EP0394095A1 - Tube à ondes progressives muni d'une ligne à retard en hélice bimétallique - Google Patents

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EP0394095A1
EP0394095A1 EP90400973A EP90400973A EP0394095A1 EP 0394095 A1 EP0394095 A1 EP 0394095A1 EP 90400973 A EP90400973 A EP 90400973A EP 90400973 A EP90400973 A EP 90400973A EP 0394095 A1 EP0394095 A1 EP 0394095A1
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EP
European Patent Office
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metal
layer
wave tube
propeller
traveling wave
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Withdrawn
Application number
EP90400973A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Noel Thomson-Csf Santonja
Dominique Henry
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Thales Electron Devices SA
Original Assignee
Thomson Tubes Electroniques
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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
    • H01J23/16—Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge
    • H01J23/24—Slow-wave structures, e.g. delay systems
    • H01J23/26—Helical slow-wave structures; Adjustment therefor

Definitions

  • the present invention relates to traveling wave tubes operating at wide band and at high average and / or peak powers.
  • a traveling wave tube is formed by the association of a long and fine electron beam and a structure, such as a delay line, intended to guide a microwave wave to be amplified.
  • This delay line is very often made from a thin metal strip of rectangular section, wound helically by forming non-contiguous turns. A propeller is thus obtained.
  • This helix is held, centered by dielectric rods, in a metal sleeve which forms the body of the traveling wave tube.
  • the number of sticks is generally greater than or equal to three.
  • the propeller is made of an elastic and refractory metal such as tungsten or molybdenum.
  • Tightening can be done by various methods. It is possible to heat the sleeve so that it expands and to introduce the propeller and the rods into the heated sleeve; its cooling will produce the tightening of the propeller-rod-sleeve assembly.
  • a stainless steel sleeve and glucin or boron nitride sticks are often used.
  • the shock of tungsten and stainless steel results from their elasticity. Tightening reduces the thermal resistance of the interface between the propeller and the rods on the one hand and between the sticks and the sleeve on the other hand. In fact, the interface thermal resistance between two solids varies inversely proportional to the pressure applied to these two solids.
  • the traveling wave tube when the traveling wave tube operates in continuous mode, the propeller heats up very significantly. This heating is due to the power released by the electrons of the electron beam which strike the propeller and also to the Joule effect. Indeed, the electrical resistivity of the propeller is then relatively high. The heat must be removed to the sleeve. It is not uncommon that in a traveling wave tube operating at 15 GHz and producing an average power of 300 W, the temperature of the propeller is of the order of 250 ° C above the temperature of the sleeve.
  • traveling wave tubes using a tight propeller can operate in pulses at high peak power but in continuous regime are limited in medium power.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks by proposing a traveling wave tube comprising a helical delay line, this tube being able to operate at medium and / or high peak powers. For this we sought to increase the thermal conductivity of the propeller.
  • the present invention provides a progressive wave tube comprising a helical delay line, inserted in a metal sleeve, centered by at least three dielectric rods and held by simple tightening, the helix having parts of its outer surface in contact with the rods, characterized in that the propeller is produced from a thin strip consisting of a layer of a first elastic metal covered, at least at all parts of the propeller in contact with the rods, a layer of a second metal which is a good conductor of heat and electricity.
  • the propeller thus produced will therefore be bimetallic.
  • the second metal layer will be continuous and will cover substantially the entire length of the first metal layer.
  • the second metal layer will be discontinuous and will cover the first metal layer only at the level of all the parts of the propeller in contact with the rods.
  • the second metal layer will be located outside the propeller.
  • the first metal used will preferably be chosen to be refractory in order to resist surface heating due to the impact of electrons coming from the beam.
  • the two layers will be assembled by brazing or any other means known to those skilled in the art.
  • the second metal will preferably be malleable.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of the delay line of a traveling wave tube according to the prior art.
