EP2936537A1 - Générateur de microondes à cathode virtuelle oscillante et à réflecteurs ouverts - Google Patents

Générateur de microondes à cathode virtuelle oscillante et à réflecteurs ouverts

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EP2936537A1
EP2936537A1 EP13820835.0A EP13820835A EP2936537A1 EP 2936537 A1 EP2936537 A1 EP 2936537A1 EP 13820835 A EP13820835 A EP 13820835A EP 2936537 A1 EP2936537 A1 EP 2936537A1
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EP
European Patent Office
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reflector
radius
open
reflectors
waveguide
Prior art date
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EP13820835.0A
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EP2936537B1 (fr
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Stéphanie CHAMPEAUX
Philippe Gouard
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • 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
    • H01J25/32—Tubes with plural reflection, e.g. Coeterier tube
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    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/74—Tubes specially designed to act as transit-time diode oscillators, e.g. monotrons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters

Definitions

  • the present invention relates to a microwave wave generator device with oscillating virtual cathode (i.e. VIRCATOR type, for English ("VIRtual oscillaTOR method").
  • VIRCATOR type for English
  • An oscillating virtual cathode microwave wave generating device traditionally comprises a diode consisting of a cathode and an anode, emitting an electron beam, and a cylindrical waveguide.
  • the anode is generally composed of a thick frame and a thin sheet (frequently called "thin anode” for simplification).
  • the term "thin” is used here to mean that the sheet of the anode has a thickness of a few tenths of a micrometer.
  • the thin sheet is, in turn, coupled to the cylindrical waveguide.
  • the thin anode separates the cathode from the waveguide at the interface between the thick armature and the waveguide; and, on the other hand, the thick frame generally surrounds the cathode.
  • This type of device is known to produce microwave pulses of high power.
  • a potential difference is applied across the diode creating an electronic emission at the cathode.
  • the transverse components of the electric field with respect to a longitudinal axis of the waveguide are canceled, the electron beam begins to pinch under the effect of its magnetic field.
  • the electron density becomes so strong that the beam can no longer propagate in the waveguide.
  • Charge buildup commonly referred to as the "virtual cathode,” then forms behind the thin sheet. The virtual cathode then deflects many electrons until some return to the cathode, through the thin sheet.
  • the virtual cathode While moving closer to the thin anode, the virtual cathode increases its charge density until it bursts under the effect of its own charge of space and a new virtual cathode is reconstituted a little further in the waveguide. It is this principle of oscillation of the virtual cathode which is at the origin of a microwave wave emission.
  • Such a device is compact and simple in design. Its operation is robust and does not require recourse to an external magnetic field. On the other hand, its power efficiency (ratio of the maximum power of the wave emitted to the maximum electrical power injected into the diode) is very low, of the order of 1%. Moreover, the frequencies of the emitted wave directly follow the temporal variations of the applied voltage, which leads to obtaining an electromagnetic wave of poor spectral quality.
  • the reflectors are thin walls (that is to say a few tenths of micrometers thick), transparent to the electrons and able to reflect the microwave wave created by the virtual cathodes. In addition, they generally have a circular cylindrical shape.
  • This type of device with reflectors makes it possible to obtain significantly improved performances compared with devices without a reflector. However, there is an optimal number of reflectors beyond which the power output decreases.
  • the present invention aims to increase the efficiency of microwave VIRCATOR type axial tubes with reflectors.
  • an oscillating virtual cathode microwave wave generator device comprising a cathode, and a thin anode positioned at an inlet of a cylindrical waveguide of radius R G , the thin anode being located between the cathode and the waveguide, characterized in that the device comprises at least a first open reflector and a last open reflector located in the waveguide, and transparent to the electrons and capable of reflecting a microwave wave created by at least one virtual cathode generated in the waveguide, the first open reflector being the closest reflector of the thin anode, and the last open reflector being the closest reflector of the an output of the waveguide, and the last open reflector having a radius R RN less than a radius R R1 of the first reflector.
  • an oscillating virtual cathode microwave wave generator device in axial configuration, comprising a cathode, and a thin anode positioned at an inlet of a cylindrical waveguide of radius R G , the thin anode being located between the cathode and the waveguide, the device further comprising at least a first open reflector and a last open reflector located in the waveguide, and transparent to the electrons and able to reflect a wave a microwave created by at least one virtual cathode generated in the waveguide, the first open reflector being the closest reflector to the thin anode, and the last open reflector being the closest reflector to an output of the waveguide wave, the device being characterized in that it comprises a plurality of open reflectors, including the first and the last open reflector such as a reflector of the plurality has a radius R (+ I) less than or equal to a radius of a RR Î of the directly previous plurality reflector and in that the last opened reflector has
  • a reflector is said to be "open” when it obstructs only a centered fraction of straight section of the cylindrical waveguide, leaving a substantially annular opening between a periphery of the reflector and an inner wall of the waveguide.
  • Such a device not only increases the efficiency of a conventional axial VIRCATOR, but also increases the efficiency of an axial VIRCATOR with reflectors.
  • the first open reflector is advantageously located at a distance D1 from the thin anode, equivalent to twice the distance d A k separating the cathode from the thin anode.
  • the first virtual cathode is created and positioned approximately midway between the thin anode and the first reflector.
  • two consecutive open reflectors have between them a distance equal to the distance D1 separating the thin anode of the cathode.
  • the radius R R i of the first open reflector is equal to or greater than 0.75 RG.
  • a radius R R2 of at least one second open reflector, located between the first open reflector and the last open reflector, is less than or equal to the radius R R i of the first open reflector and greater than the radius R RN of the last open reflector.
  • a radius R R2 of at least one second open reflector, located between the first open reflector and the last open reflector, is smaller than the radius R R i of the first open reflector and greater than or equal to the radius R RN of the last open reflector.
  • a reduction of the radius of the successive reflectors makes it possible to position the electrons in the vicinity of a longitudinal axis z of the waveguide preventing them from interacting with the microwave wave in the regions where it has amplitudes of maximum electromagnetic fields.
  • the average position of the virtual cathode formed beyond a rank reflector (i + 1) is thus remote from the zone where the amplitude of the wave is strong.
  • At least the radius R RN of the last reflector is less than 0.75 RG, or possibly the radius R RN of the last reflector is less than 0.5 RG.
  • the radius R R2 of a second reflector is less than 0.75 R G , or the radius R R2 of the second reflector is less than 0.5 R G.
  • the radius R RI of any one of the plurality of reflectors from a second reflector i.e. for i greater than or equal to 2, i being between 2 and N
  • the radius R RI of the reflector is less than 0.5 RG-
  • the radius R RI remains greater than the radius R RN of the last reflector.
  • the radius R RI reflectors is gradually reduced from the first to the last, without lower limit, which increases the performance of the device.
  • the device comprises, between the first and the last open reflector, a plurality of open reflectors, such that a reflector of the plurality of ranks (i + 1) has a radius R R ( I + 1) ) less than or equal to the radius R RI of a reflector of the plurality of rank (i) directly preceding.
  • a reflector of the plurality of rank (i) has a radius R RI greater than the radius R RJ of a reflector of the plurality of rank (j> i).
  • the radius R R ( , + i ) of the reflector of the plurality of rank (i + 1) is smaller than the radius R RI of the reflector of the plurality of rank (i) directly preceding, and the radius R R ( , + i ) of the reflector of the plurality of rank (i + 1) is also possibly greater than the radius R RN of the last reflector and the radius R RI of the reflector of the plurality of rank (i) is less than the radius R R1 of the first reflector.
  • the reflectors may be decreasing in steps, or else linearly or exponentially decreasing from the first to the last, for example.
  • a device comprises equal ray reflectors in groups, for example two by two or three by three, or more.
  • the first reflector and the second reflector have identical radii
  • the third reflector and the fourth reflector have identical radii, and so on, for example with the radius of the third and fourth reflectors lower than that of the first and second reflectors. .
