FR2688342A1 - Microwave electron tube - Google Patents
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Abstract
Description
TUBE ELECTROMQUE llYPERFREQUENCE
La présente invention concerne les tubes électroniques hyperfréquences et plus particulièrement les tubes du type gyrotron.ELECTRICAL TUBE lYPERFREQUENCY
The present invention relates to microwave electronic tubes and more particularly tubes of the gyrotron type.
Les gyrotrons sont particulièrement intéressants car ils sont aptes, à la fois, à fournir des puissances extrêmement élevées et des longueurs d'onde millimétriques ou même quasi-optiques. Gyrotrons are particularly interesting because they are able, at the same time, to provide extremely high powers and millimeter or even quasi-optical wavelengths.
A titre d'exemple, on peut atteindre des puissances supérieures à plusieurs centaines de KW et des fréquences supérieures à 100 MHz. For example, powers greater than several hundred kW and frequencies greater than 100 MHz can be achieved.
Avec les progrès réalisés, la technique des gyrotrons évolue naturellement vers des fréquences plus élevées et, si possible des puissances également plus élevées. Les guides d'ondes utilisés pour la propagation de la puissance de sortie deviennent alors de plus en plus grands devant la longueur d'onde et peuvent corrélativement propager un nombre de plus en plus grand de modes. With the progress made, the gyrotron technique naturally evolves towards higher frequencies and, if possible, also higher powers. The waveguides used for the propagation of the output power then become increasingly larger compared to the wavelength and can correlatively propagate an increasing number of modes.
n est alors difficile d'assurer une propagation dans un mode dominant pur. En outre, le guide de sortie sert généralement de collecteur d'électrons, et le problème des modes empêche de l'optimiser pour la fonction de collecteur. C'est pour ces raisons que l'on s'arrange pour que la puissance sorte latéralement du gyrotron, sous forme d'un faisceau gaussien, tandis que le faisceau électronique, après avoir excité la puissance électromagnétique par interaction, continue sa progression suivant la direction axiale vers un espace collecteur sans champ électromagnétique. En séparant en deux fonctions, on peut alors optimiser le collecteur d'électrons. It is therefore difficult to ensure propagation in a pure dominant mode. In addition, the output guide generally serves as an electron collector, and the mode problem prevents it from being optimized for the collector function. It is for these reasons that one arranges so that the power leaves laterally from the gyrotron, in the form of a Gaussian beam, while the electron beam, after having excited the electromagnetic power by interaction, continues its progression according to the axial direction towards a collecting space without electromagnetic field. By separating into two functions, we can then optimize the electron collector.
Un gyrotron a la structure générale d'un tube. A l'une des extrémités du tube, est disposé un canon à électrons nécessaire pour générer le faisceau d'électrons. A l'autre extrémité, est disposée une chambre à parois métalliques, généralement cylindrique, vers laquelle est guidé le rayonnement avant d'être émis vers l'extérieur axialement ou latéralement. A gyrotron has the general structure of a tube. At one end of the tube is arranged an electron gun necessary to generate the electron beam. At the other end, there is a chamber with metal walls, generally cylindrical, towards which the radiation is guided before being emitted outward axially or laterally.
Dans le dernier cas, le faisceau sort du tube par une fenêtre de céramique étanche, située dans la paroi cylindrique de cette chambre. Toutefois, le rayonnement, la propagation du faisceau et toutes ses réflexions s'accompagnent de la diffraction d'une partie de la puissance dans des directions mal contrôlées à l'intérieur de l'enceinte métallique qui est à peu près totalement réfléchissante. In the latter case, the beam leaves the tube through a sealed ceramic window, located in the cylindrical wall of this chamber. However, the radiation, the propagation of the beam and all its reflections are accompanied by the diffraction of part of the power in poorly controlled directions inside the metal enclosure which is almost completely reflecting.
L'énergie électromagnétique s'accumule à l'intérieur du tube et peut y exciter des résonances aboutissant à la détérioration de certains éléments, et/ou à la déviation du faisceau électronique.Electromagnetic energy accumulates inside the tube and can excite resonances there, leading to the deterioration of certain elements, and / or to the deflection of the electron beam.
On peut certes disposer des éléments absorbants dans l'enceinte métallique, mais ceux-ci sont coûteux, fragiles et sujets à un dégagement d'une quantité importante de gaz. It is certainly possible to have absorbent elements in the metal enclosure, but these are expensive, fragile and subject to the release of a significant amount of gas.
