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PERFECTIONNEMENTS AUX DISPOSITIFS A DECHARGE.
La présente invention se rapporte à des canons à électrons permettant de projeter des faisceaux d'électrons rectilignes de haute densité de courant et est particulièrement relative à des modifications et à des perfectionnements des canons à électrons faisant l'objet du brevet britannique N 674. 758.
La spécification du brevet ci-dessus mentionné décrit un dispositif de focalisation du faisceau d'électrons qui comprend une pièce polaire d'aimant au centre de laquelle est ménagée une ouverture, une cathode et une électrode focalisatrice placées à l'intérieur de ladite pièce polaire, et une anode, munie d'une ouverture et construite en un matériau non magnétique, fixée dans l'ouverture de la dite pièce polaire.
L'invention d'origine est particulièrement utile en liaison avec les tubes à onde progressive dans lesquels un faisceau d'électrons est projeté le long de l'axe d'un guide-ondes retardateur tel qu'une hélice pour réagir sur les ondes électromagnétiques qui s'y propagent. La spécification primitive donnait un exemple d'un tel emploi, un champ magnétique destiné à focaliser le faisceau étant établi entre une paire de pièces polaires, une à chaque extrémité de l'hélice, une de ces pièces polaires enveloppant l'élément produisant la focalisation électrostatique du dispositif et lui servant de blondage protecteur contre l'action du champ magnétique; on obtenait ainsi un canon à électrons dont l'anode constituait la plaque terminale frontale des pièces polaires.
Dans le mode de réalisation qui était donné en exemple, cette anode-pièce polaire constituait également une partie de l'enveloppe du tube à décharge d'électrons.
Dans les tubes à onde progressive construits en vue d'utilisa-
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tions commerciales,nous avons jusqu'à présent, préféré employer une enveloppe en verre entourant le canon à électrons et, lorsqu'on désire mettre en oeuvre l'invention initiale, nous préférons pour de tels tubes modifier en conséquence la construction du canon. Il y a toutefois un point plus important, à savoir que l'invention initiale fournit un moyen pratique d'en- gendrer un mouvement d'électrons d'un type particulier connu sous le nom de "flux de Brillouin", et que, conformément à la présente invention, les dispositions du canon à électrons de l'invention initiale sont modifiées à la suite de l'expérience que nous avons acquise dans la réalisation d'un flux de Brillouin dans des tubes à onde progressive.
Dans la spécification initiale on décrit une forme de focalisation magnétique dans laquelle il se produit une chute de potentiel en direction du centre des faisceaux d'électrons - en d'autres termes, les électrons proches du centre du faisceau ont une vitesse axiale plus faible que ceux qui se trouvent à proximité de la périphérie du faisceau. Les électrons se déplacent selon des trajectoires hélicoidales,chacun le long d'une ligne de force magnétique, de telle sorte que les électrons soient obligés de suivre des trajectoires tendant à coïncider avec les lignes de force magnétiques.
Dans un flux de Brillouin, d'autre part, les électrons suivent des trajectoires hélicoïdales autour de l'axe du faisceau au lieu de s'enrouler le long des lignes de force individuelles, les forces de Lorenz s'exergant sur les électrons compensant la force centrifuge qui agit sur les électrons et aussi la répulsion mutuelle qu'ils exercent les uns contre les autres. Par opposition à ce qui se passe dans un faisceau annulaire, les électrons soumis au régime du flux de Brillouin dans un faisceau homogène ont la môme vitesse angulaire et la même vitesse axiale, le faisceau se dépla- çant à la manière d'une tige filetée pleine que l'on visse régulièrement dans un écrou maintenu fixe.
Le champ magnétique nécessaire pour établir un flux de Brillouin est,en général, moindre que celui qui est nécessaire pour l'établissement du' premier type de flux mentionné ci-dessus. Parmi les divers moyens possibles d'imposer à un faisceau d'électrons le régime du flux de Brillouin, un des plus efficaces est de faire passer brusquement un faisceau parallèle, ou à très peu près parallèle, d'électrons d'une région exempte de champ magnétique dans une région où règne le champ magnétique axial nécessaire pour entretenir le régime désiré. Le faisceau, est donc projeté à travers une ouverture pratiquée dans une des pièces polaires du dispositif engendrant le champ magnétique.
