FR2704688A1 - Circuit d'anode à haute impédance pour un magnétron synchronisé par injection. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les magnétrons. Un circuit d'anode conforme à l'invention comporte des premières et secondes ailettes interdigitées (24) disposées de façon radiale et respectivement interconnectées par des première et seconde brides (42, 44). Les brides sont disposées d'un même côté des ailettes et elles ont une section droite de forme générale rectangulaire. Chaque ailette a une forme générale en T avec une partie large, à capacité élevée, et une partie étroite, à inductance élevée, dans le but de donner une impédance élevée au circuit. Application aux systèmes de radar.
Description
i
La présente invention concerne des magné-
trons synchronisés par injection, et elle concerne plus particulièrement une structure d'anode à haute impédance utilisant une nouvelle configuration d'ailettes. On a utilisé des magnétrons depuis plusieurs années dans des systèmes électroniques qui exigent une
puissance RF élevée, tels que des systèmes de radar.
Un magnétron comprend de façon caractéristique une cathode centrale de forme cylindrique disposée en position coaxiale à l'intérieur d'une structure d'anode annulaire, avec une région d'interaction formée entre la surface de la cathode et l'anode. La structure d'anode peut comprendre un réseau d'ailettes qui forme une cavité résonnante accordée de façon à
établir un mode d'oscillation pour le magnétron.
Sous l'effet de l'application d'un champ électrique entre la cathode et l'anode, la surface de la cathode émet un nuage d'électrons formant une charge d'espace. Un champ magnétique est établi le long de l'axe de la cathode, perpendiculairement aux
champs électriques, et sous l'effet de ce champ magné-
tique les électrons émis tournent en orbite autour de
la cathode en décrivant des trajectoires cycloidales.
Lorsque des champs RF sont présents sur la structure d'ailettes, le nuage de charge d'espace en rotation se concentre en une configuration semblable à des rayons
d'une roue. Ceci est dû à l'accélération et au ralen-
tissement d'électrons dans des régions éloignées des rayons. Le groupement des électrons induit des tensions RF élevées dans le circuit d'anode, et les niveaux RF sur l'anode augmentent jusqu'à ce que le magnétron absorbe la pleine valeur du courant de crête
pour n'importe quelle tension d'alimentation donnée.
Un courant d'électrons circule à travers les rayons, de la cathode vers l'anode, en produisant un signal de
sortie RF de puissance élevée dans le mode d'oscilla-
tion désiré.
Un type particulier de magnétrons, que l'on appelle un magnétron synchronisé par injection, utilise un oscillateur externe pour injecter un signal sinusoïdal dans la structure d'anode du magnétron, à une fréquence proche de sa fréquence de résonance
naturelle. On peut alors faire fonctionner ces magné-
trons synchronisés par injection dans le mode d'oscil-
lation v, à une fréquence précise qui est déterminée par l'oscillateur externe. L'apparition d'oscillateurs à semiconducteurs de puissance supérieure a augmenté
la faisabilité de magnétrons synchronisés par injec-
tion. Des magnétrons synchronisés par injection sont décrits davantage dans le brevet des E.U.A. n 5 045 814, délivré à English et al., et qui a été cédé à la demanderesse de la présente invention. Dans le domaine des magnétrons, il y a longtemps qu'il est souhaitable
d'augmenter la taille de la cathode de façon à augmen-
ter la puissance de sortie du magnétron. L'agrandisse-
ment de la cathode permettrait au magnétron de produire le même niveau de puissance tout en diminuant la densité de courant sur la surface de la cathode, que l'on appelle encore la charge de la cathode. Plus la charge de la cathode est faible, plus la durée de
vie de la cathode est longue. Du fait que la dégrada-
tion de la cathode est une cause importante de défail-
lance de magnétrons, il est hautement souhaitable d'augmenter la durée de vie de la cathode. De plus, la réduction de la charge de la cathode réduirait la charge thermique qui est imposée à la structure d'anode, améliorant ainsi davantage la fiabilité et la
durée de vie du magnétron.
