Tube à faisceau électronique intense. La. présente invention, dont le principe est dû ü 1I. Warnecke, se rapporte aux tubes à décharge fonctionnant avec des faisceaux F lectroniques intenses, en particulier aux tubes à, modulation de vitesse du genre klys- tron. Comme l'on sait, ceux-ci sont essentiel lement constitués par deux volumes réson- iiants dont.
les champs électriques haute fré quence agissent sur les électrons d'un faisceau cathodique, le premier (rassembleur) pour commander un faisceau par modulation de vitesse, le second (collecteur) pour y prélever (le l'énergie haute fréquence par freinage. Suivant que le premier volume résonnant est c-xcité par une source extérieure ou par de l'énergie prélevée dans le second volume ré- sonnant, le tube fonctionne comme amplifica- leur ou comme auto-oscillateur.
On utilise de préférence des tubes engen drant des faisceaux rectilignes d'électrons ayant une section droite circulaire ou annu laire. Lorsqu'on veut réaliser des tubes puis sants, on est obligé d'adjoindre à ces tubes des dispositifs empêchant la dihergenee du Faisceau, que la répulsion mutuelle des élec- rons tend à. produire, de se manifester.
Ces dispositifs utilisent soit la. focalisation élec- tro-tatique. soit la localisation magnétique. L(- tuh-,-s à focalisation électrostatique, foca- lisat-on obtenue par la disposition des élec- lrode#. sont difficiles à réaliser avec toute l'efficacité désirée à cause des effets de dé viation, variables au cours du cycle haute fréquence, qui sont produits dans le rassem- bleur et le collecteur (et dans les espaces avoisinants à, cause de la,
transparence des grilles délimitant les champs haute fré quence); les tubes à focalisation magnétique, sous leur forme connue ou bien sont très en combrants parce que le dispositif de localisa tion entoure le tube (bobine extérieure dans laquelle est plongé le tube) ou bien ne fonc tionnent pas de façon satisfaisante parce que leur construction est telle que le champ ma gnétique n'agit pas sur les électrons partout où cela :est souhaitable.
Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de localisation magnétique fonc tionnant de manière satisfaisante et compati ble avec la forme constructive désirée pour les tubes du type klystron. Un champ magné tique homogène forçant les électrons à se dé placer de façon sensiblement parallèle à l'axe du tube peut être, par exemple, produit entre les deux pôles d'un aimant permanent. ou électro-aimant dont les pièces polaires sont disposées, en principe, aux extrémités du faisceau, de manière que les électrons soient, pendant tout leur trajet, soumis à des force magnétiques qui les obligent à se déplacer dans la direction désirée;
d'autre part, les pièces polaires en question sont telles que leur introduction est compatible avec la forme constructive la plus souhaitable à d'autres points de vue pour les appareils visés par l'invention. On décrira ci-après, en se référant à la fig. 1, donnée à titre d'exemple, comme les autres figures du dessin, une forme d'exécu tion du tube suivant l'invention. En 1 et 2 sont représentés respectivement les volumes résonnants rassembleur d'électrons et collec teur d'énergie.
Les boucles 3 et 4 servent par couplage magnétique, respectivement à exc.: ter le premier volume Résonnant -et à prélever l'énergie des électrons dans le second. 5 est l'espace de rassemblement dans lequel, à l'abri de l'action de tout champ extérieur, les élec trons du faisceau issus de la cathode 6 se groupent du fait de la modulation de vitesse effectuée par le champ du rassembleur. 7 est une grille servant au contrôle du courant dé bité par la cathode.
Dans cette forme d'exé- cutison de l'objet de l'invention, les pièces polaires 8 et 9, reliées magnétiquement à un électro-aimant 10 (qui pourrait être remplacé par un aimant), produisent un champ magné tique sensiblement uniforme dans l'espace ou se déplacent les électrons. 11 est la paroi du récipient à vide dans laquelle les pièces 8 et 9 sont incorporées.