C'est évidemment ce qui se produit avec le dispositif focalisateur de l'invention initiale quand l'intensité du champ magnétique est convenablement réglée de manière à provoquer l'établissement d'un flux de Brillouin, et non 'Ce que l'on peut appeler un type de flux forcé par le champ magnétique.
Dans le voisinage immédiat de l'ouverture de la pièce polaire, les lignes de force magnétiques sont courbées au lieu d'être rigoureusement axiales, de telle sorte que le champ pénètre à une courte distance à l'intérieur de l'ouverture. Cette courbure, jointe au léger non-parallélisme des électrons de chaque c8té de l'étranglement électrostatique formé à hauteur du point où le faisceau sort du tunnel ménagé dans l'anode-pièce polaire de:l'invention initiale, fournit les composantes orthogonales nécessaires du champ magnétique et de la vitesse des électrons pour communiquer aux électrons leur rotation nécessaire autour de l'axe du faisceau.
On reconnaîtra que, à hauteur de la région de transition dans laquelle le faisceau d'électrons pénètre dans le champ magnétique, la dynamique du système est très compliquée. A l'heure actuel-la., il y a de bonnes raisons de penser qu'une disposition optimum du système focalisateur exige que l'ouverture ménagée dans la pièce polaire engendrant le champ magnétique soit plus grande que l'ouverture de l'anode du canon à électrons électrostatique formant le faisceau parallèle. Cette dernière est déterminée principalement à partir des principes de focalisation électrostatique discutée dans la spécification initiale, tandis que la dimension de l'ouverture
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de la pièce polaire détermine la configuration du champ magnétique dans la région de transition.
Bien que la théorie des phénomènes qui entrent en jeu ici ne soit pas encore bien connue, on trouve néanmoins en pratique que les meilleurs résultats en matière de focalisation sont obtenus lors- que l'ouverture de la pièce polaire magnétique est, en fait, plus grande que l'ouverture ménagée dans l'anode électrostatique.
Conformément à une des caractéristiques de la présente invention, il est prévu, pour constituer un dispositif focalisateur du faisceau d'é- lectrons conforme aux spécifications de l'invention initiale, un mode de construction de canon à électrons comportant l'emploi d'une pièce polaire magnétique pourvue d'une ouverture centrale, d'une cathode et d'une élec- trode focalisatrice disposées à l'intérieur de ladite pièce polaire et d'une anode en matériau non magnétique, pourvue d'une ouverture et fixée dans l'ou- verture de ladite pièce polaire.
En ce qui concerne la région de transition dont il a été ques- tion plus haut, nous avons également déterminé que l'étranglement à hauteur duquel le faisceau est d'abord parallèle à l'axe doit être formé légèrement en avant du plan d'émergence du faisceau hors de la pièce polaire.
Conformément à une autre caractéristique de la présente inven- tion, il est prévu un dispositif focalisateur du faisceau d'électrons conformé aux spécifications de l'invention initiale, établi afin de faire converger les électrons à travers une ouverture de sortie ménagée dans une piè- ce polaire magnétique de telle sorte qu'ils se meuvent parallèlement à l'axe du faisceau à hauteur d'un plan situé, dans la direction de propagation du faisceau, à une distance de ladite ouverture de sortie comprise entre un dixième et le double du rayon de ladite ouverture de sortie.
Conformément à une autre encore de ses caractéristiques, la présente invention concerne un canon à électrons comportant :une cathode, une anode en matériau non magnétique et pourvue d'une ouverture, et une éleotrode focalisatrice entourant la cathode, le tout étant établi de manière à focaliser un faisceau d'électrons limité par la charge spatiale, ce faisceauu issu de la cathode passant à travers l'ouverture de l'anode vers un étranglement électrostatique situé légèrement au-delà de l'anode, il est prévu également des moyens assurant un blindage magnétique entourant la cathode et l'électrode focalisatrice pour former une des pièces polaires d'un dispositif focalisateur du faisceau placé à l'intérieur du canon, lesdits moyens de blindage magnétique comportant une plaque terminale munie d'une ouverture pour recevoir ladite anode.
