EP3087580B1 - Microwave wave generator device with oscillating virtual cathode, with axial geometry, comprising at least one reflector and a magnetic ring, which is configured to be powered by a high-impedance generator - Google Patents
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- EP3087580B1 EP3087580B1 EP14830991.7A EP14830991A EP3087580B1 EP 3087580 B1 EP3087580 B1 EP 3087580B1 EP 14830991 A EP14830991 A EP 14830991A EP 3087580 B1 EP3087580 B1 EP 3087580B1
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- H01J25/74—Tubes specially designed to act as transit-time diode oscillators, e.g. monotrons
Definitions
- the present invention relates to an oscillating virtual cathode microwave wave generating device (often referred to as VIRCATOR, derived from the English expression "VIRtual CAthode oscillaTOR”).
- VIRCATOR oscillating virtual cathode microwave wave generating device
- VIRCATOR An oscillating virtual cathode wave generator device of the prior art, or VIRCATOR, is shown schematically on the figure 1 .
- the VIRCATOR comprises a diode consisting of a cathode 2 and an anode 3 + 4, emitting an electron beam 1, and a cylindrical waveguide 5.
- the anode consists of a thick armature 3 and a thin sheet 4 (often referred to hereafter as "thin anode 4" for simplification).
- the term "thin” is used here to mean that the sheet of the anode 4 has a thickness of the order of a micrometer, that is to say of a few microns or even a few tenths of a micrometer.
- the thin sheet 4 is coupled to the cylindrical waveguide 5.
- the thin anode 4 separates the cathode 2 from the cylindrical waveguide 5 by being located at an input of the waveguide 5, at an interface between the thick frame 3 and the waveguide 5; and the thick frame 3 generally surrounds the cathode 2.
- This type of device is known to produce microwave pulses of high power.
- a potential difference is applied across the terminals of 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 representing a longitudinal axis of the cylindrical waveguide 5, cancel each other out.
- the electron beam 1 then begins to pinch under the effect of its magnetic field.
- the current entering the cylindrical waveguide 5 exceeds the space charge limiting current (called the "critical" current, noted I c )
- the electron density becomes so strong that the beam can no longer propagate in the waveguide 5.
- a charge accumulation 6, commonly called “virtual cathode 6” is then formed beyond the thin sheet 4.
- the virtual cathode 6 deviates many electrons until some return to the cathode 2, through the thin sheet 4.
- the radius of the beam r entering the waveguide is of the order of the radius of the cylindrical waveguide R G.
- An order of magnitude of the critical current I c (in kilo-amperes) is then given by the following simplified expression: I vs ⁇ 17 ⁇ 2 / 3 - 1 3 / 2
- the figure 1 represents a formation of an oscillating virtual cathode in a VIRCATOR-type device of the prior art when the beam current exceeds the critical current in the waveguide 5.
- the figure 2 represents the characteristic "diamond" signature of the oscillating virtual cathode 6 in the phase space with the acceleration and deceleration of the electrons at the passage of the thin anode 4 in their path of the cathode 2 to the virtual cathode 6 and vice versa, that is to say the amount of movement in the longitudinal direction and depending on the longitudinal position.
- 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 distance being denoted by d AK ) .
- the electrons which are returned by the virtual cathode 6 to the cathode 2 while passing through the thin anode 4 are modulated at the frequency of the microwave wave 7 and interact with the electron beam 1 created in the space between the cathode 2 and the thin anode 4 by modulating it 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 which cross the virtual cathode 6 take up energy from the microwave wave 7 which propagates in the waveguide 5, thus decreasing its intensity.
- TM 0n the axial component of its magnetic field being zero.
- the radius R G of the cylindrical waveguide 5 is greater than the cutoff wavelength of the mode. following TM 02 .
- the radius R c of the cathode 2 then preferably satisfies the following relation: R vs ⁇ 1.8412 R BOY WUT k 01 ⁇ 0.75 ⁇ R BOY WUT
- the device described above is of simple design. Its operation is robust and does not require recourse to an external magnetic field. On the other hand, its power output (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 approximately 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.
- This type of device has for example been the subject of the patent application WO2006 / 037918 .
- An example of a device as described in this application is represented on the figures 3 and 4 .
- the reflectors are typically thin walls (that is to say of the order of one micrometer thick), transparent to the electrons and able to totally reflect the microwave wave 7 created by a virtual cathode.
- they have a circular cylindrical shape, that is to say disk. They are often made of aluminized mylar.
- a first reflector 8 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 d AK which separates the thin anode 4 from the cathode 2, such that a virtual cathode is created and positioned approximately midway between the thin anode 4 and the first reflector 8.
- an additional reflector 9 is positioned in the cylindrical waveguide 5 beyond the first reflector 8, so that the distance separating two successive reflectors is substantially twice the distance d AK that separates the reflector 8.
- thin anode 4 of the cathode 2 that is to say substantially the distance D1.
- Reflectors can be "closed” or “open”. As illustrated by figures 3 and 4 a reflector is said to be “closed” when it completely encloses a straight section of the cylindrical waveguide 5 (this is the case, for example, of the first reflector 8), and a reflector is said to be “open” when it is not obstructs a centered fraction of cross-section of the cylindrical waveguide 5, leaving a substantially annular opening 10 between the periphery of the reflector and the inner wall of the waveguide 5 (this is the case in the present example, additional reflector 9).
- the reflector farthest from the thin anode 4 is preferably open to promote the propagation of the microwave wave towards the output of the cylindrical waveguide 5, the output being the end of the cylindrical waveguide 5 opposite to where the thin anode 4 is located.
- an open reflector has a radius R greater than or equal to substantially 0.75 times the radius R G of the cylindrical waveguide 5 to reflect the maximum of the radial component of the electric field of the wave.
- the first reflector 8 has the function of reflecting the wave emitted by the virtual cathode, such as the thin anode 4.
- the wave reflected by the first reflector 8 interacts again with the electrons and the virtual cathode, amplifying the microwave wave 7.
- a first pseudo-cavity 11, cylindrical, formed between the thin anode 4, the first reflector 8 and an inner wall of the waveguide cylindrical 5 reinforces the power of the wave created by the virtual cathode. This enhancement of the wave contributes to improving the packetization of the electrons of the virtual cathode at the desired frequency.
- the microwave and packetization enhancement mechanism 7 in the first pseudo-cavity 11 is duplicated in subsequent pseudo-cavities formed by two successive reflectors (for example the first reflector 8 and the additional reflector 9 on the figure 3 ) and the cylindrical waveguide 5.
- the electromagnetic wave emitted by the (i + 1) th virtual cathode can flow in the waveguide 5 beyond the reflector (i + 1), in the direction the output of the guide, 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 emitting in band S at the output of the waveguide, that is to say in a frequency range from 2 GHz to 4 GHz, a single open reflector displays a performance improvement of the order of 4%.
- the addition of a second open reflector leads to an improvement of the order of 10%.
- All the reflectors E i are "open" to facilitate the propagation of the wave emitted by the different virtual cathodes to the output of the waveguide 5.
- the radius of the first reflector E 1 located after the thin anode 4 in the waveguide 5 is preferably greater than or equal to 0.75 R G. It thus reflects the maximum of the radial component of the electric field of the wave and thus strengthens the microwave wave emitted by the first virtual cathode, that is to say the virtual cathode formed just after the thin anode 4, between the thin anode 4 and the first reflector E 1 .
- the reflectors E 1 to E 4 are of the same radius while the last reflector, E 5 , is of smaller radius.
- a device according to the invention described in the French patent application filed under number 12/62385, and not yet published, makes it possible to considerably increase the performance of a conventional axial VIRCATOR of the prior art, and in particular of an axial VIRCATOR with reflectors of the prior art as described in the application WO2006 / 037918 .
- a device with five non-constant ray reflectors (with the radius of each reflector less than or equal to that of the immediately preceding reflector), transmitting in an S-band (i.e. in a frequency range from 2 GHz at 4 GHz), shows a return of 21%.
- the figure 6 represents a propagation of an electron beam in the waveguide 5 in quasi-laminar mode when the impedance Z of the generator is greater than the critical impedance Z c . This has the effect that no virtual cathode is formed.
- the figure 7 represents, for illustrative purposes, the absence of oscillating virtual cathode formation in the phase space. No electron can then be sent back towards the cathode 2 through the thin anode 4.
- the object of the present application is to remedy at least in part the aforementioned drawbacks, and to further lead to other advantages.
