FR3004294A1 - Dispositif et procede de generation d'un rayonnement smith-purcell coherent. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif (100) de génération d'un rayonnement Smith-Purcell cohérent comprenant : - un réseau de diffraction électriquement conducteur (102), délimité latéralement par deux parois latérales externes (104) électriquement conductrices ; et - une source (101) pour générer un faisceau d'électrons (103) et le faire passer au-dessus du réseau de diffraction (102). Selon l'invention, le dispositif (100) comprend en outre au moins une paroi intercalaire (105) électriquement conductrice, parallèle aux parois latérales externes (104), située à l'intérieur du réseau de diffraction (102) pour former plusieurs réseaux de diffraction élémentaires similaires (1061,1062). La source (101) émet un faisceau d'électron (103) présentant une vitesse et une densité de courant adaptées pour que chaque réseau de diffraction élémentaire (1061,1062) émette un rayonnement Smith-Purcell sur le mode fondamental. Les réseaux de diffraction élémentaires (1061,1062) coopèrent entre eux de façon à diminuer un temps de saturation, nécessaire à l'apparition du rayonnement Smith-Purcell .

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE GENERATION D'UN RAYONNEMENT SMITH-PURCELL COHERENT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine des sources électromagnétiques cohérentes dans le domaine THz, en particulier des générateurs de rayonnement Smith- Purcell cohérent. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Lorsque l'on fait passer un faisceau d'électrons parallèlement à la surface d'un réseau de diffraction, on peut obtenir un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement de Smith-Purcell. On connaît dans l'art antérieur un procédé de génération d'un rayonnement Smith- Purcell cohérent de grande efficacité, exploitant des propriétés en trois dimensions d'un réseau de diffraction. Un tel procédé est décrit dans l'article de J. T. Donohue et J. 2 0 Gardelle, « Simulation of a Smith-Purcell free-electron laser with sidewalls : Copious emission at the fondamental frequency », Applied Physics Letters 99 (2011), 161112-1, ainsi que dans la demande de brevet français FR 1158907. Selon ce procédé, on fait passer un faisceau d'électrons au-dessus d'un réseau de diffraction électriquement conducteur, délimité latéralement par deux parois 25 électriquement conductrices. Le faisceau d'électrons, initialement continu, est modulé et mis en paquets, par interaction avec le réseau de diffraction. Cela conduit à une émission de rayonnement électromagnétique cohérent dans une direction de diffraction prédéterminée. Les caractéristiques du faisceau d'électrons sont choisies telles que : la vitesse des électrons est suffisamment faible pour que, dans un diagramme de dispersion, où l'on exprime la fréquence (f) en fonction du nombre d'onde (k ), une droite représentant la fréquence du faisceau d'électrons en fonction de son nombre d'onde, et une courbe représentant, dans la première zone de Brillouin, la relation de dispersion en trois dimensions correspondant au mode fondamental du réseau de diffraction, se croisent en un point situé à l'extérieur d'un triangle isocèle dont la base est confondue avec l'axe des abscisses du diagramme de dispersion et dont un côté est un segment de pente passant par l'origine dudit diagramme, où c est la célérité de la lumière dans le vide ; et la densité de courant du faisceau d'électrons est suffisamment élevée pour exciter le mode fondamental du réseau de diffraction, rayonné vers l'extérieur de celui-ci. On détaillera plus loin la détermination de la vitesse des électrons à l'aide d'un diagramme de dispersion.

On peut ainsi obtenir un rayonnement électromagnétique cohérent, accordable et fortement directionnel, directement issu du mode fondamental d'interaction entre le faisceau d'électrons et le réseau de diffraction. Le rendement obtenu est environ cent fois supérieur à celui des procédés de génération d'un rayonnement Smith-Purcell exploitant la deuxième harmonique.

On appelle durée de saturation, la durée nécessaire pour que, du fait de l'interaction avec le réseau de diffraction, le faisceau d'électrons au centre du réseau atteigne un état stable dans lequel il est modulé et mis en paquets d'électrons. On peut de manière équivalente parler de durée d'obtention du « bunching » du faisceau d'électrons, le « bunching » désignant la mise en paquets d'électrons.

La durée de saturation est relativement longue. Par exemple, on a obtenu une durée de saturation de 40 ns, pour une émission électromagnétique à 20 GHz, un faisceau d'électrons à 300 mA et un réseau de diffraction de 90 périodes. Un objectif de la présente invention est de proposer un dispositif de génération d'un rayonnement Smith-Purcell cohérent, permettant de réduire la durée de saturation de l'interaction entre le réseau de diffraction et le faisceau d'électrons.