Ainsi que nous l'avons mentionné plus haut, on préférera, dans les modes de réalisation de la présente invention relatifs à la construction de tubes à onde progressive, enfermer l'ensemble du canon à l'intérieur de l'enveloppe en verre du,'tube.
Une des fonctions de la pièce polaire magnétique à l'intérieur de laquelle se trouve placé le canon à électrons conformément à la présente invention est de fournir un blindage protégrant les électrodes qui engendrent le faisceau électrostatique contre l'influence du champ magnétique. En pratique, on ne pourra pas annuler complètement le champ magnétique pénétrant jusqu'à la cathode; il en subsistera toujours un faible pourcentage, si parfait que soit le blindage. Il est connu que, pour une épaisseur totale donnée de matériau ferromagnétique constituant le blindage, l'atténuation obtenue en disposant successivement plusieurs blindages séparés par des milieux non magnétiques sera plus grande que celle réalisée grâce à un seul blindage épais.
Dans certains modes de réalisation de l'invention; il est donc prévu un blindage intérieur et un blindage extérieur, séparés par un certain espace, entourant.,la cathode.
Nous allons maintenant décrire des modes de réalisation de l'invention, en relation avec les dessins joints à la présente spécification et
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dans lesquels :
La fig. 1 représente, partiellement en coupe, un appareil à onde progressive comportant un tube à onde progressive muni d'un canon à électrons conforme à la présente invention.
La fig." 2 représente en coupe les détails d'un canon à électrons conforme à l'invention, et
La fig. 3,représente une variante de construction du canon à élec- trens de la fig. 2.
Sur la fig. 1, 1 désigne un tube à onde progressive comportant un canon à électrons 2 logé à l'intérieur d'une ampoule 3, une hélice 4 sup- portée à l'intérieur d'un prolongement tubulaire de l'ampoule 5 et une élec- trode collectrice 6 qui ferme l'extrémité de la portion 5 la plus éloignée du canon à électrons. Le canon à électrons n'est représenté que schémati- quement et sera décrit ultérieurement de façon plus détaillée. L'électrode collectrice 6 s'ajuste dans un montage destiné à en assurer le refroidissement grâce aux ailettes 8 qui dissipent la chaleur engendrée dans 1-'électrode; l'électrode est supportée par la plaque terminale 10 de l'ensemble de l'aimant,ladite plaque étant isolée en 9 de l'électrode et formant pièce polai- re à cette extrémité du tube.
La portion 3 de l'ampoule formant enveloppe porte à son extrémité arrière un pied 12 comportant les broches classiques dans les tubes à décharge. Le pied 12 est fixé à une plaque 14 maintenue au moyen de bagues d'espacement 15 sur une plaque d'extrémité d'un montage d'aimant 17 qui est serré entre la plaque 16 et la joue ci-dessus mentionnée
10 au moyen des tirants 18. L'ensemble constituant l'aimant comporte encore un jeu de sélénoides 19, 20, 21 et 22, les solénoides 20 et 21 étant maintenus écartés au moyen d'un collier en laiton 23, tandis qu'un guide-ondes d'entrée 24 est serré entre les solénoides 19 et 20.
Le guide-ondes 24 comporte un prolongement 25 pourvu d'un piston 26 de mise en court-circuit actionné par la vis de réglage 27, afin qu'il soit possible de régler 1-la- daptation d'impédance entre le guide-ondes 24 et l'hélice 4. Le tube à onde processive 1 fait saillie à travers l'enceinte constituée par le guide- ondes 24 et son prolongement 25 de telle sorte qu'une pièce d'amortissement 28 placée à l'intérieur de l'enveloppe du tube se trouve sur la même ligne qu'une pièce d'amortissement extérieure 29 qui est fixée à la paroi du guide- ondes située à l'opposé de l'extrémité de l'hélice 4. La pièce d'amortissement intérieur 28 porte un court tube 30 fixé sur sa face avant et un tube 31 fixé sur son arrière, le faisceau d'électrons passant à travers les tubes 31 et 30.