Un problème important avec cette technique consiste en ce qu'il n'a pas été possible de réaliser en pratique un magnétron ayant une cathode de grand diamètre. Les magnétrons ont habituellement un nombre limité d'ailettes d'anode, tel que douze ou dix-huit, qui forment la cavité résonnante et déterminent les modes d'oscillation. Lorsque le diamètre de la cathode augmente, le diamètre de l'anode doit également augmenter. Ceci fait que la distance entre des pointes d'ailettes adjacentes proches de la surface de la cathode devient trop grande, et les électrons qui décrivent des orbites ne seraient pas synchronisés avec le champ RF. Il en résulte que le magnétron n'oscillera plus au niveau de puissance de crête désiré. Pour maintenir les pointes des ailettes adjacentes à des distances acceptables pour qu'une oscillation correcte ait lieu, un magnétron ayant une cathode de grand diamètre exigerait un nombre plus élevé d'ailettes d'anode. Cependant, lorsque le nombre d'ailettes est augmenté, l'impédance globale de la structure d'anode diminue et le magnétron devient instable. La séparation de mode devient si faible qu'on ne peut plus maintenir une oscillation dans un
mode désiré. Pour ces raisons, on considère générale-
ment que des magnétrons ayant plus de 30 ailettes d'anode ne sont pas réalisables en pratique. Si l'impédance de la structure d'anode pouvait être maintenue à un niveau élevé, on pourrait augmenter le nombre d'ailettes d'anode et on pourrait augmenter le
diamètre de la cathode.
Il existe donc un besoin portant sur une
structure d'anode pour un magnétron ayant une impé-
dance relativement élevée pour permettre l'utilisation d'un nombre accru d'ailettes d'anode. De façon idéale, la structure d'anode devrait procurer une séparation
de modes accrue par rapport à des magnétrons classi-
ques.
Pour faire face à ces besoins et insuffi-
sances de l'art antérieur, l'invention procure une structure d'anode à haute impédance pour un magnétron synchronisé par injection. La structure d'anode procure un circuit très fortement inductif et très faiblement capacitif, de façon à augmenter l'impédance
de la cavité unique du magnétron.
La structure d'anode de la présente inven-
tion comprend des premières ailettes disposées de façon radiale et des secondes ailettes disposées de
façon radiale qui sont interdigitées entre les premiè-
res ailettes. Les premières ailettes et les secondes ailettes sont respectivement interconnectées par une première bride et une seconde bride. La première bride et la seconde brides sont disposées de façon coaxiale du même côté de la structure d'ailettes et elles ont
de façon générale une section droite rectangulaire.
Les ailettes et les brides sont dimensionnées de façon
que le circuit ait une valeur d'impédance correspon-
dant à une seule cavité qui soit en accord avec une
impédance d'interaction prédéterminée pour le magné-
tron qui est suffisante pour entretenir une oscilla-
tion pour une largeur de bande de synchronisation par
injection présélectionnée de l'oscillateur.
Plus précisément, chacune des ailettes a une forme générale en T. Chaque ailette a une première partie relativement large et à capacité élevée qui est disposée à proximité d'un axe de la cavité, et une seconde partie relativement étroite et à inductance élevée qui s'étend radialement vers l'extérieur à partir de la première partie. La première partie est relativement courte en comparaison avec la longueur totale de l'ailette, ce qui donne à l'ailette une capacité totale relativement faible. La combinaison de la faible capacité et de l'inductance élevée produit l'impédance d'interaction élevée désirée, permettant l'utilisation d'au moins trente ailettes d'anode dans la structure d'anode. L'homme de l'art pourra parvenir à une compréhension plus complète du circuit d'anode à haute impédance pour un magnétron synchronisé par injection, et il pourra également apprécier des avantages et des buts supplémentaires de celle-ci, en considérant la
description détaillée qui suit du mode de réalisation
préféré. La description fera référence aux dessins
annexés, dans lesquels: La figure 1 est un schéma d'un circuit oscillateur à magnétron de type caractéristique qui est utilisé dans l'art antérieur;
La figure 2 est une vue de dessus d'un cir-
cuit d'anode construit conformément aux principes de l'invention; La figure 3 est une vue latérale selon la ligne 3-3 de la figure 2; La figure 4 est une vue latérale agrandie d'une première ailette d'anode; La figure 5 est une vue latérale agrandie d'une seconde ailette d'anode; et La figure 6 est une vue latérale agrandie d'une ailette d'anode ayant une bride d'anode en forme
de croissant.
