EP0000309A1 - Hollow-beam generator producing monokinetic electrons along helicoidal paths - Google Patents

Hollow-beam generator producing monokinetic electrons along helicoidal paths Download PDF

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EP0000309A1
EP0000309A1 EP78400033A EP78400033A EP0000309A1 EP 0000309 A1 EP0000309 A1 EP 0000309A1 EP 78400033 A EP78400033 A EP 78400033A EP 78400033 A EP78400033 A EP 78400033A EP 0000309 A1 EP0000309 A1 EP 0000309A1
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EP
European Patent Office
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injector
axis
area
annular
barrel
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EP78400033A
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German (de)
French (fr)
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Inventor
Jean-Louis Alirot
René Le Gardeur
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
    • H01J23/06—Electron or ion guns
    • H01J23/07—Electron or ion guns producing a hollow cylindrical beam

Definitions

  • the present invention relates to techniques for injecting an electron beam into a resonant cavity or electromagnetic structure.
  • annular electron beam denotes in the following text any beam whose cross section is a crown comprised between two concentric circumferences. It is in any case very important, in this kind of energy production device, to be able to have a beam of monokinetic electrons at the output of the injector if one wants to obtain high yields of microwave power.
  • the present invention specifically relates to an injector of a tubular bundle of monokinetic electrons in helical orbits of a simple embodiment and which allows, by very easy adjustment, to obtain at will annular beams of monokinetic electrons whose l he thickness is variable at will in significant proportions and the angle of inclination of the helical trajectories of each electron relative to the axis of the corresponding helix can reach high values.
  • This injector is of the type which includes an annular electron gun in a vacuum chamber of revolution, and is mainly characterized by the fact that it further comprises electric coils capable of creating the effect cyclotron by a static magnetic field varying progressively and continuously along the axis of the injector from a value B 1 in the area of the barrel proper, usqu to a value B 3 in the narrowed exit area of the injector in passing through an intermediate value B 2 in the converging connection zone between said zone of. gun and said outlet zone, as well as a correcting electrode movably situated along the axis of the injector and brought to an electrical potential different from that of the extraction anode of said electron gun.
  • the correcting electrode located on the axis of the device inside the electronic annular beam, consists of an electrically conductive mass having an ovoid shape whose axis of symmetry merges with that of the injector. It only serves, by the potential to which it is brought, to ensure the modification. the configuration of the electric field lines prevailing in the injector. It is by varying both the axial position of this electrode as well as the positive or negative potential to which it is brought relative to the anode: extraction of the electron gun that we manage to modify the angle of inclination of the helices constituting the various trajectories of the electrons.
  • the magnetic fields B 1 and B 3 (or more exactly their axial component.) Which are applied respectively in the region of the anode of extraction of the electron gun and in the zone of exit of the injector can be of the same direction or opposite directions and it results from it completely different forms for the trajectories of the electrons in the annular zone which they fill.
  • each electron When the fields B 1 and B 3 (or more exactly their axial component) are in the same direction, each electron describes - under the cyclotron effect a particular helix whose axis is parallel to the axis of symmetry of the injector but located additionally in the annular zone covered by the beam. In other words, in this case, each electron describes a small helix whose diameter is equal to the annular thickness of the electron beam.
  • each electron described under the cyclotron effect a helix which eccentrically surrounds the axis of the injector. If in addition, in this mode. implementation, the beam is adjusted using the correcting electrode to obtain a minimum annular thickness, each electron then describes a particular helix whose axis practically coincides with the axis of the injector in this limiting case therefore, each electron describes a helix whose radius is almost equal to the radius of the tube bundle itself.
  • a system of coils placed on the 10 of the external wall of the vacuum enclosure of the injector are provided for producing, at the desired locations, the different static magnetic fields B 1 , B 2 and B 3 , the axial components vary continuously from the electron gun to the extraction zone at the exit of the device.
  • FIG. 1 there is shown schematically the vacuum chamber 1 associated with a region 2 of interaction - beam electronic - electromagnetic field containing the cavity or resonant structure.
  • This vacuum chamber is revolutionary region II is a region of connection between region I and region III and has a generally concentric shape.
  • three coils referenced 5, 6 and 7 are used to create the static magnetic fields B 1 , B 2 and B 3 respectively in each of the zones I, II and III.
  • the electron gun 4 comprises an extraction anode 8 which produces an annular electron beam 9 whose velocities at their exit from the gun 4 are very concurrent, at the same point located on the axis 3, when, as it is the case of Figure 1, the outgoing beam is of generally conical converging shape.
  • the magnetic field B 1 generally of lower absolute value than the field B 3 in the region III has lines of force practically parallel to the velocities of the electrons of the beam 9 at the time of their exit from the barrel 4.
  • the field B 3 in the region III is practically uniform and its lines of force are parallel to the axis 3 of the injector. It is this field B 3 which acts on the tubular bundle 10 at its exit from the injector through the interaction zone 2, containing the cavity or resonant structure towards the target 11 and which causes the cyclotron effect according to which, in a well known manner, the different electrons of the beam travel in helical orbits around the direction of the magnetic field.
  • the magnetic field varies in amplitude and in direction so as to pass continuously from the value B 1 in the region I to the value B 3 in the region III.
  • the fields B 1 and B 3 are in opposite directions, there is therefore a point of region II in which the magnetic field is zero.
  • the correcting electrode 12 which allows, as will be seen below, to modify the shape of the trajectofres of the electrons.
  • This electrode consists of a metallic conductive mass whose shape is of little importance provided that it is of revolution around the axis 3.
  • This electrode 12 is brought to a potential V relative to the extraction anode 8 of the electron gun 4 and its longitudinal position along the axis 3 can be modified at will by translation along a opening is made in the wall of the vehicle enclosure. The potential and it is carried is, in most cases, imerfeur to the potential of acceleration of the electron beam by the gun 4.
  • the first embodiment of the injector of a tubular bundle of monokinetic electrons, object of the invention which will be done with reference to FIG. 1, relates to the case where the magnetic fields B 1 and B 3 have their axial component in opposite directions as shown in FIG. 1.
  • the trajectories of the different electrons are helices which surround the axis 3 of the injector eccentrically, These different trajectories are shown diagrammatically at 14 in the injector exit zone and the angle of inclination alpba of the propellers thus described by the electrons on axis 3 can reach high values close to 90 ° to the limit if necessary.
  • This angle alpha is made by acting on the various parameters of the system which are the potential V of the correcting electrode 12, the acceleration voltage of the electron gun 4, the beam current, as well as the various absolute values. and relative magnetic fields B 1 , B 2 and B 3 to each other.
  • the section of the tubular electron beam by the XY plane perpendicular to the axis 3 of the injector has the configuration shown in Figure 2a.
  • the different electron trajectories 14 are then relatively large diameter helices and the thickness e of the annular beam is large.
  • each helical trajectory such as 14 surrounds the axis 3 of the injector eccentrically, if from this operating position, the corrective electrode 12 is gradually brought to an increasing potential V, generally Lement positive, we obtain as shown in Figure 2b a gradual concentration of the annular beam whose thickness becomes e 'significantly less than the thickness e of Figure 2a.
  • V generally Lement positive
  • a beam is obtained, the cross section of which is shown in FIG. 2c with a maximum concentration, that is to say a beam whose thickness is practically negligible and of which all the electrons rotate practically around the axis 3 of the injector.
  • FIGS. 4a, 4b and 4c A second embodiment of the injector of an annular beam of monokinetic electrons object of the invention is shown in Figure 3 where we find the same elements with the same reference numbers as those of Figure 1 but where the magnetic fields B 1 and B 3 have the same meaning at least as regards their axial component.
  • the angle of inclination alpha. propellers and trajectories relative to the axis 3 of the injector essentially depends on the potential V of the correcting electrode 12 as well as other parameters such as. gun acceleration voltage 4 and beam current and values'. absolute and relative magnetic fields B 1 , B 2 and B 3 between them.
  • the thickness e of the beam thus obtained depends on many factors, and in particular on the kinetic energy of the beam, of the field B 3 and of the angle of inclination alpha of the helix, itself under the dependence of the potential and of the position of the correcting electrode 12, and of the space charge due to the presence of the other electrons constituting the beam,
  • the position and the shape of the correcting electrode 12 certainly play a role which is not negligible but it is mainly the potential V to which it is brought which finally determines the angle of inclination alpha of the propeller which one wishes to obtain before the injection of the beam in the area d interaction 2, containing the cavity or electromagnetic structure.