- the object of the present application is more particularly to enable an axial VIRCATOR type virtual cathode microwave generator device, with reflectors, to be able to operate while being coupled to a generator whose impedance Z exceeds the critical impedance. Z c .
- an oscillating virtual cathode microwave wave generating device having an axial geometry, comprising a cathode, a thin anode and a cylindrical waveguide, of longitudinal axis z and of radius R G , having a first end forming an inlet of the cylindrical waveguide and a second end forming an output of the cylindrical waveguide, the cathode being positioned upstream of the input of the cylindrical waveguide and configured to emitting electrons, and the thin anode being positioned at the entrance of the cylindrical waveguide, between the cathode and the cylindrical waveguide, and the device further comprising at least a first reflector located in the guide of wave, electron-transparent and configured to reflect a microwave wave created by at least one virtual cathode generated in the waveguide, the device being characterized in that it comprises in addition a narrow magnetic ring of width L M along the longitudinal axis z, positioned externally around the cylindrical waveguide at a distance d AM from the thin ano
- the magnetic ring has a width L M between about d AK and about half of the radius of the waveguide R G. It is for example equal to about d AK .
- the magnetic ring further has an inner radius R M which is greater than R G so that the magnetic ring surrounds the waveguide.
- the magnetic ring for example surrounds the waveguide at a distance from it.
- the magnetic ring is connected to the waveguide, or even in contact therewith.
- the magnetic ring has a thickness, for example, chosen by a user according to the other sizing parameters of the device.
- the magnetic ring is for example a current coil or a permanent magnet so that it is then possible to dispense with power supply.
- the distance of AM separating the magnetic ring from the thin anode along the z axis is equal to or greater than a distance d AK separating the cathode from the thin anode.
- the distance AF1 separating the first reflector from the thin anode is equal to or greater than a sum of the distance d AM , separating the magnetic ring from the thin anode, and the width L M of the ring magnetic.
- the distance of AF1 separating the first reflector from the thin anode is equal to or greater than about twice the distance of AK separating the cathode from the thin anode.
- At least the first reflector located in the waveguide is an open reflector, that is to say that it obstructs only a centered fraction of cross section of the cylindrical waveguide, leaving an opening substantially annular between a periphery of the reflector and an inner wall of the waveguide.
- the first reflector open, possibly has a radius equal to or less than 0.75 R G , the radius of the waveguide.
- the device comprises a plurality of successive reflectors positioned in the cylindrical waveguide.
- Two successive reflectors of the plurality of reflectors are for example separated from each other by a distance dF-1Fi equal to or less than about twice a distance d AK separating the cathode from the thin anode.
- two successive reflectors of the plurality of reflectors are separated from each other by a distance dF-1Fi equal to or greater than about once the distance of AK separating the cathode from the thin anode.
- Each distance is for example between one to two times the distance d AK .
- the first reflector is the one positioned closest to the thin anode. That is to say, when the device comprises a plurality of reflectors, the first reflector remains the one positioned closer to the thin anode, so that the other reflectors of the plurality are positioned downstream of the first reflector.
- the device comprises a plurality of successive reflectors
- all the reflectors are then advantageously open.
- the first reflector open, possibly has a radius equal to or less than 0.75 R G , the radius of the waveguide.
- all the reflectors may have the same radius R Fi .
- each reflector may have a radius equal to or less than that of the directly preceding reflector in the cylindrical waveguide so as to promote a guidance of the waves towards the output of the waveguide.
- the reflectors are thus successively decreasing with no lower limit, that is to say a last reflector in the waveguide, or even a second reflector (that is to say that positioned just after the first reflector), may have a radius smaller than that of the first reflector.
- the device comprises three reflectors positioned in the waveguide.
- Such a ring makes it possible to operate a VIRCATOR in axial configuration, with at least one reflector, and a high impedance generator.
- the device also gains in compactness, since a generator with High impedance typically has less bulk than a low impedance generator.
- the device according to the invention makes it possible to generate a monochromatic microwave emission.
- the device according to the invention also makes it possible to transmit at a specific frequency a maximum of microwave power on the axis in a single mode.
- the device according to the invention makes it possible to adapt a waveguide in axial configuration with reflectors to the impedance of the generator while retaining the emitted microwave frequency as well as the geometry of the waveguide.
- the device according to the invention thus makes it possible to achieve efficiencies greater than 15% with high impedance generators in axial configuration with reflectors.
- a device according to one embodiment of the invention is represented for example here on the figure 8 .
- the device of the figure 8 comprises a diode composed of a cathode 102 and an anode, itself formed of a thin sheet called thin anode 104 and a thick frame 103.
- the cathode 102 has a radius R c and the thin anode 104 typically has a thickness of the order of a micrometer, that is to say a few micrometers or even a few tenths of a micrometer.
- the device further comprises a cylindrical waveguide 105 of internal radius R G and length L G.
- the cylindrical waveguide 105 has an axis z in a longitudinal direction, forming the longitudinal axis of the device.
- the thick armature 103 surrounds the cathode 102, and the thick armature 103 and the cathode 102 are positioned at an inlet of the cylindrical waveguide 105 (left in the figure).
- the thin anode 104 is here positioned at an inlet of the cylindrical waveguide 105, between the cylindrical waveguide 105 and the thick armature 103.
- the thin anode 104 and the cathode 102 are distant from each other. other from a distance denoted by AK .
- the cathode 102, the thin anode 104, the thickness armature 103 and the cylindrical waveguide 105 are positioned relative to each other aligned and centered on the z axis. They usually have circular sections.
- the device according to the invention comprises a magnetic ring 112.
- the magnetic ring 112 is advantageously narrow, of width L M and of internal radius R M , greater than R G.
- the ring is a coil
- the ring then has for example a thickness which corresponds to a thickness of the conductive wire forming the coil.
- the width L M is approximately equal to d AK .
- a ring is for example considered narrow if L M is approximately equal to one half of the radius of the waveguide R G.
- the distance of AM is approximately equal to the distance d AK separating the cathode 102 and the anode 104.
- the narrowness (along the longitudinal direction of the cylindrical waveguide 105 represented by the z axis) of the magnetic ring 112 thus ensures a magnetic field configuration dominated by the vanishing fields.
- the magnetic ring 112 is narrow, it makes it possible to generate leakage fields configured to form a concentration of electrons between the thin anode 104 and a first reflector.
- the electrons, by winding along the lines of magnetic fields, are focused on the z axis and are, in fact, braked along the z axis.
- the beam current eventually exceeds the critical current I c locally. This results in a local accumulation of charges, which is at the origin of the formation of a so-called "non-oscillating" virtual cathode.
- the virtual cathode is here "non-oscillating" in that few electrons are pushed back to the thin anode 104.
- the magnetic field produced by the ring 112 induces a stagnation of the electrons near the z axis.
- the magnetic ring 112 is for example a current coil or a permanent magnet so that it is then possible to dispense with power supply.
- the device comprises at least a first reflector F 1 .
- the first reflector F 1 is located at a distance d AF1 from the thin anode 104 so that d AF1 is equal to or greater than the sum of d AM and L M , and preferably equal.
- the ring extends only to the first reflector and not beyond, as in devices using a magnetic field guide.
- the ring is positioned downstream of the anode, which differs from devices where the diode is immersed or semi-immersed, for example.
- the device comprises a plurality of N reflectors F i .
- the reflectors F i are located downstream of the thin anode 104 and the magnetic ring 112 in the cylindrical waveguide 105.
- the reflectors F i are transparent to the electrons and are able to totally reflect the electromagnetic waves.
- the reflectors are for example made of aluminized mylar. In operation, all the reflectors are advantageously put at the same potential as the thin anode 104.
- Each reflector has a radius R Fi and two successive reflectors are spaced from each other by a distance d 1- Fi .
- the positioning of the reflectors F i in the waveguide 105 is such that the microwave power is maximum at the output of the waveguide 105.
- the reflectors F i are for example located at distances that are variable from one another, c that is, the distance of AF1 and each distance of Fi-1Fi can be all different from each other.
- all the reflectors of the device are fixed in the cylindrical waveguide 105, but the distances separating two successive reflectors may be different from each other and different from the distance AF1 separating the first reflector F 1 from the anode thin 104.
- the distance AF1 is equal to or greater than twice the distance d AK , and each distance d Fi-1Fi is for example between one to twice the distance d AK .