L'invention procure une structure d'anode à
haute impédance pour un magnétron qui permet d'utili-
ser un nombre accru d'ailettes d'anode. La structure d'anode procurera également une séparation de modes
accrue par rapport à des magnétrons classiques.
En se référant tout d'abord à la figure 1, on voit un schéma qui illustre l'utilisation d'un magnétron synchronisé par injection 10. Une source 12 d'énergie micro-onde cohérente applique un signal sinusoïdal de faible puissance à un circulateur 14. La source 12 peut comprendre un oscillateur résonnant à diélectrique à l'état solide. Le circulateur injecte le signal de faible puissance dans le magnétron 10. Le
signal de faible puissance est amplifié par le magné-
tron 10 comme il est bien connu dans la technique.
L'énergie amplifiée que produit le magnétron 10 est ensuite renvoyée vers le circulateur 14. L'énergie micro-onde de forte puissance est ensuite couplée à une antenne 16 pour rayonner l'énergie de sortie
cohérente de puissance élevée.
En se référant ensuite à la figure 2, on voit un circuit d'anode à haute impédance 20 pour le magnétron 10. Le circuit 20 comprenant un anneau d'anode 22 et un ensemble d'ailettes d'anode radiales 24 qui s'étendent vers l'intérieur à partir de l'anneau d'anode. Un accès 26 s'étend en direction radiale à travers une partie de l'anneau d'anode 22,
et il procure un chemin pour le signal de faible puis-
sance injecté et pour le signal de sortie amplifié.
Les ailettes d'anode radiales 24 comprennent un ensemble de premières ailettes radiales 241 et un ensemble de secondes ailettes radiales 242, qui sont
représentées sur les figures 3-5. Les premières ailet-
tes radiales 241 sont interdigitées avec les secondes ailettes radiales 242. Chacune des premières ailettes 241 et des secondes ailettes 242 a une première partie
32 relativement large et une seconde partie 34 relati-
vement étroite. La première partie 32 est proche, en direction radiale, d'un axe 38 du circuit d'anode 20 autour duquel la cathode du magnétron est disposée, et elle est relativement courte en comparaison avec la
longueur totale de l'ailette 24.
La largeur de la première partie 32 est de façon générale équivalente à celle d'ailettes de
largeur uniforme que l'on trouve de façon caractéris-
tique dans l'art antérieur, et elle procure une région à capacité relativement élevée. La seconde partie 34 procure une région à inductance élevée qui a une capacité réduite. La combinaison de la première partie large 32 et de la seconde partie étroite 34 produit une ailette d'anode de forme générale en T, 24, qui
procure des caractéristiques spécifiques en comparai-
son avec des ailettes classiques ayant une largeur
uniforme. Du fait que la première partie 32 est main-
tenue relativement courte, les ailettes 24 ont une capacité totale relativement faible. La seconde partie étroite 34 concentre les lignes de champ magnétique
autour de l'ailette 24 pour créer une région à induc-
tance élevée. La faible capacité des ailettes, asso-
ciée à l'inductance élevée, donne une impédance de
circuit relativement élevée.
Le circuit d'anode 20 comprend en outre une première bride 42 et une seconde bride 44. La première bride 42 et la seconde bride 44 sont coaxiales par rapport à l'axe 38 et elles sont disposées toutes deux
le long d'un seul côté des première et seconde ailet-
tes 24 et 242. La première bride 42 interconnecte les
premières ailettes 241 et la seconde bride 44 inter-
connecte les secondes ailettes 242. Chacune des brides 2' 42 et 44 a une section droite de forme générale rectangulaire. Les premières ailettes d'anode 241 ont une première partie 32 qui est de façon générale large et une seconde partie 34 étroite. Une partie inférieure 54 allant en diminuant réduit la largeur de l'ailette 241 depuis la largeur de la première partie 32 jusqu'à la largeur de la seconde partie 34. Du côté opposé à la partie inférieure allant en diminuant, 54, une partie de languette 62 s'étend en direction axiale jusqu'à une dimension qui équivaut à celle de la première partie 32. Une première encoche 64 est formée dans la partie de languette 62, de façon à définir un point de fixation pour la première bride 42. Un espace 66 est établi en position adjacente à la partie de languette 62 pour permettre le passage de la seconde bride 44. Une seconde partie de languette 68 s'étend vers le haut par rapport à la seconde partie étroite 34, et elle se trouve sur un arc qui englobe la partie de languette 56 de la seconde ailette d'anode 241, décrite ci-dessous. La première bride 42 peut être brasée par des techniques classiques dans l'encoche 58, et la seconde partie 34 peut être brasée à
l'anneau d'anode 22.
