FR2467480A1

FR2467480A1 - Appareil a hyperfrequences du type magnetron

Info

Publication number: FR2467480A1
Application number: FR7924955A
Authority: FR
Original assignee: DODONOV JURY
Current assignee: DODONOV JURY
Priority date: 1979-09-11
Filing date: 1979-10-08
Publication date: 1981-04-17
Also published as: NL7906865A; US4284924A; FR2467480B1; DE2938350A1; GB2058445A

Abstract

Cet appareil comporte un bloc anodique 1 avec des éléments de court-circuit annulaires 2 couplés électriquement à des lamelles 3 des cavités résonnantes 4 du bloc anodique 1. Au moins certains éléments de court-circuit 2 sont réalisés au moins partiellement en un matériau magnétique et la masse de ce matériau varie dans chaque élément selon l'axe du bloc anodique 1. Ainsi on obtient une répartition avantageuse de la variation de l'induction du champ magnétique le long de l'axe de ce bloc 1 permettant notamment d'augmenter considérablement le rendement de l'appareil. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

-La présente invention concerne la construction des appa-

reils à hyperfréquences à vide, et plus particulièrement, un

appareil à hyperfréquences du type magnétron.

La présente invention peut être appliquée très efficace-

ment dans l'électronique industrielle de puissance à hyperfré- quences, surtout dans les accélérateurs linéaires d'électrons et dans les installations thermonucléaires pour chauffer un plasma afin d'obtenir la fusion thermonucléaire contr8lée ce qui revêt une importance particulière en raison des problè-e

mes d'obtention d'un nouveau combustible. En outre, l'inven-

tion peut être appliquée dans les fours puissants à hyperfré-

quences servant à exécuter de nouveaux processus technologi-

ques industriels et agricoles à haut rendement qui sont égale-

ment caractérisés par une haute pureté ce qui évite la pollu-

tion de l'environnement et ceci est très important car il

existe un problème difficile de protection de l'environnement.

A l'heure actuelle, l'électronique industrielle de puis-

sance à hyperfréquences dans le cadre de la construction des appareils à vide, suit la voie d'une augmentation maximale de la puissance de sortie d'un appareil par augmentation du rendement de conversion de l'énergie. Il est bien connu que la puissance de sortie des appareils à hyperfréquences et en particulier, des appareils du type magnétron, est limitée par les propriétés physiques des matériaux de fabrication de

la cathode, de l'anode et de la fenêtre diélectrique de sor-

tie de l'énergie et par la capacité de ces matériaux de sup-

porter et de dissiper les charges électriques et thermiques.

Ces limitations sont partiellement abolies par un ensemble de

mesures: utilisation de matériaux spéciaux à caractéristi-

ques d'émission améliorées pour les cathodes, de matériaux

à haute conductibilité électrique, à bonne conduction de cha-

leur ayant des hauts paramètres limites quant aux contraintes thermiques, de matériaux à faibles pertes diélectriques pour les fenêtres de sorties de l'énergie, etc. En outre, pour augmenter la puissance de sortie d'un appareil, on augmente

la surface de dissipation de la chaleur de l'anode des appa-

reils, par exemple en augmentant la longueur axiale du bloc

anodique cylindrique, ainsi que le diamètre de la surface ano-

dique.

L'augmentation de la surface du bloc anodique des appa-

reils à hyperfréquences du type magnétron est toujours liée

à l'accroissement du nombre de cellules de la structure pé-

riodique du système à retard appelé ci-après système ralen-

tisseur. En même temps, les propriétés électrodynamiques du système ralentisseur ayant une grande surface développée de l'anode et, en particulier, la séparation des fréquences des types concurrents d'oscillations se détériorent ce qui limite sensiblement les possibilités de réduction des contraintes thermiques et électriques sur l'anode et la cathode et, par

conséquent, la possibilité d'augmenter la puissance de pro-

duction des oscillations en hyperfréquences d'un seul appareil.

Ainsi, toutes les mesures indiquées ne permettent pas de

résoudre le problème de l'augmentation du rendement de con-

version de l'énergie des appareils à hyperfréquences, c'est-

à-dire, de réduire les pertes indésirables, surtout dans les appareils très puissants fonctionnant en continu, utilisés dans la technologie industrielle. Ceci est bien visible dans

la formule de la puissance de sortie continue limite (ou moyen-

ne) des appareils à hyperfréquences du type magnétron P=q S( t e (<1) 1 IL e o P est la puissance en hyperfréquences de production continue limite (ou moyenne);

q est la valeur limite de la charge spécifique sur l'ano-

de; S est la surface de travail de l'anode;

rt est le rendement électronique de conversion de l'éner-

gie.

Un seul moyen possible pour augmenter davantage la puis-

sance de production de l'énergie à hyperfréquences avec une obtention simultanée des valeurs limites de q et de S dans les appareils à hyperfréquences du type magnétron consiste à augmenter le rendement de conversion de l'énergie, autrement dit 'q Dans un appareil à hyperfréquences du type magnétron, le rendement t e de conversion de l'énergie dépend en particu-

lier, de la valeur du champ magnétique B agissant perpendicu-

lairement au champ électrique statique E existant entre l'ano-

de et la cathode de l'appareil, c'est-à-dire t e 2( BB - l), (2) 1 Ne o B est l'induction du champ magnétique de travail; B0 est l'induction minimale du champ magnétique qui

permet encore une production des oscillations à hyperfréquen-

ces dans un appareil du type magnétron.

Cependant, le rendement de conversion de l'énergie dans un appareil à hyperfréquences du type magnétron dépend non seulement de la valeur du champ magnétique B traversant le champ électrique E, mais également de l'homogénéité et de la régularité de répartition du champ magnétique le long de tout

l'espace d'interaction entre l'anode et la cathode de l'appa-

reil. Lorsque ces conditions et également les conditions de correspondance entre la répartition du champ magnétique B et

celle du champ électrique E total (statique et hyperfréquen-

ces) dans l'espace d'interaction, sont remplies, le rendement e de conversion de l'énergie est maximal et le plus proche de la valeur théorique apparaissant dans (2). Ce n'est que dans ce cas, que la puissance de sortie, conformément à (1),

peut être augmentée jusqu'à la valeur maximale pour les appa-

reils de ce type.