On montrera maintenant, en se référant aux autres figures du dessin, données égale ment comme exemples non limitatifs, d'autres formes d'exécution plus perfectionnées du tube suivant l'invention.
La fig. 2 représente un klystron auto- oscillateur dont le volume résonnant rassem- bleur et le volume résonnant collecteur d'éner gie peuvent être déformés mécaniquement. Ces déformations permettent de faire varier la fréquence de résonance desdits volumes et de faire fonctionner le tube efficacement au point de vue puissance utile dans une gamme étendue de fréquence de fonctionnement.
Ces volumes résonnants quia, ici, constituent parr- tiellement l'enceinte à vide, sont représentés sur la fig. 2 plongés dans une cuve de re- froidissement dans laquelle un fluide vient lâcher également les parties des parois qui supportent les grilles incorporées aux cavités.
Avec cette disposition. les variations de dimen sions d'origine thermique sont réduites pres que à volonté par augmentation du refroi- dissement extérieur; ceci, quand le tube fonc tionne, empêche toute modification d'origine thermique des réglages choisis.
On voit que, dans la. région axiale, il existe entre les pièces polaires 8 et 9 un champ magnétique uniforme tel que le faisceau électronique conserve sur toute sa longueur une direction parallèle à l'axe et une section sensiblement constante.
Les avantages qui résultent de cette dis position sont considérables. Par le fait que les électrons n'ont pas de composante de vitesse radiale appréciable, le nombre d'électrons captés par les différentes électrodes sur le trajet du faisceau est réduit à une valeur très faible, quelle que soit l'intensité du faisceau. En même temps que le rendement de l'appareil est amélioré, l'échauffement des divers organes et, par suite, les variations d'ordre thermique sont réduites @à, des valeurs pratiquement négligeables.
Pour ces diffé rentes raisons, il est également possible d'augmenter la. puissance appliquée au tube et, par conséquent, sa. puissance utile. La sec tion du faisceau restant constante même pour de fortes densités électroniques, il est possi ble de réaliser, pair un choix judicieux des dimensions de la. cathode et de la grille de contrôle, un faisceau de faible section per mettant d'utiliser des formes et dimensions de grilles rassembleuses et collectrices suscep- tibles d'asurer le meilleur échange d'énergie entre le faisceau électronique et les résona teurs.
On sait, d'autre part, que l'émission secon- da-ire des grilles peut diminuer notablement le rendement du tube; dans ce tube suivant l'invention, l'émission secondaire se trouve réduite en même temps que le nombre d'élec trons primaires (et pour la. même raison) atteignant les grilles, et le rendement est amélioré.
Enfin, lorsque la modulatiion est appli quée par la grille de contrôle, l'empoi du champ magnétique réduit notablement les perturbations dues au dégroupement des élec trons au cours du cycle de modulation. Sur la fig. ?, 1 et 2 représentent reapee- tivement lu résonateur rassembleur d'électrons et le r'sonateu.r collecteur d'énergie.
3 est la boriele (lu couplage entre les deux résonateurs et 4 la boucle de prélèvement d'énergie haute fréquence. Le tube de glissement 5 est re- fi-oi, i par le fluide réfrigérant circulant sui- vant les flèches dans la chemise d'eau 18.
D,ins l'exemple représenté où le fluide réfri- ;érant. n'atteint pas toute la longueur du tube o'(- glissement, l'épaisseur du tube est choisie t4,lle que la chute de température depuis l'eztréinité jusqu'à la partie refroidie soit suff:f@ainnient faible. La cathode 6 émet. le faiscuau d'électrons dont l'intensité est con- tr@@lée par la, grille 7.
L'une des pièces po laires 8 est percée de trous pour le passage des conducteurs de cathode et de grille de contrôle. Ces trous peuvent avoir des dimen- =ions suffisamment faibles pour ne pas per- titi-ber l'uniformité du champ magnétique. L'autre pièce polaire 9 constitue en même temps l'anode collectrice d'électrons et peut sre refroidie par circulation d'un fluide ré frigérant.
