<Desc/Clms Page number 1>
MAGNETRON.
La présente invention concerne des perfectionnements, changements et additions à celle objet du brevet principal ; plusparticulièrement, elle présente un tube électronique analogue à celui décrit dans le brevet princi- pale susceptible d'amplifier les ondes électromagnétiques hyperfréquences, la commande de ce tube étant assurée par l'intermédiaire d'un champ magnéti- que.
On sait que c'est seulement dans le cas d'électrons possédant une vitesse suffisante qu'il peut être avantageux dé moduler le faisceau électro- nique à l'aide d'un champ magnétique. En effet, l'action du champ magnétique étant perpendiculaire à la vitesse des électrons, l'énergie nécessaire à la modulation est pratiquement négligeable.
De nombreux essais ont été déjà réalisés en vue d'utiliser un tu- be du type magnétron à l'amplification de l'énergie hyperfréquence. La prin- cipale difficulté rencontrée dans la réalisation de ces tubes consiste à sé- parer électriquement les circuits d'entrée et de sortie. Cette difficulté a été tournée en divisant mécaniquement l'anode du magnétron perpendiculaire- ment à son axefl Si, dans ces conditions, le champ électrique présente une com- posante longitudinale, les électrons se déplacent parallèlement à l'axe du circuit d'entrée, vers le circuit de sortie. De telles structures sont de réa- lisation très complexes.
La présente invention concerne un tube de réalisation simple, à champ magnétique de commande, permettant d'amplifier des ondes hyperfréquen- ces. Selon l'invention, un faisceau électronique accéléré est périodiquement dévie par l'action d'un champ magnétique résultant du signal d'entrée. Le cir- cuit d'entrée comporte un. résonateur creux présentant, sur le trajet électro- nique, une ouverture d'excitation, entre les bords de laquelle s'établit le champ magnétique. La zone d'interaction correspond donc à un noeud de champ électrique, ce qui assure un découplage efficace entre le courant électroni-
<Desc/Clms Page number 2>
que et le signal à amplifier.
Le résonateur constituant le circuit d'entrée peut être, par exemple,une section de guide d'ondes présentant une extrémi- té ouverte disposée à une distance électrique voisine d'une demi-longueur d'onde de la seconde extrémité, court-circuitée. Le faisceau électronique est ainsi dévié périodiquement par le champ magnétique variable. De même, le résonateur jouant le rôle de circuit de sortie peut être constitué par un tronçon de guide d'ondes présentant une extrémité ouverte et une extrémité fermée et ayant une longueur électrique voisine du quart de la longueur d'on- de. Le circuit de sortie est excité par le faisceau électronique dévié. Il est disposé de fagon à être sensible aux déviations de ce faisceau.
Une façon de faire est de disposer le circuit de sortie au voisinage de la trajectoire du faisceau électronique non modulé. Ainsi, seule une partie des électrons du faisceau dévié traverse le résonateur de sortie au cours de chaque période.
Il est également possible de disposer le résonateur de manière à ce qu'il pré- sente une ouverture d'excitation voisine de la trajectoire électronique, de sorte que l'excitation est plus ou moins intense, suivant la déviation du faisceau.
Dans la réalisation de l'invention, le bloc anodique du magnétron présente une ouverture circulaire centrale, dans laquelle pénètre la cathode.
Le nuage électronique est modulé par un champ magnétique hyperfréquence. Une fente radiale, prévue dans le bloc anodique, constitue le circuit d'entrée.
La longueur électrique de cette fente est de l'ordre de la moitié de la lon- gueur d'onde à la fréquence du signal à amplifier. Lorsque la fente est exci- tée par un signal d'entrée, elle résonne et un système d'ondes stationnaires s'établit dans cette cavité. Le fonctionnement du tube amplificateur nécessi- te, comme dans le cas d'un magnétron, un champ magnétique constant parallèle à la cathode et une différence de potentiel constante entre l'anode et la ca- thode. Dans ces conditions un nuage électronique se déplace autour de la ca- thode. Le champ magnétique apparaissant à l'ouverture de la fente radiale con- stituant le circuit d'entrée dévie plus ou moins ce nuage électronique. On obtient donc une modulation du nuage électronique, susceptible d'exciter un résonateur de sortie.
Le résonateur de sortie peut être constitué, par exemple, par une seconde fente radiale aboutissant à l'ouverture centrale du bloc anodi- que. La longueur électrique de cette fente est de l'ordre du quart de la lon- - gueur d'onde à là fréquence du signal considéré. Le nuage électronique excite la cavité de sortie, l'ouverture centrale correspondant à un ventre de champ électrique, ainsi qu'il est courant dans les cavités anodiques des magnétrons.
