CA2049714A1 - Klystron a bande passante instantanee elargie - Google Patents

Abstract

22 KLYSTRON A BANDE PASSANTE INSTANTANEE ELARGIE La présente invention concerne les klystrons. Ils comportent une succession de cavités séparées par des tubes de glissement, réparties en trois blocs (I, II, III) . Le premier bloc (I) comprend tout ce qui est en amont d'une première cavité centrale (C1), le troisième bloc (III) tout ce qui est en aval d'une seconde cavité centrale (C2) et le deuxième bloc (Il) les cavités centrales (C1, C2) . Dans chaque bloc, la somme des longueurs des tubes de glissement est égale à: H + (T x 180.degree.). H est une quantité comprise entre 45 et 135 degrés de plasma et T un entier supérieur ou égal à zéro. Dans au moins un des blocs, T est supérieur ou égal à un et la longueur d'au moins un tube de ce bloc est supérieure ou égale à 135 degrés de plasma. Application aux klystrons à large bande. Figure 4

Description

4~

KLYSTRON A B ANDE 1' /\ ,~ S ANTE
INSTANTANEE ET,/~ (Tl E

La présente invention conc~erlle les klystrons amplificateurs à large bande passant-~ instantanée. Elle s'applique aussi bien aux klystron~: rrlonofaisceaux que multifaisceaux. La bande passante instanta11ee est la bande de fréquences dans laquelle le gain du tube o~t supérleur à une limlte, par exemple ldB en dassous: de sn vn1Qur maximale.
Un klystron amplificateur mon-)raisceau est un tube hyperfréquence à modulation cle vitt~se d'un faisceau d'électrons. Son principe est basé sur 1'interactlon entre un faisceau d'électrons longitudinal et des champs électromagnétiques induits dans dQs c;~ites résonantes. La composante électrlque du champ électrornagnétique est parallèle à
l'axe du faisceau d'électrons. Un dispositiE de focalisation entoure les cavités. Ce dispr>sitiE empêche le faisceau d'électrons de diverger. Le champ magnel:iqlle créé par ce dispositif est par~llèle à l'axe du faisceau d'~?1ectrons.
Les cavités généralement au nom~)re de 4 ou de 5 sont placées à la suite les unes des autres, 1e long de l'axe du faisceau d'électrons. Elles sont séparéos 1~ar des tubes de gllssement qui sont des tubes de dialT~1 r~ aible . L'intervalle entre deux tubes d,e glissement est un e~r-nce d'interaction. Le faisceau d1électrons, forme dans 11n canon, traverss successivement les cavites résonnantes et 18s tubes de glissement. On introduit dans la premiet e cavité ou cavité
dientré~e, une~ onde hyperfréquence à amp1ieier; la dernière cavité ou cavité de sortie est reliée à 1~-1 organe d'utilisation.
I.e faisceau d'~électrons acquiert en entrant dans la premiere cavité une modulation de vitesse. Cette mod~11ation de vitesse se transforme en modulation de densité dans 1e tube de glissement .: ' ' . : . . .
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placé en aval de la premièr0 cavité r~ f~r~ln l~errnet d'exciter ]n deuxième cavité.
Les électrons se regroupent t l- I)a~ ets de plus en plus denses. Ces paquets sont obtenus par l'action de toutes les cavités sauf de la dernière et par l'actio~ ssive des tubes tle glissement. Les cavités modulent ia ~ esse du falsceau d'électrons. Dans les tubes de glissement rlt~.q electrons rapides rattrapent des électrons plus lents.
Dans la dernière cavité, k~ fnisceFIll d'électrons, fortement modulé, cède son énergie, r-nl~ rreinage, au champ électromagnétiqlle de cette cavité et ce~.tt~ ;~nergie se propage jusqu'à l'organe d'utilisation.
Un klystron multifaisceau compr t~nd un ou plusieurs canons qui produisent plusieurs fnisceaux d!electrons longitudinaux parallèles. Ces faisceaux ~I'electrons traversent ~me succession de cavités. Une cavité est trnversée par tOtlS les faisceaux. Deux cavités successives son~ l elities par autant de tubes de glissement que de faisce~ux d'électrons. Le fonctionnement d'un klystron multifaisct-~nll est comparable à
celui d'un klystron monofaisceau.
Si les s~avitas dlun klystron son~ leutes accordées sur la même fréquence de résonance, la bande ~-assallte instantanée mesurée à -l dB, sera faible, de l'ordre dt~ 1 1S par exemple.
Il existe cependant des klyslrons amplificateurs, à
bande passante instantanée plus large, ~ I 'ordre cle plusieurs pour oents et même Jusqu'à 10 ~ .
Pour obtenir un tel resultat, l~l technique employée est ceUe des amplificateurs à accc,rds d~ alés: elle consiste à
accorder chaque cavité sur une fréquenc~ l ifférente de celle de ses voisines.
Presque toutes les fréquences tl '.6lc~cord sont réparties dans la bande passante que le klystron doit avoir.
Toutefois, la mise au point d'llrl klystron à large bande, à accords décalés, est complexe. F~l- e~et, la courba du 3 5 gain en fonction de la fréquence dlune tslvjtt~, associée à ses .

