FR2790594A1 - Canon a electrons possedant une cathode froide a emission de champ et tube micro-ondes utilisant ce canon a electrons - Google Patents
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Abstract
Dans un canon à électrons (101) à cathode froide à émission de champ, comprenant une matrice de cathodes à émission de champ (1), une électrode de concentration (3), une électrode d'anode (4) pour concentrer et accélérer les électrons émis par les cathodes à émission de champ respectives et un dispositif de champ magnétique (9) construit avec des aimants (7) et des pièces polaires (8), un élément support de cathode (2) pour maintenir de façon fixe la matrice (1) de cathodes à émission de champ est en partie ou en totalité formée d'un matériau ferromagnétique. Avec cette construction, il devient possible d'obtenir un rendement de conversion DC-RF élevé tout en limitant l'élargissement radial d'un faisceau d'électrons et en maintenant un facteur de transmission d'électrons suffisant.
Description
CANON A ELECTRONS POSSEDANT UNE CATHODE FROIDE A
EMISSION DE CHAMP ET TUBE MICRO-ONDES UTILISANT CE
CANON A ELECTRONS
La présente invention concerne un canon à électrons possédant une cathode froide à émission de champ et en particulier, un canon à électrons possédant une cathode froide à émission de champ, pouvant limiter la divergence du faisceau d'électrons dans la direction radiale, pouvant obtenir un haut rendement de conversion DC-RF et convenable pour être utilisé dans
un tube micro-ondes.
Une cathode froide à émission de champ comportant une matrice d'une pluralité de très petites cathodes froides constituées chacune d'un très petit émetteur conique et d'une électrode de commande (électrode de grille) formée au voisinage du très petit émetteur conique et ayant pour fonction de dériver du courant des très petits émetteurs coniques et pour fonction de commander le courant, a été proposée dans C. A. Spindt et al. "A thin-film field-emission cathode", Journal of
Applied Physics, vol. 39, No. 7, pp. 3504, 1968.
Lorsqu'une tension d'environ 50 V est appliquée entre chaque très petit émetteur conique et l'électrode de grille, un champ électrique intense s'exerce sur la pointe du très petit émetteur conique. Lorsque le champ électrique devient de l'ordre de 2 à 5 x 107 V/cm ou davantage, des électrons sont émis par la pointe de l'émetteur. En conséquence, en agençant ces très petites cathodes froides dans une matrice, une cathode froide plate à émetteur de champ (appelée ci-après "cathode FEA"), capable d'émettre un courant important
peut être construite.
En outre, en agençant les très petites cathodes froides dans une matrice de haute densité en utilisant une technologie d'usinage précis, il est possible de faire en sorte que la densité du courant de cathode soit 5 à 10 ou davantage fois celle qui peut être
obtenue par la cathode chaude classique.
La cathode froide proposée par Spindt, et al. est avantageuse par rapport à la cathode chaude, en ce qu'une densité de courant de cathode élevée peut être obtenue. En outre, par comparaison avec un simple émetteur à émission de champ, la cathode froide possède un courant de bruit faible et fonctionne avec une tension aussi faible qu'environ 10 à plusieurs dizaines
de volts.
En utilisant la densité de gourant de cathode élevée de la cathode FEA dans un tube micro-ondes tel qu'un tube à ondes progressives (TWT) ou un klystron, la sortie et la fréquence de fonctionnement du tube micro-ondes peuvent augmenter et son aimant de concentration peut être miniaturisé, de sorte que la fourniture d'un tube micro-ondes de hautes performances
peut être attendue.
Une étude concernant les caractéristiques d'un tube à ondes progressives (TWT) comportant une cathode FEA montée sur celui-ci a été effectuée par H. Makishima et al. Sur le TWT réel il a été découvert que, bien que le facteur de transmission d'un circuit en hélice, qui est un circuit d'interaction mutuelle
entre le faisceau d'électrons et le signal de micro-
ondes, c'est-à-dire le rapport entre le courant traversant le circuit en hélice et atteignant un collecteur et le courant du faisceau d'électrons injectés dans le circuit hélicoïdal, soit aussi élevé que 99% ou davantage, le rendement d'électrons indiquant le rendement de conversion entre la puissance
en courant continu et la puissance du signal de micro-
ondes (rendement de conversion DC-RF) est sensiblement inférieur à celui qui était estimé (cf. H. Makishima, et ai., "Design and Performance of Traveling-Wave Tubes using Field Emitter Array Cathodes", IVESC' 98 extended
Abstracts, pp. 117-118, 1998).
Dans la cathode FEA, le faisceau d'électrons émis contient des électrons dont la composante de vitesse dans la direction latérale (direction radiale) est élevée en raison de la déformation de potentiel due aux pointes des émetteurs et de l'irrégularité de la
structure des émetteurs et de l'ouverture de grille.
Puisquela vitesse latérale d'un électron dans la direction axiale est proportionnelle à la différence de potentiel entre l'émetteur et l'électrode de grille, cette composante devient élevée par rapport à celle
résultant de la vitesse thermique de la cathode chaude.
En conséquence, dans un circuit en hélice, le faisceau d'électrons diverge dans la direction radiale de façon périodique. En conséquence, si l'on veut obtenir un facteur de transmission suffisant, le diamètre moyen du faisceau d'électrons doit être petit et l'interaction mutuelle entre le faisceau d'électrons et le signal de micro-ondes (signal RF) devient insuffisante, et en conséquence on a une réduction du rendement d'électrons. En conséquence, pour obtenir simultanément un facteur de transmission élevé et un rendement d'électrons élevé, il est nécessaire de former un faisceau d'électrons ayant une divergence réduite, en limitant l'influence de la composante de vitesse
latérale des électrons du faisceau.