L'amplitude de l'excitation de la cavité de sortie dépend de la déviation ra- diale du nuage électronique. La caractéristique essentielle de l'invention, sur laquelle il est bon d'insister, réside en ce que le circuit d'entrée pré- sente une impédance extrêmement faible au nuage électronique modulé. On suppri- me ainsi toute interaction entre celui-ci et la source de signal. Le tube peut alors fonctionner en amplificateur.
L'invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés à titre d'exemple de réali- sation non limitatif et dans lesquels; - la figure 1 est une coupe verticale d'un magnétron amplificateur conforme à l'invention, - la figure 2 est une coupe transversale de la structure anodique du magnétron considéré.
La figure 1 représente un magnétron du type décrit dans le brevet principal. Les électrodes du tube sont contenues dans une enveloppe cylindri- que 1, réalisée en une substance ferrogagnétique
Les extrémités de 1 sont fermées à l'aide des disques 2 & 3, l'en- semble constituatn une enveloppe étanche. A l'intérieur de l'enveloppe est dis- posée la structure anodique 4, constituée de préférence par un disque métalli- que, en cuivre par exemple. L'épaisseur de ce disque doit être au moins égale électriquement à la moitié de la longueur d'onde à la fréquence de travail.
La structure anodique présente une ouverture centrale 5, au milieu de laquelle
<Desc/Clms Page number 3>
est disposée la structure cathodique 6. Celle-ci est constituée d'un manchon cylindrique dont l'extérieur est recouvert d'un matériau présentant une émis- sion électronique élevée, de l'oxyde de baryum par exemple. Un élément chauf- fant 7 est disposé à l'intérieur du manchon. La structure anodique 4 comporte plusieurs cavités ou volumes résonnants disposés convenablement le long de la circonférence de l'ouverture centrale de celle-ci.
Ainsi qu'il apparaît plus clairement sur la figure 2, le circuit d'entrée est constitué par la fente radiale 8 s'étendant, à partir de l'ouverture centrale de la structure anodi- que, et se prolongeant à l'intérieur du disque anodique sur une longueur cor- respondant approximativement à la moitié d'une longueur d'onde à la fréquen- ce de travailo La cavité de sortie est constituée par la fente radiale 9 s'étendant à partir de l'ouverture centrale 5 et de longueur électrique voi- sine du quart de la longueur d'onde. Les fentes 8 & 9 sont respectivement- court-circuitées à leur extrémité extérieure par le corps anodique. Les cir- cuits d'entrée et de sortie sont connectés à des circuits extérieurs par tout moyen approprié.
On a représenté une boucle 10, qui pénètre à l'intérieur de la fente 8 Cette boucle est constituée par l'extrémité recourbée du conduc- teur central 12 d'une ligne co-axiale 11, dont la gaine est représentée en 13o De même, le circuit de sortie peut être réalisé par la boucle 14 termi- nant le conducteur central 16 d'une ligne co-axiale 15, dont la gaine est re- présentée en 17 Le champ magnétique continu est établi par les pièces polai- res 18 & 19, disposées suivant l'axe de l'enveloppe 1 et s'étendant jusqu'à proximité du corps anodique 4 de part et d'autre de celui-ci.
Ces pièces po- laires peuvent être, par exemple, réalisées en un alliage à base d'aluminium- nickel-cobalt tel ceux constituant les aimants permanentso Les pièces polai- res 18 & 19 reposent sur des disques 20 & 21 très épais, en matériau ferro- magnétique, de façon que la réluctance de l'entrefer soit faible. Des ouver- tures cylindriques longitudinales 22 & 23 sont prévues dans le corps des piè- ces polaires, de façon à permettre la mise en place et l'alimentation de la structure cathodique. L'une des extrémités de la cathode repose sur l'isola- teur 24, solidaire de l'extrémité de l'ouverture cylindrique 22 De même, l'autre extrémité de la cathode est supportée par l'isolateur 25 s'engageant dans l'ouverture supérieure 23 Les circuits d'alimentation de la cathode pénètrent à l'intérieur de l'ouverture 22 de la pièce polaire 18.
Ils compren- nent deux conducteurs 27 & 26, isolés électriquement l'un de l'autre et vis-à- vis des parois de l'ouverture 21. Ces conducteurs amènent le courant de chauf- fage de la cathode et permettent de fixer son potentiel. Le tube est vidé par l'intermédiaire de l'ouverture 23, qui se termine par le tube 28 scellé lors- que le vide a été réalisé.