L'extrémité de l'hélice 4 est reliée au tube 30 qui constitue une antenne permettant d'assurer le couplage entre le guide-ondes 24 et l'hélice 4. L'hélice 4 et la pièce intérieure d'amortissement 28 sont 'supportées sur des tiges en quartz 32 à l'intérieur de la portion 5 de l'enveloppe du tube à onde progressive, tandis que le tube 31 est fixé à une pièce isolante 33 portée par le canon à électrons 2, de manière à assurer des moyens de connexion indépendants en courant continu pour l'hélice 4.
La disposition adoptée à l'extrémité de sortie de l'hélice est en gros similaire à celle que nous venons de décrire : il y est prévu un guide-ondes de sortie 34 et une section 35 servant à l'adaptation d'impé- danpe, réglée au moyen de la vis 36 actionnant un piston.
Les dispositifs d'adaptation de l'hélice sont analogues à ceux décrits pour l'extrémité d'entrée de l'hélice, une pièce extérieure d'amer- tissement en haute fréquence 37 étant visible sur la fig. 1 contre l'élec- trode collectrice 6 à laquelle elle n'est toutefois pas reliée.
Autour de l'extrémité du tube constituant le canon à électrons se trouve un cylindre 38 en matériau ferromagnétique fixé au moyen d'une collerette circulaire 39 à la joue 16 de l'ensemble constituant l'aimant.
La pièce extérieure 40 du canon à électrons constitue une des pièces polai-
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res de l'aimant, et est séparée par un entrefer du cylindre environnant 38. La pièce 40 joue également le rôle de blindage supplémentaire proté- geant le canon à électrons du champ magnétique environnant. Pour amélio- rer l'atténuation du champ magnétique, le cylindre 38 fait considérablement saillie sur l'arrière de la joue 16, tout le flux extérieur de fuite ayant ainsi tendance à être recueilli sur ce prolongement vers l'arrière.
La fig. 2 représente une coupe transversale du canon à électrons 2 de la fig. 1. Le canon comporte une cathode 41, représentée schématiquement sur le dessin, possédant une surface émissive concave 42. La cathode est éntourée par une électrode focalisatrice 43 et coopère avec une anode 44 pour former un système électrostatique engendrant un faisceau d'électrons comme nous l'avons exposé précédemment. La cathode 41 et l'électrode foca- lisatrce 43 sont entourées par un blindage de protection contre le champ magnétique, ce blindage étant constitué par la pièce polaire cylindrique 40 en matériau ferromagnétique.
L'extrémité de la pièce polaire cylindrique faisant face à la cathode est fermée par une plaque terminale 45, qui dans le mode de réalisation représenté sur la fig. 2 fait partie intégrante du reste de la pièce 40. La plaque terminale 45 est pourvue d'une ouverture centrale permettant de recevoir l'anode 44 qui s'y trouve fixée au moyen des vis 46. L'ouverture 47 ménagée dans l'anode 44 est de dimensions choisies sur la base de considérations électrostatiques et étant donné que l'anode 44 se trouve insérée dans l'ouverture de la pièce polaire, son diamé- tre est plus petit que celui de l'ouverture de ladite pièce polaire.
La cathode 41 et l'électrode focalisatrice 43 sont fixées à un isolateur 48 qui vient s'appuyer contre.un épaulement intérieur 49 prévu dans la paroi cylindrique de la pièce polaire 40. La pièce polaire 40 est maintenue en place à l'intérieur de la portion 3 de l'enveloppe du tube à décharge au moyen des rondelles annulaires isolantes 50,51 et 52. Les fils de connexion 53 provenant de la cathode, de l'électrode focalisatrice et de la pièce polaire 40 sortent du tube à travers un tampon en verre pressé 54, de la façon classique en matière de technique de construction des tubes de radio.