Pour réaliser ce faisceau d'électrons, il est nécessaire d'appliquer un champ magnétique ayant une densité de flux magnétique élevée à la cathode FEA pour faire tourner les électrons autour de l'axe central du canon à électrons. Toutefois, puisqu'il est possible, avec une cathode FEA, d'obtenir une densité de courant de cathode élevée par rapport à celle qui peut être obtenue avec une cathode chaude, le rayon de la cathode FEA est conçu comme étant plus petit pour obtenir le même courant de faisceau que celui de la cathode chaude, de sorte que l'effet de la densité de flux
magnétique de cathode devient faible.
En outre, la composante de vitesse latérale des électrons est sensiblement plus grande dans la cathode FEA que la composante de vitesse latérale des électrons, due à l'effet de la vitesse thermique dans la cathode chaude. Pour ces raisons, la cathode FEA nécessite une densité de flux magnétique de cathode
sensiblement supérieure à celle de la cathode chaude.
Pour un tube micro-ondes ayant une fréquence de fonctionnement de 11 GHz et une puissance de sortie de W, la densité de flux magnétique de cathode requise dans le tube à ondes progressives à cathode FEA est d'environ 0,02 à 0,05 Wb/m2, tandis que la densité de flux magnétique de cathode requise dans le TWT à
cathode chaude est d'environ 0,005 Wb/m2.
Diverses techniques pour limiter la divergence du faisceau d'électrons sont connues. Toutefois, il n'existe pas de technique connue pour limiter la divergence d'un faisceau d'électrons dans le cas o une cathode FEA est appliquée à un tube micro-ondes. Il existe par exemple trois procédés pour limiter la divergence du faisceau d'électrons émis par une simple cathode à émission de champ ayant un émetteur sous la forme d'une aiguille, qui sont les suivants: Un premier d'entre eux est celui qui est utilisé dans une source de particules chargées du type à émission de champ, qui est décrit dans la demande ouverte de brevet japonais No. S61-218047. Dans ce premier procédé, un champ magnétique parallèle à l'axe du mouvement de particules chargées est formé entre l'électrode d'émetteur et l'électrode de sortie d'ions par un flux magnétique, généré par l'écoulement d'un courant à travers une bobine et le passage de ce flux au travers d'un noyau de fer, pour rendre le demi-angle de divergenqe de l'ion émis petit, de manière à augmenter ainsi la densité angulaire de courant d'émission. Un deuxième procédé est une technique concernant l'électron d'émission de champ d'un dispositif de mesure de surface, qui est décrit dans la publication de brevet japonais No. H7- 62601 (correspondant à la
demande ouverte de brevet japonais No. S62-223602).
Dans ce deuxième procédé, un champ magnétique est généré entre un émetteur en forme d'aiguille sur lequel est monté un aimant permanent et un échantillon placé sur un pôle magnétique d'une bobine dans la direction axiale de la bobine, ainsi le faisceau d'électrons émis
par la pointe de l'émetteur en aiguille est concentré.
Un troisième procédé peut être utilisé dans un canon à électrons immergé dans un flux magnétique utilisé dans un dispositif a faisceau d'électrons appliqué, tel qu'un microscope électronique à balayage (SEM), qui est décrit dans le brevet japonais No. 2835265 (correspondant à la demande ouverte de brevet japonais No. H6-162979). Dans ce troisième procédé, un électroaimant rendu mobile dans sa direction axiale est disposé de façon, à diminuer l'aberration générée par un système de lentilles électrostatiques, une portion de l'électroaimant dans laquelle la force du champ magnétique devient maximale étant située dans une
position dans laquelle l'aberration devient maximale.
Comme mentionné, ces arts antérieurs concernent la limitation de la divergence du faisceau d'électrons émis par un simple émetteur en forme d'aiguille et aucun d'entre eux ne peut être utilisé dans un tube micro-ondes pour limiter l'élargissement périodique du faisceau d'électrons émis par une cathode comportant une matrice d'émetteurs et traversant un champ
magnétique périodique agencé de manière continue.
Il faut remarquer que dans un tube micro-ondes de l'art antérieur utilisant un canon à électrons à cathode chaude, les quatre techniques suivantes pour renforcer ou réguler la densité de flux magnétique de
cathode ont été proposées.
Par exemple, dans la demande ouverte de brevet japonais No. S58-80243 gazette, une densité de flux magnétique de cathode plus intense est obtenue en positionnant un aimant permanent en forme d'anneau plus épais que les autres aimants permanents en forme d'anneau dans une position proche de la cathode d'un
canon à électrons.
Dans la demande ouverte de brevet japonais No. S62-213041 gazette, une densité de flux magnétique de cathode et une densité de flux magnétique d'une portion d'entrée d'un circuit d'ondes lentes sont régulées de façon que ces champs magnétiques aient des distributions nécessaire et suffisante, en déterminant le diamètre interne et le diamètre externe d'au moins un aimant permanent en forme d'anneau proche du canon à électrons, comme étant plus grands que les dimensions d'autres portions. En outre, dans la demande ouverte de modèle utilitaire japonais No. S58-128545, une densité de flux magnétique de la cathode est régulée en réglant le diamètre interne d'une pièce polaire magnétique, au voisinage de la cathode d'un dispositif à aimant
permanent périodique (PPM).
En outre, dans la demande ouverte de modèle utilitaire japonais No. S5892350 gazette, une portion d'une enceinte sous vide d'un TWT est utilisée en même temps qu'une,.pièce polaire magnétique plus proche d'un dispositif PPM et la densité de flux magnétique de cathode requise est obtenue en diminuant la distance
entre le dispositif PPM et la cathode.
