WO2003030204A2 - Generateur d'ondes hyperfrequences a cathode virtuelle - Google Patents

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WO2003030204A2
WO2003030204A2 PCT/FR2002/003310 FR0203310W WO03030204A2 WO 2003030204 A2 WO2003030204 A2 WO 2003030204A2 FR 0203310 W FR0203310 W FR 0203310W WO 03030204 A2 WO03030204 A2 WO 03030204A2
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cathode
electrons
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Alain-Joseph Durand
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Thales
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/74—Tubes specially designed to act as transit-time diode oscillators, e.g. monotrons

Definitions

  • the present invention relates to a very high power microwave generator using the phenomenon of 5 virtual cathode.
  • Vircators are very high-power oscillator electronic tubes that use very intense electron beams capable of forming a virtual cathode.
  • a hollow of potential is created, namely that the electrons do not have quite the speed which corresponds to their initial acceleration and particularly for the electrons from the center of the 5th beam.
  • the potential trough in the center ends up being such that it no longer allows the circulation of electrons and the beam becomes hollow.
  • I critical current
  • the electrons on the edge no longer circulate they turn back and the accumulation of electrons, called virtual cathode 0, is called virtual 0 of the cusp.
  • the virtual cathode is unstable, in fact, the amplitude of its potential trough and its position oscillate, which causes a periodic variation in the number of electrons reflected or transmitted. 5
  • a device such as the vircator makes it possible to create electromagnetic fields with high microwave powers and in a reduced volume.
  • FIG. 1a shows a sectional drawing of a vircator 10 of the state of the art.
  • a very short beam of electrons 12 is emitted in an enclosure 14 of cylindrical shape, generally, by the field emission of a cold cathode 16 (spikes, velvet, flat surface ...), the anode being a very thin metal sheet 18 or a metal grid.
  • the electrons extracted from the cathode by the potential existing between the anode and the cathode largely cross this metal sheet 18, or this grid, and very quickly form behind, a virtual cathode 20, all the more easily as the enclosure 14 is a little wider here.
  • a certain number of electrons operate back and forth between the real cathode 16 and the virtual cathode 20 in the form of microwave oscillations. This oscillation gives rise to electromagnetic radiation, in one of the modes defined by the geometry of all the elements constituting the vircator. Another source of radiation, but it seems, more modest resides in the displacement or the vibration of the virtual cathode 20 itself.
  • Figure 1b shows a sectional view of the vircator 10 in a plane perpendicular to the axis 721 of revolution of the cylindrical enclosure 14 and Figure 1c a representation of the variation of the field E in the enclosure in a passing plane by the ZZ 'axis of the enclosure.
  • the resonance mode is such that the field E in the enclosure passes through a first maximum m1, we will say thereafter that it has a first extrema m1, according to l 'axis ZZ' of the enclosure 14 and another extrema m2 of opposite direction to the first, of circular shape around the first extrema.
  • the first idea is then to increase the beam power V xl - But any increase in voltage increases the probability of arc along the insulators and in the tube , unless operating with shorter ⁇ pulses. It follows then that if the power increases, ⁇ decreases, and the energy of the pulse Pt increases only very little.
  • the second idea is to increase the efficiency of the vircator. We effectively manage, thanks to the feedback vircator (VCR), to double the yields and therefore the power.
  • FIG. 2 represents a basic drawing of a microwave generator with feedback and virtual cathode 30 of the prior art or feedback vircator 30 (VCR);
  • the feedback vircator 30 has a resonant cavity
  • a cathode 36 of the electron gun 38 of the vircator injects a beam of high intensity electrons through a first grid 40 into the resonant cavity 32 then through a second grid 42 in the waveguide 34.
  • the height of the waveguide 34 is sufficient so that, when the cathode current lk is greater than a critical value lj ⁇ c , a virtual cathode is created in the guide which repels the electrons incidents whose back and forth movements generate microwave waves.
  • the signal generated in the guide 34 excites the resonant cavity 32, and the microwave fields in the cavity create an energy modulation of the beam, and therefore a grouping in bundles of the beam.
  • the oscillator thus produced is a feedback vircator. There is a phase shift value between the fields in the resonant cavity and the fields in the guide which optimizes the yield.
  • the microwave powers thus obtained are not yet sufficient and the present invention proposes a means for further increasing them, while retaining the pulse durations ⁇ , or even by enlarging them.
  • the present invention proposes a means for further increasing them, while retaining the pulse durations ⁇ , or even by enlarging them.
  • the high voltage V due to the unwanted arcs and breakdowns which would shorten ⁇ and damage the tube.
  • the scientific literature is relatively abundant on these phenomena of "puise shortening".
  • V k cannot be increased, it remains to increase lk.
  • - we can bring the anode closer and extract more current; but, as the frequency varies schematically in a manner inversely proportional to the distance dKG between cathode and anode, the operating frequency is higher and, in any case, different.
  • This solution does not respond to the problem posed, especially since, in general, the power decreases with frequency (more compact resonant volumes) and that the closing of the space between cathode and anode, distant from dkG, by the plasma emitted by both the anode and the cathode occurs earlier, causing a reduction in width ⁇ of the pulse.
  • the invention proposes a microwave generator comprising an emission device capable of producing electrons in an output microwave circuit, the quantity of electrons emitted being sufficient to cause a regular variation of the electron density in the output microwave circuit, the circuit carrying out the transformation of the kinetic energy of the electrons into microwave energy according to a mode resonance, characterized in that the electron emission device emits electrons in several regions of the microwave circuit having field extremes of the resonance mode.
  • the emission device is an electron gun comprising several cathodes, so as to produce several electron beams and according to a main characteristic of the invention, each of the beams being emitted in a region of extremes of fields of the resonance mode of the microwave circuit.
  • a first object of this invention is to increase the pulse emitting power of the vircator without increasing the cathode currents or the anode voltages.
  • a second object of this invention is to increase the efficiency of the transformation of the energy of the electrons into impulse electromagnetic energy necessary in certain applications.
