EP0499514B1 - Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance pour tube hyperfréquence, et tube hyperfréquence comprenant un tel dispositif - Google Patents

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EP0499514B1
EP0499514B1 EP92400317A EP92400317A EP0499514B1 EP 0499514 B1 EP0499514 B1 EP 0499514B1 EP 92400317 A EP92400317 A EP 92400317A EP 92400317 A EP92400317 A EP 92400317A EP 0499514 B1 EP0499514 B1 EP 0499514B1
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EP
European Patent Office
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cavity
microwave
mode converter
mode
power splitter
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP92400317A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0499514A1 (fr
Inventor
Georges Mourier
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 Electron Devices SA
Original Assignee
Thomson Tubes Electroniques
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Filing date
Publication date
Application filed by Thomson Tubes Electroniques filed Critical Thomson Tubes Electroniques
Publication of EP0499514A1 publication Critical patent/EP0499514A1/fr
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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
    • H01J23/36—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/025—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators with an electron stream following a helical path

Definitions

  • the present invention relates to a mode converter which can be incorporated in the construction of a microwave tube of the gyrotron type.
  • the microwave power emitted by the tube will be divided into several parts and therefore this structure is particularly suitable for applications where the power must be distributed before use.
  • microwave energy sources of the order of one to several megawatts for example, but applied for use over a large space, by means of an applicator. / distributor called "grill", which divides the power on several transmission lines after successive bifurcations.
  • the invention will have a particularly advantageous use in a frequency range from one to a few tens of GHz. Indeed, heating of the thermonuclear plasma by electronic cyclotron resonance requires much higher frequencies with millimeter wavelengths, see infra-millimeter. At such frequencies, ohmic losses on the walls of the guides and resonant cavities, and the problems of transmission of microwave energy through microwave windows, are determining technological choices.
  • the heating of plasma by ionic resonance or by lower hybric resonance requires the use of lower frequencies of one to a few tens of GHz.
  • the maximum power obtained by klystrons at such frequencies is limited to approximately 1 MW at low frequencies, and can go down to 100 kW at frequencies beyond a few GHz.
  • tens of klystrons would be necessary, which entails high costs. This is why it has been envisaged to use gyrotrons as a microwave generator, since the maximum power obtained by a gyrotron at a high frequency is typically one to two orders of magnitude higher than for klystrons in the state of l 'art.
  • the electron collector remains difficult to produce and bulky because of the great power to dissipate.
  • a 3 MW gyrotron with a yield of 50% will have 3 MW to dissipate on the walls of the collector.
  • the microwave power will be extracted through a microwave window, vacuum tight but transparent to electromagnetic radiation at the operating frequency. At such powers, the window will also need cooling.
  • the output power of the gyrotron once passed the window, is divided several times and distributed in as many waveguides arranged in a tree structure from the window (see fig. 6).
  • the microwave window presents problems whose importance increases with the power to be conveyed, due to the heating of the window caused by the dielectric losses in the material of the window, and the mechanical stresses resulting from the expansion. window thermal. These effects can destroy the window, making the gyrotron unusable.
  • a solution known from the prior art by the French patent application in the name of the applicant bearing the national number 90 05402 of April 27, 1990, consists in coupling several guides on the outside of the side walls of a connected waveguide to the cavity of a gyrotron.
  • secondary guides are attached to the outside of the walls of the main guide and are coupled to the latter by coupling holes.
  • the dimensions and spacing of the holes, the dimensions of the guides and of the coupling region, are calculated to perform a mode conversion between the source mode (typically of high natural number in the case of a gyrotron) and a desired mode, generally of low (even fundamental) natural number to facilitate the propagation and the final use of energy.
  • One of the advantages of this construction is the distribution of the power of the source among several secondary guides which can be provided with individual microwave windows.
  • the power to be conveyed through each window is thus reduced by an equal ratio to the number of windows.
  • these secondary guides can be coupled to another guide capable of propagating the microwave energy in the desired mode up to the microwave load (particle accelerator, for example).
  • FIG. 2 An example of TE 9.1 mode whose energy is concentrated near the wall is shown in Figure 2, where the instantaneous electric field lines are shown.
  • the mode shown corresponds to a mode actually used in power gyrotrons. It can be seen that the electric fields are weak, or even zero, at the center of the cavity and inside a cylinder (4) indicated in dotted lines in FIG. 2. We can therefore imagine inserting a single central guide, d 'a coaxial arrangement in this space, without unduly disturbing the electromagnetic fields around.
  • the number, arrangement and dimensions of the coupling holes (filled by the dielectric windows) are congruent so as to avoid mode conversions; and the microwave power restored in the output guide is substantially equal to the power of the source minus any losses (electric currents in the metal walls, dielectric losses) which will be dissipated in the cooling circuit.
  • the high frequency losses are less for the reasons explained above (and it can be seen in FIG. 4 that the secondary guides 6 are in a region of weak field).
  • the realization is easier.
  • the number, arrangement and dimensions of coupling holes 7 can be chosen so as to excite the fundamental mode in the secondary guides 6, this which gives us many advantages.
  • the secondary guides, excited in fundamental mode, can change section and / or be curved without generating unwanted modes.
  • These secondary guides can also be fitted with microwave windows using conventional adaptation techniques, and their possible cooling will be easier thanks to their better accessibility outside the electronic tube.
  • the microwave power P produced by the tube is conveyed by the secondary guides (the number of, for example) through the windows, the power that passes through each window is P / l on average.
  • the heating of each window by dielectric losses of electromagnetic energy transmission can be reduced compared to a single window construction, and the cooling of these windows will be easier to achieve due to their reduced dimensions and increased ease of peripheral access at a certain distance from the tube.
  • the microwave energy must be delivered to the plasma in the fundamental mode.
  • the invention makes it possible to obtain mode conversion at the source, thus avoiding the need for a mode converter on a guide in the known embodiments of the prior art.
  • the power must be distributed for plasma application by a more or less complicated "grill" (see fig. 6), after successive bifurcations.