deu~c tubes de glissement, ressemble ri cellt~ n circuit R, I" C
parAUèle, près de sa fréquence de résonnnce avec Un maxunurn, mais eUe présente aussi un minimum pour lln-~ certaine fréquence généralement supérieure A la fréquence de l~;sotla.nce On s'aperçoit que si la somme deF~ longueurs des dellx tubes de glissement adjacents à la cavité r`~: sensiblemcllt égale à 180 degrés de plasma, le minimu~ de gail- nst rejeté vers plus l'infini .
La longueur d'un tube de gliq~:ernent s'exprime de façon normalisée en degrés de plasmn. Ln lor~uellr d'lln tube de gllssement L est donnée par:
L - ~360 x d~ /lq avec lq longueur d'ondè de plasma el rl distance physique séparant les centres de deux espaces ~I'interaction placés de part et d'autre du tube de glissemellt dans les cavités correspondantes .
DQ plus, tlans les klystrons ii r~lus de trois cavités, la réponsa d'une cavite, située dans la partie centrale du tube, a été affectée par ce qui s'est passe dans les cavités précédentes. Le faisceau d'électrons a r~e rnodulé dans les cavités précédentes et plus on se rapr) roche de la dernière cavité plu~ le faisceau est moclulé~ Les pa~t~ets d'électrons sont de plus en plus denses, les phénomènes ne sont plus linéaires et les modulations ne sont plus simplement ~(lditives. Il ~aut tenir compte de l'effet de charge d'espace, ~'est à dire de la répulsion mutuelle entre électrons~
Un klystron à large bande ;n.~ ntanée, à quatre cavités, a sa cavlté dientrée et sa cavitl; de sortie accordées sur la fréquence centrale ~o de la bande passante que doit nvoir le klystron~ La seconde ~cavité est généralement accordee sur une fréquence inferieure à la fréquence cenl rale Fo tandis que la troisième cavité est accordée sur une fréqllence supérieurQ à la fré~quence centrale Fo. Pour obtenir une hallde passnnte la plus large possible, de manière connue, on ~ 'arrange pour que la seconde cavité et la troisième cavité aierll chacune, des tub~s - - . ~. .-.... . , - -: - - : ..

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de glissement acljacents cle longueur telle ~ e Ieur somme soit sensiblement égale à 180 degrés de plasrnn La longueur totale des tubes de ~lissernent du klystron est alors sensiblement égale à 270 degrés (1(~ ~)lasma.
Si le klystron a plus de (~ tre cavit~3s, il est d'usage de llrniter la longueur totale de se~: tubes de glissement à environ 270 degrés de plasma . Cette valell r de 270 degrés de plasma n'est pas à respecter de facon tr~s rigoureuse et elle peut, d'autre part être modifiée ell fonction d'autres caracteri3tiques.
On constate que l'on peut rajollt~ r des cavités pour élargir la bande passante du klystron e~ es cavités ss~nt, de préférence, accordées sur des Eréqu~n(~ supérieures à la fréquence centrale Fo. On constate nllssi très vite que les cavités que l'on rajoute au delà de la sixieme ou d~ la septième ne contribuent plus beaucoup à augmente~ bande passante du klystron. De plus, en raison de la lirnitation par les 270 degrés de plasmn, les cavités rajoutées sont eYtrêrnement proches les unes des autres, elles devraient même ~e chevaucher ce qui n'est pas réalisable. De toute facon, la onstruction du tube devient difficile. Les rnei~leures bandes r)aqs2lntes instantanées obtenues ne dépassent généralement pas tn ~
La présente invention vise ;i remedier à ces inconvénlents et propose un klystron A bande passante in~tantanée, au minimum une fois et demi~ r)lus large que celle qutll est possible d'obtenir par l'art actuel.
La présente invention consiste ~ donner des longu~3urs aux tubes de glissement et des fréquenc~ de résonance aux cavites clui permettent d'optirniser la bande passante du tube sans modifier son fonctionnement.
La présente invention propose 1 l?! klystron à large bande, comportant:
- au moin~ un Eai~ceau d'électrons longitudinAl, - une succession da cavités alignée~, réF~ar~ies ~n trois blocs, toutes traversées par le faisceau d'électroris.
.

