EP0124395B1 - Electron gun for microwave generators - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an electron gun for generators of radio waves for microwaves. It relates more particularly to an electron gun providing an electron beam propagating along cycloidal paths intended for use in microwave generators of the masers type with cyclotron resonance.
- cyclotronic resonance masers such as gyrotrons
- a beam of electrons coming from an electron gun propagates along helical paths while being guided by a uniform magnetic field directed along the axis of the helix.
- the beam then crosses an electromagnetic cavity resonating at a frequency f o close to a multiple of the cyclotronic frequency, cavity in which the transverse speed components of the electrons interact with a transverse electric field component of the wave to give them their energy.
- the beam propagates essentially parallel to the magnetic field. Now the interaction taking place with the transverse velocity component vL of the electrons, the parallel velocity component v // therefore corresponds to an unused energy.
- electron guns of the type comprising a conical cathode, and a conical axial anode subjected to an axial magnetic field, used in cyclotron resonance masers such as gyrotrons, are not suitable.
- the object of the present invention is to provide a new type of electron gun capable of providing an electron beam propagating along a cycloidal trajectory in a transverse magnetic field under the effect of a drift speed due to a continuous electric field. with specific characteristics.
- an electron gun for generators of radio waves for microwave frequencies of the type comprising a so-called sole electrode being at a negative or zero potential and an anode, produced by plates facing each other and brought to two different potentials of so as to create between them a continuous electric field as well as a cathode positioned in the extension of the hearth and brought to the same potential as the latter, the cathode injecting an electron beam into the space between the hearth and the anode, the assembly being subjected to a magnetic field transverse to the directions of the beam and of the electric field characterized in that, in the plane perpendicular to the magnetic field, at least one of the electrodes has a divergent profile relative to the other electrode so the distance between electrodes is increasing from the catode to the outside of the barrel so as to provide an electron beam propagating along a cyclic path o ⁇ dal whose arches tighten under the effect of a speed of drift of the electrons lower than the speed of rotation.
- the electron gun according to the present invention is constituted by a cathode 1 and by two electrodes 2, 3 brought to different potentials so as to create between these two electrodes 2, 3 a continuous electric field E c .
- the electrode 2 called the sole is brought to a negative or zero potential while the electrode 3 called the anode is brought to a positive potential V.
- the cathode 1 is located in the extension of the sole 2 and is brought to the same potential as this electrode.
- This cathode 1 comprises for example a filament 4 connected to a voltage so as to obtain, during the heating of the cathode, the emission of electrons.
- one of the electrodes namely the anode 3 in the embodiment of Figure 1
- the two electrodes can be produced using copper plates, one of which has been suitably profiled.
- the profile of the curved electrode is chosen so that the angle a formed by said profile with the median plane of the electrodes is such that the distance between the two electrodes varies little over a length corresponding to twice the radius of Larmor r L.
- the whole of the electron gun is subjected to a uniform magnetic field B perpendicular to the plane of the figure, of which a few lines of force are represented by crosses.
- This magnetic field is created, for example, from two superconductive coils positioned on either side of the electrodes 2, 3 according to the Helmholz control. For the purpose of simplification, these coils have not been shown in the drawing.
- the anode 3 must therefore have, relative to the cathode, a potential at least 4 times greater than the energy of rotation of the electrons which is usable in the cyclotronic interaction.
- FIG. 2 shows another embodiment of the electron gun of the present invention.
- the sole 2 ' has a curved profile symmetrical to that of the anode 3 with respect to the median plane. This particular shape gives a drift in a constant direction along the median plane.
- FIG. 3 represents an alternative embodiment of FIGS. 1 and 2.
- the cathode 1 is positioned in the extension of the sole 2 but in a plane forming an angle between -45 ° and -180 ° relative to the plane sole 2.
- the anode is then extended by a curved profile so as to cover the cathode.
- the starting speed of the electrons is in the opposite direction to the drift speed, which makes it possible to reduce the potential difference to be applied between the anode 3 and the cathode 1.
- the electron guns according to the present invention can be used not only in the new types of cyclotron resonance masers mentioned in the introduction but also in microwave tubes requiring injection of an electron beam according to a cycloidal trajectory.