  • the present invention presents the microwave power of the source already distributed in several secondary guides. In any case, each secondary guide must still be divided in order to excite the Tokomak circuit, but this is achieved with a smaller number of successive divisions in the case of the invention than in the prior art.
  • the power distribution with the device according to the invention is obtained under particularly favorable conditions, because the secondary guides can be easily excited in coherent phase if one chooses a geometry of perfectly symmetrical arrangement (see fig. 4).
  • the adaptation between the source and the secondary guides poses no problem with this first distribution, whereas in the prior art the adaptation of the secondary guides as well as their excitation in coherent phase posed significant technological problems.
  • the dimensions and the arrangement of the secondary guides will be chosen with respect to the dimensions and the arrangement of the electron beam, so as not to present an obstacle to the propagation of said beam.
  • the present invention also relates to an electronic tube comprising the mode converter and power divider device described above.
  • said electronic tube is of the gyrotron type.
  • said tube is a variant of the gyrotron type (gyroklystron, gyro-TWT, gyro-BWO maser with cyclotron resonance, ).
  • said electron beam is hollow, having a shape of revolution around said axis z .
  • said structure of several secondary waveguides is disposed inside said hollow beam, coaxially with the latter.
  • the coupling holes are configured so as to allow only the excitation of the fundamental mode in the secondary guides.
  • the wall is of circular section with radius a
  • the beam is of circular section with radius b , less than a .
  • the tube is, for example, a gyrotron; in this case, the cavity is unique. But the cavity could also be the last cavity of a tube with several cavities, such as a gyroklystron, for example.
  • the electron beam 1 is hollow and propagates parallel to the longitudinal axis of the tube, near the wall 2.
  • the beam seen in section will be composed of countless small circles which represent the cyclotronic orbits of each electron around the confining magnetic field lines, these field lines also being parallel to the longitudinal axis of the tube.
  • FIG. 3 and its detail 3A we see in a construction known from the prior art (from document US Pat. No. 4,532,127), a microwave window of coaxial geometry, intended for the extraction of microwave power from an electronic tube of the gyrotron type.
  • a microwave window of coaxial geometry intended for the extraction of microwave power from an electronic tube of the gyrotron type.
  • Inside the wall 2 of circular section and radius a which could for example be the cavity of a gyrotron, we see a metal part 13 of circular section and internal radius r and external radius d , therefore d ' thickness d - r .
  • the part 13 is arranged coaxially with the wall 2.
  • the part 13 has numerous grooves 34 in which are made coupling holes 24 hermetically closed by small dielectric windows 30.
  • Figure 4 we see in section perpendicular to the longitudinal axis an example of a device according to the invention of mode converter and power divider. It is a structure 5 of circular section of radius e , arranged coaxially with the electron beam 1 and the wall 2 of the cavity. The comparison of the shape of the electric field lines of this figure 4 with those undisturbed of figure 2 show that the disturbances caused by the introduction of the structure 5 in the cavity are minimal, and almost nonexistent in the region crossed by the electron beam.
  • the structure 5 includes secondary waveguides 6 of trapezoidal section which number of; these secondary guides 6 are separated by metal walls 8, which are also of trapezoidal section and the number of l .
  • Other particular forms of the secondary guides, the walls and the structure comprising them will be easily imaginable by those skilled in the art, from this representative example.
  • the the secondary guides 6 are coupled to electromagnetic energy in the output cavity by coupling holes 7 formed in the outer wall of the structure 5, facing the inner wall 2 of the output cavity. Electromagnetic coupling through these coupling holes allows the transfer of microwave power P from the cavity to the secondary guides 6 which are the number of, so the power to convey in each guide will be P / L.
  • the oscillation mode of the gyrotron and the TE 9.1 , and the number of secondary guides l 9. Therefore, the secondary guides are excited with the same phase, consistently .
  • the shape, number, and positions of the coupling holes will be chosen so as to excite the fundamental TE 0.1 mode in the secondary guides 6 according to methods known to those skilled in the art for conventional microwave couplers with holes. . Since the secondary guides are excited in fundamental mode, their section can easily be changed without risk of conversion to unwanted modes, and those skilled in the art will be able to connect rectangular section guides to these secondary guides by conventional means.
  • the dimensions of the holes and the length L of the coupling are chosen according to several criteria. In practical embodiments, particular attention will be paid to the intensity of the electric fields in the holes, which can lead to arcs, which is avoided by using a number of small holes over a large length.
  • FIG. 5 we can see in longitudinal section a gyrotron comprising a mode converter and frequency divider device according to the invention.
  • This gyrotron is of symmetrical geometry around an axis of revolution indicated in dotted lines in the figure.
  • a strong electronic current is generated at the emissive surface 52 of the cathode 51 and accelerated by electrostatic forces.
  • the divergence of the electron beam in the cavity due to the space charge is avoided by the application of an axial magnetic field (not shown) produced by an electric current flowing in coils of electromagnets (not shown) superconductive or not .
  • the high acceleration voltages are applied to the electrodes (cathode 51 and support, anode 50) of the electron gun which are electrically isolated from each other, by the insulators 59.
  • the electrons describe a relativistic cyclotronic motion around the magnetic field lines generated by the solenoid coils.
  • the coupling between the azimuthal kinetic energy of the electrons and the microwave energy occurs in the cavity 55. After this interaction the electrons are collected on the walls of the collector 57 or their residual energy is converted into heat on impact with the walls , and evacuated by a cooling circuit (not shown).
  • the microwave energy produced in the cavity 55 is coupled to the secondary guides 6 by coupling holes 7 which extend over a length L according to the criteria listed above.
  • each secondary guide is provided with a microwave window 58 outside the vacuum enclosure of the gyrotron.
  • This solution makes it possible to cool the windows more easily than the conventional solution of a single microwave power output window, due to the reduced dimensions of these multiple windows and the lower power (P / l ) to be conveyed by each window, d on the one hand, and on the other hand peripheral access to these remote windows from the gyrotron itself is much easier to install the cooling equipment.
