Procédé de stabilisation d'une fréquence ultra-haute et appareil pour<B>la</B> mise en oeuvre de ce procédé. Cette intention comprend un procédé de stabilisation d'une fréquence ultra-haute et. un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Divers systèmes et méthodes ont été pro posés et utilisés jusqu'à présent pour stabili ser la fréquence de générateurs d'ondes ultra courtes par réglage de tension, de charge, ou par l'emploi de dispositifs à. réactance. Bien que les cristaux piézo-électriques soient utili sables pour le contrôle des basses et moyennes fréquences, ils ne le sont pas pour les ultra- hautes fréquences. Il est indispensable pour obtenir une stabilisation satisfaisante des ondes ultracourtes d'utiliser un phénomène ou un dispositif oscillatoire dont la fréquence est stable et. comprise dans le spectre des ondes ultracourtes.
Le spectre d'absorption de certains gaz tels que l'ammoniaque, les sulfures de car bonyle, les halogénures de méthyle, peut être résonnant ou non. L'absorption non réson nante d'un gaz, pour fréquence déterminée, croît avec le carré de la pression du gaz et devient. par conséquent négligeable lorsque la pression décroît.
Tous les gaz ayant un spectre d'absorp tion discontinu pour les ondes ultracourtes présentent plusieurs lignes d'absorption dis tribuées différemment dans chaque gaz. La. fréquence de chacune de ces lignes d'absorp tion a une valeur fixe qui est indépendante de la température, de la pression ainsi que des caractéristiques physiques et des dimen sions de la chambre renfermant le gaz. La seule méthode connue pour déplacer les lignes de tels spectres est un champ magnétique ou électrique unidirectionnel et relativement in tense. On se propose d'utiliser la stabilité de tels spectres de lignes pour stabiliser la fré quence de générateurs d'ondes ultracourtes.
Le terme résonance moléculaire>> désigne les caractéristiques on propriétés d'un ensemble de molécules de gaz qui donnent naissance à L'absorption sélective des ondes ultracourtes à, des fréquences déterminées.
La fréquence d'une ligne d'absorption reste constante lorsque la pression du gaz est. diminuée, pour autant que l'observation soit faite exactement au centre de la. ligne. On observe une absorption sélective pour les sul fures de carbonyle et l'ammoniaque, tandis que dans les halogénures de méthyle le spec tre d'absorption est continu. Les corps tels crue les éthylamines ou méthy lamines présen tent les deux sortes d'absorption qui peuvent être discriminées en particulier, en observant si elles sont indépendantes de la pression.
Pour le sulfure de carbonyle, par exemple, l'absorption sélective d'une onde ultracourte est donnée par
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où 1t" désigne le moment du dipôle, 1'0 la fré quence d'une des lignes d'absorption, J le nombre quantique, h la constante de Planck, c la vitesse de la lumière, I le moment-d'iner- tie, <I>k</I> la constante de Boltzmann,<I>T</I> la tempé rature absolue, Y le nombre de molécules par centimètre cube et Av la largeur de la ligne d'absorption en cycles par seconde correspon dant à. la moitié de l'absorption.
N et Av va rient linéairement avec la pression, ceci jus qu'aux pressions très basses où d'autres fac teurs que les chocs moléculaires entrent, dans l'équation pour déterminer la largeur de la ligne. Ainsi, l'absorption de tels gaz, aux fréquences des ondes ultracourtes, croît rapi dement avec la pression lorsque celle-ci est au-dessus du domaine des basses pressions et tend asymptotiquement vers une valeur limite. L'aecroissement de la pression du gaz a pour effet d'augmenter la largeur de la ligne d'ab sorption sans changer la valeur de cette der nière au centre de la ligne.
Le procédé suivant l'invention se caracté rise en ce qu'on utilise les propriétés d'ab sorption sélective d'un gaz absorbant les ondes ultracourtes en excitant ledit gaz par un signal provenant d'un générateur pour provoquer une absorption sélective molécu laire dans ce gaz, absorption en fonction de laquelle on règle la fréquence de ce généra teur.
