WO2010103028A1 - Bec d'interaction pour cavité rf de puissance - Google Patents

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WO2010103028A1
WO2010103028A1 PCT/EP2010/053010 EP2010053010W WO2010103028A1 WO 2010103028 A1 WO2010103028 A1 WO 2010103028A1 EP 2010053010 W EP2010053010 W EP 2010053010W WO 2010103028 A1 WO2010103028 A1 WO 2010103028A1
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cavity
cylindrical member
circular
edge
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Rodolphe Marchesin
Didier Hamard
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Thales SA
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Thales SA
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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
    • H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
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    • H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
    • H01J25/12—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator with pencil-like electron stream in the axis of the resonators

Definitions

  • the present invention relates to an interaction nozzle for RF cavity and in particular the output cavity of microwave tubes of high average power (for example> 25OkW).
  • Power microwave electronic tubes such as conventional klystrons are amplifiers essentially having a microwave structure for amplifying a microwave applied to an RF input of the tube.
  • the amplification is carried out by transforming the kinetic energy of one or more electron beams passing through said structure into electromagnetic energy.
  • FIG. 1 shows a simplified diagram of a klystron of the state of the art single beam comprising a vacuum chamber 10 along a longitudinal axis XX ', the klystron having:
  • RF radio frequency signal
  • a collector 40 of electrons 44 of the electron beam making it possible to receive most of the electrons emitted by the cathode 22 of the tube and to dissipate their residual kinetic energy after passing through the microwave structure
  • a resonant circuit 50 situated between the anode 26 and the electron collector 40, having the function of converting a part of the kinetic energy of the electrons of the beam into the resonant circuit into RF energy at the resonance frequency of the circuit.
  • the resonant circuit 50 is also referred to as an interaction structure.
  • the resonant circuit is an integral part of klystron and comprises a series of resonant cavities C1, C2, C2, C4, C5 in the microwave structure each having one or two devices 66 called "interaction nozzles".
  • the number of cavities of the microwave structure can be larger, up to 12 cavities.
  • the cavity C5 near the collector 40 of the klystron, also called power RF output cavity further comprises at least one RF power output 58 of the tube, in the form of a waveguide.
  • the resonant cavities C1, C2, C2, C4, C5 comprise, in the axis
  • the microwave structure has an inlet opening 60 and an outlet opening 62 for the passage of the electron beam.
  • the outlet cavity C5 has another opening 64 for extracting the power
  • the interaction nozzle has a cylindrical body integral with the edge of the outlet opening.
  • the outlet cavity C5 is subjected to significant heating due to microwave losses induced in this cavity.
  • the interaction beak also undergoes heating due to microwave losses and electron bombardment by electrons away from the beam.
  • the interaction nozzle is designed, in a known manner, to reduce the erosion phenomenon at the outlet of the cavity by the impacts of the electrons moving away from the beam
  • the extraction of calories is performed by the circulation of a coolant in at least two cooling recesses in the body of the nozzle connected by a conduit.
  • One of the cooling recesses has a coolant inlet and the other a coolant outlet.
  • the interaction tips of the power RF cavities of the state of the art do not have sufficient cooling efficiency. Indeed, the heat exchange between the body of the interaction nozzle and the coolant for a given speed of the liquid in the cooling circuit is insufficient for RF cavities of very high average power. In addition a lack of homogeneity in the cooling produces too high temperatures in some areas of the body of the interaction nozzle.
  • the invention proposes a power cavity RF interaction nozzle comprising at least one opening for the passage of an electron beam along an axis XX ', a body having two nested cylindrical members, an outer cylindrical member and an inner cylindrical member inserted into a cylindrical passage of axis XX 'of the outer cylindrical member having a passage surface, each of the cylindrical members having two edges, a lower edge and a upper edge, the inner cylindrical member having the opening in said axis XX 'for the passage of the electron beam, an outer surface of the same shape as the surface of the passage of the outer cylindrical member to be in direct contact with said passing surface of the outer cylindrical member, the inner cylindrical member having on the outer surface at least two helical grooves dales, a first groove and a second groove, winding parallel to each other between the two edges of said inner cylindrical member, the first groove and the second groove having one of their respective ends on the side of the upper edge of the internal cylindrical element, the two other ends of the two said
  • the cooling fluid circulation channel comprises, on the side of the upper edge of the internal cylindrical element, at the end of the first groove a fluid inlet and, at the end of the second groove a coolant outlet.
  • the respective ends of the grooves of the side of the upper edge of the inner cylindrical element are in the same plane perpendicular to the axis XX ', on either side of said axis XX'.
  • the outer cylindrical element comprises between its upper edge and its lower edge, a first frustoconical zone whose largest diameter forms the upper edge, the first frustoconical zone being connected, on the side of its smaller diameter, to a second circular zone, itself connected to a third frustoconical zone whose smallest diameter forms the lower edge of the outer cylindrical element.
  • the passage surface of the inner cylindrical element comprises, from the side of the upper edge, at the first frustoconical zone of the internal cylindrical element, an internal surface of the same frustoconical shape as the first frustoconical zone followed by a circular internal surface at the level of the second circular zone.
  • the inner cylindrical element comprises, between its upper edge and its lower edge, an outer surface having a first circular portion forming, on one of its sides, the upper edge of the outer cylindrical element, the other side of the first portion being connected by a second frustoconical portion followed by a third circular portion forming at its free end the lower edge of the inner cylindrical member.
  • the cross sectional area of the coolant circulation channel at the bottom edge of the cylindrical members is smaller than the channel sectional area of the side of the upper edges of said cylindrical members so as to increase the cooling fluid circulation rate of the side of said lower edge.
  • the invention also relates to a power RF cavity having a cavity inlet opening and a cavity exit opening for the passage of an electron beam, characterized in that the cavity outlet opening has a spout interaction according to the invention.