  • This window 58 is generally made of ceramic, and must be sealed against the internal vacuum of the tube but transparent to microwave energy.
  • the microwave energy (HF) is then delivered to the microwave load (not shown), which could be a Tokomak, for example.
  • the propagation of electrons from the barrel to the collector is along the axis of the gyrotron, and substantially parallel to this axis in the interaction region of the beam with HF electromagnetic fields.
  • the trajectories of the electrons are generally divergent in the collector 57 in order to spread the maximum heat dissipation (due to the impact of the electrons with non-zero kinetic energy) on the walls of the collector.
  • the fundamental mode of propagation is fairly insensitive to geometric disturbances on the propagation path, which facilitates the routing of HF energy without risk of conversion to unwanted modes.
  • a problem to solve in practical installations of gyrotrons is that the gyrotron functions, in general, in vertical position, but distant from the load by distances of a few tens of meters in a lateral direction. Therefore, it is desirable to make an elbow in the guide (s) which connect (s) the vertical outlet of the gyrotron with the load distant from the gyrotron.
  • the elbows are made with a very large radius of curvature, which considerably increases the size of the system.
  • the HF power is conveyed in fundamental mode as soon as it leaves the HF source, thus avoiding all the problems mentioned above.
  • FIG 6 we see an example of a power distributor known from the prior art with application in the heating of plasma for thermonuclear fusion in a Tokomak.
  • the HF power coming from HF source (s) is applied to the inputs 40 and passes through conventional dielectric windows 39, to then be shared between several guides by the divider 41.
  • the couplers 42 are used to measure the power in the different guides before phase adjustment 43.
  • the multiple secondary guides are then connected by a flange 46 with a bellows 47 to the applicator (or "grill") shown in detail 6A.
  • a thick ceramic window 44 closes the guides just before the applicator 6A, the specific shape of which depends on the geometry of the load for a given application. With windows 39 and 44, the interior of the distributor is sealed, and can be either evacuated, or filled with a pressurized gas.
  • the divider in Figure 6 has been combined for four independent HF sources (klystrons, in this case) of 200 kW each, applied to the HF 40 inputs.
  • the four klystrons can be replaced by a conventional gyrotron (with single HF output) of 800 kW with another power distributor in four outputs.
  • a more powerful gyrotron equipped according to the invention with an integrated mode converter / power divider several dividers like that of FIG. 6 can be attained in HF power without another step of power division.
  • the device according to the invention of mode converter and power divider will be advantageously used when integrated into the output cavity of a gyrotron or other very high power microwave sources.
  • the advantages are numerous in this case, because the thermal stresses on the dielectric windows are reduced in relation to the number of secondary guides; their cooling also becomes easier from a purely mechanical point of view because the windows can be distant from the collector and from the electromagnets which surround it; the propagation of the microwave energy is also easier because in fundamental mode, which makes it possible to buy the guides with elbows and possibly with adiabatic changes of section without generating unwanted modes; and for uses such as the heating of plasmas which requires that energy be distributed in space for application to the load (the plasma), the device according to the invention makes it possible to overcome at least one step of division , while ensuring an excitation of all the secondary guides with perfect phase coherence. All these technical advantages result in an important saving advantage in the realization of an installation of HF system for the heating of plasmas, while allowing to obtain better performances.

Description

  • La présente invention concerne un convertisseur de modes pouvant être incorporé dans la construction d'un tube hyperfréquence du type gyrotron. En conséquence de la structure de sa réalisation, la puissance hyperfréquence émise par le tube sera divisée en plusieurs parties et donc cette structure convient particulièrement pour des applications où la puissance doit être répartie avant l'utilisation.
  • Deux exemples de telles applications sont les accélérateurs de particules et la fusion thermonucléaire. Dans les deux cas, on utilise de préférence des sources d'énergie hyperfréquence de très haute puissance, de l'ordre d'un à plusieurs megawatts par exemple, mais appliquée pour l'utilisation sur un espace étendu, au moyen d'un applicateur/répartiteur appelé "grill", qui divise la puissance sur plusieurs lignes de transmission après des bifurcations successives.
  • L'invention aura une utilisation particulièrement avantageuse dans une plage de fréquences allant de un à quelques dizaines de GHz. En effet, le chauffage du plasma thermonucléaire par la résonance cyclotronique électronique requiert des fréquences bien plus élevées avec des longueurs d'ondes millimétriques, voir infra-millimétriques. A de telles fréquences, des pertes ohmiques sur les parois des guides et des cavités résonantes, et les problèmes de transmission d'énergie hyperfréquence à travers des fenêtres hyperfréquence, sont déterminant des choix technologiques.
  • Par contre, le chauffage de plasma par résonance ionique ou par la résonance hybrique inférieure demande l'utilisation de fréquences moins élevées de un à quelques dizaines de GHz. La puissance maximale obtenue par des klystrons à de telles fréquences est limitée à 1 MW environ à des fréquences basses, et peut descendre jusqu'à 100 kW à des fréquences au-delà de quelques GHz. Aussi, pour fournir plusieurs MW, des dizaines de klystrons seraient nécessaires, ce qui entraîne des coûts élevés. C'est pourquoi il a été envisagé d'utiliser des gyrotrons comme générateur hyperfréquence, car le maximum puissance obtenue par un gyrotron à une fréquence élevée est typiquement de un à deux ordres de grandeur plus élevée que pour des klystrons à l'état de l'art.
  • Seulement les gyrotrons n'avaient pas été congrus, à l'origine, pour fonctionner à des fréquences aussi peu élevées, de un à quelques dizaines de GHz. Les problèmes techniques à résoudre dans la conception d'un tel gyrotron basse fréquence sont assez différents de ceux rencontrés dans des gyrotrons fonctionnant à des fréquences dans la gamme de plusieurs dizaines à quelques centaines de GHz.