Les secondes ailettes d'anode 242 ont égale-
ment une première partie 32 qui est de façon générale large et une seconde partie 34 étroite. Une partie supérieure allant en diminuant, 52, et une partie inférieure allant en diminuant, 54, réduisent la largeur de l'ailette 242 pour la faire passer de la largeur de la première partie 32 à la largeur de la seconde partie 34. La partie supérieure allant en diminuant, 52, permet le passage de la première bride 42. Une partie de languette 56 s'étend à partir de la seconde partie étroite 34 jusqu'à une dimension axiale qui équivaut à celle de la première partie 32. Une première encoche 58 est formée dans la partie de languette 56 de façon à définir un point de fixation pour la seconde bride 44. La bride 44 peut être brasée par des techniques classiques dans l'encoche 58, et la seconde partie 34 peut être brasée sur l'anneau
d'anode 22.
On sait que l'utilisation de brides améliore de façon générale la séparation de modes dans un magnétron. Dans le mode de fonctionnement T désiré,
des ailettes d'anode 24 alternées sont au même poten-
tiel RF. La direction du champ électrique entre les ailettes s'inverse entre chacune des premières ailet- tes 241 et des secondes ailettes 242. En connectant ensemble par les brides 42 et 44 les ailettes d'anode 24 alternées, aucune inductance supplémentaire ne sera introduite, du fait que les extrémités des brides sont au même potentiel. De façon caractéristique, les brides ajoutent une capacité au circuit d'anode 20, ce
qui fait que la fréquence du mode T sera modifiée.
Dans des modes autres que le mode- R, les différences de tension entre des ailettes d'anode 24 alternées ne
sont pas nulles, ce qui fait que les brides introdui-
sent une inductance aussi bien qu'une capacité, ce qui conduit à des décalages de fréquence différents de ceux qui apparaissent pour le modeTr. Par conséquent, les modes non désirés sont décalés vers des fréquences suffisamment éloignées du modeiT pour que le magnétron
ne puisse pas fonctionner dans ces modes.
Dans la présente invention, on a trouvé que
la forme et la proximité des brides 42 et 44 amélio-
raient encore davantage la séparation de modes entre les modes-r et iT-1, en comparaison avec des brides d'anode classiques. La section droite rectangulaire des brides et leur position face à face et à proximité l'une de l'autre, empêche que le mode WT-1 ne devienne stable. Bien que les brides rectangulaires aient une capacité légèrement supérieure à celle de brides circulaires, cet inconvénient est plus que compensé par l'amélioration résultante de la séparation de modes. On a trouvé que d'autres formes pour les brides 42 et 44 étaient également efficaces pour améliorer la séparation de modes par rapport à des
brides à section droite circulaire, et c'est pas exem-
ple le cas pour une forme en croissant ou une forme elliptique. Pour obtenir cet avantage, les brides doivent avoir des surfaces en regard qui sont de façon générale parallèles et approximativement équivalentes
en ce qui concerne la hauteur et la distance de sépa-
ration. La figure 6 montre une seconde ailette d'anode 242 ayant une seconde bride 72 en forme de croissant, disposée en avant d'une première ailette d'anode 241 ayant une première bride 74 en forme de croissant. On
peut produire la bride en forme de croissant en défor-
mant la bride de forme rectangulaire de façon à intro-
duire la courbure désirée.