  • a third object of this invention is to increase the duration of the electromagnetic pulse to bring it closer to the duration of the cathode / gate (or anode) voltage pulse.
  • the microwave output circuit includes an enclosure having an electron input window emitted by the cathodes and a window for emitting the microwave waves produced by variations in the density of the electrons in the regions d 'extrema of the electromagnetic field in the enclosure. This structure is based on that of a "classic vircator".
  • the microwave circuit comprises, on the side of the emission device, an excitation guide followed by a resonant output cavity.
  • the signal generated in the guide, exciting the resonant cavity creates an energy modulation of the electron beam.
  • This other structure is based on that of a “feedback vircator” (VCR).
  • Figure 3b shows a front view of the vircator of Figure 3a according to the invention
  • FIG. 3c shows the distribution of the electric field in the microwave circuit of the vircator of Figure 3b
  • - Figure 4a shows an embodiment of a conventional type vjrcator, according to the invention, with six electron beams;
  • Figure 4b shows the magnetic H and electric field lines E of the vircator of Figure 4a;
  • FIG. 4c shows the variation in a plane of the electric field E in the enclosure of the vircator of Figure 4a;
  • FIG. 4d shows a front view of the electron gun of the vircator of Figure 4a;
  • FIG. 4e and 4f show grids of the vircator of Figure 4a;
  • FIG. 5a shows an embodiment of a conventional vircator according to the invention with five electron beams;
  • Figure 5b shows the magnetic H and electric field lines E of the vircator of Figure 5a;
  • Figure 5c shows the variation in a plane of the field E in the enclosure of the vircator of Figure 5a;
  • Figure 5d shows a front view of the electron gun of the vircator of Figure 5a
  • FIG. 6a shows an example of variation of the voltage pulse V k as a function of time of a vircator
  • - Figures 6b, 6c and 6d show the respective microwave powers supplied over time by three cathodes of a vircator according to the invention
  • FIG. 7a and 7b show two embodiments of the multibeam vircator according to the invention comprising different cathode / grid distances.
  • the tube comprises a resonant cavity 32 in a rectangular guide of small height (about 1/6 of the width) and of length equal to 3 ⁇ / 2 ( ⁇ being the length of oscillation wave in the vircator).
  • the electron beam passes through the center of the cavity over an electric field belly. Only one third of the capacity of the cavity is therefore used to modulate the beam.
  • the solution proposed according to a main characteristic of the invention consists in passing an electron beam through each belly of the electric field of the cavity.
  • VMF multibeam vircator
  • the multibeam VCR 60 comprises a high-voltage gun 62 comprising three cathodes Ca1, Ca2, Ca3 of cylindrical shapes whose axes of revolution are located on the same plane P.
  • the multibeam VCR according to the invention comprises an excitation guide 64 coupled to a resonant cavity 66 through a passage 68 between the guide and the cavity.
  • Each of the electron beams Fa1, Fa2 and Fa3 from the 5 cathodes Ca1, Ca2, Ca3 pass respectively into one of the extremes Exal, Exa2, Exa3 of the electric field existing in the guide and the resonant cavity.
  • the excitation guide 64 is delimited by a first grid 70 on the side of the high-voltage gun 62 and by a second grid 72 on the side of the cavity.
  • the excitation guide 64 resonates in 5 ⁇ / 2, as does the output cavity (we could also operate with a resonance in 3 ⁇ / 2).
  • the electric fields in the excitation guide Eg and in the resonant cavity Ec have, in this example of resonance mode, an extrema along an axis YY ′ of the barrel in the direction of emission of the electrons and a second 5 extrema of circular shape around this axis.
  • FIG. 3a are shown in dotted lines the variations of the fields Eg and Ec on the plane P of the cathodes Ca1, Ca2 and Ca3 passing through the axis YY 'of the barrel.
  • the central beam Fa2 excites the field in the axis YY 'of the tube in phase opposition with the two adjacent beams Fa1 and Fa3.
  • this is the normal operation of a multibeam tube, which counts given the phase coherence of the set of two resonant circuits.
  • FIG. 3b shows a front view of the vircator of FIG. 3a according to the invention showing the position of the cathodes in the plane P passing through 5 the central beam axis F2 and FIG. 3c a distribution of the electric fields in the guide and in the cavity in front view.
  • FIG. 3a clearly shows several cathodes supplied in parallel from the rear, a single anode with several “screened” passages facing the cathodes and the extremes Exal, Exa2, Eax3 of electric fields E in the enclosure.
  • anode 70 can be "screened" over its entire surface, the main thing being that the grid thus formed does not allow the HF generated in the enclosure to pass.
  • FIG. 4a shows an exemplary embodiment of a conventional vircator 80 with six electron beams operating on a TM3lo type resonance mode.
  • the vircator 80 includes an electron gun 82 and an enclosure 84 separated from the gun by a mesh anode 86.
  • the gun has six cathodes Cb1, Cb2, Cb3, Cb4, Cb5, Cb6 distributed regularly around an axis of revolution W of l 'enclosure 84 of cylindrical shape at an angular pitch of 60 degrees and equidistant from the axis W of the enclosure.
  • Figure 4b shows the lines of magnetic H and electric fields E for TM310 mode, in a plane perpendicular to the axis W.
  • Fields E have extremes Exb1, Exb2, Exb3, Exb4, Exb5 and Exb6 changing sign at each angular offset of 60 degrees around the W axis. Note that the two directions (or signs) of the fields are represented respectively by a cross and by a point in a circle.
  • FIG. 4c shows the variation of the field E in the enclosure, in a plane Pb passing on the one hand by its axis of revolution W and, on the other hand, by the axes of two cathodes Cb1 and Cb4 located on the side and d other of this axis W of revolution.
  • this plane Pb appear two extremes Exb1 and Exb4 of opposite sign on either side of the axis of revolution W and this configuration of fields is repeated by loading with sign every 60 degrees corresponding to the angular offset ⁇ between the cathodes.