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- un tube de glissement parcouru par l,~ I`nisceall d'électI ons pour relier deux cavités successiYes, la succession comprenAnt une ca~ité cI~elltrtit-~, une cavité de sortie, deux cavités centrales successive-:. la première cavité
centrale étant disposée du côté de la C~Vitt? d'entrt?e et étant accordée SUI' une ~réquence inférieu.re ~i In frtiquence centrale de la bande, la seconde cavité centrale etant ~lisposée du côté de Ia cavité de sortie et étant accordée ~ur une fréquence supérieure à la leréquence centrale de la t>node, et au moins une cavité intermédiaire disposée entre .la tsl.v;tt d'entrée et la première cavité centrale, accordée sur une fréquence inférieure à ln fréquence centrale de Ia bande, Ie premier bloc comprenant les cavltés et Ies tubes de glissement erl arnont de la première cavlté centrale, le deuxième bloc comprerlarlt les cleux cavités centrales et le tube de glissement les relinnt, le troisième bloc comprenant au moins la cavité de .qortie et le tube de glissement en aval de la seconde cavité ceo~raIe.
Le klystron ast caractérisé en ce que, dans chaque bloc, la somme des longueurs des tubes de glissement, s'il y en a plus.ieurs, ou la longueur du tube de~ ~lissement, s7il est unique, est égale à:
H ~ (T x 180 ) degrés de plQsma, H étant une première quantité comprise etltrt-~ 45 et 135 degra de plasma et T un nombre entier supérieur OII egal à zéro, T étant superieur ou égal à un dans au molns un tlt`.C~ blocs, et dans ce bloc la longueur d'au ms)ins un tube ~ Iissement étant supérleure ou égale à 135 degrés de plasm~. .
: Lorsque dans le premier bloc, I' ~ t supérieur ou égal à un, au moins un tube de glisseme~ ralié à la cavité
in-termédiaire et dlsposé en aval de la cIitt~ cavité intermédiaire a une longueur supérieure ou égale à 135 dt-~grés de plasma.
L~? klystron peut comporter nl- moins une cavité
supplémentaire disposée dans le troisième l-lo(`, entre la seconde cavité centrale et la cavité de sortie.

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3'7~

DQ préférence, clans le premier l~lo(, la quantité l~I est egale à 90 degrés + a et dans le troislèm~ t~loc, la quant;te H
est égale à 90 degres - a, a étant ~ln~ ~lellxième quantité de valeur absolue inférieure ou égale ~i 45 degle.q de plasma.
La cavité intermédiaire et 1~ pr ~miere cavité centr~le sont accordées, de préférence, sur des freqllences décroissantes et inférieures à la réquence centrale de l~ ~-ande.
La seconde cavite centrale et l;l cnvité supplémentaire sont accordées, de préférence, sur des Erétll1ences crois~antes et supérleures à la fréquence centrale de la h;lTl~le.
De préférence, la cavité d'entrée nst accordée sur une fréquence sensiblement égale à la fréquellce ~entrale de la bande.
De préférence, la cavité de sor tie est accordée sur 15une fréquence sensiblement égale à la fre~ ence centrale de la bande .
Le klystron peut être soil rnonofaisceau, soit multifaisceau .
D'autres caracti~ristiques de l'illventlon apparaîtront à la lecture de la description suivarl te ! donnéo à titre 20d'exemple non limltatif, illustrée par les figures annexées qui représentent:
- la flgure 1, une coupe longitudinale schématique d'un klystron à cavité~ décalées selon l'arl: 1~ntérieur;
25- la figure 2, les courbes schernatiques clu gain en fonction de la fréquence de chacune des avités du klystron de s la figure 1 ainsi que la courbe cle réponsc r~ll fréquence du même klystron;
- la figure 3, une courbe réel.le dll gain en fonction de la fréquance du klystron de la figure l;
30~ - la figure 4, une coupe lon~itudinale schematique d'un klystron monofaisceau selon l~invention~ à 7 cavités décslée~ en fréquence ;~
- la figure ~ 5, une courbe réellc du gain en fonotion de la fréquence du klystron de la figure 'I;
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7~

- la figure 6, une courbe réelle (l~l gain en fonction de la fréquence, d'un klystron selon l';nv- nlion, à 9 cavités;
- la figure 7, une coupe ]ongitl1(1inale cl'un klystron multifaisceau selon l'invention.
La figure 1 représente schématirll]ement un kly.stron monofaisceau selon l'art antérieur.
Ce klystron comporte un canoll n électrons 7 qui produit un faisceau d'électrons 8 vers ~In c~-llecteur 9.
Le faisceau d'électrons 8 tl nverse des cavités successives au nombre de sept, parmi le.~(~uelles on trouve :
une cavité d'entrée A1 qui est la pllls ~roche clu cnnon 7, d'autres cavités A2 à A6, une cavite ~le qortie A7 qui est la plus proche du collecteur 9.
Les cavites sont reliées entre el1{?s par des tubes de glissement 1, 2 . . ., 6 qui sont des tubes ~le fslible diamètre ; lls pénètrent dans les cavités. Le tube 1 est r)lacé entre la cavité
d'entrée A1 et la cavité A2. Le tube 2 est r~lacé entre la cavité
A2 at la cavité A3, etc... Les tubes de glissement n'ont pas la même longueur. Le tube 1 a une longuellr hl, le tube 2 une longueur h2 et ainsl de suite Jusqulà h6. l)nns la cavité A2, par exemple, les deux tubas 1, 2 en vis à vis ~onl: séparés par un espace d'interaction 11 qui est souvent e~ r oit par rapport aux dimensions de la cavité.
La cavité d'entrée Al est reliee n Ull dispositif de couplage 10 destiné à introduire une ond-? hypereréquence n amplifier. Cette onde est produite par ~ln génerateur non - représente.
La cavité de sortie A7 est reliee à un dispositif de couplage 12 destiné ~ recueillir l'onde l~yperfréquence après amplification.
Le tube est à fréquences clécalées. La cavité d'entree A1 et la cavité de sortie A7 sont accorclée~ respectivement sur des fréquences F1, P7, sensiblement eg;ll*s a la fréquence centrale Fo de la bande passante du klystron.