  • the invention also relates to a microwave power tube chosen from Klystrons, or any other power tube. having a microwave structure using at least one RF cavity, according to the invention, as a resonator.
  • a main purpose of the interaction nozzle according to the invention is to be able to increase the output power of an RF cavity without changing its operating temperature.
  • Another objective is to obtain, for similar power and operating conditions of the power RF cavity, a better heat exchange coefficient between the interaction nozzle and the cooling fluid.
  • Another objective is to limit the pressure loss at fixed flow rate between the inlet E and the outlet S of the cooling circuit of the interaction nozzle, thanks to the better conductance of the circuit of the invention compared to the state of art.
  • FIG. 1 already described, shows a simplified diagram of a klystron of the state of the art
  • FIGS. 2a and 2b show an exemplary embodiment of an interaction nozzle according to the invention
  • FIG. 3a shows an axial sectional view of a cylindrical cavity comprising an interaction nozzle according to the invention
  • Figure 3b shows an axial sectional view of the cylindrical cavity of Figure 3a.
  • Figures 2a and 2b show an embodiment of an interaction nozzle according to the invention.
  • FIG. 2a shows an axial sectional view of an interaction nozzle according to the invention and FIG. 2b an exploded perspective view of the elements forming the interaction nozzle of FIG. 2a. .
  • the interaction nozzle of FIGS. 2a and 2b comprises a body 70 having two nested cylindrical elements, an outer cylindrical element 80 and an internal cylindrical element 82 with axes that are collinear with an axis of revolution.
  • XX ' an opening 83 for the passage of an electron beam along the axis XX'.
  • the outer cylindrical element 80 has an upper edge 84 and a lower edge 86 and, between its upper edge 84 and its lower edge 86, a first frustoconical zone Z1 whose largest diameter forms the upper edge 84.
  • the first frustoconical zone Z1 is connected, on the side of its smaller diameter, to a second circular zone Z2, itself connected to a third frustoconical zone Z3 whose smaller diameter forms the lower edge 86 of the outer cylindrical element 80.
  • the outer cylindrical element 80 has a cylindrical passage
  • the passage surface 102 comprises, on the side of the upper edge 84, at the zone Z1 of the internal cylindrical element 80, an internal surface 104 of the same frustoconical shape as the first frustoconical zone Z1 followed by a circular internal surface 106 at the level of the second circular zone Z2.
  • the inner cylindrical member 82 has an upper edge 108 and a lower edge 110 and, between its upper edge 108 and its lower edge 110, an outer surface 112 having a first circular portion P1 forming, by one of its sides, the upper edge 108 of the outer cylindrical element, the other side of the first portion P1 being connected by a second frustoconical portion P2 followed by a third circular portion P3 forming at its free end the lower edge 110 of the inner cylindrical member.
  • the outer surface 112 of the inner cylindrical member 82 has the same shape as the passage surface 102 of the outer cylindrical member 80 to be in direct contact with said passage surface 102 of the outer cylindrical member 80.
  • the inner cylindrical member 82 comprises, on the first P1 and second P2 parts of its outer surface 112, two helical grooves, a first groove R1 and a second groove R2, s' winding parallel to each other between the two edges 108, 110 of said inner cylindrical member 82.
  • the first groove R1 and the second groove R2 have one of their respective ends Ex1, Ex2 on the side of the upper edge 108 of the inner cylindrical element 82, the two other ends of the two said grooves R1, R2 being connected, on the lower edge 110 of the inner cylindrical member 82, to form, with the passage surface 102 of the outer cylindrical member 80, a CL channel for the circulation of a cooling fluid of the interaction nozzle.
  • the channel CL of fluid circulation comprises, on the side of the upper edge 108 of the internal cylindrical element 82, at the inlet Ex1 of the first groove R1 an inlet Er of cooling fluid and at the end Ex2 the second groove R2 an output Es of cooling fluid.
  • the first circular portion P1 of the inner cylindrical member 82 comprises a ring 120 of diameter greater than the diameter of the upper edge 108 of the internal cylindrical member 82, to create with the upper edge 84 of the outer cylindrical member 80 a cylindrical groove 122 for fixing the interaction nozzle on a wall of a power RF cavity described below.
  • the lower edges 86, 110 of the cylindrical elements of the nozzle when the interaction nozzle is operational in a RF power cavity, as explained above, are exposed on the one hand to the impacts of the electrons passing through the RF cavity and on the other hand with RF heating in the cavity. These lower edges are therefore subjected to high temperatures and must therefore be particularly well cooled.
  • the surface Sci of the section of the channel CL cooling fluid circulation of the side of the lower edges 86, 110 of the internal cylindrical elements 80, and external 82 is smaller than the area S1 of the channel section CL of the side of the upper edges 82, 108 said cylindrical elements so as to increase the circulation velocity of the cooling fluid of the side of said lower edge 86, 110.
  • the interaction nozzle ensures, by the appropriate dimensioning of the sections along the coolant circulation channel CL, a greater coolant velocity in the part of the cooling channel near the lower edges than the one near the cooling channels. upper edges of the cylindrical elements to effectively evacuate the calories dissipated in the interaction nozzle.
  • the grooves R1, R2 of the cooling channel are machined directly on the outer surface 112 of the inner cylindrical member 82.
  • the two inner cylindrical elements 82 and external 80 are made integral for example by brazing.
  • the interaction nozzle according to the invention can withstand powers dissipated in the body of the spout exceeding 1OkW continuously. These powers can be dissipated in the nozzle of output cavities equipping klystrons up to 1.5 MW of RF output power.
  • the profile of the cooling channel CL interaction of the invention in the form of double helix ensures optimum heat exchange along the body of the nozzle through the pitch and depth of the helical grooves in the outer surface of the element internal cylindrical 82.
  • Another advantage of the nozzle according to the invention is to introduce and discharge the cooling liquid circulating in the cooling channel CL on the same side of the nozzle.