En cours de fonctionnement, une différence de potentiel unidirec- tionnelle est appliquée entre la structure anodique 4 et la cathode 6. Le champ magnétique axial donne naissance, dans l'espace anode-cathode, à un nua- ge électronique tournant. Ainsi qu'il est connu, chacun des électrons suit une trajectoire en spirale..La vitesse angulaire des particules est fonction de l'intensité du champ magnétique continu. La cavité d'entrée 8 est réunie à une source d'oscillations hyperfréquences. Il s'établit dans ce résonateur un régime d'ondes stationnaires. L'amplitude du champ magnétique est maximum à l'extrémité court-circuitée du résonateur ainsi qu'au voisinage de l'extré- mité proche de la cathode. Le champ électrique est presque nul en ces deux points.
Le couplage entre le circuit d'entrée et le nuage électronique est très faible, mais celui-ci est dévié radialement au rythme du champ mgnéti- que. Si la vitesse'des électrons est de l'ordre de plusieurs milliers de volts, comprise.par exemple entre 1/5 et 9/10 de la vitesse de la lumière, les actions dues au champ magnétique sont du même ordre de grandeur que les actions dues à un champ électrique dans le cas où l'on aurait utilisé un ré- sonateur quart d'onde. L'énergie d'excitation de la cavité résonnante en quart d'onde 9 varie au rythme de la modulation en position du nuage électro- nique. Cette énergie peut être recueillie dans le circuit de sortie et trans- mise à un circuit d'utilisation.
Il est évident que le circuit de sortie peut être de forme quelconque, à condition toutefois qu'il soit excité par le nua- ge électroniqueo
<Desc / Clms Page number 1>
MAGNETRON.
The present invention relates to improvements, changes and additions to that subject of the main patent; more particularly, it has an electronic tube similar to that described in the main patent capable of amplifying microwave electromagnetic waves, the control of this tube being provided by means of a magnetic field.
It is known that it is only in the case of electrons having sufficient speed that it can be advantageous to modulate the electron beam with the aid of a magnetic field. Indeed, the action of the magnetic field being perpendicular to the speed of the electrons, the energy necessary for the modulation is practically negligible.
Numerous tests have already been carried out with a view to using a magnetron-type tube for amplifying microwave energy. The main difficulty encountered in making these tubes consists in electrically separating the input and output circuits. This difficulty has been overcome by mechanically dividing the anode of the magnetron perpendicular to its axefl If, under these conditions, the electric field has a longitudinal component, the electrons move parallel to the axis of the input circuit, to the output circuit. Such structures are very complex to make.
The present invention relates to a tube of simple construction, with a control magnetic field, making it possible to amplify microwave waves. According to the invention, an accelerated electron beam is periodically deflected by the action of a magnetic field resulting from the input signal. The input circuit has a. A hollow resonator having, in the electronic path, an excitation opening, between the edges of which the magnetic field is established. The interaction zone therefore corresponds to an electric field node, which ensures effective decoupling between the electronic current.
<Desc / Clms Page number 2>
that and the signal to be amplified.
The resonator constituting the input circuit can be, for example, a waveguide section having an open end disposed at an electrical distance close to half a wavelength from the second end, short-circuited. . The electron beam is thus periodically deflected by the variable magnetic field. Likewise, the resonator playing the role of output circuit can be constituted by a waveguide section having an open end and a closed end and having an electrical length close to a quarter of the wavelength. The output circuit is energized by the deflected electron beam. It is arranged so as to be sensitive to the deviations of this beam.
One way of doing this is to place the output circuit in the vicinity of the path of the unmodulated electron beam. Thus, only a part of the electrons of the deflected beam passes through the output resonator during each period.
It is also possible to arrange the resonator so that it has an excitation opening close to the electronic path, so that the excitation is more or less intense, depending on the deflection of the beam.
In the embodiment of the invention, the anode block of the magnetron has a central circular opening, into which the cathode penetrates.
The electronic cloud is modulated by a microwave magnetic field. A radial slot, provided in the anode block, constitutes the input circuit.
The electrical length of this slit is of the order of half of the wavelength at the frequency of the signal to be amplified. When the slot is energized by an input signal, it resonates and a standing wave system is established in this cavity. The operation of the amplifier tube requires, as in the case of a magnetron, a constant magnetic field parallel to the cathode and a constant potential difference between the anode and the cathode. Under these conditions an electronic cloud moves around the cathode. The magnetic field appearing at the opening of the radial slit constituting the input circuit more or less deflects this electronic cloud. A modulation of the electronic cloud is therefore obtained, capable of exciting an output resonator.