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2~'7~

I,e couplage entrr? Ia cavifr'? A 1 ~ le générflteur est réglé pour que la courbe rle réponse erI rl r;r7IlenCe de ]a cavité
A1 couvre, même de façon inegale, l~ I)ande passante du klystron. Cette courbe est représel1tée avr~c la r éférence 21 sur la figure 2-La cavité de sortie A7 ne parî.icipe pas .IU gain du klystron. Son rôle est d'extraire la pIl;sqnllc~.? hyperfrequence créée par toutes les cavités précédentr?.q. EUe doit couvrir toute la bande passante désirr'?e . On n 'n pas représ0nté sa courbe de réponse en fréquence sur la figu-~e 2.
La cavité A2 est accordée qIlr une fréquence F2 co~nprise dans la bande passante du klystrnrl et inEérieure ii Fo.
Les longueurs hl, h2 de ses deux tubes dr~ glissernent adjacents 1, 2 sont longs, de l'ordre de 90 degrés ~Ir~ ~>lasma. La réponse en l~réquence de la cavité A2 aura son minirnIlm de gain rejeté au delà de la ~réquence maximum de la bande r~assante du klystron.
La réponse en Préquence de la cavité ~2 r)orte la référence 22 sur la figure 2.
La cavité A3 est accordée Sllr une fréquence F3 comprise dans la banda passante du klystrotl r.~t superieure à Fo.
Sa courbe de réponse en fréquence portP ln reférence 23 sur la figure 2.
La cavité A4 est sccordée s~ t' une fréquence F4 supérieure a ~3, la cavlté A5 est accordée .~Ilr une fréquence F5 supérieure à :F4 et ainsi de suite... Le-s Err'?rluences F4 à F6 sont comprises dans la bande- passante du kl,v.qtron ou légèrement supérieur0s, Leurs courbes de réponqe ~rI fréquence portent respectivement les ré~érences 24, 25, 2(; .q~lr la figure 2. La courbe 27 en pointi71és représente la coIlrbe de réponse en fréquence du klystron.
Pour que la bande de fréquencr? du klystron soit la plus large pos~;ible, on~ fait en sorte que l.1 qornme des longueur~
de tous les tubes de glissement soit prochr? de 270 degrés de plasma.

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2~ 7:~

On peut décomposer le klystro~ 3 blocs successi~t pour pouvoir l'assimiler à un klystIon ~i q~ re cav;tés.
Le premier bloc I comprend In c~F~vité d'entrée A1 et le tube de glissement 1. ~e deuxième bloc r I comprend la cavité
A2, le tube de glissement 2 et la cavité ~ . lci la cavité A2 a une réquence F2 inférieure à Fo. C'est ln ~:eul.e cavité à être accordée sur une fréquence inférieure ;~ Fo, dans l'exemple décrit. On pourrait envisager que le tl~ht.~ possède d'autres cavités accordées sur une fréc~uence inférit.~u e à Fo. La cavité
A3 est la première cavité, traversée par le~ électrons, qui est accordée sur une ~réquence supérieure à i~--. En genéralisantJ le bloc II comprendra la dernière cavit~i traversée par les electrons, accordée sur une ~réquence inleriaure à Fo et la première cavité traversée par les électrorl.~, accordée sur une fréquence supérieure A ~0. Ici, la dernière eavité, accordée sur une fréquence inférieure à l~o, est la cnvite A2 et ln première, accordee sur une Préquence suparieure à :~o, est la cavité A3.
Si le tube comprenait plusiellrs cavites dlsposées entre la cavlté Al et la cavité ~2, ces CRvit.és et les tubes de glissement an amont de la cavité A2 feraienl pnrtie du bloc I.
Le troisièms bloc III comprend le~ tubes de glissement

3, 4, 5, 6 et les cavités A4, AS, A6, A7.
En extrapolant l'usage des 27n degrés de plasma indiqué précédemment, on constate que I 'on peut modifier la longueur totale du ou des tubes de glissement de chaque bloc.
S'il n'y a qu'un tube de glissement dans le bloc, la longueur totale est la longuaur de cc ~:ube, s'il y en a plusieurs, la longueur totale est la somme .~le~ longueurs de tous les tube~ de gllssement du bloc.
Dans chaque bloc, on peut allgmenter ou diminuer cette longueur totale d'une quantite r)o~itiv0, négative ou nulle, de valeur absolue inférieure ou éf~ale n 45 degrés de plasma .
On obtient alors par exemple:
hl = 90 ~ a = h , : . ' ' ; . ' . :