L'invention comprend aussi un appareil pour la mise en oeu-çi-re de ce procédé. Cet. appareil comprend un générateur dont la fré quence est susceptible d'être réglée et est ca ractérisé en ce qu'il présente des moyens pour exciter au moyen d'un signal provenant de ce générateur un volume dudit gaz, de façon à. provoquer une absorption moléculaire sélec tive dans ce dernier et des moyens pour sta= biliser la fréquence du signal émis par le gé nérateur, en fonction de ladite absorption.
Dans une forme d'exécution -de l'objet. de l'invention, le fait que la fréquence émise par un klystron est contrôlée en partie par la ten sion appliquée à l'électrode réflectrice est utilisé pour piloter la fréquence. Dans un tel système, l'absorption sélective de la chambre renfermant le gaz est utilisée pour coinnian- der la tension de contrôle de la fréquence, appliquée à. l'électrode réfleetrice, de manière à maintenir la tension du réflecteur à une valeur telle que la fréquence émise soit. stable.
Les variations de ].'absorption sont détectées et comparées avec les signaux émis, de faon que la tension résultante contrôle la fréquence du signal émis.
Dans une seconde forme d'exécution de l'objet de l'invention, on utilise le fait que la fréquence du magnétron peut être contrôlée par un faisceau d'électrons auxiliaire, dirigé dans l'une des cavités résonnantes du magné tron. Dans cette dernière forme d'exécution, l'absorption sélective de la chambre renfer niant le gaz est utilisée pour contrôler l'am plitude du faisceau d'électrons auxiliaire dans une ou plusieurs des cavités résonnantes, de faon à stabiliser la fréquence émise.
Des exemples d'application du procédé se lon l'invention et des formes d'exécution de l'appareil selon l'invention, données à titre d'exemple, seront décrits en regard du dessin, dans lequel: La fig. 1 est un schéma d'une première forme d'exécution, dans laquelle la fréquence d'un klystron est stabilisée.
La fig. 2 est un schéma d'une seconde forme d'exécution, dans laquelle la fréquence d'un magnétron est. stabilisée.
La fi,-. 3 est un graphique montrant la re lation existant entre la fréquence d'une onde ultracourte et son énergie absorbée par un gaz.
La fig. 4 montre la relation existant entre la pression et l'énergie absorbée dans un tel gaz, et la fig. 5 montre une variante de détail des schémas selon .les fig. 1 et \?.
Les éléments semblables sont désignés par des mêmes indices de référence dans le dessin. Une première forme d'exécution, dans laquelle la fréquence d'un klystron est stabi lisée, est montrée à la fig. 1. Le générateur à, ondes ultracourtes 1 comprend une cathode 3, une grille de contrôle 5, une cavité résonnante ouverte au centre et une électrode réfléctrice 9. La cavité résonnante 7 est polarisée positi vement par rapport à la cathode 3, et une tension destinée à, commander l'intensité du t'aisceau est appliquée à la grille de contrôle 5.
L'électrode réflectrice 9 est polarisée néga tivement par rapport à ,la cavité résonnante 7 au moyen d'une batterie 11 connectée à l'élec trode réflectrice 9 par une résistance 13. Le klystron comprend un élément de réglage 15 pour accorder la cavité résonnante 7. Une boucle de couplage 17, pénétrant dans la ca vité, transmet l'énergie fournie par le klys- tron au guide d'ondes 21 par une ligne co axiale 19.
Une partie du guide d'ondes 21, fermée par les bouchons étanches aux gaz 23, 25, t'orne une chambre 27 remplie avec un gaz absorbant les ondes ulra-courtes, par exemple de l'ammoniaque. Cette chambre ne résonne pas pour la fréquence émise par le généra teur. Un premier détecteur à cristal 29 est logé dans une troisième partie 31 du guide d'ondes et est sensible à l'énergie transmise à travers la chambre 2'7. Le détecteur 29 peut être adapté à l'impédance caractéristique du guide d'ondes et est connecté à l'entrée d'un amplificateur pour tensions continues 33, la sortie de celui-ci étant connectée à la résis tance 13.