Un autre objectif de la présente invention est de proposer un procédé de génération d'un rayonnement Smith-Purcell cohérent, permettant de réduire cette durée de saturation.

EXPOSÉ DE L'INVENTION Cet objectif est atteint avec un dispositif de génération d'un rayonnement Smith-Purcell cohérent comprenant : un réseau de diffraction électriquement conducteur, délimité latéralement par deux parois latérales externes électriquement conductrices ; et - une source pour générer un faisceau d'électrons et le faire passer au-dessus du réseau de diffraction. Selon l'invention, le dispositif comprend en outre au moins une paroi intercalaire électriquement conductrice, parallèle aux parois latérales externes, située à l'intérieur du réseau de diffraction pour former plusieurs réseaux de diffraction élémentaires similaires délimités latéralement par deux parois, et la source est agencée pour générer un faisceau d'électrons tel que : - la vitesse des électrons est suffisamment faible pour que, dans un diagramme de dispersion, où l'on exprime la fréquence en fonction du nombre d'onde, une droite représentant la fréquence du faisceau d'électrons en fonction de son nombre d'onde, et une courbe représentant, dans la première zone de Brillouin, la relation de dispersion en trois dimensions correspondant au mode fondamental du réseau de diffraction élémentaire, se croisent en un point situé à l'extérieur d'un triangle isocèle dont la base est confondue avec l'axe des abscisses du diagramme de dispersion et dont un côté est un segment de pente passant par l'origine dudit diagramme, où c est la célérité de la lumière dans le vide ; et - la densité de courant du faisceau d'électrons est suffisamment élevée pour exciter le mode fondamental de chaque réseau de diffraction élémentaire, rayonné vers l'extérieur de celui-ci.

De préférence, le réseau de diffraction élémentaire présente une largeur, entre les deux parois, inférieure à 25 mm, et le réseau de diffraction présente une largeur entre les parois latérales externes supérieure à 30 mm.

L'invention concerne également un procédé de génération d'un rayonnement Smith-Purcell cohérent dans lequel : on utilise un réseau de diffraction électriquement conducteur, délimité latéralement par deux parois latérales externes électriquement conductrices ; et on génère un faisceau d'électrons et on le fait passer au-dessus du réseau de diffraction. Selon ce procédé : on utilise au moins une paroi intercalaire électriquement conductrice, parallèle aux parois latérales externes, située à l'intérieur du réseau de diffraction pour former plusieurs réseaux de diffraction élémentaires similaires délimités latéralement par deux parois ; - la vitesse des électrons est suffisamment faible pour que, dans un diagramme de dispersion, où l'on exprime la fréquence en fonction du nombre d'onde, une droite représentant la fréquence du faisceau d'électrons en fonction de son nombre d'onde, et une courbe représentant, dans la première zone de Brillouin, la relation de dispersion en trois dimensions correspondant au mode fondamental du réseau de diffraction élémentaire, se croisent en un point situé à l'extérieur d'un triangle isocèle dont la base est confondue avec l'axe des abscisses du diagramme de dispersion et dont un côté est un segment de pente passant par l'origine dudit diagramme, où c est la célérité de la lumière dans le vide ; et - la densité de courant du faisceau d'électrons est suffisamment élevée pour exciter le mode fondamental de chaque réseau de diffraction élémentaire, rayonné vers l'extérieur de celui-ci. De préférence, on fait passer le faisceau d'électrons à une distance du réseau de diffraction inférieure à 1 millimètre.

On génère avantageusement un faisceau d'électrons plat, et présentant une largeur légèrement inférieure à la distance séparant les parois latérales externes du réseau de diffraction. On peut générer un faisceau d'électrons plat, et présentant une largeur supérieure à 30 millimètres. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1, montre un premier mode de réalisation d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, vu en perspective ; - la figure 2 montre un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, vu en coupe ; - la figure 3 montre un détail d'un réseau de diffraction de la figure 1, vu en perspective ; - la figure 4 montre un diagramme de dispersion permettant d'illustrer le point de fonctionnement selon l'invention ; - la figure 5 montre un exemple de rayonnement électromagnétique obtenu 2 0 grâce à un dispositif selon l'invention ; - la figure 6 montre l'évolution, en fonction du temps, du courant d'électrons dans un dispositif selon l'invention et selon l'art antérieur ; et - la figure 7 montre l'évolution, en fonction du temps, du champ magnétique rayonné par un dispositif selon l'invention et par un dispositif de l'art antérieur. 25 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On décrira tout d'abord, en référence à la figure 1, un premier exemple de dispositif 100 selon l'invention, pour générer un rayonnement de Smith-Purcell cohérent. Ce dispositif 100 comprend une source 101 et un réseau de diffraction 102.

