EP0122186A1 - Générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences - Google Patents

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EP0122186A1
EP0122186A1 EP84400613A EP84400613A EP0122186A1 EP 0122186 A1 EP0122186 A1 EP 0122186A1 EP 84400613 A EP84400613 A EP 84400613A EP 84400613 A EP84400613 A EP 84400613A EP 0122186 A1 EP0122186 A1 EP 0122186A1
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EP
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electron beam
electrodes
resonant structure
magnetic field
generator according
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Thomson CSF SA
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/34—Travelling-wave tubes; Tubes in which a travelling wave is simulated at spaced gaps
    • H01J25/42—Tubes in which an electron stream interacts with a wave travelling along a delay line or equivalent sequence of impedance elements, and with a magnet system producing an H-field crossing the E-field
    • H01J25/44—Tubes in which an electron stream interacts with a wave travelling along a delay line or equivalent sequence of impedance elements, and with a magnet system producing an H-field crossing the E-field the forward travelling wave being utilised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
    • Y10S505/869—Power supply, regulation, or energy storage system

Definitions

  • the present invention relates to a generator of radio waves for microwaves, more particularly a generator of millimeter and infra-millimeter waves of the maser type with cyclotron resonance.
  • generators of this type we know in particular generators called gyrotrons.
  • an electron beam from an electron gun propagates along helical paths, being guided by a uniform magnetic field directed along the axis of the helix.
  • the beam then crosses an electromagnetic cavity resonating at a frequency f close to a multiple of the cyclotronic frequency, cavity in which the transverse speed components of the electrons interact with a transverse electric field component of the wave to give them their energy.
  • the beam propagates essentially parallel to the magnetic field.
  • the parallel velocity component v // therefore corresponds to an energy unused in the interaction. We therefore try, in general, to limit the value of this parallel speed.
  • the present invention therefore aims to remedy this drawback by presenting a new generator of the maser type with cyclotron resonance in which the parallel speed component of the electrons can be equal to zero or substantially equal to zero.
  • the present invention therefore relates to a generator of radio waves for microwave frequencies based on a cyclotronic type interaction between an electron beam propagating between an electron gun and a collector and a high frequency electromagnetic field in a resonant structure characterized in that the electron beam moves along a cycloidal path in a transverse magnetic field under the effect of a drift speed created by a continuous electric field.
  • the present invention also relates to new resonant structures and new collectors for this type of generator.
  • the resonant structure is constituted by two electrodes facing each other between which pass the electron beam transversely, the two electrodes being brought to different continuous potentials and being, at least in their central part, spaced from a distance H, slightly greater than n , n being an integer and ⁇ the wavelength corresponding to the resonant frequency.
  • the collector is constituted by a curved reflector brought to the potential of the upper electrode of the resonant structure and positioned in the extension of the lower electrode.
  • the embodiment of the microwave radio wave generator represented in FIG. 1 consists essentially of an electron gun 1 providing a beam of electrons moving under the effect of a continuous electrostatic field E, perpendicular to a constant magnetic field B, in the direction x, along a cycloidal trajectory, of a structure 2 resonating at a frequency f o equal to a multiple of the cyclotronic frequency and of a collector assembly 3 to receive and evacuate the electrons at the output of the resonant structure.
  • the electron gun 1 is an electron gun of the type described in the patent application in the name of the applicant filed on the same day as the present application and having for title "electron gun for generators of radio waves for microwave" . It essentially comprises two electrodes facing each other, one of which, namely the anode 10 is brought to a positive potential while the other, namely the hearth 11 is brought to a negative or zero potential and a cathode 12 brought to the potential of the sole and located in its plane.
  • the anode 10 and the sole 11 have a divergent curved profile, from left to right in FIG. 1, so that the continuous electric field E created between the two electrodes 10, 11 decreases in this direction.
  • the electron beam 13 animated by a cycloidal movement in the direction x is then sent into a resonant structure 2.