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Description
La présente invention concerne un canon à électrons pour générateurs d'ondes radioelectri- ques pour hyperfréquences. Elle concerne plus particulièrement un canon à électrons fournissant un faisceau d'électrons se propageant selon des trajets cycloïdaux destiné à être utilisé dans des générateurs hyperfréquences du type masers à résonnance cyclotronique.The present invention relates to an electron gun for generators of radio waves for microwaves. It relates more particularly to an electron gun providing an electron beam propagating along cycloidal paths intended for use in microwave generators of the masers type with cyclotron resonance.
Dans les générateurs appelés masers à résonnance cyclotronique tels que les gyrotrons, un faisceau d'électrons provenant d'un canon à électrons se propage selon des trajets hélicoïdaux en étant guidé par un champ magnétique uniforme dirigé suivant l'axe de l'hélice. Le faisceau traverse alors une cavité électromagnétique résonnant à une fréquence fo voisine d'un multiple de la fréquence cyclotronique, cavité dans laquelle les composantes de vitesse transversales des électrons interagissent avec une composante de champ électrique transversale de l'onde pour lui céder leur énergie. Dans ce cas, le faisceau se propage essentiellement parallèlement au champ magnétique. Or l'interaction ayant lieu avec la composante de vitesse transversale v-L des électrons, la composante de vitesse parallèle v// correspond donc à une énergie inutilisée. On cherche donc à éliminer cette vitesse parallèle en proposant un nouveau type de masers à résonnance cyclotronique utilisant la même interaction entre les électrons tournant dans un champ magnétique et une cavité résonnante que celle utilisée dans les masers de l'art antérieur mais caractérisé par le fait que la vitesse des électrons parallèlement au champ magnétique est nulle ou sensiblement nulle dans tout le maser tandis qu'il existe une vitesse de dérive perpendiculaire au champ magnétique due à un champ électrique continu régnant dans le canon à électrons et la structure résonnante.In generators called cyclotronic resonance masers such as gyrotrons, a beam of electrons coming from an electron gun propagates along helical paths while being guided by a uniform magnetic field directed along the axis of the helix. The beam then crosses an electromagnetic cavity resonating at a frequency f o close to a multiple of the cyclotronic frequency, cavity in which the transverse speed components of the electrons interact with a transverse electric field component of the wave to give them their energy. . In this case, the beam propagates essentially parallel to the magnetic field. Now the interaction taking place with the transverse velocity component vL of the electrons, the parallel velocity component v // therefore corresponds to an unused energy. We therefore seek to eliminate this parallel speed by proposing a new type of cyclotronic resonance masers using the same interaction between the electrons rotating in a magnetic field and a resonant cavity as that used in the masers of the prior art but characterized by the fact that the speed of the electrons parallel to the magnetic field is zero or substantially zero throughout the maser while there is a drift speed perpendicular to the magnetic field due to a continuous electric field prevailing in the electron gun and the resonant structure.
Dans ce cas, cependant, les canons à électrons du type comprenant une cathode conique, et une anode axiale conique soumises à un champ magnétique axial, utilisés dans les masers à résonnance cyclotronique tels que les gyrotrons, ne conviennent pas.In this case, however, electron guns of the type comprising a conical cathode, and a conical axial anode subjected to an axial magnetic field, used in cyclotron resonance masers such as gyrotrons, are not suitable.
Or on connait aussi par le brevet français 984020, un tube à ondes progressives. Dans ce cas, la cathode envoie un faisceau d'électrons entre une ligne à retard et une électrode portée à un potentiel négatif par rapport à la ligne à retard, les électrons cédant leur énergie à l'onde électromagnétique se propageant dans la ligne à retard. Dans ce cas, le faisceau suit une trajectoire cycloïdale mais à point de rebroussement avec une amplitude invariable. D'autre part, l'hélice reçoit un pas progressivement décroissant dans la direction du faisceau afin de réduire la vitesse de l'onde au fur et à mesure que la vitesse du faisceau diminue.However, we also know from French patent 984020, a traveling wave tube. In this case, the cathode sends an electron beam between a delay line and an electrode brought to a negative potential compared to the delay line, the electrons yielding their energy to the electromagnetic wave propagating in the delay line. . In this case, the beam follows a cycloidal trajectory but at a turning point with an invariable amplitude. On the other hand, the propeller receives a progressively decreasing pitch in the direction of the beam in order to reduce the speed of the wave as the speed of the beam decreases.