La source 101 est agencée pour générer un faisceau d'électrons 103 et le faire passer au-dessus du réseau de diffraction 102, entre deux parois latérales externes 104 de celui-ci. La source est typiquement un canon à électrons du genre de ceux utilisés dans les tubes à micro-ondes classiques.

Le faisceau d'électrons 103 est représenté en pointillés et avant qu'il atteigne le réseau de diffraction 102. Le faisceau présente une largeur E, et une hauteur h d'environ 1 mm, qui définissent un profil rectangulaire dans un plan orthogonal à un axe de propagation du faisceau noté z. Les électrons du faisceau ont typiquement une énergie cinétique comprise entre 20 keV et 150 keV (où 1 eV = 1,60217653x10-1-9J). L'énergie cinétique T et la vitesse v des électrons sont reliées par la relation suivante : T=(y-1)mc2, avec m la masse de l'électron, c la célérité de la lumière dans le vide, y = (1-132)-1/2, avec p le rapport entre la vitesse v des électrons et la célérité c de la lumière dans le vide. Le courant du faisceau d'électrons est d'au moins 1 A. Il est par exemple compris entre 1 A et 500 A. Le faisceau d'électrons 103 est guidé par un champ magnétique externe (non représenté).

L'axe de propagation z correspond à l'axe longitudinal du réseau de diffraction 102. Le réseau de diffraction 102 est réalisé dans un matériau électriquement conducteur, par exemple en métal. Il est délimité latéralement par les deux parois latérales externes 104 s'étendant selon l'axe z. Les parois latérales externes sont également réalisées dans un matériau électriquement conducteur, par exemple en métal.

La largeur E du faisceau d'électrons est légèrement inférieure à une distance Wmt séparant les parois latérales externes 104. Le réseau de diffraction 102 présente une série de sillons à profil rectangulaire et parallèles les uns aux autres. On parle alors de réseau lamellaire. On pourra également envisager d'autres types de profil, par exemple triangulaire ou sinusoïdal sans sortir du cadre de la présente invention.

Selon l'invention, le dispositif 100 comprend également au moins une paroi intercalaire. Un nombre n de parois intercalaires découpe le réseau de diffraction en (n+1) réseaux de diffraction élémentaires. Par exemple, on peut prévoir 4 réseaux de diffraction élémentaires, ou 8 réseaux de diffraction élémentaires. Chaque paroi intercalaire présente avantageusement le même matériau et les mêmes dimensions que les parois latérales externes 104. Chaque paroi intercalaire est parallèle aux parois latérales externes 104, et s'insère dans le réseau de diffraction 102 pour former des réseaux de diffraction élémentaires similaires. Les sillons du réseau de diffraction 102 sont coupés par chaque paroi intercalaire. On peut considérer que le réseau de diffraction 102 est ouvert dans le sens de sa longueur, pour y insérer une paroi intercalaire. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, il y a une seule paroi intercalaire 105, qui découpe le réseau de diffraction 102 en deux réseaux de diffraction élémentaires 1061, 1062 similaires. On dit que les réseaux de diffraction élémentaires 1061, 1062 sont similaires, car ils présentent les même sillons, et une même distance entre les parois qui les délimitent. Selon les cas, les parois qui les délimitent sont une paroi latérale externe 104 et une paroi intercalaire 105, ou deux parois intercalaires. Les réseaux de diffraction élémentaires 1061, 1062 présentent donc une même relation de dispersion en trois dimensions correspondant au mode fondamental.

Un rayonnement de Smith-Purcell cohérent est engendré par interaction entre le faisceau d'électrons 103 et le réseau de diffraction 102. Le faisceau d'électrons 103 présente pour cela des propriétés particulières que l'on détaillera plus loin. On va maintenant décrire, en référence à la figure 2, un second mode de réalisation de dispositif 200 selon l'invention, vu en coupe.