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Abstract

Générateur de faisceau tubulaire (9) d'électrons monocinétiques en orbites hélicoïdales (14) comprenant des bobines électriques (5,6,7) aptes à créer l'effet cyclotron par un champ magnétique statique variant progressivement et de facon continue selon l'axe (3) un générateur depuis une valeur B1 dans la zone du canon (4) proprement dit, jusqu'à une valeur B3 dans la zone de sortie rétrécie (II, III) du générateur en passant par une valeur intermédiaire B2 dans la zone de raccordement convergente (II) entre ladite zone du canon et ladite zone de sortie, ainsi qu'une électrode correctrice (12) située de façon mobile selon l'axe (3) du générateur et portée à un potentiel électrique (V) différent de celui de l'anode d'extraction (8) dudit canon à électrons. Application à l'injection d'électrons dans des cavités résonnantes aux hyperfréquences.Tubular beam generator (9) of monocinetic electrons in helical orbits (14) comprising electric coils (5,6,7) able to create the cyclotron effect by a static magnetic field varying gradually and continuously along the axis (3) a generator from a value B1 in the area of the barrel (4) proper, to a value B3 in the narrowed exit area (II, III) of the generator via an intermediate value B2 in the area of convergent connection (II) between said area of the barrel and said outlet area, as well as a correcting electrode (12) movably located along the axis (3) of the generator and brought to an electrical potential (V) different from that of the extraction anode (8) of said electron gun. Application to the injection of electrons into resonant cavities at microwave frequencies.