Dans les appareils à hyperfréquences du type magnétron, le champ magnétique le long de l'espace d'interaction est créée soit à l'aide d'aimants permanents, soit à l'aide de dispositifs électromagnétiques. Cependant, en général, une homogénéité et une répartition voulues du champ magnétique dans tout l'espace d'interaction ne peuvent pas être obtenues

avec des sources de champ magnétique seules (aimants perma-

nents et électro-aimants) qui ont des champs de dissipation

importants ce qui diminue non seulement le rendement de l'ap-

pareil, mais également l'efficacité des aimants, c'est-à-dire que le rapport (M/B) de la masse de l'aimant à la valeur ef-

ficace (utile) du champ magnétique est très grand. C'est pour-

quoi, dans les appareils à hyperfréquences du type magnétron, on applique afin d'obtenir un champ homogène dans l'entrefer

de l'espace d'interaction, une loi déterminée de la réparti-

tion du champ magnétique le long de l'espace d'interaction

et afin d'augmenter l'efficacité des aimants, on apporte dif-

férents perfectionnements à l'organisation du système magné-

tique pour atteindre les buts susindiqués ainsi qu'un fonc-

tionnement stable de l'appareil et un rendement aussi élevé

que possible.

Le système magnétique des appareils à hyperfréquences du type magnétron comporte des aimants principaux et auxiliaires

se présentant sous la forme d'une culasse, de shunts magnéti-

ques, d'épanouissements polaires, etc...qui se présentent sous la forme d'une série de variantes constructives placées

tant à la périphérie du bloc anodique dans le circuit magnéti-

que fermé externe à proximité des aimants permanents qu'à 1' intérieur de l'enceinte sous vide de l'appareil, à proximité

immédiate de son espace d'interaction. Ces aimants auxiliai-

res sont le plus souvent exécutés sous la forme d'épanouisse-

ments polaires incorporés faits en un matériau magnétique (en général, en acier doux magnétique). Les aimants permanents

sont le plus souvant utilisés dans les appareils du type ma-

gnétron dont le bloc anodique présente une faible longueur et

dont l'espace d'interaction est inférieur à un quart de lon-

gueur d'onde (X < /4). Dans ce cas, les épanouissements po-

laires de l'appareil à hyperfréquences du type magnétron avec

bloc anodique cylindrique sont placés entre les p8les de l'ai-

mant permanent, sont reliés à ceux-ci et ont la forme de pla-

ques cylindriques ou de plaques cylindriques chanfreinées ou

encore d'anneaux, etc...

Les électro-aimants sont essentiellement utilisés dans les

appareils à hyperfréquences du type magnétron dont la lon-

gueur axiale du bloc cylindrique anodique dépasse un quart

de la longueur d'onde ('- f /4). Dans ce cas, le système ma-

gnétique comporte souvent des shunts magnétiques et des épa-

nouissements polaires réalisés en un matériau magnétique et qui corrigent la forme et la répartition de l'induction du champ magnétique le long de l'axe du bloc anodique, ce qui

est surtout nécessaire au cas o, pour créer un champ magné-

tique dans l'espace d'interaction de l'appareil à une grande

longueur axiale du bloc anodique (supérieure à A /2), on uti-

lise un solénoïde. Les shunts magnétiquesannulaires et les

épanouissements polaires de ces appareils servent tout d'a-

bord à réduire la dissipation du champ magnétique et à amé-

liorer son homogénéité dans l'espace d'interaction, afin de

créer des conditions optimales d'interaction du faisceau d'é-

lectrons avec le champ à haute fréquence du système ralentis-

seur dans le champ magnétique B et le champ électrique E, qui traverse le champ magnétique, ce qui permet d'obtenir le

rendement maximal possible de conversion de l'énergie. Ensui-

te ces éléments servent également à former près des extrémi-

tés du bloc anodique dans l'espace d'interaction des pièges magnétiques (bouchons) qui interdisent le franchissement par les électrons des limites de l'espace d'interaction dans les zones des extrémités adjacentes du bloc anodique. Ces mesures

réduisent les pertes indésirables dues tout d'abord à l'inte-

raction des électrons avec le champ à haute fréquence du sys-

tème ralentisseur du bloc anodique, et également, à la fuite des électrons dans les zones adjacentes aux extrémités du bloc anodique. Ces mesures augmentent également le rendement

< e de conversion de l'énergie.

Dans les appareils à hyperfréquences du type magnétron

à grande longueur axiale de l'espace d'interaction, qui utili-

sent le plus souvent des blocs anodiques longs dont les sys-

tèmes ralentisseurs ont plusieurs étapes, l'amplitude du 'champ électrique à haute fréquence le long de l'axe du bloc

anodique varie approximativement suivant une loi cosinusolda-

2467480.

le. C'est pourquoi, à la différence des appareils à bloc ano-

dique court, les conditions de l'interaction du flux d'élec-

trons avec le champ à haute fréquence dans l'espace d'interac-

tion voisin des extrémités du bloc anodique diffèrent sensi-

blement des conditions d'interaction dans la zone de l'espace

d'interaction se trouvant à proximité du milieu du bloc ano-

dique. Par conséquent, le rendement de conversion de l'éner-

gie dans les appareils à hyperfréquences du type magnétron

à bloc anodique long est toujours plus bas que dans les appa-

reils du même type ayant un bloc anodique court.

Ainsi, dans les appareils à bloc anodique long, il existe un problème d'augmentation de lfficacité d'interaction du

faisceau d'électrons avec le champ à haute fréquence du sys-

tème à retard ou ralentisseur compte tenu de la composante à

haute fréquence du champ électrique E, ce problème étant réso-

lu en créant dans les champs E et B croisés des conditions

identiques d'interaction suivant toute la longueur de l'espa-

ce entre l'anode et la cathode. Par exemple, ces conditions sont créées par une variation selon une certaine loi le long

de l'axe du bloc anodique, du diamètre de l'anode et de la ca-

thode (c'est-à-dire, par variation du champ électrique conti-

nu E le long de l'axe du bloc anodique entre l'anode et la cathode), par une fabrication de structures spéciales pour le solénoúde et le système magnétique assurant la forme et la loi de répartition voulue de l'induction du champ magnétique

B le long de l'axe du bloc anodique.

