FR3007192A1 - Canon electronique a optique amelioree - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un ensemble d'optique électronique pour tube hyperfréquence comprenant : - une cathode thermo-ionique (1) comprenant du baryum et présentant au moins une surface émissive (7) d'électrons, - au moins une électrode de réorientation (10) des électrons émis par les bords (7a) de la surface émissive (7) de la cathode (1), l'électrode de réorientation (10) étant disposée en contact avec les bords (7a) émissifs de la cathode (1). L'électrode de réorientation (10) comprend au moins un matériau comprenant au moins un élément du groupe 4 de la classification périodique des éléments.

Description

CANON ELECTRONIQUE A OPTIQUE AMELIOREE L'invention se situe dans le domaine des canons électroniques pour tubes électroniques hyperfréquences, et, plus précisément, l'invention concerne une optique électronique. On entend par tubes électroniques hyperfréquences tout dispositif sous vide générant une onde. Cette invention est plus particulièrement adaptée aux dispositifs travaillant à haute fréquence comme les tubes à ondes progressives, les tubes à cavités couplées, les gyrotrons...

Une optique électronique génère un faisceau d'électrons. Elle comprend généralement un canon à électrons comprenant une source d'électrons pouvant être une cathode, ainsi que d'autres électrodes portées à des potentiels identiques ou différents de celui de la cathode créant ainsi un champ électrique permettant de mettre en forme le faisceau d'électrons. L'optique électronique peut s'appliquer à des tubes à ondes progressives mais aussi à des canons à électrons à champ croisé, plus couramment appelé canon de type « Magnetron Injection Gun », en langue anglaise (MIG). Ce type de canon est fréquemment utilisé dans des gyrotrons, un gyrotron étant un oscillateur sous vide générant des ondes hyperfréquences de forte puissance. Un schéma de principe d'un gyrotron comprenant un canon de type MIG est représenté sur la figure 1. Une cathode 1 émet des électrons sous la forme d'un faisceau 2 annulaire, celui-ci est focalisé par un fort champ magnétique.

Les électrons constituant le faisceau 2 ont des trajectoires hélicoïdales. La vitesse des électrons peut être considérée comme la somme de deux vecteurs : l'un parallèle à l'axe de l'hélice correspondant à la vitesse axiale et l'autre situé dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'hélice correspondant à la vitesse transverse. Le rapport entre la vitesse axiale et la vitesse transverse doit être réglé avec précision pour optimiser l'interaction du faisceau avec le champ de la cavité résonnante 3. Ce réglage est obtenu par le choix de la géométrie, du champ magnétique et des tensions appliquées.

La taille du faisceau impose l'utilisation d'une cavité résonnante 3 fortement surdimensionnée pour l'interaction, le rapport entre la longueur d'onde de travail lambda (lambda=c/f, avec c la célérité de la lumière et f la fréquence de travail) et le diamètre de la cavité résonante 3 pouvant dépasser 15. Cette cavité 3 est suivie d'un convertisseur 4 et d'une série de miroirs 5 qui permettent d'extraire latéralement la puissance et de transformer l'onde de fréquence f en un faisceau quasi-gaussien pouvant alors traverser une fenêtre 6 qui assure l'étanchéité au vide du dispositif afin d'être dirigé vers l'application pour laquelle le faisceau d'ondes est destiné. La figure 2 reproduit schématiquement une optique électronique utilisée dans 20 des canons de type MIG, par exemple, selon l'art antérieur. Généralement, les cathodes 1 utilisées comprennent du tungstène poreux, l'intérieur des pores comprenant un matériau à base de baryum, ce type de matériau étant connu pour ses propriétés de matériau réfractaire émetteur d'électrons lorsqu'il est soumis à une élévation suffisante de la température, 25 le travail de sortie des électrons étant abaissé. La cathode 1 comprend au moins une surface émissive 7 d'électrons. Dans le cas d'un canon électronique de type MIG, des électrodes de focalisation 8 sont situées à proximité de la cathode 1 de part et d'autre de la surface émissive 7, un espace de vide 9 entre la cathode 1 et les électrodes de focalisation 8 est maintenu de manière à isoler thermiquement la cathode 1 des électrodes de focalisation 8. Cet espace supprime le transfert de chaleur par conduction, mais n'empêche pas le transfert de chaleur par rayonnement. Les électrodes de focalisation 8 sont donc moins chaudes que la cathode 1, mais assez cependant pour se dilater et ne pas être parfaitement alignées avec la cathode 1 comme cela est représenté sur la figure 3. Cette situation a deux conséquences : - un risque d'émission parasite par les électrodes de focalisation 8, d'autant plus important que leur température est élevée, et - un risque de perturbation des équipotentielles au voisinage de la cathode 1 et qui entraîne une déformation des trajectoires électroniques.