Description

La présente inventions-est relative aux techniques d'injection d'un faisceau d'électrons-dans une cavité résonnante ou structure électromagnétique.The present invention relates to techniques for injecting an electron beam into a resonant cavity or electromagnetic structure.

On utilise de façon connue dans la technique de production d'énergie sous forme électromagnétique à très haute fréquence, l'interaction entre un faisceau d'électrons et le champ électromagnétique d'une cavité ou structure résonnante. De façon plus précise, il est connu d'avoir recours pour ce faire à un faisceau annulaire d'électrons en liaison, essentiellement, avec la composante azimutale du champ électrique d'une cavité ou structure électromagnétique en mode résonnant. Par faisceau annulaire, on désignera dans la suite du texte tout faisceau dont la section droite est une couronne comprise entre deux circonférences concentriques. Il est en tous cas très important, dans ce genre de dispositif de production d'énergie, de pouvoir disposer d'un faisceau d'électrons monocinétiques à la sortie de l'injecteur si l'on veut obtenir des rendements élevés de puissance hyperfréquence.In a manner known in the art for producing energy in very high frequency electromagnetic form, the interaction between an electron beam and the electromagnetic field of a resonant cavity or structure is used. More specifically, it is known to use an annular electron beam to do this in connection, essentially, with the azimuthal component of the electric field of an electromagnetic cavity or structure in resonant mode. The term “annular beam” denotes in the following text any beam whose cross section is a crown comprised between two concentric circumferences. It is in any case very important, in this kind of energy production device, to be able to have a beam of monokinetic electrons at the output of the injector if one wants to obtain high yields of microwave power.

La présente invention a précisément pour objet un injecteur d'un faisceau tubulaire d'électrons monocinétiques en orbites hélicoïdales d'une réalisation simple et qui permet, par un réglage très facile, d'obtenir à volonté des faisceaux annulaires d'électrons monocinétiques dont l'épaisseur est variable à volonté dans des proportions importantes et dont l'angle d'inclinaison des trajectoires hélicoïdales de chaque électron par rapport à l'axe de l'hélice correspondante peut atteindre des valeurs élevées.The present invention specifically relates to an injector of a tubular bundle of monokinetic electrons in helical orbits of a simple embodiment and which allows, by very easy adjustment, to obtain at will annular beams of monokinetic electrons whose l he thickness is variable at will in significant proportions and the angle of inclination of the helical trajectories of each electron relative to the axis of the corresponding helix can reach high values.

Cet injecteur est du genre de ceux qui comportent dans une enceinte à vide de révolution, un canon à électrons annulaire, et se caractérise principalement en ce qu'il comprend en outre, des bobines électriques aptes à créer l'effet cyclotron par un champ magnétique statique variant progressivement etoode façon continue selon l'axe de l'injecteur depuis- une valeur B1 dans la zone du canon proprement dit, usqu à une yaleur B3 dans la zone de sortie rétrécie de l'injecteur en passant par une valeur intermédiaire B2 dans la zone de raccordement convergente entre ladite zone du. canon et ladite zone de sortie, ainsi qu'une électrode correctrice située de façon mobile selon l'axe de l'injecteur et portée à un potentiel électrique différent de celui de l'anode d'extraction dudit canon à électrons.This injector is of the type which includes an annular electron gun in a vacuum chamber of revolution, and is mainly characterized by the fact that it further comprises electric coils capable of creating the effect cyclotron by a static magnetic field varying progressively and continuously along the axis of the injector from a value B 1 in the area of the barrel proper, usqu to a value B 3 in the narrowed exit area of the injector in passing through an intermediate value B 2 in the converging connection zone between said zone of. gun and said outlet zone, as well as a correcting electrode movably situated along the axis of the injector and brought to an electrical potential different from that of the extraction anode of said electron gun.

Selon l'invention, l'électrode correctrice, située sur l'axe du dispositif à l'intérieur du faisceau annulaire électronique, est constituée d'une masse conductrice de l'électricité ayant une forme ovoïde dont l'axe de symétrie se confond avec celui de l'injecteur. Elle sert uniquement, par le potentiel auquel elle est portée, à assurer la modification. de la configuration des lignes du champ électrique régnant dans l'injecteur. C'est en faisant varier à la fois la position axiale de cette électrode ainsi que le potentiel positif ou négatif auquel elle est portée par rapport à l'anode: d'extraction du canon à électrons que l'on parvient à modifier l'angle d'inclinaison des hélices constituant les diverses trajectoires des électrons.According to the invention, the correcting electrode, located on the axis of the device inside the electronic annular beam, consists of an electrically conductive mass having an ovoid shape whose axis of symmetry merges with that of the injector. It only serves, by the potential to which it is brought, to ensure the modification. the configuration of the electric field lines prevailing in the injector. It is by varying both the axial position of this electrode as well as the positive or negative potential to which it is brought relative to the anode: extraction of the electron gun that we manage to modify the angle of inclination of the helices constituting the various trajectories of the electrons.

