FR2685821A1 - Circuit de repartition et de couplage d'energie hyperfrequence. - Google Patents

Abstract

Circuit de répartition spatiale et de couplage d'énergie hyperfréquence comprenant au moins un nombre N de guides d'onde disposés selon une direction z, caractérisé en ce que: entre l'entrée et la sortie dudit circuit il y a une variation de la loi de la répartition spatiale de l'énergie hyperfréquence dans les guides. Selon différentes caractéristiques ladite loi de variation est monotonique ou linéaire selon z; les guides sont rectangulaires; ladite variation est obtenue avec un champ électrique uniforme et un champ magnétique dont l'amplitude varie selon z; ladite variation est obtenue par une variation des dimensions des guides selon z. Le circuit peut comprendre des moyens pour adjuster les phases et/ou les impédances dans les guides. Applications dans la fusion thermonucléaire et dans les accélérateurs de particules, plus particulièrement pour exciter une onde se propageant selon la direction z.

Description

CIRCUIT DE REPARTITION ET DE COUPLAGE D'ANERGIE HlpERFREQUENCE
La présente invention concerne un circuit de répartition spatiale et de couplage d'énergie hyperfréquence, et plus particulièrement un circuit de répartition et de couplage de très fortes puissances d'énergie hyperfréquence telles que rencontrées dans les applications de fusion thermonucléaire contrôlée ou des accélérateurs de particules.

En effet, dans de telles applications, il est courant d'appliquer plusieurs MW à plusieurs dizaines de MW de puissance hyperfréquence sur une région étendue de la machine en question, qui peut être un accélérateur de particules ou, pour la fusion, un tokomak ou un stellarator, par exemple. En général, l'énergie hyperfréquence (aussi connue de l'homme de l'art par le sigle RE pour Radio Eréquence) est fournie par plusieurs sources indépendantes, tels les tubes hyperfréquences qui peuvent être des klystrons, des gyrotrons, ou similaires.

Lténergie provenant de ces multiples sources est ensuite additionnée, soit à l'intérieur de la machine elle-même, soit par une structure en guide d'ondes à à ltextérieur de la machine.

La structure est conçue de manière à minimiser les pertes éventuelles en prenant soin des phases des ondes, des réflexions dues à des discontinuités d'impédance, etc.

Dans les accélérateurs de particules, l'énergie hyperfréquence peut être utilisée pour accélérer les particules directement, avec des applicateurs de puissance RF le long du trajet des particules. Dans une prochaine génération dtaccélérateurs, l'énergie hyperfréquence pourrait être utilisée pour exciter un plasma à des fréquences résonantes de ce dernier, qui à son tour pourra accélérer les particules électriquement chargées. Dans le premier cas, qui correspond à l'état actuel de la technologie des accélérateurs, tonde hyperfréquence accélératrice ne peut se propager librement dans l'enceinte de l'accélérateur, car l'onde libre ne peut accélérer les particules massives qui se propagent à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière. Donc les phases des ondes électromagnétiques de puissance seront distribuées le long de la trajectoire du faisceau de particules pour donner une impulsion d'accélération dans la direction de la trajectoire, lors du passage du faisceau (vitesse de phase inférieure à la vitesse de la lumière). Des erreurs de phase réduisent le rendement de transfert d'énergie vers le faisceau, ou dans des cas extrêmes, peuvent même ralentir le faisceau. Dans le deuxième cas, qui constitue l'un des axes de développement de nouveaux accélérateurs de particules, le transfert d'énergie de l'onde hyperfréquence vers le plasma obéit aux mêmes lois, donc ltapplication suivra les mêmes principes, que dans les machines de fusion thermonucléaire.

Dans les machines à fusion thermonucléaire, l'énergie hyperfréquence est utilisée, soit pour chauffer le plasma thermonucléaire à l'intérieur de la machine, soit pour exciter un courant électrique continu dans le plasma. Exciter un courant électrique continu dans le plasma requiert une accélération des particules électriquement chargées, par des mécanismes de transfert d'énergie semblables à ceux exploités dans les accélérateurs de particules.

Le chauffage du plasma se produit principalement, avec un rendement acceptable, dans trois domaines de fréquences correspondant à trois modes d'excitation le chauffage à résonance cyclotronique ionique (basses fréquences, quelques centaines de MHz), à résonance cyclotronique électronique
(hautes fréquences, de l'ordre de la centaine de GHz), ou à résonance hybride inférieure (fréquences moyennes, de l'ordre de l à 10 GHz).

