EP0350357A1 - Dispositif à supraconducteur d'injection d'électrons dans un tube électronique - Google Patents

Dispositif à supraconducteur d'injection d'électrons dans un tube électronique Download PDF

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EP0350357A1
EP0350357A1 EP89401739A EP89401739A EP0350357A1 EP 0350357 A1 EP0350357 A1 EP 0350357A1 EP 89401739 A EP89401739 A EP 89401739A EP 89401739 A EP89401739 A EP 89401739A EP 0350357 A1 EP0350357 A1 EP 0350357A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rod
bar
tube
electrons
sheath
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89401739A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Blanchard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0350357A1 publication Critical patent/EP0350357A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/02—Electron guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode

Definitions

  • the subject of the present invention is a device for injecting electrons into an electron tube which takes advantage of the high speed that electrons accelerated by an electric field can acquire in a superconductive material.
  • These electrons are in fact capable of acquiring kinetic energy at least equal to the energy, called extraction energy in the following, which is necessary for them to cross the potential barrier initially confining them in the material.
  • any electron tube is based on the existence inside the tube of an electron beam. Any electron tube must therefore be fitted with an electron injection device.
  • the characteristics of the electron beam supplied such as its intensity and directivity, are variable depending on the type of tube considered, however it is necessary in most cases to have an electron beam substantially parallel, narrow, and intense . These constraints are for example essential to equip a microwave tube, such as a traveling wave tube or a klystron, or a Crookes tube (X-ray emitter), or a cathode ray tube.
  • thermoelectronic emission that is to say the emission of electrons by certain metals (referred to as thermoemissives in the following) when they are heated, the intensity of this emission being the higher the hotter these metals are.
  • This known device generally comprises a heat conducting plate, one face of which is covered with a layer of a thermoemissive metal and is oriented towards the zone of the tube where the electrons must be injected.
  • This plate constitutes a cathode and is heated by means of a filament in which an electric current flows.
  • An anode is arranged in the tube.
  • the current created by the electrons emitted by the heated cathode increases, at a given temperature and for a given emissive surface, with the potential difference applied between the cathode and the anode then reaches a saturation value which is all the greater as the temperature is high. This current is therefore limited by the very principle of operation of the known device.
  • Another known device operates on the same principle but has a different geometry: the plate is replaced by a hollow cylinder whose external surface is covered with a thermoemissive metal, and the filament is located in the hollow of the cylinder.
  • thermoemissive metal the directions of emission of the electrons ejected out of the thermoemissive metal are distributed in a cone of solid angle substantially equal to 2 ⁇ steradian
  • these known devices have a duration of use limited by a degradation of the layer of thermoemissive metal (the latter, brought to high temperature, tends to sublimate, that is to say to pass from solid state in gaseous state).
  • the device according to the invention is based on a principle different from that set out in the above; in fact, this device takes advantage of one of the properties of a superconductive material, namely the high mobility of the electrons in a superconductor.
  • the device which is the subject of the invention in fact comprises a bar of a material superconductor of predetermined length, a first end of which opens into the tube and the second end of which is connected to electrical supply means so that the bar acts as a cathode.
  • An anode, called main in the following, is located in the tube, the cathode and the main anode preferably being located at a first and at the second end of the tube, respectively.
  • Electrons are accelerated along the bar and reach the first end of it with a kinetic energy greater than or substantially equal to the energy of extraction of the superconductive material. These electrons are then ejected from the first end of the bar and injected into the tube, in a direction substantially parallel to the axis of the bar.
  • the treatment to which the electrons are then subjected depends on the type of electron tube considered.
  • An anode, called secondary in the following, is placed in the part of the tube where the electrons are injected and is brought to a so-called secondary voltage. To initiate the injection phenomenon, the secondary voltage is brought to a starting value, high and independent of the main voltage. Then, it is brought to an operating value, lower and lower than the voltage at which the main anode is brought.
  • a more specific subject of the invention is a device for injecting electrons into an electronic tube, characterized in that it comprises: - a bar of predetermined length, made of a superconductive material, a first end of which opens into the injection part of the tube; - Power supply means, ensuring the application of a main voltage between the second end of the bar, the latter playing the role of a cathode, and a main anode located in the receiving part of the tube; - means for initiating the electron injection phenomenon; electrons being accelerated by the electric field applied between the cathode and the anode along the rod, thereby acquiring a kinetic energy at least equal to the energy of extraction of the material constituting the bar, and thus being ejected out of the bar, by the first end of the latter and injected into said part of the tube.
  • the intensity of the electron beam generated is not limited in any way by the principle of creation of this beam; the directions of emission of the electrons are all substantially parallel to the axis of the bar; the temperature of the cathode being lower than the critical temperature of the superconductive material, and this cathode comprising no thin surface deposit, the device does not wear out like the known devices.