Selon une autre caractéristique également très importante de la présente invention et qui s'utilise en même temps que la précédente, les champs magnétiques B1 et B3 (ou plus exactement leur composante axiale.) qui sont appliqués respectivement dans la région de l'anode d'extraction du canon à électrons et dans la zone de sortie de l'injecteur peuvent être de même sens ou de sens opposés et il en résulte alors des formes totalement différentes pour les trajectoires des électrons dans la zone annulaire qu'ils remplissent.According to another characteristic which is also very important of the present invention and which is used at the same time as the previous one, the magnetic fields B 1 and B 3 (or more exactly their axial component.) Which are applied respectively in the region of the anode of extraction of the electron gun and in the zone of exit of the injector can be of the same direction or opposite directions and it results from it completely different forms for the trajectories of the electrons in the annular zone which they fill.

Lorsque les champs B1 et B3 (ou plus exactement leur composante axiale) sont de même sens, chaque électron décrit- sous l'effet cyclotron une hélice particulière dont l'axe est parallèle à l'axe de symétrie de l'injecteur mais situé de plus dans la zone annulaire couverte par le faisceau. Autrement dit, dans ce cas, chaque électron décrit une petite hélice dont le diamètre est égal à l'épaisseur annulaire du faisceau d'électrons.When the fields B 1 and B 3 (or more exactly their axial component) are in the same direction, each electron describes - under the cyclotron effect a particular helix whose axis is parallel to the axis of symmetry of the injector but located additionally in the annular zone covered by the beam. In other words, in this case, each electron describes a small helix whose diameter is equal to the annular thickness of the electron beam.

Dans le mode de mise en oeuvre où les composantes axlales des champs magnétiques B1 et B3 sont de sens opposés, la configuration du faisceau est alors différenie, a, et chaque électron décrit sous l'effet cyclotron une hélice qui entoure de façon excentrée l'axe de l'injecteur. Si de surcroît, dans ce mode. de mise en oeuvre, on règle le faisceau à l'aide de l'électrode correctrice pour obtenir une épaisseur annulaire minimale, chaque électron décrit alors une hélice particulière dont l'axe coïncide pratiquement avec l'axe de l'injecteur dans ce cas limite par conséquent, chaque électron décrit une hélice dont le rayon est pratiquement égal au rayon du faisceau tubulaire lui-même.In the embodiment where the axial components of the magnetic fields B 1 and B 3 are in opposite directions, the configuration of the beam is then differentiated, a, and each electron described under the cyclotron effect a helix which eccentrically surrounds the axis of the injector. If in addition, in this mode. implementation, the beam is adjusted using the correcting electrode to obtain a minimum annular thickness, each electron then describes a particular helix whose axis practically coincides with the axis of the injector in this limiting case therefore, each electron describes a helix whose radius is almost equal to the radius of the tube bundle itself.

Selon l'invention, un système de bobines placées le 10 de la paroi externe de l'enceinte à vide de l'injecteur, sont prévues pour réaliser aux endroits désirés les différents champs, magnétiques statiques Bl, B2 et B3 dont les composantes axiales varient d'une façon continue depuis le canon à électrons jusqu'à la zone d'extraction à la sortie de l'appareil.According to the invention, a system of coils placed on the 10 of the external wall of the vacuum enclosure of the injector, are provided for producing, at the desired locations, the different static magnetic fields B 1 , B 2 and B 3 , the axial components vary continuously from the electron gun to the extraction zone at the exit of the device.

De toute façon l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre, description qui sera faite en se référant aux figures 1 à 4 ci-jointes dans lesquelles :

  • - la figure 1 représente une vue schématique en coupe selon l'axe de l'injecteur objet de l'invention, dans un premic mode de mise en oeuvre où les champs B1 et B3 sont de sens apio
  • - les figures 2a, 2b et 2c représentent en coupe selon le.plan XY de la figure 1, trois configurations différentes du faisceau juste avant son entrée dans la cavité ou structure élec tromagnétique logée dans la région d'interaction 2.
  • - la figure 3 représente en coupe selon l'axe, une vue schématique de l'injecteur objet de l'invention dans un deuxième mode de'mise en oeuvre où les champs B1 et B3 sont de même sens.
  • - les figures 4a, 4b et 4c représentent trois configurations possibles du faisceau annulaire obtenu selon-le plan de coupe X'V' de la figure 3 au voisinage de son entrée dans la ré gion d'interaction 2.
In any case, the invention will be better understood on reading the following description of several modes of implementation, description which will be made with reference to FIGS. 1 to 4 attached in which:
  • - Figure 1 shows a schematic sectional view along the axis of the injector object of the invention, in a first mode of implementation where the fields B 1 and B 3 are of apio direction
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show in section along the X. plane of FIG. 1, three different configurations of the beam just before it enters the cavity or electromagnetic structure housed in the interaction region 2.
  • - Figure 3 shows in section along the axis, a schematic view of the injector object of the invention in a second mode de'méement where fields B 1 and B 3 are the same direction.
  • FIGS. 4a, 4b and 4c represent three possible configurations of the annular beam obtained along the section plane X'V 'of FIG. 3 in the vicinity of its entry into the interaction region 2.