L'onde hybride inférieure se propage, dans les machines de fusion thermonucléaire, avec une vitesse de phase inférieure à la vitesse de la lumière et donc ne peut être excitée par des ondes rayonnées librement. En revanche, ces rayonnements libres peuvent se propagent autour du plasma dans l'espace libre entre le plasma et les parois conductrices de l'enceinte de la machine, car leurs longueurs tonde (comprises entre 30 et 3 cm) sont généralement plus petites que les dimensions de cet espace libre. Mais la propagation de rayonnement libre autour du plasma ne sert pas à chauffer le plasma, et représente une perte de rendement en ce qui concerne le chauffage.

La solution connue de 11 art antérieur consiste à faire l'application de l'énergie hyperfréquence à l'aide d'un organe appelé un "grill" qui est capable d'exciter des ondes lentes dans le plasma. Le grill comporte de nombreuses ouvertures de guides d'ondes adjacents qui répartissent l'énergie sur un espace étendu à l'intérieur de la machine avec des phases convenables.

Un exemple d'un tel grill connu de l'art antérieur est montré sur la figure la. L'énergie hyperfréquence provenant des sources (non montrées) à très haute puissance est injectée via les brides 1 et traverse des fenêtres hyperfréquence 2 pour rentrer dans le grill. Le grill est évacué avant et pendant I'utilisation par le raccordement 3 prévu à cet effet. L'énergie provenant de chaque source est ensuite divisée dans les diviseurs de puissance 4 et véhiculée vers la machine (un
Tokamak, non montré). Les coupleurs 5 permettent de prélever une petite partie de la puissance véhiculée pour effectuer des mesures dans chaque guide après division. Les phases sont ajustées dans la région 6 pour compenser les différences de longueurs des chemins parcourus par les différentes ondes.

Ensuite l'énergie propage vers les guides d'ondes 8 à travers des "tapers" ou adaptateurs de section 7. Les guides provenant d'un seul diviseur sont sensiblement parallèles et adjacents les uns aux autres dans un plan ; dans l'exemple de la figure la il y en a six pour chaque diviseur. Par une sinuosité entre les tapers 7 et la bride de raccordement 9, les guides provenant de diviseurs différents sont emmenés ensemble pour se trouver tous parallèles et adjacents les uns aux autres dans une disposition suivant un rectangle : dans un sens (y), autant de guides que de divisions dans chaque diviseur (six dans l'exemple de la figure la) et dans l'autre sens (z), autant de guides que de diviseurs (quatre dans l'exemple de la figure la).

Dans le cas plus général discuté ci-dessous, on peut considérer un rectangle de m x N guides, avec m guides provenant de chaque diviseur, disposés selon y, et N guides disposés selon z (qui proviennent de N = 4 diviseurs dans l'exemple de la figure 1). Dans la discussion qui suit, on fait abstraction des sources et des diviseurs, car l'invention de situe en aval de ces composants. On considérera donc la répartition du couplage d'énergie hyperfréquence véhiculée dans un réseau de m x N guides disposés dans un rectangle à leur embouchure aval.

Revenant à la figure 1, et partant de la bride 9, les guides restent parallèles et adjacents dans la région droite 12 jusqu a la fenêtre hyperfréquence 13 épaisse. Cette partie droite 12 pénètre vers l'enceinte du Tokamak par un hublot il (montré en écorché sur la figure la), et sera soutenue mécaniquement par un soufflet métallique 10.

L'enceinte d'un Tokamak a la forme d'une toroide > et l'extrémité du grill comporte une courbure pour épouser la courbure de la paroi du Tokamak. Sur les figures la et lb, on a porté des références à des axes cartésiens .y. z qui seront utiles pour une description mathématique qui suivra, des interactions entre le plasma et les ondes propageant dans les guides du grill selon la direction x (perpendiculaire aux axes y, z, non montrée). La figure lb montre dans un détail de la figure la, des ouvertures 14 des guides d'onde du grill vu de l'intérieur du Tokamak. La disposition du grill des figures la, lb par rapport à la chambre toroidale d'un tokamak est montrée sur les figures 2a, 2b.

La figure 2a montre la toroide en coupe sur l'axe principal (trait pointillé), dans le plan x, y. La partie hachurée représente le plasma 16 à l'intérieur de la machine, confiné par des forces magnétostatiques provenant des aimants supraconducteur (non montrés) autour de la toroide, en dehors de sa paroi 15. Les ouvertures 14 du grill arrivent sur le côte de la paroi 15 pour injecter la puissance hyperfréquence véhiculée par le grill vers le plasma 16 selon l'axe x. L'axe , porté ici pour mémoire, a la même orientation que dans les figures la, lb.

La figure 2b montre la toroide en coupe perpendiculaire à la coupe de la figure 2a, dans le plan x, z. Comme dans la figure 2a, on voit que le plasma 16 est confiné à l'intérieur de la paroi 15, laissant un espace essentiellement vide autour du plasma entre le plasma 16 et la paroi interne 15 de la toroide.