  • This structure 2 is constituted by two electrodes 20, 21 facing each other, brought to different continuous potentials ensuring between the electrodes the existence of a continuous electric field E c .
  • This structure contains high frequency electromagnetic energy corresponding to an oscillation at a frequency f close to a multiple of the cyclotron frequency f. So that the waves of frequencies f can oscillate in the resonant structure, the distance H between the two electrodes 20, 21 is chosen so as to be at least in the central part of the plates, slightly greater than an integer of half the length d 'waves.
  • the length L of the electrodes is chosen to be equal to a few wavelengths, their dimension according to the magnetic field B depending on the corresponding dimension of the anode which can be large compared to the other dimensions.
  • the injection and evacuation of the electron beam into and out of the resonant structure 2 is carried out using elements of the sliding tube type 22, 23 having a height h such that: so as to avoid any unwanted resonance.
  • This collecting part 3 consists of a curved reflector 30 which extends the lower electrode 21 of the resonating structure and which is brought to the potential of the upper electrode 20 of said structure.
  • This reflector 30 collects electromagnetic energy and radiates it in a substantially vertical direction in FIG. 1, towards a transparent vacuum-tight window which has not been shown in this figure.
  • the magnetic field B is obtained using two superconductive coils B 1 and B 2 arranged according to Helmholz's rule and located inside two drums T 1 and T 2 filled with liquid helium.
  • the two drums T 1 and T 2 are connected by a hollow tube C 1 which also contains the electrical connections between the two coils.
  • the whole is supplied with liquid helium and electric current by a tube C 2 .
  • the electron gun-resonant structure-collector assembly described above with reference to FIG. 1 are contained in a metal enclosure E.
  • This enclosure comprises, in the embodiment shown, four isolated outputs E 1 , E 2 , E 3 , E4 connected respectively to the cathode, to its heating filament, to the anode and possibly to the sole or to the negative part of the resonant structure.
  • the transparent window F On the upper part of the enclosure is placed the transparent window F, preferably circular, allowing the radiation to exit.
  • the enclosure E is placed between the two drums T 1 and T 2 so that the electron beam propagates parallel to the drums, namely in the direction x.
  • FIG. 3 schematically represents a section parallel to the plane zoy in the middle part of the resonant structure 2, illustrating a particular embodiment of the input and output circuits of the signal to be processed.
  • the electron beam propagates in the direction x with a drift speed V D and orbits of axis z between the two electrodes 20, 21 which contain the electromagnetic energy.
  • the electromagnetic energy is transported in the z direction in the form of a traveling wave excited in the desired mode by an external high frequency source.
  • This wave passes through the input window 26 then is adapted to the impedance of the resonant cavity formed by the two electrodes 20, 21 via a horn 24.
  • the amplified wave is then sent in a guide not shown leading for example to an antenna, via a horn 25 and a window 27.
  • the collector 3 is constituted by a reflector closed on the upper part of the resonant structure.
  • the amplifier described above has the drawback of being reciprocal with respect to the input and the output, that is to say that it is electrically symmetrical with respect to the direction of propagation and also amplifies the signals. reflected towards the entry of the tube due to an always imperfect adaptation in the exit guide.
  • FIG. 4 represents an embodiment making it possible to remedy this drawback.
  • the electrodes 20 and 21 are offset by an angle ⁇ with respect to the direction x so that the electrons accelerated by the gun in the direction x 'also have a component of drift in the direction z equal at vD sin ⁇ .
  • the electromagnetic field remaining uniform in the x direction but varying in phase according to an expression of the cos type ( ⁇ t - kz + f), the resonance condition is no longer given by but by (1 being the order of the harmonic of the interacting cyclotron frequency).
  • the electrodes are preferably made of copper and the windows of a dielectric material.
  • the generators according to the present invention functioning as a gyrotron, therefore have the same applications as the generators of the prior art for millimeter waves. They can be used in particular for heating in plasma installations, radar transmission, telecommunications, etc.