Le guide d'ondes 21 est également couplé par deux orifices 35, 37, espacés d'un quart d'onde de la fréquence émise, à un guide d'ondes 39 de type connu, par exemple. Un élément adapté 41, par exemple un coin en matériau diélectrique, est logé dans l'extré mité du guide d'ondes 39 tournée vers le gé nérateur. Un second détecteur d'ondes ultra courtes 43 est logé dans l'extrémité opposée du guide d'ondes et est connecté à l'entrée d'un second amplificateur pour tensions con tinues 45. Un coin en matériau diélectrique 47 peut être inséré entre l'ouverture de cou plage 37 et le second détecteur 43 pour inter dire aux réflexions provoquées par le détec teur de pénétrer dans le guide d'ondes 21.
La sortie du second .amplificateur 45 est con nectée à l'autre extrémité de la résistance 13 et à l'électrode réflectrice 9 du klystron 1. Une impédance de charge, non représen tée, peut être couplée au générateur, de façon ; que les variations d'énergie fournie à celle-ci ne déséquilibre pas le circuit du détecteur.
Les signaux détectés par les cristaux sont rendus égaux en ajustant le couplage des dé tecteurs ou en réglant le gain des amplifiea- ; teurs, ceci pour une fréquence du générateur proche de la fréquence du centre d'une ligne d'absorption du gaz contenu dans la chambre 27. L'atténuation de l'onde varie rapidement avec la fréquence dans la région du maximum , d'absorption, de telle sorte que la différence ,des tensions de sortie des amplificateurs 33 et 45 varie rapidement avec la fréquence émise. La différence des tensions est appli quée à l'électrode réflectrice 9 du klystron, , de façon à régler sa. tension pour stabiliser la fréquence -du générateur.
On sait que la fréquence émise par un klystron est avant tout déterminée par la tension appliquée à l'électrode réflectrice qui détermine le temps de transition des électrons dans le tube.
Les amplificateurs 33 et 45 ne sont pas essentiels pour le fonctionnement du disposi tif, mais ils permettent phis de souplesse pour régler les circuits et permettent une plus grande sensibilité pour le contrôle de la fré quence, étant donné que le gain des circuits de contrôle détermine la, précision avec la quelle la tension appliquée à l'électrode ré- fleetrice varie en fonction de la fréquence. La. fréquence émise par le klystron peut être ajustée de façon qu'elle soit légèrement infé rieure à la fréquence correspondant à, l'ab sorption maximum du gaz, suivant la polarité des détecteurs 29 et 43.
Cette condition est indispensable, afin que le circuit de contrôle de la fréquence puisse agir dans le sens voulu pour commander la tension .de l'électrode ré- flectrice en fonction des variations de la fré quence du générateur. Une courbe d'absorp tion caractéristique d'une ligne est illustrée à la fig. 3 où l'absorption dans le gaz est re portée en fonction de la fréquence de l'onde ultracourte traversant le gaz. De tels gaz pré sentent plusieurs fréquences de résonance pour lesquels les ondes ultracourtes sont absorbées, comme expliqué plus haut, et cha eune des lignes peut être utilisée pour le con trôle de la stabilité.
Le domaine de contrôle du dispositif est représenté par la partie de la courbe 49 comprise entre les points 51 et 53, du côté des hautes fréquences de la courbe de résonance. L'autre côté de la courbe agi rait sur la tension de l'électrode réflectrice en sens inverse.
La fig. 2 montre une seconde forme d'exé cution adaptée pour stabiliser la fréquence émise par un magnétron 61 à cavités multi ples. Ce magnétron comprend une cathode centrale 63 entourée par des cavités réson nantes disposées radialement, chaque cavité étant représentée schématiquement par des inductivités 65 et des capacités 67. Un champ magnétique unidirectionnel .de grande inten sité est appliqué au magnétron selon une di rection perpendiculaire au plan du dessin.
La fréquence émise par ce magnétron peut être variée à l'aide d'un dispositif à faisceau d'électrons couplé avec une ou plusieurs des cavités résonnantes, le faisceau d'électrons pé nétrant dans la ou les cavités avant un effet réactif sur l'accord du résonateur. Un modu lateur à faisceau d'électrons 70 est représenté schématiquement par une cathode 69, une grille de contrôle 71 et une anode 73 logées dans une des cavités :du magnétron.