L'invention vise à pallier les inconvénients de l'art connu. The invention aims to overcome the drawbacks of the known art.
Pour ce faire, selon l'invention, on réalise une partie de la chambre cylindrique en matériau céramique de manière à laisser sortir le rayonnement indésirable, que l'on peut alors dissiper à l'extérieur sans contraintes de volume et de dégazage. To do this, according to the invention, a part of the cylindrical chamber is made of ceramic material so as to let out the undesirable radiation, which can then be dissipated outside without constraints of volume and degassing.
L'invention a donc pour objet un tube électronique générant une onde électromagnétique hyperfréquence du type mettant en oeuvre une interaction entre une onde électromagnétique et un faisceau d'électrons émis suivant un premier axe déterminé et comprenant une enceinte sous vide munie à l'une de ses extrémités d'une chambre permettant à l'onde électromagnétique d'être émise suivant une direction, parallèle à un second axe déterminé, par une fenêtre en matériau transparent à celle-ci, caractérisé en ce que au moins une partie des parois de la chambre est réalisée en un matériau diélectrique de manière à permettre la sortie d'ondes parasites prenant naissance dans la chambre et se propageant dans des directions autres que ladite direction parallèle au second axe déterminée. The invention therefore relates to an electronic tube generating a microwave electromagnetic wave of the type implementing an interaction between an electromagnetic wave and an electron beam emitted along a first determined axis and comprising a vacuum enclosure provided at one of its ends of a chamber allowing the electromagnetic wave to be emitted in a direction, parallel to a second determined axis, by a window made of material transparent to it, characterized in that at least part of the walls of the chamber is made of a dielectric material so as to allow the emission of parasitic waves originating in the chamber and propagating in directions other than said direction parallel to the second determined axis.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées. The invention will be better understood and other characteristics and advantages will become apparent from the following description, with reference to the appended figures.
- La figure 1 illustre schématiquement un dispositif selon l'art connu. - Figure 1 schematically illustrates a device according to the known art.
- La figure 2, illustre de façon plus détaillée la structure d'un tel dispositif. - Figure 2 illustrates in more detail the structure of such a device.
- Les figures 3 et 4 illustrent un premier exemple de réalisation de l'invention. - Figures 3 and 4 illustrate a first embodiment of the invention.
- La figure 5 illustre un second exemple de réalisation de l'invention. - Figure 5 illustrates a second embodiment of the invention.
- Les figures 6 et 7 sont des variantes supplémentaires de réalisation d'un dispositif de l'invention. - Figures 6 and 7 are additional alternative embodiments of a device of the invention.
On va tout d'abord rappeler brièvement le fonctionnement d'un tube électronique du type gyrotron par référence à la figure 1. Pour fixer les idées, sans que cela soit limitatif de l'invention, on se placera dans le cas d'un gyrotron pour lequel la puissance est distribuée sous forme d'un faisceau électromagnétique gaussien. We will first of all briefly recall the operation of an electronic tube of the gyrotron type with reference to FIG. 1. To fix the ideas, without this being limiting of the invention, we will place ourselves in the case of a gyrotron for which the power is distributed in the form of a Gaussian electromagnetic beam.
ll est connu que le faisceau ou rayon gaussien est celui qui a la plus petite dispersion latérale par diffraction lors de sa propagation dans le vide, et il est caractérisé par des lignes de champ électrique essentiellement parallèles, comme pour une onde plane, mais avec une distribution de l'intensité autour de son axe suivant la loi gaussienne ci-dessous:
1(r) = 10 e -(r2 / w2)
où r est la distance séparant un point du faisceau de l'axe du gyrotron
w est le rayon efficace du faisceau.It is known that the Gaussian beam or ray is the one which has the smallest lateral dispersion by diffraction during its propagation in vacuum, and it is characterized by essentially parallel electric field lines, as for a plane wave, but with a distribution of the intensity around its axis according to the Gaussian law below:
1 (r) = 10 e - (r2 / w2)
where r is the distance between a point of the beam and the axis of the gyrotron
w is the effective radius of the beam.
10 l'intensité maximale pour r = 0
La figure 1 représente schématiquement l'extrémité de sortie d'un gyrotron.10 maximum intensity for r = 0
Figure 1 schematically shows the outlet end of a gyrotron.