Chacune des ailettes 241, 242, la première bride 42 et la seconde bride 44 sont dimensionnées de façon que le circuit 20 ait une impédance pour une
seule cavité en accord avec une impédance d'inter-
action prédéterminée pour le magnétron qui est suffi-
sante pour entretenir l'oscillation du magnétron pour une largeur de bande de synchronisation par injection présélectionnée. L'utilisation des ailettes d'anode 24 en forme de T à impédance élevée permet d'utiliser un plus grand nombre d'ailettes sans réduire la stabilité de mode globale. Cette caractéristique permet de
produire des magnétrons ayant plus de trente ailettes.
Dans un mode de réalisation d'un magnétron synchronisé par injection, on a fait fonctionner avec succès un
circuit d'anode ayant trente-quatre ailettes.
Après avoir ainsi décrit un mode de réalisa-
tion préféré d'un circuit d'anode à haute impédance
pour un magnétron synchronisé par injection, il appa-
raîtra à l'homme de l'art que certains avantages du
système incorporé ont été atteints. On notera égale-
ment que divers changements, adaptations et autres
modes de réalisation entrent dans le cadre de l'inve-
tion. Par exemple, on a représenté un magnétron synchronisé par injection, mais il est clair que les
principes de l'invention décrits ci-dessus s'applique-
raient tout aussi bien à d'autres types de magnétrons.
Claims (23)
1. Circuit d'anode à haute impédance (20) pour un magnétron (10), caractérisé en ce qu'il comprend: un ensemble de premières ailettes radiales (241) s'étendant à partir d'un anneau d'anode (22); un
ensemble de secondes ailettes radiales (242), inter-
digitées avec les premières ailettes et s'étendant à
partir de l'anneau d'anode (22) pour former une struc-
ture d'ailettes; une première bride (42) disposée de façon coaxiale le long d'un côté de la structure d'ailettes, cette première bride (42) interconnectant les premières ailettes (241); une seconde bride (44) disposée de façon coaxiale le long du côté précité de la structure d'ailettes, face à la première bride (42) et à proximité de celle-ci, cette seconde bride (44) interconnectant les secondes ailettes (242), chacune des première et seconde brides (42, 44) ayant une capacité relativement faible; et les premières et les
secondes ailettes ayant chacune une partie à induc-
tance élevée (34), de façon que le circuit ait une valeur élevée d'impédance correspondant à une seule cavité.
2. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 1, caractérisé en ce que chacune des première et seconde brides (42, 44) a une section droite rectangulaire.
3. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 1, caractérisé en ce que les première et seconde brides (42, 44) ont une section droite en
forme générale de croissant.
4. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 1, caractérisé en ce que les premières ailet-
tes (241) et les secondes ailettes (242) ont chacune une première partie relativement large à capacité élevée (32), proche d'un axe de la cavité, en direction radiale, et une seconde partie relativement étroite (34) formant la partie à inductance élevée, qui s'étend radialement vers l'extérieur à partir de la première partie (32), cette seconde partie étroite reliant les première et seconde ailettes (241, 242) à
l'anneau d'anode (22).
5. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 4, dans lequel la première partie (32) est relativement courte par rapport à la longueur globale des ailettes (24), ce qui donne une capacité totale
relativement faible pour les ailettes (24).
6. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 1, caractérisé en ce que les premières ailet-
tes (241) et les secondes ailettes (242) ont une forme générale en T.
7. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 1, caractérisé en ce qu'il y a au total au
moins trente ailettes d'anode (24).
8. Circuit d'anode à haute impédance (20) pour un magnétron (10), caractérisé en ce qu'il comprend: un ensemble de premières ailettes radiales (241) qui s'étendent à partir d'un anneau d'anode (22); un ensemble de secondes ailettes radiales (242) interdigitées avec les premières ailettes (241) et qui s'étendent à partir de l'anneau d'anode (22) pour former une structure d'ailettes; une première bride (42) interconnectant les premières ailettes (241); une
seconde bride (44) interconnectant les secondes ailet-
tes (242), chacune des première et seconde brides
ayant une section droite de forme générale rectangu-
laire avec des surfaces en regard pratiquement paral-
lèles; les premières et secondes ailettes (241, 242) ayant chacune une partie à inductance élevée (34), de façon que le circuit ait une valeur élevée d'impédance
correspondant à une seule cavité.
9. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 8, caractérisé en ce que les première et seconde brides (42, 44) sont disposées d'un même côté
des ailettes (241).
10. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 8, caractérisé en ce que les premières ailet-
tes (241) et les secondes ailettes (242) ont chacune une première partie relativement large à capacité
élevée (32), proche d'un axe de la cavité, en direc-
tion radiale, et une seconde partie relativement étroite (34) formant la partie à inductance élevée, qui s'étend radialement vers l'extérieur à partir de la première partie (32), cette seconde partie étroite reliant les premières et secondes ailettes (241, 242)
à l'anneau d'anode (22).
11. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 10, dans lequel la première partie (32) est relativement courte par rapport à la longueur globale des ailettes (24), ce qui donne une capacité totale
relativement faible pour les ailettes (24).
12. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 8, caractérisé en ce que les premières ailet-
tes (241) et les secondes ailettes (242) ont une forme générale en T.
13. Circuit à haute impédance selon la reven-
dication 8, caractérisé en ce qu'il y a au total au
moins trente ailettes d'anode (24).
14. Circuit d'anode à haute impédance (20) pour un magnétron (10), caractérisé en ce qu'il comprend: un ensemble d'ailettes d'anode (24) en forme de T s'étendant radialement vers l'intérieur à partir d'un anneau d'anode (22), ces ailettes ayant une première partie relativement large et à capacité élevée (32) et une seconde partie relativement étroite et à inductance élevée (34) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la première partie, cette seconde partie (34) reliant les ailettes (24) à
l'anneau d'anode (22); une première bride (42) dispo-
sée de façon coaxiale le long d'un côté des ailettes (24), cette première bride (42) interconnectant une première partie des ailettes (24); et une seconde bride (44) disposée de façon coaxiale le long du côté
précité des ailettes (24), cette seconde bride inter-
connectant une seconde partie des ailettes (24), les première et seconde brides (42, 44) ayant chacune une capacité relativement faible, et la première partie
des ailettes (24) étant disposée de manière inter-
digitée par rapport à la seconde partie des ailettes.
15. Circuit à haute impédance selon la revendication 14, caractérisé en ce que chacune des première et seconde brides (42, 44) a une section droite de forme générale rectangulaire avec des
surfaces en regard qui sont de façon générale paral-
lèles.
16. Circuit à haute impédance selon la revendication 14, caractérisé en ce que les première et seconde brides (42, 44) ont une section droite en forme générale de croissant avec des surfaces en
regard qui sont de façon générale parallèles.
17. Circuit à haute impédance selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il y a au moins
trente ailettes d'anode (24).
18. Circuit d'anode à haute impédance (20) pour un magnétron (10), caractérisé en ce qu'il comprend: un ensemble d'ailettes d'anode (24) ayant chacune une partie étroite (34) pour augmenter l'inductance du circuit et diminuer la capacité du circuit; au moins une bride (42, 44) ayant une section
droite de forme générale rectangulaire, qui intercon-
necte une sur deux des ailettes d'anode (24); et dans lequel une combinaison de l'inductance augmentée et de la capacité diminuée augmente l'impédance du circuit (20).
19. Circuit à haute impédance selon la revendication 18, caractérisé en ce que les ailettes de l'ensemble d'ailettes d'anode (24) ont une forme générale en T.
20. Circuit à haute impédance selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: une première bride (42) disposée de façon
coaxiale le long d'un côté des ailettes (24) et inter-
connectant une première partie des ailettes (241); et une seconde bride (44) disposée de façon coaxiale le long du côté précité des ailettes et interconnectant une seconde partie des ailettes (242), la première partie des ailettes (241) étant disposée de manière interdigitée par rapport à la seconde partie des
ailettes (242).
21. Circuit à haute impédance selon la revendication 20, caractérisé en ce que les brides (42, 44) comprennent en outre des surfaces en regard qui sont de façon générale parallèles, pour améliorer
la séparation de modes du magnétron (10).
22. Circuit à haute impédance selon la revendication 21, caractérisé en ce que les brides (42, 44) sont disposées à proximité immédiate l'une de l'autre.
23. Circuit à haute impédance selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il y a au moins
trente ailettes d'anode (24).
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