EP1466343B1

EP1466343B1 - Tube electronique a collecteur simplifie

Info

Publication number: EP1466343B1
Application number: EP02805362A
Authority: EP
Inventors: Pierre Thales Intellectual Property Nugues; Jean-Paul Thales Intellectual Property Nesa
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: FR2833748B1; WO2003054899A2; WO2003054899A3; FR2833748A1; US6984940B2; US20050067965A1; EP1466343A2

Abstract

L'invention concerne les tubes électroniques amplificateurs fonctionnant en hyperfréquence, comportant : - un queusot de pompage (50) permettant de réaliser le vide à l'intérieur du tube, - un canon à électron (11) émettant un faisceau d'électrons (12) à l'intérieur du tube, et - un collecteur (14) recueillant directement une première partie du faisceau d'électrons (12) ou Le queusot de pompage (50) repousse directement une seconde partie du faisceau d'électrons (12) en direction du collecteur (14).

Description

L'invention concerne les tubes électroniques amplificateurs fonctionnant en hyperfréquence. Elle s'applique plus particulièrement aux tubes à ondes progressives (TOP) appelés aussi TWT (de l'anglais Travelling Wave Tube), et c'est donc à propos d'un tel tube qu'elle sera décrite. De tels tubes servent par exemple à la transmission de signaux de télécommunication entre la terre et les satellites. Ils servent aussi comme émetteurs de puissance dans les radars.
On rappelle sommairement qu'un TOP est un tube à vide utilisant le principe de l'interaction entre un faisceau d'électrons et une onde électromagnétique hyperfréquence, pour transmettre à l'onde hyperfréquence une partie de l'énergie contenue dans le faisceau d'électrons, de manière à obtenir en sortie du tube une onde hyperfréquence d'énergie plus grande que celle de l'onde injectée à l'entrée du tube.
La figure 1 rappelle le principe général d'un TOP. Le TOP représenté est un TOP à hélice, mais d'autres types de TOP tels que les TOP à cavités couplées, les TOP à guides repliés en méandres, etc., sont tout aussi bien concernés par l'invention.
Les TOP comportent un fourreau tubulaire allongé 10 dans lequel le vide est fait, avec à une première extrémité un canon à électrons 11 émettant un faisceau d'électrons 12 et, à une deuxième extrémité, un collecteur 14 ; le collecteur recueille les électrons qui ont cédé une partie de leur énergie de départ à l'onde électromagnétique qu'on veut amplifier. Le faisceau d'électrons 12 est sensiblement cylindrique sur presque toute la longueur du tube entre le canon 11 et le collecteur 14 en suivant un axe 15. Cette forme cylindrique de faisceau est obtenue d'une part grâce à la forme d'une cathode 16 du canon à électron 11 (cathode convergente en forme de cuvette), et d'autre part grâce à des moyens de focalisation magnétique prévus sur toute la longueur du fourreau 10 entre la sortie du canon à électrons 11 et l'entrée du collecteur 14. Dans le canon à électron 11, c'est la cathode 16 qui émet le faisceau d'électrons 12. Ces moyens de focalisation comportent par exemple des aimants permanents annulaires 18 aimantés axialement et d'aimantation alternée d'un aimant au suivant ; ces aimants entourent le fourreau 10 et sont séparés les uns des autres par des pièces polaires 20 à forte perméabilité magnétique.
Dans le cas d'un TOP à hélice, le faisceau d'électrons 12 passe à l'intérieur d'une structure conductrice en hélice 22 le long de laquelle circule l'onde électromagnétique hyperfréquence à amplifier; l'amplification d'énergie hyperfréquence se produit par interaction entre cette onde et. le faisceau d'électrons 12 passant au centre de celle-ci. L'hélice sert à ralentir l'onde hyperfréquence, de telle sorte que sa vitesse, suivant l'axe 15 du faisceau d'électrons 12, soit sensiblement égale à celle du faisceau d'électrons 12.