  • the invention also relates to a power RF cavity comprising an interaction nozzle according to the invention.
  • FIG. 3a shows an axial sectional view of a cylindrical cavity comprising an interaction nozzle according to the invention.
  • Figure 3b shows an axial sectional view of the cylindrical cavity of Figure 3a.
  • the power RF cavity shown in FIGS. 3a and 3b comprises a body 140 of circular cylindrical shape with an axis of revolution.
  • XX having two ends, a lower end 142 and an upper end 144.
  • the cavity is closed, on the side of the lower end 142 of the body 140, by a bottom wall 150 of circular shape in a plane perpendicular to the axis XX '.
  • the bottom wall 150 has a circular opening 152 of axis collinear with the axis XX 'whose edge is integral with a tubular element 160 of axis of revolution hinged to the axis XX' for the passage in the cavity of an electron beam confined in the said axis of revolution XX '.
  • the cavity of FIGS. 3a and 3b is closed, on the side of the upper end 144 of the body 140, by an upper wall 162 of circular shape having an outer circular edge 164 and parallel surfaces 166, 168 in planes perpendicular to the XX 'axis.
  • the upper wall 162 has a circular opening 170 of axis collinear with the axis XX 'whose edge 172 is integral with an interaction nozzle 174, according to the invention, of axis of revolution collinear with the axis XX ', for the output of the electron beam entering the cavity by the tubular element 160.
  • the interaction nozzle is integral with the upper wall 162 of the cavity so that the lower edges 86, 110 of the cylindrical elements of the nozzle interaction 174 are inside the cavity facing the tubular element 160.
  • the upper wall 162 comprises, in a central plane Pr perpendicular to the axis XX ', between one 166 and the other 168 surfaces of the upper wall of the cavity, an inlet duct 182 of cooling liquid along an axis EE 'and an outlet pipe 180 of coolant along another axis SS'.
  • the coolant inlet duct 182 emerges, at one of its two ends 188, on the outer circular edge 164 of the upper wall 162 of the cavity and, through the other end 190, on the circular opening 170 of the said upper wall 162 of the cavity, at the level of the inlet Er of the interaction fluid coolant circulation channel CL 174.
  • the coolant outlet duct 180 opens at one of its two ends 184 onto the outer edge 164 of the upper wall of the coolant. cavity and, through the other end 186, on the circular opening 170 of said upper wall 162 of the cavity at the output Sr of the circulation channel CL coolant of the interaction nozzle.
  • the input Er and the output Sr of the cooling channel CL of the interaction nozzle being on either side of the axis XX ', the inlet ducts 182 and the outlet 180 of coolant in the upper wall 162 of the cavity are also on either side of said axis XX '.
  • the outlet duct 180 of cooling liquid is deduced from the inlet duct 182 by rotating 180 ° around the axis XX '.
  • FIG. 3a shows the axial sectional view of the cavity according to the invention in a view AA in an axial section plane Pes passing through the axis XX 'and the ends 184, 188 of the ducts 180, 182.
  • FIG. the openings of the ends 188, 184 of the inlet and outlet of coolant at the outer circular edge 164 of the upper wall 162 of the cavity.
  • the cavity according to the invention may be an RF output cavity of an electronic power tube, for example a klystron.
  • the cavity comprises, in known manner, an opening in the circular body (shown in dashed lines in FIG. 3a), along a perpendicular axis ZZ 'with an axis of revolution XX', opening onto a guide wave (not shown in the figure) to extract the final RF power from the tube to the outside.
  • the inlet and outlet of the coolant in the interaction nozzle according to the invention is effected by means of two metal pipes (not shown in the figures) connected to the main cooling circuit of the electron tube comprising the cavity according to the invention.
  • the location of the ducts 182, 180 of the inlet and outlet of the cooling fluid as well as the helical shape of the cooling channel CL in the body of the interaction nozzle ensure an optimal flow of said fluid which reduces the pressure losses of the pressurized cooling circuit passing through the interaction nozzle.
  • the interaction nozzle according to the invention can also be used in the electron collector of an electron tube, at the input of the beam into the collector.
  • the double helical groove cooling principle of the interaction nozzle according to the invention can also be applied to the entire electron collector to cool the surface of the collector impacted by the electrons.

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Abstract

L'invention comporte un bec d'interaction pour cavité RF de puissance comportant au moins une ouverture (83) pour le passage d'un faisceau d'électrons selon un axe XX'. Le bec d'interaction comporte un corps (70) ayant deux éléments cylindriques imbriqués, un élément cylindrique externe (80) et un élément cylindrique interne (82) inséré dans un passage (100) cylindrique, d'axe XX', de l'élément cylindrique interne ayant une surface de passage (102), chacun des éléments cylindriques comportant deux bords, un bord inférieur (86, 110) et un bord supérieur (84, 108), l'élément cylindrique interne comportant l'ouverture (83) dans ledit axe XX' pour le passage du faisceau d'électrons, une surface externe (112) de même forme que la surface du passage (102) de l'élément cylindrique externe pour être en contact direct avec ladite surface de passage (102) de l'élément cylindrique externe, l'élément cylindrique interne (82) comportant sur la surface externe (112) au moins deux rainures hélicoïdales, une première rainure (R1 ) et une seconde rainure (R2), s'enroulant parallèlement l'une à l'autre entre les deux bords (108, 110) dudit élément cylindrique interne (82), la première rainure (R1 ) et la seconde rainure (R2) ayant une de leurs extrémités respectives (Ex1, Ex2) du côté du bord supérieur (108) de l'élément cylindrique interne (82), les deux autres extrémités des deux dites rainures (R2, R2), étant raccordées, du côté du bord inférieur (110) de l'élément cylindrique interne (82), pour former, avec la surface de passage (102) de l'élément cylindrique externe (80), un canal (CL) de circulation d'un fluide de refroidissement du bec d'interaction. Applications: tubes hyperfréquences de forte puissance moyenne, klystrons, etc.