  • En particulier, le collecteur l'électrons reste difficile à réaliser et volumineux à cause de la grande puissance à dissiper. A titre d'exemple, un gyrotron de 3 MW avec un rendement de 50 % aura 3 MW à dissiper sur les parois du collecteur. Ceci implique un refroidissement de grande taille, généralement réalisé avec de grandes quantités d'eau en circulation rapide, donc à haut débit et à haute pression. Ceci implique une plomberie conséquente, volumineuse et encombrante.
  • Dans la même région, (près du collecteur) la puissance hyperfréquence sera extraite à travers une fenêtre hyperfréquence, étanche au vide mais transparente à la radiation électromagnétique à la fréquence de fonctionnement. A de telles puissances, la fenêtre aura besoin de refroidissement également. Dans l'art antérieur, la puissance de sortie du gyrotron, une fois passé la fenêtre, est divisée plusieurs fois et distribuée en autant de guides d'onde arrangés en arborescence à partir de la fenêtre (voir fig. 6).
  • Nous avons la situation donc, dans le cas de l'utilisation d'un gyrotron de l'art antérieur pour fournir plusieurs MW à une fréquence de quelques GHz, par exemple, qu'il faut beaucoup de plomberie pour la circulation de l'eau de refroidissement, et beaucoup de guides d'onde pour la circulation de puissance hyperfréquence, et tout ceci dans la même région, au voisinage du collecteur d'électrons du gyrotron. La disposition du (des) guide(s) de sortie et du collecteur reste un problème dans tous les gyrotrons de grande puissance.
  • De la même manière, la fenêtre hyperfréquence présente des problèmes dont l'importance croit avec la puissance à véhiculer, dus à l'échauffement de la fenêtre provoqué par les pertes diélectriques dans la matière de la fenêtre, et les contraintes mécaniques résultant de la dilatation thermique de la fenêtre. Ces effets peuvent entraîner la destruction de la fenêtre, rendant le gyrotron inutilisable.
  • Une solution connue de l'art antérieur par la demande de brevet français au nom de la demanderesse portant le numéro national 90 05402 du 27 avril 1990, consiste à coupler plusieurs guides sur l'extérieur des parois latérales d'un guide d'ondes relié à la cavité d'un gyrotron. Dans cette construction, des guides secondaires sont accolés sur l'extérieur des parois du guide principal et sont couplés à ce dernier par des trous de couplage. Les dimensions et l'espacement des trous, les dimensions des guides et de la région de couplage, sont calculées pour effectuer une conversion de mode entre le mode de la source (typiquement de nombre propre élevé dans le cas d'un gyrotron) et un mode désiré, généralement de nombre propre peu élevé (voire fondamental) pour faciliter la propagation et l'utilisation finale de l'énergie. L'un des avantages de cette construction est la répartition de la puissance de la source parmi plusieurs guides secondaires qui peuvent être munis de fenêtres hyperfréquence individuelles. La puissance à véhiculer à travers chaque fenêtre est ainsi réduite par un rapport égal au nombre de fenêtres. Ensuite, ces guides secondaires peuvent être couplés à un autre guide apte à propager l'énergie hyperfréquence dans le mode désiré jusqu'à la charge hyperfréquence (accélérateur de particules, par exemple).
  • L'étude de l'interaction entre le champ électromagnétique et le faisceau électronique dans la cavité de sortie d'un tube électronique (la cavité unique d'un gyrotron, ou la dernière cavité d'un gyroklystron ou de tout autre dispositif à plusieurs cavités) montre les avantages de l'utilisation d'un faisceau électronique (1) creux, tubulaire, dont le diamètre est légèrement inférieur au diamètre de la cavité (fig. 1), et un champ électrique élevé dans la région du faisceau, près de la paroi (2) de la cavité. Ainsi, le rendement d'interaction entre le faisceau et le champ est optimal, tout en évitant une énergie électromagnétique trop importante dans la cavité.
  • A ces fins, on cherche à exciter l'oscillation du générateur hyperfréquence dans des modes dont l'énergie emmagasinée dans les champs est localisée près de la paroi. De tels modes sont connus de l'homme de l'art sous le nom en anglais "Whispering Gallery Modes" ).
  • Un exemple de mode TE9,1 dont l'énergie est concentrée près de la paroi est montré sur la figure 2, où les lignes de champ électrique instantané sont montrées. Le mode montré correspond à un mode effectivement utilisé dans des gyrotrons de puissance. On constate que les champs électriques sont faibles, voir nuls, au centre de la cavité et à l'intérieur d'un cylindre (4) indiqué en pointillé sur la figure 2. On peut donc imaginer d'insérer un guide central unique, d'une disposition coaxiale dans cet espace, sans perturber par trop les champs électromagnétiques autour.
  • Cette disposition est décrite dans le brevet US 4 523 127 de C. MOELLER, pour permettre le couplage de l'énergie hyperfréquence du tube (un maser à résonance cyclotronique) avec un guide unique de sortie à travers de nombreuses petites fenêtres diélectriques pratiquées dans la paroi du guide coaxial. Cette solution, congrue et efficace pour des tubes fonctionnant à des fréquences allant de plusieurs dizaines à une ou quelques centaines de GHz, n'est pas optimale dans tous les cas, et notamment dans le cas visé par la présente invention.
  • En effet, à des fréquences inférieures à quelques dizaines de GHz environ, les champs électromagnétiques sont plus faibles et leurs régions quasi homogènes sont plus grandes, donc les pertes dues aux courants électriques haute fréquence induits dans les parois sont plus faibles. Dans ces conditions, il devient possible et avantageux de disposer un ensemble de plusieurs guides au centre de la cavité de sortie dans un exemple d'une réalisation selon l'invention tel que montré sur la figure 4.
  • L'utilisation de l'invention procure plusieurs avantages par rapport à l'art antérieur tel que décrit par le document US 4 523 127. Ce dispositif de l'art antérieur comprend un grand nombre de petites fenêtres diélectriques refroidies par la circulation d'un liquide ou d'un gaz à l'intérieur de canalisations pratiquées dans la paroi du guide coaxial. La réalisation de ce dispositif, on s'en doute, sera relativement fastidieuse.