Dans ce mode de réalisation, la source 201 comprend les uns à la suite des autres : un canon à électrons 210, produisant un faisceau d'électrons 203. - une fente rectangulaire 211, présentant une hauteur h très inférieure à sa largeur, placée orthogonalement à l'axe z pour donner au faisceau d'électrons 203 la forme souhaitée. - des moyens de focalisation 212 optionnels pour, si besoin est, focaliser le faisceau d'électrons 203 selon une ligne parallèle aux sillons du réseau de diffraction 202, au-dessus d'une zone centrale du réseau de diffraction. Dans la vue en coupe, ladite ligne correspond au point F. Ces moyens de focalisation 212 peuvent comprendre une lentille électrostatique. - des moyens de guidage 213 optionnels pour, si besoin est, guider le faisceau d'électrons le long de l'axe z. Ces moyens de guidage 213 peuvent comprendre une unité de guidage magnétique. Les moyens de focalisation 212 et les moyens de guidage 213 peuvent être réalisés par un même champ magnétique axial, produit par un aimant permanent ou un électro-aimant. Le réseau de diffraction 202 est identique au réseau 102 de la figure 1. Le réseau de diffraction 202 et la source 201 sont placés dans une enceinte à vide 220 à l'intérieur de laquelle la pression est de l'ordre de 10-5 mbar à 10-4 mbar (avec 105 Pa= 1 bar=1000 mbar).

Une fenêtre 221, aménagée au-dessus du réseau, permet de laisser passer le rayonnement de Smith-Purcell. On a également représenté des moyens d'arrêt 222 pour arrêter le faisceau d'électrons 203. On a également représenté sur la figure 2 la distance D entre le faisceau d'électrons 203 et le réseau de diffraction 202. Cette distance est mesurée entre le point le plus haut du réseau de diffraction et le point le plus bas du faisceau d'électrons. Puisqu'il s'agit d'une vue en coupe, les parois latérales externes et la paroi intercalaire ne sont pas représentées sur la figure 2. La figure 2 illustre également des émissions Smith-Purcell directives selon les directions angulaires 01 et e2. On donnera plus de détails sur ces angles en référence à la figure 5. La figure 3 illustre une vue de détail d'un réseau de diffraction selon l'invention, vu en perspective. La figure 3 permettra de définir une série de paramètres utilisés dans la suite.

On reconnaît sur la figure 3 un détail d'un réseau de diffraction élémentaire 306, délimité par une paroi latérale externe 304 et une paroi intercalaire 305. Le réseau de diffraction élémentaire 306 est le même que le réseau de diffraction élémentaire 1061 ou 1062 de la figure 1.

Le réseau de diffraction élémentaire présente : plusieurs sillons 330 ; une largeur W, entre les parois délimitant le réseau de diffraction élémentaire 306 ; une période L, ou pas du réseau de diffraction, correspondant au motif élémentaire du réseau. On notera N le nombre de périodes du réseau. une épaisseur A de sillon ; une hauteur H de sillon 3 ; une hauteur S des parois, définie à partir d'un point le plus élevé du réseau de diffraction ; un angle 0 définissant une direction de rayonnement émis par le réseau de diffraction. Les sillons s'étendent selon un axe noté x. L'axe x définit un plan avec l'axe de propagation z. Un troisième axe noté y permet de définir un repère orthogonal direct (Oxyz).

De préférence, L<W<5L. La longueur d'onde du rayonnement Smith-Purcell dans le vide, émis à un angle 0 par rapport au faisceau d'électrons, peut être approximée à partir d'un modèle bidimensionnel du réseau (dans le plan (Oyz)) : c L(1- cos 0) _ _ p avec (1) f2D Ini ' - f2D fréquence de ce rayonnement, en considérant que la largeur du faisceau de diffraction est infinie, - p le rapport entre la vitesse v des électrons et la célérité c de la lumière dans le vide, n l'ordre de diffraction, avec n = -1 dans le cas d'une émission sur le mode fondamental selon l'invention, et L la période du réseau de diffraction.

Si l'on considère que la largeur du réseau n'est plus infinie mais de largeur finie W (modèle 3D du réseau), la relation précédente doit être corrigée pour tenir compte des modes transversaux (conditions aux limites sur les parois conductrices). Dans ce cas, la fréquence du rayonnement de Smith-Purcell est donnée par : i Cr C 2 (2) f3 D = -\,1 f2 2 D 1- (7) ' où a prend des valeurs entières ou demi-entières et f3D la fréquence du rayonnement Smith-Purcell dans un réseau de diffraction encadré de parois espacées d'une distance W. La figure 4 illustre un diagramme de dispersion permettant d'obtenir le point de fonctionnement d'un générateur de rayonnement de Smith-Purcell selon l'invention. La figure 4 illustre la fréquence f en GHz en fonction du nombre d'onde k en m-1. On se limite à un intervalle de nombre d'onde k compris entre 0 et K=-2:, correspondant à ce qu'on appelle la première zone de Brillouin du réseau. On a représenté sur la figure 4 : v une droite d'équation f=-*k, où v est la vitesse des électrons dans le faisceau 27-i d'électrons. On appelle cette droite « ligne de faisceau ». Cette droite est notée I. c une droite III appelée « ligne de lumière avant », d'équation f=-27-i*k, où c est la célérité de la lumière dans le vide ; - une droite IV appelée « ligne de lumière arrière.