  • all the reflectors present in the waveguide have the same radius, except the last reflector which has a smaller radius.
  • the first reflector and the second reflector have a radius greater than 0.75 RG. And for example the radius of the last reflector is equal to or less than 0.5 RG.
  • the spokes of the reflectors between the first reflector and the last reflector are for example equal to or less than the radius of the first reflector, or even 0.75 RG, and / or equal to or greater than the radius of the last reflector, or even 0.5 RG -
  • the radii of the reflectors between the first reflector and the last reflector are possibly all equal to each other, or decreasing such that the radius of a reflector is equal to or less than that of the previous one.
  • the rays of the reflectors of the plurality of reflectors decreasing at a constant pitch p.
  • the first and second reflectors have the same radius R R i
  • the third reflector has for example a radius R R3 less, worth for example Rm-p.
  • a fourth reflector has for example a smaller radius to the third value, for example RR3-P, and so on. In other words, if a reflector has a smaller radius than the directly preceding reflector, it is reduced by one step p.
  • the pitch p represents for example an absolute value, for example at each reduction, the radius of a reflector is reduced by 10 mm, or 5 mm; or a relative value, for example at each reduction, the radius of a reflector is reduced by 10% with respect to the radius of the immediately preceding reflector, or 5%.
  • the plurality of open reflectors comprises at least three open reflectors, that is to say, the device comprises at least three open reflectors positioned in the waveguide. It comprises for example between three and six reflectors.
  • the plurality of reflectors thus has at least two different radii sizes, that of the first reflector R R i, that of the last reflector R RN which is less than RRI, and the radius of the reflectors situated between the first and the last reflector which would be example all equal to the first or all equal to the last. At most, the plurality of reflectors has as many different radii as there are reflectors.
  • a second reflector positioned between the first reflector and the last reflector, has a radius R R2 which is: either equal to the radius R R1 of the first reflector, or between the radius R R1 of the first reflector and the radius R RN of the last reflector, equal to the radius R RN of the last reflector.
  • R R2 which is: either equal to the radius R R1 of the first reflector, or between the radius R R1 of the first reflector and the radius R RN of the last reflector, equal to the radius R RN of the last reflector.
  • At least one open reflector is also made of aluminized mylar, or that all the reflectors are made of aluminized mylar.
  • FIG. 1 represents a conventional axial vircator according to the prior art, according to a longitudinal view
  • FIG. 2 represents an axial Vircator with reflectors according to the prior art, according to a longitudinal view;
  • Figure 3 shows a front view of a closed reflector and an open reflector
  • FIG. 4 represents an example of an axial Vircator with five open reflectors of constant radius, in a longitudinal view, serving as a control device for analysis of simulation results
  • FIG. 5 represents an axial Vircator with five open reflectors according to one embodiment of the invention, according to a longitudinal view;
  • Figure 6 presents a first table summarizing the N-ray open-ended constant-radius reflectors, i.e. all having the same radius, used to compare simulation results;
  • FIG. 7 presents a second table summarizing the devices with N open reflectors of decreasing radius, according to exemplary embodiments of the invention, with which simulations have been carried out;
  • FIGS. 1 to 9 are identical elements shown in FIGS. 1 to 9 are identified by identical reference numerals.
  • FIG. 1 An oscillating virtual cathode microwave wave generating device of the prior art commonly called Vircator ("VIRtual Oscillator Method") is shown in FIG.
  • the Vircator comprises a diode 2, 3, 4 consisting of a cathode 2 and an anode 3, 4, emitting an electron beam 1, as well as a cylindrical waveguide 5.
  • the anode 3, 4 consists of a thick frame 3 and a thin sheet 4 (frequently called “thin anode 4" for simplification).
  • the term "thin” is used here to mean that the sheet of the anode has a thickness of a few tenths of a micrometer.
  • the thin sheet 4 is, in turn, coupled to the cylindrical waveguide 5.
  • the thin anode 4 separates the cathode 2 from the waveguide 5 by being located at an inlet of the guide of the waveguide 5.
  • This type of device is known to produce microwave pulses of high power.
  • a potential difference is applied across the diode 2, 3, 4 creating an electronic emission at the cathode 2.
  • the electron beam 1 bursts under the effect of its own space charge.
  • the transverse components of the electric field with respect to an axis z cancel each other, the electron beam 1 begins to pinch under the effect of its magnetic field.
  • the electron density becomes so strong that the beam can no longer propagate into the waveguide 5.
  • Charge buildup 6, commonly called “virtual cathode 6” is then formed behind the thin sheet 4. The virtual cathode 6 then deviates many electrons until some return to the cathode 2, through the thin sheet 4.
  • the virtual cathode 6 moves around an average position which is at a distance from the thin anode 4 approximately equal to that which separates the thin anode 4 from the emitting cathode 2 (the latter being denoted by dAk).
  • electrons that are sent back through the virtual cathode 6 towards the cathode 2 passing through the thin anode 4 are modulated at the frequency of the microwave wave and interact with the electron beam 1 created in the space between the cathode 2 and the thin anode 4 by modulating slightly.
  • These backscattered electrons are braked between the thin anode 4 and the cathode 2. They are also diverted mainly towards the reinforcement of the anode 3.
  • the electrons that cross the virtual cathode 6 take up energy from the microwave wave that propagates in the guide, thus decreasing its intensity.
  • the frequency f of the transmitted wave (expressed in GHz) is a function of the distance dAk (expressed in cm) between the cathode 2 of the thin anode 4 and the relativistic factor ⁇ of the electrons at the level of the thin anode 4 in relation to the potential difference applied to the diode 2, 3, 4.
  • This frequency can be estimated by the following formula
  • V the potential difference applied between the electrodes of the diode 2, 3, 4, m the mass of an electron and c the speed of light.
  • the device described above is compact and simple in design.
  • Reflectors can be "closed” or “open”. As illustrated in FIG. 3, a reflector is said to be “closed” when it completely encloses a straight section of the guide (this is the case, for example, of the first reflector 8 of FIG. 2), and a reflector is said to be “ when it obstructs only a centered fraction of cross section of the guide, leaving a substantially annular opening 10 between the periphery of the reflector and the inner wall of the waveguide 5 (this is the case, for example, of the reflector 9 of Figure 2).
  • the reflector farthest from the thin anode 4 is preferably open to allow the microwave wave to propagate towards the output of the waveguide 5, the output being the end of the waveguide 5 opposite to that where is located the thin anode 4.
  • an open reflector has a radius R R greater than or equal to 0.75 times the radius R G of the circular waveguide 5 to reflect the maximum of the radial component of the electric field of the wave.
  • the first reflector is positioned inside the waveguide 5 at a distance D1 from the thin anode 4.
  • This distance D1 is equal to substantially twice the distance dAk which separates the thin anode 4 from the cathode 2, such that the virtual cathode is created and positioned approximately mid-way between the thin anode 4 and the first reflector.
  • the following reflectors are positioned in the waveguide beyond the first reflector, so that the same distance D1 separates two consecutive reflectors, D1 being substantially twice the distance dAk which separates the thin anode 4 from the cathode 2.
  • the first reflector has the function of reflecting, like the thin anode 4, the wave emitted by the virtual cathode.
  • the reflected wave interacts again with the electrons and the virtual cathode, amplifying the microwave wave.
  • a pseudo-cavity 1 1, cylindrical, formed between the thin anode 4, the first reflector and an inner wall of the waveguide 5 makes it possible to enhance the power of the wave created by the virtual cathode. This enhancement of the wave contributes to enhancing the clustering of the electrons of the virtual cathode at the desired frequency.
  • the microwave and packetization enhancement mechanism in the first pseudo-cavity 11 is duplicated in the following pseudo-cavities 11 formed by two successive reflectors. (for example 8 and 9 in FIG. 2) and the waveguide 5.