  • a device equips an electronic tube 1 abstractly separated into three parts: - A part 11, where the electrons are injected, called injection in what follows; a part 12, where the electrons are treated, known as the treatment in the following (such treatment of the electrons depending on the type of tube considered); - A part 13, where the electrons are collected after treatment, called reception in the following.
  • the processing part 12 having a very precise geometry which depends on the type of tube considered, is very schematically represented by a rectangle.
  • the injection 11 and receiving 13 parts are delimited by walls 2 of the tube 1, which are for example made of ceramic.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of the device according to the invention which comprises: a thin bar 3, also called a rod in the following, made of a first material which is superconductive, playing the role of a cathode, and of which a first end 31 opens into the injection part 11 of the tube 1; -an anode (called main) 6, located in the receiving part 13 of the tube 1; - An anode (called secondary) 7, located in the injection part 11 of the tube 1; electrical supply means 4, ensuring the application of two independent voltages, qualified respectively as main and secondary, applied respectively between the main anode and the secondary anode on the one hand, and the cathode constituted by the rod 3 on the other hand.
  • a thin bar 3 also called a rod in the following, made of a first material which is superconductive, playing the role of a cathode, and of which a first end 31 opens into the injection part 11 of the tube 1
  • main an anode
  • secondary An anode
  • electrical supply means 4 ensuring the
  • the rod 3 is electrically connected to the supply means 4 via a part 8, so as not to deteriorate the superconductivity of the rod 3 by heating during the passage of an intense electric current; this piece 8 further provides a mechanical rigidity function of the rod 3.
  • this part 8 is made of a second material, which is electrically conductive (such as copper) and has the shape of a bar , whose transverse dimensions are greater than those of the rod 3; the rod 3 is embedded over substantially its entire length, and on the side of its second end 32 in this part 8, so that only the first end 31 of this rod 3 protrudes from the part 8.
  • the device of Figure 1 further comprises cooling means ensuring the maintenance of the material constituting the rod 3 in a superconductive state.
  • This material is cooled by means of part 8, the material constituting this part 8 also being a heat conductor.
  • This part 8 is in fact immersed in a tank 5, filled with liquid nitrogen 24, and enclosing in a sealed manner for example by means of a solder the two ends of the part 8 at two orifices 20 and 21 (respectively qualified as second and third in the following), the rod 3 projecting as little as possible out of the tank 5 through the third orifice 21: the tank 5 is in fact rigidly and tightly fixed to the walls 2 of the tube 1 so that the third orifice 21 opens into the injection part 11 of the tube 1.
  • the walls 2 of the tube 1 are made of ceramic and the tank 5 is made of Kovar, which allows such fixing to be carried out by soldering.
  • the tank 5 is also connected to a liquid nitrogen tank by means of a pipe 23 and open to the open air at the level of an orifice 9 (described first in the following): in a manner known by l '' skilled in the art, liquid nitrogen 24 permanently feeds the tank 5 and evaporates continuously through the first orifice 9.
  • the part 8 is long enough for the rod 3 to remain at low temperature although the part 8 is in contact with the outside of the tank.
  • the electrons supplied by the supply means 4, and having reached the part 8, are accelerated towards the injection part 11 of the tube 1. They pass into the superconductive rod 3 at its second end 32 , and therefore are accelerated over the entire length of the rod 3.
  • This length is predetermined so that electrons having been accelerated by the electric field corresponding to the voltages created by the electrical supply means 4, have acquired a kinetic energy at least equal to the energy of extraction of the material constituting the rod 3.
  • the electron beam obtained is therefore intense . It is also substantially parallel and directed in the direction of the rod 3. Finally, its transverse dimensions are substantially delimited by those of the rod 3.
  • the electrons injected into the injection part 11, of the tube 1 remain grouped thanks to a shape suitable, known per se to those skilled in the art, for the secondary anode. They are then guided to the main anode 6 (the secondary voltage being smaller than the main voltage after initiation of the injection phenomenon) and pass through the processing part 12 of the tube 1, before being collected in the receiving part 13 of the tube.
  • the secondary voltage is therefore brought to a so-called start-up value in what follows, sufficient to initiate the phenomenon of ejection of electrons from the rod 3 by tearing off the electrons accumulated at its first end 31 which obstruct the ejection of electrons from the supply means 4.
  • the secondary voltage is reduced to a value, called operating in what follows, lower than the starting value.
  • the start-up value of the secondary voltage is independent of the value of the main voltage (which is the same during the initiation of the injection phenomenon and during operation).
  • the operating value of the secondary voltage is lower than the value of the main voltage, so that electrons injected into the injection part 11 of the tube 1 are guided to the treatment part 12, then collected in the part receiving 13 of this tube, as has been explained in the foregoing.