Les droites III et IV, et l'axe des abscisses, définissent ce qu'on appelle un « triangle de lumière ».

On peut définir ce triangle de lumière comme un triangle isocèle dont la base est confondue avec l'axe des abscisses du diagramme de dispersion et dont un côté est un c segment de pente -27-i passant par l'origine dudit diagramme. A titre d'exemple, si L= 2cm : - l'équation de la droite III est f=rc*k, 1(50n ; et - l'équation de la droite IV est f=rc*(100n-k), 50n 1100n. La courbe V représente la relation de dispersion en trois dimensions d'un réseau de diffraction élémentaire selon l'invention, correspondant au mode fondamental. L'homme du métier saura aisément déterminer cette relation de dispersion. Il pourra par exemple se référer au document suivant : J.T Donohue et J. Gardelle, « Dispersion Relation for a Three-Dimensional Laminar Grating », Phys. Rev. ST Accel. Beams 14, 060709 (2011). La vitesse des électrons est choisie de façon que la droite I coupe la courbe V en un point P situé à l'extérieur du triangle de lumière, ce qui autorise une émission cohérente Smith-Purcell sur le mode fondamental. La source selon l'invention émet ainsi un faisceau d'électrons présentant une vitesse et une densité de courant choisies pour que chaque réseau de diffraction élémentaire émette un rayonnement Smith-Purcell sur le mode fondamental. La figure 5 illustre un exemple de rayonnement électromagnétique obtenu au- 2 0 dessus d'un dispositif selon l'invention. La figure 5 illustre en particulier, selon une coupe dans le plan (yOz) et à un instant donné, la composante selon x du champ électromagnétique. Les distances Y et Z sont exprimées en mm. La composante selon x du champ électromagnétique (champ magnétique) est notée B. Elle est exprimée en Gauss (1G correspond à 10-4 T ou à une 25 densité de puissance de 120 W/cm2), et elle est représentée sur la figure 5 par une intensité de gris qui dépend de la valeur du champ magnétique. Le lobe émis vers l'arrière, selon un angle 01 peu différent de 150° correspond à une onde ayant la fréquence fondamentale. On aperçoit aussi le rayonnement de la deuxième harmonique, émis vers l'avant, à l'angle 02 peu différent de 50°.

On a représenté sur la figure 6, l'évolution en fonction du temps (exprimé en ns) du courant d'électrons (exprimé en A) dans un réseau de diffraction d'un dispositif selon l'invention et selon l'art antérieur. Il s'agit d'une simulation numérique en trois dimensions, effectuée à l'aide d'un code PIC (pour « Particle-in-cell ») disponible commercialement sous le nom « MAGIC 3D ». On a utilisé des dispositifs présentant les caractéristiques suivantes : Dispositif selon l'art antérieur (sans paroi intercalaire) Dispositif selon l'invention (avec une paroi intercalaire) Nombre de périodes N 20 20 Période L 2 cm 2 cm Profondeur de sillon H 1 cm 1 cm Epaisseur de sillon A 1 cm 1 cm Largeur totale du réseau 4 cm 8 cm Wtot Hauteur des parois S 2 cm 2 cm Energie du faisceau 80 keV 80 keV Intensité du faisceau 10 A 20 A Épaisseur du faisceau 1 mm 1 mm Distance faisceau-réseau D 1 mm 1 mm Largeur du faisceau 35 mm 70 mm On voit donc que le dispositif selon l'invention est alors équivalent à deux dispositifs selon l'art antérieur accolés le long d'une paroi latérale. Cela implique que : - le dispositif selon l'invention et le dispositif selon l'art antérieur présentent, en théorie, une même fréquence de rayonnement de Smith-Purcell sur le mode fondamental ; et le faisceau d'électron du dispositif selon l'invention est deux fois plus large et avec un courant double (pour maintenir une même densité de courant), en comparaison avec le faisceau d'électrons du dispositif selon l'art antérieur.

