FR2543368A1 - Transformer of modes - Google Patents
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Abstract
Description
TRANSFORMATEUR DE MODESMODES TRANSFORMER
La présente invention concerne un transformateur de modes. The present invention relates to a mode transformer.
Les transformateurs de modes sont bien connus de l'art anté- Mode transformers are well known in the prior art.
rieur On connait notamment par l'article de H G UNGER intitulé "Circular electric wave transmission through serpentine bands", paru dans la revue "The Bell System Technical Journal", Volume XXXVI, septembre 1957, Ne 5, des transformateurs de modes constitués par des guides circulaires dont la section varie de manière périodique O On dispose de deux paramètres indépendants, à savoir le diamètre du laughing We know in particular by the article of HG UNGER entitled "Circular electric wave transmission through serpentine bands", published in the review "The Bell System Technical Journal", Volume XXXVI, September 1957, No 5, transformers of modes constituted by circular guides whose section varies periodically O There are two independent parameters, namely the diameter of the
guide, et l'amplitude des variations du diamètre Ces trans- guide, and the amplitude of the variations in the diameter These trans-
formateurs permettent de passer aisément d'un mode TE 02 circu- trainers make it possible to switch easily from a TE 02 circu-
laire à un mode TEO 1 circulaire Par contre, on rencontre des difficultés pour passer par exemple d'un mode TE 05 circulaire à un mode TE 01 circulaire En effet, on engendre les modes TE 0,, TE 02, TE 03 et TE 04 et il est difficile de conserver seulement le mode lar to a circular TEO 1 mode On the other hand, one encounters difficulties to switch for example from a circular TE 05 mode to a circular TE 01 mode In fact, the TE 0 ,, TE 02, TE 03 and TE 04 modes are generated and it is difficult to keep only the mode
TE,1 en ne disposant que de deux paramètres. TE, 1 having only two parameters.
Le problème que la présente invention se propose de résoudre est l Pélaboration d'un transformateur de modes qui permette de passer d'un mode TE mn à un mode T Emp, avec p inférieur à N et The problem that the present invention proposes to solve is the development of a mode transformer which makes it possible to switch from a TE mn mode to a T Emp mode, with p less than N and
cela même si N est élevé et égal par exemple à 5 ou 6. this even if N is high and equal for example to 5 or 6.
Certains tubes, tels que par exemple les gyrotrons ou les lasers à électrons libres, fonctionnent sur des modes élevés Si l'on prend Some tubes, such as for example gyrotrons or free electron lasers, operate in high modes If we take
pour exemple le cas des gyrotrons, il faut passer du champ dis- for example the case of gyrotrons, it is necessary to pass from the dis-
ponible à la sortie du gyrotron à un champ qui permette de rayonner dans une machine thermo-nucléaire par exemple, c'est-à-dire qu'il faut passer à un champ électrique aussi uniforme que possible pour ponible at the exit of the gyrotron to a field which makes it possible to radiate in a thermo-nuclear machine for example, that is to say that it is necessary to pass to an electric field as uniform as possible to
avoir un rayonnement élevé.have high radiation.
Le transformateur de modes selon l'invention lorsqu'il est associé aux gyrotrons permet de passer par exemple d'un mode TE 05 The mode transformer according to the invention when it is associated with the gyrotrons makes it possible for example to switch from a TE 05 mode
circulaire à la sortie du gyrotron à un mode TEO 1 circulaire. circular at the exit of the gyrotron in a circular TEO 1 mode.
On a intérêt à conserver le mode T Eo O circulaire sur le parcours compris entre le gyrotron et la machine thermo-nucléaire It is in the interest of keeping the circular T Eo O mode on the path between the gyrotron and the thermo-nuclear machine
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car ce parcours est généralement de plusieurs mètres et le mode because this course is generally several meters and the mode
TE 01 circulaire ne présente que de très faible pertes. TE 01 circular presents only very low losses.