  • the second embodiment of the device which is the subject of the invention, illustrated by FIG. 2 differs from the first, illustrated by FIG. 1, in that the rod 3 is only embedded in the part 8 over part of its length ; in other words, the part 8 of FIG. 2 is shorter than that of FIG. 1; this part 8 is partially replaced by a sheath 40, made of an electrically insulating material, such as for example ceramic, surrounding the part of the rod 3 not embedded in the part 8, and rigidly fixed to the part 8.
  • the part 8 is made of copper
  • the sheath 40 is made of ceramic, which allows such fixing by brazing.
  • the sheath which is electrically insulating, forces the electrons to pass through the superconductive rod 3 at the level of the attachment of the part 8 to the sheath 40 so that these are accelerated over a distance at least equal to the length (called minimum distance in the following) of the part of the rod 3 not embedded in the part 8.
  • minimum distance the length of the part of the rod 3 not embedded in the part 8.
  • the transverse dimensions of the sleeve 40 are for example substantially identical to those of the part 8, but they could as well be smaller than that of this part 8.
  • the rest of the description of FIG. 2 is similar to that of FIG. 1, except that the tank 5 encloses the sheath 40 instead of the part 8 at the third orifice 21.
  • the device illustrated in FIG. 3 differs from that illustrated in FIG. 1 in that the part 8 has a shoulder 41, the part of this part 8 located on the side of the injection part 11 of the tube 1 having transverse dimensions smaller than those of the rest of the part 8.
  • the existence of such a shoulder 41 modifies the lines of the electric field in the part 8, in a manner known to man from art, which forces part of the residual electrons to pass through the rod 3 at this shoulder 41: by choosing the position of the shoulder 41, it is therefore possible to reduce the drawback of FIG. 1, cited in the above.
  • the device of Figure 4 differs from that of Figure 1 in that the rod 3 is surrounded by a sheath 42 made of an insulating material over substantially its entire length with the exception of its two ends 31 and 32; the rod 3 surrounded by this sheath 42 being embedded substantially over the entire length of the sheath 42 on the side of the second end 32 of the rod 3, so as to leave free the first end 31 of the rod 3.
  • the tank 5 encloses a part of the part 8 at the third orifice 21 (while in the configuration of FIG. 3, the tank 5 encloses the sheath 40), which advantageously allows soldering between metals ( indeed, the part 8 is for example of copper and the tank for example of Kovar).
  • the device of FIG. 4 operates in a similar fashion to that of FIG. 2, except that the electrons are accelerated over substantially the entire length of the rod 3.
  • FIG. 5 illustrates a fifth embodiment of the invention which differs from the first in that the rod 3 embedded in the part 8 is replaced by a bar 3 (of a superconductive material) whose transverse dimensions are only slightly smaller to those of the part 8, the bar being rigidly fixed to the part 8, by means known per se, such as for example by embedding its second end 32 (located on the side of the supply means 4).
  • the tank directly encloses the superconducting bar 3 at the level of the third orifice 21.
  • the device of FIG. 5 operates in the same way as that of FIG.

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif d'injection d'électrons dans un tube électronique (1) qui comporte : un barreau (3) supraconducteur dont une première extrémité (31) débouche dans le tube (1), et des moyens d'alimentation électrique (4). Le barreau (3) joue le rôle d'une cathode. Deux anodes, principale (6) et secondaire (7), sont disposées dans le tube (1), respectivement là où sont recueillis les électrons, et là où débouche la première extrémité (31) du barreau (3). Les moyens d'alimentation électrique (4) assurent l'application de deux tensions, principale et secondaire. Des électrons sont accélérés le long du barreau (3) grâce aux deux tensions et acquièrent une énergie cinétique au moins égale à l'énergie d'extraction du supraconducteur, et sont ainsi éjectés hors du barreau (3).

Description

  • La présente invention a pour objet un dispositif d'injection d'électrons dans un tube électronique qui met à profit la vitesse élevée que peuvent acquérir des électrons accélérés par un champ électrique dans un matériau supraconducteur. Ces électrons sont en effet susceptibles d'acquérir une énergie cinétique au moins égale à l'énergie, dite d'extraction dans ce qui suit, qui leur est nécessaire pour franchir la barrière de potentiel les confinant initialement dans le matériau.
  • Le fonctionnement de tout tube électronique est basé sur l'existence à l'intérieur du tube d'un faisceau d'électrons. Tout tube électronique doit donc être muni d'un dispositif d'injection d'électrons. Les caractéristiques du faisceau d'électrons fourni, comme par exemple son intensité et sa directivité, sont variables selon le type de tube considéré, néanmoins il est nécessaire dans la plupart des cas de disposer d'un faisceau électronique sensiblement parallèle, étroit, et intense. Ces contraintes sont par exemple indispensables pour équiper un tube hyperfréquence, comme un tube à ondes progressives ou un klystron, ou un tube de Crookes (émetteur de rayons X), ou un tube cathodique.