Ces gazettes décrivent les techniques concernant les formes d'aimant des pièces polaires magnétiques du dispositif PPM, qui est agencé dans une position proche de la cathode. Toutefois, il est impossible dans les arts antérieurs décrits d'obtenir une densité de flux magnétique de cathode importante requise par une cathode FEA, qui est estimée être de 4 à 10 fois la densité de flux magnétique de cathode requise dans une cathode chaude, bien qu'il soit possible de réguler ou d'augmenter légèrement la densité de flux magnétique de
cathode par ces arts antérieurs.
Dans la portion de canon à électrons d'un tube électronique classique comportant une enceinte sous vide construite avec des éléments métalliques et céramiques, un alliage métallique magnétique de Kovar contenant du fer et du cobalt comme constituants principaux est utilisé dans une portion de brasure entre l'élément métallique et l'élément céramique, car le coefficient de dilatation thermique du Kovar est proche de celui de la céramique. Toutefois, puisque l'alliage métallique magnétique est sous la forme d'une plaque mince, est petit en quantité d'utilisation et est distant de la cathode, son effet dans le renforcement de la densité de flux magnétique de la
cathode est très faible.
Comme autre art antérieur, la demande ouverte de brevet japonais No. H10-269954 (correspondant au numéro de série U.S. 09/047 331) décrit un canon à électrons à
cathode froide à émission de champ et un tube micro-
ondes utilisant ce même canon à électrons, dans lequel une électrode de Wehnelt, une première électrode d'anode et une deuxième électrode d'anode sont disposées sur le côté d'une surface émettrice de faisceau d'électrons d'une cathode comportant une matrice d'émetteurs à émission de champ, de façon que
les potentiels de ces électrodes puissent être régulés.
Toutefois, rien n'est décrit concernant la construction d'un élément support de cathode pour supporter la cathode comportant la matrice d'émetteurs à émission de
champ.
Comme décrit dans les arts antérieurs, un faisceau d'électrons émis par une cathode froide à émission de champ comportant une matrice d'émetteurs (FEA) contient des électrons dont la composante de vitesse radiale est importante en raison de la déformation de potentiel due aux pointes des émetteurs de la matrice d'émetteurs et à l'irrégularité des émetteurs minces et de la structure d'ouverture de grille. Lorsqu'une telle cathode froide est utilisée dans un tube micro-ondes tel qu'un tube à ondes progressives (TWT), l'élargissement du faisceau d'électrons dans la direction radiale devient important, de sorte qu'il devient difficile d'obtenir un rendement de conversion DC-RF élevé tout en maintenant un facteur de
transmission de faisceau d'électrons suffisant.
Brève description de l'invention
Un but de la présente invention consiste à fournir un canon à électrons à cathode froide à émission de
champ capable d'obtenir un rendement de conversion DC-
RF élevé tout en maintenant un facteur de transmission de faisceau d'électrons suffisant, en réalisant une densité de flux magnétique de cathode intense et en faisant tourner par force le faisceau d'électrons autour de l'axe central du canon à électrons de façon à limiter ainsi l'élargissement du faisceau d'électrons
dans les directions radiales.
Un autre but de la présente invention consiste en un tube micro-ondes utilisant ce même canon à électrons
à cathode froide.
Pour atteindre les buts ci-dessus, la présente invention utilise fondamentalement la construction technique suivante dans le canon à électrons à cathode
froide à émission de champ.
C'est-à-dire que selon un mode de réalisation de la présente invention, un canon à électrons à cathode froide à émission de champ comprend une cathode froide à émission de champ constituée d'une matrice d'une pluralité de cathodes à émission de champ comportant chacune une aiguille émettrice d'électrons et une grille possédant une ouverture au voisinage de la pointe de l'aiguille émettrice d'électrons, une électrode de concentration pour concentrer les électrons émis par les cathodes à émission de champ, une électrode d'anode pour concentrer et accélérer les électrons émis par les cathodes à émission de champ, un dispositif de champ magnétique construit avec un aimant est un montage de pièces polaires pour former un champ magnétique en parallèle avec l'axe central de la matrice de cathodes à émission de champ et l'électrode d'anode et un élément support de cathode pour maintenir de façon fixe la matrice de cathodes à émission de champ, au moins une portion de l'élément support de
cathode étant formée d'un matériau ferromagnétique.
Une densité de flux magnétique de cathode intense est obtenue en utilisant le canon à électrons à cathode froide ayant la construction mentionnée ci-dessus comportant l'élément support de cathode pour monter sur celui-ci la puce de FEA, dont une portion ou la totalité est formée d'un matériau ferromagnétique et l'aimant en forme d'anneau entourant le canon à électrons ou un aimant en forme de disque monté sur la surface de fond du canon à électrons. L'élargissement du faisceau d'électrons dans les directions radiales est limité en faisant tourner par force le faisceau d'électrons autour de l'axe central du canon à électrons. En conséquence, il devient possible de rendre le diamètre moyen du faisceau d'électrons proches du diamètre interne d'un circuit d'ondes lentes tel qu'un circuit en hélice. En conséquence, le couplage du faisceau d'électrons avec les ondes électromagnétiques se propageant à travers le circuit d'ondes lentes devient dense, de sorte qu'il devient possible d'obtenir un rendement de conversion DC-RF élevé tout en maintenant un facteur de transmission de faisceau
d'électrons suffisant.
Il faut remarquer qu'il est préférable que la portion de l'élément support de cathode du canon à électrons à cathode froide à émission de champ de la présente invention, qui est formée de matériau ferromagnétique, comporte une portion de celle-ci, qui soit en contact avec l'électrode de cathode du canon à
électrons à cathode froide à émission de champ.