Sur la figure 1, on a représenté de façon schématiqus l'enceinte à vide 1 associée à une région 2 d'interaction -fais ceau électronique - champ électromagnétique contenant la cavité ou structure résonnante. Cette enceinte à vide est de révolution

Figure imgb0001
la région II est une région de raccordement entre la région I et la région III et a une forme générale sensiblement conlque. Dans le mode de réalisation de la figura 1, trois bobines référencées 5, 6 et 7 servent à crdor les champs magnétiques statiques B1, B2 et B3 respectivement dans chacune des zones I, II et III. Le canon à électrons 4 comporte une anode d'extraction 8 qui produit un faisceau annulaire d'électrons 9 dont les vitesses à leur sortie du canon 4 sont tcutes concourrantes,en un même point situé sur l'axe 3, lorsque, comme c'est le cas de la figure 1, le faisceau sortant est de forme générale conique convergente. Le champ magnétique B1 généralement de valeur absolue plus faible que le champ B3 dans la région III a des lignes de force pratiquement parallèles aux vitesses des électrons du faisceau 9 au moment de leur sortie du canon 4. Le champ B3 dans la région III est pratiquement uniforme et ses lignes de force sont parallèles à l'axe 3 de l'injecteur. C'est ce champ B3 qui agit sur le faisceau tubulaire 10 à sa sortie de l'injecteur à travers la zone d'interaction 2, contenant la cavité ou structure résonnante vers la cible 11 et qui provoque l'effet cyclotron selon lequel, de façon bien connue, les différents électrons du faisceau parcourent des orbites hélicoïdales autour de la direction du champ magnétique.In Figure 1, there is shown schematically the vacuum chamber 1 associated with a region 2 of interaction - beam electronic - electromagnetic field containing the cavity or resonant structure. This vacuum chamber is revolutionary
Figure imgb0001
region II is a region of connection between region I and region III and has a generally concentric shape. In the embodiment of FIG. 1, three coils referenced 5, 6 and 7 are used to create the static magnetic fields B 1 , B 2 and B 3 respectively in each of the zones I, II and III. The electron gun 4 comprises an extraction anode 8 which produces an annular electron beam 9 whose velocities at their exit from the gun 4 are very concurrent, at the same point located on the axis 3, when, as it is the case of Figure 1, the outgoing beam is of generally conical converging shape. The magnetic field B 1 generally of lower absolute value than the field B 3 in the region III has lines of force practically parallel to the velocities of the electrons of the beam 9 at the time of their exit from the barrel 4. The field B 3 in the region III is practically uniform and its lines of force are parallel to the axis 3 of the injector. It is this field B 3 which acts on the tubular bundle 10 at its exit from the injector through the interaction zone 2, containing the cavity or resonant structure towards the target 11 and which causes the cyclotron effect according to which, in a well known manner, the different electrons of the beam travel in helical orbits around the direction of the magnetic field.

Dans la région intermédiaire II, le champ magnétique varie en amplitude et en direction de façon à passer de manière continue de la valeur B1 dans la région I à la valeur B3 dans la région III. Dans l'exemple particulier de la figure 1, où les champs B1 et B3 sont de sens opposés, il existe donc un point de région II dans laquelle le champ magnétique est nul.In the intermediate region II, the magnetic field varies in amplitude and in direction so as to pass continuously from the value B 1 in the region I to the value B 3 in the region III. In the particular example of FIG. 1, where the fields B 1 and B 3 are in opposite directions, there is therefore a point of region II in which the magnetic field is zero.

Selon l'axe 3 de l'injecteur, est située, conformément à l'invention, l'électrode correctrice 12 qui permet comme on le verra plus loin de modifier la forme des trajectofres des électrons. Cette électrode est constituée d'une masse conductri- co métallique dont la forme importe assez peu pourvu qu'elle soit de révolution autour de l'axa 3. Cette électrode 12 est portée à un potentiel V par rapport à l'anode d'extraction 8 du canon à électrons 4 et sa position longitudinale selon l'axe 3 peut être modifiée à volonté par translation le long d'une ouverture est pratiquée dans la paroi de l'enceinte du véhicule. Le potentiel el elle est portée est, dans la plupart des cas, imerfeur au potentiel d'accélération du faisceau d'électrons par le canon 4.According to the axis 3 of the injector, there is located, in accordance with the invention, the correcting electrode 12 which allows, as will be seen below, to modify the shape of the trajectofres of the electrons. This electrode consists of a metallic conductive mass whose shape is of little importance provided that it is of revolution around the axis 3. This electrode 12 is brought to a potential V relative to the extraction anode 8 of the electron gun 4 and its longitudinal position along the axis 3 can be modified at will by translation along a opening is made in the wall of the vehicle enclosure. The potential and it is carried is, in most cases, imerfeur to the potential of acceleration of the electron beam by the gun 4.