Comme dans la figure précédente, les ouvertures 14 du grille arrivent sur le côté de la paroi 15. L'énergie hyperfréquence doit donc traverser cet espace, selon l'axe x pour exciter le plasma. L'axe z porté ici pour mémoire, à la même orientation que dans les figures la, lb.

Sur la figure 3, on voit un détail de la figure 2b qui montre la région d'interaction entre le plasma 16 et les ondes hyperfréquence, qui se propagent selon la direction x et qui arrivent par l'embouchure du grill 14. Pour simplifier l'argument mathématique qui suit, on considère une section droite de la toroide (alors que l'on sait qu'elle est légèrement en courbe), redressée selon l'axe z. On suppose que la région d'interaction aura une largeur 1, selon l'axe z, et on choisit l'origine O des axes cartésiens au milieu de cette longueur. La région d'interaction s'étend donc entre z = - 1/2 et z = + 1/2, ou la paroi continue est remplacée par le grill.

L'onde que l'on veut exciter se propage dans la direction + z dans le milieu constitué par le plasma 16 et la paroi 15 du
Tokamak. Toute onde peut être caractérisée par une fréquence angulaire w et constante de propagation bo et deux paramètres indépendants qui peuvent être les amplitudes des deux ondes se propageant dans la direction + z et - z. D'autres choix de paramètres indépendants sont possibles, par exemples les intensités des champs électriques (V) et magnétiques (I) dans un plan perpendiculaire à la direction z, mais notre choix permet d'expliciter certains avantages de l'invention de façon très claire.

On analyse le système par une méthode classique, l'analyse à l'aide des équations d'un mode des ondes en propagation, avec un terme de source qui représente l'excitation de ces ondes par les bouches des guides du grill. En toute généralité, le terme source est proportionnel au champ électrique à la sortie des guides, donc on peut écrire de façon simplifiée pour le terme de source (1) Ez = Eo exp(-j bo z) , I z I < 1/2
= O , | z z > 1/2
Nous avons ici négligé la structure fine du champ due aux perturbations sur les bords du grill et sur la paroi environnante, et nous sous-entendons la dépendance temporelle exp (jwt), facteur commun à toutes les grandeurs électriques des équations linéaires que nous allons étudier. Le choix arbitraire de la constante de propagation bo nous simplifie les calculs, mais cette valeur est proche de l'optimum et ce choix permet d'illustrer nos propos de façon plus claire.

Utilisant les équations de Maxwell, nous calculons alors le champ magnétique Hy qui règne à la sortie des guides (I z z 1/2), et au niveau de la paroi (I z I > 1/2). Nous trouvons, pour 1 z I < 1/2 (2) Hy = - Eo [bo (z+l/2)exp ( -jbo z)
z - exp ( -jbo l/2)sin(bo(z-l/2))] et pour z > 1/2 (3) Hy = - Eo[bo 1 exp(-j bo z)]
z et pour z < -1/2 (4) Hy = -Eo sin(bo 1) exp(j bo 1)
z ou Z est un paramètre qui dépend des dimensions des sections des guides et de la chambre du Tokamak.

Le premier terme de l'équation (2) correspond à une onde progressive dans le direction = z, dont l'amplitude croit linéairement depuis Hy = 0 pour z = -1/2, jusqu'à une valeur maximale de j Hy I = Eo bo l pour z = 1/2.

z
Le deuxième terme correspond à une onde stationnaire dont l'amplitude est limitée à l'unité (Eo / Z). Le premier terme domine car bo l est beaucoup plus grand que l'unité, donc nous avons approximativement un champ magnétique Hy dont la variation d'amplitude est pratiquement linéaire entre z = -1/2 et z = +1/2.

L'équation (3) représente une onde se propageant vers + z avec une amplitude proportionnelle à bo l.

L'équation (4) représente une onde se propageant vers -z avec une amplitude proportionnelle à sin(bo 1), qui peut être nulle si l'argument est un multiple de pi.

Par cette analyse, nous déterminons qu til est possible d'exciter uniquement l'onde se propageant dans la direction + z, pour un champ électrique à la sortie des guides selon l'expression (1), à condition que le champ magnétique à la sortie des guides varie progressivement selon l'expression (2).

Ceci implique que les guides soient adaptés à des impédances différents suivant leur position le long de l'axe z. Or, si les guides sont excités normalement de façon identique, avec les déphasages voulus, l'art antérieur ne nous enseigne pas comment obtenir cette condition.

Dans l'art antérieur, aucune construction n'a été proposée jusqu a présent pour assurer une telle variation progressive du champ magnétique à la sortie des guides tout en adaptant ceux-ci à l'impédance présentée à leur ouverture. En conséquence, aucune construction connue de l'art antérieur n'est capable d'assurer une excitation uniquement de l'onde propageant vers + z sans desadapter le système des sources et des guides.