En outre, il est préférable que l'élément support de cathode soit construit avec une portion à structure de disque et une portion à structure cylindrique circulaire coaxiale avec la portion à structure de !5 disque. A En outre, il est préférable que le canon à électrons comportant une cathode froide du type à émission de champ comprenne en outre une enceinte sous vide constituant la périphérie externe du canon à électrons pour maintenir un certain vide dans le canon à électrons et un aimant permanent en forme d'anneau disposé dans une position sur une surface périphérique externe de l'enceinte sous vide correspondant à une position au voisinage de la matrice de cathodes à émission de champ pour entourer l'enceinte sous vide et
magnétisée dans une direction de son épaisseur.
Brève description des dessins
Les buts, caractéristiques et avantages de la présente invention mentionnés ci-dessus, ainsi que d'autres, deviendront plus évidents en référence à la
description détaillée suivante de l'invention effectuée
conjointement avec les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une section transversale d'un premier mode de réalisation d'un canon à électrons comportant une cathode froide à émission de champ selon la présente invention; la figure 2 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une cathode a matrice d'émetteurs à émission de champ utilisée dans la cathode froide à émission de champ représentée sur la figure 1; la figure 3 est une section montrant un deuxième mode de réalisation d'un canon à électrons comportant la cathode froide à émission de champ selon la présente invention; la figure 4 est une section montrant un troisième mode de réalisation d'un canon à électrons comportant la cathode froide à émission de champ selon la présente invention; la figure 5 est une section montrant une modification de l'élément support de cathode de la présente invention; la figure 6 est une section montrant une autre modification d'un élément support de cathode de la présente invention; la figure 7 est une section montrant une autre modification d'un élément support de cathode de la présente invention; la figure 8 est une section montrant un quatrième mode de réalisation de la présente invention, dans lequel le canon à électrons à cathode froide à émission de champ selon la présente invention est appliqué à un tube micro-ondes; et la figure 9 est une section montrant un cinquième mode de réalisation de la présente invention, dans lequel le canon à électrons à cathode froide à émission de champ selon la présente invention est appliqué à un
tube micro-ondes.
En se référant à la figure 1, un canon à électrons à cathode froide à émission de champ 101 comporte une cathode à matrice d'émetteurs à émission de champ (cathode FEA) 1 représentée sur la figure 2. Une électrode de concentration 3 agit de manière à fixer la cathode FEA 1 montée sur un élément support de cathode 2. En outre, l'électrode de concentration 3 est en contact avec une électrode de grille de la cathode FEA 1 pour appliquer de façon externe une tension à l'électrode de grille et pour concentrer un faisceau d'électrons 14. Une électrode d'anode 4 agit de manière
à accélérer et concentrer le faisceau d'électrons 14.
Une portion en hélice 5, qui est un type du circuit d'ondes lentes pour propager un signal RF, est supportée par un élément support en hélice 6, qui est sous la forme d'un cylindre circulaire et formé d'un matériau diélectrique. Un dispositif PPM 9 est construit avec des anneaux d'aimants permanents 7 et des pièces polaires 8 agencés alternativement et concentre le faisceau d'électrons 14 en générant un champ magnétique périodique dont les lignes de force magnétique sont alternées au voisinage de l'axe central
de la portion en hélice 5.
D'autre part, une électrode de cathode 10 applique extérieurement un potentiel de cathode 1 aux émetteurs à travers l'élément support de cathode 2 et le substrat
de la cathode FEA 1.
Dans le mode de réalisation mentionné ci-dessus, la portion de canon à électrons 101 et la portion en hélice 5 sont logées dans une enceinte sous vide 12 construite avec des éléments en céramique 11, des éléments métalliques 121 et les pièces polaires 8, etc. Un aimant 13 de canon à électrons sous la forme d'un anneau magnétisé dans la direction de son épaisseur est agencé de manière à entourer l'élément métallique au voisinage de la cathode FEA 1. Les aimants permanents 7 constituant le dispositif PPM 9 sont magnétisés dans une direction parallèle à l'axe central du canon à électrons, c'est-à-dire, dans la direction de son épaisseur, de façon que les pôles magnétiques des aimants adjacents des aimants
permanents 7 deviennent opposés.
L'élément support de cathode 2 est constitué d'une portion de disque 400 et d'une portion cylindrique circulaire *500, qui sont formées de matériau ferromagnétique électriquement conducteur tel que du fer pur. Ces portions peuvent être formées par un élément intégré ou peuvent être réalisées indépendamment, puis fixées ensemble, par exemple par
soudages.
La longueur de la portion cylindrique circulaire 500 de l'élément support de cathode 2 est, par exemple,
d'environ 18 mm et son diamètre est de 3 mm.
L'épaisseur de la portion périphérique externe de la portion de disque 400 est de 2 mm et son diamètre est de 9 mm. Comme représenté sur la figure 1, un élément élastique 25 tel qu'un ressort hélicoïdal entourant la portion cylindrique circulaire 500 pousse l'élément support de cathode 2 contre l'électrode de concentration 3, de manière à fiabiliser la connexion électrique de l'électrode de concentration 3 avec l'électrode de grille de la cathode FEA 1. En conséquence, l'élément support de cathode 2 peut coulisser tout en maintenant son contact électrique par rapport à l'électrode de cathode 10. Bien que l'élément élastique 25 puisse être omis, la fourniture de l'élément élastique est préférable dans le montage fiable du canon à électrons. La cathode FEA 1 représentée sur la figure 2, est construite avec le substrat de cathode 15 formé de silicium, une couche résistive 16, une couche isolante 17, une électrode de grille 18 et les émetteurs 19 sous forme d'une aiguille ayant une pointe. L'émission d'un élément 300 de cathode froide se fait au travers d'une
ouverture 200 de la grille 18.