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h2 ~ 90 + b = h'~
h3 ~ h4 ~ h5 ~ h6 = 90 - a = h' a et b sont des quantités, de valeur absollle inférieure ou egale à 45 degrés de plasma.
hl + h2 + h3 t h4 + h5 ~ hfi 270 + b.
La longueur totale de tous les tllbes de glissement du klystron est comprise entre 225 et 315 degré~ de plasma.
La figure 3 représente la courbe éelle de reponse 0n fréquenca du klystron de In figure 1.
On constate que la bande p~ nte obtenue n'est toujours pas très large.
Les longueurs des tubes (le glissement et les fréquences des cavités sont consignées larls le tableau n 1 placé en fin de description.
Les valeurs de a et b sont res~e(~tivement de -19 et 0 degrés de plasma.
Pour augmenter encore la bande ~assante, il Paudralt ajouter encore plus de cavités mais ce n'est guèrs possible car les cavités seraient tl'Op serrées et tendraïent à se chevaucher.
De plus, en regardant la figure 2, on constate que la courbe Z7 en pointillés décroît brusquement vers le.~ h;llltes fréquences et marque un creux 28 de gain. Ce croll~c 28 de gain QSt sensiblement la somme des creux de gain ~les courbes 21 à 26.
Chaque cavité supplémentaire accordée sur une frequence superlsure à :Fo a~rait une réponse en frequenca qui servirait plus ~ combler le creux 28 de gain ~In '.i élargir la bande passante La figure 4 represente schémati~uement un klystron à
: ~ large bande instantanée, selon l'invention. Les différences entre ce klystron et celui décrit à la figllre 1 sont situées au nlveau des longueurs des tubes de gllssement et au nlveau du nombre et cles fréquences des cavités.
La bande passante du klystron possède une fréquence c~ntrale Fo, déEinle comme la moyenlle arithmetique des ::
: :

- . - .

.

fréquences pollr lesquelles la puissance e~ IB en d~ssous de Ia puissance maximum.
Un klystron selon l'invention cr)rnporte un canon à
electrs:ns 30 qui produit au moins Ull faisceau d'électrons 31 vers au mo.ins un coUecteur 3Z. Ce fais-~nll 3:1 traverse une succession de sept cavités (E, Bl, B2, CI, C2, Dl, S). S'il y a plusietIrs faisceaux d'éiectrons, chaque ca~ i est traversée par tous les faisceaux en meme temps. Deux cnvi~és successives sont reliées par au moins un tube de glisseme7~ l2, ~13, 44, 45, 46). S'il y a plusieurs faisceaux d'éle(-trons, deux cavités successives sont reliées par autant de tu~n (1e gIissernent que de faisceaux d'électrons. Les tubes de gli.c:~;ement reliant deux cavités successives ont une longueur sensi~lement égale. Sur la figure 4, le klystron représenté est monofnisceau.
l 5 La succession de cavités compren-I ~Ine première cavité
E ou cavLté d'entrée reliée à un dispositif de couplage 33 destiné à introduire une onde hyperfre(luence a amplifier, une dernière cavité S ou cavité de sortie reliée ~i un dispositiE de couplage 34 destiné à extraire l'onde lI~per~réquence après amplification. On accorde, de préference, respectivement la cavité E et la cavité S sur des fréquences F~E et FS sensiblement égales à Fo.
La succession des cavités comprend aussi une première cavité centrale C1 accordée sur une ~réqIlence FC1 inférieure à
Fo, placée entre les cavités E et S e~ Ilne seconde cnvité
centrale C2 accordée sur uns fréquence ~C2 sIlpérieure à Fo. La cavité C2 est placee en aval de la cavité C~I.
Enfin j la succession des cav;l:e~ comprend au moins une cavité intermédiaire ~B1, B2~, placée entre les cavités E
et C1, accordee sur une fréquence inférie~lre à Fo. Sur la figure

4 on a représenté deux cavltés intermé~liaires Bl et B2. La premi~re cavité intermédiaire B1 est sIlivie de la deuxième cavité intermédiaire B2. Les fréquence.~ des deux cavités Intermédialres sont respectiveslent FBl e~. ~B2, ces fréquences sont inEérieures à Fo.

~ .