- the AF1 distance d separating the first reflector F 1 of the anode 104 is possibly substantially higher than that of vircator type devices of the prior art known and the distance between the rows of reflectors i and i + 1 is also possibly less than that of known prior art VIRCATOR devices.
- the distance separating the reflector F1 from the anode and the distances separating each reflector F i from the preceding reflector, as a function of the number of reflectors F i disposed in the waveguide, are summarized in the table of the figure 12 .
- All the devices considered here make it possible to generate a mono-frequency microwave transmission in S-band on the z-axis according to the TE 11 mode.
- the generator considered here delivers a voltage of 500 kV.
- the critical current I c beyond which an electron beam no longer propagates in the cylindrical waveguide 105 is of the order 7.4 kA.
- the "critical" impedance Z c for this device is thus 67.5 ⁇ (ohm).
- the power generator considered here has an impedance of 70 ⁇ , that is to say greater than the "critical" impedance.
- the flow of the beam in the guide is therefore almost laminar.
- the conventional process of forming the oscillating virtual cathode can not therefore be triggered in an axial VIRCATOR which would be devoid of a ring.
- the formula which links the transmitted frequency to the distance d AK and the applied voltage V indicates that the distance d AK is advantageously chosen between approximately 15.6 mm and approximately 31 mm for the electromagnetic microwave radiation to be emitted in the S-band.
- AK anode-cathode distance retained here is about 22 mm.
- the radius of the cathode R c is then about 22, 5 mm.
- the cutoff frequency of the mode, f 11 1.8412c / (2 ⁇ R G ), is advantageously less than or equal to 2 GHz. This induces a radius of the guide R G greater than about 44 mm.
- the radius R G retained here is thus about 50 mm.
- the configuration of the magnetic field leads locally to an increase of the beam current in the waveguide to exceed the critical current.
- the electrons are focused on the axis and thus braked along the axis. This results in a local accumulation of charges at the origin of the formation of a virtual cathode.
- This virtual cathode is non-oscillating, few electrons are pushed towards the anode, the majority of the electrons are re-accelerated towards the exit of the guide.
- the magnetic field induces stagnation of the electrons in the vicinity of the axis.
- the magnetic configuration is provided by the magnetic ring positioned here at a distance of AM from the anode of about 29 mm.
- the first reflector coupled to the magnetic ring, makes it possible to create the first oscillating virtual cathode behind the first reflector, that is to say downstream of the first reflector.
- the second reflector F 2 in a configuration with two reflectors, the second reflector F 2 is positioned at a distance d F1-F2 of 25 mm from the first reflector F 1 ; and in a configuration with three reflectors, the second reflector F 2 is positioned at a distance d F1-F2 of 29 mm from the first reflector F 1 , and the third reflector is positioned at a distance d F2-F3 of 25 mm from the second reflector F 2 .
- the figure 11 represents the iso-contours of the intensity of the magnetic field in longitudinal section of a device according to the invention comprising here a reflector.
- the maximum intensity of the magnetic field in the guide is of the order of 0.1 T (Tesla) in a section of the waveguide to the right of the magnetic ring 112, that is to say to a section positioned about half of the width L M of the magnetic ring.
- the figure 13 summarizes the performances obtained by the simulation of an axial VIRCATOR according to the invention comprising one, two or three reflectors.
- the figure 13 shows that the power emitted increases with the number of reflectors.
- the yield achieved is of the order of 2.5% with a single reflector and 17.4% with three reflectors. An optimum of yield is obtained with three reflectors.
- the addition of a fourth reflector is of little use to improve the efficiency because the number of electrons decreases and becomes insufficient in the waveguide or near the z axis.
- a device according to the invention powered by a high impedance generator makes it possible to emit microwave power in an S-band with a yield close to that obtained with a device in axial configuration with reflectors of the known prior art, powered with a low impedance generator.
- the configuration with three reflectors ensures a minimum efficiency of 13.8% for a distance d F2-F3 between a second reflector and a third reflector of between about 25 mm and about 31 mm, while maintaining the microwave emission frequency.
- a device is coupled to a higher impedance generator, while emitting at the same microwave frequency according to the TE mode 11 .
- a higher impedance generator for example, by maintaining a 500 kV supply voltage, an increase in the anode-cathode distance d AK at 30 mm induces a decrease in the accelerating field in the diode and therefore a lower emitted current, of the order of about 4 kA.
- the diode is adapted to a higher power supply impedance, for example about 125 ⁇ .
- the density of the beam emitted being then less, slightly increasing the intensity of the current of the magnetic ring at 14250 A.tours, makes it possible to generate a single-frequency microwave emission at 2.31 GHz in the TE mode 11 with a yield of 12 %.
- This performance can for example be improved by adjusting the positioning of the reflectors in the guide.
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Description
La présente invention concerne un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante (souvent désigné par le vocable de type VIRCATOR, découlant de l'expression anglaise de « VIRtual CAthode oscillaTOR »). L'article de
Un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante de l'art antérieur, ou VIRCATOR, est représenté schématiquement sur la
Le VIRCATOR comprend une diode 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 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 4 présente une épaisseur de l'ordre du micromètre, c'est-à-dire de quelques micromètres voire de quelques dixièmes de micromètres. La feuille mince 4 est couplée au guide d'ondes cylindrique 5. En d'autres termes, l'anode mince 4 sépare la cathode 2 du guide d'ondes cylindrique 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 généralement la cathode 2.The VIRCATOR comprises a diode consisting of a
Ce type de dispositif est connu pour produire des impulsions microondes de fortes puissances.This type of device is known to produce microwave pulses of high power.
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 représentant un axe longitudinal du guide d'ondes cylindrique 5, s'annulent. Le faisceau d'électrons 1 commence alors 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 (dit courant « critique », noté Ic), 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 au-delà de 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.For this purpose, a potential difference is applied across the terminals of the
En régime relativiste, une estimation du courant critique Ic est donnée par :
Compte tenu de l'éclatement du faisceau à l'émission dans la diode, le rayon du faisceau r entrant dans le guide d'ondes est de l'ordre du rayon du guide d'ondes cylindrique RG. Un ordre de grandeur du courant critique Ic (en kilo-Ampère) est alors donné par l'expression simplifiée suivante :
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.While approaching the
La
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 distance 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 7 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.The
Parallèlement, les électrons qui franchissent la cathode virtuelle 6 reprennent de l'énergie à l'onde microonde 7 qui se propage dans le guide d'ondes 5, diminuant ainsi son intensité.At the same time, the electrons which cross the
Le dimensionnement d'un VIRCATOR axial selon l'état de l'art connu est le suivant :
- La fréquence f de l'onde microonde 7 émise (exprimée en GHz) est fonction de la distance dAK (exprimée en cm) qui sépare la
cathode 2 de l'anodemince 4, et du facteur relativiste γ des électrons au niveau de l'anodemince 4 en relation avec la différence de potentiel appliquée à ladiode 2+3+4. Cette fréquence peut être estimée par la formule suivante :
- The frequency f of the microwave transmitted wave 7 (expressed in GHz) is a function of the distance d AK (expressed in cm) between the
cathode 2 of thethin anode 4 and the relativistic factor γ electrons at thethin anode 4 in relation to the potential difference applied to thediode 2 + 3 + 4. This frequency can be estimated by the following formula:
L'onde microonde 7, 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 d'ondes cylindrique 5 dans le seul mode TM01, il faut que le rayon RG du guide d'ondes cylindrique 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 :
La longueur du guide d'ondes 5 est, de préférence, égale à plusieurs fois la longueur d'onde λ de l'onde électromagnétique 7 (λ = c/f).The length of the
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 7 se propage dans le seul mode TM01 et considérant aussi l'éclatement du faisceau à l'émission, le rayon Rc de la cathode 2 vérifie alors, de préférence, la relation suivante :
Le dispositif décrit ci-dessus est 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 d'environ 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.The device described above is of simple design. Its operation is robust and does not require recourse to an external magnetic field. On the other hand, its power output (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 approximately 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.