Le fonctionnement des canons à électrons à cathode froide à émission de champ 101 selon la présente
invention va,être décrit.
Un champ magnétique statique bidimensionnel symétrique par rapport à un axe, destiné à être généré par le circuit magnétique ayant la structure représentée sur la figure 1 a été simulé. Selon la simulation, il a été découvert que, lorsque la magnétisation de l'aimant du canon à électrons 13 est opposée à celle d'un aimant (701) des aimants permanents 7 du dispositif PPM 9, qui est le plus proche de la cathode, la densité de flux magnétique de la cathode est d'environ 0,027 Wb/m2 et la densité de flux magnétique d'une première crête au voisinage de
l'aimant permanent 701 est d'environ -0,0450 Wb/m2.
Le signe moins du champ magnétique signifie que la direction du champ magnétique est opposée au champ magnétique n'ayant pas de signe moins. À des fins de comparaison, des simulations similaires ont été effectuées pour le cas o l'élément support de cathode 2 est formé d'un matériau non magnétique et le cas o il n'y a pas d'aimant de canon à électrons 13 et o l'élément support de cathode 2 est formé d'un matériau non magnétique. Dans le cas o l'élément support de cathode 2 est formé d'un matériau non magnétique, la densité de flux magnétique de cathode est d'environ 0,02 Wb/m2 et le champ magnétique de la première crête
au voisinage de l'aimant permanent 701 est d'environ -
0,0474 Wb/m2. Dans le cas o il n'y a pas d'aimant de canon à électrons 13 et o l'élément support de cathode 2 est formé d'un matériau non magnétique, la densité de flux magnétique de la cathode est d'environ 0, 00026 Wb/m2 et le champ magnétique de la première crête au
voisinage de l'aimant permanent 701 est de 0,05 Wb/m2.
Une tension de référence est appliquée aux émetteurs l9,de façon externe à travers l'électrode de cathode 10. L'électrode d'anode 4 et la portion hélicoïdale 5 reçoivent respectivement une tension positive de 1 à 10 kV par rapport à l'électrode de
cathode 10.
Lorsque la tension positive appliquée entre l'électrode de cathode 10 et l'électrode de grille 18 est augmentée dans cet état, des électrons sont émis par les émetteurs 19. Les électrons émis par les émetteurs 19 sont concentrés et accélérés par le champ électrique et le champ magnétique dans la zone du canon à électrons et traversent une ouverture de l'électrode d'anode 4 sous la forme d'un faisceau d'électrons mince 14. Le faisceau d'électrons 14 est maintenu par le champ magnétique périodique formé par les aimants
permanents 7 et les pièces polaires 8.
Les effets suivants peuvent être obtenus dans le mode de réalisation décrit ci-dessus: (i) Une densité de flux magnétique de cathode intense nécessaire pour le canon à électrons de la cathode FEA peut être obtenue sans augmenter la taille
de l'aimant permanent.
(ii) Puisqu'il est possible de réaliser une densité de flux magnétique de cathode capable de minimiser la divergence du faisceau d'électrons, le couplage entre le faisceau d'électrons et l'onde électromagnétique se propageant à travers le circuit d'ondes lentes est amélioré, de sorte qu'il devient possible d'obtenir un rendement de conversion DC-RF important tout en maintenant un facteur de transmission
de faisceau d'électrons suffisant.
Le brevet U.S. No. 5 604 401 délivré le 18 février 1997, propose l'utilisation d'une. cathode froide à émetteur à émission de champ dans un canon à électrons d'un tube micro-ondes, en remplacement d'une cathode chaude. Toutefois, puisque la construction proposée décrit simplement un substrat de cathode froide supporté par un isolant, ni la construction de la présente invention, ni l'effet de la présente invention
ne peuvent en résulter. D'autre part, il est préférable, dans la présente invention, de fournir un
aimant permanent du type en plaque 21 magnétisé dans le sens de son épaisseur sur une surface externe de l'enceinte sous vide 12 dans une position opposée au plan émetteur d'électrons de la cathode à matrice d'émetteurs d'émission de champ 1,
comme représenté sur la figure 3.
Un deuxième mode de réalisation de la présente invention, comportant l'aimant permanent 21, va être
décrit en détail en référence à la figure 3.
Sur la figure 3, qui illustre une structure en coupe d'un canon à électrons à cathode FEA 102 selon le deuxième mode de réalisation de la présente invention, le deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation représenté sur la figure 1 en ce que l'aimant de forme plate circulaire ou rectangulaire 21 est disposé sur le côté de la surface de la paroi de l'enceinte sous vide 12 en remplacement de l'aimant du canon à électrons 13. Les autres composants constitutifs du deuxième mode de réalisation sont les mêmes que ceux qui sont représentés sur la figure 1 et décrit par ces mêmes numéros de référence sans
description détaillée de ceux-ci. En outre, l'élément
élastique 25 tel qu'un ressort hélicoïdal n'est pas représenté,sur la figure 3, pour simplifier l'illustration. L'aimant permanent en forme de plaque 21 est magnétisé dans la direction de son épaisseur et il est monté sur l'enceinte sous vide 12 dans la position opposée à la surface émettrice d'électrons de la
cathode FEA 1.
Le fonctionnement du canon à électrons à cathode froide à émission de champ 102 selon le deuxième mode
de réalisation va être décrit.
De façon similaire au premier mode de réalisation, un champ magnétique statique bidimensionnel symétrique par rapport à un axe, destiné à être généré par le circuit magnétique ayant la structure représentée sur la figure 3 a été simulé. Selon la simulation, il a été découvert que, lorsque la direction de magnétisation de l'aimant en forme de plaque 21 est la même que celle d'un aimant (701) des aimants permanents 7 du dispositif PPM 9, qui est le plus proche de la cathode, la densité de flux magnétique de la cathode est d'environ 0,016 Wb/m2 et la densité de flux magnétique de la première crête au voisinage de l'aimant permanent
701 est d'environ -0,0424 Wb/m2.