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  • Microwave Tubes (AREA)
  • Transmitters (AREA)

Abstract

Le générateur conforme à la présente invention est basé sur une interaction de type cyclotronique entre un faisceau d'électrons se propageant entre un canon à électrons (1) et un collecteur (3) et un champ électromagnétique haute fréquence dans une structure résonnante (2). Il est caractérisé principalement en ce que le faisceau d'électrons (3) se déplace selon une trajetoire cycloïdale dans un champ magnétique (B) transversal sous l'effet d'une vitesse de dérive créée par un champ électrique continu (Ec). Les applications de ce générateur sont identiques à celles du gyrotron.

Description

  • La présente invention concerne un générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences, plus particulièrement un générateur d'ondes millimétriques et infra-millimétriques du type maser à résonnance cyclotroniquc.
  • Comme générateurs de ce type, on connait en particulier les générateurs appelés gyrotrons. Dans ces générateurs, un faisceau d'électrons provenant d'un canon à électrons se propage selon des trajets hélicoidaux en étant guidé par un champ magnétique uniforme dirigé suivant l'axe de l'hélice. Le faisceau traverse alors une cavité électromagnétique résonnant à une fréquence f voisine d'un multiple de la fréquence cyclotronique, cavité dans laquelle les composantes de vitesse transversales des électrons interagissent avec une composante de champ électrique transversale de l'onde pour lui céder leur énergie. Dans ce cas, le faisceau se propage essentiellement parallèlement au champ magnétique. Or l'inté- raction ayant lieu avec la composante de vitesse transversale vL des électrons, la composante de vitesse parallèle v// correspond donc à une énergie inutilisée dans l'interaction. On cherche donc, en général, à limiter la valeur de cette vitesse parallèle. Toutefois, dans les générateurs du type ci-dessus, il n'est pas possible de fonctionner avec des valeurs de v // faibles, car dans ce cas on obtient un faisceau d'électrons instable. En conséquence, les valeurs de v⊥ /v// doivent être choisies de telle sorte que
  • Figure imgb0001
  • La présente invention a donc pour but de remédier à cet inconvénient en présentant un nouveau générateur du type maser à résonnance cyclotronique dans lequel la composante de vitesse parallèle des électrons peut être égale à zéro ou sensiblement égale à zéro.
  • La présente invention a en conséquence pour objet un générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences basé sur une interaction de type cyclotroniquc entre un faisceau d'électrons se propageant entre un canon à électrons et un collecteur et un champ électromagnétique haute fréquence dans une structure résonnante caractérisé en ce que le faisceau d'électrons se déplace selon une trajectoire cycloïdale dans un champ magnétique transversal sous l'effet d'une vitesse de dérive créée par un champ electrique continu.
  • La présenta invention concerne aussi de nouvelles structures résonnantes et de nouveaux collecteurs pour ce type de générateurs.
  • Ainsi selon un mode de réalisation préférentiel, la structure résonnante est constituéc par deux électrodes se faisant face entre lesquelles passent transversalement le faisceau d'électrons, les deux électrodes étant portées à des potentiels continus différents et étant, au moins dans leur partie centrale, espacées d'une distance H, légèrement supérieure à n
    Figure imgb0002
    , n étant un entier et λ la longeur d'onde correspondant à la fréquence de résonnance.
  • De même, le collecteur est constitué par un réflecteur courbe porté au potentiel de l'électrode supérieure de la structure résonnante et positionné dans le prolongement de l'électrode inférieure.
  • D'autre caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels
    • - la figure 1 est une vue en coupe schématique de l'ensemble canon électronique-cavité résonnante-collecteur d'un générateur conforme à la présente invention ;
    • - la figure 2 est une vue en perspective de l'ensemble du générateur de la figure 1 ;
    • - la figure 3 est une vue en coupe schématique des dispositifs d'entrée et de sortie de l'onde à amplifier lorsque le générateur de la figure 1 est utilisé en amplificateur ;
    • - la figure 4 est une vue schématique de dessus d'une variante de réalisation de l'amplificateur.