L'anode et la cathode du dispositif à faisceau d'élec trons sont alimentées par des tensions, de façon que le faisceau d'électrons ait l'intensité voulue. L'intensité du faisceau d'électrons va rie avec la tension appliquée à, la grille de contrôle 71 du dispositif à faisceau d'élec trons 70, la réaction du faisceau d'électrons dans la cavité résonnante correspondante du magnétron variant .ainsi la fréquence émise par celui-ci.
Une boucle de couplage<B>'15,</B> couplée avec l'une des cavités du magnétron 61, est con nectée par une ligne coaxiale 19 avec le guide d'ondes 77 qui se termine par une charge 79. Deux orifices 81 et 83 espacés d'un quart d'onde de la fréquence émise couplent le guide d'ondes 77 avec un guide d'ondes 85; l'extrémité de ce dernier tournée vers le gé- nérateur étant. terminée par un élément en forme de coin 87 semblable à celui 41 de la fig. 1.
Le guide d'ondes 85 comprend une paire de bouchons 91 et 93 étanches au gaz d'ab sorption et formant avec le guide une cham bre renfermant le gaz; ce guide est terminé par un premier détecteur à ondes ultra- courtes 97 qui est couplé avec l'entrée d'un premier amplificateur à courant alternatif 99. Le guide d'ondes 85 est, également couplé, par deux autres orifices 101 et 103 espacés d'un quart d'onde de la fréquence émise, avec le guide d'ondes 105 dont. l'extrémité tournée vers le générateur est terminée par un second élément diélectrique 107 en forme de coin.
Dans l'extrémité arrière du second guide d'ondes 109 est logé un second détecteur d'ondes ultracourtes 109 qui est connecté avec l'entrée d'un second amplificateur à. courant alternatif 111.
Les sorties des amplificateurs 99 et 111 sont connectées à un circuit équilibré com prenant, par exemple, un enroulement pri maire 113 d'un transformateur de sortie l_15. L'embranchement central 117 clé l'enroule ment primaire 113 est mis à terre. L'enrou lement secondaire<B>119</B> du transformateur de sortie est .couplé à l'entrée d'un modulateur équilibré 121. Les signaux de sortie du modu lateur sont conduits à la grille de contrôle 71 du dispositif à faisceau d'électrons du ma- gnétron.
Tout système permettant de faire fonc tionner le modulateur équilibré avec une pe tite fréquence de modulation peut être couplé, par exemple, au guide d'ondes 85 pour modu ler simultanément. les signaux envoyés dans la chambre 95 et ceux envoyés dans le guide d'ondes 105. Un modulateur mécanique, par exemple, tel qu'un excentrique rotatif<B>123</B> entraîné par un moteur 125, peut être couplé avec, le guide d'ondes 85 par un volet 135 pour varier l'amortissement du guide d'ondes ou d'autres caractéristiques de celui-ci.
Tous les dispositifs mécaniques ou électri ques connus peuvent être utilisés pour provo- quer une modulation basse fréquence des si gnaux envoyés dans la chambre renfermant le gaz et dans le guide d'ondes 105. Dans le cas de la forme d'exécution suivant la fig. 2, le moteur 125 entraîne aussi, en synchronisme avec l'excentrique, un générateur à basse fré quence 127 qui est connecté au modulateur équilibré 121, de telle facon que le signal émis par le générateur 127 soit en phase avec les deux tubes du modulateur équilibré.
Les flè ches représentées à la fig. 2, dont l'une part du générateur 127 et l'autre du modulateur 121, indiquent des bornes de connexion reliées entre elles, le retour s'effectuant par la terre. Ainsi, le modulateur recevra une fréquence de modulation de 30 cycles par seconde par exemple, de façon à provoquer un signal de contrôle de la fréquence qui dépend de la dif férence des amplitudes des signaux de sortie o des amplificateurs 99 et 111 et dont la varia tion a .lieu dans le sens voulu par rapport à la variation de la fréquence émise par le ma- gnétron.