  • the electromagnetic wave emitted by the (i + 1) th virtual cathode can flow in the guide 5 beyond the reflector (i + 1), in the direction of the pseudo -complete cavity, via the annular opening 10 present between the periphery of the reflector (i + 1) and the inner wall of the waveguide 5.
  • This type of device with reflectors makes it possible to obtain significantly improved performances compared with devices of the prior art without a reflector.
  • a device with a single closed reflector displays a yield improvement of the order of 4%.
  • the addition of a second reflector, open, leads to an improvement of the order of 6%.
  • FIG. 2 An oscillating virtual cathode microwave wave generating device according to an exemplary embodiment of the prior art is for example shown in FIG. 2.
  • two reflectors 8, 9, transparent to the electrons and able to reflect the wave microwave created by the virtual cathodes (not shown in Figure 2 for the sake of simplicity), are positioned in the waveguide 5, cylindrical.
  • the reflectors are thin, that is to say a few tenths of a micrometer, and have a circular cylindrical shape.
  • the first reflector 8 is closed and positioned inside the waveguide 5 at a distance D1 from the thin anode 4.
  • This distance D1 is equal to substantially twice the distance dAk which separates the thin anode 4 from the cathode 2, such that the virtual cathode is created and positioned approximately midway between the thin anode 4 and the reflector 8.
  • a second reflector 9, open, is positioned in the waveguide beyond the first closed reflector 8, so that the distance D1 separating the two reflectors 8 and 9 is substantially twice the distance dAk that separates the reflector. thin anode 4 of the cathode 2.
  • a device according to one embodiment of the invention shown for example in Figure 5 comprises a set of N> 2 open reflectors 9 located in a waveguide 5, made of a material transparent to electrons and able to reflect a wave microwave created by virtual cathodes, such as aluminized mylar.
  • All the reflectors 9 are "open" in order to facilitate the propagation of the wave emitted by the different virtual cathodes towards the output of the waveguide 5.
  • the internal radius R of the first open reflector 9, located after the thin anode 4 in the waveguide 5, is preferably equal to or greater than 0.75 RG. It thus reflects a maximum of the radial component of the electric field of the wave and strengthens the microwave wave emitted by the first virtual cathode.
  • the inner radius R R , subsequent (N-1) open reflectors 9 is progressively reduced, without lower limit.
  • the radius size of each reflector is possibly less than 0.75 R G.
  • the methods for reducing the size of the radius of the open reflectors 9 are for example the following:
  • the radius R (, + I) of the reflector 9 of rank (i + 1) is less than or equal to the radius R Ri of the reflector 9 of rank (i), that is to say of the directly preceding reflector.
  • the device comprises, between the first and the last open reflector 9, a plurality of open reflectors 9, such that a reflector of the plurality of rank (i + 1) has a radius R (, + I) lower or equal to the radius R Ri of a reflector of the plurality of rank (i) directly preceding.
  • a reflector of the plurality of ranks (i) has a radius R R greater than the radius R Rj of a reflector of the plurality of ranks (j> i).
  • the radius R R (i + 1) of the reflector of the plurality of rank (i + 1) is less than the radius R Ri of the reflector of the plurality of rank (i) directly preceding, and the radius R (Î + D of the reflector of the plurality of rank (i + 1) is greater than the radius R RN of the last reflector 9 and the radius R Ri of the reflector of the plurality of ranks (i) is smaller than the radius R R i of the first reflector 9, that is to say that the set of N reflectors then has a radius strictly decreasing from the first to the last, for example according to an affine or exponential function.
  • the radius R R ( , + i ) of the rank reflector (i + 1) is reduced relative to the radius R Ri of the rank reflector (i), in order to locate the electrons in the vicinity of the z axis of the waveguide 5 preventing them from interacting with the microwave wave 7 in the locations where the This presents amplitudes of maximum electromagnetic fields.
  • the average position of the virtual cathode formed beyond the rank reflector (i + 1) is thus remote from the zone where the amplitude of the wave is strong.
  • the device is dimensioned such that the microwave electromagnetic radiation is generated at a frequency close to
  • the cylindrical waveguide 5 further has a length of 500 mm.
  • the device according to embodiments of the invention comprises N open reflectors 9 (N between 1 and 5 as the case simulated), located in the cylindrical waveguide 5.
  • All the open reflectors 9 are set to the same potential as the anode 3, 4 and the cylindrical waveguide 5.
  • the first open reflector 9 is positioned so that the first virtual cathode is substantially in the center of the cylindrical pseudo-cavity 1 1 formed by the thin anode 4, this first open reflector 9 and the guide of FIG. waves 5.
  • the longitudinal distance D1 which separates the first open reflector 9 from the thin anode 4 is of the order of twice the distance dAk which separates the thin anode 4 from the cathode 2.
  • the open reflector 9 of rank (i + 1) is positioned so that the (i + 1) th virtual cathode is formed in the center of the pseudo-cavity formed by the open reflector 9 of rank (i), the open reflector 9 of rank ( i + 1) and the inner wall of the waveguide 5.
  • the longitudinal distance separating two successive reflectors ((i) and (i + 1)) is substantially equal to the distance D1.
  • the distances D1 are for example 60 mm (FIG. 7 indicating the distances of each reflector with respect to the thin anode 4)
  • the internal radius R of the first reflector is greater than 0.75 RG, and is here 60 mm (or about 0.8 RG)
  • the radius of the third reflector is reduced (by relative to the two previous ones) at 50 mm (ie about 0.66 RG)
  • the radius of the fourth reflector is maintained at 50 mm
  • the radius of the fifth reflector is reduced to 40 mm, that is to say about 0,
  • at least the last reflector has a radius less than 0.75 R G , and in this case the radius of a reflector is less than 0.75 RG from the third reflector. It should further be noted here that all the rays below R are furthermore less than 0.75 RG.
  • the rays of the reflectors are equal in pairs, as far as possible since the device described here comprises five reflectors, and during a reduction, the radii are reduced by a constant pitch, which is here 10 mm. There is thus a step between the second and third reflectors, and between the fourth and fifth reflectors.
  • the open reflectors with constant radius N are detailed in the table of FIG. 6, which specifies the number, the positioning relative to the thin anode 4, and the radius of the reflectors present in the different achievements considered.
  • the reflectors 9 of the control devices are all open. Their positioning is identical to that of the device according to the invention.
  • the radius of each reflector is kept constant at 60 mm, i.e. all the open reflectors 9 of the control devices have identical radii.
  • the device according to one embodiment of the invention allows, by reducing the size of the reflectors, d improve the power efficiency for a number of reflectors greater than or equal to 3 (N> 3), while maintaining the transmission frequency (the latter point being illustrated in FIG. 9).

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante, comportant une cathode (2), une anode mince (4) positionnée à une entrée d'un guide d'ondes cylindrique (5), au moins un premier réflecteur ouvert (9) et un dernier réflecteur ouvert (9) localisés dans le guide d'ondes (5), transparents aux électrons et aptes à réfléchir une onde microonde créée par au moins une cathode virtuelle générée dans le guide d'ondes (5), et une pluralité de réflecteurs ouverts (9) entre le premier et le dernier réflecteur ouvert (9) tels qu'un réflecteur de la pluralité présente un rayon RR(i+1) inférieur ou égal à un rayon RRi d'un réflecteur de la pluralité directement précédent et le dernier réflecteur ouvert (9) présentant un rayon RRN inférieur à un rayon RR1 du premier réflecteur ouvert (9).

Description

GENERATEUR DE MICROONDES A CATHODE VIRTUELLE OSCILLANTE
ET A REFLECTEURS OUVERTS
La présente invention concerne un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante (i.e. de type VIRCATOR, pour l'anglais (« VIRtual CAthode oscillaTOR »).