Un signal à amplifier de puissance Pe est injecté à une extrémité de la structure conductrice en hélice 22 au travers d'une fiche et d'une fenêtre 24 à l'intérieur du fourreau 10. Un signal amplifié de puissance Ps est extrait à une autre extrémité de la structure conductrice en hélice 22 au travers d'une fiche et d'une fenêtre 26. Le gain G d'amplification du tube électronique est défini par le rapport G = Ps/Pe ou exprimé en décibel : 10 log₁₀ (Ps/Pe). Le rendement η de l'amplification est quant à lui défini par : $η = Ps / V_{o} {xl}_{o} .$
V_o représente une tension entre la cathode 16 et le collecteur 14 et I_o représente le courant circulant dans la cathode 16. Le rendement η est généralement de l'ordre de 20 à 30 %. Il est souvent appelé rendement d'interaction ηi et caractérise la partie de l'énergie du faisceau d'électron 12 convertie en énergie hyperfréquence dans le signal amplifié. L'énergie restante, (1 - ηi) V_oxI_o , dans le faisceau d'électrons 12 après son passage à l'intérieur de la structure conductrice en hélice 22 est ensuite dissipée dans le collecteur 14 où les électrons du faisceau 12 bombardent les parois du collecteur 14 et transforment leur énergie cinétique en chaleur. Cette chaleur est alors évacuée à l'extérieur du tube électronique par conduction, convection ou rayonnement. A l'extérieur du fourreau tubulaire allongé 10, le tube électronique comporte généralement au niveau du collecteur 14, un radiateur non représenté sur la figure 1. Ce radiateur est par exemple refroidi par circulation d'un fluide liquide ou gazeux.
Dans la pratique une partie du courant I_o, issu de la cathode 16, circule dans la structure conductrice en hélice 22 comme le montre la figure 2.
Sur cette figure, le collecteur 14 est raccordé au pôle positif 28 d'une source de tension continue 30. La structure conductrice en hélice est également raccordée au pôle positif 28. Le pôle négatif 32 de la source de tension continue 30 est raccordé à la cathode 16. Le faisceau d'électrons 12 se développe entre la cathode 16 et le collecteur 14. Dans une réalisation expérimentale, en utilisant une source de tension continue 30 de 10 kV, on obtient un courant de 1A issu de la cathode 16 dans le faisceau d'électrons 12 et une puissance Ps de 2 kW en sortie de la structure conductrice en hélice 22. Le courant de retour entre le collecteur 14 et le pôle 28 est de 0,99 A et le courant entre la structure conductrice en hélice 22 et le pôle 28 est de 0,01. Le rendement s'exprime alors : $η = \frac{2 kW}{10 kV x (0, 99 + 0, 01)} = 20 %$
On peut améliorer le rendement d'un tube électronique en utilisant deux sources de tension. Cette alternative est représentée sur la figure 3. Une première source de tension continue 34 par exemple de 10 kV est raccordée entre la cathode 16 et la structure conductrice en hélice 22 et une deuxième source de tension continue 36 dont la tension est inférieure à celle de la première source de tension, par exemple 6 kV est raccordée entre le collecteur 14 et la cathode 16. En supposant les mêmes valeurs de courant et de puissance que dans l'exemple représenté précédemment sur la figure 2, le rendement s'exprime alors : $η = \frac{2 k W}{(10 kV x 0, 01) + (6 kV x 0, 99)} = 33 %$
Avantageusement, le collecteur 14 comporte plusieurs électrodes portées à différents potentiels. Ces différentes électrodes ont pour but de ralentir les électrons avant qu'ils ne frappent les parois des électrodes. Ainsi la chaleur dissipée dans le collecteur 14 est moindre et le rendement η augmente.
Un exemple d'un tel collecteur est représenté à la figure 4. Dans cet exemple, la source de tension continue 34 de 10 kV est raccordée entre la structure conductrice en hélice 22 et la cathode 16. Un courant de 0,1 A circule dans la source de tension 34.