Les signaux sortant. des détecteurs 97 et 109 seront égalisés lorsque la fréquence émise est située sur la partie 51 de la courbe d'ab sorption indiquée sur la. fig. 3. Lorsque la fré quence est stabilisée à la valeur désirée, l'am plitude du signal sortant du modulateur est nulle; une petite variation de la fréquence d'émission déséquilibrera le modulateur et provoquera un signal de contrôle agissant sur le faisceau d'électrons auxiliaire, de façon à s'opposer à ladite variation de fréquence. L'ab sorption dans la chambre renfermant le gaz, pour l'une des fréquences .de résonance du gaz employé, est fonction de la pression de ce dernier, comme représenté par le graphique 123 de la fig. 1.
Les sélectivités et sensibilités optima pour le contrôle de la. fréquence ont lieu pour une pression de l'ordre de 10-3 mm clé mercure. Il est entendu, toutefois, qu'une pression de gaz de l'ordre de 10-2 mm de mercure ou même toute pression inférieure à. 70-1 mm de mercure peut. être employée.
La fig. 5 montre une variante des circuits détecteurs équilibrés, des fig. 1 et 2, qui peut être utilisée comme détecteur différentiel sans nécessiter de circuit de couplage. Dans cette variante, les détecteurs 29 et 43 sont con nectés en parallèles, les pôles étant opposés de telle faon que leurs différences de poten tiel se soustraient; une tension différentielle est .appliquée à l'élément de contrôle de la fréquence du générateur, à travers la résis tance 13, cet élément étant, par exemple, l'électrode réflectrice 9 dans le cas de la fig. 1.
Un montage analogue peut être créé pour le circuit de la fig. 2 pour éviter l'em ploi du transformateur de sortie équilibré 115, couplant les amplificateurs 99 et 111 au mo dulateur équilibré 1.21.
Lorsque les signaux détectés par les dé tecteurs 29 et 13 sont égaux, aucune chute de tension ne prend naissance aux bornes de la résistance 13. Si le signal provenant du dé tecteur 43 est plus grand que celui provenant du détecteur 29, le signal de contrôle résul tant devient plus négatif, et la fréquence du klystron augmente pour compenser la dimi nution de fréquence qui a provoqué une aug mentation de l'énergie .absorbée par le gaz et une diminution du signal provenant dit dé tecteur 29.
Le même dispositif peut être utilisé pour stabiliser la fréquence de tout autre type de générateur à ondes ultracourtes dont la fré quence peut être commandée par application d'une tension. Quoique des guides d'ondes ont été utilisés comme éléments de couplage et de transmission, il est évident que des lignes coaxiales ou d'autres circuits de cou plage pour ondes ultracourtes peuvent être utilisés à. leurs places, et que les détecteurs à cristaux représentés sur le dessin peuvent être remplacés par tout autre détecteur pour ondes ultracourtes connu.
A method for stabilizing an ultra-high frequency and apparatus for <B> the </B> carrying out this method. This intention includes a method of stabilizing an ultra-high frequency and. an apparatus for implementing this method.
Various systems and methods have been proposed and used heretofore to stabilize the frequency of ultrashort wave generators by adjusting the voltage, the load, or by the use of devices. reactance. Although piezoelectric crystals are useful for controlling low and medium frequencies, they are not for ultra-high frequencies. It is essential to obtain satisfactory stabilization of ultrashort waves to use an oscillatory phenomenon or device whose frequency is stable and. included in the ultra-short wave spectrum.
The absorption spectrum of certain gases such as ammonia, car bonyl sulphides, methyl halides, may or may not be resonant. The non-resonant absorption of a gas, for a determined frequency, increases with the square of the gas pressure and becomes. therefore negligible when the pressure decreases.
All gases with a discontinuous absorption spectrum for ultrashort waves have several absorption lines distributed differently in each gas. The frequency of each of these absorption lines has a fixed value which is independent of the temperature, the pressure and the physical characteristics and dimensions of the chamber containing the gas. The only known method of moving the lines of such spectra is a relatively strong unidirectional magnetic or electric field. It is proposed to use the stability of such line spectra to stabilize the frequency of ultrashort wave generators.
The term molecular resonance means the characteristics or properties of a set of gas molecules which give rise to the selective absorption of ultrashort waves at determined frequencies.