Lorsque la longueur de la portion cylindrique circulaire 502 de l'élément support de cathode 2 est réduite de 10 mm et que l'aimant en forme de plaque est réalisé plus proche de la cathode FEA 1 de 10 mm, la densité de flux magnétique de la cathode est d'environ 0,0217 Wb/m2 et la densité de flux magnétique de la première crête au voisinage de l'aimant permanent 701
est de 0,0403 Wb/m2.
À des fins de comparaison, des simulations similaires ont été réalisées pour le cas o l'élément support de cathode 2 est formé d'un matériau non magnétique. La densité de flux magnétique de cathode est d'environ 0,007 Wb/m2 et la densité de flux magnétique de la première crête au voisinage de
l'aimant permanent 701 est d'environ -0,0466 Wb/m2.
C'est-à-dire qu'il est évident que la densité de flux magnétique de la cathode est sensiblement accrue en utilisant l'élément support de cathode 2 formé de fer
pur, qui est un matériau ferromagnétique.
Les effets pouvant être obtenus par le deuxième mode de réalisation sont sensiblement les mêmes que
ceux obtenus par le premier mode de réalisation.
Un canon à électrons à cathode FEA 103 selon un troisième mode de réalisation de la présente invention va être décrit en référence à la figure 4, qui illustre
sa structure en coupe.
Le troisième mode de réalisation représenté sur la figure 4 diffère du premier mode de réalisation représenté sur la figure 1 en ce que seule une portion cylindrique circulaire 503 d'un élément support de cathode 2 du troisième mode de réalisation est formée d'un matériau ferromagnétique tel que du fer pur et une portion de disque 403 de celui- ci est formée de matériau non magnétique ayant une conductivité électrique élevée, tels que du cuivre. La portion cylindrique circulaire 503 et la portion de disque 403
peuvent être fixées ensemble par soudage ou brasure.
Les autres composants constitutifs du troisième mode de réalisation sont les mêmes que ceux qui sont représentés sur la figure 1 et décrits par les mêmes
numéros de référence, sans leur description détaillée.
En outre, l'élément élastique 25. tel qu'un ressort hélicoïdal n'est pas représenté sur la figure 4 pour
simplifier l'illustration.
Le fonctionnement du canon à électrons à cathode froide à émission de champ selon le troisième mode de
réalisation va être décrit.
De façon similaire au premier mode de réalisation, un champ magnétique statique bidimensionnel symétrique par rapport à un axe, destiné à être généré par le circuit magnétique ayant la structure représentée sur la figure 4 a été simulé. Selon la simulation, il a été découvert que, lorsque la direction de magnétisation de l'aimant du canon à électrons 13 est opposée à celle d'un aimant (701) des aimants permanents 7 du dispositif PPM 9, qui est le plus proche de la cathode, la densité de flux magnétique de la cathode est d'environ 0,0313 Wb/m2 et la densité de flux magnétique de la première crête au voisinage de l'aimant permanent
701 est d'environ -0,0463 Wb/m2.
Il est évident que la densité de flux magnétique de la cathode est sensiblement accrue par rapport aux 0,02 Wb/m2 pouvant être obtenus dans le cas o la totalité de l'élément support de cathode 2 est formée
de matériau non magnétique.
Les effets pouvant être obtenus par le troisième mode de réalisation sont sensiblement les mêmes que
ceux obtenus par le premier mode de réalisation.
Comme cela est évident d'après le troisième mode de réalisation, il est préférable que la densité de flux magnétique de la cathode utilisée dans le canon à électrons à cathode froide à émission de champ soit
dans une plage comprise entre 0,02 Wb/m2 et 0,05 Wb/m2.
C'est-à-dire que dans la présente invention, il est fondamentalement nécessaire de former au moins une portion de l'élément support de cathode 2 avec un matériau ferromagnétique. Toutefois, lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la densité de flux magnétique de cathode des canons à électrons à cathode froide à émission de champ 103, il est préférable d'utiliser les aimants permanents 13 ou 21 ensemble, comme mentionné
ci-dessus.
En outre, il est possible de réguler la densité de flux magnétique de la cathode en sélectionnant la direction de magnétisation de l'aimant du canon à électrons 13 et de l'aimant en forme de plaque 212 en utilisant la direction de magnétisation des aimants
permanents 7 du dispositif PPM 9 comme référence.
Il faut remarquer qu'il n'est pas toujours nécessaire de construire l'élément support de cathode 2 avec la portion cylindrique circulaire et la portion de disque. L'élément support de cathode peut avoir d'autres constructions, à condition qu'il ait des caractéristiques entièrement ferromagnétiques et soit
capable de comporter la cathode FEA 1 montée sur celui-
ci. C'est-à-dire que la construction d'un élément support de cathode de la présente invention peut être quelconque, à condition que le champ magnétique des aimants permanents 13 ou 21 puisse atteindre la cathode à matrice d'électeurs d'émission de champ 1 à travers au moins l'électrode de cathode 10. Toutefois, il est préférable que l'ensemble de l'élément support de o0 cathode 2 soit formé d'un matériau ferromagnétique,
comme représenté sur la figure 1.
De plus, en ce qui concerne la portion cylindrique circulaire de l'élément support de cathode 2, il est possible qu'une portion 521 de celle-ci situé du côté de la cathodç à matrice d'émetteursd'émission de champ 1 soit formée d'un matériau ferromagnétique tel que du fer pur et une portion 522 situé du côté de l'électrode de cathode 10 soit formée d'un matériau non magnétique
tel que du cuivre, comme représenté sur la figure 5.