  • On connaît des dispositifs d'injection d'électrons destinés à équiper un tube électronique. Un dispositif connu fréquemment utilisé met à profit l'émission thermoélectronique, c'est-à-dire l'émission d'électrons par certains métaux (dits thermoémissifs dans ce qui suit) lorsqu'ils sont chauffés, l'intensité de cette émission étant d'autant plus élevée que ces métaux sont chauds. Ce dispositif connu comporte généralement une plaque conductrice de chaleur dont une face est recouverte d'une couche d'un métal thermoémissif et est orientée vers la zone du tube où doivent être injectés les électrons. Cette plaque constitue une cathode et est chauffée par l'intermédiaire d'un filament dans lequel circule un courant électrique. Une anode est disposée dans le tube. Le courant créé par les électrons émis par la cathode chauffée croît, à température donnée et pour une surface émissive donnée, avec la différence de potentiel appliquée entre la cathode et l'anode puis atteint une valeur de saturation qui est d'autant plus grande que la température est élevée. Ce courant est donc limité par le principe même de fonctionnement du dispositif connu.
  • Un autre dispositif connu fonctionne selon le même principe mais possède une géométrie différente : la plaque est remplacée par un cylindre creux dont la surface externe est recouverte d'un métal thermoémissif, et le filament se trouve dans le creux du cylindre.
  • Ces deux dispositifs connus, outre la limitation de principe du courant électronique qu'ils peuvent fournir, mentionnée dans ce qui précède, présentent deux inconvénients principaux. D'une part, ils génèrent un faisceau électronique divergent (l'émission thermoélectronique étant un phénomène sensiblement isotrope, les directions d'émission des électrons éjectés hors du métal thermoémissif sont réparties dans un cône d'angle solide sensiblement égal à 2 ¶ stéradian) et de ce fait ont besoin d'être accompagnés de dispositifs de concentration des directions des électrons émis, ce qui augmente la complexité des moyens d'injection d'électrons dans le tube. D'autre part, ces dispositifs connus ont une durée d'utilisation limitée par une dégradation de la couche de métal thermoémissif (celui-ci, porté à haute température, a tendance à se sublimer, c'est-à-dire à passer de l'état solide à l'état gazeux).
  • Le dispositif selon l'invention est basé sur un principe différent de celui exposé dans ce qui précède ; en effet ce dispositif met à profit l'une des propriétés d'un matériau supraconducteur, à savoir la mobilité élevée des électrons dans un supraconducteur. Le dispositif objet de l'invention comporte en effet un barreau d'un matériau supraconducteur de longueur prédéterminée, dont une première extrémité débouche dans le tube et dont la seconde extrémité est reliée à des moyens d'alimentation électrique de façon à ce que le barreau joue le rôle d'une cathode. Une anode, dite principale dans ce qui suit, est située dans le tube, la cathode et l'anode principale se trouvant de préférence respectivement à une première et à la seconde extrémité du tube. Des électrons sont accélérés le long du barreau et atteignent la première extrémité de celui-ci avec une énergie cinétique supérieure ou sensiblement égale à l'énergie d'extraction du matériau supraconducteur. Ces électrons sont alors éjectés hors de la première extrémité du barreau et injectés dans le tube, dans une direction sensiblement parallèle à l'axe du barreau. Le traitement auquel sont ensuite soumis les électrons dépend du type de tube électronique considéré. Une anode, dite secondaire dans ce qui suit, est placée dans la partie du tube où sont injectés les électrons et est portée à une tension dite secondaire. Pour amorcer le phénomène d'injection, la tension secondaire est portée à une valeur de démarrage, élevée et indépendante de la tension principale. Ensuite, elle est amenée à une valeur de fonctionnement, plus faible et inférieure à la tension à laquelle est portée l'anode principale.
  • L'invention a plus précisément pour objet un dispositif d'injection d'électrons dans un tube électronique, caractérisé en ce qu'il comporte :
    - un barreau de longueur prédéterminée, réalisé dans un matériau supraconducteur, dont une première extrémité débouche dans la partie d'injection du tube ;
    - des moyens d'alimentation électrique, assurant l'application d'une tension principale entre la seconde extrémité du barreau, celui-ci jouant le rôle d'une cathode, et une anode principale située dans la partie de réception du tube ;
    - des moyens d'amorçage du phénomène d'injection d'electrons ; des électrons étant accélérés par le champ électrique appliqué entre la cathode et l'anode le long du barreau, acquérant ainsi une énergie cinétique au moins égale à l'énergie d'extraction du matériau constituant le barreau, et étant ainsi éjectés hors du barreau, par la première extrémité de celui-ci et injectés dans ladite partie du tube.