The frequency of an absorption line remains constant when the gas pressure is. decreased, provided that the observation is made exactly in the center of the. line. Selective absorption is observed for carbonyl sulphides and ammonia, while in methyl halides the absorption spectrum is continuous. Bodies such as ethylamines or methylamines present the two kinds of absorption which can be distinguished in particular, by observing whether they are independent of pressure.
For carbonyl sulfide, for example, the selective absorption of an ultrashort wave is given by
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where 1t "denotes the dipole moment, 1'0 the frequency of one of the absorption lines, J the quantum number, h the Planck constant, c the speed of light, I the moment of inertia. tie, <I> k </I> the Boltzmann constant, <I> T </I> the absolute temperature, Y the number of molecules per cubic centimeter and Av the width of the absorption line in cycles per second corresponding to half the absorption.
N and Av will laugh linearly with pressure, up to very low pressures where factors other than molecular shocks enter into the equation to determine the width of the line. Thus, the absorption of such gases, at the frequencies of ultrashort waves, increases rapidly with the pressure when the latter is above the low pressure range and tends asymptotically towards a limit value. The increase in gas pressure has the effect of increasing the width of the absorption line without changing the value of the latter at the center of the line.
The process according to the invention is characterized in that the selective absorption properties of a gas absorbing ultrashort waves are used by exciting said gas by a signal coming from a generator to cause a selective molecular absorption in the gas. this gas, absorption according to which the frequency of this generator is adjusted.
The invention also includes an apparatus for carrying out this method. This. apparatus comprises a generator whose frequency can be adjusted and is characterized in that it has means for exciting by means of a signal from this generator a volume of said gas, so as to. causing selective molecular absorption in the latter and means for stabilizing the frequency of the signal emitted by the generator, as a function of said absorption.
In one embodiment -of the object. of the invention, the fact that the frequency emitted by a klystron is controlled in part by the voltage applied to the reflector electrode is used to control the frequency. In such a system, the selective absorption of the gas-containing chamber is used to control the frequency control voltage applied to. the refleetrice electrode, so as to maintain the voltage of the reflector at a value such that the emitted frequency is. stable.
Changes in absorption are detected and compared with the transmitted signals, so that the resulting voltage controls the frequency of the transmitted signal.
In a second embodiment of the object of the invention, use is made of the fact that the frequency of the magnetron can be controlled by an auxiliary electron beam, directed into one of the resonant cavities of the magnetron. In the latter embodiment, the selective absorption of the gas-denying chamber is used to control the amplitude of the auxiliary electron beam in one or more of the resonant cavities, so as to stabilize the emitted frequency.
Examples of application of the method according to the invention and embodiments of the apparatus according to the invention, given by way of example, will be described with reference to the drawing, in which: FIG. 1 is a diagram of a first embodiment, in which the frequency of a klystron is stabilized.
Fig. 2 is a diagram of a second embodiment, in which the frequency of a magnetron is. stabilized.
The fi, -. 3 is a graph showing the relationship between the frequency of an ultrashort wave and its energy absorbed by a gas.
Fig. 4 shows the relationship between the pressure and the energy absorbed in such a gas, and FIG. 5 shows a variant of detail of the diagrams according to FIGS. 1 and \ ?.
Like elements are designated by like reference numbers in the drawing. A first embodiment, in which the frequency of a klystron is stabilized, is shown in FIG. 1. The ultrashort wave generator 1 comprises a cathode 3, a control grid 5, an open resonant cavity in the center and a reflector electrode 9. The resonant cavity 7 is positively polarized with respect to the cathode 3, and a voltage intended to control the intensity of the beam is applied to the control grid 5.
The reflective electrode 9 is negatively polarized with respect to the resonant cavity 7 by means of a battery 11 connected to the reflective electrode 9 by a resistor 13. The klystron includes an adjustment element 15 for tuning the resonant cavity. 7. A coupling loop 17, penetrating into the cavity, transmits the energy supplied by the klystron to the waveguide 21 via a coaxial line 19.
A part of the waveguide 21, closed by the gas-tight plugs 23, 25, adorns a chamber 27 filled with a gas absorbing ulra-short waves, for example ammonia. This chamber does not resonate for the frequency emitted by the generator. A first crystal detector 29 is housed in a third part 31 of the waveguide and is sensitive to the energy transmitted through the chamber 2'7. Detector 29 can be matched to the characteristic impedance of the waveguide and is connected to the input of a DC amplifier 33, the output of the latter being connected to resistor 13.