  • Le nombre, la disposition et les dimensions des trous de couplage (comblés par les fenêtres diélectriques) sont congrues de façon à éviter des conversions de mode ; et la puissance hyperfréquence restituée dans le guide de sortie est sensiblement égale à la puissance de la source moins les pertes éventuelles (courants électriques dans les parois métalliques, pertes diélectriques) qui seront dissipées dans le circuit de refroidissement.
  • Dans le cas de la présente invention dont un exemple de réalisation est montré sur la figure 4, les pertes haute fréquence sont moindres pour les raisons exposées ci-dessus (et on voit sur la figure 4 que les guides secondaires 6 sont dans une région de faible champ). La réalisation en est plus aisée.
  • Il n'y a pas de fenêtres sur les trous de couplage aux guides secondaires 6 donc pas de refroidissement à l'intérieur du tube électronique. Le nombre, la disposition et les dimensions detrous de couplage 7 peuvent être choisis de façon à exciter le mode fondamental dans les guides secondaires 6, ce qui nous procure de nombreux avantages. Les guides secondaires, excités en mode fondamentale, peuvent changer de section et/ou être incurvés sans engendrer des modes indésirés. Ces guides secondaires peuvent aussi être munis de fenêtres hyperfréquence utilisant des techniques classiques d'adaptation, et leur refroidissement éventuel sera plus aisé grâce à leur meilleure accessibilité à l'extérieur du tube électronique.
  • De cette manière, du fait que la puissance hyperfréquence P produit par le tube est véhiculée par les guides secondaires (au nombre de l, par exemple) à travers l fenêtres, la puissance qui traverse chaque fenêtre est de P/l en moyenne.
  • Il en résulte que le chauffage de chaque fenêtre par des pertes diélectriques de transmission de l'énergie électromagnétique peut être réduit vis-à-vis d'une construction à fenêtre unique, et le refroidissement de ces fenêtres sera plus facile à réaliser en raison de leurs dimensions réduites et d'une facilité accrue d'accès périphérique à une certaine distance du tube.
  • De plus, pour application dans des systèmes de chauffage de plasma pour réacteur thermonucléaire du type Tokamak, l'énergie hyperfréquence doit être livrée au plasma dans le mode fondamental. L'invention permet d'obtenir la conversion de mode à la source évitant ainsi la nécessité d'un convertisseur de mode sur guide dans les réalisations connues de l'art antérieur.
  • Finalement, pour les mêmes applications de chauffage de plasma, la puissance doit être répartie pour application au plasma par un "grill" plus ou moins compliqué (voir fig. 6), après des bifurcations successives. La présente invention, de par sa structure, présente la puissance hyperfréquence de la source déjà répartie dans plusieurs guides secondaires. On doit, de toute façon, diviser encore chaque guide secondaire pour exciter le circuit de Tokomak, mais on y arrive avec un nombre de divisions successives moindre dans le cas de l'invention que dans l'art antérieur.
  • De plus, la répartition de puissance avec le dispositif selon l'invention est obtenue dans des conditions particulièrement favorables, car les guides secondaires peuvent être facilement excités en phase cohérente si on choisit une géométrie de disposition parfaitement symétrique (voir fig. 4). L'adaptation entre la source et les guides secondaires ne pose pas de problème au niveau de cette première répartition, alors que dans l'art antérieur l'adaptation des guides secondaires ainsi que leur excitation en phase cohérente posaient des problèmes technologiques significatifs.
  • A ces fins, la présente invention a pour objet un dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance pour tube hyperfréquence, ledit tube hyperfréquence ayant au moins une cavité appelée la cavité de sortie pour l'extraction de l'énergie hyperfréquence générée par un faisceau électronique, ladite cavité ayant une forme de révolution autour d'un axe longitudinal z et ledit faisceau électronique ayant une direction de propagation au moins approximativement parallèle à l'axe z , caractérisé en ce que :
    • ledit dispositif est une structure comprenant plusieurs guides d'onde secondaires, ces guides disposés symétriquement autour d'un axe z′ et séparés par des parois métalliques, cette structure disposée dans ladite cavité de sortie de telle façon à ce que ledit axe z′ coïncide avec ledit axe z′ ;
    • lesdits guides secondaires étant munis de trous de couplage sur une partie de leur longueur selon l'axe z′ ; cette longueur ainsi que le nombre, l'espacement, et les dimensions de trous étant choisis pour exciter un mode de propagation désiré dans ledit guide secondaire.
  • Les dimensions et la disposition des guides secondaires seront choisies par rapport aux dimensions et à la disposition du faisceau électronique, de façon à ne pas présenter obstacle à la propagation dudit faisceau.
  • La présente invention a aussi pour objet un tube électronique comprenant le dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance décrit ci-dessus.
  • Selon une caractéristique importante de l'invention, ledit tube électronique est du type gyrotron. Selon une autre caractéristique, ledit tube est une variante du type gyrotron (gyroklystron, gyro-TWT, gyro- BWO maser à résonance cyclotronique,... ).
  • Selon une autre caractéristique importante de l'invention, ledit faisceau électronique est creux, ayant une forme de révolution autour dudit axe z. Selon une autre caractéristique, ladite structure de plusieurs guides d'ondes secondaires est disposée à l'intérieur dudit faisceau creux, de façon coaxiale avec celui-ci.
  • Selon une autre caractéristique importante de l'invention ledit tube électronique fonctionne dans un mode TEmn d'indice azimutal m sensiblement plus grande que l'unité, et lesdits guides secondaires sont au nombre de m ; selon une autre caractéristique, lesdits guides secondaires sont au nombre de 2m. Selon une caractéristique générale, le nombre l de guides secondaires l = 2m/i , où i est un nombre entier non nul.