Un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante comprend traditionnellement une diode constituée d'une cathode et d'une anode, émettant un faisceau d'électrons, ainsi qu'un guide d'ondes cylindrique. L'anode est généralement constituée d'une armature épaisse et d'une feuille mince (fréquemment appelée par la suite « anode mince » par simplification). On entend ici par « mince » que la feuille de l'anode présente une épaisseur de quelques dixièmes de micromètres. La feuille mince est, quant à elle, couplée au guide d'ondes cylindrique. En d'autres termes, l'anode mince sépare la cathode du guide d'ondes, à l'interface entre l'armature épaisse et le guide d'ondes; et, par ailleurs, l'armature épaisse entoure généralement la cathode.
Ce type de dispositif est connu pour produire des impulsions microondes de fortes puissances.
A cette fin, une différence de potentiel est appliquée aux bornes de la diode créant une émission électronique au niveau de la cathode. Au niveau de la feuille mince de l'anode, les composantes transverses du champ électrique par rapport à un axe longitudinal du guide d'ondes s'annulent, le faisceau d'électrons commence à se pincer sous l'effet de son champ magnétique. Quand le courant pénétrant dans le guide d'ondes cylindrique dépasse le courant limite de charge d'espace, la densité d'électrons devient si forte que le faisceau ne peut plus se propager dans le guide d'ondes. Une accumulation de charge, communément appelée « cathode virtuelle », se forme alors derrière la feuille mince. La cathode virtuelle dévie alors de nombreux électrons jusqu'à en renvoyer certains vers la cathode, à travers la feuille mince. Tout en se rapprochant de l'anode mince, la cathode virtuelle accroît sa densité de charges jusqu'au moment où elle éclate sous l'effet de sa propre charge d'espace et une nouvelle cathode virtuelle se reconstitue un peu plus loin dans le guide d'ondes. C'est ce principe d'oscillation de la cathode virtuelle qui est à l'origine d'une émission d'onde microonde.
Un tel dispositif est compact et de conception simple. Son fonctionnement est robuste et ne nécessite pas de recours à un champ magnétique externe. Par contre son rendement en puissance (rapport de la puissance maximale de l'onde émise sur la puissance électrique maximale injectée dans la diode) est très faible, de l'ordre de 1 %. Par ailleurs, les fréquences de l'onde émise suivent directement les variations temporelles de la tension appliquée, ce qui conduit à l'obtention d'une onde électromagnétique de qualité spectrale médiocre.
Pour contrevenir à au moins une partie de ces inconvénients tout en conservant une géométrie axiale, l'implantation d'un ou plusieurs réflecteurs dans le guide d'ondes cylindrique a été proposée. Ce type de dispositif a fait l'objet de la demande de brevet W02006037918.
Les réflecteurs sont des parois fines (c'est-à-dire de quelques dixièmes de micromètres d'épaisseur), transparents aux électrons et aptes à réfléchir l'onde microonde créée par les cathodes virtuelles. En outre, ils présentent généralement une forme cylindrique circulaire.
Ce type de dispositif avec réflecteurs permet d'obtenir des performances sensiblement améliorées par rapport aux dispositifs sans réflecteur. Toutefois, il existe un nombre optimal de réflecteurs au-delà duquel le rendement en puissance décroît.
La présente invention vise à accroître le rendement des tubes microondes de type VIRCATOR axial avec réflecteurs.
A cet effet, est proposé, un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante, comportant une cathode, et une anode mince positionnée à une entrée d'un guide d'ondes cylindrique de rayon RG, l'anode mince étant située entre la cathode et le guide d'ondes, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un premier réflecteur ouvert et un dernier réflecteur ouvert localisés dans le guide d'ondes, et transparents aux électrons et aptes à réfléchir une onde microonde créée par au moins une cathode virtuelle générée dans le guide d'ondes, le premier réflecteur ouvert étant le réflecteur le plus proche de l'anode mince, et le dernier réflecteur ouvert étant le réflecteur le plus proche d'une sortie du guide d'ondes, et le dernier réflecteur ouvert présentant un rayon RRN inférieur à un rayon RR1 du premier réflecteur.
Est aussi proposé, selon un aspect intéressant, un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante, en configuration axiale, comportant une cathode, et une anode mince positionnée à une entrée d'un guide d'ondes cylindrique de rayon RG, l'anode mince étant située entre la cathode et le guide d'ondes, le dispositif comprenant en outre au moins un premier réflecteur ouvert et un dernier réflecteur ouvert localisés dans le guide d'ondes, et transparents aux électrons et aptes à réfléchir une onde microonde créée par au moins une cathode virtuelle générée dans le guide d'ondes, le premier réflecteur ouvert étant le réflecteur le plus proche de l'anode mince, et le dernier réflecteur ouvert étant le réflecteur le plus proche d'une sortie du guide d'ondes, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de réflecteurs ouverts, dont le premier et le dernier réflecteur ouvert tels qu'un réflecteur de la pluralité présente un rayon R (,+I ) inférieur ou égal à un rayon RRÎ d'un réflecteur de la pluralité directement précédent et en ce que le dernier réflecteur ouvert présente un rayon RRN inférieur à un rayon RRÎ du premier réflecteur ouvert.
Un réflecteur est dit « ouvert » quand il n'obstrue qu'une fraction centrée de section droite du guide d'ondes cylindrique, laissant une ouverture sensiblement annulaire entre une périphérie du réflecteur et une paroi interne du guide d'ondes.
Un tel dispositif permet non seulement d'accroître le rendement d'un VIRCATOR axial classique, mais aussi d'accroître le rendement d'un VIRCATOR axial avec réflecteurs.
L'introduction de réflecteurs ouverts permet de faciliter l'écoulement de l'onde, émise par les différentes cathodes virtuelles, vers la sortie du guide.
Dans des modes de réalisation de l'invention, le premier réflecteur ouvert est avantageusement situé à une distance D1 de l'anode mince, équivalent au double d'une distance dAk séparant la cathode de l'anode mince. De la sorte, la première cathode virtuelle est créée et positionnée approximativement à mi-distance entre l'anode mince et le premier réflecteur. De plus, deux réflecteurs ouverts consécutifs présentent entre eux une distance égale à la distance D1 séparant l'anode mince de la cathode.
Selon un mode privilégié de réalisation, le rayon RRi du premier réflecteur ouvert est égal ou supérieur à 0,75 RG.
Ceci permet de réfléchir un maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde et de renforcer l'onde émise par la première cathode virtuelle alors située dans une première pseudo-cavité délimitée par l'anode mince, la paroi interne du guide d'ondes, et le premier réflecteur.
Selon un exemple de réalisation, un rayon RR2 d'au moins un deuxième réflecteur ouvert, situé entre le premier réflecteur ouvert et le dernier réflecteur ouvert, est inférieur ou égal au rayon RRi du premier réflecteur ouvert et supérieur au rayon RRN du dernier réflecteur ouvert.
Selon un autre exemple de réalisation, un rayon RR2 d'au moins un deuxième réflecteur ouvert, situé entre le premier réflecteur ouvert et le dernier réflecteur ouvert, est inférieur au rayon RRi du premier réflecteur ouvert et supérieur ou égal au rayon RRN du dernier réflecteur ouvert.
Une réduction du rayon des réflecteurs successifs permet de positionner les électrons au voisinage d'un axe longitudinal z du guide d'ondes les empêchant d'interagir avec l'onde microonde dans les régions où celle-ci présente des amplitudes de champs électromagnétiques maximales. La position moyenne de la cathode virtuelle formée au-delà d'un réflecteur de rang (i+ 1 ) est ainsi éloignée de la zone où l'amplitude de l'onde est forte.