  • Each electron beam of sufficient intensity, coming from each of the cathodes Cb1 to Cb6, produces a virtual cathode in the enclosure.
  • FIG. 4a shows the two virtual cathodes Cvb1 and Cvb2 produced respectively by the beams coming from the cathodes Cb1 and Cb2.
  • FIG. 4d shows a front view of the electron gun 82 comprising the six cathodes around the axis W.
  • the mesh anode 86 can be constituted either, as shown in FIG. 4e, by a plate 88 comprising a mesh Gb1, Gb2, Gb3, Gb4, Gb5 and Gb6 circular, by cathode, each mesh facing its respective cathode either , as shown in Figure 4f, by a single circular grid 90 for all of the cathodes.
  • FIG. 5a shows another embodiment of a vircator 100 of the conventional type operating on a resonance mode of the type
  • the vircator 100 comprises an electron gun 102 and an enclosure 104 of cylindrical shape separated from the gun by a mesh anode
  • the barrel has five cathodes, a central cathode Cc1 in the axis
  • FIG. 5b shows the lines of magnetic H and electric fields E for the mode TM020 in a plane perpendicular to the axis W.
  • the electric fields E have a central extremity Exc1 in the axis W of the enclosure and an annular extremum, constant along a circumference and of opposite sign.
  • FIG. 5c shows the variation of the field E in the enclosure, in a plane Pc passing on the one hand by its axis of revolution W and, on the other hand, by the axes of two cathodes Cc1 and Cc4 located on both sides other of the central cathode Cc1.
  • this plane Pc two extremes Exc2 and Exc4 of the same sign appear on either side of the central extremity Exc1 of opposite sign.
  • each electron beam of sufficient intensity, coming from each of the cathodes Cc1 to Cc5 produces a virtual cathode in the enclosure.
  • 5a shows three of the five virtual cathodes, a central virtual cathode Cvc1 and two virtual cathodes Cvc2 and Cvc4 produced respectively by the beams coming from the central cathode Cc1 and from two cathodes Cc2 and Cc4 located in the same plane Pc.
  • the screened anode 106 can be constituted either by a plate comprising a circular screen by cathode, each screen facing its respective cathode, or by a single circular screen for all the cathodes .
  • FIG. 6a shows an example of variation of the voltage pulse V k as a function of time t.
  • the voltage pulse begins at time t0 and ends at time tf.
  • the voltage V k passes through respective values V i, V 2 , V k3 during successive time periods from tO to t1, from t1 to t2 and from t2 to tf.
  • the distances between the grid (or anode) and the cathodes of the electronic gun vary according to the cathode considered so as to compensate for the variations in the oscillation frequency of the vircator due to variations in the cathode voltage during the voltage pulse V k .
  • a variation in one direction of the voltage V k would result in an emission of electrons by at least one of the cathodes of the gun whose distance from the grid would be such that the oscillation would occur at the desired resonant frequency F0.
  • an increase in the voltage V k would lead to an emission by a cathode closer to the grid at the desired frequency while a decrease in the voltage V would produce a mission at the same frequency by a cathode further from the grid.
  • the oscillation frequency is kept constant during the voltage pulse.
  • the idea is to make an electron gun comprising cathodes whose distances to the grid are such that the V ° 7dki ratio remains constant when the plasma closes the space between cathode and anode for at least one cathode of the gun, during at least part of the voltage pulse.
  • FIGS. 7a and 7b show two embodiments of the multibeam vircator according to the invention comprising different cathode / grid distances.
  • a vircator 120 includes an electron gun 122 emitting three electron beams in a resonant enclosure 124 separated from the gun by a grid 126.
  • the gun has three cathodes Cd1, Cd2, Cd3 whose distances respective d1, d2 and d3 at the grid 126 are such that the ratio V / dki for each of the cathodes remains constant.
  • d1 will be adjusted to obtain the resonance frequency F0 at the voltage V i, d2 to obtain
  • FIG. 6b, 6c and 6d show the respective microwave powers P1, P2 and P3 supplied over time by the three cathodes.
  • the first cathode supplies the power P1 at the frequency F0 during the time when the pulse is at V k i, the second during the time when the pulse is at Vis and the third during the time when the pulse is at V k 3.
  • FIG. 6e shows the total microwave pulse supplied by the vircator at the resonance frequency F0 for a width much greater than that obtained by the vircators of the state of the art, substantially that of the voltage pulse. V.
  • the ends of the cathodes Cd1, Cd2 and Cd3 are on the same plane, a grid
  • the enclosure has areas Pg1, Pg2 and Pg3 opposite the cathodes Cd1, Cd2 and Cd3 more or less distant from the cathodes so as to obtain different distances of 1, 2 and 3 grid / cathode.
  • the emissive surfaces will be chosen to create the currents and the power required in each of the divisions of the pulse.
  • the vircator according to the invention has many advantages compared to the vircator of the state of the art, among others we can cite:

Landscapes

  • Microwave Tubes (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

La présente invention a pour objet un générateur d'ondes hyperfréquences de tres grande puissance utilisant le phénomene de cathode virtuelle. Le générateur d'ondes hyperfréquences (60) comporte un dispositif d'émission (62) susceptible de produire des électrons dans un circuit hyperfréquences de sortie (64, 66), la quantité d'électrons émise étant suffisante pour provoquer une variation régulière de la densité d'électrons dans le circuit hyperfréquence de sortie, le circuit réalisant la transformation de l'énergie cinétique des électrons en énergie hyperfréquence selon un mode de résonance, le dispositif d'émission d'électrons émettant les électrons dans plusieurs régions du circuit hyperfréquences présentant des extrémas (Exa1, Exa2, Exa3) de champs du mode de résonance.

Description

GENERATEUR D'ONDES HYPERFREQUENCES A CATHODE
VIRTUELLE
La présente invention a pour objet un générateur d'ondes hyperfréquences de très grande puissance utilisant le phénomène de 5 cathode virtuelle.