La présente invention a justement pour but de remédier à cette situation.

Considérons maintenant un champ électrique à la sortie des guides ayant une forme différente de celle de l'expression (1) (5) : Ez = Eo cos(boz) ; I z I < 1/2
= O ; 1 z j > 1/2.

Dans ce cas, on trouve un champ magnétique d'amplitude essentiellement constante le long des guides, qui peuvent être alors tous excités de façon identique, avec le déphasage voulu, mais le grill excite non seulement une onde dans la direction + z, mais aussi une onde d'amplitude égale dans la direction - z.

Ce cas correspond en pratique à l'utilisation des ondes pour le chauffage du plasma.

En revanche, pour exciter un courant électrique dans le plasma, l'analyse ci-dessus nous montre qu'il est indispensable, si l'on veut exciter une onde uniquement dans la direction + z avec un champ électrique d'amplitude constante le long du grill (selon z), que le système fonctionne avec une amplitude du champ magnétique croissante le long du grill. Si cette condition n'est pas remplie, le grill excite aussi une onde inverse (vers - z), qui vient diminuer le courant de plasma que l'on veut exciter.

Dans ce cas, de nombreux inconvénients sont rencontrés.

Non seulement le courant dans le plasma est diminué, mais d'autres ondes sont éventuellement dissipées dans le plasma accéléré dans deux directions différentes. Les guides sont desadaptés à leur sortie, donnant lieu a des conséquences néfastes pour tout le système, dont notamment : l'échauffement des guides par pertes RF des ondes réfléchies ; un rendement diminué des générateurs de puissance, qui peuvent même être détériorés par le renvoi de la puissance réfléchie ; ou encore dissipation de la puissance réfléchie dans les isolateurs. Cette liste non exhaustive donne déjà quatre facteurs qui viennent réduire le rendement du système, qui utilise plusieurs dizaines de MW de puissance continue ; quelques pour-cent de rendement en moins représentent donc quelques centaines de kilowatts qui sont gaspillés et qui doivent être dissipés dans des systèmes de refroidissement.

L'invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients de l'art antérieur.

A ces fins, l'invention propose un circuit de répartition spatiale de l'énergie électromagnétique hyperfréquence, ledit circuit ayant des extrémités qui sont appelées respectivement l'entrée et la sortie, ledit circuit destiné à délivrer à sa sortie selon une direction x de propagation ladite énergie électromagnétique, ladite répartition spatiale étant selon au moins une direction z perpendiculaire à x, ledit circuit comprenant au moins un nombre N de guides d'onde (1,2,... n... N) disposés mutuellement selon ladite direction z, caractérisé en ce que entre ladite entrée et ladite sortie dudit circuit il y a une variation de la loi de la répartition spatiale de l'énergie électromagnétique hyperfréquence dans lesdits N guides. Cette variation de la loi de la répartition spatiale de l'énergie RF peut être calculée pour produire l'effet recherché, par exemple l'excitation d'un courant unidirectionnel dans le plasma.

Selon une variante essentielle de l'invention, l'énergie hyperfréquence à l'entrée dudit circuit est répartie uniformément parmi les N guides, tandis que l'énergie hyperfréquence à la sortie dudit circuit est répartie selon une loi de répartition spatiale présentant une variation d'amplitude dans chaque guide n = 1,2... N selon ladite direction z. Cette situation correspond, en effet, à l'une des applications envisagées pour l'invention, ou une puissance injectée dans le circuit de répartition est uniforme au départ, mais qui doit être distribuée selon une loi de variation spatiale pour optimiser l'effet recherché.

Selon une réalisation préférée de l'invention, la variation d'amplitude selon ladite loi de la répartition spatiale est monotone selon la direction z. Cette situation correspond à une excitation croissante dans la direction z.

Selon une caractéristique importante de l'invention, ladite loi de variation d'amplitude est linéaire selon la direction z.

Nous avons montré par calcul que cette situation correspond à l'excitation d'un courant dans le plasma avec un rendement optimal.

Selon une réalisation préférée de l'invention, les guides d'onde à la sortie du circuit sont rectangulaires et sont orientés avec au moins un côté du rectangle parallèle à la direction z. Cette réalisation a l'avantage d'une géométrie simple, et d'une mise en oeuvre relativement facile.

Selon une caractéristique de l'invention, l'amplitude et l'orientation du champ électrique à la sortie du circuit sont les mêmes pour tous les guides d'onde n = 1,2... N. Cette caractéristique permet une réalisation simple de l'invention.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les dimensions des guides rectangulaires sont les mêmes à la sortie du circuit pour tous lesdits guides. Cette caractéristique permet une réalisation simple de l'invention.