Il existe un appareil à hyperfréquences du type magnétron qui comporte un bloc anodique long de forme cylindrique avec un système ralentisseur à cavités résonnantes multiples sans éléments de court-circuit dans lequel la longueur de l'espace d'interaction le long de l'axe du bloc anodique formé par l'entrefer entre l'orifice anodique cylindrique et la cathode cylindrique est augmentée jusqu'à une dimension à peu près

égale à une longueur d'onde des oscillations engendrées.

Le champ magnétique dans l'espace d'interaction le long de l'axe du long bloc anodique dudit appareil est créé à l'aide d'un système magnétique constitué par un solénoúde et

2467480'

des épanouissements polaires en un matériau magnétique fixés aux extrémités du passage du solénoïde à proximité immédiate des extrémités du bloc anodique de l'appareil. Pour rendre le champ magnétique plus homogène dans la partie de travail de l'espace d'interaction, pour augmenter l'induction du champ magnétique et pour changer la direction de ce champ près des extrémités du bloc anodique, en vue de former des "bouchons" magnétiques qui xnpéchent que les électrons s'échappent dans les zones d' extrémité du bloc anodique, on installe à l'extérieur ou a

l'intérieur de l'enceinte sous vide de l'appareil des douil-

les de configuration différente fabriquées en un matériau à

haute perméabilité magnétique.

Dans cet appareil à hyperfréquences à anode longue, la re-

partition axiale de l'amplitude du champ électrique à haute fréquence dans l'espace d'interaction dépend fortement de la

longueur du bloc anodique et dans la zone médiane du bloc ano-

dique, l'amplitude peut être plusieurs fois plus grande qu'aux extrémités. Il en résulte que les conditions d'interaction du

flux d'électrons avec le champ à haute fréquence à mode d'os-

cillations fondamental (le système magnétique du solénoïde ga-

rantissant le champ magnétique homogène), sont différentes

dans les différentes zones de l'espace d'interaction de l'ap-

pareil. Par conséquent, puisque pour toute zone choisie de

l'espace d'interaction de grande longueur, il existe un régi-

me optimal en courant et en tension anodiques, le domaine de

la caractéristique tension-intensité de l'appareil o le ren-

dement électronique atteint une valeur maximale n'est pas net-

tement défini et le rendement résultant s'établit à une va-

leur moyenne qui est la valeur habituelle pour les appareils

à hyperfréquences du type magnétron.

Il en résulte que la puissance de sortie des oscillations

à hyperfréquences de cet appareil, ne peut pas être notable-

ment augmentée, surtout en régime de service continu, par un

allongement du bloc anodique, parce que la stabilité du fonc-

tionnement se détériore et à la limite, l'appareil cesse de fonctionner (même lorsque la longueur du bloc anodique devient

supérieure à la longueur d'onde des oscillations engendrées).

Il existe également un appareil à hyperfréquences du ty-

pe magnétron qui comporte au moins un bloc anodiqueayant des

éléments de court-circuit métalliques annulaires qui sont cou-

plés électriquement aux lamelles respectives des cavités ré-

sonnantes dans chaque bloc anodique et qui ont la même pola-

rité pour la production des oscillations dans le mode pi, et des éléments de court-circuit de polarité opposée couplant électriquement les lamelles de la-même polarité, ces éléments étant réunis par paires dans chaque bloc anodique. Ces paires d'éléments sont disposées le long de l'axe du bloc anodique

respectif afin de former un système ralentisseur unique à plu-

sieurs étages, un moyen de création du champ magnétique diri-

gé le long de l'axe de chaque bloc anodique et englobant tous les blocs anodiques et, installés à une certaine distance par rapport aux extrémités de chaque bloc anodique, des moyens

d'augmentation de la valeur de l'induction du champ magnéti-

que à proximité immédiate des extrémités du bloc anodique res-

pectif. Le système magnétique de l'appareil est fermé d'une part par des moyens d'augmentation deJa valeur de l'induction du

champ magnétique qui sont fixés à proximité immédiate des ex-

trémités du bloc anodique et qui sont réalisés sous la forme

d'épanouissements polaires ou d'anneaux pour améliorer simul-

tanément l'homogénéité du champ magnétique dans la zone de

travail de l'espace d'interaction et pour augmenter l'induc-

tion du champ magnétique à proximité immédiate des extrémités et d'autre part, par un moyen de création du champ magnétique,

par exemple un soléno!de ou un électroaimant.

Dans cette construction de l'appareil à hyperfréquences

du type magnétron à bloc anodique long, les éléments de court-

circuit sont installés périodiquement suivant la longueur du système ralentisseur du bloc anodique et sont réalisés en un matériau non magnétique. Les épanouissements polaires sont fabriqués en un matériau à haute perméabilité magnétique afin

de supprimer les effets aux extrémités, c'est-à-dire, de ré-

duire les fuites des électrons dans les cavités d'extrémité

à partir de la surface d'interaction et d'améliorer l'inte-

raction du flux d'électrons avec le champ à haute fréquence du système ralentisseur dans la partie de travail restante de l'espace d'interaction. Etant donné que dans cet appareil à hyperfréquences du type magnétron à bloc anodique long, qui comporte un système ralentisseur à plusieurs étages, la forme optimale nécessaire de la répartition axiale de la valeur de l'induction du champ magnétique ne tient pas compte convenablement de la forme

répartition de l'amplitude du champ électrique à haute fré-

quence dans l'espace d'interaction le long de l'axe du bloc

anodique, il se produit dans l'appareil en service des phéno-

mènes physiques indésirables qui entraînent la réduction du ren-

dement de l'appareil et des instabilités. Ainsi, par exemple,

la variation de l'amplitude du champ électrique à haute fré-

quence entre les étages du système ralentisseur, ainsi que la variation de l'amplitude crête à crête du champ électrique

à haute fréquence tout le long de l'espace d'interaction abou-

tissent au fait que, le champ magnétique étant homogène, la

puissance du bombardement électronique de retour de la catho-

de disposée axialement par rapport au bloc anodique est dif-

férente dans les différentes zones de la surface cathodique

le long de l'axe. Ainsi, les contraintes thermiques et élec-

triques sont réparties sur la surface de la cathode d'une fa-

çon hétérogène ce qui entraine les phénomènes indésirables

suivants: réduction du rendement de l'appareil, usure préma-

turée des zones de cathode surchargées en courant et, par conséquent, une réduction de la durée de vie de l'appareil variation de la géométrie de la cathode et de sa position par rapport à l'axe du bloc anodique, diminution de la stabilité de fonctionnement de l'appareil, etc...Après le fonctionnement

de la cathode, on observe généralement des zones locales d'é-

vaporation de l'émetteur sur la surface émettrice cathodique

se trouvant en face des zones du système ralentisseur à am-

plitude à haute fréquence maximale dans l'espace d'interaction

2467480 P

(sous les éléments de court-circuit et dans la zone sous la

partie centrale du bloc anodique).