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 5 a été proposée.To overcome at least some of these disadvantages while maintaining an axial geometry, the implantation of one or more reflectors in the
Ce type de dispositif a par exemple fait l'objet de la demande de brevet
Les réflecteurs sont typiquement des parois fines (c'est-à-dire de l'ordre du micromètre d'épaisseur), transparents aux électrons et aptes à réfléchir totalement l'onde microonde 7 créée par une cathode virtuelle. En outre, ils présentent une forme cylindrique circulaire, c'est-à-dire de disque. Ils sont souvent réalisés en mylar aluminisé.The reflectors are typically thin walls (that is to say of the order of one micrometer thick), transparent to the electrons and able to totally reflect the
Dans l'exemple représenté sur la
Dans cet exemple, un réflecteur supplémentaire 9 est positionné dans le guide d'ondes cylindrique 5 au-delà du premier réflecteur 8, de telle sorte que la distance séparant deux réflecteurs successifs soit égale à sensiblement deux fois la distance dAK qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2, c'est-à-dire sensiblement la distance D1.In this example, an
Les réflecteurs peuvent être « fermés» ou « ouverts ». Comme l'illustrent les
Le réflecteur le plus éloigné de l'anode mince 4 est préférentiellement ouvert afin de favoriser la propagation de l'onde microonde vers la sortie du guide d'ondes cylindrique 5, la sortie étant l'extrémité du guide d'ondes cylindrique 5 opposée à celle où est située l'anode mince 4.The reflector farthest from the
Traditionnellement, un réflecteur ouvert présente un rayon R supérieur ou égal à sensiblement 0,75 fois le rayon RG du guide d'ondes cylindrique 5 pour réfléchir le maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde.Traditionally, an open reflector has a radius R greater than or equal to substantially 0.75 times the radius R G of the
Le premier réflecteur 8 a pour fonction de réfléchir l'onde émise par la cathode virtuelle, comme l'anode mince 4. L'onde réfléchie par le premier réflecteur 8 interagit à nouveau avec les électrons et la cathode virtuelle, amplifiant l'onde microonde 7. Une première pseudo-cavité 11, cylindrique, formée entre l'anode mince 4, le premier réflecteur 8 et une paroi interne du guide d'ondes cylindrique 5 permet de renforcer la puissance de l'onde créée par la cathode virtuelle. Ce renforcement de l'onde contribue à améliorer la mise en paquets des électrons de la cathode virtuelle à la fréquence souhaitée.The
En introduisant une pluralité de réflecteurs dans le dispositif (c'est-à-dire un nombre N), le mécanisme de renforcement de l'onde microonde 7 et de mise en paquets qui a cours dans la première pseudo-cavité 11 est dupliqué dans des pseudo-cavités suivantes formées par deux réflecteurs successifs (par exemple le premier réflecteur 8 et le réflecteur supplémentaire 9 sur la
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)ème cathode virtuelle dont la fréquence d'oscillation est déterminée par la pseudo-cavité 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 7 émise par la (i+1)ème cathode virtuelle et la mise en paquets des électrons.Thus the electrons which cross the reflector of rank (i) (1 ≤ i ≤ N-1, where N is the total number of reflectors present) create a virtual (i + 1) th cathode whose oscillation frequency is determined by the pseudo-cavity formed by the row reflectors (i) and (i + 1) and the inner wall of the
Si le réflecteur (i+1) est ouvert, l'onde électromagnétique émise par la (i+1)ème cathode virtuelle peut s'écouler dans le guide d'ondes 5 au-delà du réflecteur (i+1), en direction de la sortie du guide, via l'ouverture annulaire 10 présente entre la périphérie du réflecteur (i+1) et la paroi interne du guide d'ondes 5.If the reflector (i + 1) is open, the electromagnetic wave emitted by the (i + 1) th virtual cathode can flow in the
Ce type de dispositif avec réflecteurs permet d'obtenir des performances sensiblement améliorées par rapport aux dispositifs de l'art antérieur sans réflecteur.This type of device with reflectors makes it possible to obtain significantly improved performances compared with devices of the prior art without a reflector.
Un dispositif, émettant en bande S en sortie du guide d'ondes, c'est-à-dire dans une gamme de fréquences allant de 2 GHz à 4 GHz, à un seul réflecteur ouvert 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 10%.A device, emitting in band S at the output of the waveguide, that is to say in a frequency range from 2 GHz to 4 GHz, a single open reflector displays a performance improvement of the order of 4%. The addition of a second open reflector leads to an improvement of the order of 10%.
Toutefois, pour un tel dispositif comprenant des réflecteurs, il existe un nombre optimal de réflecteurs au-delà duquel le rendement en puissance décroît. Par exemple, un dispositif avec trois réflecteurs ouverts affiche un optimum de rendement de l'ordre de 13%.However, for such a device comprising reflectors, there is an optimal number of reflectors beyond which the power output decreases. For example, a device with three open reflectors displays an optimum efficiency of the order of 13%.
Pour encore augmenter le rendement d'un dispositif de type VIRCATOR avec réflecteurs tel que décrit précédemment, la demande de brevet français déposée sous le numéro 12/62385, et non encore publiée, décrit un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante comportant une pluralité de réflecteurs. Tous les réflecteurs sont alors ouverts avec le rayon de chacun des réflecteurs de la pluralité qui est inférieur ou égal au rayon du réflecteur précédent, le rayon du dernier réflecteur étant inférieur au rayon du premier réflecteur. Un tel dispositif est par exemple représenté
Le dispositif de la
Tous les réflecteurs Ei sont « ouverts» pour faciliter la propagation de l'onde émise par les différentes cathodes virtuelles vers la sortie du guide d'ondes 5.All the reflectors E i are "open" to facilitate the propagation of the wave emitted by the different virtual cathodes to the output of the
Le rayon du premier réflecteur E1 localisé après l'anode mince 4 dans le guide d'ondes 5 est préférentiellement supérieur ou égal à 0,75RG. Il réfléchit ainsi le maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde et renforce ainsi l'onde microonde émise par la première cathode virtuelle, c'est-à-dire la cathode virtuelle formée juste après l'anode mince 4, entre l'anode mince 4 et le premier réflecteur E1.The radius of the first reflector E 1 located after the
Le rayon des réflecteurs Ei 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 sont par exemple les suivantes:
- Le rayon du réflecteur de rang (i+1) est inférieur ou égal au rayon du réflecteur de rang i, c'est-à-dire du réflecteur directement précédent ;
- Le rayon du dernier réflecteur (ici E5, ou noté de manière plus générale EN, quel que soit N) est inférieur au rayon du premier réflecteur E1.
- The radius of the reflector of rank (i + 1) is less than or equal to the radius of the reflector of rank i, that is to say of the directly preceding reflector;
- The radius of the last reflector (here E 5 , or noted more generally E N , whatever N) is smaller than the radius of the first reflector E 1 .
Dans l'exemple de réalisation de la
Un dispositif selon l'invention décrite dans la demande de brevet français déposée sous le numéro 12/62385, et non encore publiée, permet d'accroître considérablement les performances d'un VIRCATOR axial classique de l'art antérieur, et en particulier d'un VIRCATOR axial avec réflecteurs de l'art antérieur comme décrit dans la demande
Le fonctionnement des dispositifs de type VIRCATOR de l'art antérieur, décrits ci-dessus, est cependant limité à des générateurs d'alimentation dont l'impédance Z est inférieure à une impédance dite « critique», notée Zc. Cette impédance critique Zc est définie comme le rapport de la tension d'alimentation V sur le courant critique Ic défini précédemment, c'est-à-dire Zc = V/Ic.The operation of the VIRCATOR type devices of the prior art, described above, however, is limited to power generators whose impedance Z is less than a so-called "critical" impedance, noted Z c . This critical impedance Z c is defined as the ratio of the supply voltage V to the critical current I c defined above, that is to say Z c = V / I c .
La
L'objet de la présente demande vise à remédier au moins en partie aux inconvénients précités, et à mener en outre à d'autres avantages.The object of the present application is to remedy at least in part the aforementioned drawbacks, and to further lead to other advantages.
L'objet de la présente demande vise plus particulièrement à permettre à un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle de type VIRCATOR axial, avec réflecteurs, de pouvoir fonctionner en étant couplé à un générateur dont l'impédance Z dépasse l'impédance critique Zc.The object of the present application is more particularly to enable an axial VIRCATOR type virtual cathode microwave generator device, with reflectors, to be able to operate while being coupled to a generator whose impedance Z exceeds the critical impedance. Z c .