La présente invention a pour but de fournir un nouveau type de canon à électrons susceptibles de fournir un faisceau d'électrons se propageant selon une trajectoire cycloïdale dans un champ magnétique transversal sous l'effet d'une vitesse de dérive due à un champ électrique continu présentant des caractéristiques spécifiques.The object of the present invention is to provide a new type of electron gun capable of providing an electron beam propagating along a cycloidal trajectory in a transverse magnetic field under the effect of a drift speed due to a continuous electric field. with specific characteristics.
Elle a donc pour objet un canon à électrons pour générateurs d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences du type comportant une électrode dite sole se trouvant à un potentiel négatif ou nul et une anode, réalisées par des plaques se faisant face et portées à deux potentiels différents de manière à créer entre elles un champ électrique continu ainsi qu'une cathode positionnée dans le prolongement de la sole et portée au même potentiel que celle-ci, la cathode injectant un faisceau d'électrons dans l'espace compris entre la sole et l'anode, l'ensemble étant soumis à un champ magnétique transversal aux directions du faisceau et du champ électrique caractérisé en ce que, dans le plan perpendiculaire au champ magnétique, au moins une des électrodes présente un profil divergent relativement à l'autre électrode de sorte que la distance entre électrodes soit croissante de la catode vers l'extérieur du canon de manière à fournir un faisceau d'électrons se propageant selon une trajectoire cycloïdale dont les arceaux se resserrent sous l'effet d'une vitesse de dérive des électrons inférieure à la vitesse de rotation.It therefore relates to an electron gun for generators of radio waves for microwave frequencies of the type comprising a so-called sole electrode being at a negative or zero potential and an anode, produced by plates facing each other and brought to two different potentials of so as to create between them a continuous electric field as well as a cathode positioned in the extension of the hearth and brought to the same potential as the latter, the cathode injecting an electron beam into the space between the hearth and the anode, the assembly being subjected to a magnetic field transverse to the directions of the beam and of the electric field characterized in that, in the plane perpendicular to the magnetic field, at least one of the electrodes has a divergent profile relative to the other electrode so the distance between electrodes is increasing from the catode to the outside of the barrel so as to provide an electron beam propagating along a cyclic path oïdal whose arches tighten under the effect of a speed of drift of the electrons lower than the speed of rotation.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faite ci-après avec référence au dessin ci-annexé dans lequel:
- - la figure 1 est une vue en coupe axiale schématique, dans le plan perpendiculaire au champ magnétique, d'un premier mode de réalisation d'un canon à électrons conforme à la présente invention;
- - la figure 2 est une vue semblable à celle de figure 1 d'un deuxième mode de réalisation d'un canon à électrons conforme à la présente invention;
- - la figure 3 est une vue semblable à celle de figure 1 d'un troisième mode de réalisation d'un canon à électrons conforme à la présente invention;
- - la figure 4 représente schématiquement la trajectoire d'un électron soumis à un champ électrique Ec continu et à un champ magnétique B.
- - Figure 1 is a schematic axial sectional view, in the plane perpendicular to the magnetic field, of a first embodiment of an electron gun according to the present invention;
- - Figure 2 is a view similar to that of Figure 1 of a second embodiment of an electron gun according to the present invention;
- - Figure 3 is a view similar to that of Figure 1 of a third embodiment of an electron gun according to the present invention;
- - Figure 4 shows schematically the trajectory of an electron subjected to a continuous electric field E c and a magnetic field B.
Dans les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments mais pour des raisons de clarté, les cotes et proportions n'ont pas été respectées.In the figures, the same references designate the same elements but for reasons of clarity, the dimensions and proportions have not been respected.
Comme représenté sur la figure 1, le canon à électrons conforme à la présente invention est constitué par une cathode 1 et par deux électrodes 2, 3 portées à des potentiels différents de manière à créer entre ces deux électrodes 2, 3 un champ électrique continu Ec. De manière plus spécifique, l'électrode 2 appelée sole est portée à un potentiel négatif ou nul tandis que l'électrode 3 appelée anode est portée à un potentiel positif V. D'autre part, la cathode 1 est située dans le prolongement de la sole 2 et est portée au même potentiel que cette électrode. Cette cathode 1 comporte par exemple un filament 4 relié à une tension de manière à obtenir lors du chauffage de la cathode, l'émission d'électrons.As shown in FIG. 1, the electron gun according to the present invention is constituted by a cathode 1 and by two electrodes 2, 3 brought to different potentials so as to create between these two electrodes 2, 3 a continuous electric field E c . More specifically, the electrode 2 called the sole is brought to a negative or zero potential while the electrode 3 called the anode is brought to a positive potential V. On the other hand, the cathode 1 is located in the extension of the sole 2 and is brought to the same potential as this electrode. This cathode 1 comprises for example a filament 4 connected to a voltage so as to obtain, during the heating of the cathode, the emission of electrons.