Description

BEC D'INTERACTION POUR CAVITE RF DE PUISSANCE
La présente invention concerne un bec d'interaction pour cavité RF et notamment la cavité de sortie des tubes hyperfréquences de forte puissance moyenne (par exemple > 25OkW).
Les tubes électroniques hyperfréquences de puissance tels que les klystrons conventionnels sont des amplificateurs comportant essentiellement une structure hyperfréquences destinée à amplifier une onde hyperfréquences appliquée à une entrée RF du tube. L'amplification s'effectue par transformation de l'énergie cinétique, d'un ou plusieurs faisceaux d'électrons traversant ladite structure, en énergie électromagnétique.
La figure 1 montre un schéma simplifié d'un klystron de l'état de l'art monofaisceau comportant une enceinte à vide 10 selon un axe longitudinal XX', le klystron ayant :
- un canon à électrons 20 avec une cathode 22 polarisée émettant un faisceau d'électrons 24 continu ou puisé accélérés par une anode 26, dans l'axe XX',
- une cavité résonante d'entrée C1 pour moduler la densité des électrons du faisceau lorsqu'un signal radiofréquences (RF) y est injecté par une entrée RF 28 du tube, - un circuit de focalisation 30 (ou de confinement) du faisceau d'électrons selon l'axe XX' réalisé, soit à partir d'aimants permanents, soit par des solénoïdes 32.
- un collecteur 40 d'électrons 44 du faisceau d'électrons permettant de recevoir la plus grande partie des électrons émis par la cathode 22 du tube et de dissiper leur énergie cinétique résiduelle après passage dans la structure hyperfréquence,
- un circuit résonnant 50, situé entre l'anode 26 et le collecteur 40 d'électrons, ayant pour fonctionnalité la conversion d'une partie de l'énergie cinétique des électrons du faisceau dans le circuit résonnant en énergie RF à la fréquence de résonance du circuit. Le circuit résonnant 50 est aussi désigné structure d'interaction. Le circuit résonnant fait partie intégrante du klystron et comporte une suite de cavités résonnantes C1 , C2, C2, C4, C5 dans la structure hyperfréquences présentant chacune un ou deux dispositifs 66 dits « becs d'interaction ». Le nombre de cavités de la structure hyperfréquences peut être plus important, jusqu'à 12 cavités. La cavité C5 à proximité du collecteur 40 du klystron, dite aussi cavité de sortie RF de puissance, comporte en outre, au moins une sortie RF 58 de puissance du tube, sous forme de guide d'onde.
Les cavités résonnantes C1 , C2, C2, C4, C5 comportent, dans l'axe
XX' de la structure hyperfréquences. une ouverture d'entrée 60 et une ouverture de sortie 62 pour le passage du faisceau électronique. La cavité de sortie C5 comporte une autre ouverture 64 pour l'extraction de la puissance
RF du tube.
Le bec d'interaction a un corps cylindrique solidaire du bord de l'ouverture de sortie. La cavité de sortie C5 est soumise à des échauffements importants dus à des pertes hyperfréquences induites dans cette cavité. Le bec d'interaction subit aussi des échauffements dus aux pertes hyperfréquences et au bombardement électronique par les électrons s'écartant du faisceau.
Le bec d'interaction est conçu, de façon connue, pour réduire le phénomène d'érosion en sortie de la cavité par les impacts des électrons s'écartant du faisceau
Pour éviter un échauffement trop important du bec de sortie, ce dernier est refroidi par un circuit hydraulique. .
L'extraction des calories est effectuée par la circulation d'un liquide de refroidissement dans au moins deux évidements de refroidissement dans le corps du bec reliés par un conduit. Un des évidements de refroidissement comporte une entrée de liquide de refroidissement l'autre évidement une sortie de liquide de refroidissement.
Néanmoins, les becs d'interaction des cavités RF de puissance de l'état de l'art ne présentent pas une efficacité de refroidissement suffisante. En effet, l'échange thermique entre le corps du bec d'interaction et le liquide de refroidissement pour une vitesse déterminé du liquide dans le circuit de refroidissement est insuffisant pour des cavités RF de très forte puissance moyenne. En outre un manque d'homogénéité dans le refroidissement produit des températures trop élevées dans certaines zones du corps du bec d'interaction.
Pour améliorer la maîtrise de la température des cavités de puissance hyperfréquences, l'invention propose un bec d'interaction pour cavité RF de puissance comportant au moins une ouverture pour le passage d'un faisceau d'électrons selon un axe XX', un corps ayant deux éléments cylindriques imbriqués, un élément cylindrique externe et un élément cylindrique interne inséré dans un passage cylindrique d'axe XX' de l'élément cylindrique externe ayant une surface de passage, chacun des éléments cylindriques comportant deux bords, un bord inférieur et un bord supérieur, l'élément cylindrique interne comportant l'ouverture dans ledit axe XX' pour le passage du faisceau d'électrons, une surface externe de même forme que la surface du passage de l'élément cylindrique externe pour être en contact direct avec ladite surface de passage de l'élément cylindrique externe, l'élément cylindrique interne comportant sur la surface externe au moins deux rainures hélicoïdales, une première rainure et une seconde rainure, s'enroulant parallèlement l'une à l'autre entre les deux bords dudit élément cylindrique interne, la première rainure et la seconde rainure ayant une de leurs extrémités respectives du côté du bord supérieur de l'élément cylindrique interne, les deux autres extrémités des deux dites rainures, étant raccordées, du côté du bord inférieur de l'élément cylindrique interne, pour former, avec la surface de passage de l'élément cylindrique externe, un canal de circulation d'un fluide de refroidissement du bec d'interaction.
Avantageusement, le canal de circulation du fluide de refroidissement comporte, du côté du bord supérieur de l'élément cylindrique interne, au niveau de l'extrémité de la première rainure une entrée de fluide et, au niveau de l'extrémité de la seconde rainure une sortie de fluide de refroidissement.