A cet effet, est proposé, selon un premier aspect, un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante, à géométrie axiale, comportant une cathode, une anode mince et un guide d'ondes cylindrique, d'axe longitudinal z et de rayon RG, présentant une première extrémité formant une entrée du guide d'ondes cylindrique et une deuxième extrémité formant une sortie du guide d'ondes cylindrique, la cathode étant positionnée en amont de l'entrée du guide d'ondes cylindrique et configurée pour émettre des électrons, et l'anode mince étant positionnée à l'entrée du guide d'ondes cylindrique, entre la cathode et le guide d'ondes cylindrique, et le dispositif comprenant en outre au moins un premier réflecteur localisés dans le guide d'ondes, transparent aux électrons et configuré pour réfléchir une onde microonde créée par au moins une cathode virtuelle générée dans le guide d'ondes, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une bague magnétique étroite de largeur LM selon l'axe longitudinal z, positionnée extérieurement autour du guide d'ondes cylindrique à une distance dAM de l'anode mince et avec le premier réflecteur positionné à une distance de l'anode mince au-delà de la bague magnétique de sorte que la bague magnétique est localisée entre l'anode mince et le premier réflecteur, la bague magnétique étant configurée pour générer un champ magnétique apte à freiner les électrons et à créer une accumulation de charges à l'origine d'une cathode virtuelle non-oscillante positionnée entre l'anode mince et le premier réflecteur.For this purpose, is proposed, in a first aspect, an oscillating virtual cathode microwave wave generating device, having an axial geometry, comprising a cathode, a thin anode and a cylindrical waveguide, of longitudinal axis z and of radius R G , having a first end forming an inlet of the cylindrical waveguide and a second end forming an output of the cylindrical waveguide, the cathode being positioned upstream of the input of the cylindrical waveguide and configured to emitting electrons, and the thin anode being positioned at the entrance of the cylindrical waveguide, between the cathode and the cylindrical waveguide, and the device further comprising at least a first reflector located in the guide of wave, electron-transparent and configured to reflect a microwave wave created by at least one virtual cathode generated in the waveguide, the device being characterized in that it comprises in addition a narrow magnetic ring of width L M along the longitudinal axis z, positioned externally around the cylindrical waveguide at a distance d AM from the thin anode and with the first reflector positioned at a distance from the thin anode beyond the magnetic ring so that the magnetic ring is located between the thin anode and the first reflector, the magnetic ring being configured to generate a magnetic field capable of braking the electrons and to create a charge accumulation at the origin of a non-oscillating virtual cathode positioned between the thin anode and the first reflector.
On entend ici par étroite que la bague magnétique présente une largeur LM comprise entre environ dAK et environ une moitié du rayon du guide d'ondes RG. Elle est par exemple égale à environ dAK.Here, narrowly meant that the magnetic ring has a width L M between about d AK and about half of the radius of the waveguide R G. It is for example equal to about d AK .
La bague magnétique présente en outre un rayon interne RM qui est supérieur à RG afin que la bague magnétique entoure le guide d'ondes. La bague magnétique entoure par exemple le guide d'ondes à distance de celui-ci. Toutefois, selon des alternatives de réalisation, la bague magnétique est reliée au guide d'ondes, voire en contact avec celui-ci.The magnetic ring further has an inner radius R M which is greater than R G so that the magnetic ring surrounds the waveguide. The magnetic ring for example surrounds the waveguide at a distance from it. However, according to alternative embodiments, the magnetic ring is connected to the waveguide, or even in contact therewith.
Enfin, la bague magnétique présente une épaisseur par exemple choisie par un utilisateur en fonction des autres paramètres de dimensionnement du dispositif. La bague magnétique est par exemple une bobine de courant ou un aimant permanent de sorte qu'il est alors possible de se dispenser d'alimentation électrique.Finally, the magnetic ring has a thickness, for example, chosen by a user according to the other sizing parameters of the device. The magnetic ring is for example a current coil or a permanent magnet so that it is then possible to dispense with power supply.
Par exemple, la distance dAM séparant la bague magnétique de l'anode mince le long de l'axe z est égale ou supérieure à une distance dAK séparant la cathode de l'anode mince.For example, the distance of AM separating the magnetic ring from the thin anode along the z axis is equal to or greater than a distance d AK separating the cathode from the thin anode.
Selon un autre exemple, la distance dAF1 séparant le premier réflecteur de l'anode mince est égale ou supérieure à une somme de la distance dAM, séparant la bague magnétique de l'anode mince, et de la largeur LM de la bague magnétique.In another example, the distance AF1 separating the first reflector from the thin anode is equal to or greater than a sum of the distance d AM , separating the magnetic ring from the thin anode, and the width L M of the ring magnetic.
Selon encore un autre exemple, la distance dAF1 séparant le premier réflecteur de l'anode mince est égale ou supérieure à environ deux fois la distance dAK séparant la cathode de l'anode mince.In yet another example, the distance of AF1 separating the first reflector from the thin anode is equal to or greater than about twice the distance of AK separating the cathode from the thin anode.
Avantageusement, au moins le premier réflecteur localisé dans le guide d'ondes est un réflecteur ouvert, c'est-à-dire qu'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.Advantageously, at least the first reflector located in the waveguide is an open reflector, that is to say that it obstructs only a centered fraction of cross section of the cylindrical waveguide, leaving an opening substantially annular between a periphery of the reflector and an inner wall of the waveguide.
Selon un exemple de réalisation particulier, le premier réflecteur, ouvert, présente possiblement un rayon égal ou inférieur à 0,75 RG, le rayon du guide d'ondes.According to a particular embodiment, the first reflector, open, possibly has a radius equal to or less than 0.75 R G , the radius of the waveguide.
Selon un mode de réalisation intéressant, le dispositif comporte une pluralité de réflecteurs successifs positionnés dans le guide d'ondes cylindrique.According to an advantageous embodiment, the device comprises a plurality of successive reflectors positioned in the cylindrical waveguide.
Deux réflecteurs successifs de la pluralité de réflecteurs sont par exemple séparés l'un de l'autre d'une distance dFi-1Fi égale ou inférieure à environ deux fois une distance dAK séparant la cathode de l'anode mince.Two successive reflectors of the plurality of reflectors are for example separated from each other by a distance dF-1Fi equal to or less than about twice a distance d AK separating the cathode from the thin anode.
Ou par exemple, deux réflecteurs successifs de la pluralité de réflecteurs sont séparés l'un de l'autre d'une distance dFi-1Fi égale ou supérieure à environ une fois la distance dAK séparant la cathode de l'anode mince.Or for example, two successive reflectors of the plurality of reflectors are separated from each other by a distance dF-1Fi equal to or greater than about once the distance of AK separating the cathode from the thin anode.
Chaque distance est par exemple comprise entre une à deux fois la distance dAK.Each distance is for example between one to two times the distance d AK .
Dans le cadre de la présente demande, que le dispositif comporte un réflecteur ou une pluralité de réflecteur, le premier réflecteur est celui positionné au plus près de l'anode mince. C'est-à-dire, lorsque le dispositif comporte une pluralité de réflecteurs, le premier réflecteur demeure celui positionné au plus près de l'anode mince, de sorte que les autres réflecteurs de la pluralité sont positionnés en aval du premier réflecteur.In the context of the present application, whether the device comprises a reflector or a plurality of reflectors, the first reflector is the one positioned closest to the thin anode. That is to say, when the device comprises a plurality of reflectors, the first reflector remains the one positioned closer to the thin anode, so that the other reflectors of the plurality are positioned downstream of the first reflector.
Dans un exemple de réalisation dans lequel le dispositif comprend une pluralité de réflecteurs successifs, tous les réflecteurs sont alors avantageusement ouverts.In an exemplary embodiment in which the device comprises a plurality of successive reflectors, all the reflectors are then advantageously open.
Et par exemple, le premier réflecteur, ouvert, présente possiblement un rayon égal ou inférieur à 0,75 RG, le rayon du guide d'ondes.And for example, the first reflector, open, possibly has a radius equal to or less than 0.75 R G , the radius of the waveguide.
En outre, lorsque le dispositif comporte une pluralité de réflecteur, tous les réflecteurs présentent possiblement un même rayon RFi.In addition, when the device comprises a plurality of reflectors, all the reflectors may have the same radius R Fi .
Toutefois, selon une alternative de réalisation, chaque réflecteur peut avoir un rayon égal ou inférieur à celui du réflecteur directement précédent dans le guide d'ondes cylindrique de sorte à favoriser un guidage des ondes vers la sortie du guide d'ondes. Les réflecteurs sont ainsi successivement décroissants sans limite inférieure, c'est-à-dire qu'un dernier réflecteur dans le guide d'ondes, voire un deuxième réflecteur (c'est-à-dire celui positionné juste après le premier réflecteur), peut avoir un rayon inférieur à celui du premier réflecteur.However, according to an alternative embodiment, each reflector may have a radius equal to or less than that of the directly preceding reflector in the cylindrical waveguide so as to promote a guidance of the waves towards the output of the waveguide. The reflectors are thus successively decreasing with no lower limit, that is to say a last reflector in the waveguide, or even a second reflector (that is to say that positioned just after the first reflector), may have a radius smaller than that of the first reflector.