Il est connu, pour générer des grandes puissances instantanées en hyperfréquences, d'utiliser des tubes électroniques appelés vircators. Les vircators sont des tubes électroniques oscillateurs de très grande puissance qui mettent en œuvre des faisceaux d'électrons très intenses capables de o former une cathode virtuelle.
Dans un faisceau d'électrons, circulant dans un tube ou une enceinte essentiellement métallique, il se crée un creux de potentiel, à savoir que les électrons n'ont pas tout à fait la vitesse qui correspond à leur accélération initiale et particulièrement pour les électrons du centre du 5 faisceau. Lorsque l'intensité du faisceau devient importante, le creux de potentiel au centre finit par être tel qu'il n'autorise plus la circulation d'électrons et le faisceau devient creux. Pour une intensité I encore plus grande, supérieure à un certain courant critique (ISIc), même les électrons du bord ne circulent plus, ils rebroussent chemin et on appelle cathode 0 virtuelle l'accumulation d'électrons, qui se produit à l'endroit du rebroussement.
La cathode virtuelle est instable, en effet, l'amplitude de son creux de potentiel et sa position oscillent, ce qui entraîne une variation périodique du nombre d'électrons réfléchis ou transmis. 5 Un dispositif tel que le vircator permet de créer des champs électromagnétiques avec des puissances hyperfréquences élevées et sous un volume réduit.
La figure 1a montre un dessin en coupe d'un vircator 10 de l'état de l'art. Dans le vircator 10 un faisceau très court d'électrons 12 est émis dans une enceinte 14 de forme cylindrique, généralement, par l'émission de champ d'une cathode froide 16 (pointes, velours, surface plane...), l'anode étant une très mince feuille métallique 18 ou une grille métallique. Les électrons extraits de la cathode par le potentiel existant entre l'anode et la cathode traversent en grande partie cette feuille métallique 18, ou cette grille, et forment très vite derrière, une cathode virtuelle 20, d'autant plus facilement que l'enceinte 14 est un peu plus large à cet endroit. Un certain nombre d'électrons opèrent un va et vient entre la cathode réelle 16 et la cathode virtuelle 20 sous forme d'oscillation hyperfréquences. Cette oscillation donne naissance à un rayonnement électro-magnétique, sur un des modes définis par la géométrie de l'ensemble des éléments constituant le vircator. Une autre source de rayonnement, mais semble-t-il, plus modeste réside dans le déplacement ou la vibration de la cathode virtuelle 20 elle- même.
La figure 1 b montre une vue en coupe du vircator 10 dans un plan perpendiculaire à l'axe 721 de révolution de l'enceinte cylindrique 14 et la figure 1 c une représentation de la variation du champ E dans l'enceinte dans un plan passant par l'axe ZZ' de l'enceinte. Dans cet exemple de réalisation du vircator de la figure 1 a, le mode de résonance est tel que le champ E dans l'enceinte passe par un premier maximum m1 , nous dirons par la suite qu'il présente un premier extréma m1 , selon l'axe ZZ' de l'enceinte 14 et un autre extréma m2 de sens opposé au premier, de forme circulaire autour du premier extréma.
Les ordres de grandeur des énergies mis en jeu dans un vircator sont les suivantes :
Tension cathode, Vk = 700 kV Courant cathode, lk = 30 kA
Puissance de sortie, Psortie = 600 MW
Largeur d'impulsion Pt d'émission, τ = 60 ns
Rendement = 2,8 %.
Comme certains besoins (brouillage de l'espace aérien) nécessitent des puissances plus importantes, la première idée est alors d'augmenter la puissance faisceau V x l - Mais toute augmentation de tension augmente la probabilité d'arc le long des isolants et dans le tube, à moins de fonctionner avec des impulsions τ plus courtes. Il en résulte alors que si la puissance augmente, τ diminue, et l'énergie de l'impulsion Pt n'augmente que très peu. La deuxième idée est d'augmenter le rendement du vircator. On parvient effectivement, grâce au vircator à contre-réaction (VCR), à doubler les rendements et donc la puissance.
La figure 2, représente un dessin de principe d'un générateur d'ondes hyperfréquence à contre-réaction et à cathode virtuelle 30 de l'art antérieur ou vircator à contre-réaction 30 (VCR) ;
Le vircator à contre-réaction 30 comporte une cavité résonnante
32 de faible hauteur couplée à un guide d'onde 34. Une cathode 36 du canon à électrons 38 du vircator, injecte un faisceau d'électrons de forte intensité à travers une première grille 40 dans la cavité résonante 32 puis à travers une deuxième grille 42 dans le guide d'onde 34. La hauteur du guide d'onde 34 est suffisante pour que, lorsque le courant cathode lk est supérieur à une valeur critique lj<c, il se crée une cathode virtuelle dans le guide qui repousse les électrons incidents dont les mouvements d'aller et retour génèrent des ondes hyperfréquences. Le signal généré dans le guide 34 excite la cavité résonnante 32, et les champs hyperfréquence dans la cavité créent une modulation d'énergie du faisceau, et donc un groupement en paquets du faisceau. L'oscillateur ainsi réalisé est un vircator à contre-réaction. Il existe une valeur de déphasage entre les champs dans la cavité résonnante et les champs dans le guide qui optimise le rendement.
Mais, dans certains cas, les puissances hyperfréquences ainsi obtenues ne sont pas encore suffisantes et la présente invention propose un moyen pour encore les accroître, tout en conservant les durées d'impulsion τ, voire en les élargissant. Bien entendu, pour ce faire, il n'est pas question d'augmenter la haute tension V , en raison des arcs et claquages intempestifs qui raccourciraient τ et endommageraient le tube. La littérature scientifique est relativement abondante sur ces phénomènes de « puise shortening ».
