Dispositif électronique pour très hautes fréquences. La présente invention a pour objet un dis positif électronique pour très hautes fré quences.
Dans les tubes électroniques du type à modulation de vitesse pour très courtes lon gueurs d'ondes, il est en général désirable d'employer des faisceaux d'électrons ayant une densité de courant très élevée. Ceci ré sulte immédiatement du fait que pour un vol tage donné produisant le faisceau, les dimen sions mécaniques des circuits étant petites lorsque la longueur d'ondes est très courte, on doit utiliser un faisceau de faible section transversale. Ceci signifie que, dès l'instant où l'on veut obtenir une grande puissance et pour un voltage donné, on doit avoir une grande densité de courant à l'endroit utilisé du faisceau.
L'invention permet de construire des dis positifs dans lesquels le faisceau d'électrons a. une grande densité de courant à l'endroit où l'action réciproque entre le faisceau et le champ de résonance se fait.
lie dispositif électronique pour très hautes fréquences suivant. l'invention comprend une cathode et une anode, des premiers moyens pour soumettre ladite anode à une tension po sitive par rapport à ladite cathode, cette anode étant munie d'une ouverture communiquant avec une cavité résonnante, des seconds moyens pour produire un champ magnétique entre ladite cathode et ladite anode, parallèlement à la surface de ladite cathode.
Ce dispositif est caractérisé en ce que lesdits premiers et se conds moyens sont agencés de façon que les grandeurs relatives de la tension d'anode et du champ magnétique soient telles que les électrons quittant ladite cathode parcourent des trajectoires arquées qui aboutissent à une surface émettrice et qui se croisent de façon à produire, au voisinage des sommets des tra jectoires, un courant d'une grande densité, ladite anode étant disposée de telle façon que ledit courant de grande densité passe devant ladite ouverture.
Certains tubes électroniques semblables qui sont connus comprennent une anode cylin drique entourant une cathode coaxiale en l'orme de filament ou de tige de petit .dia mètre et présentent un champ magnétique parallèle à l'axe de la cathode. Les trajectoires des électrons forment dans de tels tubes des cycloïdes autour de la cathode et aboutissent éventuellement à l'anode.
Bien que, .dans ces tubes, les trajectoires se croisent et produisent un courant d'électrons de grande densité, les électrons qui ne cèdent pas leur énergie au champ oscillant de la cavité résonnante ne re tournent pas à une surface émettrice (que ce soit, dans certains cas, la cathode elle-même ou dans d'autres cas une surface émettrice secondaire), comme c'est le cas dans .le dis positif objet de la présente invention, et l'énergie de ces électrons allant à l'anode est perdue.
Dans les formes d'exécution du dispo sitif objet de la présente invention, dans les- quelles on fait revenir les trajectoires sur la cathode, la dimension de la surface de la ca thode doit évidemment être suffisamment grande pour que les trajectoires aboutissent à cette surface. Etant donné que les trajectoires des électrons dépendent des valeurs relatives du champ magnétique et du potentiel d'anode envers la cathode, il.
se pourrait bien qu'on puisse, dans les tubes connus utilisant une cathode en forme de filament ou de tige, ajus ter ces valeurs de telle facon que les trajec toires aboutissent à la cathode, mais, dans ce cas, la distance entre l'anode et la cathode serait si petite qu'un tel tube ne serait pas réalisable.
Dans le dispositif objet. de la présente in vention, on n'est pas obligé de faire en sorte que tous les électrons émis entrent en action réciproque avec le champ résonnant., car les électrons qui ne cèdent pas leur énergie an champ résonnant retournent à une surface émettrice qui, dans certains cas, est la cathode et, dans d'autres cas, une surface émettrice secondaire, et ainsi ces électrons ne causent pas de perte d'énergie et l'énergie que le champ cède aux électrons est aussi ramenée à la. cathode ou à la surface émettrice secon daire.
Des formes d'exécution de l'objet de l'in vention seront. décrites ei-après à titre d'exem ple et en référence an dessin annexé.
La fig. 1 montre une surface plane 1 (.mettant des électrons et placée en face et parallèlement à une anode plane 2, un champ magnétique uniforme étant appliqué perpen diculairement au plan de la figure.
On y voit également des trajectoires 3 et 1 des électrons émis par les points 5 et 6 de la cathode et quittant cette dernière avec une vitesse 0, ces trajectoires étant de forme cycloïdale.
11 la suite d'un examen de la fig. 1, on observe que la densité .de courant dans la di rection de la flèche A, au point 7, est très grande comparée à la densité d'émission à. la surface de la cathode, toute l'émission entre les points 5 et 6 étant concentrée entre les deux lignes 8 et 9. On peut utiliser cette grande eoncentra- tion d'électrons pour entretenir des oscilla tions de fréquence ixltra-élevée ou pour les amplifier, ces oscillateurs et ces amplificateur de puissance n'étant pas nécessairement du type à modulation de vitesse.