Selon le cas, il peut être possible de former seulement une portion de noyau 531 de la portion cylindrique circulaire de l'élément support de cathode 2 d'un matériau ferromagnétique et de former sa portion périphérique externe 532 d'un matériau non magnétique, comme représenté sur la figure 6. Comme alternative, il peut être possible de former seulement une portion périphérique externe 541 de l'élément support de cathode 2 d'un matériau ferromagnétique et de former une portion de noyau 542 de celui-ci d'un matériau non
magnétique, comme représenté sur la figure 7.
Dans chacun des modes de réalisation représentés sur les figures 5 à 7, la chaleur générée due au courant de cathode dans la portion cylindrique circulaire de l'élément support de cathode 2 est rendue petite en utilisant la portion cylindrique circulaire de l'élément support de cathode formé d'un matériau non magnétique tel que du cuivre ayant une faible résistance électrique et une haute conductivité thermique. Bien que d'autres matériaux connus tels que du nickel ou du cobalt puissent être utilisés à la place du fer pur comme matériau ferromagnétique, le fer pur est préférable en considérant le coût et la possibilité d'usinage. Un quatrième mode de réalisation de la présente invention va maintenant être décrit en référence à la
figure 8.
Sur la figure 8, montrant le quatrième mode de réalisation de la présente invention, dans lequel le canon à électrons à cathode froide à émission de champ, par exemple le canon à électrons à cathode FEA 101 représenté sur la figure 1, est appliqué à un tube micro-ondes connu, c'est-à-dire, un TWT, qui est un tube micro-ondes typique 601, un canon à électrons 86 est construit avec un élément support de cathode 80, une cathode FEA 81, une électrode de concentration 82, une électrode d'anode 83 et un aimant de canon à électrons 84. Les électrons émis par la cathode FEA 81 sont concentrés par un champ électrique statique généré par le canon à électrons 86 et un champ magnétique généré par des aimants 88 et un aimant de canon à électrons 84, résultant en un faisceau d'électrons 87 ayant une forme prédéterminée. Le faisceau d'électrons 87 traverse un circuit en hélice 90, qui est un circuit d'ondes lentes ayant un diamètre interne d'environ 1 mm ou moins et est capturé par un collecteur 89. Un signal de micro-ondes se propageant vers le circuit en hélice a pour conséquence un faisceau d'électrons modulé en densité 87, qui induit des micro-ondes par une interaction mutuelle entre le faisceau d'électrons 87 et le circuit en hélice 90, qui est amplifiée en traversant le circuit en hélice 90, ayant pour conséquence un signal de sortie. Les sources d'alimentation en courant continu 91 à 94 délivrent respectivement des tensions en courant continu à l'électrode de concentration (électrode de Wehnelt) 82, l'électrode d'anode 83, le circuit en hélice 90 et le collecteur 89. Il faut remarquer que le câblage et la source d'alimentation pour appliquer une tension à l'électrode de grille de la cathode FEA 81 ne sont pas représentés, sur la figure 8,, pour simplifier l'illustration. Dans ce mode de réalisation, un canon à électrons à cathode chaude d'un TWT classique est remplacé par le canon à électrons à cathode froide à émission de champ
101 de la présente invention.
En conséquence de l'analyse de la forme du faisceau d'électrons d'un TWT ayant une fréquence de fonctionnement de 11 GHz et une sortie de 100 W en utilisant le procédé de calcul d'approximation du lieu paraxial du faisceau d'électrons, il est évident que l'élargissement de la portion périphérique du faisceau d'électrons devient minimum lorsque la densité de flux magnétique de la cathode est comprise dans une plage
allant de 0,02 Wb/m2 à 0,05 Wb/m2.
En outre, il a été confirmé que l'élargissement du faisceau d'électrons d'un TWT ayant une fréquence de fonctionnement différente et une puissance de sortie différente devient minimum, sensiblement dans la même
plage de densités de flux magnétique de cathode.
Selon la présente invention, il est possible de réaliser un tube microondes ayant un rendement de conversion DC-RF élevé et un faible courant d'hélice avec un dispositif a champ magnétique optimum pour
diminuer ainsi la taille et le poids du tube micro-
ondes et améliorer le rendement et la fiabilité du tube micro-ondes. Un cinquième mode de réalisation de la présente invention va être décrit en référence à la figure 9, qui montre une structure d'un tube micro-ondes 602 ayant une construction différente de celui qui est représenté sur la figure 8. Le tube micro-ondes 602 représenté sqr la figure 9 diffère,e celui représenté sur la figure 8 en ce qu'un signal à micro-ondes est délivré, non au circuit en hélice 90, mais à une cavité d'entrée 96 et délivré en sortie par une cavité de sortie 97 et un aimant de concentration unique 88 comportant des pièces polaires magnétiques 95 sur ses côtés respectifs. D'autres composants constitutifs par rapport à ceux qui sont identiques à ceux représentés sur la figure 8, sont indiqués par les mêmes numéros de
référence sans leur description détaillée.
Dans ce mode de réalisation, une portion de canon à électrons à cathode chaude d'un tube micro-ondes classique est remplacée, par exemple, par le canon à électrons à cathode froide à émission de champ 101 de
la présente invention représenté sur la figure 1.
Puisque dans ce mode de réalisation, le faisceau d'électrons peut être fortement modulé par le signal à micro-ondes d'entrée délivré à la cavité d'entrée 96, il est inutile d'utiliser une distance d'interaction mutuelle aussi grande entre le faisceau d'électrons et le circuit en hélice comme dans le cas du circuit en hélice représenté sur la figure 8. En conséquence, il est possible de réduire la distance entre le canon à électrons 86 et le collecteur 89 sans former un dispositif PPM en agençant une pluralité des aimants en
forme d'anneau 88.