Près de la machine, on passe généralement du mode TE 01 circulaire au mode TE 01 rectangulaire ou carré à l'aide d'un transformateur de modes connu, dont la section est déformée et Near the machine, we generally switch from circular TE 01 mode to rectangular or square TE 01 mode using a known mode transformer, the section of which is deformed and
passe progressivement d'une section circulaire à une section rectan- progressively passes from a circular section to a rectan-
gulaire ou carrée En effet, ce mode TE 01 a une carte de champ plus simple que le mode TE 01 circulaire et présente un champ électrique gular or square In fact, this TE 01 mode has a simpler field map than the circular TE 01 mode and presents an electric field
plus uniforme.more uniform.
L'invention concerne un transformateur de modes recevant un mode TE mn' et caractérisé en ce qu'il est constitué de deux guides d'ondes coaxiaux ayant la même section, le guide interne occupant l'une des zones o dans le guide externe le champ électrique tangentiel s'annule et renfermant un mode TE mp, avec p inférieur à n, et en ce que ces deux guides ont, dans une première partie une section constante, des moyens déphasant de 1 < /2 dans cette première partie I'energie transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides, et en ce que ces deux guides ont, dans une seconde partie, une section croissante, le guide d'onde interne comportant, dans cette seconde partie, des orifices de couplage permettant de The invention relates to a mode transformer receiving a TE mn 'mode and characterized in that it consists of two coaxial waveguides having the same section, the internal guide occupying one of the zones o in the external guide the tangential electric field is canceled out and containing a TE mp mode, with p less than n, and in that these two guides have, in a first part a constant section, means phase shifting by 1 </ 2 in this first part I ' energy transported in the interval between the two guides, and in that these two guides have, in a second part, an increasing section, the internal waveguide comprising, in this second part, coupling orifices making it possible to
concentrer toute Pénergie dans le guide interne. concentrate all the energy in the internal guide.
D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention Other objects, characteristics and results of the invention
ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non will emerge from the following description, given by way of example not
limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: la figure 1, un schéma général montrant la position du transformateur de modes selon l'invention dans le cas o il est associé à un gyrotron; les figures 2 et 3, les configurations du champ à l'entrée du transformateur de modes et à l'entrée du cornet de sortie; limiting and illustrated by the appended figures which represent: FIG. 1, a general diagram showing the position of the mode transformer according to the invention in the case where it is associated with a gyrotron; FIGS. 2 and 3, the configurations of the field at the input of the mode transformer and at the input of the output horn;
les figures 4 et 5, deux modes de réalisation d'un trans- Figures 4 and 5, two embodiments of a trans-
formateur de modes selon l'invention. mode trainer according to the invention.
Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et In the various figures, the same references designate the same elements, but, for reasons of clarity, the dimensions and
proportions des divers éléments ne sont pas respectées. proportions of the various elements are not respected.
La figure 1 est un schéma général montrant la position du transformateur de modes selon l'invention -dans le cas o il est FIG. 1 is a general diagram showing the position of the mode transformer according to the invention - in the case where it is
associé à un gyrotron.associated with a gyrotron.
De gauche à droite sur la figure 1, on trouve le gyrotron désigné par-le repère 1, suivi par le transformateur de modes selon l'invention désigné par le repère 2, puis par un transformateur de modes selon l'art connu désigné par le repère 3 et enfin par -le cornet de sortie désigné par le répère 4 Entre le gyrotron 1 et le transformateur de modes selon l'invention 2 peut se trouver un From left to right in FIG. 1, there is the gyrotron designated by the reference 1, followed by the mode transformer according to the invention designated by the reference 2, then by a mode transformer according to the known art designated by the reference 3 and finally by -the output horn designated by reference 4 Between the gyrotron 1 and the mode transformer according to the invention 2 may be a
tronçon plus ou moins long de guide de section uniforme. more or less long guide section of uniform section.