  • Reference 1 represents a delay line in the form of a helix.
  • This propeller 1 is kept centered and clamped in a metal sleeve 2. Centering is achieved by sticks 3 made of dielectric material. The number of sticks 3 is at least three.
  • the propeller 1 has parts 13 of its outer surface in contact with the rods 3.
  • the propeller 1 is produced from a thin strip of a refractory and elastic metal such as tungsten or molybdenum. This strip preferably has a rectangular section.
  • the sleeve 2 is often made of stainless steel and the rods 3 of quartz, glucine or boron nitride.
  • the propeller 1 is mounted in the sleeve 2 while hot. For this, the sleeve 2 is strongly heated, it expands, the propeller 1 is introduced surrounded by the rods 3. The cooling of the sleeve 2 causes the propeller 1 and the rods 3 to be tightened.
  • Tungsten or molybdenum have a relatively high thermal resistance and electrical resistivity.
  • the propeller mounted by clamping will have a temperature approximately 250 ° C higher than that of the sleeve.
  • An average power of 300 W is completely insufficient for the amplifiers of satellite telecommunications stations for example.
  • a traveling wave tube comprising such a helical delay line will be limited in average power in continuous mode but will be able to function in pulses at high peak power. In this case, the electron beam is emitted only for very short times, the heating of the propeller is therefore less important.
  • FIG. 2 shows in longitudinal section a helical delay line of a traveling wave tube clamped according to the invention.
  • Reference 30 represents the propeller.
  • the propeller is kept centered and clamped in a metal sleeve 31 by sticks 32 of dielectric material, the number of which is at least three.
  • the propeller 30 has parts 35 of its outer surface in contact with the rods 32.
  • the propeller 30 is produced from a thin strip consisting of a stack of a layer 34 of a first metal and of a layer 33 of a second metal. These two layers 33, 34 are assembled by brazing or any other means known to those skilled in the art.
  • the two layers 33, 34 have substantially the same length. In this figure the two layers are the same width. We could consider that they have different widths.
  • the layer 33 of the second metal is placed outside the propeller 30, while the layer 34 of the first metal is placed inside the propeller 30.
  • the layer 34 placed inside the helix is preferably produced in a first elastic metal even at high temperature.
  • the layer 34 of elastic metal allows the necessary tightening to be maintained so that the thermal resistance at the helix-rod interface remains low.
  • the first metal will also be chosen as refractory so that it retains its properties even at high temperature. It will have to resist a surface heating due to the impact of electrons coming from the beam. Tungsten or molybdenum are metals meeting these two conditions.
  • the layer 33 placed outside the propeller 30 is preferably produced in a second metal which is a good conductor of heat and electricity such as copper or aluminum.
  • This layer 33 is in contact with the dielectric rods 32.
  • the contact between the propeller 30 and the rods 32 is improved during tightening. This considerably reduces the thermal resistance at the helix-rod interface. Consequently, the second metal will preferably be chosen as malleable.
  • the presence of the layer 33 of metal which is a good conductor of heat and electricity also makes it possible to reduce the thermal resistance of the propeller 30 as well as its electrical resistivity. Consequently, the maximum temperature of the propeller 30 is reduced as well as the losses by the Joule effect.
  • a propeller according to the invention transmits a much higher power than the propeller shown in FIG. 1.
  • the sleeve 31 will be made of stainless steel and the sticks 32 of boron nitride.
  • the second metal layer may be discontinuous.
  • Reference 40 represents the propeller.
  • the propeller is kept centered and clamped in a metal sleeve 41 by rods 42 of dielectric material, the number of which is at least three.
  • the propeller 40 has parts 45 of its outer surface in contact with the rods 42.
  • the propeller 40 is produced from a thin strip consisting of a layer 44 of a first elastic metal covered with a layer 43 a second metal that conducts heat and electricity well.
  • the layer 43 of second metal is deposited only at the level of all the parts 45 of the helix 40 in contact with the rods 42.
  • the layer 43 of second metal is then outside the helix. We choose the same metals as in the previous case.
  • the cross section of the strip used to make the propeller will only have rounded angles as is usual when working at high power levels.
  • the present invention is not limited to the examples described in particular with regard to the dimensions and materials of the propeller.