Selon un exemple de réalisation privilégié, le dispositif comporte trois réflecteurs positionnés dans le guide d'ondes.According to a preferred embodiment, the device comprises three reflectors positioned in the waveguide.
Une telle bague permet de faire fonctionner un VIRCATOR en configuration axiale, avec au moins un réflecteur, et un générateur à forte impédance. Le dispositif gagne en outre en compacité, puisqu'un générateur à forte impédance présente généralement un encombrement moindre qu'un générateur de basse impédance.Such a ring makes it possible to operate a VIRCATOR in axial configuration, with at least one reflector, and a high impedance generator. The device also gains in compactness, since a generator with High impedance typically has less bulk than a low impedance generator.
Le dispositif selon l'invention permet de générer une émission microonde monochromatique.The device according to the invention makes it possible to generate a monochromatic microwave emission.
Le dispositif selon l'invention permet aussi d'émettre à une fréquence spécifique un maximum de puissance microonde sur l'axe selon un mode unique.The device according to the invention also makes it possible to transmit at a specific frequency a maximum of microwave power on the axis in a single mode.
Le dispositif selon l'invention permet d'adapter un guide d'ondes en configuration axiale avec réflecteurs à l'impédance du générateur tout en conservant la fréquence microonde émise ainsi que la géométrie du guide d'ondes.The device according to the invention makes it possible to adapt a waveguide in axial configuration with reflectors to the impedance of the generator while retaining the emitted microwave frequency as well as the geometry of the waveguide.
Le dispositif selon l'invention permet ainsi d'atteindre des rendements supérieurs à 15 % avec des générateurs à forte impédance en configuration axiale avec réflecteurs.The device according to the invention thus makes it possible to achieve efficiencies greater than 15% with high impedance generators in axial configuration with reflectors.
L'invention selon un exemple de réalisation sera bien comprise et ses avantages apparaitront 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 schématiquement un VIRCATOR axial classique de l'art antérieur selon un exemple de réalisation, selon une vue longitudinale, illustrant une création de cathode virtuelle oscillante ; - La
figure 2 présente un exemple de schéma instantané de la position des électrons dans l'espace des phases associé à la formation d'une cathode virtuelle oscillante ; - La
figure 3 représente schématiquement un VIRCATOR axial avec réflecteurs de l'art antérieur selon un exemple de réalisation tel que décrit dans le documentWO2006/037918 - La
figure 4 représente, en vue transverse du VIRCATOR de lafigure 3 , un réflecteur fermé et un réflecteur ouvert selon un exemple de réalisation ; - La
figure 5 représente un exemple de réalisation de VIRCATOR axial avec des réflecteurs ouverts tel que décrit dans la demande déposée sous le numéro 12/62385, et non encore publiée, selon une vue longitudinale ; - La
figure 6 illustre schématiquement la dynamique d'un faisceau d'électrons dans un VIRCATOR axial de l'art antérieur, par exemple sans réflecteurs, selon une vue longitudinale, quand l'impédance d'alimentation est supérieure à l'impédance critique, induisant un régime quasi laminaire et aucune formation de cathode virtuelle ; - La
figure 7 présente un exemple de schéma instantané de la position des électrons dans l'espace des phases en régime quasi laminaire, en l'absence de formation de cathode virtuelle ; - La
figure 8 présente, selon un vue longitudinale, un exemple de réalisation d'un VIRCATOR axial avec une bague magnétique selon l'invention, comportant ici des réflecteurs ouverts ; - La
figure 9 présente une vue transverse du VIRCATOR de lafigure 8 ; - La
figure 10 présente un exemple de schéma instantané de la position des électrons dans l'espace des phases dans le VIRCATOR de lafigure 8 ; - La
figure 11 présente schématiquement des iso-contours de l'intensité du champ magnétique selon une direction longitudinale du VIRCATOR de lafigure 8 ; - La
figure 12 est un tableau récapitulatif de la distance entre l'anode et le premier réflecteur et des distances entre deux réflecteurs successifs pour des simulations numériques réalisées sur des dispositifs selon des modes de réalisation de la présente invention ; et - La
figure 13 est un tableau présentant un rendement en puissance (en pourcent) d'un dispositif selon des modes de réalisation de la présente invention en fonction du nombre de réflecteurs.
- The
figure 1 schematically represents a conventional axial VIRCATOR of the prior art according to an exemplary embodiment, according to a longitudinal view, illustrating an oscillating virtual cathode creation; - The
figure 2 presents an example of an instantaneous diagram of the position of the electrons in the phase space associated with the formation of an oscillating virtual cathode; - The
figure 3 schematically represents an axial VIRCATOR with reflectors of the prior art according to an exemplary embodiment as described in the documentWO2006 / 037918 - The
figure 4 represents, in transverse view of the VIRCATOR of thefigure 3 , a closed reflector and an open reflector according to an exemplary embodiment; - The
figure 5 represents an embodiment of axial VIRCATOR with open reflectors as described in the application filed under number 12/62385, and not yet published, according to a longitudinal view; - The
figure 6 schematically illustrates the dynamics of an electron beam in an axial VIRCATOR of the prior art, for example without reflectors, in a longitudinal view, when the supply impedance is greater than the critical impedance, inducing a quasi-steady state laminar and no virtual cathode formation; - The
figure 7 presents an example of an instantaneous diagram of the position of the electrons in the phase space in quasi-laminar mode, in the absence of virtual cathode formation; - The
figure 8 presents, in a longitudinal view, an embodiment of an axial VIRCATOR with a magnetic ring according to the invention, here comprising open reflectors; - The
figure 9 presents a transverse view of the VIRCATOR of thefigure 8 ; - The
figure 10 presents an example of an instantaneous diagram of the position of the electrons in the phase space in the VIRCATOR of thefigure 8 ; - The
figure 11 schematically presents iso-contours of the intensity of the magnetic field in a longitudinal direction of the VIRCATOR of thefigure 8 ; - The
figure 12 is a summary table of the distance between the anode and the first reflector and distances between two successive reflectors for numerical simulations performed on devices according to embodiments of the present invention; and - The
figure 13 is a table showing power efficiency (in percent) of a device according to embodiments of the present invention as a function of the number of reflectors.
