ou comme stabilisateurs de générateurs de micro-ondes ont un moment de dipôle et comprennent, par exemple, les gaz cités ci-dessus. Cette classe de gaz, à des basses pressions convenables de l'ordre de 10-2 mm. de mercure, ont un nombre important de fré- quences de résonance distinctes, sur lesquelles, en ayant recours à la présente invention, on peut stabiliser un oscillateur. A des basses pressions convenables, le gaz ammoniac à lui seul a un nom- bre important de bandes d'absorption étroites (voir figure 7) dans la gamme de 19,5 à 25,5 kmc, chacune d'elles pouvant être utilisée, comme décrit plus haut, en qualité d'étalon de fréquence pour la stabilisation d'un oscillateur.
On peut évidemment utiliser, au lieu d'ammoniac, d'autres gaz qui ont de la résonance moléculaire; par exemple, il y a de pures transpositions rotationelles pour le COS à 2,5 et 1,25 cm, pour le CH3F à 6 mm, pour le CH3Cl à 1,06 et 0,53 cm, et pour CH3Br à 1,53 et 0,765 cm. La table de la figure
7 montre qu'avec quelques gaz seulement on obtient un grand nombre de bandes étalons de fréquence réparties sur une gamme étendue de fréquences micro-ondulatoires.
Des matières telles que NH2D, NHD2 et ND3 présentent de la résonance à des longueurs d'onde aussi grandes qu'un mètre ou à des fréquences aussi basses que 300 mégacycles. Avec ces der- niers gaz présentant de la résonance moléculaire aux fréquences micro-ondulatoires basses, l'élémentstabilisateur de fréquence (voir figure 8) peut être une ligne coaxiale 18, d'une certaine longueur, imperméable aux gaz, remplie d'un de ces gaz et con- nectée à une triode ou à un autre tube courant 19. Dans le dispo- sitif particulier de la figure 8, l'oscillateur est du type TGTP (grille et plaque accordées) et le circuit accordé de grille, qui joue le rôle d'élément à Q élevé déterminant la fréquence de l'oscil-
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lateur, consiste en une ligne coaxiale 18 remplie d'un gaz réson- nant.
Le reste du circuit oscillant est de nature courante et ne doit pas être décrit particulièrement. Il est évident que d'autres types d'oscillateurs classiques utilisant des cavités résonnantes, des lignes coaxiales ou des guides d'ondes qui contiennent un gaz à résonance moléculaire,peuvent être stabilisés en fréquence, en ayant recours aux principes exposés plus haut et en concordance avec les exemples particuliers donnés.
Tout oscillateur ainsi stabilisé peut servir à fournir de l' énergie à une charge, par exemple, à une antenne, ou comme étalon de fréquence de grande précision dans des procédés de me- sure de fréquence classiques à tous les autres points de vue. De plus, une cavité résonnante 20 (voir figure 9) ou une longueur de guide d'onde 21 (voir figure 10) remplie d'un gaz à résonance mo- léculaire sur les modes fondamental ou supérieurs de la cavité ou du guide, peut être utilisée comme ondemètre à absorption dans le but de régler un oscillateur sur une fréquence de résonance molé- culaire du gaz ou dans le but de vérifier si la fréquence des oscillations produites correspond à celle de 1-'ondemètre de pré- cision.
On peut fabriquer un jeu d'ondemètres de précision ou d'étalons de fréquence pour un grand nombre de fréquences dis- tinctes, en choisissant judicieusement les gaz et les di ensions des cavités associées. Chaque ondemètre (voir fig. 9et 10) peut être pourvu d'un redresseur à cristal, ou d'un élément équivalent, que l'on raccordera à un appareil de mesure sensible 22, ou à un dispositif équivalent, qui indiquera ou enregistrera la réponse de l'onde:mètre aux oscillations appliquées.
Les règles générales données et les exemples particuliers décrits montrent comment on peut utiliser d'autres gaz à résonances moléculaires pour déterminer la fréquence d'une énergie micro-ondu- latoire.