Conformément à la présente invention, l'une des électrodes, à savoir l'anode 3 dans le mode de réalisation de la figure 1, présente un profil incurvé de sorte que la distance entre électrodes 2, 3 soit croissante de la cathode 1 vers l'extérieur du canon, à savoir selon la direction x. Les deux électrodes peuvent être réalisées à l'aide de plaques en cuivre dont l'une a été profilée convenablement. Comme expliqué ci-après de manière plus détaillée, de préférence, le profil de l'électrode incurvée est choisi de manière que l'angle a que forme ledit profil avec le plan médian des électrodes soit tel que la distance entre les deux électrodes varie peu sur une longueur correspondant au double du rayon de Larmor rL. D'autre part, l'ensemble du canon à électrons est soumis à un champ magnétique uniforme B perpendiculaire au plan de la figure dont on a représente quelques lignes de force par des croix. Ce champ magnétique est créé, par exemple, à partir de deux bobines supraconductrices positionnées de part et d'autre des électrodes 2, 3 selon la régie de Helmholz. Dans un but de simplification, ces bobines n'ont pas été représentées sur le dessin.According to the present invention, one of the electrodes, namely the anode 3 in the embodiment of Figure 1, has a curved profile so that the distance between electrodes 2, 3 is increasing from the cathode 1 towards the outside of the barrel, namely in the direction x. The two electrodes can be produced using copper plates, one of which has been suitably profiled. As explained below in more detail, preferably, the profile of the curved electrode is chosen so that the angle a formed by said profile with the median plane of the electrodes is such that the distance between the two electrodes varies little over a length corresponding to twice the radius of Larmor r L. On the other hand, the whole of the electron gun is subjected to a uniform magnetic field B perpendicular to the plane of the figure, of which a few lines of force are represented by crosses. This magnetic field is created, for example, from two superconductive coils positioned on either side of the electrodes 2, 3 according to the Helmholz control. For the purpose of simplification, these coils have not been shown in the drawing.
Comme expliqué de manière plus détaillée ci-après, sous l'action combinée du champ électrique continu
On sait en effet qu'un électron mobile dans un champ magnétique B et soumis à l'action d'un champ électrique E subit une force F donnée par la formule de Lorentz, à savoir l'équation vectorielle suivante:
Ainsi, dans un nouveau système de référence relatif à
En conséquence, lorsqu'un électron est soumis à un champ électrique
- avec e = la charge de l'électron
- m = la masse de l'électron
et d'une vitesse de dérive Vd donnée par l'équation vectorielle
- with e = the charge of the electron
- m = mass of the electron
and a drift speed Vd given by the vector equation
De plus, dans le cas de la présente invention puisque les électrons sont issus d'une cathode 1 sans avoir de vitesse d'injection, la vitesse de rotation est égale à la vitesse de dérive et on obtient les équations suivantes:
- avec V: la différence de potentiel entre des électrodes 2, 3
- Comme Vd = vr
- with V: the potential difference between electrodes 2, 3
- As Vd = v r
Normalement, d'après cette équation si Ec diminue rL diminue en conséquence puisque B est constant dans l'invention. Toutefois, Ec étant un champ électrique continu on montre que si la distance d entre les deux électrodes varie peu sur la longueur correspondant à une rotation, on se trouve alors dans un régime dit «adiabatique» pour lequel le moment de l'électron m = k B rL 2 = Cste. Dans ce cas, le rayon de Larmor rL reste constant. Comme la vitesse de dérive vd diminue en même temps que le champ électrique Ec, les électrons se déplacent sur des cercles de plus en plus ressérés comme représenté sur la figure 1, les équations (1) et (2) restant valable localement.Normally, according to this equation if E c decreases r L decreases accordingly since B is constant in the invention. However, E c being a continuous electric field it is shown that if the distance d between the two electrodes varies little over the length corresponding to a rotation, then we are in a regime called "adiabatic" for which the moment of the electron m = k B r L 2 = Cste. In this case, the radius of Larmor r L remains constant. As the speed of drift v d decreases at the same time as the electric field E c , the electrons move on more and more tightened circles as represented on figure 1, equations (1) and (2) remaining valid locally.