The waveguide 21 is also coupled by two orifices 35, 37, spaced apart by a quarter wave of the transmitted frequency, to a waveguide 39 of known type, for example. A suitable element 41, for example a wedge made of dielectric material, is housed in the end of the waveguide 39 facing the generator. A second ultra-short wave detector 43 is housed in the opposite end of the waveguide and is connected to the input of a second DC amplifier 45. A wedge of dielectric material 47 may be inserted between the neck opening 37 and the second detector 43 to prohibit reflections caused by the detector from entering the waveguide 21.
The output of the second amplifier 45 is connected to the other end of resistor 13 and to the reflective electrode 9 of klystron 1. A load impedance, not shown, can be coupled to the generator, so; that the variations in energy supplied to it do not unbalance the detector circuit.
The signals detected by the crystals are made equal by adjusting the coupling of the detectors or by adjusting the gain of the amplifiers; tors, this for a frequency of the generator close to the frequency of the center of an absorption line of the gas contained in the chamber 27. The attenuation of the wave varies rapidly with the frequency in the region of the maximum, of absorption , so that the difference, of the output voltages of the amplifiers 33 and 45 varies rapidly with the transmitted frequency. The difference in voltages is applied to the reflector electrode 9 of the klystron,, so as to adjust its. voltage to stabilize the frequency of the generator.
We know that the frequency emitted by a klystron is above all determined by the voltage applied to the reflecting electrode which determines the transition time of the electrons in the tube.
Amplifiers 33 and 45 are not essential for the operation of the device, but they allow flexibility in tuning the circuits and allow greater sensitivity for frequency control, since the gain of the control circuits determines the precision with which the voltage applied to the refractor electrode varies as a function of the frequency. The frequency emitted by the klystron can be adjusted so that it is slightly lower than the frequency corresponding to the maximum absorption of the gas, depending on the polarity of the detectors 29 and 43.
This condition is essential, so that the frequency control circuit can act in the desired direction to control the voltage of the reflector electrode according to the variations in the frequency of the generator. A characteristic absorption curve of a line is shown in fig. 3 where the absorption in the gas is increased as a function of the frequency of the ultrashort wave passing through the gas. Such gases have several resonant frequencies at which ultrashort waves are absorbed, as explained above, and chain lines can be used for stability control.
The control domain of the device is represented by the part of the curve 49 between points 51 and 53, on the high frequency side of the resonance curve. The other side of the curve would act on the voltage of the reflector electrode in the opposite direction.
Fig. 2 shows a second embodiment adapted to stabilize the frequency emitted by a magnetron 61 with multiple cavities. This magnetron comprises a central cathode 63 surrounded by resonant cavities arranged radially, each cavity being represented schematically by inductivities 65 and capacitors 67. A unidirectional magnetic field of great intensity is applied to the magnetron in a direction perpendicular to the plane. drawing.
The frequency emitted by this magnetron can be varied using an electron beam device coupled with one or more of the resonant cavities, the electron beam entering the cavity (s) before a reactive effect on the cavity. tuning of the resonator. An electron beam modulator 70 is schematically represented by a cathode 69, a control grid 71 and an anode 73 housed in one of the cavities: of the magnetron.
The anode and cathode of the electron beam device are supplied with voltages so that the electron beam has the desired intensity. The intensity of the electron beam varies with the voltage applied to the control grid 71 of the electron beam device 70, the reaction of the electron beam in the corresponding resonant cavity of the magnetron varying. issued by it.
A coupling loop <B> '15, </B> coupled with one of the cavities of the magnetron 61, is connected by a coaxial line 19 with the waveguide 77 which terminates in a load 79. Two ports 81 and 83 spaced apart by a quarter wave of the transmitted frequency couple the waveguide 77 with a waveguide 85; the end of the latter facing the generator being. terminated by a wedge-shaped element 87 similar to that 41 of FIG. 1.