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  • Microwave Tubes (AREA)

Abstract

L'invention concerne un tube à ondes progressives à hélice (30). L'hélice est maintenue par serrage dans un manchon (31) et est centrée par au moins trois bâtonnets (32) diélectriques. Elle possède des parties (35) de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets (32). Au lieu d'être réalisée à partir d'une bande mince d'un métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, l'hélice (30) est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'une couche (34) d'un premier métal élastique recouverte, au moins au niveau de toutes les parties (35) de l'hélice (30) en contact avec les bâtonnets (32), d'une couche (33) d'un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité. La résistance d'interface entre l'hélice (30) et les bâtonnets (32) est alors réduite. L'invention s'applique à des tubes ondes progressives fonctionnant à large bande et à puissances moyenne et/ou crête élevées.

Description

  • La présente invention concerne les tubes à ondes progressives fonctionnant à large bande et à puissances moyenne et/ou crête élevées. Un tube à ondes progressives est constitué par l'association d'un faisceau d'électrons long et fin et d'une structure, telle qu'une ligne à retard, destinée à guider une onde hyperfréquence devant être amplifiée. Cette ligne à retard est bien souvent réalisée à partir d'une bande métallique mince de section rectangulaire, bobinée hélicoïdalement en formant des spires non jointives. On obtient ainsi une hélice.
  • Cette hélice est maintenue, centrée par des bâtonnets diélectriques, dans un manchon métallique qui forme le corps du tube à ondes progressives. Le nombres des bâtonnets est généralement supérieur ou égal à trois.
  • Selon une première construction connue l'hélice est réalisée dans un métal élastique et réfractaire tel que le tungstène ou le molybdène.
  • Elle est maintenue par serrage dans le manchon. Le serrage peut se faire par divers procédés. Il est possible de chauffer le manchon afin qu'il se dilate et d'introduire l'hélice et les bâtonnets dans le manchon chauffé; son refroidissement produira le serrage de l'ensemble hélice-bâtonnets-manchon.
  • Dans cette réalisation on utilise bien souvent un manchon en acier inoxydable et des bâtonnets en glucine ou en nitrure de bore. La choc du tungstène et de l'acier inoxydable résulte de leur élasticité. Le serrage permet de diminuer la résistance thermique d'interface entre l'hélice et les bâtonnets d'une part et entre les bâtonnets et le manchon d'autre part. En effet la résistance thermique d'interface entre deux solides varie de façon inversement proportionnelle à la pression appliquée sur ces deux solides.
  • Mais lorsque le tube à ondes progressives fonctionne en régime continu, l'hélice s'échauffe de manière très importante. Cet échauffement est du à la puissance libérée par les électrons du faisceau d'électrons qui percutent l'hélice et également à l'effet Joule. En effet, la résistivité électrique de l'hélice est alors relativement importante. La chaleur doit être évacuée vers le manchon. Il n'est pas rare que dans un tube à ondes progressives fonctionnant à 15 GHz et produisant une puissance moyenne de 300 W, la température de l'hélice soit de l'ordre de 250° C au dessus de la température du manchon.
  • En revanche lorsque le tube à ondes progressives fonctionne en impulsions courtes et peu fréquentes, le faisceau d'électrons étant produit pendant de brefs moments, l'hélice s'échauffe moins. Les tubes à ondes progressives utilisant une hélice serrée peuvent fonctionner en impulsions à puissance crête élevée mais en régime continu sont limités en puissance moyenne.
  • La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un tube à ondes progressives comportant une ligne à retard en hélice, ce tube pouvant fonctionner à des puissances moyenne et/ou crête élevées. Pour cela on a cherché à augmenter la conductivité thermique de l'hélice.
  • La présente invention propose un tube à ondes progresslves comportant une ligne à retard en hélice, insérée dans un manchon métallique, centrée par au moins trois bâtonnets diélectriques et maintenue par simple serrage, l'hélice ayant des parties de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets, caractérisé en ce que l'hélice est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'une couche d'un premier métal élastique recouverte, au moins au niveau de toutes les parties de l'hélice en contact avec les bâtonnets, d'une couche d'un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité.
  • L'hélice ainsi réalisée sera donc bimétallique. La couche de second métal sera continue et recouvrira sensiblement toute la longueur de la couche de premier métal. Selon une variante la couche de second métal sera discontinue et recouvrira la couche de premier métal seulement au niveau de toutes les parties de l'hélice en contact avec les bâtonnets.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention la couche de second métal sera située à l'extérieur de l'hélice.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention le premier métal utilisé sera choisi de préférence réfractaire afin de résister à l'échauffement superficiel du à l'impact d'électrons issus du faisceau.
    Las deux couches seront assemblées par brasage ou tout autre moyen connu de l'homme de l'art.
  • Le second métal sera choisi de préférence malléable.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, et aux figures jointes qui représentent :
    • - la figure 1 : une vue en coupe transversale de la ligne à retard en hélice d'un tube à ondes progressives, cette ligne étant montée par serrage selon l'art antérieur.
    • - la figure 2 : une vue en coupe longitudinale de la ligne à retard en hélice d'un tube à ondes progressives selon l'invention.
    • - la figure 3 : une vue en coupe longitudinale d'une variante de la ligne à retard d'un tube à ondes progressives selon l'invention.