On a distingué trois parties dans le gyrotron, d'abord le canon à électrons 5, puis la cavité 6 et l'adaptateur 7 Cet adaptateur assure la charge convenable de la cavité du gyrotron par le circuit de sortie Il peut être constitué par un cornet d'une ouverture d'une dizaine de degrès, qui ne modifie pas la répartition transversale du mode, mais transforme l'onde stationnaire régnant dans la cavité 6 en une onde progressive à la sortie de l'adaptateur On choisit l'angle du cornet pour réaliser l'adaptation voulue L'adaptateur 7 comporte la fenêtre de sortie étanche 8 assurant le vide dans le gyrotron et reçoit dans sa partie médiane les électrons après leur passage dans We have distinguished three parts in the gyrotron, first the electron gun 5, then the cavity 6 and the adapter 7 This adapter ensures the proper charge of the gyrotron cavity by the output circuit It can be formed by a horn an opening of about ten degrees, which does not modify the transverse distribution of the mode, but transforms the standing wave prevailing in cavity 6 into a traveling wave at the outlet of the adapter The angle of the horn is chosen to achieve the desired adaptation The adapter 7 includes the sealed outlet window 8 ensuring the vacuum in the gyrotron and receives in its middle part the electrons after their passage through
la cavité 6.cavity 6.
Sur la figure 1, à titre d'exemple, le transformateur de modes 3 est relié à un cornet de sortie 4 mais le transformateur pourrait aussi par exemple être relié à un guide d'ondes conduisant à une In FIG. 1, by way of example, the mode transformer 3 is connected to an output horn 4 but the transformer could also for example be connected to a waveguide leading to a
machine thermo-nucléaire ou à tout autre circuit de sortie. thermo-nuclear machine or any other output circuit.
A la sortie de Padaptateur, c'est-à-dire àl Pentrée du trans- At the output of the adapter, that is to say at the input of the trans-
formateur de modes 2, la configuration du champ électrique est la même que dans la cavité 5 du gyrotron, mais se trouve dilatée radialement pour remplir un diamètre plus grand Par exemple, pour un gyrotron de 100 -G Hz, le diamètre de la cavité 6 pourrait être d'environ 1,6 cm tandis que les dimensions de l'ouverture du cornet 7 pourraient être de 6 x 6 cm On constate donc que ces dimensions sont bien plus grandes que la longueur d'onde qui est de 3 mm Le circuit peut donc propager beaucoup de modes différents C'est mode 2 trainer, the electric field configuration is the same as in cavity 5 of the gyrotron, but is found radially expanded to fill a larger diameter For example, for a 100 -G Hz gyrotron, the diameter of cavity 6 could be about 1.6 cm while the dimensions of the opening of the horn 7 could be 6 x 6 cm We therefore see that these dimensions are much larger than the wavelength which is 3 mm The circuit so can propagate a lot of different modes that is
l'interaction avec les électrons qui doit sélectionner le mode choisi. the interaction with the electrons which must select the chosen mode.
Les transformateurs de modes doivent assurer le passage de la cavité du gyrotron au circuit de sortie sans engendrer de modes indésirables dans la cavité ni dans le circuit de sortie Ils doivent en outre être compatibles avec la grande puissance atteignant par exemple 200 KV/cm dans la cavité et quelques kilo-Volts par The mode transformers must ensure the passage from the gyrotron cavity to the output circuit without generating undesirable modes in the cavity or in the output circuit.They must also be compatible with the large power reaching for example 200 KV / cm in the cavity and a few kilo-volts per
centimètre à l'entrée du circuit de sortie. centimeter at the input of the output circuit.
Les figures 2 et 3 montrent des configurations possibles du champ à l'entrée du transformateur de modes 2 et à l'entrée du Figures 2 and 3 show possible configurations of the field at the input of the mode 2 transformer and at the input of the
cornet de sortie 4.exit horn 4.
Sur la figure 2, on a représenté un mode TE 03 circulaire Les cercles en trait plein indiquent les zones o le champ électrique est maximum Les cercles en pointillés indiquent les zones o le champ In FIG. 2, a circular TE 03 mode has been represented The circles in solid lines indicate the zones where the electric field is maximum The dotted circles indicate the zones where the field
électrique azimutal ou tangentiel s'annule. electric azimuth or tangential is canceled.
Sur la figure 3, on a représenté un mode T Eo O carré L'inten- In FIG. 3, a T Eo O square mode has been represented.
sité du champ électrique se répartit selon une demi-sinusoîde, c'est- ity of the electric field is distributed according to a half-sinusoid, that is
à-dire que le champ est maximum au milieu de la section et nul sur that is to say that the field is maximum in the middle of the section and null on
les bords.edges.