Le circuit magnétique est complété par la pièce 10 et les écrous de déformation 11 et 12, et le champ magnétique est déve loppé par les bobines 14 et 15. Un support 13 en métal magnétique assujettit le corps du 1_lystron à. la. pièce 10.
Il ressort clairement <B>(le,</B> la. figure qu'en tournant les écrous 11 et l? ii l'a.id, des vis tangentes 16 et 17, on dé forme la paroi, latérale des résonateurs et qu'on modifie à volonté soit l'écartement des grilles du rassembleur, soit l'écartement des grilles du collecteur.
Les pièces 10 et 13 doi vent avoir la robustesse nécessaire pour ne pas subir de déformation et pour assurer l'in dé pendanen absolue du réglage de chacun des résonateurs. Dans l'exemple indiqué, ce sup port. 1.3 sert en même temps à guider le fluide réfrigérant.
En pratique, il est généralement possible de donner aux trajectoires des électrons entre la cathode et la grille de contrôle la forme désirée. Ce n'est donc qu'au delà de la grille di, contrôle que le champ magnétique est né cessaire. Partant de cette remarque, la fig. 3 représente une variante de la fig. 2. La grille de contrôle 7 est située dans le plan de la pièce polaire 8.
Elle est construite en un métal réfractaire magnétique et sa construc tion est telle qu'en aucun cas la température en fonctionnement ne dépasse le point de Curie de ce métal. Ce mode de construction est avantageux parce que l'élément chauf fant de la cathode se trouve ainsi placé dans une région de champ magnétique faible et que les efforts électromagnétiques sur cet élément chauffant ne risquent plus de dété riorer celui-ci ou de perturber le fonctionne ment du tube. Ce résultat est important dans le cas de chauffage en courant alternatif avec des courants intenses, en particulier dans le cas de cathodes à chauffage direct.
Il va sans dire que dans. tous les cas on adoptera une forme de filament qui réduise .au minimum les efforts électromagnétiques et leurs effets nuisibles.
Dans l'exemple de la. fig. 3, il existe entre la grille 7 et la pièce polaire une tension élevée, et il est nécessaire de conserver entre ces deux pièces un certain entrefer. Pour sim plifier la construction, on peut faire passer l'ampoule dans cet entrefer, comme l'indique la fig. 4. Dans ce cas, la, grille de contrôle 7 fait corps avec la. pièce polaire magnétique 8" duii peut en même temps jouer le rôle de ra diateur thermique. L'ampoule isolante 19 est interposée entre les pièces polaires 8' et 8 et permet de réduire l'entrefer à une valeur suffisamment faible.
Des formes d'exécution perfectionnées, dues à M. R. Bonne, sont .représentées sur les fig. 5 et 6. Selon la variante de la fig. 5, on utilise comme pièces polaires directement les pièces de réglage de l'accord des résona teurs, l'une des pièces de réglage entourant la cathode et l'autre entourant l'anode.
Grâce à cette disposition, on peut produire un champ magnétique de foealiuation sans adjonction d'aucune pièce supplémentaire, et on obtient une lentille magnétique conver gente à l'origine du faisceau électronique, suivie d'une région de champ magnétique uniforme dans laquelle le faisceau conserve une section constante; de plus, les pièces po laires étant extérieures à l'enveloppe étanche au vide, il est facile de modifier leur forme et leur position pour ag_.r sur la convergence de<B>]</B> a lentille magnétique;
enfin, le filament étant logé dans un évidement de l'une des pièces polaires, c'est-à-dire dans une région où le champ magnétique est relativement faible., les efforts électromagnétiques qu'il subit sont faibles.