Un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention est représenté par exemple ici sur la
De même que pour un dispositif traditionnel (voir notamment les
Le dispositif comprend en outre un guide d'ondes cylindrique 105 de rayon interne RG et de longueur LG. Le guide d'ondes cylindrique 105 comporte un axe z selon une direction longitudinale, formant l'axe longitudinal du dispositif.The device further comprises a
L'armature épaisse 103 entour la cathode 102, et l'armature épaisse 103 et la cathode 102 sont positionnées à une entrée du guide d'ondes cylindrique 105 (à gauche sur la figure).The
L'anode mince 104 est ici positionnée à une entrée du guide d'ondes cylindrique 105, entre le guide d'ondes cylindrique 105 et l'armature épaisse 103. L'anode mince 104 et la cathode 102 sont distants l'un de l'autre d'une distance notée dAK.The
La cathode 102, l'anode mince 104, l'armature épaisseur 103 et le guide d'ondes cylindrique 105 sont positionnés les uns par rapport aux autres alignés et centrés sur l'axe z. Ils présentent généralement des sections circulaires.The
Pour émettre un rayonnement microonde sur l'axe, le rayon RG du guide d'ondes 105 est avantageusement tel que la fréquence d'émission microonde f est supérieure à la fréquence de coupure du mode fondamental TE11 et inférieure à celle du mode suivant TM01 :
Le dispositif selon l'invention comprend une bague magnétique 112.The device according to the invention comprises a
La bague magnétique 112 est avantageusement étroite, de largeur LM et de rayon interne RM, supérieur à RG. Dans un exemple de mise en oeuvre dans lequel la bague est une bobine, la bague présente alors par exemple une épaisseur qui correspond à une épaisseur du fil conducteur formant la bobine. Selon un mode de réalisation particulièrement commode, la largeur LM est environ égale à dAK. De manière générale, une bague est par exemple considérée étroite si LM est environ égale à une moitié du rayon du guide d'ondes RG.The
Elle est positionnée autour du guide d'ondes cylindrique 105, en aval de l'anode 104, à une distance dAM de l'anode 104 le long de l'axe z. De manière avantageuse, la distance dAM est environ égale à la distance dAK séparant la cathode 102 et l'anode 104.It is positioned around the
L'étroitesse (selon la direction longitudinale du guide d'ondes cylindrique 105 représentée par l'axe z) de la bague magnétique 112 assure ainsi une configuration de champ magnétique dominée par les champs de fuite. Autrement dit, du fait que la bague magnétique 112 est étroite, elle permet de générer des champs de fuite configurés pour former une concentration d'électrons entre l'anode mince 104 et un premier réflecteur. Les électrons, en s'enroulant le long des lignes de champs magnétiques, sont focalisés sur l'axe z et sont, de fait freinés le long de l'axe z. Le courant du faisceau finit par dépasser localement le courant critique Ic. Il en résulte une accumulation locale de charges, qui est à l'origine de la formation d'une cathode virtuelle dite « non-oscillante ». La cathode virtuelle est ici « non-oscillante » en ce sens que peu d'électrons sont repoussés vers l'anode mince 104. Le champ magnétique produit par la bague 112 induit une stagnation des électrons à proximité de l'axe z.The narrowness (along the longitudinal direction of the
La bague magnétique 112 est par exemple une bobine de courant ou un aimant permanent de sorte qu'il est alors possible de se dispenser d'alimentation électrique.The
Selon un mode particulièrement avantageux de la présente invention, le dispositif comporte au moins un premier réflecteur F1. Le premier réflecteur F1 est situé à une distance dAF1 de l'anode mince 104 de sorte que dAF1 est égale ou supérieure à la somme de dAM et LM, et de préférence égale.According to a particularly advantageous embodiment of the present invention, the device comprises at least a first reflector F 1 . The first reflector F 1 is located at a distance d AF1 from the
Autrement dit, la bague ne s'étend que jusqu'au premier réflecteur et non au-delà, comme dans les dispositifs ayant recours à un champ magnétique de guidage. La bague est positionnée en aval de l'anode, ce qui diffère des dispositifs où la diode est immergée ou semi-immergée par exemple.In other words, the ring extends only to the first reflector and not beyond, as in devices using a magnetic field guide. The ring is positioned downstream of the anode, which differs from devices where the diode is immersed or semi-immersed, for example.
Et selon un mode de réalisation privilégié, le dispositif comporte une pluralité de N réflecteurs Fi.And according to a preferred embodiment, the device comprises a plurality of N reflectors F i .
Dans le présent exemple de réalisation illustré
Chaque réflecteur a un rayon RFi et deux réflecteurs successifs sont distants l'un de l'autre d'une distance dFi-1Fi.Each reflector has a radius R Fi and two successive reflectors are spaced from each other by a distance d 1- Fi .
Le positionnement des réflecteurs Fi dans le guide d'ondes 105 est tel que la puissance microonde est maximale en sortie du guide d'ondes 105. En outre, les réflecteurs Fi sont par exemple situés à distances variables les uns des autres, c'est-à-dire la distance dAF1 et chaque distance dFi-1Fi peuvent être toutes différentes les unes des autres. Autrement dit, tous les réflecteurs du dispositif sont fixés dans le guide d'ondes cylindrique 105, mais les distances séparant deux réflecteurs successifs peuvent être différentes les unes des autres et différentes de la distance dAF1 séparant le premier réflecteur F1 de l'anode mince 104.The positioning of the reflectors F i in the
Avantageusement, la distance dAF1 est égale ou supérieure à deux fois la distance dAK, et chaque distance dFi-1Fi est par exemple comprise entre une à deux fois la distance dAK. En effet, comme les électrons sont mis en rotation azimutale dans le guide d'ondes cylindrique 105 par le champ magnétique de la bague 112, la distance dAF1 séparant le premier réflecteur F1 de l'anode 104 est possiblement sensiblement supérieure de celle des dispositifs de type VIRCATOR de l'art antérieur connus et la distance entre les réflecteurs de rangs i et i+1 est aussi possiblement inférieure à celle des dispositifs de type VIRCATOR de l'art antérieur connus.Advantageously, the distance AF1 is equal to or greater than twice the distance d AK , and each distance d Fi-1Fi is for example between one to twice the distance d AK . Indeed, as the electrons are rotated azimuthally in the
Si le courant du faisceau est suffisant au niveau d'un réflecteur de rang i, une cathode virtuelle oscillante est initiée derrière celui-ci, c'est-à-dire en aval du réflecteur de rang i.If the current of the beam is sufficient at a reflector of rank i, an oscillating virtual cathode is initiated behind it, that is to say downstream of the reflector of rank i.
La mise en rotation des électrons par le champ magnétique de la bague 112 conjuguée à l'effet de la force centrifuge conduit à l'éclatement du faisceau après le dernier réflecteur FN (ici F3). Une grande partie des électrons est absorbée par la paroi interne du guide d'ondes cylindrique 105, les électrons restant sont éloignés du centre du guide d'ondes cylindrique 105, c'est-à-dire de l'axe z, ce qui minimise toute interaction possible entre les électrons et les ondes magnétiques au centre du guide d'ondes cylindrique 105 où se situe le maximum de la puissance microonde du mode TE11.The rotation of the electrons by the magnetic field of the
Le comportement d'un VIRCATOR axial émettant en bande S et comprenant N réflecteurs Fi et une bague magnétique 112 a été simulé numériquement.The behavior of an axial VIRCATOR emitting in the S-band and comprising N reflectors F i and a
Dans les dispositifs simulés, le guide d'ondes cylindrique 105 est ici de longueur LG=500 mm.In the simulated devices, the
Ils comprennent 1 à 3 réflecteurs, c'est à dire N = 1, 2 ou 3, ouverts en leur périphérie, de rayon constant RFi inférieur à RG.They comprise 1 to 3 reflectors, ie N = 1, 2 or 3, open at their periphery, of constant radius R Fi less than R G.
La distance séparant le réflecteur F1 de l'anode et les distances séparant chaque réflecteur Fi du réflecteur précédent, en fonction du nombre de réflecteurs Fi disposés dans le guide d'ondes sont récapitulées dans le tableau de la
Tous les dispositifs considérés ici permettent de générer une émission microonde mono-fréquence en bande S sur l'axe z selon le mode TE11.All the devices considered here make it possible to generate a mono-frequency microwave transmission in S-band on the z-axis according to the TE 11 mode.
Le générateur considéré ici délivre une tension de 500 kV.The generator considered here delivers a voltage of 500 kV.
Le courant critique Ic au-delà duquel un faisceau d'électrons ne se propage plus dans le guide d'ondes cylindrique 105 est de l'ordre 7,4 kA. L'impédance « critique » Zc pour ce dispositif est ainsi de 67,5 Ω (ohm).The critical current I c beyond which an electron beam no longer propagates in the
Le générateur d'alimentation considéré ici a une impédance de 70 Ω, c'est-à-dire supérieure à l'impédance « critique ».The power generator considered here has an impedance of 70 Ω, that is to say greater than the "critical" impedance.
L'écoulement du faisceau dans le guide est donc quasi laminaire. Le processus classique de formation de la cathode virtuelle oscillante ne peut donc pas être déclenché dans un VIRCATOR axial qui serait dépourvu de bague.The flow of the beam in the guide is therefore almost laminar. The conventional process of forming the oscillating virtual cathode can not therefore be triggered in an axial VIRCATOR which would be devoid of a ring.
La formule qui relie la fréquence émise à la distance dAK et la tension appliquée V indique que la distance dAK est avantageusement choisie entre environ 15,6 mm et environ 31 mm pour que le rayonnement électromagnétique microonde soit émis dans la bande S. La distance anode-cathode dAK retenue ici est d'environ 22 mm.The formula which links the transmitted frequency to the distance d AK and the applied voltage V indicates that the distance d AK is advantageously chosen between approximately 15.6 mm and approximately 31 mm for the electromagnetic microwave radiation to be emitted in the S-band. AK anode-cathode distance retained here is about 22 mm.