On obtient les résultats suivants : Dispositif selon l'art antérieur (sans paroi intercalaire) Dispositif selon l'invention (avec une paroi intercalaire) Puissance disponible dans le faisceau 800 kW 1600 kW Puissance perdue par le faisceau 100 kW 200 kW Puissance rayonnée sur le mode fondamental 50 kW 170 kW Rendement sur le mode fondamental 6,25% 10,6% On remarque que le dispositif selon l'invention permet d'améliorer le rendement sur le mode fondamental, pour un réseau de diffraction élémentaire identique au réseau de l'art antérieur. Sur la figure 6, la zone 660 illustre le courant au centre d'un réseau de diffraction élémentaire du dispositif selon l'invention. La zone 661 illustre le courant au centre du réseau de diffraction du dispositif selon l'art antérieur. On reconnaît bien, pour ce qui est de l'art antérieur, un courant initialement continu. Au fur et à mesure du temps, ce courant continu se transforme en courants sinusoïdaux de forte amplitude à différentes harmoniques de la fréquence fondamentale. Lorsque le courant est suffisamment modulé, il y a émission d'un rayonnement Smith-Purcell. Cette émission intervient après une durée de saturation supérieure à 30 ns.

Selon l'invention, le même phénomène de saturation est observé, mais celui-ci intervient après une durée beaucoup plus courte d'environ 20 ns. Après 20 ns, l'amplitude des oscillations du courant a atteint un maximum d'environ 100 A, et il y a émission d'un rayonnement Smith-Purcell sur le mode fondamental.

On voit donc que le dispositif selon l'invention permet de réduire le temps nécessaire pour arriver à la saturation de l'interaction entre le réseau de diffraction et le faisceau d'électrons. La figure 7 illustre l'évolution, en fonction du temps (exprimé en ns), du champ magnétique Bx (exprimé en G) rayonné au-dessus d'un dispositif selon l'invention et selon l'art antérieur. On se place dans les mêmes conditions qu'à la figure 6. Il s'agit également d'une simulation numérique, effectuée à l'aide du code « MAGIC 3D ». On se place à 20 cm au-dessus des réseaux pour mesurer le champ Bx, à l'emplacement prévu du rayonnement Smith-Purcell (voir figure 5).

Le champ magnétique Bx mesuré correspond à une des composantes du rayonnement électromagnétique Smith Purcell du mode fondamental rayonné. Sur la figure 7, la zone 770 illustre le champ magnétique au-dessus du dispositif selon l'invention. La zone 771 illustre champ magnétique au-dessus du dispositif selon l'art antérieur.

Là-encore, on observe que le phénomène de saturation intervient au bout d'environ 20 ns dans le dispositif selon l'invention, alors que ce temps est supérieur à 30 ns dans le dispositif selon l'art antérieur. On voit donc que les réseaux de diffractions élémentaires du dispositif selon l'invention interagissent entre eux, pour réduire la durée de saturation en comparaison avec un dispositif selon l'art antérieur émettant sensiblement à la même fréquence. En pratique, on a remarqué un léger décalage entre la fréquence d'émission du dispositif selon l'art antérieur et la fréquence d'émission du dispositif selon l'invention. Cette fréquence est de 5,27GHz pour le premier, et 5,38GHz pour le second. On va maintenant détailler un avantage supplémentaire de l'invention.

La fréquence du rayonnement Smith-Purcell dans le mode fondamental est inversement proportionnelle à la période du réseau (voir équation (1)). En fait, augmenter la fréquence d'émission du rayonnement Smith-Purcell nécessite de réaliser une homothétie complète de la géométrie du réseau de diffraction équipé de ses parois latérales. On ajuste en particulier la période L du réseau de diffraction, la hauteur H de sillon, l'épaisseur A de sillon, la distance entre les parois latérales et la hauteur des parois. Dans l'art antérieur, on doit adapter la largeur du faisceau d'électrons à la distance entre les parois qui délimitent le réseau de diffraction.

Or, en pratique, il s'avère difficile de réaliser un faisceau d'électrons suffisamment étroit et dont la densité de courant est suffisamment intense, pour obtenir le rayonnement Smith-Purcell à la fréquence voulue. Par exemple, il est difficile de réaliser un faisceau d'électrons de largeur inférieure à 30 mm, et suffisamment intense, pour obtenir un rayonnement Smith-Purcell.