  • La figure 1 est une vue en coupe transversale de la ligne à retard d'un tube à ondes progressives selon l'art antérieur. La référence 1 représente une ligne à retard en forme d'hélice. Cette hélice 1 est maintenue centrée et serrée dans un manchon 2 métallique. La centrage est réalisé par des bâtonnets 3 en matériau diélectrique. La nombre de bâtonnets 3 est au moins de trois. L'hélice 1 a des parties 13 de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets 3. L'hélice 1 est réalisée à partir d'une bande mince d'un métal réfractaire et élastique tel que le tungstène ou le molybdène. Cette bande a de préférence, une section rectangulaire. La manchon 2 est souvent réalisé en acier inoxydable et les bâtonnets 3 en quartz, glucine ou nitrure de bore. La montage de l'hélice 1 dans le manchon 2 se fait à chaud. Pour cela, on chauffe fortement le manchon 2, il se dilate, on introduit l'hélice 1 entourée des bâtonnets 3. Le refroidissement du manchon 2 provoque le serrage de l'hélice 1 et des bâtonnets 3.
  • Lorsque le tube à ondes progressives transmet une puissance élevée l'hélice 1 chauffe fortement à cause des pertes par effet Joule et à cause du bombardement parasite de l'hélice 1 par des électrons issus du faisceau d'électrons produit par le tube à ondes progressives. Le tungstène ou le molybdène ont en effet une résistance thermique et une résistivité électrique relativement élevées.
  • Par exemple, dans un tube à ondes progressives fonctionnant à 15 GHz et produisant une puissance moyenne de 300 W, l'hélice montée par serrage aura une température supérieure de 250° C environ à celle du manchon. Une puissance moyenne de 300 W est tout à fait insuffisante pour les amplificateurs des stations de télécommunications par satellites par exemple.
  • Un tube à ondes progressives comportant une telle ligne à retard en hélice sera limité en puissance moyenne en régime continu mais pourra fonctionner en impulsions à puissance crête élevée. Dans ce cas, le faisceau d'électrons n'est émis que pendant des temps très courts, l'échauffement de l'hélice est donc moins important.
  • La figure 2 représente en coupe longitudinale une ligne à retard en hélice d'un tube à ondes progressives montée par serrage selon l'invention. La référence 30 représente l'hélice. L'hélice est maintenue centrée et serrée dans un manchon 31 métallique par des bâtonnets 32 en matériau diélectrique dont le nombre est au moins de trois. L'hélice 30 a des parties 35 de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets 32.
  • L'hélice 30 est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'un empilement d'une couche 34 d'un premier métal et d'une couche 33 d'un second métal. Ces deux couches 33,34 sont assemblées par brasage ou tout autre moyen connu de l'homme de l'art. Las deux couches 33,34 ont sensiblement la même longueur. Sur cette figure les deux couches sont de même largeur. On pourrait envisager qu'elles aient des largeurs différentes.
  • La couche 33 du second métal est placée à l'extérieur de l'hélice 30, tandis que la couche 34 du premier métal est placée à l'intérieur de l'hélice 30.
  • On réalisera de préférence la couche 34 placée à l'intérieur de l'héllce dans un premier métal élastique même à température élevée. La couche 34 en métal élastique permet de maintenir le serrage nécessaire pour que la résistance thermique à l'interface hélice-bâtonnets reste faible. De préférence le premier métal sera choisi aussi réfractaire afin qu'il conserve ses propriétés même à température élevée. Il devra résister à un échauffement superficiel du à l'impact d'électrons issu du faisceau. La tungstène ou le molybdène sont des métaux répondant à ces deux conditions.
  • On réalisera de préférence la couche 33 placée à l'extérieur de l'hélice 30 dans un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité tel que le cuivre ou l'aluminium.
  • Cette couche 33 est en contact avec les bâtonnets 32 diélectriques. En profitant des propriétés plastiques du cuivre on améliore lors du serrage, le contact entre l'hélice 30 et les bâtonnets 32. Cela permet de diminuer considérablement la résistance thermique à l'interface hélice-bâtonnets. En conséquence, le second métal sera choisi de préférence malléable.
  • La présence de la couche 33 en métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité permet aussi de diminuer la résistance thermique de l'hélice 30 ainsi que sa résistivité électrique. En conséquence, la température maximale de l'hélice 30 est réduite ainsi que les pertes par effet Joule.
  • Pour un même échauffement de l'hélice, une hélice selon l'invention transmet une puissance beaucoup plus élevée que l'hélice représentée à la figure 1.
  • De façon avantageuse le manchon 31 sera en acier inoxydable et les bâtonnets 32 en nitrure de bore.
  • Selon une variante représentée sur la figure 3, la couche de second métal peut être discontinue. La référence 40 représente l'hélice. L'hélice est maintenue centrée et serrée dans un manchon 41 métallique par des bâtonnets 42 en matériau diélectrique dont le nombre est au moins de trois. L'hélice 40 a des parties 45 de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets 42. L'hélice 40 est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'une couche 44 d'un premier métal élastique recouverte d'une couche 43 d'un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité.
  • La couche 43 de second métal est déposée seulement au niveau de toutes les parties 45 de l'héllce 40 en contact avec les bâtonnets 42. La couche 43 de second métal est alors à l'extérieur de l'hélice. On choisit les mêmes métaux que dans le cas précédent.
  • La limitation en puissance moyenne des hélices classiques montées par serrage est considérablement repoussée avec une hélice conforme à l'invention.
  • Par mesure de prudence, la section droite de la bande utilisée pour réaliser l'hélice ne comportera que des angles arrondis ainsi qu'il est d'usage lorsque l'on travaille à des niveaux de puissance élevés.
  • Avec une telle hélice on pourra maintenant travailler à puissance moyenne élevée. Cette hélice permet toujours de travailler à puissance crête élevée puisque la couche de métal élastique assure le serrage de l'hélice dans le manchon.
  • La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits notamment en ce qui concerne les dimensions et matériaux de l'hélice.