  • Le dispositif obtenu pallie aux inconvénients des dispositifs connus. En effet, l'intensité du faisceau électronique généré n'est limitée d'aucune manière par le principe de création de ce faisceau ; les directions d'émission des électrons sont toutes sensiblement parallèles à l'axe du barreau ; la température de la cathode étant inférieure à la température critique du matériau supraconducteur, et cette cathode ne comportant aucun dépôt mince de surface, le dispositif ne s'use pas comme les dispositifs connus.
  • Des particularités et différents modes de réalisation de l'invention, apparaîtront au cours de la description qui suit, à l'aide des figures annexées, qui représentent :
    • -la figure 1, une coupe d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
    • -la figure 2, une coupe d'un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
    • -la figure 3, une coupe d'un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
    • -la figure 4, une coupe d'un quatrième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
    • - la figure 5, une coupe d'un cinquième mode de réalisation du dispositif selon l'invention.
  • Sur ces figures, d'une part les proportions des différents éléments ne sont pas respectées, et d'autre part les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
  • La description suivante sera faite à titre d'exemple dans le cas où le matériau constituant le barreau n'est pas supraconducteur à la température ambiante, et devient supraconducteur lorsqu'il est refroidi à la température de l'azote liquide. Néanmoins, l'utilisation d'un matériau supraconducteur ayant une température critique très différente rentre dans le cadre de l'invention.
  • Sur ces différentes figures, un dispositif selon l'invention équipe un tube électronique 1 séparé de façon abstraite en trois parties :
    - une partie 11, où sont injectés les électrons, dite d'injection dans ce qui suit ;
    -une partie 12, où sont traités les électrons, dite de traitement dans ce qui suit (un tel traitement des électrons dépendant du type de tube considéré) ;
    - une partie 13, où sont recueillis après traitement les électrons, dite de réception dans ce qui suit.
  • La partie de traitement 12 ayant une géométrie bien précise qui dépend du type de tube considéré, est très schématiquement représentée par un rectangle. Les parties d'injection 11 et de réception 13 sont délimitées par des parois 2 du tube 1, qui sont par exemple réalisés en céramique.
  • Le figure 1 illustre un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention qui comporte :
    -un barreau mince 3, aussi appelé tige dans ce qui suit, réalisé dans un premier matériau qui est supraconducteur, jouant le rôle d'une cathode, et dont une première extrémité 31 débouche dans la partie d'injection 11 du tube 1 ;
    -une anode (dite principale) 6, située dans la partie de réception 13 du tube 1 ;
    - une anode (dite secondaire) 7, située dans la partie d'injection 11 du tube 1 ;
    -des moyens d'alimentation électrique 4, assurant l'application de deux tensions indépendantes, qualifiées respectivement de principale et de secondaire, appliquées respectivement entre l'anode principale et l'anode secondaire d'une part, et la cathode constituée par la tige 3 d'autre part.
  • La tige 3 est connectée électriquement aux moyens d'alimentation 4 par l'intermédiaire d'une pièce 8, pour ne pas détériorer la supraconductivité de la tige 3 par un échauffement lors du passage d'un courant électrique intense ; cette pièce 8 assure en outre une fonction de rigidité mécanique de la tige 3. A titre d'exemple, cette pièce 8 est réalisée dans un second matériau, qui est conducteur d'électricité (comme par exemple le cuivre) et a la forme d'un barreau, dont les dimensions transversales sont supérieures à celles de la tige 3 ; la tige 3 est encastrée sur sensiblement toute sa longueur, et du côté de sa seconde extrémité 32 dans cette pièce 8, de façon à ce que seule la première extrémité 31 de cette tige 3 dépasse de la pièce 8.
  • Le dispositif de la figure 1 comporte en outre des moyens de refroidissement assurant le maintien du matériau constituant la tige 3 dans un état supraconducteur. Ce matériau est refroidi par l'intermédiaire de la pièce 8, le matériau constituant cette pièce 8 étant en outre conducteur de chaleur. Cette pièce 8 se trouve en effet immergée dans une cuve 5, remplie d'azote liquide 24, et enserrant de façon étanche par exemple au moyen d'une brasure les deux extrémités de la pièce 8 au niveau de deux orifices 20 et 21 (respectivement qualifiés de second et de troisième dans ce qui suit), la tige 3 dépassant le moins possible hors de la cuve 5 par le troisième orifice 21 : la cuve 5 est en effet fixée rigidement et de façon étanche aux parois 2 du tube 1 de façon à ce que le troisième orifice 21 débouche dans la partie d'injection 11 du tube 1. A titre d'exemple, les parois 2 du tube 1 sont en céramique et la cuve 5 est en Kovar, ce qui permet de réaliser une telle fixation par brasage. La cuve 5 est en outre reliée à un réservoir d'azote liquide au moyen d'une conduite 23 et ouverte à l'air libre au niveau d'un orifice 9 (qualifié de premier dans ce qui suit) : de façon connue par l'homme de l'art, de l'azote liquide 24 alimente en permanence la cuve 5 et s'évapore en permanence par le premier orifice 9. La pièce 8 est suffisamment longue pour que la tige 3 reste à basse température bien que la pièce 8 soit en contact avec l'extérieur de la cuve. Enfin, des moyens d'isolation thermiques 22, connus en eux-mêmes, entourent sensiblement totalement la cuve 5 et au moins partiellement la partie d'injection 11 du tube 1 : ces moyens 22, en particulier, réduisent les déperditions thermiques et protègent les utilisateurs.