A proximité de la partie centrale de l'espace d'interac-

tion, apparaissent également des forces de Coulomb importan-

tes par suite de la non-homogénéité de la densité de la char- ge superficielle. Ces forces provoquent l'instabilité de 1' interaction des électrons avec le champ électrique à haute fréquence du système ralentisseur et la fuite des électrons

sur l'anode (appelés courants d'obscurité, les plus dange-

reux pour le régime à service continu de l'appareil).

Les possibilités d'augmentation du rendement de l'appa-

reil à hyperfréquences du type magnétron à un bloc anodique long restent donc inutilisées. En général, le rendement de ces appareils est relativement bas et se situe entre 50 et 60%;

de plus, ils risquent de tomber en panne lors d'un fonctionne-

ment permanent ce qui limite leur domaine d'utilisation.

L'invention vise à mettre au point un appareil à hyper-

fréquences du type magnétron dont le système magnétique per-

met d'obtenir une répartition optimale de la valeur de l'in-

duction du champ magnétique axial dans l'espace d'interaction

d'un bloc anodique long avec un système ralentisseur à plu-

sieurs étages,répartition qui est conforme à la répartition de l'amplitude du champ électrique à haute fréquence, afin

d'augmenter le rendement électronique de conversion de l'é-

nergie.

L'invention a donc pour objet un appareil à hyperfréquen-

ces du type magnétron qui comporte au moins un bloc anodique

muni d'éléments de court-circuit métalliques annulaires cou-

plés électriquement à des lamelles respectives des cavités résonnantes dans chaque bloc anodique, éléments qui ont la même polarité lors de la production des oscillations en mode

pi et des éléments de court-circuit de polarité opposée, cou-

plant électriquement les lamelles de la même polarité, ces éléments étant réunis par paires dans chaque bloc anodique, ces paires étant disposées le long de l'axe du bloc anodique respectif afin de former un système ralentisseur unique à 1l plusieurs étages, un moyen de création du champ magnétique dirigé le long de l'axe de chaque bloc anodique et englobant tous les blocs anodiques et, placés à une certaine distance par rapport aux extrémités de chaque bloc anodique, des moyens d'augmentation de la valeur de l'induction du champ magnéti-

que à proximité immédiate des extrémités du bloc anodique res-

pectif, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'au moins une partie des éléments de court-circuit est réalisée au moins partiellement en un matériau magnétique et en ce que la masse du matériau magnétique de ces éléments le long de l'axe de

chaque bloc anodique est répartie de façon à assurer une va-

riation de la valeur de l'induction du champ magnétique le long de l'axe du bloc anodique respectif conformément à la loi suivante Bx =B B (Sin X2) + B02(l + COS 2__ X x O B01 le 02 o Bx est la variation de la valeur de l'induction du champ magnétique le long de l'axe du bloc anodique; B0 est la composante continue de la valeur de l'induction du champ magnétique homogène le long de l'axe du bloc anodique:

Bol est l'amplitude de la variation de la valeur de l'in-

* duction du champ magnétique le long de l'axe du bloc anodique suivant sa longueur X À, cette amplitude ne dépassant pas 50 %7 de BO;

B02 est l'amplitude de la pulsation de la valeur de l'in-

duction du champ magnétique d'une paire d'éléments de

court-circuit du système ralentisseur A une autre pai-

re le long de l'axe du bloc anodique sur sa longueur X e. cette amplitude ne dépassant pas 20 % de B0; h est la distance entre les paires d'éléments de court circuit;

n = 1, 2, 3... est un coefficient égal au nombre d'alter-

nances de la répartition cosinusoldale de

l'amplitude du champ électrique à haute fré-

quence du mode respectif des oscillations

2467480 [

engendrées.

Il est utile de réaliser une partie des éléments de court-

circuit en un matériau magnétique.

Il est également utile de réaliser chaque élément par-

tiellement en un matériau magnétique formant une couche dis- -posée sur cet élément suivant son périmètre de façon que la surface de la section transversale de la couche du matériau

magnétique des éléments diminue d'un élément à l'autre à par-

tir du milieu du bloc anodique vers ses extrémités.

Dans l'appareil à hyperfréquences du type magnétron sui-

vant l'invention ayant un bloc anodique long qui comporte un

système ralentisseur à plusieurs étages et un système magné-

tique assurant la répartition nécessaire de l'induction du champ magnétique dans l'espace d'interaction, l'hétérogénéité de l'intensité du bombardement électronique de retour de la cathode et l'intensité du courant d'obscurité dans les zones

d'extrémité et dans la partie médiane de l'anode sont rédui-

tes. L'augmentation du rendement électronique d'un tel appa-

reil peut atteindre jusqu'à 90 % ce qui permet d'augmenter

le niveau de la puissance de sortie des appareils à hyperfré-

quences du type magnétron, surtout en régime de service per-

manent. Le fait de concevoir un circuit magnétique rationnel et d'installer suivant une certaine loi sur toute la longueur du

bloc anodique de l'appareil des éléments de court-circuit an-

nulaires réalisés en un matériau magnétique permettent d'obte-

nir la forme voulue de la répartition de la valeur de l'induc-

tion du champ magnétique axial dans l'espace d'interaction de

l'appareil, compte tenu de la forme de répartition de l'ampli-

tude du champ électrique à haute fréquence produit par le sys-

tème ralentisseur. Un tel système magnétique dans l'appareil à hyperfréquences du type magnétron qui comporte un moyen de production d'un champ magnétique, des moyens d'augmentation de

la valeur de l'induction du champ magnétique à proximité immé-

diate des extrémités du bloc anodique et, installés suivant une certaine loi le long de l'axe du bloc anodique, ces moyens étant formés par des éléments de court-circuit en un matériau

magnétique, permet de rendre optimales les conditions d'inte-

raction du flux électronique avec le champ électrique à haute

fréquence du système ralentisseurd'améliorer les caractéris-

tiques, et d'obtenir les avantages inhérents aux appareils à

hyperfréquences du type magnétron avec un bloc anodique long.