~b ~

Selon l'invention, on choisii Ies valeurs des fréquences des cavités intermedia;res de Ir~ façoIl sIlivante: EiB1 supérieure A FB2 et ~B2 supérieure A FC 1 r,e~; ~réquences cles cavités B1, B2, Cl qui se suivent à partir de la cavité d'entrée

5 E ont des valeurs décroissantes.
La succession des cavit~és peut al1ssi comporter, de m~nière classique, au moins une cavitr supplémentaire D1 disposée entre la seconde cavité centrale C2 et la cavlté de sortis S. Cette cavité est accordée SUI tlne Eréquence FDl supérieure à Fo. Sur la ~igure 4, il n'y n clu'une ~seu1e cavité
intermédiaire D1. On a choisi FD1 supériell re ~i ~C2 . Si on avait placé d'autres cavités D entre Dl et l~ cavité de sortie S, leurs ~réquences auraient été croiSsAntes.
Deux cavités successives sont r eIiees pnr un tube de l 5 glissement dans un klystron monofaisceau nI par plusieurs tubes de glissement parallèles dans un kly~stror- rnultifaisceau. Deux tubes de glissement reliant d0s cavités différentes n'ont pas ~orcément la meme longueur. On trouvera entre E et S, les tubes de glissements 41, 42, 43, 44, 45, 46 ayPnt respactivement pour longueur e, bl, b2, c, dl, s.
Au centre de l'espace d'interaction cl'une cavité, à
une abscisse, que nous appelons z = O, certnills électrons ont ou acquièrent une vitessa plus faible que 1FI moyenne, d'autres ont ou acquièrent une vitesse plus importante ~lue Ia moyenne.
A l'abscisse ~ = lq/4 (lq est l~l Ionguaur d'onde de plasma du faisceau), les électrons lents ~!nt été rattrapés par les électrons rapldes qui les suivaient. r e~ électrons se sont regroupes en paquet.
A l'abscisse z = lq/4 la dansite e.st donc maximale. Le phénomène se poursuit après lq/4 et A l 'ahscisse z = lqt2 les électrons retrouvent la même distribution de vitesse qu'a l'abscisse z = 0. Et après cette abscisse z = lq/2, les electrons lents à l'abscisse z = O sont devenus rapides et les éleotrons rapicIes à l'abscisse z = O - soIlI devenus lents. De :

:
- ', ' : - ,:, .

~ 73l 4 nouveaux paquets vont etre formes comme ~)récédement et l~on retrouve la meme densité maxima1e à l'abscisce 7, = 3l~l/4.
Ce phénomène de mise en paq1lets et clonc de modulation de courant est périodique, rie periode Iq/2. Sa signification en est qu'un tube de glisseloen~ peut êtr~ ral1Ongé
de n fois lq/2 ( n est un entier) ou d~ 1 rois 180 degrés de plasma, l'amplitude de la rrlodulntlon de co~rant sera toujours la même à son extrémité.
L'art connu ~nit en sorte ~Tue 1'optunisation des longueurs de certains tubes de glissemenl: rtn trAine la diminution de leur longueur et même la superposition (1e plusieurs cavités, ce qui est impossible concrètement. Ce r~henomène périodique permet de modifier la longueur des tuhes cle glissement du klystron, sans perturber son fonctionnemerll. Le klystron peut ainsi être optimisé en bande passante.
L0 klystron de la figure 4 peu 1- etre décomposé en trois blocs I, II, III tels qu'on les a dé~inis ~recédemment.
Le bloc I comporte toute la partie du tube en amont de la cavité C1, c~est-à-dire la cavité d'antrée E, la cavité Bl, la cavité B2 ainsi que les tubes de ~lissement 41, 42, 43 respectivement de longueur a, bl, b2.
La bloc II comporte la cavite C1, le tube de glissemsnt 44 de longueur c et la cavité C~. La cavité Cl est la dernière cavité à être accordée sur une fréquence inferieure à
Fo. La cavite C2 est la première cavité i~ ~tre accordée sur une fréquence superieure h Fo.
:Le blo-~ III comporte tou1:e 1a ~)artie du tube en aval de la cavité C2, c'est-à-dire la cavité n I . 1a cavité S et les tubes de glissement 44, 45 respectivement ~!e longueur dl et g.
Selon una caractéristique principale de l~invantion, dans chaque bloc, la somme des longueurs des tubes de glissement s'il y en a plusieurs, ou la longueur du tube de glissement s'il est unique est égale à:
H ~ ( T x 180) degrés cle plasmn, H étant une pramlère quantité comprise entre ~15 et l ~fi ~legrés de plasma et ~:

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, .

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T un nombre entier supériellr ou égal ~i 7,ero, T pren~nt une valeur supérieure OU égale à un dans Al~ ins un des blocs, et dans ce bloc, la longueur d'au moins llr- iube de glissement étant supérieure ou égale A 135 degrés de plnsma La somme des longueurs des tllhes de glissement de chaque bloc, traversé par le même faiscen~ vient alors:
- pour le bloc I: e + bl + b2 = h ~ (In x 1~0~) e + bl + b2 = 90 ~ (2x180) m est un nombre entier supérieur ou égAI ~ éro. On a donné à
m la valeur 2, dans l'e~emple décrit. De r)riiFérence on donnera à m une valeur supérieure ou égale à un.
- pour le bloc II: c = h'l ~ (p x 180) c = 90 + b + (O,Y18O ) p est un nombre entier supérieur ou égal h 7.éro. On a donné à
p la valeur 0, dans l'exemple décrit. Or~ nllrait lui donner une valeur différente de zéro.
- pour le bloc III: dl ~ s = h' + (n x :18(1) dl ~ s = 90 - a + (0x180) n est un nombre entier supérieur ou égal h zéro. On a donné à
n la valeur 0, dans l'exemple decrit . On pe-l rràit lui donner une valeur différente de zéro.
a, b sont des quantités positives, nuLIes Oll uégatives de valeur absolu0 inférieure ou égale à 45 degrés de plasma. I,es quantités h, h', h" sont alors comprises entre 45 et l35 degrés de plasma.
L'exemple décrit à la figure ~l est une réalisation préférée de l'invention. On donne à deuY tubes de glissement 42,43 du bloc I une longueur respective b1. 1~2 te.Ue que:
bl = 180 ~ el b2 = 180 t e2 el et e2 sont deux quantités négatives eu nulles, de valeur absolue inférieure ou egale à 45 degrés de ~l~sma. Les longueurs bl et b2 sont donc comprlses entre 135 et 180 clegrés de plasma.
Les deux tubes 42, 43 sont placés e~l nval d 'une cavité
intermediaire .