  • En cours de fonctionnement, les électrons fournis par les moyens d'alimentation 4, et ayant atteint la pièce 8, sont accélérés vers la partie d'injection 11 du tube 1. Ils passent dans la tige 3 supraconductrice au niveau de sa seconde extrémité 32, et de ce fait sont accélérés sur toute la longueur de la tige 3. Cette longueur est prédéterminée de façon à ce que des électrons ayant été accélérés par le champ électrique correspondant aux tensions créées par les moyens d'alimentation électrique 4, aient acquis une énergie cinétique au moins égale à l'énergie d'extraction du matériau constituant la tige 3. Ceci assure l'injection dans le tube de sensiblement tous les électrons accélérés tout le long de la tige 3. Le faisceau d'électrons obtenu est donc intense. Il est en outre sensiblement parallèle et dirigé selon la direction de la tige 3. Enfin ses dimensions transversales sont sensiblement délimitées par celles de la tige 3. Les électrons injectés dans la partie d'injection 11, du tube 1 restent groupés grâce à une forme appropriée, connue en soi par l'homme de l'art, de l'anode secondaire. Ils sont alors guidés vers l'anode principale 6 (la tension secondaire étant plus petite que la tension principale après amorçage du phénomène d'injection) et traversent la partie de traitement 12 du tube 1, avant d'être recueillis dans la partie de réception 13 du tube.
  • Le fonctionnement décrit dans le paragraphe précédent est précédé par une phase de démarrage pendant laquelle la tension secondaire est beaucoup plus élevée qu'en cours de fonctionnement où elle peut être nulle. En effet, des électrons initialement situés dans la tige 3 sont accélérés vers la première extrémité 31 de cette tige 3, grâce aux tensions appliquées par les moyens d'alimentation électrique 4, mais cette accélération ne se produit que sur une distance inférieure à la longueur de la tige 3. De tels électrons ne sont pas injectés dans le tube, restent confinés dans la première extrémité 31 de la tige 3, et de ce fait repoussent les électrons provenant des moyens d'alimentation 4 qui sont, eux, susceptibles d'être injectés dans le tube. La tension secondaire est donc portée à une valeur dite de démarrage dans ce qui suit, suffisante pour amorcer le phénomène d'éjection d'électrons hors de la tige 3 en arrachant les électrons accumulés au niveau de sa première extrémité 31 qui font obstacle à l'éjection d'électrons issus des moyens d'alimentation 4. Une fois le phénomène d'injectlon amorcé, la tension secondaire est ramenée à une valeur, dite de fonctionnement dans ce qui suit, inférieure à la valeur de démarrage. La valeur de démarrage de la tension secondaire est indépendante de la valeur de la tension principale (qui est la même lors de l'amorçage du phénomène d'injection et en cours de fonctionnement). Par contre, la valeur de fonctionnement de la tension secondaire est inférieure à la valeur de la tension principale, afin que des électrons injectés dans la partie d'injection 11 du tube 1 soient guidés vers la partie de traitement 12, puis recueillis dans la partie de réception 13 de ce tube, comme cela a été expliqué dans ce qui précède.
  • Naturellement, on peut imaginer d'autres moyens d'amorçage du phénomène que l'utilisation d'une anode secondaire sans sortir du cadre de l'invention.
  • En raison des dimensions transversales respectives de la pièce 8 et de la tige 3, et à cause de la conductivité électrique de cette pièce 8, une très faible fraction des électrons fournis par les moyens d'alimentation 4 restent dans la pièce 8 (sans passer dans la tige 3 supraconductrice) jusqu'à la partie de cette pièce 8 située du côté de la partie d'injection 11 du tube 1. De tels électrons, dits électrons résiduels dans ce qui suit, ayant été déplacés dans un matériau non supraconducteur ne possèdent pas une énergie suffisamment élevée pour être injectés dans le tube : ils sont accumulés dans ladite partie de la pièce 8, où ils risquent de créer un champ électrique s'opposant à l'accélération des électrons de la seconde vers la première extrémité de la tige 3.
  • Plusieurs solutions sont possibles afin de réduire le nombre d'électrons résiduels ainsi accumulés. Les figures 2 à 4 illustrent de telles solutions.