Selon une autre caractéristique importante de l'invention, l'amplitude du champ magnétique à ladite sortie dudit circuit suit une loi de variation linéaire selon la direction z. Cette caractéristique permet une réalisation simple de l'invention, avec champ électrique constant et dimensions de guides constants.

Selon une réalisation préférée de l'invention, ladite variation de la loi de répartition spatiale entre l'entrée et la sortie dudit circuit est obtenu par une variation des dimensions rectangulaires desdits guides selon leur longueur entre l'entrée et la sortie dudit circuit.

Selon une caractéristique de l'invention, ledit circuit comprend des moyens aptes à ajuster les phases des ondes électromagnétiques propageant dans lesdits guides. Cette caractéristique, connue en soi de l'art antérieur, permet de conforter les avantages procurés par les diverses réalisations selon l'invention.

Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit circuit comprend des moyens aptes à ajuster l'impédance desdits guides à l'entrée ou à la sortie dudit circuit.

Selon une réalisation préférée de l'invention, ledit circuit comprend un nombre de guides mN ou m est un nombre entier supérieur à 1, et lesdits guides sont disposés en m rangées de N guides superposée s selon une direction y perpendiculaire aux directions x, z précitées. Cette géométrie est l'une des plus simples pour la mise en oeuvre des principes de l'invention.

Grâce à l'invention, on peut obtenir l'excitation d'une onde dans un plasma avec un rendement sensiblement amélioré par rapport aux méthodes et moyens connus de l'art antérieur.

La mise en oeuvre des principes de l'invention est relativement simple, comme nous le montrerons dans les exemples évoqués dans la description détaillée qui suit, avec ses dessins annexés parmi lesquels
- la figure la, déjà décrite, représente en perspective et en écorché partielle un grill connu de l'art antérieur
- la figure lb représente un détail de la figure la qui montre la disposition des guides d'onde à l'embouchure de ceux-ci vers le plasma
- la figure 2, déjà décrite, représente en coupe sur l'axe principal (fig. 2a) et en coupe perpendiculaire à l'axe principal (fig. 2b), la chambre toroidale d'un tokamak, le plasma à l'intérieur de cette chambre, et la disposition du grill destiné à injecter la puissance RF dans le plasma par le côté de la chambre, cette disposition relative en soi étant connu de l'art antérieur
- la figure 3, déjà décrite, représente un détail de la figure 2b, qui montre une portion de la chambre toroidale du
Tokamak redressée selon l'axe z, avec la disposition relative des parois de la chambre, du plasma à l'intérieur de la chambre, le grill qui arrive sur le côté de la chambre, l'étendue de la région d'interaction entre la puissance RF qui arrive par l'embouchure du grill selon la direction x et le plasma à l'intérieur de la chambre
- la figure 4 montre schématiquement et en coupe, un grill de guides d'ondes vu selon la direction -x, (direction opposée à la propagation de l'énergie RF dans le grill), avec les dimensions rectangulaires des guides, l'étendue latérale de la région d'interaction, et les axes cartésiens z, y reportés sur le dessin. Dans cette région, les guides sont nécessairement en phase
- la figure 5 montre la configuration du champ électrique à la sortie des guides (parallèle à l'axe z et uniforme selon z sur l'étendu -1/2 < z < 1/2
- la figure 6 montre un exemple selon l'invention d'une disposition mécanique des guides d'onde, ces guides d'onde ayant une loi de variation spatiale de largeur de guide selon l'axe z, de façon à ce que le champ électrique Ez et le champ magnétique Hy ayant la même amplitude pour tous les guides, et la densité d'énergie véhiculée selon la direction x étant proportionnelle à Ez X Hy, l'énergie véhiculée par chaque guide est en proportion à la largeur du guide
- la figure 7 montre un exemple selon l'invention de l'embouchure des guides dans un grill, ayant tous les mêmes dimensions rectangulaires, mais dont la loi de variation spatiale du champ magnétique Hy est monotonique et linéaire selon l'axe 2
- la figure 8 montre schématiquement et en coupe un exemple d'une réalisation préférée selon l'invention d'un circuit de répartition de l'énergie hyperfréquence, dont la configuration à l'entrée dudit circuit est conforme à l'exemple de la figure 6, et dont la configuration à la sortie dudit circuit est conforme à l'exemple de la figure 7
- la figure 9 montre schématiquement et en coupe un autre exemple d'une réalisation préférée selon l'invention d'un circuit de répartition spatiale de l'énergie hyperfréquence, ayant une distribution uniforme de l'énergie RF à l'entrée, avec des champs électriques et magnétiques d'amplitudes égaux et en phase à l'entrée de tous les guides, les guides ayant les mêmes dimensions rectangulaires à l'entrée et à la sortie du circuit mais un nombre de guides différent en sortie qu'à entrée, ce circuit apte à fournir un champ magnétique croissant selon la direction z conformément aux principes de l'invention;
- la figure 10, comprenant les figures lova, 10b et 10 c montre schématiquement et en trois coupes successives un autre exemple d'une réalisation préférée selon l'invention d'un circuit de répartition spatiale de l'énergie hyperfréquence, ayant une distribution uniforme de l'énergie RF à entrée, avec des champs électriques et magnétiques d'amplitudes égaux à l'entrée de Ni guides, les N1 guides ayant les mêmes dimensions rectangulaires à l'entrée du circuit telle que montrée sur la première coupe de la figure 10a, ces N1 guides étant ensuite divisés par des parois de position variables en (2N1 - 1) guides de largeurs an différentes telle que montrée sur la deuxième coupe de la figure iOb, ces guides étant ensuite déformés dans la direction y pour permettre leur raccordement à l'embouchure du grill montrée dans tordre de largeur croissante telle que montrée sur la troisième coupe de la figure 10c. La figure 10d montre le grill composé de 2N1-i guides de largeur constant ao.