Dans une réalisation, les extrémités respectives des rainures du côte du bord supérieur de l'élément cylindrique interne, sont dans un même plan perpendiculaire à l'axe XX', de part et d'autre dudit axe XX'. Dans une autre réalisation, l'élément cylindrique externe comporte entre son bord supérieur et son bord inférieur, une première zone tronconique dont le plus grand diamètre forme le bord supérieur, la première zone tronconique étant raccordée, du côté de son plus petit diamètre, à une deuxième zone circulaire, elle même raccordée à une troisième zone tronconique dont le plus petit diamètre forme le bord inférieur de l'élément cylindrique externe.
Dans une autre réalisation, la surface de passage de l'élément cylindrique interne comporte du côte du bord supérieur, au niveau de la première zone tronconique de l'élément cylindrique interne, une surface interne de même forme tronconique que la première zone tronconique suivie d'une surface interne circulaire au niveau de la deuxième zone circulaire.
Dans une autre réalisation, l'élément cylindrique interne comporte, entre son bord supérieur et son bord inférieur, une surface externe ayant une première partie circulaire formant, par un de ses côtés, le bord supérieur de l'élément cylindrique externe, l'autre côté de la première partie étant raccordé par une deuxième partie tronconique suivie d'une troisième partie circulaire formant à son extrémité libre le bord inférieur de l'élément cylindrique interne.
Dans une autre réalisation, la surface de la section du canal de circulation de fluide de refroidissement du côte des bords inférieurs des éléments cylindriques est plus petite que la surface de la section du canal du côte des bords supérieurs desdits éléments cylindriques de façon à augmenter la vitesse de circulation du fluide de refroidissement du côte desdits bord inférieurs.
L'invention concerne aussi une cavité RF de puissance comportant une ouverture d'entrée de cavité et une ouverture de sortie de cavité pour le passage d'un faisceau d'électrons, caractérisée en ce que l'ouverture de sortie de cavité comporte un bec d'interaction selon l'invention.
L'invention concerne aussi un tube électronique hyperfréquences de puissance choisi parmi les Klystrons, ou tout autre tube de puissance comportant une structure hyperfréquences utilisant au moins une cavité RF, selon l'invention, comme résonateur.
Un principal objectif du bec d'interaction selon l'invention est de pouvoir augmenter la puissance de sortie d'une cavité RF sans changement de sa température de fonctionnement.
Un autre objectif est d'obtenir, pour des conditions de puissance et de fonctionnement similaires de la cavité RF de puissance, un meilleur coefficient d'échange thermique entre le bec d'interaction et le fluide de refroidissement.
Un autre objectif est de limiter la perte de pression à débit fixé entre l'entrée E et la sortie S du circuit de refroidissement du bec d'interaction, grâce à la meilleure conductance du circuit de l'invention par rapport à l'état de l'art.
L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisations d'un bec d'interaction en référence aux dessins indexés dans lesquels :
- la figure 1 , déjà décrite, montre un schéma simplifié d'un klystron de l'état de l'art ; - les figures 2a et 2b montrent un exemple de réalisation d'un bec d'interaction selon l'invention ;
- la figure 3a montre une vue en coupe axiale d'une cavité cylindrique comportant un bec d'interaction selon l'invention et ;
- la figure 3b montre une vue axiale en coupe de la cavité cylindrique de la figure 3a.
Les figures 2a et 2b montrent un exemple de réalisation d'un bec d'interaction selon l'invention.
Plus précisément, et pour faciliter la description, la figure 2a montre une vue en coupe axiale d'un bec d'interaction selon l'invention et la figure 2b une vue éclatée en perspective des éléments formant le bec d'interaction de la figure 2a.
Le bec d'interaction des figures 2a et 2b comporte un corps 70 ayant deux éléments cylindriques imbriqués, un élément cylindrique externe 80 et un élément cylindrique interne 82 d'axes colinéaires à un axe de révolution XX', une ouverture 83 pour le passage d'un faisceau d'électrons selon l'axe XX'.
L'élément cylindrique externe 80 comporte un bord supérieur 84 et un bord inférieur 86 et, entre son bord supérieur 84 et son bord inférieur 86, une première zone tronconique Z1 dont le plus grand diamètre forme le bord supérieur 84. La première zone tronconique Z1 est raccordée, du côté de son plus petit diamètre, à une deuxième zone circulaire Z2, elle même raccordée à une troisième zone tronconique Z3 dont le plus petit diamètre forme le bord inférieur 86 de l'élément cylindrique externe 80. L'élément cylindrique externe 80 comporte un passage cylindrique
100 d'axe colinéaire à l'axe XX' ayant une surface de passage 102.
La surface de passage 102 comporte du côte du bord supérieur 84, au niveau de la zone Z1 de l'élément cylindrique interne 80, une surface interne 104 de même forme tronconique que la première zone tronconique Z1 suivie d'une surface interne circulaire 106 au niveau de la deuxième zone circulaire Z2.
L'élément cylindrique interne 82 comporte un bord supérieur 108 et un bord inférieur 110 et, entre son bord supérieur 108 et son bord inférieur 110, une surface externe 112 ayant une première partie circulaire P1 formant, par un de ses côtés, le bord supérieur 108 de l'élément cylindrique externe, l'autre côté de la première partie P1 étant raccordé par une deuxième partie tronconique P2 suivie d'une troisième partie circulaire P3 formant à son extrémité libre le bord inférieur 110 de l'élément cylindrique interne.