Les figures 4 et 5 représentent deux modes de réalisation d'un Figures 4 and 5 show two embodiments of a
transformateur de modes 2 selon l'invention, qui dans le cas parti- mode 2 transformer according to the invention, which in the particular case
culier pris comme exemple, permet de passer du mode TE 03 circulaire régnant dans l'adaptateur 7 du gyrotron 1 à un mode TE, circulaire Ce mode TE 01 circulaire est transformé en mode TE 01 carré par un transformateur de modes 3 connu de l'art antérieur, et qui fait l'intermédiaire entre le transformateur selon l'invention 2 et cular taken as an example, makes it possible to switch from the circular TE 03 mode prevailing in the adapter 7 of the gyrotron 1 to a TE, circular mode This circular TE 01 mode is transformed into square TE 01 mode by a mode 3 transformer known to the prior art, and which acts as the intermediary between the transformer according to the invention 2 and
le cornet de sortie 4.the exit horn 4.
Sur la partie gauche de la figure 4, on a représenté la forme des lignes de champ électrique et en pointillés l'intersection avec le plan de la figure des surfaces cylindriques o le champ électrique On the left part of figure 4, the shape of the electric field lines has been shown and in dotted lines the intersection with the plane of the figure of the cylindrical surfaces o the electric field
azimutal ou tangentiel s'annule.azimuthal or tangential vanishes.
Le transformateur de modes selon l'invention est constitué de deux guides d'ondes coaxiaux G 1 et G 2, de section circulaire Le guide interne G 2 occupe l'une des zones o dans le guide interne G 1 The mode transformer according to the invention consists of two coaxial waveguides G 1 and G 2, of circular section The internal guide G 2 occupies one of the zones o in the internal guide G 1
le champ électrique tangentiel s'annule Ce guide interne G 2 n'ap- the tangential electric field is canceled out This internal guide G 2 does not
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porte pas de perturbation à la configuration des champs à condition que sa paroi ne soit pas trop épaisse A titre d'exemple, on utilise un guide interne G 2 dont -l'épaisseur de la paroi en cuivre est de 0,5 does not affect the configuration of the fields on condition that its wall is not too thick For example, an internal guide G 2 is used, the thickness of the copper wall of which is 0.5
mm environ.mm approx.
Pour obtenir en sortie du transformateur selon l'invention un mode TE 01 circulaire, on place le guide interne sur la première surface o le champ électrique tangentiel s'annule en partant de l'axe OO' Le guide d'ondes interne renferme alors le mode TE 01 circulaire alors que l'intervalle compris entre les guides G 1 et G 2 To obtain a circular TE 01 mode at the output of the transformer according to the invention, the internal guide is placed on the first surface where the tangential electric field is canceled out starting from the axis OO 'The internal waveguide then contains the circular TE 01 mode while the interval between the guides G 1 and G 2
renferme le mode TE 02 circulaire coaxial. contains the TE 02 circular coaxial mode.
Le transformateur de modes selon l'invention comporte en fait deux parties Dans une première partie, les deux guides ont une section constante et des moyens déphasent de -/2 l'énergie The mode transformer according to the invention in fact comprises two parts In a first part, the two guides have a constant section and means phase shift by - / 2 the energy
transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides. transported in the interval between the two guides.
Sur l'exemple de la figure 4, on a retardé de 7/E /2 l'énergie transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides en utilisant un guide d'onde interne G 2 dont le diamètre intérieur est plus faible dans la première partie que son diamètre intérieur le plus faible, au début de la deuxième partie et dont l'épaisseur reste la même dans la première et la deuxième partie D'une façon plus générale pour des guides de section quelconque, le déphasage de 7 C/2 est réalisé en utilisant un guide d'onde interne dont la section dans la première partie du transformateur diffère de sa section la plus In the example of FIG. 4, the energy transported in the interval between the two guides has been delayed by 7 / E / 2 by using an internal waveguide G 2, the internal diameter of which is smaller in the first part than its smallest internal diameter, at the beginning of the second part and whose thickness remains the same in the first and the second part More generally for guides of any section, the phase shift of 7 C / 2 is achieved using an internal waveguide whose section in the first part of the transformer differs from its most
faible au début de la deuxième partie du transformateur. low at the start of the second part of the transformer.