Selon un mode intéressant de réalisation, au moins le rayon RRN du dernier réflecteur est inférieur à 0,75 RG, voire éventuellement le rayon RRN du dernier réflecteur est inférieur à 0,5 RG-
Selon un exemple particulier, le rayon RR2 d'un deuxième réflecteur est inférieur à 0,75 RG, voire le rayon RR2 du deuxième réflecteur est inférieur à 0,5 RG. Par exemple, le rayon RRI d'un réflecteur de la pluralité, quel qu'il soit, à partir d'un deuxième réflecteur (c'est-à-dire pour i supérieur ou égal à 2, soit i compris entre 2 et N) est inférieur à 0,75 RG, voire le rayon RRI du réflecteur est inférieur à 0,5 RG- Optionnellement, le rayon RRI reste toutefois supérieur au rayon RRN du dernier réflecteur.
Le rayon RRI des réflecteurs est progressivement réduit du premier au dernier, sans limite inférieure, ce qui accroît les performances du dispositif.
Selon un autre exemple de réalisation, le dispositif comprend, entre le premier et le dernier réflecteur ouvert, une pluralité de réflecteurs ouverts, tels qu'un réflecteur de la pluralité de rang (i+1 ) présente un rayon RR(I+1) inférieur ou égal au rayon RRI d'un réflecteur de la pluralité de rang (i) directement précédent.
Selon un exemple préférentiel, un réflecteur de la pluralité de rang (i) présente un rayon RRI supérieur au rayon RRJ d'un réflecteur de la pluralité de rang (j>i).
Voire, selon un autre exemple particulier, le rayon RR(,+i) du réflecteur de la pluralité de rang (i+1 ) est inférieur au rayon RRI du réflecteur de la pluralité de rang (i) directement précédent, et le rayon RR(,+i) du réflecteur de la pluralité de rang (i+1 ) est aussi possiblement supérieur au rayon RRN du dernier réflecteur et le rayon RRI du réflecteur de la pluralité de rang (i) est inférieur au rayon RR1 du premier réflecteur.
Ainsi, les réflecteurs peuvent être décroissants par paliers, ou bien linéairement ou exponentieNement décroissants du premier au dernier par exemple.
Par exemple, un dispositif selon l'invention comporte des réflecteurs de rayons égaux par groupes, par exemple deux par deux ou trois par trois, ou plus. Par exemple le premier réflecteur et le deuxième réflecteur ont des rayons identiques, puis le troisième réflecteur et le quatrième réflecteur ont des rayons identiques, et ainsi de suite, avec par exemple le rayon du troisième et quatrième réflecteur inférieur à celui du premier et deuxième réflecteur.
Selon un autre exemple, tous les réflecteurs présents dans le guide d'ondes ont même rayon, sauf le dernier réflecteur qui a un rayon moindre. Selon encore un autre exemple, le premier réflecteur et le deuxième réflecteur ont un rayon supérieur à 0,75 RG. Et par exemple le rayon du dernier réflecteur est égal ou inférieur à 0,5 RG.
Les rayons des réflecteurs compris entre le premier réflecteur et le dernier réflecteur sont par exemple égaux ou inférieur au rayon du premier réflecteur, voire à 0,75 RG, et/ou égaux ou supérieurs au rayon du dernier réflecteur, voire à 0,5 RG- Les rayons des réflecteurs compris entre le premier réflecteur et le dernier réflecteur sont possiblement tous égaux entre eux, ou décroissants tels que le rayon d'un réflecteur est égal ou inférieur à celui du précédent.
Selon un exemple intéressant de mis en œuvre, les rayons des réflecteurs de la pluralité de réflecteurs, dont le premier et le dernier réflecteur, décroissent selon un pas p constant. Par exemple, le premier et le deuxième réflecteur ont un même rayon valant RRi , le troisième réflecteur a par exemple un rayon RR3 moindre, valant par exemple Rm-p. Un quatrième réflecteur a par exemple un rayon moindre au troisième valant par exemple RR3-P, et ainsi de suite. Autrement dit, si un réflecteur a un rayon inférieur au réflecteur directement précédent, celui-ci est réduit d'un pas p.
Le pas p représente par exemple une valeur absolue, par exemple à chaque réduction, le rayon d'un réflecteur est réduit de 10 mm, ou 5 mm ; ou une valeur relative, par exemple à chaque réduction, le rayon d'un réflecteur est réduit de 1 0% par rapport au rayon du réflecteur directement précédent, ou 5% .
Alors qu'un dispositif avec réflecteurs selon l'art antérieur présente un nombre optimal de réflecteurs au-delà duquel le rendement en puissance décroît, dans un dispositif tel que décrit précédemment, le rendement augmente avec le nombre de réflecteurs de rayon décroissant positionnés dans le guide d'ondes.
Selon un mode de réalisation privilégié, la pluralité de réflecteurs ouverts comporte au moins trois réflecteurs ouverts, c'est-à-dire, le dispositif comporte au moins trois réflecteurs ouverts positionnés dans le guide d'onde. Il comporte par exemple entre trois et six réflecteurs. La pluralité de réflecteurs présente ainsi au moins deux tailles de rayons différents, celui du premier réflecteur RRi , celui du dernier réflecteur RRN qui est inférieur à RRI , et le rayon des réflecteurs situés entre le premier et le dernier réflecteur qui seraient par exemple tous égaux au premier ou tous égaux au dernier. Au maximum, la pluralité de réflecteurs présente autant de rayons différents qu'il y a de réflecteurs.
Ainsi par exemple, un deuxième réflecteur, positionné entre le premier réflecteur et le dernier réflecteur, présente un rayon RR2 qui est : soit égal au rayon RR1 du premier réflecteur, soit compris entre le rayon RR1 du premier réflecteur et le rayon RRN du dernier réflecteur, soit égal au rayon RRN du dernier réflecteur. Une même logique s'applique pour un plus grand nombre de réflecteurs.
Par ailleurs, il est intéressant qu'au moins un réflecteur ouvert, non seulement transparent aux électrons et apte à réfléchir une onde microonde, soit en outre réalisé en mylar aluminisé, voire que tous les réflecteurs soient réalisés en mylar aluminisé.
LISTE DES FIGURES
L'invention selon un exemple de réalisation sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre indicatif et nullement limitatif, et en référence aux dessins annexés présentés ci-après.
La figure 1 représente un Vircator axial classique selon l'art antérieur, selon une vue longitudinale ;
La figure 2 représente un Vircator axial avec réflecteurs selon l'art antérieur, selon une vue longitudinale ;
La figure 3 représente une vue de face d'un réflecteur fermé et d'un réflecteur ouvert ;
La figure 4 représente un exemple de Vircator axial avec cinq réflecteurs ouverts de rayon constant, selon une vue longitudinale, servant de dispositif témoin pour analyse de résultats de simulations ; La figure 5 représente un Vircator axial avec cinq réflecteurs ouverts selon un mode de réalisation de l'invention, selon une vue longitudinale ;
La figure 6 présente un premier tableau récapitulant les dispositifs témoins à N réflecteurs ouverts de rayon constant, i.e. ayant tous le même rayon, utilisés pour comparer des résultats de simulations ;
La figure 7 présente un deuxième tableau récapitulant les dispositifs à N réflecteurs ouverts de rayon décroissant, selon des exemples de réalisation de l'invention, avec lesquels ont été réalisés des simulations ;
La figure 8 illustre une évolution d'un rendement en puissance (%) en fonction du nombre de réflecteurs dans le dispositif, dans le cas d'un dispositif sans réflecteur (N=0) selon l'état de l'art connu, d'un dispositif témoin avec N réflecteurs ouverts de rayon constant (ici égal à 60 mm tels que présentés figure 6), et dans le cas d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention (i.e. avec au moins trois réflecteurs ouverts de rayon non constant, tels que présentés figures 7) ; et
La figure 9 illustre une évolution de la fréquence d'émission de l'onde microonde en fonction du nombre de réflecteurs dans le dispositif, dans le cas d'un dispositif sans réflecteur (N=0) selon l'état de l'art connu, d'un dispositif témoin avec N réflecteurs ouverts de rayon constant (ici égal à 60 mm tels que présentés figure 6), et dans le cas d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention (i.e. avec au moins trois réflecteurs ouverts de rayon non constant, tels que présentés figure 7).