On peut noter que l'effet de la charge d'espace qui limite le courant d'émission a été considéré et on a constaté que cet effet est même avantageux pour la concentration de courant désirée. Dans la fig. 2 sont montrés des chemins d'élec trons qui peuvent être obtenus ainsi.
Il va. de soi que les fig. 1 et ? ne repré sentent pas des formes d'exécution de l'objet de l'invention, mais qu'elles constituent des figures explicatives.
Toutes les formes d'exécution décrites pré sentent un avantage commun qui vient du rait que la concentration du faiseeau se produit seulement après que les électrons ont atteint une grande vitesse. La limitation de l'émission de la cathode par la charge d'espace ne néces site pas, en conséquence, pour obtenir un fais ceau concentré, d'employer des voltages très élevés ou des espacements très réduits des électrodes, comme dans le cas de beaucoup de constructions connues pour la production de faisceaux concentrés.
Il est clair, d'après la fi-,-. 2, que sur le plan où la vitesse des électrons est faible et les effets de la charge d'espace importants, le courant a une faible densité, tandis qu'en B-13', la densité du courant. est considérablement accrue et la vitesse des électrons aussi est grande.
La. variation de la densité de courant z ,Wec la distance x. de la cathode est montrée clans la. fig. 3 pour des charges d'espace né gligeables (courbe 1) et pour une charge d'es pace donnée (courbe \'), i" étant la densité minimum.
Des tubes produisant (le tels faisceaux d'électrons, comme déjà indiqué, sont parti culièrement adaptables pour être incorporés à des oscillateurs destinés à être utilisés à des longueurs d'ondes très courtes, de l'ordre de 3 cm ou moins. Dans de tels oscillateurs, les circuits résonnants des types ordinairement utilisés pour de phis grandes longueurs d'ondes deviennent très petits. En consé quence clé ceci, une faible partie du faisceau seulement peut être utilisée.
Pour obtenir de grandes puissances, en conséquence, il est im portant d'employer des systèmes dans lesquels la surface utilisable de la cathode est aussi "grande que possible; on mesure la surface de la cathode en termes ;.= (Â, = longueur d'onde). Etant donné que les pertes dans les circuits tendent à devenir importantes à des longueurs d'ondes aussi courtes, il est aussi important que les circuits soient établis pour donner une impédance aussi élevée que possible aux points traversés par le faisceau d'électrons et que la .densité de courant dans ce faisceau soit aussi grande que possible.
Les fig. 4, 5, 6, 7 et 8 montrent des formes d'exécution dans lesquelles il n'y a qu'une seule cavité résonnante à haute fré quence. La cavité représentée à la fie. 4 a. une seule ouverture, tandis que celle qui est représentée aux fig. 5 à. 8 a plusieurs ouver tures disposées autour de la cavité.
En se référant aux fig. 5, 6, 7 et 8, on voit une section transversale dans un tube électronique, les lignes pointillées montrant les trajectoires de quelques électrons. Ce tube est constitué par une grande cathode cylin drique _1 revêtue sur la surface intérieure d'une couche pouvant émettre des électrons, cette cathode contenant. à. l'intérieur d'elle- même une anode constituée par des segments B de surface cylindrique, l'anode et la cathode étant. eoaxiales. Un champ magnétique est appliqué parallèlement à. l'axe commun.
Les lignes 11, 1?, 13 (fi-. 5) montrent la forme <I>de</I> la trajectoire d'une série d'électrons quit tant la cathode A en l'absence d'oscillations. Elles montrent aussi comment. toute l'émission d'une surface considérable de la cathode A sera concentrée dans un courant de très haute densité passant devant les ouvertures entre deux secteurs B aussi longtemps que la diffé rence (le potentiel entre El et B est. sensible ment équilibrée par le champ magnétique em ployé.
Maintenant., des oscillations peuvent être établies à l'intérieur de l'anode B, les lignes de force du champ électrique ainsi produites étant montrées en 14 sur la fig. 6. On notera qu'un nombre pair (le, secteurs B doit être uti lisé. La longueur d'onde sera très courte; si ;t secteurs sont utilisés, elle sera de l'ordre de
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et indépendante de la longueur du tube perpendiculairement au plan de dessin; r est le rayon de l'anode. L'énergie sera sou tirée du faisceau d'électrons lorsqu'il passe près des intervalles de transfert d'énergie, et, elle sera maximale lorsque les électrons res tent dans le champ de l'intervalle pendant environ 1,2 période de l'oscillation.
L'examen du comportement des électrons lorsque les oscillations ont lieu montre que l'efficacité de fonctionnement sera au moins double de celle d'une diode utilisant le même mécanisme d'excitation avec un faisceau d'électrons, e'est- à-dire de l'ordre de 10 11/o; ceci est dû au fait que seuls les électrons, qui ont perdu de l'éner gie cinétique et ont ainsi contribué à. main tenir les oscillations, seront collectés par l'anode B, si le champ magnétique a une gran deur convenable. D'autres électrons retourne ront à. la cathode et n'absorberont donc pas de puissance de courant continu.