Si Vk ne peut être accru, il reste à augmenter lk. Pour ce faire : - on peut rapprocher l'anode et extraire plus de courant ; mais, comme la fréquence varie schématiquement de façon inversement proportionnelle à la distance dKG entre cathode et anode, la fréquence de fonctionnement est plus élevée et, de toute façon, différente. Cette solution ne répond pas au problème posé, d'autant plus que, de façon générale, la puissance décroît avec la fréquence (volumes résonnants plus compacts) et que la fermeture de l'espace entre cathode et anode, distantes de dkG, par le plasma émis à la fois par l'anode et la cathode se produit plus tôt, entraînant une réduction de largeur τ de l'impulsion.
- on peut aussi augmenter la surface de la cathode. Mais précisons que les électrons effectuant le va et vient entre la cathode réelle et la cathode virtuelle ne rayonnent que s'ils se trouvent dans un maximum extréma), ou au voisinage du maximum, de la composante électrique E du champ électromagnétique d'un mode de résonance de l'espace cathode/anode. On ne peut donc augmenter indéfiniment cette surface et, généralement, elle est déjà, en ce sens, optimisée.
Afin d'accroître la puissance d'émission d'un vircator tout en conservant les durées d'impulsion τ, voire en les élargissant, l'invention propose un générateur d'ondes hyperfréquences comportant un dispositif d'émission susceptible de produire des électrons dans un circuit hyperfréquence de sortie, la quantité d'électrons émise étant suffisante pour provoquer une variation régulière de la densité d'électrons dans le circuit hyperfréquence de sortie, le circuit réalisant la transformation de l'énergie cinétique des électrons en énergie hyperfréquence selon un mode de résonance, caractérisé en ce que le dispositif d'émission d'électrons émet les électrons dans plusieurs régions du circuit hyperfréquences présentant des extrémas de champs du mode de résonance.
Le dispositif d'émission est un canon à électrons comportant plusieurs cathodes, de façon à produire plusieurs faisceaux d'électrons et selon une principale caractéristique de l'invention, chacun des faisceaux étant émis dans une région d'extrêma de champs du mode de résonance du circuit hyperfréquences.
Un premier objet de cette invention est d'augmenter la puissance impulsionnelle d'émission hyperfréquence du vircator sans augmenter les courants de cathode ou les tensions d'anode. Un deuxième objet de cette invention est d'augmenter l'efficacité de la transformation de l'énergie des électrons en énergie électromagnétique impulsionnelle nécessaire dans certaines applications.
Un troisième objet de cette invention est d'augmenter la durée de l'impulsion électromagnétique pour la rapprocher de la durée de l'impulsion de tension cathode/grille (ou anode). Dans une première réalisation du générateur, le circuit hyperfréquence de sortie comporte une enceinte ayant une fenêtre d'entrée d'électrons émis par les cathodes et une fenêtre d'émission des ondes hyperfréquences produites par les variations de la densité des électrons dans les régions d'extrema du champ électromagnétique dans l'enceinte. Cette structure est basée sur celle un « vircator classique ».
Dans une autre réalisation du générateur d'ondes assurant un rendement important, le circuit hyperfréquences comporte, du côté du dispositif d'émission, un guide d'excitation suivi d'une cavité résonante de sortie. Le signal généré dans le guide, excitant la cavité résonante, crée une modulation d'énergie du faisceau d'électrons. Cette autre structure est basée sur celle d'un « vircator à contre-réaction » (VCR).
L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisations de générateurs d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- les figures 1a, 1b, déjà décrites, représentent deux vues en coupe d'un générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle (ou vircator) de l'art antérieur ;
- la figure 1c déjà décrite représente les champs électromagnétiques dans un plan passant par l'axe de révolution de la cavité du générateur d'ondes de la figure 1 a ;
- la figure 2, déjà décrite, représente un dessin de principe d'un générateur d'ondes hyperfréquence à contre-réaction et à cathode virtuelle de l'art antérieur (VCR) ; - la figure 3a montre un VCR multifaisceaux, selon l'invention ;
- la figure 3b montre une vue de face du vircator de la figure 3a selon l'invention ;
- la figure 3c montre la répartition du champ électrique dans le circuit hyperfréquence du vircator de la figure 3b ; - la figure 4a montre un exemple de réalisation d'un vjrcator de type classique, selon l'invention, à six faisceaux d'électrons ;
- la figure 4b montre les lignes de champs magnétiques H et électriques E du vircator de la figure 4a ;
- la figure 4c montre la variation dans un plan du champ électrique E dans l'enceinte du vircator de la figure 4a ; - la figure 4d montre une vue de face du canon à électrons du vircator de la figure 4a ;
- les figures 4e et 4f montrent des grilles du vircator de la figure 4a ; - la figure 5a montre un exemple de réalisation d'un vircator classique selon l'invention à cinq faisceaux d'électrons ;
- la figure 5b montre les lignes de champs magnétiques H et électriques E du vircator de la figure 5a ;
- la figure 5c montre la variation dans un plan du champ E dans l'enceinte du vircator de la figure 5a ;
- la figure 5d montre une vue de face du canon à électrons du vircator de la figure 5a ;
- la figure 6a montre un exemple de variation de l'impulsion de tension Vk en fonction du temps d'un vircator ; - les figures 6b, 6c et 6d montrent les respectives puissances hyperfréquences fournies dans le temps par trois cathodes d'un vircator selon l'invention ;
- les figures 7a et 7b montrent deux réalisations du vircator multifaisceaux selon l'invention comportant des distances cathodes/grille différentes.
Dans le vircator de l'art antérieur de la figure 2, le tube comporte une cavité résonante 32 en guide rectangulaire de faible hauteur (environ 1/6 de la largeur) et de longueur égale à 3λ/2 (λ étant la longueur d'onde de l'oscillation dans le vircator). Le faisceau d'électrons passe au centre de la cavité sur un ventre de champ électrique. On n'utilise donc que le tiers de la capacité de la cavité à moduler le faisceau. La solution proposée selon une principale caractéristique de l'invention, consiste à faire passer un faisceau d'électrons dans chaque ventre de champ électrique de la cavité. On peut parler de vircator multifaisceaux (VMF). La figure 3a montre un VCR multifaisceaux 60, suivant l'idée développée ci-dessus. Le VCR multifaisceaux 60 comporte un canon haute tension 62 comportant trois cathodes Ca1 , Ca2, Ca3 de formes cylindriques dont les axes de révolution sont situés sur un même plan P. Comme dans le VCR 30 de l'art antérieur de la figure 2 le VCR multifaisceaux selon l'invention comporte un guide d'excitation 64 couplé à une cavité résonnante 66 à travers un passage 68 entre le guide et la cavité.