Sur la. fig. 5, on voit que le faisceau électronique issu de la cathode 21 est con trôlé par la grille 22; il traverse le résona teur rassembleur 23, le tube de glissement 24, le résonateur collecteur 25, et parvient à l'anode 26. Suivant l'invention, une pièce po laire magnétique 27 est disposée autour du système cathode-grille; l'autre pièce polaire 28, également évidée, est disposée autour de l'anode 26. Ces deux pièces polaires consti tuent, en outre, les mécanismes de réglage par déformation des résonateurs, comme le mon tre la fig. 5.
En effet, la rotation de l'écrou 29, maintenu entre les pièces d'appui 30 et 31 par des butées à billes, provoque le dépla cement de la bague 27 (ou 28) et, par consé quent, la déformation du résonateur 23 (ou 25); les pièces 29, 30 et 31 sont en métal ma gnétique, de sorte que la continuité du circuit esit assurée du support 32 aux pinces polaires 27 et 28. L'influence des différents entrefers est d'ailleurs négligeable, étant donné la gran deur des surfaces en regard et la valeur rela tivement faible du champ nécessaire. Enfin, une bobine 33 est prévue pour -réaliser la va leur convenable du champ.
La concentration inhale du champ au n> veau de l'ensemble cathode-grille dépend du diamètre de l'évidement et de la position re lative de la cathode dans l'évidement. Le dia mètre de l'évidement est en partie imposé par les dimensions du tube; par contre, il est fa cile de régler la position de la cathode, de manière que le faisceau soit concentré dans la région entre la cathode 21 et le plan de l'ouverture 34, et conserve ensuite une section constante dans la région du champ uniforme comprise entre les ouvertures 34 et 35.
Au delà de l'ouverture 35, l'action du champ est de nouveau convergente, et si des précau tions particulières ne sont pas prises, cet effet peut être gênant par le fait qu'il réduit la surface de l'anode sur laquelle se dissipe l'énergie restante du faisceau; mais on évite cet inconvénient soit en plaçant la surface collectrice à une distance convenable du plan focal de la lentille magnétique, comme c'est le cas dans la fig. 5, soit en utilisant un sys tème déviateur décrit ci-dessous:
Ce sys tème déviateur est disposé de manière à agir sur le faisceau électronique après que celui-ci a traversé les électrodes actives et agencé pour que les points d'impact des électrons sur l'anode, choisie de forme appro priée, soient étalés sur une surface d'anode relativement grande (le système déviateur étant constitué, par exemple, par une élec trode auxiliaiire disposée dans la partie cen trale de l'anode dont il est isolé et par rap port à, laquelle il est maintenu à un potentiel retardateur, ou par un ensemble de bobines produisant un champ magnétique transversal).
Enfin, pour réduire au minimum la dérin-e thermique, l'ensemble du tube est refroidi par une circulation d'eau grâce aux chemises d'eau 36 et 37, et aux canaux 38 pratiqués sur tout le pourtour de la pièce polaire 28. De même, afin de faciliter l'évacuation de la chaleur rayonnée par la. cathode, la pièce po laire 27 est évidée en 39 pour permettre la circulation de l'eau dans cette région. Sur la. fig. 5, des flèches f indiquent comment l'eau circule dans les différentes parties du tube.
Dans certains cas, i4 peut être nécessaire de placer l'élément chauffant de la cathode, ou la cathode elle-même s'il s'agit d'une ca thode à chauffage direct, dans une région où le champ magnétique est négligeable. La fig. 6 montre comment on arrive à ce résultat tout en conservant en partie le bénéfice d'une convergence suffisante au début du faisceau; un diaphragme 42, en métal magnétique, prolonge et complète la. pièce polaire 41, et le tracé des lignes de force montre que le champ est alors pratiquement nul au voisi- nage du filament 43.
D'ailleurs, l'effet de lentille convergente au voisina;e du dia- phragnie est suffisant pour assurer une finesse convenable du faisceau.