L'invention permet cependant l'utilisation d'un faisceau d'électrons large, même pour obtenir une fréquence élevée du rayonnement Smith-Purcell. La fréquence d'émission est déterminée par les dimensions du réseau de diffraction élémentaire, tandis que la largeur du faisceau d'électrons est déterminée par la largeur totale du réseau de diffraction. Le rayonnement produit est la somme des rayonnements produits par les réseaux de diffraction élémentaires, avec un démarrage plus rapide de l'interaction (durée de saturation réduite, comme vu ci-avant). On peut ainsi réaliser des sources de rayonnement électromagnétique compactes, de forte efficacité, pouvant émettre une onde électromagnétique cohérente dans la partie basse fréquence du domaine THz, par exemple entre 100 GHz et 300 GHz. De telles sources peuvent présenter un intérêt en imagerie, par exemple pour la détection d'individus portant des armes, la détection de produits dangereux par analyse spectrale, ou la détection de défauts dans les matériaux. On a par exemple mis en oeuvre la simulation suivante :30 Dispositif selon l'art antérieur (sans paroi intercalaire) Dispositif selon l'invention (avec trois parois intercalaires) Période L 20 mm 5 mm Profondeur de sillon H 10 mm 2,5 mm Epaisseur de sillon A 10 mm 2,5 mm Hauteur des parois S 20 mm 5 mm Energie du faisceau 80 keV 80 keV Intensité du faisceau 10 A 35 A Épaisseur du faisceau 1 mm 1 mm Largeur du faisceau 35 mm 35 mm On voit donc qu'il y a un rapport 4 entre les dimensions du réseau de diffraction selon l'art antérieur et les dimensions d'un réseau de diffraction élémentaire du dispositif selon l'invention, alors que les dimensions du faisceau d'électrons sont les mêmes. La largeur totale du réseau de diffraction est inchangée, mais dans le dispositif selon l'invention elle correspond à la somme des largeurs de quatre réseaux de diffraction élémentaires, de chacun 10 mm de large. Le réseau de diffraction élémentaire du dispositif selon l'invention correspond au réseau de diffraction du dispositif selon l'art antérieur, auquel on a appliqué une homothétie d'un facteur 1/4. On applique cette même homothétie d'un facteur 1/4 à la distance D entre le réseau de diffraction et le faisceau d'électrons. Le faisceau d'électrons passe donc au ras du réseau de diffraction, à une distance de 0 mm (en pratique par exemple 250 iim), alors que dans le dispositif selon l'art antérieur, le faisceau d'électrons passe à 1 mm du réseau de diffraction. La distance D est typiquement inférieure à Ye où p est le rapport entre la vitesse v des électrons et la célérité c de la lumière dans le vide, Â est la longueur d'onde du rayonnement Smith-Purcell dans le mode fondamental, et y= (1- p2)-1/2.

L'énergie du faisceau, et donc la vitesse des électrons du faisceau, est la même dans les deux cas. En effet, puisqu'on effectue une simple homothétie du réseau de diffraction, il en est de même pour la courbe V et les droites III et IV de la figure 4. La pente de la droite I peut donc rester inchangée.

Afin que la densité de courant du faisceau d'électrons soit suffisante pour exciter le mode fondamental de chaque réseau de diffraction élémentaire, le courant du faisceau d'électrons utilisé dans le dispositif selon l'invention doit être en théorie quatre fois supérieur au courant du faisceau d'électrons utilisé dans le dispositif selon l'art antérieur. On relève qu'en pratique ce rapport n'est que de 3,5 en raison de pertes de courant. Ces pertes de courant sont dues notamment à la présence des parois intercalaires et au positionnement du faisceau d'électrons au ras du réseau de diffraction. Cette perte de courant est tolérée tant que l'énergie déposée ne chauffe pas outre mesure le dispositif selon l'invention. Pour cela, on peut émettre le faisceau d'électrons par intermittences, et non en continu.

On obtient, dans le dispositif selon l'invention, un rendement sur le mode fondamental de 5,7% (2800 kW disponibles dans le faisceau, 210 kW perdus par le faisceau, 160 kW rayonnés sur le mode fondamental). On obtient ainsi un rayonnement Smith-Purcell sur le mode fondamental : à une fréquence proche de 5,5 GHz pour le dispositif selon l'art antérieur ; et à une fréquence proche de 22 GHz pour le dispositif selon l'invention. On voit que l'homothétie d'un rapport 1/4 décrite précédemment entraîne une augmentation d'un facteur 4 de la fréquence du rayonnement Smith-Purcell sur le mode fondamental.

On obtient donc une fréquence 4 fois plus élevée grâce au dispositif selon l'invention en comparaison avec le dispositif selon l'art antérieur, pour une même largeur du faisceau d'électrons. Selon l'homothétie appliquée, on pourra, pour une même largeur du faisceau d'électrons, atteindre différentes fréquences multiples de 5,5 GHz.