Une source de tension continue 38, par exemple de 6 kV, est raccordée entre une première électrode 40 et la cathode 16. Un courant de 0,4 A circule dans la source de tension 38. Une source de tension continue 42, par exemple de 4 kV est raccordée entre une seconde électrode 44 et la cathode 16. Un courant de 0,48 A circule dans la source de tension 42. Une dernière source de tension 46, par exemple de 1 kV est raccordée entre une troisième électrode 48 et la cathode 16. Un courant de 0,01 A circule dans la source de tension 46. Les trois électrodes 40, 44 et 48, appartenant au collecteur 14, sont disposées de telle sorte que l'électrode 40, soumise à la tension la plus élevée par rapport à la cathode 16, soit la plus proche de la cathode 16 et l'électrode 48, soumise à la tension la plus faible par rapport à la cathode 16 soit la plus éloignée de la cathode 16. Toujours en supposant que la puissance Ps soit de 2 kW, le rendement s'exprime de la façon suivante : $η = \frac{2 kW}{(10 kV x 0, 01) + (6 kV x 0, 40) + (4 kV x 0, 48) + (1 kV x 0, 01)} = 45 %$
Cette structure de collecteur 14 comportant plusieurs électrodes est appelée collecteur déprimé. Il est bien entendu que le nombre d'électrodes ainsi que les valeurs numériques des courants, tensions et puissances ne sont données qu'à titre d'exemple et que l'invention n'est pas limitée à ces exemples.
Bien que la dernière électrode ait une faible différence de potentiel par rapport à la cathode 16, l'énergie cinétique des électrons qui la bombarde est encore importante et crée de la chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer. La position en extrémité du tube électronique de l'électrode 48 augmente les difficultés pour évacuer la chaleur que génère le bombardement électronique. En effet cette position en extrémité de tube est généralement utilisée pour placer des moyens permettant de réaliser le vide à l'intérieur du tube électronique, vide nécessaire à l'établissement du faisceau d'électrons 12. Pour évacuer la chaleur générée au niveau de l'électrode 48 il est nécessaire d'assurer un transfert thermique vers des moyens de refroidissement situés au voisinage immédiat des électrodes 40 et 44 sur les parois latérales du tube électronique. Ce transfert thermique est toujours difficile à réaliser notamment à cause de dilatation thermique différentielle entre des éléments conducteurs de l'électricité tel que les électrodes 40, 44 et 48 et des éléments isolants séparant ces électrodes. Il serait possible de réduire la chaleur générée au niveau de l'électrode 48 en réduisant la différence de potentiel de la source de tension continue 46. Mais cette solution risquerait de réfléchir une partie du faisceau d'électrons 12 bombardant l'électrode 48 en direction de la cathode 16. Cette réflexion risque de détruire la structure conductrice en hélice 22.
Le document US 4,398,122 décrit un tube électronique dans lequel un queusot de pompage débouche dans le tube dans l'axe du faisceau d'électrons. Un aimant est placé à proximité du queusot et permet de dévier le faisceau pour l'amener vers la dernière électrode e'4 afin de ne pas pénétrer dans le queusot.
Le document GB 919,767 décrit un tube électronique dans lequel l'extrémité d'un queusot forme une pointe permettant de dévier le faisceau la heurtant vers une chambre 14 pour éviter toute refocalisation dans l'axe du faisceau.
L'invention a pour but de pallier le problème décrit plus haut et de simplifier les réalisations décrites dans les documents cités en utilisant directement les moyens pour faire le vide dans le tube électronique pour repousser une partie du faisceau d'électrons 12 vers les autres électrodes 40 et 44 et non pas suivant la direction principale du faisceau matérialisé par l'axe 15 sur la figure 1.
A cet effet, l'invention a pour objet un tube électronique selon la revendication 1.
Selon l'invention, le queusot de pompage s'ouvre, à l'intérieur du tube, suivant l'axe du faisceau d'électrons. Cela permet de simplifier la réalisation de l'extrémité du tube.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, mode de réalisation illustré par le dessin joint dans lequel :