Suivant une technique connue, le faisceau ou rayon gaussien f peut être engendré à partir d'un guide d'ondes, en terminant celui-ci par un organe appelé radiateur R, qui consiste en un tronçon de tube dont l'extrémité est coupée suivant, d'une part, une hélice comportant un tour complet et, d'autre part, une portion de génératrice du cylindre qui relie les deux extrémités de l'hélice. According to a known technique, the Gaussian beam or ray f can be generated from a waveguide, terminating it by a member called radiator R, which consists of a section of tube whose end is cut along , on the one hand, a propeller comprising a full turn and, on the other hand, a portion of a generator of the cylinder which connects the two ends of the propeller.
Le rayonnement qui sort de ce radiateur est déjà approximativement gaussien, avec une loi de Gauss pour laquelle le paramètre w est différent dans deux directions perpendiculaires entre elles et à l'axe du faisceau f. Celui-ci a une section d'aspect elliptique. On transforme cette section elliptique en section circulaire grâce à un miroir focalisant Mf en choisissant l'angle d'incidence du faisceau f sur ce miroir. The radiation coming out of this radiator is already approximately Gaussian, with a Gauss law for which the parameter w is different in two directions perpendicular to each other and to the axis of the beam f. This one has an elliptical section. This elliptical section is transformed into a circular section by means of a focusing mirror Mf by choosing the angle of incidence of the beam f on this mirror.
Entre le radiateur R et ce miroir sont disposés un miroir parabolique Mp suivi de miroirs plans M disposés en vis-à-vis. Between the radiator R and this mirror are arranged a parabolic mirror Mp followed by plane mirrors M arranged opposite.
Le faisceau, réfléchi par le miroir focalisant Mf, est émis suivant une direction faisant un angle généralement compris entre 45 et 900 avec l'axe du faisceau. The beam, reflected by the focusing mirror Mf, is emitted in a direction making an angle generally between 45 and 900 with the axis of the beam.
La figure 2 illustre de façon plus détaillée la structure complète d'un gyrotron. Celui-ci se présente sous la forme générale d'une enceinte tubulaire T représentée verticalement sur la figure 2. Figure 2 illustrates in more detail the complete structure of a gyrotron. This is in the general form of a tubular enclosure T shown vertically in FIG. 2.
En sa partie inférieure, il comporte un canon à électron Ce produisant un faisceau électronique fe. Celui-ci, est injecté dans une cavité Ca et traverse le radiateur R. Le faisceau d'électrons continue de se propager dans la direction de l'axe A , axe de symétrie de l'enceinte T, pour atteindre l'autre extrémité de l'enceinte T qui débouche dans une chambre de grand diamètre à parois métalliques
Ch, généralement de forme cylindrique. Celle-ci comporte, d'une part, le miroir de focalisation Mf précité et une fenêtre Ws en matériau diélectrique, perméable au faisceau d'ondes électromagnétiques. Ce faisceau est généré suivant une direction ' généralement orthogonale à l'axe A, le miroir Mf étant incliné en conséquence.In its lower part, it has an electron gun Ce producing an electron beam fe. The latter is injected into a cavity Ca and passes through the radiator R. The electron beam continues to propagate in the direction of the axis A, axis of symmetry of the enclosure T, to reach the other end of enclosure T which opens into a large diameter chamber with metal walls
Ch, generally cylindrical in shape. This comprises, on the one hand, the aforementioned focusing mirror Mf and a window Ws of dielectric material, permeable to the beam of electromagnetic waves. This beam is generated in a direction 'generally orthogonal to the axis A, the mirror Mf being inclined accordingly.
On n'a pas représenté sur la figure 2 les électroaimants supraconducteurs nécessaires pour la production d'un champ magnétique d'induction, parallèle à l'axe A. Ces dispositions sont bien connues et ne nécessitent pas de développements particuliers. FIG. 2 does not show the superconductive electromagnets necessary for the production of an induction magnetic field, parallel to the axis A. These arrangements are well known and do not require any particular development.
La cavité Ca, le guide de sortie comportant les miroirs M et Mp ainsi que le radiateur R se trouvent au centre de l'électroaimant. La chambre Ch pour sa part est située à l'extérieur de celui-ci, pour que le faisceau de sortie fg ne soit pas sous son influence. The cavity Ca, the outlet guide comprising the mirrors M and Mp as well as the radiator R are located in the center of the electromagnet. The chamber Ch for its part is located outside of it, so that the output beam fg is not under its influence.
En fin, la chambre comporte un collecteur d'électrons Cg dans l'axe de propagation A du faisceau électronique fe. At the end, the chamber includes an electron collector Cg in the axis of propagation A of the electron beam fe.