Les éléments identiques représentés sur les figures 1 à 9 sont identifiés par des références numériques identiques.
ETAT DE L'ART ET INCONVENIENT
Un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante de l'art antérieur communément appelé Vircator (« VIRtual CAthode oscillaTOR ») est représenté à la figure 1 .
Le Vircator comprend une diode 2, 3, 4 constituée d'une cathode 2 et d'une anode 3, 4, émettant un faisceau d'électrons 1 , ainsi que d'un guide d'ondes cylindrique 5. L'anode 3, 4 est constituée d'une armature épaisse 3 et d'une feuille mince 4 (fréquemment appelée par la suite « anode mince 4 » par simplification). On entend ici par « mince » que la feuille de l'anode présente une épaisseur de quelques dixièmes de micromètres. La feuille mince 4 est, quant à elle, couplée au guide d'ondes cylindrique 5. En d'autres termes, l'anode mince 4 sépare la cathode 2 du guide d'ondes 5 en étant située à une entrée du guide d'ondes 5, à une interface entre l'armature épaisse 3 et le guide d'ondes 5 ; et l'armature épaisse 3 entoure la cathode 2.
Ce type de dispositif est connu pour produire des impulsions microondes de fortes puissances.
A cette fin, une différence de potentiel est appliquée aux bornes de la diode 2, 3, 4 créant une émission électronique au niveau de la cathode 2. Quand la densité de courant électronique émise dépasse la densité de courant limite de Child-Langmuir, le faisceau d'électrons 1 éclate sous l'effet de sa propre charge d'espace. Au niveau de la feuille mince 4 de l'anode, les composantes transverses du champ électrique par rapport à un axe z s'annulent, le faisceau d'électrons 1 commence à se pincer sous l'effet de son champ magnétique. Quand le courant pénétrant dans le guide d'ondes cylindrique 5 dépasse le courant limite de charge d'espace, la densité d'électrons devient si forte que le faisceau ne peut plus se propager dans le guide d'ondes 5. Une accumulation de charge 6, communément appelée « cathode virtuelle 6 », se forme alors derrière la feuille mince 4. La cathode virtuelle 6 dévie alors de nombreux électrons jusqu'à en renvoyer certains vers la cathode 2, à travers la feuille mince 4.
Tout en se rapprochant de l'anode mince 4, la cathode virtuelle 6 accroît sa densité de charges jusqu'au moment où elle éclate sous l'effet de sa propre charge d'espace et une nouvelle cathode virtuelle se reconstitue un peu plus loin dans le guide d'ondes 5. C'est ce principe d'oscillation de la cathode virtuelle qui est à l'origine d'une émission d'une onde microonde 7.
La cathode virtuelle 6 se déplace autour d'une position moyenne qui se situe à une distance de l'anode mince 4 approximativement égale à celle qui sépare l'anode mince 4 de la cathode émettrice 2 (cette dernière étant désignée par dAk)- Les électrons qui sont renvoyés par la cathode virtuelle 6 vers la cathode 2 en passant à travers l'anode mince 4 sont modulés à la fréquence de l'onde microonde et interagissent avec le faisceau d'électrons 1 créé dans l'espace entre la cathode 2 et l'anode mince 4 en le modulant légèrement. Ces électrons rétrodiffusés sont freinés entre l'anode mince 4 et la cathode 2. Ils sont aussi déviés principalement vers l'armature de l'anode 3.
Les électrons qui franchissent la cathode virtuelle 6 reprennent de l'énergie à l'onde microonde qui se propage dans le guide, diminuant ainsi son intensité.
Le dimensionnement d'un Vircator axial selon l'état de l'art connu est le suivant :
La fréquence f de l'onde émise (exprimée en GHz) est fonction de la distance dAk (exprimée en cm) qui sépare la cathode 2 de l'anode mince 4 et du facteur relativiste γ des électrons au niveau de l'anode mince 4 en relation avec la différence de potentiel appliquée à la diode 2, 3, 4. Cette fréquence peut être estimée par la formule suivan
Avec où e est la charge d'un électron, V la différence de potentiel appliquée entre les électrodes de la diode 2, 3, 4, m la masse d'un électron et c la vitesse de la lumière.
L'onde ayant une symétrie axiale de révolution évolue dans des modes dits « transverses magnétiques », désigné par « TM0n », la composante axiale de son champ magnétique étant nulle. Pour qu'elle se propage à l'intérieur du guide cylindrique 5 dans le seul mode TM0i , il faut que le rayon RG du guide d'ondes 5 soit supérieur à la longueur d'onde de coupure du mode suivant TM02- L'équation ci-dessous (et non la formule inverse qui est apparue être erronée) rend compte de ces conditions de propagation :
où k0n représente la racine de l'équation de la fonction de Bessel Jo(kon) = 0, avec k0i = 2,4048 et k02 = 5,5201 . La longueur du guide d'ondes 5 doit être, de préférence, égale à plusieurs fois la longueur d'onde λ de l'onde électromagnétique 7 (λ = c/f).
Un meilleur fonctionnement du couplage de la cathode virtuelle 6 avec l'onde électromagnétique 7 est obtenu lorsque la densité maximale de la cathode virtuelle 6 à sa position moyenne est située dans le voisinage du maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde électromagnétique. Considérant que l'onde électromagnétique se propage dans le seul mode TM0i et considérant aussi l'éclatement du faisceau à l'émission, le rayon Rc de la cathode 2 doit alors, de préférence, vérifier la relation suivante : %
Le dispositif décrit ci-dessus est compact et de conception simple.
Son fonctionnement est robuste et ne nécessite pas de recours à un champ magnétique externe. Par contre son rendement en puissance (rapport de la puissance maximale de l'onde émise sur la puissance électrique maximale injectée dans la diode) est très faible, de l'ordre de 1 %. Par ailleurs, les fréquences de l'onde émise suivent directement les variations temporelles de la tension appliquée, ce qui conduit à l'obtention d'une onde électromagnétique de qualité spectrale médiocre.
Pour contrevenir à au moins une partie de ces inconvénients tout en conservant une géométrie axiale, l'implantation d'un ou plusieurs réflecteurs dans le guide cylindrique 5 a été proposée.
Les réflecteurs peuvent être « fermés» ou « ouverts ». Comme l'illustre la figure 3, un réflecteur est dit « fermé » quand il clôt entièrement une section droite du guide (c'est le cas, par exemple, du premier réflecteur 8 de la figure 2), et un réflecteur est dit « ouvert » quand il n'obstrue qu'une fraction centrée de section droite du guide, laissant une ouverture sensiblement annulaire 10 entre la périphérie du réflecteur et la paroi interne du guide d'ondes 5 (c'est le cas, par exemple, du réflecteur 9 de la figure 2).
Le réflecteur le plus éloigné de l'anode mince 4 est préférentiellement ouvert afin de permettre à l'onde microonde de se propager vers la sortie du guide d'ondes 5, la sortie étant l'extrémité du guide d'ondes 5 opposée à celle où est située l'anode mince 4. Traditionnellement, un réflecteur ouvert présente un rayon RR supérieur ou égal à 0,75 fois le rayon RG du guide d'ondes 5 circulaire pour réfléchir le maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde.
Le premier réflecteur est positionné à l'intérieur du guide d'ondes 5 à une distance D1 de l'anode mince 4. Cette distance D1 est égale à sensiblement deux fois la distance dAk qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2, de telle sorte que la cathode virtuelle soit créée et positionnée approximativement à mi-distance entre l'anode mince 4 et le premier réflecteur. Les réflecteurs suivants sont positionnés dans le guide d'ondes au-delà du premier réflecteur, de telle sorte que la même distance D1 sépare deux réflecteurs consécutifs, D1 étant égale à sensiblement deux fois la distance dAk qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2.