Le risque d'émission parasite d'une électrode de focalisation 8 est lié à la présence de baryum sur sa surface, qui diminue le travail de sortie comme pour la cathode 1, le baryum provenant de la cathode 1. Sous l'effet de la température le baryum migre de l'intérieur du pavé comprenant du tungstène jusqu'à la surface via les pores, puis est ensuite évaporé et se dépose sur les surfaces au voisinage de la cathode 1, en particulier sur les électrodes de focalisation 8. Les électrons potentiellement émis par ces électrodes ont des trajectoires désordonnées qui ne correspondent pas aux trajectoires des électrons émis par la cathode 1, et constituent un halo d'électrons autour du faisceau 2, ce qui se traduit par une augmentation de la taille du faisceau 2 et un risque d'interception accru sur le corps du tube, en particulier dans la cavité et le convertisseur de sortie. Par ailleurs les trajectoires désordonnées de ce halo possèdent un rapport entre la vitesse axiale et la vitesse transverse qui n'est pas bon. Ce mauvais rapport perturbe l'interaction selon le mode désiré, et abaisse le rendement d'interaction ce qui peut provoquer des oscillations sur des modes parasites. Un des objectifs de ce type de canon à électrons est de générer un faisceau 2 fin et laminaire, c'est à dire dont les trajectoires ne se croisent pas. Pour cela on utilise les électrodes de focalisation 8, dont la géométrie est calculée pour obtenir la convergence du faisceau 2 tout en conservant la laminarité du faisceau 2. Au voisinage du bord de la surface émissive 7, les électrons sont émis avec des vitesses transverses élevées et contribuent au halo d'électrons cité plus 10 précédemment. La cathode 1 ne se réduit pas à la surface émissive 7. En effet, de chaque coté de cette surface émissive 7 il existe des surfaces latérales planes 7a en regard les électrodes de focalisation 8 qui émettent des électrons qui contribuent au halo. Cette émission dépend fortement de la distance entre la 15 cathode 1 et l'électrode de focalisation 8, et aussi de la concentricité et du parallélisme de l'électrode de focalisation 8 avec la cathode 1. Le défaut d'alignement mécanique illustré par la figure 3 perturbe aussi bien les électrons émis par la surface émissive 7 que par les surfaces latérales 7a. Il est donc nécessaire de positionner parfaitement les électrodes de 20 focalisation 8 par rapport à la cathode 1. De plus, le faisceau 2 généré doit être stable au cours du temps. Or la quantité de baryum évaporé par la cathode 1 diminue au cours du temps, donc également la couche de baryum déposée sur les électrodes de focalisation 8. Le courant émis au cours du temps par ces mêmes électrodes 25 recouvertes de baryum va donc fortement évoluer. Ce phénomène est particulièrement pénalisant pour l'utilisateur, en particulier lors des premières heures d'émission de la cathode. Un déverminage, ou, en d'autres termes, une séquences de contraintes thermiques, climatiques, électriques ou mécanique ayant pour but d'éliminer les défauts dans une production de composants électroniques de quelques centaines d'heures est souvent nécessaire pour permettre la stabilisation de ce phénomène.