On voit donc que le dispositif selon l'invention permet également d'atteindre de hautes fréquences de rayonnement Smith-Purcell sur le mode fondamental, tout en conservant une bonne efficacité grâce à un faisceau d'électrons réaliste. On a observé que la fréquence d'émission pouvait être accordée de ±3%, pour une période fixée du réseau de diffraction et tout en conservant un bon rendement énergétique. Pour cela, on ajuste l'énergie du faisceau d'électrons.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (100 ; 200) de génération d'un rayonnement Smith-Purcell cohérent comprenant : un réseau de diffraction électriquement conducteur (102 ; 202), délimité latéralement par deux parois latérales externes (104 ; 304) électriquement conductrices ; et une source (101 ; 201) pour générer un faisceau d'électrons (103 ; 203) et le faire passer au-dessus du réseau de diffraction (102 ; 202); caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une paroi intercalaire (105 ; 305) électriquement conductrice, parallèle aux parois latérales externes (104; 304), située à l'intérieur du réseau de diffraction (102, 202) pour former plusieurs réseaux de diffraction élémentaires similaires (1061, 1062; 306) délimités latéralement par deux parois, et en ce que la source (101; 201) est agencée pour générer un faisceau d'électrons (103 ; 203) tel que : la vitesse des électrons est suffisamment faible pour que, dans un diagramme de dispersion, où l'on exprime la fréquence (f) en fonction du nombre d'onde (k ), une droite (I) représentant la fréquence du faisceau d'électrons en fonction de son nombre d'onde, et une courbe (V) représentant, dans la première zone de Brillouin, la relation de dispersion en trois dimensions correspondant au mode fondamental du réseau de diffraction élémentaire (1061, 1062; 306), se croisent en un point (P) situé à l'extérieur d'un triangle isocèle dont la base est confondue avec l'axe des abscisses du diagramme de c dispersion et dont un côté (III) est un segment de pente -27-i passant par l'origine dudit diagramme, où c est la célérité de la lumière dans le vide ; et - la densité de courant du faisceau d'électrons est suffisamment élevée pour exciter le mode fondamental de chaque réseau de diffraction élémentaire (1061, 1062; 306), rayonné vers l'extérieur de celui-ci.
2. 2. Dispositif (100 ; 200) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de diffraction élémentaire (1061, 1062; 306) présente une largeur (W), entre les deuxparois, inférieure à 25 mm, et en ce que le réseau de diffraction (102 ; 202) présente une largeur entre les parois latérales externes (104 ; 304) supérieure à 30 mm.
3. 3. Procédé de génération d'un rayonnement Smith-Purcell cohérent dans lequel : on utilise un réseau de diffraction électriquement conducteur (102 ; 202), délimité latéralement par deux parois latérales externes (104 ; 304) électriquement conductrices ; et - on génère un faisceau d'électrons (103 ; 203) et on le fait passer au-dessus du réseau de diffraction (102 ; 202); caractérisé en ce que : on utilise au moins une paroi intercalaire (105 ; 305) électriquement conductrice, parallèle aux parois latérales externes (104 ; 304), située à l'intérieur du réseau de diffraction (102, 202) pour former plusieurs réseaux de diffraction élémentaires similaires (1061, 1062; 306) délimités latéralement par deux parois ; - la vitesse des électrons est suffisamment faible pour que, dans un diagramme de dispersion, où l'on exprime la fréquence (f) en fonction du nombre d'onde (k ), une droite (I) représentant la fréquence du faisceau d'électrons en fonction de son nombre d'onde, et une courbe (V) représentant, dans la première zone de Brillouin, la relation de dispersion en trois dimensions correspondant au mode fondamental du réseau de diffraction élémentaire (1061, 1062; 306), se croisent en un point (P) situé à l'extérieur d'un triangle isocèle dont la base est confondue avec l'axe des abscisses du diagramme de dispersion et dont un côté (III) est un segment de pente passant par l'origine dudit diagramme, où c est la célérité de la lumière dans le vide ; et - la densité de courant du faisceau d'électrons est suffisamment élevée pour exciter le mode fondamental de chaque réseau de diffraction élémentaire (1061, 1062; 306), rayonné vers l'extérieur de celui-ci.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on fait passer le faisceau d'électrons (103 ; 203) à une distance (D) du réseau de diffraction (102 ; 202) inférieure à 1 millimètre.
5. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'on génère un faisceau d'électrons (103 ; 203) plat, et présentant une largeur légèrement inférieure à la distance séparant les parois latérales externes (104; 304) du réseau de diffraction (102; 202).
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on génère un faisceau d'électrons (103 ; 203) plat, et présentant une largeur supérieure à 30 millimètres.