  • Le second mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, illustré par la figure 2, diffère du premier, illustré par la figure 1, en ce que la tige 3 n'est encastrée dans la pièce 8 que sur une partie de sa longueur ; autrement dit, la pièce 8 de la figure 2 est moins longue que celle de la figure 1 ; cette pièce 8 est partiellement remplacée par un fourreau 40, réalisé dans un matériau électriquement isolant, comme par exemple en céramique, entourant la partie de la tige 3 non encastrée dans la pièce 8, et fixé rigidement à la pièce 8. A titre d'exemple la pièce 8 est en cuivre, et le fourreau 40 est en céramique, ce qui permet de réaliser une telle fixation par brasage. Le fourreau, qui est électriquement isolant, force les électrons à passer dans la tige supraconductrice 3 au niveau de la fixation de la pièce 8 au fourreau 40 de façon à ce que ceux-ci soient accélérés sur une distance au moins égale à la longueur (appelée distance minimale dans ce qui suit) de la partie de la tige 3 non encastrée dans la pièce 8. En imposant à cette distance minimale d'être supérieure à une valeur prédéterminée accessible à l'homme de l'art, il est possible d'éviter l'inconvénient du dispositif de la figure 1, exposé dans ce qui précède. Les dimensions transversales du fourreau 40 sont par exemple sensiblement identiques à celles de la pièce 8, mais elles pourraient aussi bien être inférieures à celle de cette pièce 8. Le reste de la description de la figure 2 est analogue à celui de la figure 1, à ceci près que la cuve 5 enserre le fourreau 40 au lieu de la pièce 8 au niveau du troisième orifice 21.
  • Le dispositif illustré par la figure 3 diffère de celui illustré par la figure 1 en ce que la pièce 8 comporte un épaulement 41, la partie de cette pièce 8 située du côté de la partie d'injection 11 du tube 1 ayant des dimensions transversales inférieures à celles du reste de la pièce 8. L'existence d'un tel épaulement 41 modifie les lignes du champ électrique dans la pièce 8, de façon connue par l'homme de l'art, ce qui force une partie des électrons résiduels à passer dans la tige 3 au niveau de cet épaulement 41 : en choisissant la position de l'épaulement 41, il est donc possible de réduire l'inconvénient de la figure 1, cité dans ce qui précède.
  • Le dispositif de la figure 4 diffère de celui de la figure 1 en ce que la tige 3 est entourée par une gaine 42 réalisée dans un matériau isolant sur sensiblement toute sa longueur à l'exception de ses deux extrémités 31 et 32 ; la tige 3 entourée de cette gaine 42 étant encastrée sensiblement sur toute la longueur de la gaine 42 du côté de la seconde extrémité 32 de la tige 3, de manière à laisser libre la première extrémité 31 de la tige 3. Dans la configuration de la figure 4, la cuve 5 enserre une partie de la pièce 8 au niveau du troisième orifice 21 (alors que dans la configuration de la figure 3, la cuve 5 enserre le fourreau 40), ce qui permet de réaliser avantageusement une brasure entre métaux (en effet, la pièce 8 est par exemple en cuivre et la cuve par exemple en Kovar). Le dispositif de la figure 4 fonctionne de façon analogue à celui de la figure 2, à ceci près que les électrons sont accélérés sur sensiblement toute la longueur de la tige 3.
  • La figure 5 illustre un cinquième mode de réalisation de l'invention qui diffère du premier en ce que la tige 3 encastrée dans la pièce 8 est remplacée par un barreau 3 (d'un matériau supraconducteur) dont les dimensions transversales ne sont que légèrement inférieures à celles de la pièce 8, le barreau étant rigidement fixé à la pièce 8, par des moyens connus en soi, comme par exemple par encastrement de sa seconde extrémité 32 (située du côté des moyens d'alimentation 4). Dans la cas du dispositif de la figure 5, la cuve enserre directement le barreau supraconducteur 3 au niveau du troisième orifice 21. Le dispositif de la figure 5 fonctionne de la même façon que celui de la figure 1, mais ne présente pas l'inconvénient exposé dans ce qui précède : tous les électrons fournis par les moyens d'alimentation 4 passent de la pièce 8 dans le barreau supraconducteur 3 au niveau de la fixation de la pièce 8 au barreau 3, et sont donc accélérés sur sensiblement toute la longueur du barreau 3. Le résultat obtenu avec le dispositif de la figure 5 diffère de celui du dispositif de la figure 1 par les dimensions transversales du faisceau d'électrons injectés dans le tube, le nombre d'électrons injectés par unité de section du faisceau étant le même que pour la figure 1.
  • Des dispositifs fonctionnant selon le même principe que ceux des figures 1 à 5 et ayant des géométries différentes rentrent bien sûr dans le cadre de l'invention.