Dans une seconde partie, ces deux guides ont une section croissante et des orifices de couplage 13 réalisés sur le guide interne G 2 permettent de concentrer l'énergie dans le guide interne Le guide interne G 2 peut d'ailleurs être constitué par une grille métallique. On sait que lorsqu'on dispose de deux guides d'ondes coaxiaux, on peut assurer un couplage entre les deux guides au moyen d'un grand nombre de petits trous réalisés sur le guide interne Il se produit alors un battement entre les ondes des deux guides qui provoque à certaines positions le long de l'axe, l'annulation des In a second part, these two guides have an increasing section and coupling orifices 13 made on the internal guide G 2 make it possible to concentrate the energy in the internal guide. The internal guide G 2 can moreover be constituted by a metal grid . It is known that when two coaxial waveguides are available, it is possible to ensure coupling between the two guides by means of a large number of small holes made on the internal guide. guides which causes at certain positions along the axis, the cancellation of
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champs électromagnétiques dans l'une des guides C'est ce qui se electromagnetic fields in one of the guides This is what
passe dans la seconde partie du transformateur selon l'invention. passes into the second part of the transformer according to the invention.
Il faut choisir la' longueur de cette seconde partie du trans- You have to choose the length of this second part of the trans-
formateur, qui est comprise entre les plans A et B sur la figure 4, en fonction du coefficient de couplage normalisé <, c'est-à-dire en fonction du nombre et de la dimension des trous 13 du guide interne G 2, pour que au niveau du plan B, à la sortie du transformateur selon l'invention, toute lénergie qui était présente dans le plan A, à l'entrée du transformateur selon l'invention, se trouve concentrée trainer, which is between the planes A and B in Figure 4, as a function of the standardized coupling coefficient <, that is to say as a function of the number and size of the holes 13 of the internal guide G 2, for that at the level of the plane B, at the output of the transformer according to the invention, all the energy which was present in the plane A, at the input of the transformer according to the invention, is concentrated
dans le guide d'onde interne G 1 Pour qu'il soit possible de con- in the internal waveguide G 1 To make it possible to
centrer toute l'énergie dans le guide d'onde interne G 2, il faut que les ondes dans le guide d'onde interne et dans l'intervalle entre les guides soient intialement déphasées de 7 C/2 c'est ce qui se passe center all the energy in the internal waveguide G 2, it is necessary that the waves in the internal waveguide and in the interval between the guides are initially out of phase by 7 C / 2 this is what happens
dans la première partie du transformateur. in the first part of the transformer.
La longueur critique de la seconde partie du transformateur The critical length of the second part of the transformer
dépend aussi du rapport des amplitudes des deux ondes. also depends on the ratio of the amplitudes of the two waves.
Dans la seconde partie du transformateur, toute l'énergie qui était présente à l'entrée du transformateur 2, c'est-à-dire dans le plan A, est progressivement concentrée dans le guide interne G 1 Il faut augmenter progressivement la section des guides dans la seconde partie de façon à conserver une densité de puissance raisonnable, c'est-à-dire de l'ordre de 5 à 10 k W/cm 2,dans le guide d'onde interne De plus on ajuste les diamètres des deux guides de In the second part of the transformer, all the energy that was present at the input of transformer 2, that is to say in plane A, is gradually concentrated in the internal guide G 1 The section of the guides in the second part so as to maintain a reasonable power density, that is to say of the order of 5 to 10 k W / cm 2, in the internal waveguide.In addition, the diameters of the two guides of
façon que les vitesses de phase des deux ondes restent voisines. so that the phase velocities of the two waves remain close.
A l'extrémité de la second partie du transformateur de modes selon l'invention, on dispose dans l'espace compris entre les deux guides coaxiaux un corps absorbant 9 bien qu'en principe, il ne doive pas y avoir de puissance dans l'intervalle compris entre les guides à At the end of the second part of the mode transformer according to the invention, there is placed in the space between the two coaxial guides an absorbing body 9 although in principle there should be no power in the interval between the guides at
cet endroit.this place.