Le premier réflecteur a pour fonction de réfléchir, comme l'anode mince 4, l'onde émise par la cathode virtuelle. L'onde réfléchie interagit à nouveau avec les électrons et la cathode virtuelle, amplifiant l'onde microonde. Une pseudo-cavité 1 1 , cylindrique, formée entre l'anode mince 4, le premier réflecteur et une paroi interne du guide d'ondes 5 permet de renforcer la puissance de l'onde créée par la cathode virtuelle. Ce renforcement de l'onde contribue à renforcer la mise en paquets des électrons de la cathode virtuelle à la fréquence souhaitée.
En introduisant une pluralité de réflecteurs dans le dispositif, le mécanisme de renforcement de l'onde microonde et de mise en paquets qui a cours dans la première pseudo-cavité 1 1 est dupliqué dans les pseudo-cavités 1 1 suivantes formées par deux réflecteurs successifs (par exemple 8 et 9 sur la figure 2) et le guide d'ondes 5.
Ainsi les électrons qui franchissent le réflecteur de rang (i) (1 < i < N- 1 , ou N est le nombre total de réflecteurs présents) créent une (i+1 )eme cathode virtuelle dont la fréquence d'oscillation est déterminée par la pseudo-cavité 1 1 formée par les réflecteurs de rang (i) et (i+1 ) et la paroi interne du guide d'ondes 5. Cette pseudo-cavité contribue à renforcer l'onde électromagnétique émise par la (i+1 )eme cathode virtuelle et la mise en paquets des électrons. Si le réflecteur (i+1 ) est ouvert, l'onde électromagnétique émise par la (i+1 )eme cathode virtuelle peut s'écouler dans le guide 5 au-delà du réflecteur (i+1 ), en direction de la pseudo-cavité voisine, via l'ouverture annulaire 10 présente entre la périphérie du réflecteur (i+1 ) et la paroi interne du guide d'ondes 5.
Ce type de dispositif avec réflecteurs permet d'obtenir des performances sensiblement améliorées par rapport aux dispositifs de l'art antérieur sans réflecteur.
Un dispositif à un seul réflecteur fermé affiche une amélioration de rendement de l'ordre de 4%. L'adjonction d'un deuxième réflecteur, ouvert, conduit à une amélioration de l'ordre de 6%.
Toutefois, pour un tel dispositif comprenant des réflecteurs, il existe un nombre optimal de réflecteurs au-delà duquel le rendement en puissance décroît.
Un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante selon un exemple de réalisation de l'art antérieur est par exemple représenté sur la figure 2. Dans cet exemple, deux réflecteurs 8, 9, transparents aux électrons et aptes à réfléchir l'onde microonde créée par les cathodes virtuelles (non représentées sur la figure 2 par souci de simplification), sont positionnés dans le guide d'ondes 5, cylindrique. Les réflecteurs sont minces, c'est-à-dire de quelques dixièmes de micromètres, et présentent une forme cylindrique circulaire.
Le premier réflecteur 8 est fermé et positionné à l'intérieur du guide d'ondes 5 à une distance D1 de l'anode mince 4. Cette distance D1 est égale à sensiblement deux fois la distance dAk qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2, de telle sorte que la cathode virtuelle soit créée et positionnée approximativement à mi-distance entre l'anode mince 4 et le réflecteur 8.
Un deuxième réflecteur 9, ouvert, est positionné dans le guide d'ondes au-delà du premier réflecteur fermé 8, de telle sorte que la distance D1 séparant les deux réflecteurs 8 et 9 est égale à sensiblement deux fois la distance dAk qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2. EXPOSE GENERAL DE L'INVENTION
Un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention représenté par exemple sur la figure 5 comprend un ensemble de N>2 réflecteurs ouverts 9 localisés dans un guide d'ondes 5, réalisés dans un matériau transparent aux électrons et apte à réfléchir une onde microonde créée par des cathodes virtuelles, comme par exemple du mylar aluminisé.
Tous les réflecteurs 9 sont « ouverts » afin de faciliter la propagation de l'onde émise par les différentes cathodes virtuelles vers la sortie du guide d'ondes 5.
Le rayon interne R du premier réflecteur ouvert 9, localisé après l'anode mince 4 dans le guide d'ondes 5, est préférentiellement égal ou supérieur à 0,75 RG- Il réfléchit ainsi un maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde et renforce l'onde microonde émise par la première cathode virtuelle.
Le rayon interne RR, des (N-1 ) réflecteurs ouverts 9 suivants est progressivement réduit, sans limite inférieure. La taille du rayon de chaque réflecteur est possiblement choisie inférieure à 0,75 RG. Les modalités de réduction de la taille du rayon des réflecteurs ouverts 9 sont par exemple les suivantes :
- Le rayon RRN du dernier réflecteur 9 (c'est-à-dire de rang i=N) est inférieur au rayon RR1 du premier réflecteur 9 (c'est-à- dire de rang i=1 ) ;
Le rayon R (,+I ) du réflecteur 9 de rang (i+1 ) est inférieur ou égal au rayon RRi du réflecteur 9 de rang (i), c'est-à-dire du réflecteur directement précédent.
Par exemple, le dispositif comprend, entre le premier et le dernier réflecteur ouvert 9, une pluralité de réflecteurs ouverts 9, tels qu'un réflecteur de la pluralité de rang (i+1 ) présente un rayon R (,+I) inférieur ou égal au rayon RRi d'un réflecteur de la pluralité de rang (i) directement précédent. Selon certains modes de réalisation, un réflecteur de la pluralité de rang (i) présente un rayon RR, supérieur au rayon RRj d'un réflecteur de la pluralité de rang (j>i). Selon un exemple particulier, le rayon RR(i+1 ) du réflecteur de la pluralité de rang (i+1 ) est inférieur au rayon RRi du réflecteur de la pluralité de rang (i) directement précédent, et le rayon R (Î+D du réflecteur de la pluralité de rang (i+1 ) est supérieur au rayon RRN du dernier réflecteur 9 et le rayon RRi du réflecteur de la pluralité de rang (i) est inférieur au rayon RRi du premier réflecteur 9, c'est-à- dire que l'ensemble des N réflecteurs présente alors un rayon strictement décroissant du premier au dernier, par exemple selon une fonction affine ou exponentielle.
Là où les électrons, en franchissant la cathode virtuelle, reprennent de l'énergie à l'onde microonde qui se propage dans le guide d'ondes 5, le rayon RR(,+i) du réflecteur de rang (i+1 ) est réduit par rapport au rayon RRi du réflecteur de rang (i), afin de localiser les électrons au voisinage de l'axe z du guide d'ondes 5 les empêchant d'interagir avec l'onde microonde 7 dans les emplacements où celle-ci présente des amplitudes de champs électromagnétiques maximales. La position moyenne de la cathode virtuelle formée au-delà du réflecteur de rang (i+1 ) est ainsi éloignée de la zone où l'amplitude de l'onde est forte.
Les performances d'un tel dispositif sont accrues par rapport à celles d'un Vircator axial classique de l'art antérieur connu (i.e. sans réflecteur), et d'un Vircator axial avec réflecteurs de l'art antérieur connu.
EXEMPLES DETAILLES DE MODES DE REALISATION
Le comportement d'un Vircator axial comprenant N réflecteurs ouverts 9 selon un mode de réalisation de l'invention, tel que représenté par exemple figure 5 pour N=5, a été simulé. Les configurations simulées comprennent 1 à 5 réflecteurs selon le cas, c'est-à-dire N = 1 , ... 5, et sont résumées dans le tableau de la figure 7.
Pour mettre en évidence les propriétés revendiquées, les performances du dispositif simulé selon un mode de réalisation de l'invention sont comparées à celles d'un Vircator axial classique selon l'état de l'art connu (tel que représenté par exemple figure 1 , sans réflecteur, i.e. pour N=0), et à celles d'un dispositif témoins comprenant N réflecteurs, tous ouverts et de rayon constant, selon les configurations résumées dans le tableau de la figure 6, et par exemple représenté schématiquement figure 4 pour N=5.