La surface externe 112 de l'élément cylindrique interne 82 a la même forme que la surface de passage 102 de l'élément cylindrique externe 80 pour être en contact direct avec la dite surface de passage 102 de l'élément cylindrique externe 80. Selon une principale caractéristique du bec d'interaction selon l'invention, l'élément cylindrique interne 82 comporte, sur la première P1 et deuxième P2 parties de sa surface externe 112, deux rainures hélicoïdales, une première rainure R1 et une seconde rainure R2, s'enroulant parallèlement l'une à l'autre entre les deux bords 108, 110 dudit élément cylindrique interne 82. La première rainure R1 et la seconde rainure R2 ont une de leurs extrémités respectives Ex1 , Ex2 du côté du bord supérieur 108 de l'élément cylindrique interne 82, les deux autres extrémités des deux dites rainures R1 , R2, étant raccordées, du côté du bord inférieur 110 de l'élément cylindrique interne 82, pour former, avec la surface de passage 102 de l'élément cylindrique externe 80, un canal CL pour la circulation d'un fluide de refroidissement du bec d'interaction.
Le canal CL de circulation du fluide comporte, du côté du bord supérieur 108 de l'élément cylindrique interne 82, au niveau de l'entrée Ex1 de la première rainure R1 une entrée Er de fluide de refroidissement et au niveau de l'extrémité Ex2 de la seconde rainure R2 une sortie Es de fluide de refroidissement.
Les extrémités respectives Ex1 , Ex2 des rainures R1 , R2, du côte du bord supérieur 108 de l'élément cylindrique interne 82, sont dans un même plan perpendiculaire à l'axe XX', de part et d'autre dudit axe XX'.
La première partie P1 circulaire de l'élément cylindrique interne 82 comporte une couronne 120 de diamètre plus grand que le diamètre du bord 108 supérieur de l'élément cylindrique interne 82, pour créer avec le bord supérieur 84 de l'élément cylindrique externe 80 une rainure cylindrique 122 destinée à la fixation du bec d'interaction sur une paroi d'une cavité RF de puissance décrite plus loin.
Les bords inférieurs 86, 110 des éléments cylindriques du bec, lorsque le bec d'interaction est opérationnel dans une cavité RF de puissance, comme cela a été expliqué précédemment, sont exposés d'une part aux impacts des électrons traversant la cavité RF et d'autre part à réchauffement RF dans la cavité. Ces bords inférieurs sont donc soumis à des fortes températures et doivent être, par conséquent, particulièrement bien refroidis. A cet effet, et selon une autre caractéristique du bec d'interaction selon l'invention, la surface Sci de la section du canal CL de circulation de fluide de refroidissement du côte des bords inférieurs 86, 110 des éléments cylindriques interne 80, et externe 82 est plus petite que la surface Ses de la section du canal CL du côte des bords supérieurs 82, 108 desdits éléments cylindriques de façon à augmenter la vitesse de circulation du fluide de refroidissement du côte desdits bord inférieurs 86, 110.
Le bec d'interaction assure, par le dimensionnement adapté des sections le long du canal CL de circulation de liquide de refroidissement, une vitesse du liquide de refroidissement plus importante dans la partie du canal de refroidissement à proximité des bords inférieurs que celle à proximité des bords supérieurs des éléments cylindriques pour évacuer efficacement les calories dissipées dans le bec d'interaction.
Les rainures R1 , R2 du canal de refroidissement sont directement usinées sur la surface externe 112 de l'élément cylindrique interne 82. Les deux éléments cylindriques interne 82 et externe 80 sont rendus solidaires par exemple par brasage.
Le bec d'interaction selon l'invention peut supporter des puissances dissipées dans le corps du bec dépassant 1OkW en continu. Ces puissances peuvent être dissipées dans le bec de cavités de sortie équipant des klystrons pouvant atteindre 1 ,5 MW de puissance de sortie RF.
Le profil du canal CL de refroidissement du bec d'interaction selon l'invention en forme de double hélice assure un échange thermique optimum le long du corps du bec grâce au pas et à la profondeur des rainures hélicoïdales dans la surface externe de l'élément cylindrique interne 82.
Un autre avantage du bec selon l'invention est de pouvoir introduire et évacuer le liquide de refroidissement circulant dans le canal CL de refroidissement par un même côté du bec.
L'invention concerne aussi une cavité RF de puissance comportant un bec d'interaction selon l'invention.
La figure 3a montre une vue en coupe axiale d'une cavité cylindrique comportant un bec d'interaction selon l'invention. La figure 3b montre une vue axiale en coupe de la cavité cylindrique de la figure 3a.
La cavité RF de puissance représentée aux figures 3a et 3b comporte un corps 140 de forme cylindrique circulaire d'axe de révolution XX' ayant deux extrémités, une extrémité inférieure 142 et une extrémité supérieure 144.
La cavité est fermée, du côté de l'extrémité inférieure 142 du corps 140, par une paroi inférieure 150 de forme circulaire dans un plan perpendiculaire à l'axe XX'. La paroi inférieure 150 comporte une ouverture circulaire 152 d'axe colinéaire à l'axe XX' dont le bord est solidaire d'un élément tubulaire 160 d'axe de révolution collinaire à l'axe XX' pour le passage dans la cavité d'un faisceau d'électrons confiné dans le dit axe de révolution XX'. La cavité des figures 3a et 3b est fermée, du côté de l'extrémité supérieure 144 du corps 140, par une paroi supérieure 162 de forme circulaire ayant un bord circulaire externe 164 et des surfaces parallèles 166, 168 dans des plans perpendiculaire à l'axe XX'.
La paroi supérieure 162 comporte une ouverture circulaire 170 d'axe colinéaire à l'axe XX' dont le bord 172 est solidaire d'un bec d'interaction 174, selon l'invention, d'axe de révolution colinéaire à l'axe XX', pour la sortie du faisceau d'électrons pénétrant dans la cavité par l'élément tubulaire 160. Le bec d'interaction est solidaire de la paroi supérieure 162 de la cavité de façon que les bords inférieurs 86, 110 des éléments cylindriques du bec d'interaction 174 soient à l'intérieur de la cavité face à l'élément tubulaire 160.