Sur la figure 5, on a représenté un autre mode de réalisation du déphaseur de la première partie du transformateur ce déphaseur est constitué par au moins une cavité 10 débouchant dans le guide In Figure 5, there is shown another embodiment of the phase shifter of the first part of the transformer this phase shifter is constituted by at least one cavity 10 opening into the guide
d'onde externe Tout déphaseur connu peut être utilisé à cet endroit. external wave Any known phase shifter can be used at this location.
Ainsi, on peut utiliser un diélectrique par exemple. Thus, one can use a dielectric for example.
Sur la figure 5, on a donné à l'extrêmité Il du guide d'onde interne G 2 une forme arrondie pour minimiser les réflexions aux points anguleux On prévoit des renflements 12 sur la paroi du guide d'onde-externe G 1 pour compenser les arrondis du guide d'onde interne. In FIG. 5, the end II of the internal waveguide G 2 has been given a rounded shape to minimize reflections at angular points. Bulges 12 are provided on the wall of the external waveguide G 1 to compensate rounding of the internal waveguide.
La description précédente a été faite à titre d'exemple dans le The preceding description has been given by way of example in the
cas d'un transformateur permettant de passer d'un mode TE 3 case of a transformer making it possible to switch from a TE 3 mode
circulaire à un mode TE 01 circulaire. circular to a TE 01 circular mode.
Le transformateur selon l'invention permet le passage d'un The transformer according to the invention allows the passage of a
mode T Emn quelconque, c'est-à-dire d'un mode qui n'est pas néces- mode T Emn any, that is to say of a mode which is not necessary
sairement circulaire et qui peut être par exemple rectangulaire, carre à un mode TE de même nom, m étant un nombre entier quelconque, p étant inférieur à n, et N et p étant des nombres sarily circular and which may for example be rectangular, square in a TE mode of the same name, m being any integer, p being less than n, and N and p being numbers
entiers qui peuvent prendre des valeurs élevées. integers that can take large values.
Dans tous les cas, le transformateur de modes selon l'invention est constitué de deux guides d'ondes coaxiaux, ayant la même section, circulaire, rectangulaire, carrée Le guide interne occupe l'une des zones o dans le guide externe le champ électrique tangentiel s'annule Ainsi ce guide, alors que le transformateur reçoit un mode TE mn, renferme un mode TE, avec p inférieur à n, car il est positionné sur la p zone à partir de l'axe QO' o le In all cases, the mode transformer according to the invention consists of two coaxial waveguides, having the same section, circular, rectangular, square The internal guide occupies one of the zones o in the external guide the electric field tangential is canceled Thus this guide, while the transformer receives a TE mn mode, contains a TE mode, with p less than n, because it is positioned on the p zone from the axis QO 'o the
champ électrique tangentiel s'annule. tangential electric field is canceled out.
Dans une première partie, les deux guides ont une section constante et des moyens déphasent de tf /2 Pénergie transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides / Ce déphasage peut être de + -r /2 ou de </2 selon les modes In a first part, the two guides have a constant section and means phase shift by tf / 2 the energy transported in the interval between the two guides / This phase shift can be + -r / 2 or </ 2 depending on the modes
et selon l'ordre des modes.and according to the order of the modes.
Dans une seconde partie, les deux guides ont une section croissante, et le guide d'onde interne comporte des orifices de couplage permettant de concentrer toute l'énergie dans le guide In a second part, the two guides have an increasing section, and the internal waveguide has coupling orifices allowing all the energy to be concentrated in the guide.
d'onde interne.internal wave.
Dans le cas de guides d'ondes rectangulaires et pour certains modes, il arrive que le guide d'onde interne ait deux de ses parois In the case of rectangular waveguides and for certain modes, it happens that the internal waveguide has two of its walls
constituées par une partie des parois du guide d'onde externe. formed by part of the walls of the external waveguide.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR8304986A FR2543368B1 (en) | 1983-03-25 | 1983-03-25 | MODES TRANSFORMER |
Applications Claiming Priority (1)
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FR2543368A1 true FR2543368A1 (en) | 1984-09-28 |
FR2543368B1 FR2543368B1 (en) | 1985-09-20 |
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1983
- 1983-03-25 FR FR8304986A patent/FR2543368B1/en not_active Expired
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