Chacun des faisceaux d'électrons Fa1 , Fa2 et Fa3 issus des 5 cathodes Ca1, Ca2, Ca3 passent respectivement dans un des extrémas Exal , Exa2, Exa3 de champ électrique existant dans le guide et la cavité résonnante.
Le guide d'excitation 64 est délimité par une première grille 70 du coté du canon haute tension 62 et par une deuxième grille 72 du côté de la o cavité. Le guide d'excitation 64 résonne en 5λ/2, ainsi que la cavité de sortie (on pourrait fonctionner aussi avec une résonance en 3λ/2). Les champs électriques dans le guide d'excitation Eg et dans la cavité résonnante Ec présentent, dans cet exemple de mode de résonance, un extréma le long d'un axe YY' du canon dans le sens d'émission des électrons et un deuxième 5 extrema de forme circulaire au tour de cet axe. Sur la figure 3a sont représentés en pointillé les variations des champs Eg et Ec sur le plan P des cathodes Ca1, Ca2 et Ca3 passant par l'axe YY' du canon.
Le faisceau Fa2 central excite le champ dans l'axe YY' du tube en opposition de phase avec les deux faisceaux adjacents Fa1 et Fa3. Mais il 0 s'agit du fonctionnement normal d'un tube multifaisceaux, ce qui compte étant donné la cohérence de phase de l'ensemble des deux circuits résonnants.
La figure 3b montre une vue de face du vircator de la figure 3a selon l'invention montrant la position des cathodes dans le plan P passant 5 par l'axe de faisceau F2 central et la figure 3c une répartition des champs électrique dans le guide et dans la cavité en vue de face.
La figure 3a montre bien plusieurs cathodes alimentées en parallèle par l'arrière une seule anode avec plusieurs passages « grillagés » face aux cathodes et les extrémas Exal , Exa2, Eax3 de champs électriques E dans l'enceinte.
A noter que l'anode 70 peut être « grillagée » sur toute sa surface, l'essentiel étant que la grille ainsi constituée ne laisse pas passer la HF générée dans l'enceinte.
Mais cette idée de plusieurs faisceaux d'électrons dans les extrémas de champs peut très bien s'appliquer à un vircator conventionnel comportant une enceinte de sortie. Dans ce cas, la notion de résonance est surtout appliquée à l'espace « Anode / ou grille) - cathode virtuelle », c'est-à- dire à l'enceinte de sortie.
La figure 4a montre un exemple de réalisation d'un vircator 80 classique à six faisceaux d'électrons fonctionnant sur un mode de résonance de type TM3lo.
Le vircator 80 comporte un canon à électrons 82 et une enceinte 84 séparée du canon par une anode grillagée 86. Le canon comporte six cathodes Cb1 , Cb2, Cb3, Cb4, Cb5, Cb6 distribuées régulièrement autour d'un axe de révolution W de l'enceinte 84 de forme cylindrique selon un pas angulaire de 60 degrés et à égale distance de l'axe W de l'enceinte.
La figure 4b montre les lignes de champs magnétiques H et électriques E pour le mode TM310, dans un plan perpendiculaire à l'axe W. Les champs E présentent des extremas Exb1 , Exb2, Exb3, Exb4, Exb5 et Exb6 changeant de signe à chaque décalage angulaire de 60 degrés autour de l'axe W. Notez que les deux sens (ou signes) des champs sont représentés respectivement par une croix et par un point dans un rond.
La figure 4c montre la variation du champ E dans l'enceinte, dans un plan Pb passant d'une part par son axe de révolution W et, d'autre part, par les axes de deux cathodes Cb1 et Cb4 situées de part et d'autre de cet axe W de révolution. Dans ce plan Pb apparaissent deux extrémas Exb1 et Exb4 de signe opposé de part et d'autre de l'axe de révolution W et cette configuration de champs se répète en chargeant de signe tous les 60 degrés correspondant au décalage angulaire α entre les cathodes. Chaque faisceau d'électrons d'intensité suffisante, issu de chacune des cathodes Cb1 à Cb6, produit une cathode virtuelle dans l'enceinte. La figure 4a montre les deux cathodes virtuelles Cvb1 et Cvb2 produites respectivement par les faisceaux issus des cathodes Cb1 et Cb2.
La figure 4d montre une vue de face du canon 82 à électrons comportant les six cathodes autour de l'axe W.
L'anode grillagée 86 peut être constituée soit, telle que représentée à la figure 4e, par une plaque 88 comportant un grillage Gb1, Gb2, Gb3, Gb4, Gb5 et Gb6 circulaire, par cathode, chaque grillage faisant face à sa respective cathode soit, telle que représentée à la figure 4f, par un grillage circulaire unique 90 pour l'ensemble des cathodes. La figure 5a montre un autre exemple de réalisation d'un vircator 100 de type classique fonctionnant sur un mode de résonance de type
TM020.
Le vircator 100 comporte un canon à électrons 102 et une enceinte 104 de forme cylindrique séparée du canon par une anode grillagée
106. Le canon comporte cinq cathodes, une cathode centrale Cc1 dans l'axe
W de l'enceinte et quatre cathodes Cc2 Cc3, Cc4 et Cc5 disposées à égale distance de la cathode centrale Cc1 selon un pas angulaire α de 90 degrés.
La figure 5b montre les lignes de champs magnétiques H et électriques E pour le mode TM020 dans un plan perpendiculaire à l'axe W.
Les champs électriques E présentent un extréma central Exc1 dans l'axe W de l'enceinte et un extréma annulaire, constant suivant une circonférence et de signe opposé.