D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de

la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exem-

ple et faites en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la Fig. 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un appareil à hyperfréquences du type magnétron selon l'invention avec un bloc anodique long cylindrique se présentant sous la forme d'un système ralentisseur périodique bidimensionnel à

plusieurs étages avec des éléments de court-circuit bimétal-

liques annulaires et avec un circuit de branchement sur une source de courant continu et une source de courant alternatif; - la Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale d'une par-

tie du bloc anodique de cet appareil montrant la cathode et des éléments de court-circuit annulaires dont une partie est complètement réalisée en un matériau magnétique; - la Fig. 3 représente la répartition de l'amplitude A

de la tension du champ électrique à haute fréquence en fonc-

tion de la longueur X î de l'espace d'interaction de l'appa-

reil selon l'invention; - la Fig. 4 représente la répartition de la valeur de l'induction B du champ magnétique en fonction de la longueur

x 4 de l'espace d'interaction de l'appareil selon l'invention.

Dans l'exemple décrit l'appareil à hyperfréquences du ty-

pe magnétron est un oscillateur magnétron appelé ci-après magnétron. Celui-ci comporte au moins un bloc anodique long

qui dans l'exemple décrit est le bloc anodique cylindrique 1.

Des éléments de court-circuit métalliques annulaires 2 du bloc anodique 1 sont reliés à des lamelles 3 respectives de cavités résonnantes 4 ayant la même polarité pour le mode pi

des oscillations engendrées. Les éléments 2 de polarité op-

posée reliant électriquement les lamelles 3 respectives de

2467480!

la même polarité sont réunis par paires 5 et ces paires 5 sont disposées l'une par rapport à l'autre à une distance h le long de l'axe du bloc anodique 1 pour former un système

de retard ou ralentisseur à plusieurs étages; dans la varian-

te décrite il s'agit d'un système ayant une structure pério-

dique bidimensionnelle (azimutale et axiale). Comme la répar-

tition de l'amplitude du champ électrique à haute fréquence dans l'espace d'interaction à une longueur finie du bloc ano-_ dique avec un système ralentisseur à plusieurs étages est non

homogène, on doit prévoir lors de la construction de cet ap-

pareil des moyens qui tiennent compte de l'influence de la nonhomogénéité du champ électrique à haute fréquence sur son fonctionnement et qui compensent ce défaut. Il est connu que

l'amplitude du champ électrique à haute fréquence dans l'espa-

ce d'interaction varie approximativement suivant une loi cosi-

nusoidale, tant entre les étages du système ralentisseur que

suivant la longueur du bloc anodique le long de son axe.

On peut obtenir un fonctionnement plus stable de l'appa-

reil et donc un meilleur rendement, si le champ magnétique produit par le système magnétique de l'appareil décrit est non homogène et varie suivant la longueur du bloc anodique 1

et d'un étage à l'autre de son système ralentisseur confor-

mément à la moi suivante: xB= B- 01(Sin n xg B02(l Co2Xi) (3) o Bx est la variation de l'induction du champ magnétique le long de l'axe du bloc anodique 1; B0 est la composante continue de l'induction du champ magnétique homogène le long de l'axe du bloc anodique 1; B01 est l'amplitude de variation de l'induction du champ magnétique le long de l'axe du bloc anodique 1 sur sa longueur X A, cette amplitude ne dépassant pas 50 % de B0; BB2 est l'amplitude de pulsation de l'induction du champ magnétique d'une paire 5 d'éléments court-circuit 2 du court- circuit 2 du système ralentisseur à une autre paire 5, le long de l'axe du bloc anodique 1, sur sa longueur XX, cette amplitude ne dépassant pas 20 % de B.; h est la distance entre les paires 5 d'éléments de court- circuit 2;

n = 1, 2, 3... est un coefficient égal au nombre d'alter-

nances de la répartition cosinusoldale de l'amplitude du champ électrique à haute fréquence du mode respectif d'oscillations engendrées.

Cette loi tient approximativement compte de la loi de va-

riation entre les étages respectifs-du système ralentisseur de l'amplitude du champ électrique à haute fréquence, Dans les appareils à hyperfréquence du type magnétron connus, cette loi de variation du champ magnétique suivant la longueur du bloc anodique peut être obtenue par un choix du

régime de service du solénoïde. A cet effet, le solénoïde com-

porte plusieurs sections de bobine le long de son axe alimen-

tés par des sources d'alimentation autonomes (redresseurs).

Un choix individuel du courant dans chaque section permet d' obtenir une telle répartition axiale de l'induction du champ magnétique dans l'espace d'interaction de l'appareil, ce qui fait que l'appareil peut fonctionner de façon plus stable

et avec un rendement maximal en régime de service per-

manent. Cependant, ceci exige des particularités constructi-

ves pour réaliser le solénoïde lui-même.et les sources d'ali-

mentation, alors que le choix individuel du régime (des cou-

rants) de service du solénoïde présente un faible rendement

et est difficilement reproductible.

En outre, le choix du courant parcourant les sections du solénoïde dont la hauteur suivant l'axe du solenoide est supérieure à la distance entre les étages du système ralentisseur, ainsi que l'emploi de seulement deux

épanouissements polaires A une grande distance du bloc anodi-

que de l'appareil, n'assurent pas une obtention complète de la loi voulue de variation de la forme et de la structure du

champ magnétique suivant la longueur de l'espace d'interac-

tion. Ainsi, les courants de fuite et la non-homogénéité du bombardement électronique de retour de la cathode ne sont pas totalement supprimés. Il existe une autre manière d'obtenir la loi voulue de variation de l'induction du champ magnétique le long de l'axe

du bloc anodique à l'aide des moyens formant le système ma-

gnétique. On peut incorporer dans le bloc anodique de l'ap-

pareil des douilles ou anneaux spéciaux réalisés en un maté-

riau magnétique et les installer sur toute la longueur du bloc anodique de façon que leur masse change conformément à la loi voulue donnée par l'équation (3). Dans ce cas, étant donné que ces anneaux ou douilles en un matériau magnétique doivent

être disposés le plus près possible de l'espace d'interac-

tion, autrement dit, avoir un diamètre le plus faible possi-

ble, il est plus utile d'utiliser pour former ces moyens les éléments de court-circuit eux-mêmes du système ralentisseur à plusieurs étages du bloc anodique de l'appareil représenté

sur la Fig. 1.