The output resonator can be formed, for example, by a second radial slot leading to the central opening of the anode block. The electrical length of this slit is of the order of a quarter of the wavelength at the frequency of the signal considered. The electron cloud excites the exit cavity, the central opening corresponding to an electric field belly, as is common in the anode cavities of magnetrons.
The amplitude of the excitation of the output cavity depends on the radial deviation of the electron cloud. The essential characteristic of the invention, on which it is worth emphasizing, resides in that the input circuit presents an extremely low impedance to the modulated electronic cloud. This eliminates any interaction between the latter and the signal source. The tube can then function as an amplifier.
The invention will be fully understood by referring to the following description and to the drawings which accompany it, given by way of non-limiting example of embodiment and in which; - Figure 1 is a vertical section of an amplifier magnetron according to the invention, - Figure 2 is a cross section of the anode structure of the magnetron considered.
Figure 1 shows a magnetron of the type described in the main patent. The electrodes of the tube are contained in a cylindrical envelope 1, made of a ferrogagnetic substance
The ends of 1 are closed using the discs 2 & 3, the whole constitatn a sealed envelope. Inside the casing is arranged the anode structure 4, preferably consisting of a metallic disc, made of copper for example. The thickness of this disc must be at least electrically equal to half the wavelength at the working frequency.
The anode structure has a central opening 5, in the middle of which
<Desc / Clms Page number 3>
The cathode structure 6 is arranged. This consists of a cylindrical sleeve, the outside of which is covered with a material exhibiting a high electron emission, for example barium oxide. A heating element 7 is placed inside the sleeve. The anode structure 4 comprises several cavities or resonating volumes arranged suitably along the circumference of the central opening thereof.
As appears more clearly in FIG. 2, the input circuit is formed by the radial slot 8 extending from the central opening of the anode structure and extending inside the anode disc over a length corresponding approximately to half a wavelength at the working frequency o The outlet cavity is formed by the radial slot 9 extending from the central opening 5 and electrical length around a quarter of the wavelength. The slots 8 & 9 are respectively short-circuited at their outer end by the anode body. The input and output circuits are connected to external circuits by any suitable means.
There is shown a loop 10, which penetrates inside the slot 8 This loop is formed by the curved end of the central conductor 12 of a co-axial line 11, the sheath of which is represented at 13 °. , the output circuit can be realized by the loop 14 terminating the central conductor 16 of a co-axial line 15, the sheath of which is represented at 17 The continuous magnetic field is established by the pole pieces 18 & 19, arranged along the axis of the casing 1 and extending to the proximity of the anode body 4 on either side of the latter.
These polar parts can be, for example, made of an aluminum-nickel-cobalt-based alloy such as those constituting the permanent magnets. The polar parts 18 & 19 rest on very thick discs 20 & 21, made of material ferro-magnetic, so that the reluctance of the air gap is low. Longitudinal cylindrical openings 22 & 23 are provided in the body of the pole pieces, so as to allow the establishment and supply of the cathode structure. One end of the cathode rests on the insulator 24, integral with the end of the cylindrical opening 22 Similarly, the other end of the cathode is supported by the insulator 25 engaging in the 'upper opening 23 The supply circuits of the cathode penetrate inside the opening 22 of the pole piece 18.
They comprise two conductors 27 & 26, electrically insulated from one another and from the walls of the opening 21. These conductors bring the heating current to the cathode and make it possible to fix its cathode. potential. The tube is emptied through opening 23, which terminates with sealed tube 28 when vacuum has been achieved.
During operation, a unidirectional potential difference is applied between the anode structure 4 and the cathode 6. The axial magnetic field gives rise, in the anode-cathode space, to a rotating electron cloud. As is known, each of the electrons follows a spiral path. The angular velocity of the particles is a function of the intensity of the continuous magnetic field. The input cavity 8 is joined to a source of microwave oscillations. A standing wave regime is established in this resonator. The amplitude of the magnetic field is maximum at the short-circuited end of the resonator as well as in the vicinity of the end close to the cathode. The electric field is almost zero at these two points.
The coupling between the input circuit and the electronic cloud is very weak, but the latter is deviated radially at the rate of the magnetic field. If the speed of the electrons is of the order of several thousand volts, for example between 1/5 and 9/10 of the speed of light, the actions due to the magnetic field are of the same order of magnitude as the actions due to an electric field if a quarter-wave resonator has been used. The excitation energy of the quarter-wave resonant cavity 9 varies at the rate of the modulation in position of the electronic cloud. This energy can be collected in the output circuit and transferred to a user circuit.
It is obvious that the output circuit can be of any shape, provided however that it is excited by the electronic cloud.