Deux modes de mise en oeuvre fondamentalement différents de l'injecteur qui vient d'être décrit en se référant à la figure 1 peuvent être envisagés et seront décrits successivement.Two fundamentally different modes of implementation of the injector which has just been described with reference to FIG. 1 can be envisaged and will be described successively.

Le premier mode de mise en oeuvre de l'injecteur d'un faisceau tubulaire d'électrons monocinétiques, objet de l'invention, qui sera fait en se référant à la figure 1, concerne le cas où les champs magnétiques B1 et B3 ont leur composante axiale de sens opposés comme représente sur la figure 1. Dans ce mode de fonctionnement, les trajectoires des différents électrons sont des hélices qui entourent l'axe 3 de l'injecteur de façon excentrée, Ces différentes trajectoires sont schématisées en 14 dans la zone de sortie de l'injecteur et l'angle d'inclinaison alpba des hélices ainsi décrites par les électrons sur l'axe 3 peut atteindre des valeurs élevées pro- ches de 90° à la limite si besoin est. La régulation de cet angle alpha est faite en agissant sur les divers paramètres du système que sont le potentiel V de l'électrode correctrice 12, la tension d'accélération du canon à électrons 4, le courant du faisceau, ainsi que les différentes valeurs absolues et relatives des champs magnétiques B1, B2 et B3 entre eux.The first embodiment of the injector of a tubular bundle of monokinetic electrons, object of the invention, which will be done with reference to FIG. 1, relates to the case where the magnetic fields B 1 and B 3 have their axial component in opposite directions as shown in FIG. 1. In this operating mode, the trajectories of the different electrons are helices which surround the axis 3 of the injector eccentrically, These different trajectories are shown diagrammatically at 14 in the injector exit zone and the angle of inclination alpba of the propellers thus described by the electrons on axis 3 can reach high values close to 90 ° to the limit if necessary. The regulation of this angle alpha is made by acting on the various parameters of the system which are the potential V of the correcting electrode 12, the acceleration voltage of the electron gun 4, the beam current, as well as the various absolute values. and relative magnetic fields B 1 , B 2 and B 3 to each other.

Lorsque le potentiel V de l'électrode correctrice 12 est nul, c'est-à-dire lorsque celle-ci est au même potentiel que l'anode d'extraction 8 du canon à électrons 4, la section du faisceau électronique tubulaire par le plan XY perpendiculaire à l'axe 3 de l'injecteur a la configuration représentée sur la figure 2a. Les différentes trajectoires 14 d'électrons sont alors des hélices de diamètre relativement élevé et l'épaisseur e du faisceau annulaire est grande. Dans cetté configuration, chaque trajectoire hélicoïdale telle que 14 entoure de façon excentrique l'axe 3 de l'injecteur, si à partir de cette position de fonctionnement, on porte petit à petit l'électrode correctrice 12 à un potentiel V croissant, généralement positif, on obtient comme l'indique la figure 2b une concentration progressive du faisceau annulaire dont l'épaisseur devient e' sensiblement inférieure à l'épaisseur e de la figure 2a. Il peut être nécessaire pour obtenir ce résultat de modifier également simultanément la position axiale de l'électrode 12 sur l'axe-3 pour parvenir empiriquement au résultat recherché. A la limite, on obtient même un faisceau dont la section est représentée sur la figure 2c avec une concentration maximum, c'est-à-dire un faisceau dont l'épaisseur est pratiquement négligeable et dont tous les électrons tournent pratiquement autour de l'axe 3 de l'injecteur. L'expérience montre que la facilité d'obtention de la correction optimale telle que-représentée sur la figure 2c dépend en partie de la variation du champ magnétique dans la région II de la valeur B1 à la valeur B3 ; ce réglage est d'autant plus facile que cette variation est graduelle et monotoné et dans cette hypothèse il est facile, en modifiant empiriquement et simultanément la position et le potentiel de l'électrode correctrice 12, d'obtenir l'épaisseur minimale du faisceau tubulaire dans le plan XY avant l'entrée des électrons dans la zone d'interaction 2. On obtient ainsi facilement les deux avantages principaux dus à la structure de l'injecteur objet de l'invention, à savoir : d'une part des vitesses pratiquement monocinétiques pour tous les électrons qui constituent le faisceau annulaire hélicoïdal 14 dans la région III et, d'autre part, une épaisseur très faible de ce même faisceau annulaire hélicoïdal.When the potential V of the correcting electrode 12 is zero, that is to say when the latter is at the same potential as the extraction anode 8 of the electron gun 4, the section of the tubular electron beam by the XY plane perpendicular to the axis 3 of the injector has the configuration shown in Figure 2a. The different electron trajectories 14 are then relatively large diameter helices and the thickness e of the annular beam is large. In this configuration, each helical trajectory such as 14 surrounds the axis 3 of the injector eccentrically, if from this operating position, the corrective electrode 12 is gradually brought to an increasing potential V, generally Lement positive, we obtain as shown in Figure 2b a gradual concentration of the annular beam whose thickness becomes e 'significantly less than the thickness e of Figure 2a. To obtain this result, it may also be necessary to simultaneously modify the axial position of the electrode 12 on the axis-3 in order to achieve the desired result empirically. Ultimately, even a beam is obtained, the cross section of which is shown in FIG. 2c with a maximum concentration, that is to say a beam whose thickness is practically negligible and of which all the electrons rotate practically around the axis 3 of the injector. Experience shows that the ease of obtaining the optimal correction as shown in FIG. 2c depends in part on the variation of the magnetic field in region II from the value B 1 to the value B 3 ; this adjustment is all the easier as this variation is gradual and monotonous and in this hypothesis it is easy, by empirically and simultaneously modifying the position and the potential of the correcting electrode 12, to obtain the minimum thickness of the tube bundle in the XY plane before the electrons enter the interaction zone 2. The two main advantages are thus easily obtained due to the structure of the injector object of the invention, namely: on the one hand, speeds practically monocinetic for all the electrons which constitute the helical annular beam 14 in region III and, on the other hand, a very small thickness of this same helical annular beam.