  • Selon une autre caractéristique important de l'invention, les trous de couplage sont configurés de façon à permettre seule l'excitation du mode fondamental dans les guides secondaires.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après de quelques réalisations données à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :
    • la figure 1 représente en coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal, le faisceau électronique creux à l'intérieur de la cavité d'un gyrotron ;
    • la figure 2 représente les lignes de champ électrique du mode de propagation TE9,1 ;
    • la figure 3 représente en coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal, une fenêtre hyperfréquence connue de l'art antérieur ;
    • la figure 4 représente schématiquement et en coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal, un exemple d'un dispositif de convertisseur de modes et répartiteur de puissance selon l'invention ;
    • la figure 5 représente schématiquement et en coupe longitudinale un gyrotron comprenant un dispositif de convertisseur de modes et répartiteur de puissance selon l'invention ;
    • la figure 6 représente schématiquement et en perspective un "grill" de répartition de puissance connu de l'homme de l'art pour application de la puissance hyperfréquence au chauffage de plasma pour la fusion thermonucléaire ;
    • la figure 6A représente un détail de la figure 6.
  • Les figures représentent des exemples non limitatifs de réalisations, sur lesquelles les mêmes repères désignent les mêmes éléments sur les différentes figures. D'autres réalisations selon l'invention ou ses principales caractéristiques seront facilement imaginées par l'homme de l'art, à partir des exemples donnés.
  • Sur la figure 1, on voit en coupe perpendiculaire à l'axe d'un tube électronique, la paroi 2 de la cavité de sortie dans laquelle se propage un faisceau électronique 1. La paroi est de section circulaire avec rayon a, et le faisceau est de section circulaire avec rayon b , inférieur à a. Le tube est, par exemple, un gyrotron ; dans ce cas, la cavité est unique. Mais la cavité pourrait aussi être la dernière cavité d'un tube à plusieurs cavités, tel un gyroklystron, par exemple. Dans l'exemple d'un gyrotron, le faisceau électronique 1 est creux et se propage parallèle à l'axe longitudinal du tube, près de la paroi 2. Le faisceau vu en coupe sera composé d'innombrables petits cercles qui représentent les orbites cyclotroniques de chaque électron autour des lignes de champ magnétique de confinement, ces lignes de champ étant parallèles, elles aussi, à l'axe longitudinal du tube.
  • Sur la figure 2, on voit les lignes de champ électrique du mode TE9,1 telles qu'elles existent à l'intérieur de la cavité de la figure 1. Un gyrotron produit de l'énergie électromagnétique hyperfréquence typiquement dans un mode d'oscillation de nombre propre élevé. Des calculs d'ordinateur, confirmés par l'expérimentation, démontrent qu'une interaction optimale entre le faisceau électronique 1 et les champs électromagnétiques est obtenue dans une géométrie ou l'amplitude des champs et la densité du faisceau sont concentrés dans la même région, près de la paroi de la cavité. Pour cette raison, on cherche à exciter un mode d'indice radial unité, tel que montre sur cette figure 2.
  • On voit sur cette figure 2 que les lignes de champ en mode TE9,1 ne pénètrent pas bien loin vers l'intérieur de la cavité. Il en résulte qu'il est possible, pour une telle configuration des champs et du faisceau, d'ajouter une pièce métallique à l'intérieur du tube, dans la région indiquée par le cercle 4 de rayon c, sans trop perturber les champs. Cette observation est fondamentale pour la réalisation de l'invention. La pièce sera d'une symétrie azimutale compatible avec celle des champs (indice azimutal identique ou à un facteur multiplicateur près), et positionnée avec soin suivant le même axe longitudinal du tube, dans une disposition coaxiale.
  • Sur la figure 3 et son détail 3A, on voit dans une construction connue de l'art antérieur (par le document US 4 532 127), une fenêtre hyperfréquence de géométrie coaxiale, destinée à l'extraction de puissance hyperfréquence d'un tube électronique du type gyrotron. A l'intérieur de la paroi 2 de section circulaire et de rayon a, qui pourrait être par exemple la cavité d'un gyrotron, on voit une pièce métallique 13 de section circulaire et de rayon interne r et rayon externe d, donc d'épaisseur d - r . La pièce 13 est disposée coaxialement avec la paroi 2. La pièce 13 comporte de nombreuses rainures 34 dans lesquelles sont pratiquées des trous de couplage 24 fermés hermétiquement par de petites fenêtres diélectriques 30. Le refroidissement de ces fenêtres 30 est assuré par des canalisations 26 prévues pour la circulation d'un liquide ou d'un gaz de refroidissement. Cette construction permet, selon l'inventeur, le couplage de l'énergie électromagnétique dans l'espace annulaire 17 entre l'intérieur de la paroi 2 et l'extérieur de la pièce 13, avec l'espace 15 interne à la pièce 13, sans conversion de mode. Cette construction permet l'extraction de l'énergie produite par le gyrotron à travers les fenêtres diélectriques 30, qui assurent également l'étanchéité entre l'espace 15 interne au guide de sortie, et l'espace 17 externe au tube. De cette manière, l'espace 17 peut être maintenu à un niveau de vide poussée nécessaire au bon fonctionnement du tube, tandis que l'espace 15 interne au guide de sortie peut être indifféremment rempli d'un gaz inerte sous pression, de l'air, ...
  • Sur la figure 4, on voit en coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal un exemple d'un dispositif selon l'invention de convertisseur de mode et diviseur de puissance. Il s'agit d'une structure 5 de section circulaire de rayon e, disposée de façon coaxiale avec le faisceau électronique 1 et la paroi 2 de la cavité. La comparaison de la forme des lignes de champs électriques de cette figure 4 avec celles non perturbées de la figure 2 montrent que les perturbations occasionnées par l'introduction de la structure 5 dans la cavité sont minimes, et quasi inexistantes dans la région traversée par le faisceau électronique.
  • La structure 5 comporte des guides d'ondes secondaires 6 de section trapézoïdale qui sont au nombre de l ; ces guides secondaires 6 sont séparés par des parois métalliques 8, qui sont également de section trapézoïdale et au nombre de l . D'autres formes particulières des guides secondaires, des parois et la structure les comprenant seront facilement imaginables par l'homme de l'art, d'après cet exemple représentatif.