Le faisceau sort donc du tube T par une fenêtre Ws de céramique étanche, situé dans la paroi cylindrique de cette chambre. Toutefois, comme il a été indiqué, le rayonnement, la propagation du faisceau et toutes ses réflexions s'accompagnent de la diffraction d'une partie de la puissance dans des directions mal contrôlées à l'intérieur de l'enceinte métallique Ch dont les parois sont à peu près totalement réfléchissantes. L'énergie électromagnétique peut s'accumuler à l'intérieur du tube et peut y exciter des résonances aboutissant à la détérioration de certains éléments, et/ou à la déviation du faisceau électronique fe. The beam therefore leaves the tube T through a window Ws of waterproof ceramic, located in the cylindrical wall of this chamber. However, as has been indicated, the radiation, the propagation of the beam and all of its reflections are accompanied by the diffraction of part of the power in directions poorly controlled inside the metallic enclosure Ch whose walls are almost completely reflective. The electromagnetic energy can accumulate inside the tube and can excite resonances there resulting in the deterioration of certain elements, and / or in the deflection of the electron beam fe.
L'invention va permettre de pallier ces inconvénients. The invention will make it possible to overcome these drawbacks.
Les figures 3 et 4 illustrent un premier exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Figures 3 and 4 illustrate a first embodiment of a device according to the invention.
La figure 3 montre, en coupe, une chambre comparable à la chambre
Ca illustrée sur la figure 2 entre les réflecteurs plans M et la région du collecteur d'électrons Cg, cette coupe étant perpendiculaire à l'axe A et située au niveau de la flèche qui indique l'onde de sortie fg sur la figure 2. Le même ensemble est illustré sur la figure 4 en élévation. Selon la caractéristique principale de l'invention, le cylindre métallique formant la chambre Ch est remplacé par un cylindre de céramique 1. Une tubulure métallique 2 est brasée à ce cylindre et comporte une fenêtre en céramique étanche Ws. Une autre tubulure métallique 3 est également brasée sur le cylindre 1 et supporte un miroir elliptique Mf. Le corps du tube métallique T et l'ensemble collecteur d'électrons Cg sont tous les deux également brasés.Figure 3 shows, in section, a room comparable to the room
Ca illustrated in FIG. 2 between the flat reflectors M and the region of the electron collector Cg, this section being perpendicular to the axis A and situated at the level of the arrow which indicates the output wave fg in FIG. 2. The same assembly is illustrated in Figure 4 in elevation. According to the main characteristic of the invention, the metal cylinder forming the chamber Ch is replaced by a ceramic cylinder 1. A metal tube 2 is brazed to this cylinder and comprises a sealed ceramic window Ws. Another metal tube 3 is also brazed on the cylinder 1 and supports an elliptical mirror Mf. The body of the metal tube T and the electron collecting assembly Cg are both also brazed.
La figure 5 illustre un second exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel le cylindre en céramique 1 ne comporte pas d'ouvertures et de tubulures latérales brasées. Cependant celui-ci est toujours brasé au collecteur Cg d'un côté, et brasé de l'autre à un tambour métallique 4 ouvert à l'autre extrémité et comportant les deux tubulures latérales 2 et 3 ; ce tambour étant brasé au corps du tube T ou constituant avec lui une seule pièce. Cette version offre moins de surface pour la sortie des ondes parasites, mais plus de résistance mécanique en raison de la simplicité de la forme de la pièce en céramique. FIG. 5 illustrates a second embodiment of a device according to the invention in which the ceramic cylinder 1 does not have openings and brazed lateral tubes. However, the latter is still brazed to the collector Cg on one side, and brazed on the other to a metal drum 4 open at the other end and comprising the two lateral pipes 2 and 3; this drum being brazed to the body of the tube T or constituting with it a single piece. This version offers less surface for the output of stray waves, but more mechanical resistance due to the simplicity of the shape of the ceramic part.
Dans cet exemple de réalisation, on peut considérer que le tambour métallique 4 constitue en réalité la chambre Ch illustrée sur la figure 2 et qu'une partie de la paroi métallique de cette chambre a été remplacée par un élément en matériau diélectrique, perméable aux ondes parasites. In this exemplary embodiment, it can be considered that the metal drum 4 actually constitutes the chamber Ch illustrated in FIG. 2 and that part of the metal wall of this chamber has been replaced by an element of dielectric material, permeable to waves. parasites.