Il est également possible dans ce mode de réalisation d'augmenter la densité de flux magnétique de la cathode en formant la totalité ou une portion de l'élément support de cathode 80 avec un matériau ferromagnétique de manière à former ainsi le faisceau
d'électrons 87 ayant un élargissement radial petit.
Le concept lié à la construction d'un circuit magnétique similaire au cinquième mode de réalisation représenté sur la figure 9 peut être appliqué à un tube micro-ondes dans lequel un faisceau d'électrons est
directement modulé en appliquant un signal de micro-
ondes d'entrée à l'électrode de grille de la cathode
FEA 81, en supprimant la cavité d'entrée 96.
Comme décrit ci-dessus, selon la présente invention, dans laquelle la totalité ou une portion de l'élément support de cathode sur lequel est monté la puce FEA est formée d'un matériau ferromagnétique et l'aimant en forme d'anneau ou l'aimant en forme de disque est monté autour du canon à électrons ou sur la surface de fond du canon à électrons, il est possible de réaliser une densité de flux magnétique de cathode intense et de limiter l'élargissement radial du faisceau d'électrons en faisant tourner par force le faisceau d'électrons autour de son axe central. En conséquence, il devient possible de rendre le diamètre moyen du faisceau d'électrons à peu près égal au diamètre interne du circuit d'ondes lentes de manière ainsi à rendre dense le couplage entre le faisceau d'électrons et l'onde électromagnétique se propageant dans le circuit et à obtenir un rendement de conversion DC-RF élevé tout en maintenant le facteur de
transmission de faisceau d'électrons suffisant.
Claims (13)
1. Un canon à électrons (101) à cathode froide du type à émission de champ comprenant: une cathode froide (1, 81) à émission de champ constituée d'une matrice d'une pluralité de cathodes (300) à émission de champ (1) comportant chacune une aiguille (19) émettrice d'électrons et une grille (18) possédant une ouverture (200) au voisinage d'une pointe de ladite aiguille (19) émettrice d'électrons; une électrode de concentration (3) pour concentrer les électrons émis par ladite cathode (1, 81) à émission de champ; une électrode d'anode (4) pour concentrer et accélérer les électrons émis par ladite cathode (1, 81) à émission de champ; un ensemble (9) aimant (7) et pièce polaire (8) pour former un champ magnétique contenant une composante de champ magnétique parallèle à l'axe central de ladite matrice (1, 81) de cathodes (300) à émission de champ (1, 81) et ladite électrode d'anode (4); et un élément support de cathode (2) pour maintenir de façon fixe ladite matrice de cathodes à émission de champ (1), caractérisé en ce que cet élément support comporte au moins une portion formée d'un matériau
ferromagnétique.
2. Un canon à électrons (101) comportant une cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite portion dudit élément support de cathode (2) formée dudit matériau ferromagnétique comporte une portion qui est en contact avec lesdites cathodes à émission de champ
(300).
3. Un canon à électrons (101) comportant une cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément support de cathode (2) est construit avec une portion (400) à structure de disque et une portion (500)
cylindrique circulaire ayant un axe central commun.
4. Un canon à électrons (101) à cathode (1, 81) froide du type à émission de champ selon la revendication 1, comprenant en outre une enceinte (12) sous vide constituant la périphérie externe dudit canon à électrons,(101) pour maintenir um certain vide dans ledit canon à électrons (101) et un aimant (13, 84) permanent en forme d'anneau disposé dans une position sur la surface périphérique externe de ladite enceinte sous vide correspondant à une position au voisinage de ladite matrice de cathodes à émission de champ (1) pour entourer ladite enceinte sous vide et magnétisé dans la
direction de son épaisseur.
5. Un canon à électrons (101) comportant à cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 1, comprenant en outre une enceinte (12) sous vide constituant la périphérie externe dudit canon à électrons (101) pour maintenir un certain vide dans ledit canon à électrons (101) et un aimant (21) permanent plat disposé dans une position sur la surface périphérique externe de ladite enceinte sous vide opposée à la surface émettrice d'électrons de ladite matrice de cathodes à émission de champ (1) et
magnétisée dans la direction de son épaisseur.
6. Un canon à électrons (101) à cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément support de cathode (2) est poussé contre ladite électrode de concentration
(3) par un élément élastique (25).
7. Un canon à électrons (101) à cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite structure (400) de disque et ladite structure (500) cylindrique circulaire sont
formées de manière intégrée.
t
8. Un canon à électrons (101) à cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite structure de disque et ladite structure cylindrique circulaire sont intégrées
par l'intermédiaire d'un matériau de jonction.
9. Un canon à électrons (101) à cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une portion (522) de ladite structure (500) cylindrique circulaire distante de ladite structure (400) de disque de celle-ci est formée
d'un matériau non magnétique.
10. Un canon à électrons (101) à cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une portion de noyau (531) de ladite structure cylindrique circulaire est formée d'un matériau ferromagnétique et une portion (532) périphérique externe de ladite portion cylindrique
circulaire est formée d'un matériau non magnétique.
11. Un canon à électrons (101) à cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une portion (541) périphérique externe de ladite structure cylindrique circulaire est formée d'un matériau ferromagnétique et une portion (542) de noyau du ladite portion cylindrique circulaire
est formée d'un matériau non magnétique.
12. Un canon à électrons (101) à cathode froide du type à émission de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une matrice de densité de flux magnétique de cathode se trouve dans une plage allant
de 0,02 Wb/m2 à 0,05 Wb/m2.
13. Un tube micro-ondes comprenant un canon à électrons (101) à cathode froide du type à émission de
champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
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