II faut donc faire un choix entre deux solutions alternatives : Soit, on lie de façon rigide la cathode 1 et les électrodes de focalisation 8 avec une distance nulle entre les pièces afin d'empêcher les effets de bord et l'émission latérale des bords 7a de la surface émissive 7, avec trois conséquences gênantes : - les électrodes de focalisation 8 sont à la température de la cathode 1, donc il faut employer un matériau non émissif. Et en plus du baryum évaporé par la cathode 1, on peut retrouver sur l'électrode de focalisation 8 du baryum ayant migré en surface depuis la cathode 1, - on peut retrouver des éléments chimiques polluants ayant migré en surface depuis les électrodes de focalisation 8 vers la cathode 1, ce qui détériore l'émission électronique de la cathode 1. le volume à chauffer augmente et donc aussi la puissance de chauffage requise. Cette contrainte peut être fortement pénalisante pour des applications nécessitant des rendements électroniques élevés, le rendement électronique étant défini comme le rapport entre la puissance utile et la puissance consommée. Soit, on éloigne les électrodes de focalisation 8 de la cathode 1 afin de garder des électrodes froides et empêcher l'émission parasite de ces électrodes avec deux conséquences gênantes : - on génère un halo d'électrons autour du faisceau lié à l'émission latérale des bords 7a et aux discontinuités électriques locales, - le faisceau émis peut être sérieusement perturbé par un défaut d'alignement mécanique entre la cathode 1 et les électrodes de focalisation 8.

Un but de l'invention est de proposer une optique électronique permettant d'améliorer la qualité du faisceau généré. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un ensemble d'optique électronique pour tube hyperfréquence comprenant : - une cathode thermo-ionique comprenant du baryum et présentant au moins une surface émissive d'électrons, au moins une électrode de réorientation des électrons émis par les bords de la surface émissive de la cathode, l'électrode de réorientation étant disposée en contact avec les bords émissifs de la cathode. L'électrode de réorientation comprend au moins un matériau comprenant au moins un élément du groupe 4 de la classification périodique des éléments. Un canon électronique selon l'invention permet : - d'empêcher les effets de bords, - de garantir une surface d'émission limitée à la surface émissive ce qui assure la stabilité de l'émission au cours du temps. Le matériau d'électrode de réorientation comprend avantageusement au moins un matériau parmi le titane, le zirconium, l'hafnium ou rutherfordium.

L'électrode de réorientation est sous forme massive. Alternativement, l'électrode de réorientation 10 est un matériau réfractaire recouvert d'un dépôt comprenant un des matériaux cités précédemment. L'électrode de réorientation est un anneau disposé autour de la cathode.

Alternativement, l'électrode de réorientation comprend une pluralité de secteurs disposés de manière discontinue autour de la cathode. Avantageusement, la distance entre deux secteurs est comprise entre 0,1 et 5 mm. Selon une variante de l'invention, un écart angulaire entre les bords des surfaces émissives de la cathode et les surfaces des électrodes de réorientation en contact avec lesdits bords est compris entre 150° et 180°. Cet écart angulaire permet de diminuer la dispersion des vitesses axiales et transverses dans le faisceau d'électrons. Selon un autre mode de réalisation, l'ensemble d'optique électronique comprend en outre au moins deux électrodes de focalisation des électrons émis par la cathode, disposées de part et d'autre de l'électrode de réorientation, et un espace situé entre les électrodes de focalisation et les électrodes de réorientation permet une dilatation thermique des électrodes de focalisation .

Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour les optiques électroniques utilisées dans les canons de type MIG. Cette caractéristique permet d'obtenir des lignes de champ électrique uniforme autour de la cathode. L'espace entre les électrodes de focalisation et les électrodes de réorientation permet de limiter davantage le transfert thermique et autorise une dilatation thermique des électrodes de focalisation tout en supprimant la présence de trajectoires parasites.

Avantageusement, la dimension de l'espace vide entre une électrode de focalisation et une électrode de réorientation est comprise entre 0,1 et 1 mm permettant la dilatation thermique des matériaux constitutifs des électrodes de focalisation.

Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un canon à champs croisés comprenant une optique électronique telle que décrite précédemment. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1, déjà décrite, représente un schéma de principe d'un canon électronique de type MIG, selon l'art connu, la figure 2, déjà décrite, représente une vue de profil d'une optique électronique utilisée notamment dans les canons électroniques de type MIG, selon l'art connu, - la figure 2, déjà décrite, représente une vue de profil d'une optique électronique utilisée notamment dans les canons électroniques de type MIG, selon l'art connu, - la figure 3 représente une vue de profil d'une optique électronique avec un défaut d'alignement de la cathode par rapport aux électrodes de focalisation, - la figure 4 représente une vue de profil d'une optique électronique, selon un aspect de l'invention, - la figure 5 représente une cathode thermo-ionique utilisée notamment dans les tubes à ondes progressives, selon un aspect de l'invention, - la figure 6 représente une vue en perspective d'une variante de l'optique électronique, selon un aspect de l'invention, - la figure 7 représente une vue en perspective d'un autre mode de réalisation de l'optique électronique, selon un aspect de l'invention.

La figure 4 représente une vue de profil d'une optique électronique selon l'invention. Elle comprend une cathode 1. La cathode 1 comprend un matériau conducteur électrique réfractaire poreux, typiquement du tungstène. L'intérieur des pores de la cathode 1 comprend notamment un matériau à base de baryum. La cathode 1 comprend au moins une surface émissive 7. Des électrodes de réorientation 10 des électrons émis par la surface émissive 7 sont disposées de part et d'autre de la surface émissive 7 de la cathode 1. Ces électrodes de réorientation 10 sont en contact avec les bords 7a de la surface émissive 7 de la cathode 1. Ainsi disposées, elles masquent les bords de la surface émissive 7 ce qui empêche les effets de bords et l'émission d'électrons avec une vitesse transverse différente des électrons du faisceau. Ces électrodes de réorientation 10 comprennent un matériau réfractaire, non émissif et non polluant de la cathode 1. En d'autres termes, le matériau des électrodes de réorientation 9 ne diffuse pas dans le matériau de la cathode 1 sous l'effet de l'augmentation de la température, et inversement : le tungstène ou le baryum de la cathode 1 ne diffuse pas non plus dans le matériau de l'électrode de réorientation 10. Typiquement, les électrodes de réorientation 10 comprennent du titane, du zirconium, de l'hafnium ou du rutherfordium. Les électrodes de réorientation 10 peuvent comprendre un élément du groupe 4 de la classification périodique des éléments (titane, zirconium, hafnium, rutherfordium) sous forme massive. Alternativement, les électrodes de réorientation 10 peuvent comprendre un matériau réfractaire recouvert d'un dépôt d'un de ces matériaux. Alternativement, un de ces matériaux peut être déposé directement sur la cathode 1.

L'intérêt de l'utilisation des électrodes de réorientation 10 comprenant du titane, du zirconium, de l'hafnium ou du rutherfordium est la conservation des dimensions de la surface émissive 7 au cours du temps. Cette caractéristique est importante puisqu'elle permet de conserver les caractéristiques du faisceau 2 d'électrons constantes tout au long de l'utilisation de l'optique électronique. L'électrode de réorientation 10 peut se présenter sous la forme d'un anneau brasé sur la cathode 1, l'anneau pouvant être massif ou constitué d'un matériau réfractaire rapporté et recouvert d'une couche de titane, de zirconium, d'hafnium ou de rutherfordium.