L'une des caractéristiques principales de l'invention, illustrée par les deux exemples de réalisations ci-dessus, est donc qu'au moins une partie de la paroi métallique de la chambre, distincte de la fenêtre et de dimensions substantiellement plus grandes, est remplacée par un élément en matériau perméable aux ondes parasites. One of the main characteristics of the invention, illustrated by the two exemplary embodiments above, is therefore that at least part of the metal wall of the chamber, distinct from the window and of substantially larger dimensions, is replaced by an element made of material permeable to parasitic waves.
On peut encore améliorer les dispositifs selon l'invention en adoptant les mesures ci-dessous. The devices according to the invention can be further improved by adopting the measures below.
Dans l'un ou l'autre des exemples qui viennent d'être décrits, la surface intérieure, et éventuellement extérieure, de l'élément en céramique I peut être pourvue de rainures rectangulaires, triangulaires ou tronconiques de manière à diminuer les réflexions à la surface de la céramique. Ces formes ne sont données qu'à titre d'exemples non limitatifs. In one or other of the examples which have just been described, the internal surface, and possibly external, of the ceramic element I can be provided with rectangular, triangular or frustoconical grooves so as to reduce the reflections at the ceramic surface. These forms are given only by way of nonlimiting examples.
Une méthode usuelle permettant l'obtention de céramique est le recours au moulage. Dans ce cas, il pourra être avantageux de donner à l'élément en céramique une forme légèrement tronconique pour faciliter le démoulage. A usual method for obtaining ceramic is the use of molding. In this case, it may be advantageous to give the ceramic element a slightly frustoconical shape to facilitate demolding.
A titre d'exemple non limitatif, la figure 6 illustre une telle disposition. By way of nonlimiting example, FIG. 6 illustrates such an arrangement.
La pièce 1 en céramique, représentée en coupe, est munie sur sa paroi intérieure de rainures verticales 10, de forme triangulaire.The ceramic part 1, shown in section, is provided on its inner wall with vertical grooves 10, of triangular shape.
Dans une variante supplémentaire de réalisation de l'invention, le cylindre en céramique 1 (figure 5) est doublé sur sa paroi interne par une couche ou chemise de matériau diélectrique dont la constante diélectrique est inférieure à celle de la céramique. In a further variant embodiment of the invention, the ceramic cylinder 1 (FIG. 5) is doubled on its internal wall by a layer or jacket of dielectric material whose dielectric constant is less than that of ceramic.
La figure 7 illustre une telle disposition. Le cylindre de céramique est doublé d'une chemise 100 en matériau diélectrique. Figure 7 illustrates such an arrangement. The ceramic cylinder is lined with a jacket 100 of dielectric material.
Un avantage supplémentaire apporté par l'invention est que les dimensions de la céramique ne sont pas critiques car celle-ci n'est traversée que par des ondes parasites dont la direction varie beaucoup de point à point. An additional advantage provided by the invention is that the dimensions of the ceramic are not critical since it is crossed only by parasitic waves whose direction varies greatly from point to point.
L'invention n'est pas limitée aux seuls dispositifs précisément décrits cidessus. En particulier, tout matériau pouvant être utilisé comme enveloppe à vide dans la région de sortie d'un gyrotron et laissant s'échapper les ondes électromagnétiques parasites, peut être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention. The invention is not limited to the devices precisely described above. In particular, any material that can be used as a vacuum envelope in the exit region of a gyrotron and that lets out the parasitic electromagnetic waves, can be used in the context of the invention.
Bien que parfaitement adaptée aux tubes électroniques hyperfréquences du type gyrotron et plus particulièrement à faisceau électromagnétique gaussien quasi-optique, l'invention s'applique également à tout tube présentant des caractéristiques semblables. Although perfectly suited to microwave electronic tubes of the gyrotron type and more particularly to a quasi-optical Gaussian electromagnetic beam, the invention also applies to any tube having similar characteristics.
L'invention s'applique plus généralement aux domaines de la génération d'ondes hyperfréquences ou quasi-optiques à très grande puissance pour la fusion nucléaire, les accélérateurs, la spectroscopie et les radars à grandes distances. The invention applies more generally to the fields of the generation of very high power microwave or quasi-optical waves for nuclear fusion, accelerators, spectroscopy and long distance radars.
Claims (11)
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Family
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Country Status (1)
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| FR (1) | FR2688342B1 (en) |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20071130 |