  • Les l guides secondaires 6 sont couplés à l'énergie électromagnétique dans la cavité de sortie par des trous de couplage 7 pratiqués dans la paroi externe de la structure 5, faisant face à la paroi interne 2 de la cavité de sortie. Le couplage électromagnétique à travers ces trous de couplage permet le transfert de la puissance hyperfréquence P de la cavité vers les guides secondaires 6 qui sont au nombre de l, donc la puissance à véhiculer dans chaque guide sera de P / l. Dans l'exemple de la figure 4, le mode d'oscillation du gyrotron et le TE9,1, et le nombre de guides secondaires l = 9. De ce fait, les guides secondaires sont excités avec la même phase, de façon cohérente. La forme, le nombre, et les positions des trous de couplage seront choisis de façon à exciter le mode fondamental TE0,1 dans les guides secondaires 6 selon les méthodes connues de l'homme de l'art pour des coupleurs hyperfréquence classiques à trous. Puisque les guides secondaires sont excités en mode fondamental, on pourra facilement changer leur section sans risque de conversion vers des modes indésirés, et l'homme de l'art saura raccorder des guides à section rectangulaire à ces guides secondaires par des moyens classiques.
  • De façon générale, on pourrait obtenir de bons résultats pour la conversion d'un mode TEm,n en utilisant l guides secondaires à condition que deux fois l'indice azimutal m soit un multiple du nombre de guides 1 : 2m = il, pour i un nombre entier non nul. Nous avons choisi, pour illustration, l'exemple le plus simple, m = l.
  • La symétrie azimutale d'ordre m = l du mode de l'oscillation à convertir dicte une répartition de puissance identique dans les l guides secondaires. La puissance hyperfréquence P dans la cavité de sortie peut se retrouver intégralement dans les l guides secondaires si plusieurs conditions sont remplies :
    • les pertes ohmiques ou autres doivent être négligeables.
    • les vitesses de phase des deux modes propagés dans la cavité circulaire et dans les l guides secondaires doivent être égales, compte tenu de leur modification par la présence des trous.
    • la longueur L sur laquelle les trous s'étendent aura une valeur qui dépend de l'intensité du couplage produit par les trous et de leur nombre par unité de longueur.
  • Les dimensions des trous et la longueur L du couplage sont choisies en fonction de plusieurs critères. Dans des réalisations pratiques, on veillera particulièrement sur l'intensité des champs électriques dans les trous, qui peut conduire à des arcs, ce que l'on évite en utilisant un nombre de petits trous sur une grande longueur.
  • Sur la figure 5, on voit en coupe longitudinale un gyrotron comprenant un dispositif de convertisseur de modes et diviseur de fréquence selon l'invention. Une coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal du gyrotron, au niveau des repères A, B donne la figure 4, par exemple. Ce gyrotron est d'une géométrie symétrique autour d'un axe de révolution indiqué en pointillé sur la figure. Un fort courant électronique est généré à la surface émissive 52 de la cathode 51 et accéléré par des forces électrostatiques.
  • La divergence du faisceau électronique dans la cavité due à la charge d'espace est évitée par l'application d'un champ magnétique axial (non montré) produit par un courant électrique circulant dans des bobines d'électroaimants (non montrées) superconductrices ou non. Les hautes tensions d'accélération sont appliquées aux électrodes (cathode 51 et support, anode 50) du canon à électrons qui sont isolés électriquement les unes des autres, par les isolants 59. Les électrons décrivent une motion cyclotronique relativiste autour des lignes de champ magnétique généré par les bobines d'électroaimants.
  • Le couplage entre l'énergie cinétique azimutale des électrons et l'énergie hyperfréquence se produit dans la cavité 55. Après cette interaction les électrons sont récoltés sur les parois du collecteur 57 ou leur énergie résiduelle est convertie en chaleur à l'impact avec les parois, et évacuée par un circuit de refroidissement (non montré). L'énergie hyperfréquence produite dans la cavité 55 est couplée aux guides secondaires 6 par des trous de couplage 7 qui s'étendent sur une longueur L suivant les critères énumérés ci-dessus.
  • Dans cet exemple de réalisation selon l'invention, chaque guide secondaire est muni d'une fenêtre hyperfréquence 58 en dehors de l'enceinte à vide du gyrotron. Cette solution permet de refroidir les fenêtres plus aisément que la solution classique d'une seule fenêtre de sortie de puissance hyperfréquence, en raison de dimensions réduites de ces multiples fenêtres et de la moindre puissance (P/l) à véhiculer par chaque fenêtre, d'une part, et d'autre part l'accès périphérique à ces fenêtres éloignées du gyrotron lui-même est bien plus facile pour installer l'équipement de refroidissement.
  • Cette fenêtre 58 est généralement réalisée en céramique, et doit être étanche au vide interne du tube mais transparente à l'énergie hyperfréquence. L'énergie hyperfréquence (HF) est ensuite livrée à la charge hyperfréquence (non montrée), qui pourrait être un Tokomak, par exemple.
  • Comme on le voit sur la figure et de l'explication schématique que l'on vient de donner, la propagation des électrons du canon au collecteur est selon l'axe du gyrotron, et sensiblement parallèle à cet axe dans la région d'interaction du faisceau avec les champs électromagnétiques HF. Cependant, les trajectoires des électrons sont généralement divergentes dans le collecteur 57 pour étaler au maximum la dissipation thermique (due à l'impact des électrons avec une énergie cinétique non nulle) sur les parois du collecteur.
  • Un autre avantage de cette configuration selon l'invention provient de l'action filtre de mode du convertisseur : les ondes éventuellement réfléchies par la charge ne pourront en général pas atteindre les fenêtres ni la cavité de sortie du gyrotron, car seul le mode fondamental TE0,1 sera excité dans les guides secondaires.
  • De plus, le mode fondamental de propagation est assez insensible aux perturbations géométriques sur le chemin de propagation, ce qui facilite l'acheminement de l'énergie HF sans risque de conversion vers des modes indésirés. En effet, un problème à résoudre dans des installations pratiques de gyrotrons est que le gyrotron fonctionne, en général, en position verticale, mais éloignée de la charge par des distances de quelques dizaines de mètres dans un sens latéral. Donc, il est souhaitable de réaliser un coude dans le(s) guide(s) qui relie(nt) la sortie verticale du gyrotron avec la charge éloignée du gyrotron.