Les mêmes éléments portent les mêmes références sur tous les dessins, mais pour des raisons de clarté, les dimensions ne sont pas rigoureusement respectées ; les dessins sont donnés à titre l'exemple non limitatif s, pour illustrer schématiquement les principes de l'invention et quelques-unes de ces réalisations préférées. Les figures 1 à 3 ont été déjà décrites ci-dessus ; ainsi, nous commençons notre description de l'invention à partir de la figure 4.

La figure 4 montre schématiquement et en coupe un grill de guides d'ondes, vu selon la direction -x c'est-à-dire dans la direction opposée à la propagation des ondes électromagnétiques dans les guides. Cette figure montre les paramètres nécessaires pour formuler un traitement mathématique de l'interaction des ondes avec le plasma. Le grill peut être constitué de plusieurs rangées de guides, ces rangées étant superposées selon l'axe g, telles que montrées en pointillés sur le dessin. Nous supposons que les rangées seront excitées de façon unciforme, c'est-à-dire une excitation d'amplitude et d'orientation identique s pour chaque rangée. Les champs seront additionnés de façon linéaire, donc nous n'avons besoin de considérer qu'une seule rangée pour effectuer les calculs ; ensuite les champs résultant de plusieurs rangées peuvent être obtenus par une simple superposition linéaire. Nous supposons en outre que les guides d'une rangées sont excités avec les champs électriques de chaque guide uniformes en amplitude, en orientation selon l'axe z, et en phase voulue, grâce, par exemple, à des déphaseurs situés en amont de la coupe de cette figure 4.

La figure 4 montre une rangée de M guides 14, de dimensions b (hauteur selon y) X a (largeur selon z), avec a < b, placés côte à côte selon l'axe z, qui s'étendent donc sur une région de longueur l = M x a. Nous choisissons l'origine des coordonnées cartésiennes (y > z) au centre de cette région. Le champ électrique résultant est donc uniforme d'amplitude et en phase de z = - 1/2 a z = +1/2, toujours orienté selon l'axe z, avec la variation suivante y en cosinus (y.pi/2b) classique dans la théorie des guides d'ondes b étant la grande dimension des guides (hauteur selon y).

On peut donc raccorder cet ensemble de M guides à un guide unique ayant les dimensions b (hauteur selon g) et 1 =
Mxa (largeur selon z), et le champ électrique résultant n'en sera pas perturbé.

La figure 5 montre schématiquement et en coupe un exemple de ce guide unique ayant les dimensions b (hauteur selon y) et l = Mxa (largeur selon z), et un exemple de champ électrique résultant. Le trait continu représente un maximum d'amplitude du champ électrique, et les traits discontinus représentent des maxima du champ mais en signe inverse (opposition de phase) par rapport au maximum central. L'amplitude du champ électrique
E selon la position en y est montré schématiquement à côté du dessin du guide d'ondes. Le champ électrique, toujours parallèle à l'axe z est bien sûr nul sur les parois du guide d'onde parallèles à l'axe z.

La figure 6 montre une disposition mécanique de N guides (n = 1, 2,...N) dont la largeur an varie en fonction de leur position selon l'axe z, qui peuvent être raccordés au guide d'ondes unique de la figure 5. L'amplitude du champ magnétique est identique dans tous ces gu qui suit une loi de variation spatiale. A l'entrée du circuit, qui porte la référence S6, nous avons une répartition spatiale telle que décrite pour la figure 6, c'est-à-dire que la densité d'énergie est uniforme, mais la largeur an des N guides varie selon une loi de variation spatiale en z. Ces N guides de largeurs différentes (al, a2,...aN) au repère S6 sont raccordés, moyennant une sinuosité et une transition de largeur, à N guides de largeurs identiques (ao) au repère S7. La transition de largeur est effectuée à une distance égale à un quart de longueur des ondes se propageant dans les guides (lambda g / 4) des embouchure 14 (à la hauteur du repère S7) pour effectuer une transformation ci'impédance entre les guides et le plasma, afin de minimiser des réflexions dues à des discontinuités d'impédance dans les guides. Pour conserver la cohérence des ondes propagées dans les différents guides entre elles, et pour respecter la loi de phase exprimée dans l'équation 1 ci-dessus, des déphaseurs 20 sont prévus car les guides n'auront pas les mêmes longueurs, selon la sinuosité nécessaire pour effectuer le raccordement.