Pour que le courant émis par la cathode soit adapté à une impédance de 70 Ω avec une alimentation de 500 kV et une distance anode-cathode dAK d'environ 22 mm, le rayon de la cathode Rc est alors d'environ 22,5 mm.In order for the current emitted by the cathode to be adapted to an impedance of 70 Ω with a supply of 500 kV and an anode-cathode distance d AK of approximately 22 mm, the radius of the cathode R c is then about 22, 5 mm.
Afin que l'émission microonde dans la bande S soit mise en forme selon le mode fondamental TE11 du guide d'ondes cylindrique 105, la fréquence de coupure du mode, f11 = 1,8412c/(2πRG), est avantageusement inférieure ou égale à 2 GHz. Ceci induit un rayon du guide RG supérieur à environ 44 mm.In order for the microwave transmission in the band S to be shaped according to the fundamental mode TE 11 of the
Le rayon RG retenu ici est ainsi d'environ 50 mm.The radius R G retained here is thus about 50 mm.
La configuration du champ magnétique conduit localement à une augmentation du courant du faisceau dans le guide d'ondes pour dépasser le courant critique. Sous l'effet des champs de fuite, les électrons sont focalisés sur l'axe et de fait freinés le long de l'axe. Il en résulte une accumulation locale de charges à l'origine de la formation d'une cathode virtuelle. Cette cathode virtuelle est non oscillante, peu d'électrons sont repoussés vers l'anode, la majorité des électrons sont ré-accélérés vers la sortie du guide. Le champ magnétique induit une stagnation des électrons au voisinage de l'axe.The configuration of the magnetic field leads locally to an increase of the beam current in the waveguide to exceed the critical current. Under the effect of the leakage fields, the electrons are focused on the axis and thus braked along the axis. This results in a local accumulation of charges at the origin of the formation of a virtual cathode. This virtual cathode is non-oscillating, few electrons are pushed towards the anode, the majority of the electrons are re-accelerated towards the exit of the guide. The magnetic field induces stagnation of the electrons in the vicinity of the axis.
La configuration magnétique est assurée par la bague magnétique positionnée ici à une distance dAM de l'anode d'environ 29 mm.The magnetic configuration is provided by the magnetic ring positioned here at a distance of AM from the anode of about 29 mm.
Dans les exemples de réalisation considérés ici, la bague créant le champ magnétique est ici une bobine de courant de 12750 A.tours (Ampère-tours) avec comme dimensions LM = 25 mm et RM = 60,5 mm.In the exemplary embodiments considered here, the ring creating the magnetic field is here a current coil of 12750 A.tours (ampere-turns) with L M = 25 mm and R M = 60.5 mm.
Le premier réflecteur ouvert de rayon RF1 = 35 mm est positionné au niveau de la face arrière de la bague magnétique, à une distance de l'anode dAF1 = 54 mm, comme l'indique la
Le positionnement des réflecteurs suivants, pour les exemples de mises en oeuvre comportant deux ou trois réflecteurs, de rayon RFi = 35 mm, optimise la puissance microonde émise dans la bande S.The positioning of the following reflectors, for implementation examples comprising two or three reflectors, radius R Fi = 35 mm, optimizes the microwave power emitted in the S-band.
Selon la
La
La
La
Ainsi, un dispositif selon l'invention alimenté par un générateur à haute impédance permet d'émettre une puissance microonde en bande S avec un rendement proche de celui obtenu avec un dispositif en configuration axiale avec réflecteurs de l'art antérieur connu, alimenté avec un générateur de basse impédance.Thus, a device according to the invention powered by a high impedance generator makes it possible to emit microwave power in an S-band with a yield close to that obtained with a device in axial configuration with reflectors of the known prior art, powered with a low impedance generator.
La configuration avec trois réflecteurs assure un rendement minimum de 13,8% pour une distance dF2-F3 entre un deuxième réflecteur et un troisième réflecteur comprise entre environ 25 mm et environ 31 mm, tout en conservant la fréquence d'émission microonde.The configuration with three reflectors ensures a minimum efficiency of 13.8% for a distance d F2-F3 between a second reflector and a third reflector of between about 25 mm and about 31 mm, while maintaining the microwave emission frequency.
Selon un autre exemple, un dispositif selon l'invention tel que décrit précédemment, est couplé à un générateur d'impédance plus élevée, tout en émettant à la même fréquence microonde selon le mode TE11. Par exemple, en conservant une tension l'alimentation de 500 kV, une augmentation de la distance anode-cathode dAK à 30 mm induit une diminution du champ accélérateur dans la diode et donc un courant émis plus faible, de l'ordre d'environ 4 kA. En conséquence, la diode est adaptée à une impédance d'alimentation plus élevée, par exemple d'environ 125 Ω. La densité du faisceau émis étant alors moindre, augmenter légèrement l'intensité du courant de la bague magnétique à 14250 A.tours, permet de générer une émission microonde mono-fréquence à 2,31 GHz dans le mode TE11 avec un rendement de 12 %. Ce rendement peut par exemple être amélioré en ajustant le positionnement des réflecteurs dans le guide.According to another example, a device according to the invention as described above, is coupled to a higher impedance generator, while emitting at the same microwave frequency according to the TE mode 11 . For example, by maintaining a 500 kV supply voltage, an increase in the anode-cathode distance d AK at 30 mm induces a decrease in the accelerating field in the diode and therefore a lower emitted current, of the order of about 4 kA. As a result, the diode is adapted to a higher power supply impedance, for example about 125 Ω. The density of the beam emitted being then less, slightly increasing the intensity of the current of the magnetic ring at 14250 A.tours, makes it possible to generate a single-frequency microwave emission at 2.31 GHz in the TE mode 11 with a yield of 12 %. This performance can for example be improved by adjusting the positioning of the reflectors in the guide.
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. Of course, the present invention is not limited to the foregoing description, but extends to any variant within the scope of the claims below.
Claims (10)
- A microwave wave generator with a virtual cathode oscillator, with axial geometry, comprising a cathode, a thin anode and a cylindrical wave guide (105), of longitudinal axis z and radius RG, having a first end forming an entrance to the cylindrical wave guide (105) and a second end forming an exit from the cylindrical wave guide (105), the cathode (102) being positioned upstream of the entry to the cylindrical wave guide and configured to emit electrons, and the thin anode (104) being positioned at the entrance to the cylindrical wave guide (105), between the cathode (102) and the cylindrical wave guide (105), and the device further comprising at least a first reflector (F1) that is located in the wave guide (105), transparent to electrons and configured to reflect a microwave wave created by at least one virtual cathode generated in the wave guide (105),
the device being characterized in that it further comprises a narrow magnetic ring (112) of width (LM) along the longitudinal axis z, positioned externally around the cylindrical wave guide (105) at a distance (dAM) from the thin anode (104) and with the first reflector (F1) positioned at a distance (dAF1) from the thin anode (104) beyond the magnetic ring (112) such that the magnetic ring (112) is located between the thin anode (104) and the first reflector (F1), the magnetic ring (112) being configured to generate a magnetic field adapted to brake the electrons and to create an accumulation of charge at the origin of a non-oscillating virtual cathode positioned between the thin anode (104) and the first reflector (F1). - A device according to claim 1, characterized in that the distance (dAM) separating the magnetic ring (112) from the thin anode (104) along the axis z is equal to or greater than a distance (dAK) separating the cathode (102) from the thin anode (104).
- A device according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the distance (dAF1) separating the first reflector (F1) from the thin anode (104) is equal to or greater than the sum of the distance (dAM), separating the magnetic ring (112) from the thin anode (104), and the width (LM) of the magnetic ring (112).
- A device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the distance (dAF1) separating the first reflector (F1) from the thin anode (104) is equal to or greater than approximately twice the distance (dAK) separating the cathode (102) from the thin anode (104).
- A device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that at least the first reflector (F1), located in the wave guide (105), is an open reflector.
- A device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a plurality of successive reflectors (Fi) positioned in the cylindrical wave guide (105).
- A device according to claim 6, characterized in that two successive reflectors of the plurality of reflectors (Fi) are separated from each other by a distance (dFi-1Fi) equal to or less than approximately twice a distance (dAK) separating the cathode (102) from the thin anode (104).
- A device according to any one of claims 6 or 7, characterized in that two successive reflectors of the plurality of reflectors (Fi) are separated from each other by a distance (dFi-1Fi) equal to or greater than a distance (dAK) separating the cathode (102) from the thin anode (104).
- A device according to any one of claims 6 to 8, characterized in that all the reflectors (Fi) are open and have a same radius RRi.
- A device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it comprises three reflectors (Fi) positioned in the wave guide (105).
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