  • Mais la réalisation des coudes en guide d'onde classique, généralement surdimensionné pour ces applications, est très délicate car ces guides peuvent propager l'énergie hyperfréquence dans de nombreux modes plus ou moins complexes, et le coude peut facilement entraîner des conversions de modes entre ces modes propagés par le guide surdimensionné, vers des modes non désirés. Pour éviter ceci dans des réalisations selon l'art antérieur, les coudes sont effectués avec un rayon de courbure très grand, ce qui accroît considérablement l'encombrement du système. Utilisant le dispositif selon l'invention, la puissance HF est véhiculée en mode fondamental dès la sortie de la source HF, évitant ainsi tous les problèmes évoqués ci-dessus.
  • Sur la figure 6, on voit un exemple d'un répartiteur de puissance connu de l'art antérieur avec application dans le chauffage de plasma pour la fusion thermonucléaire dans un Tokomak. La puissance HF provenant de(s) source(s) HF est appliquée aux entrées 40 et traverse des fenêtres diélectriques classiques 39, pour ensuite être partagée entre plusieurs guides par le diviseur 41. Les coupleurs 42 servent à mesurer la puissance dans les différents guides avant l'ajustage de phase 43. Les guides secondaires multiples sont ensuite raccordés par une bride 46 avec un soufflet 47 à l'applicateur (ou "grill") montré sur le détail 6A. Une fenêtre épaisse 44 en céramique ferme les guides juste avant l'applicateur 6A, dont la forme spécifique dépend de la géométrie de la charge pour une application donnée. Avec les fenêtres 39 et 44, l'intérieur du répartiteur est fermé de façon étanche, et peut être soit évacué, soit rempli d'un gaz sous pression.
  • Le diviseur de la figure 6 a été congru pour quatre sources HF indépendantes (des klystrons, en l'occurrence) de 200 kW chacune, appliquées aux entrées HF 40. Les quatre klystrons peuvent être remplacés par un gyrotron classique (à sortie HF unique) de 800 kW avec un autre répartiteur de puissance en quatre sorties. Avec un gyrotron plus puissant équipé selon l'invention d'un convertisseur de modes/diviseur de puissance intégré, plusieurs diviseurs comme celui de la figure 6 peuvent être attentés en puissance HF sans une autre étape de division de puissance.
  • Le dispositif selon l'invention de convertisseur de modes et diviseur de puissance sera utilisé avantageusement quand intégré à la cavité de sortie d'un gyrotron ou d'autres sources hyperfréquence de très haute puissance. Les avantages sont nombreux dans ce cas, car les contraintes thermiques sur les fenêtres diélectriques sont réduites en rapport avec le nombre de guides secondaires ; leur refroidissement devient plus aisé aussi du point de vue purement mécanique car les fenêtres peuvent être éloignées du collecteur et des électroaimants qui l'entourent ; la propagation de l'énergie hyperfréquence est aussi plus aisée car en mode fondamental, ce qui permet d'acheter les guides avec des coudes et éventuellement avec des changements adiabatiques de section sans engendrer de modes indésirés ; et pour des utilisations telles le chauffage de plasmas qui demande que l'énergie soit répartie dans l'espace pour application à la charge (le plasma), le dispositif selon l'invention permet de s'affranchir au moins d'une étape de division, tout en assurant une excitation de tous les guides secondaires avec une cohérence parfaite de phase. Tous ces avantages techniques résultent en un avantage d'économie important dans la réalisation d'une installation de système HF pour le chauffage de plasmas, tout en permettant d'obtenir de meilleures performances.

Claims (9)

  1. Dispositif convertisseur de modes des ondes électromagnétiques et diviseur de puissance hyperfréquence pour tube hyperfréquence, ledit tube hyperfréquence comprenant au moins une cavité, appelée la cavité de sortie, pour l'extraction de l'énergie hyperfréquence générée en mode TEm,n par un faisceau électronique 1, ladite cavité ayant une forme de révolution autour d'un axe longitudinal z et ledit faisceau électronique 1 ayant une direction de propagation au moins approximativement parallèle à l'axe z, caractérisé en ce que :
    - ledit dispositif est une structure 5 comprenant plusieurs guides d'ondes secondaires 6, ces guides étant disposés symétriquement autour d'un axe z′ et séparés par des parois métalliques, cette structure 5 disposée à l'intérieur de ladite cavité de sortie de telle façon à ce que ledit axe z′ coïncide avec ledit axe z ;
    - lesdits guides secondaires 6 étant munis de trous de couplage 7 sur une partie L de leur longueur selon l'axe z′ , cette partie L se trouvant à l'intérieur de ladite cavité, et ces trous 7 étant disposés de façon à permettre l'excitation d'un mode de propagation désiré dans lesdits guides secondaires.
  2. Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits guides d'onde secondaires 6 dans ladite structure 5 sont munis individuellement de fenêtres hyperfréquence 58 à l'extérieur de ladite cavité.
  3. Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdits guides d'onde secondaires 6 sont au nombre de l = 2 m/i, où m est l'indice azimutal dudit mode TEm,n et i est un nombre entier non nul.
  4. Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit nombre entier est i = 1.
  5. Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit nombre entier est i = 2.
  6. Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit tube hyperfréquence est un gyrotron, et ledit dispositif est intégré à la cavité dudit gyrotron.
  7. Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit tube hyperfréquence est un gyroklystron, et ledit dispositif est intégré à la dernière cavité dudit gyroklystron.
  8. Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit tube hyperfréquence est un gyroTWT, et ledit dispositif est intégré à la cavité de sortie dudit gyroTWT.
  9. Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit tube hyperfréquence est un gyroBW0 (ou gyrocarcinotron), et ledit dispositif est intégré à la cavité de sortie dudit gyroBWO (ou gyrocarcinotron).
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