Quatre tra jectoires typiques d'électrons 15, 16, 17 et 18 sont. montrées aux fig. 7 et 8, elles correspon dent aux électrons qui ont abandonné la ca thode à des intervalles d'in I/1 de période. Deux de ces trajectoires, à savoir les trajec toires 15 et 16, sont montrées plus clairement dans le dessin agrandi de la fig. 8. Les élec trons qui suivent. cette trajectoire perdent une quantité considérable de leur énergie et sont. .collectés par l'anode.
Ceux qui suivent. la trajectoire 17 ne subissent qu'une faible perte d'énergie, et retournent à la. cathode, et ceux de la trajectoire 18 gagnent. de l'énergie; cette énergie leur est cédée par le champ à haute fréquence, et ils retournent à la cathode.
L'ajustement du champ magnétique ne sera lias, en fait, si critique qu'on pourrait le dé duire de ce qui a été dit ci-dessus; une aug mentation de ce champ rapproche de la ca thode la région où le courant électronique est dense; de ce fait, seuls les électrons qui ont perdu une grande quantité d'énergie attei gnent l'anode.
Si des voltages très élevés sont utilisés, l'émission extrêmement élevée disponible peut rendre la dissipation d'énergie à l'anode diffi eile lorsque le tube produit une onde entre tenue, mais, par contre, on peut très bien em ployer des voltages élevés lorsque le tube fonc tionne comme générateur d'impulsions, même pour de grandes puissances de sortie. Les di mensions longitudinales du tube, qui sont grandes comparativement aux longueurs d'ondes, permettent à la dissipation d'être ré partie sur de grandes surfaces.
La cavité résonnante peut évidemment avoir une autre forme que celle de Ja fig. 5. On peut utiliser des bandes -plates en tungstène, par exemple, au lieu des secteurs de surface cy lindrique B, les dimensions étant convenablement ajustées, pour que le faisceau d'électrons puisse céder la plus grande partie de son énergie au champ oscillant près des c,uvertures ainsi formées.
Ces bandes peuvent être montées sur des supports radiaux à partir du centre, ou sup portées de toute façon convenable sur une substance isolante, et la fréquence peut être réglée dans des limites raisonnables soit par tout système convenable de déformation du système, ou par le mouvement d'un conduc teur près de l'extrémité du système.
La puissance ainsi produite peut être pré levée, par exemple, au moyen d'une spire placée près de l'extrémité du tube. La puis sance de sortie préférablement étant amenée à. l'extérieur de l'enveloppe à vide par un guide d'ondes évitant des pertes inutiles.
La longueur des bandes, perpendiculaire ment à, la section montrée dans les figures, n'est pas importante sauf qu'elle ne devrait nas être telle que des oscillations longitudi nales puissent se produire à des longueurs d'ondes qui pourraient être aisément excitées à la même gamme de voltage ou de champ ma- groétique.
La fi-. 9 montre un tube comprenant deux cavités résonnantes à haute fréquence 24 et 25 qui sont utilisées comme dans un tube kly stron bien connu, et qui peuvent. être cou plées extérieurement si le tube doit être uti lisé comme oscillateur.
Ce tube électronique comprend deux ouvertures dont chacune donne sur une cavité. Les électrons émis par la cathode et passant devant la première ouverture sont ralentis ou accélérés par le champ à haute fréquence de la première cavité, de sorte qu'ils se grou pent dans l'espace entre lesdites deux ouver tures et cèdent de leur énergie à la seconde cavité.
Il n'est pas nécessaire, dans le cas de la fig. 10, que la cavité 19 qui module le fais ceau électronique et que la cavité 20 sur la quelle on prélève l'énergie H. F. soient au même potentiel. Il est avantageux que la ca vité 20 soit. à un potentiel plus élevé, les diverses électrodes, évidemment, étant dispo sées de façon à fournir des chemins conve nables pour les électrons, comme indiqué à la fi-. 10.
Des électrons secondaires sont émis par la surface 21, comme montré; ils sont causés par les électrons primaires qui retournent vers la première surface émissive 1. Aux points d'impact. des électrons primaires avec la surface 21 jaillissent des électrons secon- daires, et le faisceau 23 d'électrons émis par la surface 21 est. condensé de la façon indi quée précédemment, c'est-à-dire au moyen d'un champ magnétique. Le faisceau primaire d'électrons 22 est modulé en densité par le champ à haute fréquence en face de l'ouver ture de la cavité résonnante 19.
Ce faisceau modulé 22 produit un faisceau modulé am plifié d'électrons 23 qui excite la cavité ré sonnante 20 lorsqu'il passe devant. l'ouverture.