La figure 5c montre la variation du champ E dans l'enceinte, dans un plan Pc passant d'une part par son axe de révolution W et, d'autre part, par les axes de deux cathodes Cc1 et Cc4 situées de part et d'autre de la cathode centrale Cc1. Dans ce plan Pc deux extrémas Exc2 et Exc4 de même signe apparaissent de part et d'autre de l'extrema central Exc1 de signe opposé. Comme dans les réalisations précédentes, chaque faisceau d'électrons d'intensité suffisante, issu de chacune des cathodes Cc1 à Cc5, produit une cathode virtuelle dans l'enceinte. La figure 5a montre trois des cinq cathodes virtuelles une cathode virtuelle centrale Cvc1 et deux cathodes virtuelles Cvc2 et Cvc4 produites respectivement par les faisceaux issus de la cathode centrale Cc1 et de deux cathodes Cc2 et Cc4 situées dans le même plan Pc.
Comme pour la réalisation de la figure 4a, l'anode grillagée 106 peut être constituée soit, par une plaque comportant un grillage circulaire par cathode, chaque grillage faisant face à sa respective cathode, soit par un grillage circulaire unique pour l'ensemble des cathodes.
Toujours est-il que les variations de tension de cathode Vk inhérentes à ces grosses machines que sont les ensembles : modulateur (Vk.lk) + vircator (oscillateur hyperfréquences) + antenne (rayonnement hyperfréquence), font que la fréquence d'oscillation des électrons ne correspond pas à la fréquence de résonance FO du mode voulu de l'enceinte sur toute la largeur d'impulsion de tension. Il en résulte que le rayonnement électromagnétique ne peut se produire pendant toute l'impulsion de tension. L'impulsion hyperfréquence est donc singulièrement plus courte que celle de tension de cathode Vk. En effet, la fréquence de fonctionnement, c'est-à-dire des oscillations des électrons ou de celles de la cathode virtuelle dépend énormément de la haute tension Vk appliquée entre cathode et grille (ou anode). Quand la tension de cathode Vk augmente, la fréquence d'oscillation dans l'enceinte du vircator augmente suivant v avec A ≤ α ≤ %. La figure 6a montre un exemple de variation de l'impulsion de tension Vk en fonction du temps t. L'impulsion de tension commence au temps tO et se termine au temps tf. La tension Vk passe par des valeurs respectives V i, V 2, Vk3 lors de périodes de temps successives de tO à t1 , de t1 à t2 et de t2 à tf. Selon une autre caractéristique du vircator multifaisceaux selon l'invention, les distances entre la grille (ou anode) et les cathodes du canon électronique varient en fonction de la cathode considérée de façon à compenser les variations de la fréquence d'oscillation du vircator dues aux variations de la tension de cathode au cours de l'impulsion de tension Vk. Ainsi une variation dans un sens de la tension Vk se traduirait par une émission d'électrons par au moins une des cathodes du canon dont la distance à la grille serait telle que l'oscillation se produirait à la fréquence de résonance souhaitée F0. Par exemple une augmentation de la tension Vk conduirait à une émission par une cathode plus proche de la grille à la fréquence souhaitée alors qu'une baisse de la tension V produirait une mission à la même fréquence par une cathode plus éloignée de la grille.
Si l'impulsion de tension Vk comporte n paliers dans le temps, si dki est la distance entre une cathode Cki (ou un groupe de cathodes) et la grille, avec i = 1 , 2, .. n, en gardant le rapport v /dki constant pour chaque cathode ou groupe de cathodes, on maintient la fréquence d'oscillation constante pendant l'impulsion de tension.
L'idée est de réaliser un canon à électrons comportant des cathodes dont les distances à la grille sont telles que le rapport V°7dki reste constant à la fermeture par le plasma de l'espace entre cathode et anode pour au moins une cathode du canon, pendant au moins une partie de l'impulsion de tension.
Les figures 7a et 7b montrent deux réalisations du vircator multifaisceaux selon l'invention comportant des distances cathodes/grille différentes.
Considérons que l'impulsion de tension V est celle de la figure 6a comportant trois tensions dans le temps. Dans la première réalisation de la figure 7a, un vircator 120 comporte un canon à électrons 122 émettant trois faisceaux d'électrons dans une enceinte résonnante 124 séparée du canon par une grille 126. Le canon comporte trois cathodes Cd1 , Cd2, Cd3 dont les distances respectives d1 , d2 et d3 à la grille 126 sont telles que le rapport V /dki pour chacune des cathodes reste contant. A cet effet, d1 sera réglée pour obtenir la fréquence de résonance F0 à la tension V i, d2 pour obtenir
F0 pour Via et d3 pour obtenir F0 pour V 3. Les figures 6b, 6c et 6d montrent les respectives puissances hyperfréquences P1 , P2 et P3 fournies dans le temps par les trois cathodes.
La première cathode fournit la puissance P1 à la fréquence F0 pendant le temps où l'impulsion est à Vki, la deuxième pendant le temps où l'impulsion est à Vis et la troisième pendant le temps où l'impulsion est à Vk3. La figure 6e montre l'impulsion hyperfréquence totale fournie par le vircator à la fréquence de résonance F0 pendant une largeur bien plus grande que celle obtenue par les vircators de l'état de l'art, sensiblement celle de l'impulsion de tension V .
Dans la seconde réalisation d'un vircator 130 de la figure 7b, les extrémités des cathodes Cd1 , Cd2 et Cd3 sont sur un même plan, une grille
132 de l'enceinte comporte de plages Pg1 , Pg2 et Pg3 en regard des cathodes Cd1 , Cd2 et Cd3 plus ou moins éloignées des cathodes de façon à obtenir différentes distances d'1 , d'2 et d'3 grille/cathode.
En pratique, on imagine non pas trois faisceaux, mais plus, par exemple cinq faisceaux comme dans le canon de la figure 5d. Dans ce cas, on associe les cathodes pour ne former que trois groupes ou plutôt autant de groupes que de divisions de l'impulsion de tension Vk.