La figure 9 montre schématiquement et en coupe un exemple spécifique d'une réalisation préférée selon l'invention. Dans cette exemple, l'énergie arrive dans le circuit de répartition spatiale de l'énergie hyperfréquence par 8 guides d'ondes identiques 8 d'une largeur de 15 mm. Dans . tous les cas, cette largeur ne doit pas dépasser la moitié de la longueur d'onde que l'on voudrait exciter dans le plasma. Les guides sont disposés selon une rangée de largeur totale de 8 X 15 mm = 120 mm. Ces guides sont raccordés à un guide unique 18, ce qui correspond à la situation décrite précédemment pour la figure 5 la densité d'énergie est uniforme selon z. Ensuite, 15 guides d'ondes 19 de largeurs différentes an sont raccordés à ce guide unique 18. Les largeurs, dans cet exemple, sont de al = 1 mm, a2 = 2mm, a3 = mm, ... an = n mm, al5 = 15 mm pour une largeur totale pour la rangée de 120 mm. La densité d'énergie étant uniforme à l'entrée de ces guides, l'énergie véhiculée est en proportion à la largeur an de guide n (la hauteur b est présumée identique pour tous les guides).

Ces guides suivent une sinuosité, différente pour chaque guide, avant d'être raccordés à 15 guides 21 de largeur identique à ao de 15 mm. Afin de compenser les différences de longueurs et de régler la loi de phase entre les guides, des déphaseurs 20 sont prévus sur chaque guide 19 entre le guide unique 18 et les guides identiques 21 de sortie. Ainsi, les phases des ondes véhiculées dans chaque guide peuvent être accordées pour rétablir la loi de phases de l'équation 1 ci-dessus à la sortie du dispositif.

Comme dans l'exemple de la figure 8, les guides 19 ont une section constante entre le guide unique 18 et les guides identiques 21 de sortie. La transition entre ces guides 19 et les guides identiques 21 de sortie est abrupte, et dans cet exemple, a lieu à 8 mm environ avant I'embouchure, ce qui correspond à un quart de longueur d'onde pouvant propager dans ces guides identiques 21. Cette région correspond à un transformateur d'impédance entre les embouchures des guides et le plasma ou la charge hyperfréquence.

Nous avons dans l'exemple de la figure 9 un disposition complet de répartition et couplage de l'énergie électromagnétique hyperfréquence, destiné à exciter une onde lente dans un plasma. L'amplitude du champ magnétique fourni par le dispositif à son embouchure varie linéairement le long du dispositif (selon la direction z), pour un champ électrique d'amplitude constant.

D'autres configurations peuvent être imaginées pour obtenir les mêmes résultats suivant les principes de l'invention. Nous en donnons un autre exemple sur les figures iota, lOb > 10c, 10d.

Sur la figure 10a, nous avons N1 guide identiques à l'entrée du dispositif, et dans cet exemple, nous avons choisi N1 = 9, et les guides identiques ont une largeur de (2N1-l)mm.

Dans la figure 10b, nous avons montré une façon de diviser ces guides selon leur largeur pour obtenir des guides ayant des largeurs différentes : an qui varie linéairement selon n. Des cloisons minces peuvent être insérées dans ces guides pour les diviser en deux guides de largeurs inégales. Les guides résultants, au nombre de 2N1 - 1, auront tous des largeurs différentes, telles qu'indiquées sur la figure lOb. Pour simplifier, nous avons choisi îa largeur an = n mm dans cet exemple. Pour réarranger les guides dans l'ordre de largeur croissante, telle que montrée sur la figure 10c, il sera nécessaire d'effectuer des distorsions des guides selon la direction g. Encore une fois, des déphaseurs (non montrés) peuvent être insérés le long des guides pour permettre toutes les ondes propagées de se retrouver avec les phases voulues à la sortie du dispositif, montrée sur la figure 10d. Les 2N1 - 1 guides de largeurs différentes de la figure i0c sont raccordées par des transitions de largeur à 2 N1 - 1 guides de largeur identique ao tel que montré sur la figure 10d. Ces transitions de largeur seront par exemple, comme dans le cas de la figure 9, effectuées à une distance égale à un quart de longueur d'onde afin d'obtenir une transformation d'impédance entre les guides et le plasma.