La rondelle isolante supérieure 52 porte une pièce métallique 55 dans laquelle vient s'ajuster le tube 31 dont l'autre extrémité est fixée à la pièce intérieure d'amortissement 28 de la fig. l, ce qui permet de constituer des moyens de connexion pour l'hélice. Jusqu'à présent il était de pratique conmune dans les tubes à onde progressive de maintenir l'hélice au même potentiel que l'électrode finale du système constituant le canon à électrons.
Dans les modes de réalisation recommandés de la présente invention, tels par exemple que celui représenté sur la fige 2, on a prévu la possibilité de maintenir l'hélice à un potentiel différent, en courant continu de celui de l'anode 44. Une connexion 56 est donc prévue sur la pièce 55, et on la fait sortir à travers un trou 57 percé dans la pièce 40 jouant le rôle de blindage magnétique, ladite connexion sortant du tube par le tampon en verre pressé 54.
Dans un mode de réalisation pratique du canon à électrons représenté sur la fig. 2 (dans laquelle, il convient de le souligner, les électrodes n'ont pas été dessinées rigoureusement à l'échelle), les dimensions et caractéristiques principales du canon à électrons sont les suivantes :
Courant du faisceau d'électrons 80 mA
Diamètre du faisceau¯à l'étranglement 1,68 mm
Surface efficace 42 de la cathode 40 mm2
Rayon de courbure de la surface 42 @,53 mm
Tension anode-cathode 2'.000 V
Ouverture de l'anode (47 Fig. 2) 4,57 mm
Distance anode-cathode 4,42 mm
Ouverture de la pièce polaire 7,95 mm
Epaisseur du cylindre de la pièce polaire 4,32 mm
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Epaisseur de la plaque terminale 45 3,81 mm
Longueur du cylindre de la pièce polaire 25,4 mm
L'étude magnétique de l'ensemble fut établie sur la base de l'utilisation d'un aimant produisant un champ magnétique axial d'environ 520 oersteds.
La fig. 3 représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel le blindage magnétique de la cathode est réalisé au moyen de deux éléments séparés par un certain espace, l'un intérieure 58 et l'autre extérieur 59. La disposition générale du canon est très similai- re à celle de la fig. 2, mais, en ce qui concerne les diverses électrodes du canon à électrons, les deux dessins ne sont pas à la morne échelle, d'ailleurs aucun des deux dessins n'est en fait rigoureusement à l'échelle. Les pièces représentées sur la fig. 3 qui sont similaires à celles de la fig. 2 ne feront pas l'objet d'une nouvelle description, elles sont d'ailleurs désignées p@r les mêmes nombres repères.
La- pièce de blindage magnétique extérieure 59 est, dans l'ensem- ble, similaire il la pièce polaire 40 de la fige 2, mais elle peut être construite plus min@@. L'anode 60, en cuivre est un cylindre comportant une col- leratte circulaire centrale 61.
La forme générale de la pièce de blindage inférieure 58 est celle d'un cylindre, cette pièce est fixée à la face in- férieure de la collerette 61 de l'anode 60 au moyen de vis 62 en matériau non magnétique qui solidarisent les pièces 58 et 59 avec l'anode, serrée entre les deu@. Dans ce mode de réalisation, la cathode 41 et l'électrode foralisat@ice 43 sont montées sur une rondelle isolante 63 qui vient s'appuyer contre un épaulement circulaire intérieur 64 situé près de l'extrémité de la pièce intérieure de blindage 58.'
Bien que l'invention ait été décrite plus particulièrement en vue de son application à la construction d'appareils à onde progressive , elle n'est évidemment pas limitée à ce type d'utilisation,
mais peut également bien s'appliquer à la construction de canons à électrons destinés à d'autres types d'appareils à décharge où il est désirable que la cathode soit protégée contre le champ magnétique de focalisation du faisceau.
Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, il convient de @ion comprendre que ces descriptions ne sont données qu'à titre d'exemples non limitatifs de la portée beaucoup plus générale de l'invention.