Dans ces différentes réalisations, les surfaces émissives seront choisies pour créer les courants et la puissance nécessaire dans chacune des divisions de l'impulsion. Le vircator selon l'invention comporte des nombreux avantages par rapport au vircator de l'état de l'art, entre autre nous pouvons citer :
- une puissance hyperfréquence accrue, à haute tension égale
- une puissance hyperfréquence identique, à haute tension moindre, et donc une moindre limitation de la largeur d'impulsion par
« claquages».
- une impédance Z = Vk/l plus faible et, dans certains cas, meilleure adaptation entre le générateur électrique Vk et le vircator, d'où rendement global Générateur plus vircator plus élevé, meilleure stabilité et impulsion plus large,
- l'excitation du mode de résonance sur plusieurs de ses maxima de champ électrique, donc moins grande probabilité d'entraîner la résonance sur d'autres modes dits « parasites ». Donc, démarrage plus rapide de l'oscillation et meilleure stabilité de l'impulsion.

Claims

REVENDICATIONS
1. Générateur d'ondes hyperfréquences (10, 30, 60, 80, 100, 120 130) comportant un dispositif d'émission (38, 62, 82, 102, 122) susceptible de produire des électrons dans un circuit hyperfréquence de sortie (14, 34, 66, 84, 104, 124), la quantité d'électrons émise étant suffisante pour provoquer une variation régulière de la densité d'électrons dans le circuit hyperfréquence de sortie, le circuit réalisant la transformation de l'énergie cinétique des électrons en énergie hyperfréquence selon un mode de résonance, caractérisé en ce que le dispositif d'émission d'électrons émet les électrons dans plusieurs régions du circuit hyperfréquences présentant des extrémas (m1, m2, Exal, Exa2, Exa3, Exb1 , Exb2, Exb3, Exb4, Exb5, Exb6, Exc1 , Exc2) de champs du mode de résonance.
2. Générateur d'ondes hyperfréquences selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif d'émission est un canon à électrons (38, 62, 82, 102, 122) comportant plusieurs cathodes (Ca1, Ca2, Ca3, Cb1, Cb2, Cb3, Cb4, Cb5, Cb6, Cc1, Cc2, Cc3, Cc4, Cc5, Cd1, Cd2, Cd3) de façon à produire plusieurs faisceau d'électrons (Fa1, Fa2, Fa3), chacun des faisceaux étant émis dans une région d'extrema de champs du mode de résonance du circuit hyperfréquences.
3. Générateur d'ondes hyperfréquences selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit hyperfréquences comporte, du côté du dispositif d'émission, un guide d'excitation (32, 64) suivi d'une cavité résonnante (34, 66) de sortie, le signal généré dans le guide, excitant la cavité résonante, créant une modulation d'énergie du faisceau d'électrons Fa1, Fa2, Fa3).
4. Générateur d'ondes hyperfréquences selon la revendication 3, caractérisé en ce que le canon (62) comporte trois cathodes (Ca1 , Ca2, Ca3) de formes cylindriques dont les axes de révolution sont situés sur un même plan P, chacun des faisceaux d'électrons (Fa1, Fa2 et Fa3) issus des cathodes (Ca1 , Ca2, Ca3) passant respectivement dans un des extrémas de champ électrique existant dans le guide et la cavité résonante.
5. Générateur d'ondes hyperfréquences selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit hyperfréquences de sortie comporte une enceinte (14, 84) ayant une fenêtre d'entrée des d'électrons émis par les cathodes et une fenêtre d'émission des ondes hyperfréquences produites par les variations de la densité des électrons dans les régions d'extrema (Exb1 , Exb2, Exb3, Exb4, Exb5, Exb6) du champ électromagnétique dans l'enceinte.
6. Générateur d'ondes hyperfréquences selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un canon à électrons (82) et une enceinte (84) séparée du canon par une anode grillagée (86), le canon comportant six cathodes (Cb1, Cb2, Cb3, Cb4, Cb5, Cb6) distribuées régulièrement autour d'un axe de révolution W de l'enceinte (84) de forme cylindrique selon un pas angulaire de 60 degrés et à égale distance de l'axe W de la cavité.
7. Générateur d'ondes hyperfréquences selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il fonctionne sur un mode de résonance de type TM310.
8. Générateur d'ondes hyperfréquences selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce l'anode grillagée (86) peut être constituée soit, par une plaque (88) comportant un grillage (Gb1 , Gb2, Gb3, Gb4, Gb5 et Gb5) circulaire par cathode, chaque grillage faisant face à sa respective cathode soit, par un grillage circulaire unique (90) pour l'ensemble des cathodes.
9. Générateur d'ondes hyperfréquences selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un canon à électrons (102) et une enceinte (104) de forme circulaire séparée du canon par une anode grillagée (106), le canon comportant cinq cathodes, une cathode centrale (Cc1 ) dans l'axe W de l'enceinte et quatre cathodes (Cc2 Cc3, Cc4, Cc5) disposées à égale distance de la cathode centrale (Cc1 ) selon un pas angulaire α de 90 degrés.
10. Générateur d'ondes hyperfréquences selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il fonctionne sur un mode de résonance de type TM020.
11. Générateur d'ondes hyperfréquences selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que les distances entre la grille (ou anode) (70, 86, 106, 126, 132) et les cathodes (Cd1 , Cd2 et Cd3) du canon (122) électronique varient en fonction de la cathode considérée de façon à compenser les variations de la fréquence d'oscillation du générateur dues aux variations d'une impulsion de tension de cathode V .
12. Générateur d'ondes hyperfréquences selon la revendication 11, caractérisé en ce que, les extrémités des cathodes (Cd1 , Cd2 et Cd3) sont sur un même plan, une grille (132) de l'enceinte comporte des plages (Pg1 , Pg2, Pg3) en regard des cathodes (Cd1 , Cd2 et Cd3) plus ou moins éloignées des cathodes de façon à obtenir différentes distances (d'1 , d'2 et d'3) grille/cathode.
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