la figure 1 représente schématiquement le fonctionnement général d'un tube électronique ;
la figure 2 représente un tube électronique utilisant une seule source de tension continue ;
la figure 3 représente un tube électronique utilisant deux sources de tension continue ;
la figure 4 représente un tube électronique comportant 4 sources de tension continue et un collecteur déprimé ;
la figure 5 représente une extrémité du tube électronique avec un collecteur déprimé et une partie de moyens permettant de réaliser le vide à l'intérieur du tube.

Pour simplifier la suite de la description, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
Les figures 1 à 4 ont déjà été décrites précédemment pour introduire l'invention.
La figure 5 représente partiellement un exemple de réalisation d'un tube électronique mettant en oeuvre l'invention. Ce tube comporte le fourreau tubulaire 10 à l'intérieur duquel le vide est assuré par un queusot de pompage 50 dont une extrémité 52, ouverte, pénètre à l'intérieur du fourreau 10. L'autre extrémité du queusot de pompage n'est pas représentée sur la figure 5 et est raccordée à une pompe à vide lors des opérations de fabrication du tube électronique. Lorsqu'un vide suffisant est obtenu à l'intérieur du tube le queusot de pompage 50 est obturé par exemple en le pinçant jusqu'à obtenir un soudage hermétique à froid des parois du queusot de pompage.
Le tube électronique comporte un canon à électron 11 (non représenté sur la figure) émettant le faisceau d'électrons 12 à l'intérieur du tube et un collecteur 14 recueillant directement une première partie du faisceau d'électrons 12. Le collecteur 14 comporte au moins une électrode. Il comporte trois électrodes 54, 56 et 58 dans l'exemple représenté. Les trois électrodes 54, 56 et 58 sont de révolution autour de l'axe 15 le long duquel se déplace principalement le faisceau d'électrons 12. Chaque électrode 54 , 56 et 58 comporte une partie cylindrique, respectivement 60, 62 et 64, fixée à l'intérieur du fourreau cylindrique 10. Le fourreau 10 est également réalisé autour de l'axe 15. Le fourreau 10 est par exemple réalisé en céramique et comporte des parties métallisées 66, 68 et 70 recevant respectivement les électrodes 54, 56 et 58.
Les électrodes sont par exemple réalisées à base de cuivre et leurs parties cylindriques 60, 62 et 64 sont brasées respectivement sur les parties métallisées 66, 68 et 70 du fourreau 10. Entre ces parties métallisées, le fourreau 10 comporte des gorges 72 et 74 assurant l'isolement entre les trois électrodes 54, 56 et 58. Les électrodes 54, 56 et 58 sont toutes trois raccordées chacune à une source de tension par l'intermédiaire de moyens de connexion respectivement 76, 78 et 80.
Les trois électrodes sont percées suivant l'axe 15 d'orifices, respectivement 88, 90 et 92 laissant passer le faisceau d'électrons 12 au moins en partie.
Une extrémité 81 du fourreau 10 est obturée par un opercule 82 relié mécaniquement au fourreau 10 avec une élasticité suffisante pour encaisser d'éventuelles contraintes thermiques. Cette liaison élastique entre le fourreau 10 et l'opercule 82 est par exemple assuré par l'intermédiaire d'un collet 84. L'opercule 82 est de révolution autour de l'axe 15. Son centre est percé de façon à ce que le queusot de pompage 50 pénètre à l'intérieur du tube électronique. Le queusot de pompage est raccordé électriquement à une source de tension (non représentée sur la figure) par l'intermédiaire de moyens de connexion 86. La tension ainsi délivrée au queusot de pompage 52 est voisine de celle de la cathode 16 appartenant au canon à électrons 11.
Lorsqu'une partie du faisceau d'électrons 12 n'est pas collecté par l'une des trois électrodes 54, 56 ou 58, le queusot de pompage 50 repousse directement, sans intermédiaire, cette partie du faisceau d'électrons 12 en direction du collecteur 14 et plus particulièrement vers l'électrode 58.
Avantageusement, le queusot de pompage 50 a la forme d'une tubulure dont l'extrémité 52, située à l'intérieur du tube électronique, est ouverte. En effet, le queusot de pompage 50 repousse la partie du faisceau d'électrons 12 arrivant à son voisinage. Il peut rester ouvert dans la direction de l'axe 15 car aucun (ou très peu) électron ne pénètre dans le queusot de pompage 50. Il n'y a donc pas de risque d'élévation de température du queusot de pompage 50 dû à un bombardement électronique.
Avantageusement, l'extrémité 52 du queusot de pompage 50 a une forme dissymétrique par rapport à l'axe 15. Cette forme est par exemple obtenue en biseautant l'extrémité 52. Le biseau ainsi formé est une coupe de l'extrémité 52 par un plan non perpendiculaire à l'axe 15. Cette forme dissymétrique permet aux électrons arrivant sur le queusot de pompage 50 en suivant l'axe 15, d'être repoussé suivant un axe distinct de l'axe 15 et ainsi atteindre l'une des électrodes notamment l'électrode 58. La coupe en biseau de l'extrémité 52 est très simple à réaliser par exemple par tronçonnage du queusot de pompage 50.

Claims

Tube électronique comportant :
- un queusot de pompage (50) permettant de réaliser le vide à l'intérieur du tube,

- un canon à électron (11) émettant un faisceau d'électrons (12) à l'intérieur du tube,

- un collecteur (14) recueillant directement une première partie du faisceau d'électrons (12),
caractérisé en ce que le queusot de pompage (50) repousse directement une seconde partie du faisceau d'électrons (12) en direction du collecteur (14), queusot de pompage (50) étant formé d'une tubulure dont une extrémité (52) située à l'intérieur du tube électronique est ouverte dans une direction (15) principale du faisceau d'électrons (12), le canon à électrons (11) comportant une cathode (16) émettant les électrons (12) et le queusot de pompage (50) étant raccordé à une source de potentiel qui délivre au queusot de pompage (50) une tension voisine de celle de la cathode (16).
Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite extrémité (52) du queusot de pompage (50) à une forme dissymétrique par rapport à la direction (15) principale du faisceau d'électrons (12).
Tube électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite extrémité (52) du queusot (50) est biseautée.