- Selon l'exemple de réalisation de la présente invention simulé, le dispositif est dimensionné de telle sorte que le rayonnement électromagnétique microonde est généré à une fréquence voisine de
3 GHz (gigahertz) pour une tension appliquée à la diode de 500 kV (kilovolts). Le dimensionnement est ainsi le suivant :
- dAk = 23 mm,
- Rc= 45 mm,
- Et le guide d'ondes cylindrique 5 est de de rayon RG = 76 mm.
Dans le présent exemple, le guide d'ondes cylindrique 5 présente en outre une longueur de 500 mm.
Le dispositif selon des modes de réalisation de l'invention comprend N réflecteurs 9 ouverts (N valant entre 1 et 5 selon le cas simulé), situés dans le guide d'ondes cylindrique 5.
Tous les réflecteurs ouverts 9 sont mis au même potentiel que l'anode 3, 4 et que le guide d'ondes cylindrique 5.
Comme expliqué précédemment, le premier réflecteur ouvert 9 est positionné de façon à ce que la première cathode virtuelle soit sensiblement au centre de la pseudo-cavité cylindrique 1 1 formée par l'anode mince 4, ce premier réflecteur ouvert 9 et le guide d'ondes 5. La distance longitudinale D1 qui sépare le premier réflecteur ouvert 9 de l'anode mince 4 est de l'ordre du double de la distance dAk qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2. De même le réflecteur ouvert 9 de rang (i+1 ) est positionné de façon à ce que la (i+1 )eme cathode virtuelle se forme au centre de la pseudo-cavité formée par le réflecteur 9 ouvert de rang (i), le réflecteur ouvert 9 de rang (i+1 ) et la paroi interne du guide d'ondes 5. La distance longitudinale qui sépare deux réflecteurs successifs ((i) et (i+1 )) est sensiblement égale à la distance D1 . Comme le précise la figure 7, dans les dispositifs simulés, les distances D1 valent par exemple 60 mm (la figure 7 indiquant les distances de chaque réflecteur par rapport à l'anode mince 4), le rayon interne R du premier réflecteur est supérieur à 0,75 RG, et vaut ici 60 mm (soit environ 0,8 RG), et les réflecteurs ouverts 9 de rang (i > 1 ) ont un rayon RRi inférieur ou égal au rayon Rm du premier réflecteur (celui de rang i=1 ), le dernier réflecteur ayant un rayon RRN inférieur au rayon Rm du premier réflecteur. En l'occurrence, le rayon RR2 du deuxième réflecteur 9 est égal à celui du premier réflecteur (soit 60 mm), c'est-à-dire RR2 = RRI = 60 mm, le rayon du troisième réflecteur est réduit (par rapport aux deux précédents) à 50 mm (soit environ 0,66 RG), le rayon du quatrième réflecteur est maintenu à 50 mm, et le rayon du cinquième réflecteur est réduit à 40 mm, c'est-à-dire environ 0,5 RG- Ainsi, au moins le dernier réflecteur a un rayon inférieur à 0,75 RG, et en l'occurrence, le rayon d'un réflecteur est inférieur à 0,75RG à partir du troisième réflecteur. On remarque en outre ici que tous les rayons inférieurs à R sont en outre inférieurs à 0,75RG- Dans cet exemple, les rayons des réflecteurs sont égaux deux à deux, dans la mesure du possible puisque le dispositif décrit ici comprend cinq réflecteurs, et lors d'une réduction, les rayons sont réduits d'un pas constant valant ici 10 mm. Il y a ainsi un pas entre le deuxième et le troisième réflecteur, et entre le quatrième et le cinquième réflecteur.
Pour comparaison des résultats, les dispositifs témoins à N réflecteurs ouverts et de rayon constant sont détaillés dans le tableau de la figure 6, qui précise le nombre, le positionnement par rapport à l'anode mince 4, et le rayon des réflecteurs présents dans les différentes réalisations considérées. Les réflecteurs 9 des dispositifs témoins sont tous ouverts. Leur positionnement est identique à celui du dispositif selon l'invention. Le rayon de chaque réflecteur est quant à lui maintenu constant, à 60 mm, i.e. tous les réflecteurs ouverts 9 des dispositifs témoins présentent des rayons identiques.
Suite à des simulations, comme le montre la figure 8, par rapport à un Vircator axial classique sans réflecteur (N=0) selon l'état de l'art connu (tel que représenté figure 1 ), le dispositif à 5 réflecteurs selon un mode de réalisation de l'invention (N=5, par exemple représenté figure 5) permet de générer un rayonnement microonde de forte puissance (à une fréquence voisine de 3 GHz) avec un rendement en puissance près de 21 fois plus élevé, soit un rendement de 21 % environ. Et par rapport à un dispositif témoin avec N réflecteurs 9 ouverts et de rayon constant (par exemple représenté figure 4 avec N=5 réflecteurs), le dispositif selon un mode de réalisation de l'invention permet, en réduisant la taille des réflecteurs, d'améliorer le rendement en puissance pour un nombre de réflecteurs supérieur ou égal à 3 (N>3), en conservant la fréquence d'émission (ce dernier point étant illustré figure 9). En effet, la figure 8 montre que le rendement optimal d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention avec cinq réflecteurs (N=5) est d'environ 1 ,6 fois plus élevé que le rendement optimal des dispositifs témoins, c'est-à-dire qu'un Vircator axial comprenant N=3 réflecteurs ouverts de rayon constant.
Bien sûr, la présente invention ne se limite pas à la description précédente, mais s'étend à toute variante dans le cadre des revendications ci- après.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante, en configuration axiale, comportant une cathode (2), et une anode mince (4) positionnée à une entrée d'un guide d'ondes cylindrique (5) de rayon RG, l'anode mince (4) étant située entre la cathode (2) et le guide d'ondes (5), le dispositif comprenant en outre au moins un premier réflecteur ouvert (9) et un dernier réflecteur ouvert (9) localisés dans le guide d'ondes (5), et transparents aux électrons et aptes à réfléchir une onde microonde (7) créée par au moins une cathode virtuelle (6) générée dans le guide d'ondes (5), le premier réflecteur ouvert (9) étant le réflecteur le plus proche de l'anode mince (4), et le dernier réflecteur ouvert (9) étant le réflecteur le plus proche d'une sortie du guide d'ondes (5), le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de réflecteurs ouverts (9), dont le premier et le dernier réflecteur ouvert (9) tels qu'un réflecteur de la pluralité présente un rayon RR(i+1 ) inférieur ou égal à un rayon RRi d'un réflecteur de la pluralité directement précédent et en ce que le dernier réflecteur ouvert (9) présente un rayon RRN inférieur à un rayon RRi du premier réflecteur ouvert (9).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'un réflecteur de la pluralité de rang (i) présente un rayon RRi supérieur au rayon RRj d'un réflecteur de la pluralité de rang (j>i).
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le rayon RR(,+i) du réflecteur de la pluralité de rang (i+1 ) est inférieur au rayon RRi du réflecteur de la pluralité de rang (i) directement précédent, et en ce que le rayon R (,+I ) du réflecteur de la pluralité de rang (i+1 ) est supérieur au rayon RRN du dernier réflecteur (9) et le rayon RRi du réflecteur de la pluralité de rang (i) est inférieur au rayon RR1 du premier réflecteur (9).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rayon RRi du premier réflecteur ouvert (9) est égal ou supérieur à 0,75 RG.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins le rayon RRN du dernier réflecteur (9) est inférieur à 0,75 RG.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rayon RRN du dernier réflecteur (9) est inférieur à 0,5
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rayon RR2 d'un deuxième réflecteur (9) est inférieur à
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pluralité de réflecteurs ouverts (9) comporte au moins trois réflecteurs ouverts (9).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins un réflecteur ouvert (9) est réalisé en mylar aluminisé.
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