The waveguide 85 comprises a pair of plugs 91 and 93 sealed against the absorption gas and forming with the guide a chamber containing the gas; this guide is terminated by a first ultra-shortwave detector 97 which is coupled with the input of a first ac amplifier 99. The waveguide 85 is, also coupled, by two further orifices 101 and 103 spaced apart. of a quarter wave of the transmitted frequency, with the waveguide 105 of which. the end facing the generator is terminated by a second wedge-shaped dielectric element 107.
In the rear end of the second waveguide 109 is housed a second ultrashort wave detector 109 which is connected with the input of a second amplifier to. alternating current 111.
The outputs of amplifiers 99 and 111 are connected to a balanced circuit comprising, for example, a primary winding 113 of an output transformer 115. The central branch 117 key the primary winding 113 is earthed. The secondary winding <B> 119 </B> of the output transformer is coupled to the input of a balanced modulator 121. The output signals of the modulator are conducted to the control grid 71 of the beam device. electrons of the magnetron.
Any system for operating the balanced modulator with a small modulating frequency can be coupled, for example, to waveguide 85 to modulate simultaneously. signals sent to chamber 95 and those sent to waveguide 105. A mechanical modulator, for example, such as a rotary eccentric <B> 123 </B> driven by a motor 125, can be coupled with, the waveguide 85 by a flap 135 to vary the damping of the waveguide or other characteristics thereof.
All known mechanical or electrical devices can be used to cause a low frequency modulation of the signals sent to the chamber containing the gas and to the waveguide 105. In the case of the embodiment according to FIG. . 2, the motor 125 also drives, in synchronism with the eccentric, a low frequency generator 127 which is connected to the balanced modulator 121, so that the signal emitted by the generator 127 is in phase with the two tubes of the modulator balanced.
The arrows shown in fig. 2, one of which starts from generator 127 and the other from modulator 121, indicate connection terminals interconnected, the return being effected by earth. Thus, the modulator will receive a modulation frequency of 30 cycles per second for example, so as to cause a frequency control signal which depends on the dif ference of the amplitudes of the output signals o of the amplifiers 99 and 111 and whose variation tion takes place in the desired direction with respect to the variation in the frequency emitted by the magnetron.
Outgoing signals. detectors 97 and 109 will be equalized when the transmitted frequency is situated on part 51 of the absorption curve indicated on the. fig. 3. When the frequency is stabilized at the desired value, the amplitude of the signal exiting the modulator is zero; a small variation in the transmission frequency will unbalance the modulator and will cause a control signal acting on the auxiliary electron beam, so as to oppose said variation in frequency. The absorption in the chamber containing the gas, for one of the resonance frequencies of the gas employed, is a function of the pressure of the latter, as represented by graph 123 of FIG. 1.
The optimum selectivities and sensitivities for the control of. frequency take place for a pressure of the order of 10-3 mm key mercury. It is understood, however, that a gas pressure of the order of 10-2 mm Hg or even any pressure lower than. 70-1 mm of mercury can. be employed.
Fig. 5 shows a variant of the balanced detector circuits, of FIGS. 1 and 2, which can be used as a differential detector without requiring a coupling circuit. In this variant, the detectors 29 and 43 are connected in parallel, the poles being opposed in such a way that their potential differences are subtracted; a differential voltage is applied to the element for controlling the frequency of the generator, through the resistor 13, this element being, for example, the reflector electrode 9 in the case of FIG. 1.
A similar assembly can be created for the circuit of fig. 2 to avoid the use of the balanced output transformer 115, coupling the amplifiers 99 and 111 to the balanced modulator 1.21.
When the signals detected by detectors 29 and 13 are equal, no voltage drop occurs across resistor 13. If the signal from detector 43 is greater than that from detector 29, the control signal The result becomes more negative, and the frequency of the klystron increases to compensate for the decrease in frequency which has caused an increase in the energy absorbed by the gas and a decrease in the signal from said detector 29.
The same device can be used to stabilize the frequency of any other type of ultrashort wave generator whose frequency can be controlled by applying a voltage. Although waveguides have been used as the coupling and transmission elements, it is evident that coaxial lines or other ultrashort waveband circuits can be used. their places, and that the crystal detectors shown in the drawing can be replaced by any other known ultra-short wave detector.