Claims (10)

1 - Tube à ondes progressives comportant une ligne à retard en hélice (30), insérée dans un manchon métallique (31), centrée par au moins trois bâtonnets (32) diélectriques et maintenue par simple serrage, l'hélice ayant des parties (35) de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets (32), caractérisé en ce que l'hélice (30) est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'une couche (34) d'un premier métal élastique recouverte, au moins au niveau de toutes les parties (35) de l'hélice en contact avec les bâtonnets (32), d'une couche (33) d'un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité.
2 - Tube à ondes progresslves selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité est continue et s'étend sensiblement sur toute la longueur de la couche (34) du premier métal élastique.
3 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal est située à l'extérieur de l'hélice (30).
4 - Tube ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier métal élastique est aussi réfractaire.
5 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité est aussi malléable.
6 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal et la couche (34) du premier métal sont assemblées par brasage ou tout autre moyen.
7 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal et la couche (34) du premier métal ont la même largeur.
8 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal et la couche (34) du premier métal ont des largeurs différentes.
9 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal est en cuivre ou en aluminium.
10 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche (34) du premier métal est en tungstène ou en molybdène.
EP90400973A 1989-04-21 1990-04-10 Tube à ondes progressives muni d'une ligne à retard en hélice bimétallique Withdrawn EP0394095A1 (fr)

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