Chaque élément de court-circuit 2 du bloc anodique 1 com-

porte une couche de matériau magnétique disposée suivant son périmètre, alors que la surface de la section transversale de la couche de matériau magnétique des éléments 2 diminue

à partir de la partie médiane du bloc anodique 1 vers ses ex-

trémités et ceci d'un élément 2 au suivant. Dans l'exemple dé-

crit, l'élément 2 est bimétallique et est constitué par deux

anneaux métalliques raccordés par leurs faces latérales à sa-

voir des anneaux 6 en un matériau magnétique et des anneaux 7 en un matériau non magnétique. Les éléments 2 en un matériau magnétique peuvent être réalisés autrement. Par exemple, une partie des éléments 2a (Fig.2) est complètement réalisée en un

matériau magnétique (hachures dans un sens), alors que l'au-

tre partie des éléments 2b est -en un matériau non magnétique (hachures dans le sens opposé). Dans ce cas, les éléments 2a réunis par paires 5a et se trouvant dans la partie médiane du bloc anodique 1, o l'amplitude du champ électrique à haute

fréquence est maximale, sont totalement en un matériau magné-

tique (à peu prés 30 % ide toutes les paires 5). Chaque deu-

xième paire 5ab d'éléments 2a, 2b également à peu près 30 % de toutes les paires 5 éloignées de la partie médiane du bloc anodique o il n'y a que les paires 5a, est réalisée en un ma-

tériau magnétique, c'est-à-dire que les paires 5ab sont cons-

tituées des éléments 2a et 2b et, enfin, le reste des paires ab (20 % de toutes les paires 5), disposées plus près des extrémités du bloc anodique 1, alternent avec des paires 5b

en un matériau non magnétique.

D'autres variantes de la répartition et au groupement des éléments sont possibles, y compris une variante dans laquelle tous les éléments sont réalisés en un matériau magnétique

mais ayant une masse différente (creux, à configuration mo-

difiée, etc...).

Le système magnétique de l'appareil comporte, en plus des éléments de court-circuit 2 en un matériau magnétique, d'une

part des moyens d'augmentation de l'induction du champ magné-

tique à proximité immédiate des extrémités du bloc anodique 1,

qui dans l'exemple décrit sont formés par deux douilles d'ex-

trémité 8 en matériau magnétique disposées dans les zones d' extrémité 9 du bloc anodique 1 et par deux épanouissements polaires 10 (Fig.l), et d'autre part-des moyens de production

du champ magnétique, qui dans l'exemple décrit sont consti-

tués par un solénoide 11 en plusieurs sections 12 de bobine raccordées en série par l'intermédiaire de bornes 13, si le solénoïde 11 est alimenté par une seule source de tension Uc* Les bobines du solénoide 11 peuvent également être branchées

sur des sources d'alimentation autonomes, par exemple lors-

qu'il est nécessaire de corriger la répartition du champ ma-

gnétique dans l'espace d'interaction de l'appareil. Le solé-

noide peut également être alimenté en série avec le circuit anodique d'alimentation du magnétron, par une source Ua de tension anodique. Le solénoide 11 et le bloc anodique 1 ont un bon contact thermique et il est prévu une chemise étanche

commune de refroidissement 14 du bloc anodique 1 de l'appa-

reil et des bobines du solénoïde 11.

L'alimentation et l'évacuation du fluide réfrigérant dans

la chemise 14 sont réalisées à travers des brides 15. Axia-

lement par rapport à un orifice anodique 16 défini par les extrémités 17 des lamelles 3, sont disposés une cathode 18 et un élément chauffant 19 se présentant sous la forme de deux tubes métalliques coaxiaux. La cathode 18 est munie à ses deux extrémités des écrans 20 pour limiter l'éjection des

électrons dans les zones d'extrémité 9 de l'espace d'inte-

raction et est reliée électriquement à une borne de sortie

21 à travers un isolateur à haute tension étanche 22 en Cer-

met à l'aide duquel elle est fixée au corps du bloc anodique

1. L'élément chauffant 19 est électriquement relié à une bor-

ne de sortie 23 à travers un isolateur étanche 24 en Cermet

a l'aide duquel il est fixé à la borne 21 de la cathode 18.

Les bornes 21 et 23 de la cathode 18 de l'élément chauf-

fant 19 sont branchées sur les bornes des sources U et Un,

respectivement, de la tension anodique et du courant de chauf-

fage. Dans ces conditions, les corps du bloc anodique 1 et du solénoïde 11 qui sont à un potentiel positif, sont mis à la

terre.

Une sortie d'énergie 25 est réalisée par un dispositif de couplage symétrique d'extrémité constitué par une ligne conique coaxiale dont un conducteur conique interne 27 est électriquement relié à l'élément de court-circuit 2 extrême

de la paire 5 extrême, alors que son conducteur conique ex-

terne 28 est relié à l'extrémité du corps du bloc anodique 1.

La sortie d'énergie 25 munie d'une antenne émettrice 30 est

rendue étanche à l'aide d'une fenêtre de sortie 29 en céra-

mique soudée au moyen d'une manchette 31 au conducteur coni-

que externe 28 du dispositif de couplage de sortie symétri-

que. Les Fig. 3 et 4 représentent les diagrammes illustrant respectivement en ordonnées la répartition de l'amplitude A

du champ électrique haute fréquence et de la valeur de l'in-

duction B du champ magnétique dans l'espace d'interaction

du bloc anodique 1 avec système ralentisseur à plusieurs éta-

ges, cet espace étant formé suivant la longueur du bloc ano-

dique X.t (portée en abcisses)conformément à la formule (3), lors de la réalisation du système magnétique de l'appareil comme il est décrit plus haut afin d'organiser les conditions optimales du fonctionnement du magnétron avec un bloc anodi- que long dans les champs E et B croisés. La courbe 32 montre

la variation de l'amplitude du champ électrique à haute fré-

quence dans l'espace d'interaction du bloc anodique suivant

sa longueur et la courbe 33 montre la variation de l'ampli-

tude dans l'espace d'interaction entre les étages du système ralentisseur. Les courbes 34 et 35 indiquent la variation de l'induction du champ magnétique dans l'espace d'interaction respectivement suivant la longueur du bloc anodique et entre

les étages du système ralentisseur.