' ... . .
. : ' : .,: - . ' ' . :. ' ' - - . .: ....... , , , , :
.

La longueur totale de tous les t ~It)es de glis~ement du klystron, traversés par le mêmc faisceau ~Ievient:
e + bl -~ b2 + c + dl ~ s = 270 ~ h ~ (t x 180) avec t ~ n ~ m + p (t est Iln enti~r supérieur ou égal à un), On retrouve une longueur totaIe de senslblement 270 degrés de plasma ~ t fois 180 clegrés pre.~ et autant de cavités qu'il est nécessaire. Plus précisément, Ia Iongueur totale des tubes de glissement du lclystron est comprise entre:
225 ~ (t x 180) degrés de plasma et 315 ~ (t x t80) degrés de plasma .
La figure 5 représente la répons-~ en fréquence réelle du klystron de la figure 4.
Les valeurs des réquences et dec Iongueurs des tubes de gllssement sont consignées dans le t:~hIeQu n 2 plflcé à la fin de la descriptlon.
Dan~ cet exemple:
Fo = 3000 MHz a = - 18 degrés de plasma b ~ O degré de plasma el = -35 degrés de plasma e2 = -35 degrés de plasma.
La figure 6 représente la réponse en fréquence réelle d'un autre klystron selon l'invent30n. Ce Iclystron est Z5 monofaisceau et a neuf cavités à accords clécalés: 1~, B1, B2, C1~J C2~ D1, D?J D3, S. La bande passante Instantanée est pl~s large de ~ 130 % par rapport à celle represeTItée à la figure 3.
Les valeurs ~ das fréquences et des longueurs des tubes de glissement sont consignées dans le tahleau n 3 placé à la fin de la description . La fr0quence FE es l très peu différsnte de Fo.
Dans cet exemple:
` :Fo = 2 ~15 MHz ; a = -19 degrés de pIasma b = O degré ~de plasma :
: : :::: : : :: ~ ::

:

, . ~ ~, . . .

- ~ .: . .: .

t6 el = -35 degrés d0 plasma e2 ~ -35 degrés de plasma.
I,a figure 7 représente une cnllpe longitudinale d'un klystron multifaisceau conforme à l'invention. Ce klystron a neuf cavités (E, B1, B2, C1, C2J Dl, n2, D3, S) à accords décalés. Un canon à électrons ~0 uniq~le produit plusieurs faisceaux d'électrons 81 vers un colIecteur uni~lue 82. Sur la figure, on ne voit que deux faisceaux d'électrons 81, il peut y en avoir plus. Les faisceaux d'électron.cl cont paraUèlei. Les cavités successives sont reliées entre eMec par nutant de tubes de glissement que de faisceaux d'électrons 81. I,es tubes 91 relient la cavité E à la cavité B1, les tubes 92 la cavité B1 à
la cavité B2 et alnsi de suite jusqu~nux IlIbes 98. I,a cavité E
est reliée à un dispositif de couplage 8~ et la cavité S à un autre dispositif de couplage 84. Les longueurs des tubes de glissement et les fréquences des cavités ~ellvent prendre, par exemple, lss valeurs consignées dans le tableau n 4.
La presente invention n'est pas Iimitée aux exemples décrits. Des modificatlons peuvent être npportées notamment dans le choix das fré-quences (FS peut etre dieeérente de Fo par exemple), du nombre de cavités interméclinlres, du nombre de tubes de glisssment de longueur supérie~ e ou égale à 135 degrés dQ plasma.
En particulier, ce n'est pa s obligatoire~nsnt le premier bloc qui a une longueur totale egale ;i~ ( T x 180 ), avec T supérieur ou égal à un, ce peut .^~tr e aussi le ;leuxième bloc ou le troisieme bloc.

:: :

`: :::: ` : :

. , :: .,: ,, , - - - .. .