  • Sur les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références mais pour des raisons de clarté les cotes et proportions ne sont pas respectées.
  • Le mode de réalisation du générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences représenté à la figure 1 est constitué essentiellement d'un canon à électrons 1 fournissant un faisceau d'électrons se déplacant sous l'effet d'un champ électrostatique continu E , perpendiculairement à un champ magnétique constant B, suivant la direction x, selon une trajectoire cycloïdale, d'une structure 2 résonnant à une fréquence fo égale à un multiple de la fréquence cyclotronique et d'un ensemble collecteur 3 pour recevoir et évacuer les électrons en sortie de la structure résonnante.
  • Le canon à électrons 1 est un canon à électrons du type de celui décrit dans la demande de brevet au nom de la demanderesse déposée le même jour que la présente demande et ayant pour titre "canon à électrons pour générateurs d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences". Il comporte essentiellement deux électrodes se faisant face dont l'une, à savoir l'anode 10 est portée à un potentiel positif tandis que l'autre, à savoir la sole 11 est portée à un potentiel négatif ou nul et une cathode 12 portée au potentiel de la sole et située dans son plan. L'anode 10 et la sole 11 présentent un profil incurvé divergent, de la gauche vers la droite sur la figure 1, de telle sorte que le champ électrique continu E créé entre les deux électrodes 10, 11 diminue dans cette direction. Lorsque l'ensemble est placé dans un champ magnétique constant B dirigé perpendiculairement au plan de la figure, les électrons issus de la cathode se déplacent selon la direction x perpendiculaire au champ magnétique sous l'effet de la vitesse de dérive due au champ électrique continu régnant entre les deux électrodes 10, 11 selon une trajectoire cycloïdale due à la diminution de la vitesse de dérive résultant de la diminution du champ électrique continu Ec.
  • Le faisceau d'électrons 13 animé d'un mouvement cycloïdal suivant la direction x est alors envoyé dans une structure résonnante 2. Cette structure 2 est constituée par deux électrodes 20, 21 se faisant face, portées a des potentiels continus différents assurant entre les électrodes l'existence d'un champ électrique continu Ec. Cette structure contient une énergie électromagnétique haute fréquence correspondant à une oscillation à une fréquence f voisine d'un multiple de la fréquence cyclotronique f . Pour que les ondes de fréquences f puissent osciller dans la structure résonnante, la distance H entre les deux électrodes 20, 21 est choisie de manière à être au moins dans la partie centrale des plaques, légèrement supérieure à un nombre entier de demi-longueur d'ondes. De plus, la longueur L des électrodes est choisie pour être égale à quelques longueurs d'onde, leur dimension suivant le champ magnétique B dépendant de la dimension correspondante de l'anode qui peut être grande par rapport aux autres dimensions.
  • D'autre part, l'injection et l'évacuation du faisceau d'électrons dans et hors de la structure résonnante 2 sont réalisées à l'aide d'éléments du type tube de glissement 22, 23 présentant une hauteur h telle que :
    Figure imgb0003
    de manière à éviter toute résonnance indésirable.
  • Ainsi, le faisceau d'électrons est évacué hors de la structure résonnante à travers le tube 23 vers la partie collecteur 3. Cette partie collecteur 3 se compose d'un réflecteur incurvé 30 qui prolonge l'électrode inférieure 21 de la structure résonnante et qui est porté au potentiel de l'électrode supérieure 20 de ladite structure. Ce réflecteur 30 collecte l'énergie électromagnétique et la rayonne selon une direction sensiblement verticale dans la figure 1, vers une fenêtre transparente étanche au vide qui n'a pas été représentée sur cette figure.
  • En ce qui concerne le fonctionnement de ce type de générateur, on peut dire que le comportement des électrons y est à peu près identique à celui observé dans les gyrotrons. En effet, dans le système de référence se déplacant à la vitesse de dérive, le champ électrique continu est supprimé par le champ magnétique continu et le champ électrique haute fréquence n'est pas modifié car il est longitudinal à la vitesse de déplacement. Ainsi, en utilisant la transformation de Lorcntz et en désignant par prime les grandeurs mesurées dans le système de référence, on obtient.