Un deuxième mode de mise en oeuvre de l'injecteur d'un faisceau annulaire d'électrons monocinétiques objet de l'invention est représenté sur la figure 3 où l'on retrouve les mêmes éléments portant les mêmes nombres de référence que ceux de la figure 1 mais où les champs magnétiques B1 et B3 ont le même sens au moins quant à leur composante axiale. On obtient ainsi un faisceau annulaire 15 d'électrons monocinétiques dont la section par le plan X'Y' perpendiculaire à l'axe 3 est représenté sur les figures 4a, 4b et 4c dans trois-hypothèses de correction possibles à l'aide de l'électrode 12. Dans ce mode de mise en oeuvre également, l'angle d'inclinaison alpha. des hélices et trajectoires par rapport à l'axe 3 de l'injacteur, dépend essentiellement du potentiel V de l'électrode correctrice 12 ainsi que d'autres paramètres tels que la. tension d'accélération du canon 4 et le courant du faisceau et les valeurs' . absolues et relatives des champs magnétiques B1, B2 et B3 entre eux.A second embodiment of the injector of an annular beam of monokinetic electrons object of the invention is shown in Figure 3 where we find the same elements with the same reference numbers as those of Figure 1 but where the magnetic fields B 1 and B 3 have the same meaning at least as regards their axial component. One thus obtains an annular beam 15 of monocinetic electrons whose section by the plane X'Y 'perpendicular to the axis 3 is represented in FIGS. 4a, 4b and 4c in three hypotheses of correction possible using the electrode 12. Also in this embodiment, the angle of inclination alpha. propellers and trajectories relative to the axis 3 of the injector, essentially depends on the potential V of the correcting electrode 12 as well as other parameters such as. gun acceleration voltage 4 and beam current and values'. absolute and relative magnetic fields B 1 , B 2 and B 3 between them.

La différence essentielle de fonctionnement entre ce mode de mise en oeuvre et.le précédent réside dans la forme des trajectoires qui n'entourent plus comme sur les figures 2a, 2b et 2c l'axe 3 de l'injecteur, mais qui sont des hélices 16 dont les axes tels que 17, sont situés dans la zone annulaire du faisceau lui-même. Lorsque le potentiel da l'électrode correctrice 12 est nul, l'angle d'inclinaison alpha des hélices sur l'axe 3 est faible et la section du faisceau par le plan/X'Y' a la configuration de la figure 4a, c'est-à-dire que l'épaisseur du faisceau annulaire est relativement faible. Au fur et à mesure que l'on porte l'électrode correctrice 12 à des potentiels V augmentant progressivement et généralement positifs par rapport à l'anode 8 d'extraction du canon 4, l'angle d'inclinaison alpha des différentes hélices s'accroît et tend vers 90° à la limite. Parallèlement, l'épaisseur e du faisceau s'accroît ce que l'on voit nettement en comparant les figures 4a, 4b et 4c qui correspondent respectivement à des potentiels V croissant depuis la valeur nulle jusqu'à une valeur élevée, l'angle alpha évoluant parallèlement dans le même sens.The essential difference in operation between this embodiment and the previous one resides in the shape of the trajectories which no longer surround, as in FIGS. 2a, 2b and 2c the axis 3 of the injector, but which are propellers 16 whose axes such as 17, are located in the annular zone of the beam itself. When the potential of the correcting electrode 12 is zero, the angle of inclination alpha of the propellers on the axis 3 is small and the section of the beam by the plane / X'Y 'has the configuration of FIG. 4a, c that is, the thickness of the annular bundle is relatively small. As the corrective electrode 12 is brought to potentials V progressively increasing and generally positive with respect to the anode 8 for extracting the barrel 4, the angle of inclination alpha of the different propellers s' increases and tends towards 90 ° at the limit. At the same time, the thickness e of the beam increases, which is clearly seen by comparing FIGS. 4a, 4b and 4c which correspond respectively to potentials V increasing from the zero value to a high value, the angle alpha evolving in the same direction.