Claims (16)

1. Dispositif d'injection d'électrons dans un tube électronique (1), caractérisé en ce qu'il comporte :
-un barreau (3) de longueur prédéterminée, réalisé dans un matériau supraconducteur, dont une première extrémité (31) débouche dans la partie d'injection (11) du tube (1) ;
-des moyens d'alimentation électrique (4), assurant l'application d'une tension principale entre la seconde extrémité (32) du barreau (3), celui-ci jouant le rôle d'une cathode, et une anode principale (6) située dans la partie de réception (13) du tube (1) ;
-des moyens d'amorçage (7) du phénomène d'injection d'électrons ; des électrons étant accélérés par le champ électrique appliqué entre la cathode et l'anode le long du barreau (3), acquérant ainsi une énergie cinétique au moins égale à l'énergie d'extraction du matériau constituant le barreau (3), et étant ainsi éjectés hors du barreau (3), par la première extrémité (31) de celui-ci et injectés dans ladite partie (11) du tube (1).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'amorçage comportent une anode secondaire (7) située dans la partie d'injection (11) du tube (1), lesdits moyens d'alimentation électrique (4) assurant en outre l'application d'une tension secondaire entre la cathode et cette anode secondaire (7), cette tension secondaire étant portée à une valeur de démarrage, élevée et indépendante de la tension principale, pour amorcer le phénomène d'injection d'électrons dans le tube (1), puis ramenée à une valeur de fonctionnement, plus faible et inférieure à la tension principale, en cours de fonctionnement du dispositif.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pièce (8), réalisée dans un matériau conducteur d'électricité, assurant la connexion électrique entre les moyens d'alimentation électrique (4) et le barreau (3), et renforçant la rigidité mécanique du barreau (3).
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de refroidissement (5, 24), maintenant le matériau constituant le barreau (3) dans un état supraconducteur.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement (5, 24) comportent une cuve (5), remplie d'un fluide refroidissant (24), ouverte à l'air libre par un premier orifice (9) et reliée à un réservoir du fluide (24) au moyen d'une conduite (23), comportant un second orifice (20) enserrant de façon étanche la partie de ladite pièce (8) qui est située du côté des moyens d'alimentation électrique (4), et comportant enfin un troisième orifice (21) entourant ladite première extrémité (31) du barreau (3) et débouchant dans la partie d'injection (11) du tube (1), confinant ainsi le fluide (24) dans la cuve (5), le fluide (24) immergeant ladite pièce (8) et le barreau (3), une telle immersion assurant leur refroidissement.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fluide refroidissant (24) est de l'azote liquide.
7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'isolation thermique (22) entourant à la fois sensiblement toute la cuve (5), et au moins une portion de la partie d'injection (11) du tube (1).
8. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que :
- le barreau (3) est une tige ;
- ladite pièce (8) est allongée dans la direction de la tige (3) et ses dimensions transversales sont supérieures à celles de la tige (3),
la tige (3) étant encastrée, au moins partiellement, du côté de sa seconde extrémité (32), dans ladite pièce (8), la première extrémité (31) de la tige (3) restant libre.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tige (3) est encastrée dans ladite pièce (8) sur sensiblement toute sa longueur à l'exception de sa première extrémité (31), le troisième orifice (21) enserrant de façon étanche une partie de la pièce (8).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite pièce (8) comporte un épaulement (41), la partie de ladite pièce (8) située du côté de la partie d'injection (11) du tube (1) ayant des dimenslons transversales inférieures à celles du reste de ladite pièce (8).
11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tige (3) n'est encastrée dans ladite pièce (8) que sur une partie de sa longueur, la partie de la tige (3) non encastrée dans ladite pièce (8) étant entourée par un fourreau, (40) réalisé dans un matériau électriquement isolant, et fixé rigidement à ladite pièce (8), le troisième orifice (21) enserrant de façon étanche une partie du fourreau (40).
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les dimensions transversales du fourreau (40) sont sensiblement les mêmes que celles de ladite pièce (8).
13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les dimensions transversales du fourreau (40) sont inférieures à celles de ladite pièce (8).
14. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que :
- le barreau (3) est une tige ;
- ladite pièce (8) est allongée dans la direction de la tige (3) et ses dimensions transversales sont supérieures à celle de la tige (3) ;
- le dispositif comporte en outre une gaine (42) entourant la tige (3) sur sensiblement toute sa longueur à l'exception de ses extrémités (31, 32) ;
la tige (3) et la gaine (42) étant encastrées, sur sensiblement toute la longueur de la gaine (42) et du côté de la seconde extrémité (32) de la tige (3), dans ladite pièce (8), la première extrémité (31) de la tige (3) restant libre.
15. Dispositif selon l'une des revendicatlons 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pièce (8) réalisée dans un matériau conducteur d'électricité, assurant d'une part la connexion électrique entre les moyens d'alimentation électrique (4) et le barreau (3) et d'autre part la fixation du barreau (3).
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la seconde extrémité (32) du barreau (3) est encastrée dans ladite pièce (8) et en ce que le troisième orifice (21) enserre de façon étanche une partie du barreau (3).
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