On obtient donc avec le canon à électrons de la présente invention, la trajectoire cycloïdale demandée par le nouveau type de maser cyclotronique.We therefore obtain with the electron gun of the present invention, the cycloidal trajectory required by the new type of cyclotronic maser.
De plus, si l'on compare ce système avec le système à injection axiale actuellement utilisé dans les gyrotrons, on voit que la vitesse de dérive Vd joue un rôle identique à la vitesse parallèle dans ledit système axial.In addition, if we compare this system with the axial injection system currently used in gyrotrons, we see that the drift speed Vd plays an identical role to the parallel speed in said axial system.
Si l'on veut par exemple obtenir la relation
D'autre part l'anode 3 doit être placée au-dessus du sommet de la trajectoire des électrons. Il en résulte que le potentiel minimum Vmin est donné par l'équation
Il en résulte que l'anode 3 doit donc avoir par rapport à la cathode un potentiel au moins 4 fois supérieur à l'énergie de rotation des électrons qui est utilisable dans l'interaction cyclotronique.As a result, the anode 3 must therefore have, relative to the cathode, a potential at least 4 times greater than the energy of rotation of the electrons which is usable in the cyclotronic interaction.
On a représenté sur la figure 2, un autre mode de réalisation du canon à électrons de la présente invention. Dans ce mode de réalisation la sole 2' présente un profil incurvé symétrique de celui de l'anode 3 par rapport au plan médian. Cette forme particulière donne une dérive selon une direction constante suivant le plan médian.FIG. 2 shows another embodiment of the electron gun of the present invention. In this embodiment the sole 2 'has a curved profile symmetrical to that of the anode 3 with respect to the median plane. This particular shape gives a drift in a constant direction along the median plane.
La figure 3 représente une variante de réalisation des figures 1 et 2. Dans ce cas, la cathode 1 est positionnée dans le prolongement de la sole 2 mais dans un plan formant un angle compris entre -45° et -180° par rapport au plan de la sole 2. L'anode se prolonge alors par un profil incurvé de manière à recouvrir la cathode. Dans ce cas, la vitesse de départ des électrons est de sens opposé à la vitesse de dérive, ce qui permet de diminuer la différence de potentiel à appliquer entre l'anode 3 et la cathode 1.FIG. 3 represents an alternative embodiment of FIGS. 1 and 2. In this case, the cathode 1 is positioned in the extension of the sole 2 but in a plane forming an angle between -45 ° and -180 ° relative to the plane sole 2. The anode is then extended by a curved profile so as to cover the cathode. In this case, the starting speed of the electrons is in the opposite direction to the drift speed, which makes it possible to reduce the potential difference to be applied between the anode 3 and the cathode 1.
Les canons à électrons décrits ci-dessus présentent un certain nombre d'avantages.
- - On peut modifier la vitesse de dérive des électrons sans modifier le champ magnétique B mais en modifiant seulement le champ électrique Ec.
- - Les électrons ne peuvent pas revenir dans la région du canon s'ils sont réfléchis en aval par le reste du dispositif, car la vitesse de dérive Vd est indépendante en grandeur et en signe de la forme de la trajectoire.
- - La dimension des électrodes et de la cathode selon le champ magnétique B n'est pas limitée. Il en résulte que l'on peut produire des courants électroniques très élevés avec ce type de canon.
- - One can modify the speed of drift of the electrons without modifying the magnetic field B but by modifying only the electric field E c .
- - The electrons cannot return to the region of the barrel if they are reflected downstream by the rest of the device, because the speed of drift V d is independent in magnitude and as a sign of the shape of the trajectory.
- - The size of the electrodes and the cathode according to the magnetic field B is not limited. As a result, very high electronic currents can be produced with this type of gun.
De plus, les canons à électrons conforme à la présente invention peuvent être utilisés, non seulement dans les nouveaux types de masers à résonnance cyclotronique mentionnées dans l'introduction mais aussi dans des tubes hyperfréquences demandant une injection d'un faisceau d'électrons selon une trajectoire cycloïdale.In addition, the electron guns according to the present invention can be used not only in the new types of cyclotron resonance masers mentioned in the introduction but also in microwave tubes requiring injection of an electron beam according to a cycloidal trajectory.
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