L'appareil à hyperfréquences du type magnétron fonctionne

de la façon suivante.

La cathode 18 se trouvant au centre de l'orifice anodique 16 du bloc anodique 1 étanche est portée à la température

nécessaire à l'aide d'un élément chauffant électrique 19 ali-

menté par la source Un de courant de chauffage, alternatif

ou continu.

Les électrons émis par la cathode 18 dans l'espace d'in-

teraction sont accélérés vers l'anode à l'aide du champ é-

lectrique produit par la source Ua de tension anodique conti-

nue entre la cathode 18 et l'anode. La tension anodique four-

nie par la source Ua est appliquée par un circuit à anode mi-

se à la terre. En présence du champ magnétique B qui est pro-

duit par le solénoïde Il formé par le système magnétique des épanouissements polaires 10, les douilles d'extrémité 8 et les éléments de court-circuit 2 et qui est dirigé suivant a

flèche le long de l'axe du bloc anodique 1 et pour une cer-

taine valeur de la tension anodique Ua, les électrons engendrent des oscil-

lationsà haute fréquence dans le système ralentisseur de l'ap-

pareil à travers les entrefers entre les extrémités 17 des

lamelles 3 * Le champ à haute fréquence engendré dans ces en-

trefers groupe les électrons en faisceaux qui, sous l'action

de la tension anodique Ua et du champ magnétique B, se propa-

gent le long de la surface de l'anode et en synchronisme avec une onde excitée des oscillations à haute fréquence dans sa

phase de freinage et transmettent l'énergie de la source d'a-

limentation au champ électromagnétique hyperfréquence. Ainsi, l'énergie de la source Ua de tension anodique est convertie en énergie des oscillations à hyperfréquence. Cette dernière

est accumulée dans les cavités résonnantes 4 du système ra-

lentisseur qui se trouve en état de résonance. Le système ra-

lentisseur produit la résonance au mode d'oscillations dont

la fréquence correspond à la condition de synchronisme cor-

respondant à la tension anodique-et au champ magnétique donnés.

Le magnétron, tel qu'il est présenté dans la description,

fonctionne en régime d'auto-excitation et, en général, sur le

mode pi d'oscillations, à la longueur d'onde la plus longue.

L'appareil peut fonctionner également en amplificateur sur un signal de commande externe qui synchronise les oscillations à

haute fréquence dans le système ralentisseur.

L'avantage de cet appareil à hyperfréquence du type ma-

gnétron avec un bloc anodique long 1 réside dans le fait que son système magnétique constitué des éléments externes qui sont le solénoïde 11 et les épanouissements polaires 10, et

des éléments placés sous l'enceinte étanche à savoir les douil-

les 8 et les éléments 2, crée dans l'espace d'interaction de

l'appareil un champ magnétique qui tient compte de la répar-

tition axiale de l'amplitude du champ électrique à haute fré-

quence tant d'un étage à l'autre que suivant toute la longueur

du système ralentisseur à plusieurs étages.

Les éléments de court-circuit annulaires bimétalliques 2

qui comportent les anneaux 6 en un matériau magnétique défor-

ment légèrement le champ magnétique homogène produit par le solénoïde et par l'autre partie du système magnétique. Il se

forme un système de lentilles magnétiques, par suite de la-

dite disposition des éléments 2 en matériau magnétique sui-

vant la loi correspondant à la loi de répartition de l'induc-

tion du champ magnétique obtenue pour une interaction opti-

male du faisceau d'électrons avec le champ à haute fréquence du système de ralentissement. Ce système fait varier le champ magnétique le long de l'ace du bloc anodique suivant la loi B01 (Sin.. -x.e) et d'un étage à l'autre suivant la loi 2 4't

B02 ( 1 + CoS Xe). Il est à noter & propos de la ré-

n partit.on de l'amplitude du champ électrique à haute fréquen-

ce (repr,-sentë sur la Fig.3) le long de l'espace d'intera2c-

tion2 que 1l of cette amplitude croit, le champ magnétique B

(Figs,4) diminue et vice vc-rsa. Ceci permet de réduire nota-

blemcnt l iinfluence de leirr éularaté de répartition de l'am-

plitu A;' - haute fréAquence du champ électrique produit per le systèse rV..ent.sseur i plusieurs étages du magnétton avec un

long bloc anodicue et ainsi d'une part d'égaliser la puissan-

ce du bombardement électronique de retour de la cathode sui-

vanst sa longueur et d'autre part de réduire les courants dl

obscurite ce qui augmente le rendement de l'apDareil, et aug-

mente sa s1'-iit" de úonctionndeent et sa durée de vie.

Les douilles en natériaux magnétiques 8 du système magné-

tique de l'appareil et les épanouissements polaires 10 ré-

duisent les champs de dissipation du soléinolde 11 en augmen-

tacnt sorn t arié, renden't le champ magnétique plus homo-

gène dans l'espace d'interaction de l'appareil et augmentent légèrement le champ magnétique dans les zones d'extrémité du

bloc anodique (en créant des bouchons magnétiques) ce qui li-

mite 6galement l'éjection des électrons dans les zones d'ex-

trémilt 9 (courants 'ex:tremité) et augmente le rendement de

1' appareil.