La paroi supérieure 162 comporte, dans un plan central Pr perpendiculaire à l'axe XX', entre l'une 166 et I'autre168 surfaces de la paroi supérieure de la cavité, un conduit d'entrée 182 de liquide de refroidissement selon un axe EE' et un conduit de sortie 180 de liquide de refroidissement selon un autre axe SS'.
Le conduit d'entrée 182 de liquide de refroidissement débouche, par une de ses deux extrémités 188, sur le bord circulaire externe 164 de la paroi supérieure 162 de la cavité et, par l'autre extrémité 190, sur l'ouverture circulaire 170 de la dite paroi supérieure 162 de la cavité, à hauteur de l'entrée Er du canal CL de circulation de liquide de refroidissement du bec d'interaction 174.
Comme le conduit d'entrée 182 de liquide de refroidissement, le conduit de sortie 180 de liquide de refroidissement débouche, par une de ses deux extrémités 184, sur le bord externe 164 de la paroi supérieure de la cavité et, par l'autre extrémité 186, sur l'ouverture circulaire 170 de la dite paroi supérieure 162 de la cavité à hauteur de la sortie Sr du canal de circulation CL de liquide de refroidissement du bec d'interaction.
L'entrée Er et la sortie Sr du canal CL de refroidissement du bec d'interaction étant de part et d'autre de l'axe XX', les conduits d'entrée 182 et de sortie 180 de liquide de refroidissement dans la paroi supérieure 162 de la cavité sont aussi de part et d'autre dudit axe XX'. Le conduit de sortie 180 de liquide de refroidissement se déduit du conduit d'entrée 182 par rotation de 180°au tour de l'axe XX'.
La figure 3a montre la vue en coupe axiale de la cavité selon l'invention selon une vue AA dans un plan de coupe axiale Pes passant par l'axe XX' et les extrémités 184, 188 des conduits 180, 182. La figure 3a montre les ouvertures des extrémités 188, 184 d'arrivée et de sortie de liquide de refroidissement au niveau du bord circulaire externe 164 de la paroi supérieure 162 de la cavité.
Dans une réalisation, la cavité selon l'invention peut être une cavité de sortie RF d'un tube électronique de puissance, par exemple un klystron. Dans ce cas d'utilisation, la cavité comporte, de façon connue, une ouverture dans le corps circulaire (représentée en pointillé sur la figure 3a), selon un axe perpendiculaire ZZ' à 'axe de révolution XX', débouchant sur un guide d'onde (non représenté sur la figure) pour extraire la puissance RF finale du tube vers l'extérieur. En pratique, l'arrivée et la sortie du liquide de refroidissement dans le bec d'interaction selon l'invention s'effectue par l'intermédiaire de deux tuyaux métalliques (non représentés sur les figures) reliés au circuit de refroidissement principal du tube électronique comportant la cavité selon l'invention. L'emplacement des conduits 182, 180 d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement ainsi que la forme hélicoïdale du canal CL de refroidissement dans le corps du bec d'interaction assurent un écoulement optimal dudit fluide ce qui réduit les pertes de charge du circuit de refroidissement sous pression traversant le bec d'interaction. Parmi les avantages du bec d'interaction selon l'invention peuvent être cités :
- un refroidissement au plus près de la source de chaleur et notamment en embout du bec d'interaction (bords inférieurs sur les figures), - une maîtrise de la vitesse du fluide de refroidissement le long du canal CL de refroidissement constituant un circuit hydraulique pour un débit constant de fluide à l'entrée du système de refroidissement. Une variation ponctuelle du coefficient d'échange thermique peut être donc réalisé si nécessaire afin d'évacuer plus de calories sur une surface d'échange localisée,
- une minimisation extrême des pertes de charge engendrées lors du passage du fluide sous pression dans le circuit de refroidissement grâce au profil hélicoïdal du canal de refroidissement,
- une entrée et une sortie du fluide d'un même côté du bec d'interaction.
Le bec d'interaction selon l'invention peut être aussi utilisé dans le collecteur d'électrons d'un tube électronique, au niveau de l'entrée du faisceau dans le collecteur. En outre, le principe de refroidissement par double rainure hélicoïdale du bec d'interaction selon l'invention peut être aussi appliqué à l'ensemble du collecteur d'électrons pour refroidir la surface du collecteur percutée par les électrons.

Claims

REVENDICATIONS
1. Bec d'interaction pour cavité RF de puissance comportant au moins une ouverture (83) pour le passage d'un faisceau d'électrons selon un axe XX', un corps (70, 174) ayant deux éléments cylindriques imbriqués, un élément cylindrique externe (80) et un élément cylindrique interne (82) inséré dans un passage (100) cylindrique d'axe XX' de l'élément cylindrique externe (80) ayant une surface de passage (102), chacun des éléments cylindriques comportant deux bords, un bord inférieur (86, 110) et un bord supérieur (84, 108), l'élément cylindrique interne (82) comportant l'ouverture (83) dans ledit axe XX' pour le passage du faisceau d'électrons, une surface externe (112) de même forme que la surface du passage (102) de l'élément cylindrique externe pour être en contact direct avec ladite surface de passage (102) de l'élément cylindrique externe, l'élément cylindrique interne (82) comportant sur la surface externe (112) au moins deux rainures hélicoïdales, une première rainure (R1 ) et une seconde rainure (R2), s'enroulant parallèlement l'une à l'autre entre les deux bords (108, 110) dudit élément cylindrique interne (82), la première rainure (R1 ) et la seconde rainure (R2) ayant une de leurs extrémités respectives (Ex1 , Ex2) du côté du bord supérieur (108) de l'élément cylindrique interne (82), caractérisé en ce que les deux autres extrémités des deux dites rainures (R2, R2), sont raccordées, du côté du bord inférieur (110) de l'élément cylindrique interne (82), pour former, avec la surface de passage (102) de l'élément cylindrique externe (80), un canal (CL) de circulation d'un fluide de refroidissement du bec d'interaction, le canal (CL) de circulation du fluide de refroidissement comportant, du côté du bord supérieur (108) de l'élément cylindrique interne (82), au niveau de l'extrémité (Ex1 ) de la première rainure (R1 ) une entrée (Er) dudit fluide de refroidissement et, au niveau de l'extrémité (Ex2) de la seconde rainure R2 une sortie (Es) dudit fluide de refroidissement.