Dans l'exemple montré sur les figures 10, nous avons pu éliminer la transition de la figure 5, qui consiste en un guide unique entre les guides identique s provenant de la source d'énergie hyperfréquence, et les guides de largeurs an variables selon n. Ceci peut présenter un avantage, car la région de la figure 5 peut induire des résonances parasite si la géométrie n'est pas parfaite, et peut être difficile à réaliser industriellement. En contrepartie, la géométrie des guides de largeurs an variables selon n devient plus compliquée par la distorsion selon y nécessaire à leur raccordement dans le bon ordre.

Dans les exemples présentés, nous avons pour la plus grande simplicité et clarté de l'exposé, illustré une loi de variation spatiale linéaire selon la direction z. Il est possible, bien entendu, d'obtenir de manière similaire, toute autre loi de variation spatiale requise pour l'application envisagée. Par exemple, pour l'accélération de particules, on pourrait envisager une loi de variation spatiale exponentielle selon la direction de propagation du faisceau. Dans d'autres applications, pour transmission d'énergie dirigée par exemple, il peut être demandé de fournir une variation gaussienne selon la direction z ou même selon les deux directions r, z. Les largeurs de guides seront facilement calculées pour obtenir n'importe de quelle loi de variation spatiale, de la manière de l'exemple de la figure 9.

Grâce à l'invention, on peut ainsi obtenir l'excitation d'une onde dans une plasma avec un rendement sensiblement amélioré par rapport aux méthodes et moyens connus de l'art antérieur. Suivant le principe général de l'invention, l'homme de l'art saura trouver de nombreuses variantes pour obtenir ces fins, notamment en élaborant différentes dispositions mécaniques des différents éléments. D'autres applications sont envisageables, qui peuvent demander d'autres lois de variation spatiale de la répartition de l'énergie électromagnétique hyperfréquence. Ces applications peuvent être servies en adaptant les paramètres de l'invention pour obtenir la loi de variation spatiale voulue.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Circuit de répartition spatiale et de couplage d'énergie électromagnétique hyperfréquence, ledit circuit ayant deux extrémités qui sont appelées respectivement l'entrée et la sortie, ledit circuit destiné à délivrer à sa sortie selon une direction x de propagation ladite énergie électromagnétique, ladite répartition spatiale étant selon au moins une direction z perpendiculaire à x, ledit circuit comprenant au moins un nombre

N de guides d'onde (i > 2..n,..N) disposés mutuellement selon ladite direction z, caractérisé en ce que : entre ladite entrée et ladite sortie dudit circuit il y a une variation de la loi de ladite répartition spatiale de ladite énergie électromagnétique hyperfréquence dans lesdits N guides.

2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que : l'énergie hyperfréquence à ladite entrée dudit circuit est répartie uniformément parmi les N guides, et en ce que l'énergie hyperfréquence à ladite sortie dudit circuit est répartie selon une loi de répartition spatiale présentant une variation d'amplitude dans chaque guide n = 1,2...N selon ladite direction z.

3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite loi de variation d'amplitude est monotone selon ladite direction z.

4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite loi de variation d'amplitude est linéaire selon ladite direction z.

5. Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que : lesdits guides d'onde à ladite sortie dudit circuit sont rectangulaires et sont orientés avec au moins un côté du rectangle parallèle à ladite direction z.

6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que : l'amplitude et l'orientation du champ électrique à ladite sortie dudit circuit sont les mêmes pour tous lesdits guides d'onde n = 1,2,...N.

7. Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que . les dimensions rectangulaires desdits guides rectangulaires sont les mêmes à ladite sortie dudit circuit pour tous lesdits guides.

8. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'amplitude du champ magnétique dans chaque guide à ladite sortie dudit circuit suit une loi de variation linéaire selon la direction z.

9. Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite variation de ladite loi de répartition spatiale entre ladite entrée et ladite sortie dudit circuit est obtenu par une variation desdites dimensions rectangulaires desdits guides selon leur longueur entre ladite entrée et ladite sortie dudit circuit.

10. Circuit selon l'une quelconque des revendications i à 9, caractérisé en ce que ledit circuit comprend des moyens aptes à ajuster les phases des ondes électromagnétiques propageant dans lesdits guides à leur sortie.

11. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1à 10, caractérisé en ce que ledit circuit comprend des moyens aptes à ajuster l'impédance desdits guides à ladite entrée ou à ladite sortie dudit circuit.

12. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1à 10, caractérisé en ce que ledit circuit comprend un nombre de guides mN ou m est un nombre entier supérieur à i, et lesdits guides sont disposés en m rangées de N guides superposées selon une direction y perpendiculaire aux directions x,z précitées.