Le champ magnétique produit par le solénoïde est dû au courant parcourant les enroulements des bobines des sections 12 mises en série A l'aide des bornes 13 et alimentées par une seule ou plusieurs sources de tension continue U. c L'avantage de ce magnétron réside également dans le fait que le système magnétique comporte, suivant toute la longueur

de l'espace d'interaction, des moyens qui maintiennent rela-

tivement stable la forme nécessaire de la répartition axiale

de l'induction du champ magnétique (à l'aide des éléments an-

nulaires 2 réalisés en un matériau magnétique), en excluant

pratiquement la nécessité de faire un choix individuel du ré-

gime de service du solénoide 11 (choix du courant pour chaque section) afin d'assurer un fonctionnement stable du magnétron et son haut rendement (comme c'est le cas en l'absence des moyens sus-indiqués dans l'appareil). En présence des moyens qui forment le champ magnétique dans l'espace d'interaction du bloc anodique, il existe également une composante radiale

de l 'intensité du champ magnétique à valeur relativement fai-

ble suivant toute la longueur de l'espace d'interaction qui

retient les électrons sur les orbites azimutales, c'est->-

dire, compense les forces de Coulomb qui repoussent les élec-

trons de la partie centrale de l'espace d'ivteractiO verc les zones d'extrémité. En outre on obtient à l'aîde de ces moyens, la répartition nécessaire de l'induction du champ magnétique et les composantes radiales du champ maLgnétique

* pour permettre ce créer les conditions interdisant la forma-

tior. d'une décharge électronique secondcare entre les surfa-

ces d'extrémité des paires 5 de polarité opposées d'é;..ts

ce court-circuit 2 ce qui est surtout dangereux durant le ser-

vice continu du magnétron. Le solénoïde l1 dans ce-magnétron et le bloc anodique 1 ont un bon contact thermique par la surface interne de la partie cylindrique du solénoïde 11 et la surface externe de la partie cylindrique du bloc anodique 1 et ils sont refroidis par un fluide réfrigérant circulant

dans les cavités de la chemise de refroidissement 14 qui en-

toure les sections 12 de bobine du solénoïde 11. L'alimenta-

tion et l'évacuation du fluide réfrigérant sont réalisées à

travers les raccords 15. La puissance à haute fréquence en-

gendrée est véhiculée par la ligne coaxiale conique 26 dont le conducteur conique interne 27 est électriquement relié à l'élément de court circuit 2 extrême de la paire extrême 5 et dont le conducteur conique externe 28 est connecté au corps du bloc anodique 1, et cette énergie est évacuée du système ralentisseur du bloc anodique 1 à l'aide de l'antenne 30 dans la charge (non représentée) à travers la fenêtre étanche

29 en céramique formant partie de la sortie symétrique d'é-

nergie 25.

Les particularités constructives et les perfectionnements de l'appareil à hyperfréquencesdu type magnétron avec un bloc anodique long et un système ralentisseur à plusieurs étages assurent l'obtention d'un nouveau système magnétique réparti de l'appareil grâce au fait que au moins une partie des élé-

ments de court-circuit du système ralentisseur est en un ma-

tériau magnétique dont la masse est répartie sur toute la

longueur du bloc anodique suivant la loi inverse de la répar-

tition de l'induction du champ magnétique dans l'espace d'in-

teraction, cette loi étant optimale pour le fonctionnement de l'appareil car elle tient compte de la loi de répartition de

l'amplitude du champ électrique à haute fréquence dans l'espa-

ce d'interaction.

Ainsi, le rendement électronique de l'appareil à hyper-

fréquencesdu type magnétron est augmenté grâce d'une part à l'amélioration de l'interaction du faisceau électronique avec le champ A haute fréquence produit par lesystème ralentisseur

à plusieurs étages et, d'autre part à la réduction des cou-

rants de fuites, des courants d'obscurité, des pertes catho-

diques et anodiques et des pertes dues à la décharge électro-

nique secondaire. Tous ces facteurs et le nouveau système

magnétique réparti permettent d'augmenter la puissance de sor-

tie et le rendement de l'appareil, ainsi que d'élargir le do-

maine de son utilisation, surtout en régime de service continu.

Claims

REVENDICATIONS

1 - Appareil à hyperfréquences du type magnétron qui com-

porte au moins un bloc anodique avec des éléments de court-

circuit métalliques annulaires, couplés électriquement aux lamelles respectives de cavités résonnantes dans chaque bloc

anodique, élémentsqui ont la même polarité lors de la produc-

tion du mode d'oscillations pi, les éléments de polarité op-

posée couplant électriquement les lamelles de la même pola-

rité,étant réunis dans chaque bloc anodique par paires dis-

posées successivement le long de l'axe du bloc anodique res-

pectif afin de former un système à retard ou ralentisseur unique à plusieurs étages, un moyen de production d'un champ magnétique dirigé le long de l'axe de chaque bloc anodique

et englobant tous les blocs anodiques et, montés à une cer-

taine distance par rapport aux extrémités de chaque bloc ano-

dique, des moyens d'augmentation de l'induction du champ ma-

gnétique à proximité immédiate des extrémités du bloc anodi-

que respectif, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'au moins certains des éléments de court-circuit sont réalisés au moins partiellement en un matériau magnétique, et en ce que la masse du matériau magnétique de ces éléments le long

de l'axe de chaque bloc anodique est répartie de façon à as-

surer une variation de l'induction du champ magnétique le

long de l'axe du bloc anodique respectif suivant la loi sui-

vante: -

Bx = B - Bo (Si.n 1-1 X ô) BO,, O 2tXt Bx B0 B01 (S ne Xt+o(l + cos, xt.) h o B est la variation de l'induction du champ magnétique

le long de l'axe du bloc anodique; -

B est la composante continue de l'induction du champ magnétique homogène le long de l'axe du bloc anodique j Bol est l'amplitude de variation de l'induction du champ magnétique le long de l'axe du bloc anodique suivant sa longueur XY, cette amplitude ne dépassant pas 50 % de B; B02 est l'amplitude de la pulsation de l'induction du champ magnétique d'une paire d'éléments de court-circuit du système ralentisseur à une autre, le long de l'axe du bloc anodique, suivant sa longueur X Y, cette amplitude ne dépassant pas 20 % de BO0; h est la distance entre les paires d'éléments de court- circuit.

n 15 2, 3... est un coefficient égal au nombre d'alter-

nances de la répartition cosinusoidale de l'amplitude du cheap électrique à haute fréquence du mode respectif

d'oscillations engendrées.

2 - Apparêeil hyrperfréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie des éléments de court-circuit

est réalisée entièrement en un matériau magnétique.

3 - Appareil a hyperfréquences selon la revendication 1,

caractérisé en ce que chaque élément de court-circuit est par-

tiellement ran.ise en un matàriau magnétique formant une cou-

che disposes suivant le plrimètre de tl'élément de façon que

la surface de la section transversale de la couche du maté-

riau magnétique des éléments diminue d'un élément a l'autrze

partir du milieu du bloc anodique versses extrémités.