2. Bec d'interaction selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les extrémités respectives (Ex1 , Ex2) des rainures (R1 , R2), du côte du bord supérieur (108) de l'élément cylindrique interne (82), sont dans un même plan perpendiculaire à l'axe XX', de part et d'autre dudit axe XX'.
3. Bec d'interaction selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément cylindrique externe (80) comporte entre son bord supérieur (84) et son bord inférieur (86), une première zone tronconique (Z1 ) dont le plus grand diamètre forme le bord supérieur (84), la première zone tronconique (Z1 ) étant raccordée, du côté de son plus petit diamètre, à une deuxième zone circulaire (Z2), elle même raccordée à une troisième zone tronconique (Z3) dont le plus petit diamètre forme le bord inférieur (86) de l'élément cylindrique externe (80).
4. Bec d'interaction selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la surface de passage (102) de l'élément cylindrique interne (82) comporte du côte du bord supérieur (84), au niveau de la première zone tronconique (Z1 ) de l'élément cylindrique interne (80), une surface interne (104) de même forme tronconique que la première zone tronconique (Z1 ) suivie d'une surface interne circulaire (106) au niveau de la deuxième zone circulaire (Z2).
5. Bec d'interaction selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément cylindrique interne (82) comporte, entre son bord supérieur (108) et son bord inférieur (110), une surface externe (112) ayant une première partie (P1 ) circulaire formant, par un de ses côtés, le bord supérieur (108) de l'élément cylindrique externe (80), l'autre côté de la première partie (P1 ) étant raccordé par une deuxième partie tronconique (P2) suivie d'une troisième partie circulaire (P3) formant à son extrémité libre le bord inférieur (110) de l'élément cylindrique interne (82).
6. Bec d'interaction selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce la surface (Sci) de la section du canal (CL) de circulation de fluide de refroidissement du côte des bords inférieurs (86, 110) des éléments cylindriques (80, 82) est plus petite que la surface (Ses) de la section du canal (CL) du côte des bords supérieurs (84, 108) desdits éléments cylindriques de façon à augmenter la vitesse de circulation du fluide de refroidissement du côte desdits bord inférieurs (86, 110).
7. Cavité RF de puissance comportant une ouverture d'entrée (60) de cavité et une ouverture de sortie (62) de cavité pour le passage d'un faisceau d'électrons, caractérisée en ce que l'ouverture de sortie (62) de cavité comporte un bec d'interaction (70, 174) selon l'une des revendications 1 à 6.
8. Cavité RF de puissance selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps (140) de forme cylindrique circulaire d'axe de révolution XX' ayant deux extrémités, une extrémité inférieure (142) et une extrémité supérieure (144), la cavité étant fermée, du côté de l'extrémité inférieure (142) du corps (140), par une paroi inférieure (150) de forme circulaire dans un plan perpendiculaire à l'axe XX', la paroi inférieure (150) comportant une ouverture circulaire (152) d'axe colinéaire à l'axe XX' dont le bord est solidaire d'un élément tubulaire (160) d'axe de révolution collinaire à l'axe XX' pour le passage dans la cavité d'un faisceau d'électrons confiné dans le dit axe de révolution XX', la cavité étant fermée, du côté de l'extrémité supérieure (144) du corps (140), par une paroi supérieure (162) de forme circulaire ayant un bord circulaire externe (164) et des surfaces parallèles (166, 168) dans des plans perpendiculaire à l'axe XX', la paroi supérieure (162) comportant une ouverture circulaire (170) d'axe colinéaire à l'axe XX' dont le bord (172) est solidaire du bec d'interaction (174), d'axe de révolution colinéaire à l'axe XX', pour la sortie du faisceau d'électrons pénétrant dans la cavité par élément tubulaire (160).
9. Cavité RF de puissance selon la revendication 8, caractérisée en ce que la paroi supérieure (162) comporte, dans un plan central Pr perpendiculaire à l'axe XX', entre l'une (166) et l'autre (168) surface de la paroi supérieure de la cavité, un conduit d'entrée (182) de liquide de refroidissement et un conduit de sortie (180) de liquide de refroidissement, le conduit d'entrée (182) de liquide de refroidissement débouchant, par une de ses deux extrémités (188), sur le bord circulaire externe (164) de la paroi supérieure (162) de la cavité et, par l'autre extrémité (190), sur l'ouverture circulaire (170) de la dite paroi supérieure (162) de la cavité, à hauteur de l'entrée (Er) du canal de circulation du bec d'interaction (174), le conduit de sortie (180) de liquide de refroidissement débouchant, par une de ses deux extrémités (184), sur le bord externe (164) de la paroi supérieure de la cavité et, par l'autre extrémité (186), sur l'ouverture circulaire (170) de la dite paroi supérieure (162) de la cavité à hauteur de la sortie (Sr) du canal de circulation (CL) de fluide de refroidissement du bec d'interaction.
10. Cavité RF de puissance selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une ouverture dans le corps, selon un axe perpendiculaire ZZ' à l'axe de révolution XX', débouchant sur un guide d'onde pour extraire la puissance RF finale du tube vers l'extérieur.
11. Tube électronique hyperfréquences de puissance choisi parmi les Klystrons, ou tout autre tube de puissance comportant une structure hyperfréquences utilisant au moins une cavité RF comme résonateur selon l'un des revendications 7 à 10.
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