La figure 5 représente une cathode 1 thermo-ionique couramment utilisée dans les tubes à ondes progressives. Elle comprend un pavé de chauffage la comprenant un filament 1c permettant le chauffage du pavé de chauffage la, un pavé émissif 1b comprenant une surface d'émission 7. Le pavé émissif comprend du tungstène poreux, l'intérieur des pores comprenant du baryum. Sous l'effet de l'élévation de la température, la surface émissive 7 émet des électrons. Des électrodes de réorientation 10 des électrons émis par la surface émissive 7 sont en contact avec les bords 7a émissifs du pavé émissif 1 b. Les électrodes de réorientation 10 comprennent un élément du groupe 4 de la classification périodique des éléments tels que du titane, du zirconium, de l'hafnium ou du rutherfordium. En variante, l'électrode de réorientation 10 peut être constituée de secteurs 10a pouvant être massifs ou constitués d'un matériau réfractaire rapporté et recouvert d'un dépôt de titane, de zirconium, d'hafnium ou de rutherfordium. Les secteurs 10a sont alors brasés ou cerclés de manière discontinue tout autour de la cathode si celle-ci est annulaire, comme indiqué sur la figure 6, ou de manière à masquer les bords 7a de la surface émissive 7 de la cathode 1 si celle-ci n'est pas annulaire. Avantageusement, la distance entre deux secteurs 10a consécutifs est comprise entre 0,1 et 5 mm de manière à permettre une dilatation thermique du matériau des secteurslOa. La figure 7 représente un autre mode de réalisation d'une optique électronique selon l'invention. L'ensemble d'optique électronique comprend une optique électronique telle que décrite sur la figure 4. De part et d'autre de la surface émissive 7 de la cathode 1 est disposée une électrode de réorientation 10. En l'espèce, elle est constituée de secteurs 10a. Un premier écart angulaire al entre les bords 7a de la surface émissive 7 de la cathode 1 et la surface d'un premier secteur 10a1 en contact avec les bords 7a est compris entre 150 et 180 degrés. Un deuxième écart angulaire a2 entre les bords 7a de la surface émissive 7 de la cathode 1 et la surface d'un deuxième secteur 9a2 en contact avec les bords 7a est compris entre 150 et 180 degrés. Ces écarts angulaires permettent notamment de focaliser encore davantage les électrons du faisceau 2. Les écarts angulaires al et a2 entre les bords de la surface émissive 7 et la surface des secteurs 10a1 et 10a2 peuvent être différents les unes des autres pour compenser au mieux les écarts de trajectoire des électrons émis.25

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Ensemble d'optique électronique pour tube hyperfréquence comprenant : - une cathode thermo-ionique (1) comprenant du baryum et présentant au moins une surface émissive (7) d'électrons, - une électrode de réorientation (10) des électrons émis par les bords (7a) de la surface émissive (7) de la cathode (1), l'électrode de réorientation (10) étant disposée en contact avec les bords (7a) émissifs de la cathode (1), caractérisé en ce que l'électrode de réorientation (10) comprend au moins un matériau comprenant au moins un élément du groupe 4 de la classification périodique des éléments.
2. 2. Ensemble d'optique selon la revendication 1 dans lequel le matériau d'électrode de réorientation comprend : du titane, du zirconium, de l'hafnium ou du rutherfordium.
3. 3. Ensemble d'optique électronique selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel l'électrode de réorientation (10) est sous forme massive.
4. 4. Ensemble d'optique électronique selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel l'électrode de réorientation (10) comprend un matériau 20 réfractaire recouvert d'un dépôt comprenant au moins un élément du groupe 4 de la classification périodique des élénerits.
5. 5. Ensemble d'optique électronique selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'électrode de réorientation (10) est un anneau disposée autour de la cathode (1). 3007 192 13
6. 6. Ensemble d'optique électronique selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel l'électrode de réorientation (10) comprend une pluralité de secteurs (10a) disposées de manière discontinue autour de la cathode (1).
7. 7. Ensemble d'optique électronique selon la revendication 6 dans lequel 5 la distance entre deux secteurs est comprise entre 0,1 et 5 mm.
8. 8. Ensemble d'optique électronique selon l'une des revendications précédentes dans lequel un écart angulaire (ai, a2) entre les bords (7a) des surfaces émissives (7) de la cathode (1) et les surfaces des électrodes de réorientation (10) en contact avec lesdits bords (7a) est compris entre 150 et 10 180 degrés.
9. 9. Ensemble d'optique électronique selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre : - au moins deux électrodes de focalisation (8) des électrons émis par la cathode (1), disposées de part et d'autre de l'électrode de réorientation (10), 15 - un espace (9) situé entre les électrodes de focalisation (8) et les électrodes de réorientation (10) permet une dilatation thermique des électrodes de focalisation (8) et de la cathode (1),
10. 10. Ensemble d'optique selon la revendication 9 dans lequel une dimension de l'espace vide (9) entre une électrode de focalisation (8) et une 20 électrode de réorientation (10) est comprise entre 0,1 et 1 mm permettant la dilatation thermique des matériaux constitutifs des électrodes de focalisation.
11. 11. Canon à champs croisés comprenant une optique électronique selon l'une des revendications 1 à 10.