L'épaisseur e du faisceau ainsi obtenue dépend de nombreux facteurs, et notamment de l'énergie cinétique du faisceau, du champ B3 et de l'angle d'inclinaison alpha de l'hélice, lui-même sous la dépendance du potentiel et de la position de l'électrode correctrice 12, et de la charge d'espace due à la présence des autres électrons constituant le faisceau , Dans le mode opératoire de la figure 3, la position et la forme de l'électrode correctrice 12 joue certes un rôle qui n'est pas négligeable mais c'est principalement le potentiel V auquel elle est portée qui détermine finalement l'angle d'inclinaison alpha de l'hélice que l'on souhaite obtenir avant l'injection du faisceau dans la zone d'interaction 2, contenant la cavité ou structure électromagnétique.The thickness e of the beam thus obtained depends on many factors, and in particular on the kinetic energy of the beam, of the field B 3 and of the angle of inclination alpha of the helix, itself under the dependence of the potential and of the position of the correcting electrode 12, and of the space charge due to the presence of the other electrons constituting the beam, In the operating mode of FIG. 3, the position and the shape of the correcting electrode 12 certainly play a role which is not negligible but it is mainly the potential V to which it is brought which finally determines the angle of inclination alpha of the propeller which one wishes to obtain before the injection of the beam in the area d interaction 2, containing the cavity or electromagnetic structure.

Claims (8)

1. Injecteur d'un faisceau annulaire d'électrons monocinétiques en orbites hélicoïdales à angle d'inclinaison élevé par rapport à l'axe de l'hélice, du genre de ceux qui comportent dans une enceinte à vide de révolution un canon à électrons annulaire, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des bobines électriques aptes à créer l'effet cyclotron par un champ magnétique statique variant progressivement et de façon continue selon l'axe de l'injecteur depuis une valeur B1 dans la zone du canon proprement dit, jusqu'à une valeur B2 dans la zone de sortie rétrécie de l'injecteur en'passant par une valeur intermédiaire B2 dans la zone de raccordement convergente entrs ladite zone du canon et ladite zone de sortie, ainsi qu'une électrode correctrice située de façon mobile selon l'axe de l'injecteur et portée à un potentiel électrique différent de celui de l'anode d'extraction dudit canon à électrons.1. Injector of an annular beam of monokinetic electrons in helical orbits with a high angle of inclination with respect to the axis of the propeller, of the kind of those which include in an enclosure with vacuum of revolution an annular electron gun , characterized in that it further comprises electric coils capable of creating the cyclotron effect by a static magnetic field varying progressively and continuously along the axis of the injector from a value B 1 in the area of the barrel proper said, up to a value B 2 in the narrowed outlet area of the injector passing by an intermediate value B 2 in the converging connection area between said barrel area and said outlet area, as well as an electrode corrector located movably along the axis of the injector and brought to an electrical potential different from that of the extraction anode of said electron gun. 2. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode correctrice est disposée à l'intérieur du faisceau annulaire.2. Injector according to claim 1, characterized in that the correcting electrode is arranged inside the annular bundle. 3. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode correctrice est localisée sur l'axe de l'injecteur, près de ladite zone du canon.3. Injector according to claim 1, characterized in that the correcting electrode is located on the axis of the injector, near said area of the barrel. 4. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode correctrice est de révolution autour de ladite zone du canon.4. Injector according to claim 1, characterized in that the corrective electrode is of revolution around said area of the barrel. 5. Injacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'électrode correctrice est une masse conductrice ayant une forme sensiblement ovoïde.5. An injector according to claim 4, characterized in that the correcting electrode is a conductive mass having a substantially ovoid shape. 6. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les composantes axiales des champs magnétiques B1 et B3 sont de même sens, chaque électron décrivant une hélice particulière dont l'axe est situé dans la zone annulaire couverte par le faisceau.6. An injector according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the axial components of the magnetic fields B 1 and B 3 are in the same direction, each electron describing a particular helix whose axis is located in the annular zone covered by the beam. 7. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les composantes axiales des champs magnétiques B1 et B3 sont de sens opposés, chaque électron décrivant une hélice entourant de façon excentrée l'axe de l'injecteur,7. Injector according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the axial components of the magnetic fields B 1 and B 3 are in opposite directions, each electron describing a helix eccentrically surrounding the axis of the injector , 8. Injecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le potentiel de l'électrode correctrice ainsi que sa position sont choisis tels que l'épaisseur du faisceau annulaire hélicoïdal est minimale et chaque électron décrit une hélice particulière dont l'axe coïncide pratiquement avec l'axe de l'injecteur.8. Injector according to claim 4, characterized in that the potential of the correcting electrode as well as its position are chosen such that the thickness of the helical annular beam is minimal and each electron describes a particular helix whose axis coincides practically with the axis of the injector.
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