Fréquence I/ongueur du Cavité en MHz Illbe cle glissement en degrés de plasma . _ _ __ A1 F1 =3000 h I = 70 A2 F2 -2900 h2 = 90 A3 F3 =3130 113 = 23 A4 F4 =3180 ll4 = 23 A5 F5 =3210 ~l5 = 23 a6 F6 =3290 h6 = 40 A7 F7 =3000 . . =

.. _ ...... _ ._ ., .. . .
Frequence Longueur du Cavité en MH~ I:uhe de glissement ~. en degrés de plasma ___ ,.......... ~_ _ _._ E FE = 3000 C! = 142 B1 FB1 = 2840 ht = 145 ~ B2 FB2 = 2790 1~2 = 145 C1 FC1 = 2760 ~ = 90 C2 FC2 ~ 3160 ll = 68 : ~ D1 FD1 = 3250 ~ = 40 : S FS = 3000 . .___ ~_ __ :
:: :
~ , , , , , ~

:
:

: . - - . , : , ~, . . . . :
-, : : . . ' - .

2~ 7~

1~

. .
Fréquence I,ongueur du Cavité en MHz t~lbe de glissement en degrés de plasma _ _ .. . .. __ E FE = 2775 e = 141 B1 FB1 = 2670 t~ l = 145 B2 FB2 = 2640 t72 = 145 C1 FC1 = 2600 c = 90 C2 FC2 = 292S) cl l = 23 D1 Ei`D1 - 2970 12 = 23 D2 FD2 = 2990 c13 = 23 D3 FD3 = 3080 q = 40 1 ~S = 2815 _ ._ TABI,EAU 3 :
:
:

Claims (10)

1 - Klystron à large bande de fréquence comportant:
- au moins un faisceau d'électrons longitudinal, - une succession de cavités alignées, toutes traversées par le faisceau d'électrons, réparties en trois blocs (I, II, III), - un tube de glissement (41,42,43...) parcouru par le faisceau d'électrons, pour relier deux cavités successives, cette succession comprenant une cavité d'entrée (E), une cavité
de sortie (S), deux cavités centrales (C1, C2) successives, la première cavité centrale (C1) étant disposée du côté de la cavité d'entrée (E) et étant accordée sur une fréquence (FC1) inférieure à la fréquence centrale (Fo) de la bande, la seconde cavité centrale (C2) étant disposée du côté de la cavité de sortie (S) et étant accordée sur une fréquence (FC2) supérieure à la fréquence centrale (Fo) de la bande, et au moins une cavité
intermédiaire (B1, B2) disposée entre la cavité d'entrée (E) et la première cavité centrale (C1), accordée sur une fréquence (FB1, FB2) inférieure à la fréquence centrale (Fo) de la bande, le premier bloc (I) comprenant les cavités (E, B1, B2) et les tubes de glissement (41, 42, 43) en amont de la première cavité
centrale (C1), le deuxième bloc (II) comprenant les deux cavités centrales (C1, C2) et le tube de glissement (44) les reliant, le troisième bloc (III) comprenant au moins In cavité de sortie (S) et le tube de glissement (45, 46) en aval de la seconde cavité
centrale (C2), caractérisé en ce que dans chaque bloc, la somme des longueurs des tubes de glissement s'il y en a plusieurs, ou la longueur du tube de glissement s'il est unique, est égale à:
H + (T x 180) degrés de plasma, H étant une première quantité comprise entre 45 et 135 degrés de plasma et T un nombre entier supérieur ou égal à zéro, T
prenant une valeur supérieure ou égale à un, dans au moins un des blocs et dans ce bloc la longueur d'au moins un tube de glissement étant supérieure ou égale à 135 degrés de plasma.

2 - Klystron selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque dans le premier bloc (I), T est supérieur ou égal à un, au moins un tube de glissement (42, 43) relié à une cavité intermédiaire (B1, B2), disposé eu aval de la dite cavité, a une longueur (b1, b2) supétieure ou égale à 135 degrés de plasma.

3 - Klystron selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un cavité supplémentaire (D1) est disposée entre la seconde cavité centrale (C2) et la cavité de sortie (S).

4 - Klystron selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première quantité H est égale à 90 degrés + a dans le premier bloc (I) et à 90 degrés - a dans le troisième bloc (III), a étant une deuxième quantité négative, nulle ou positive, de valeur absolue inférieure ou égale à 45 degrés de plasma.

5 - Klystron selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la cavité intermédiaire (B1, B2) et la première cavité centrale (C1) sont accordées sur des fréquences décroissantes (FB1, PB2, FC1).

6 - Klystron selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que, la seconde cavité centrale (C2) et la cavité supplémentaire (D1) sont accordées sur des fréquences croissantes (PC2, FD1).

7 - Klystron selon l'une des revendications 1 à 6, caractérise en ce que la cavité d'entrée (E) est accordée sur une fréquence (FE) sensiblement égale à la fréquence centrale (Fo) de la bande.

8 - Klystron selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la cavité de sortie (S) est accordée sur une fréquence (FS) sensiblement égale à la fréquence centrale (Fo) de la bande.

9 - Klystron selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est monofaisceau.

10 - Klystron selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs faisceaux traversant tous la succession de cavités.