    E'x= Ex ( champ haute fréquence)
    E'y =α[E y-v x B z ] (champs continus)
  • Figure imgb0004
    Cependant, il existe une transformation des champs magnétiques
    Figure imgb0005
  • Cette transformation entrainera donc une correction de la valeur du champ magnétique nécessaire à l'interaction optimale. Toutefois, la valeur de cette correction reste très faible.
  • D'autre part, comme représenté sur la figure 2, le champ magnétique B est obtenu à l'aide de deux bobines supraconductrices B1 et B2 disposées suivant la règle de Helmholz et situées à l'intérieur de deux tambours T1 et T2 remplis d'hélium liquide. Les deux tambours T1 et T2 sont reliés par un tube creux C1 qui contient aussi les connexions électriques entre les deux bobines. L'ensemble est alimenté en hélium liquide et en courant électrique par un tube C2.
  • L'ensemble canon à électrons-structure résonnante-collecteur décrit ci-dessus avec référence à la figure 1 sont contenus dans une enceinte métallique E. Cette enceinte comporte, dans le mode de réalisation représenté, quatre sorties isolécs E1, E2, E3, E4 reliées respectivement à la cathode, à son filament chauffant, à l'anode et éventuellement à la sole ou à la partie négative de la structure résonnante. Sur la partie supérieure de l'enceinte est placée la fenêtre transparente F, de préférence circulaire, permettant la sortie du rayonnement.
  • L'enceinte E est placée entre les deux tambours T1 et T2 de telle sorte que le faisceau d'électrons se propage parallèlement aux tambours, à savoir selon la direction x.
  • On décrira maintenant avec référence aux figures 3 et 4, les modifications à apporter au mode de réalisation décrit ci-dessus pour l'utiliser comme amplificateur. La figure 3 représente schématiquement une coupe parallèle au plan zoy dans la partie médiane de la structure résonnante 2, illustrant un mode de réalisation particulier des circuits d'entrée et de sortie du signal à traiter. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, le faisceau d'électrons se propage dans la direction x avec une vitesse de dérive VD et des orbites d'axe z entre les deux électrodes 20, 21 qui conticnnent l'énergie électromagnétique.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 3 l'électrode 21 est mobile, ce qui permet le règlage de la hauteur H en fonction de la fréquence d'oscillation f de telle sorte que
    H
    Figure imgb0006
    n
    Figure imgb0007
     avec λ = c/fo avec
  • Toutefois, dans le mode de réalisation de la figure 3, l'énergie électromagnétique est transportée dans la direction z sous forme d'une onde progressive excitée dans le mode voulu par une source haute fréquence extérieure. Cette onde passe à travers la fenêtre d'entrée 26 puis est adaptée à l'impédance de la cavité résonnante formée par les deux électrodes 20, 21 par l'intermédiaire d'un cornet 24. L'onde amplifiée est alors envoyée dans un guide non représenté aboutissant par exemple à une antenne, par l'intermédiaire d'un cornet 25 et d'une fenêtre 27. Dans ce cas, le collecteur 3 est constitué par un réflecteur refermé sur la partie supérieure de la structure résonnante.
  • L'amplificateur décrit ci-dessus présente l'inconvénient d'êtrc réciproque par rapport à l'entrée et à la sortie, c'est-à-dire qu'il est électriquement symétrique par rapport au sens de propagation et amplifie également les signaux réfléchis vers l'entrée du tube du fait d'une adaptation toujours imparfaite dans le guide de sortie.
  • La figure 4 représente un mode de réalisation permettant de remédier à cet inconvénient.
  • Dans ce mode de réalisation, les électrodes 20 et 21 sont décalées d'un angle α par rapport à la direction x de telle sorte que les électrons accélérés par le canon dans la direction x' ont aussi une composante de dérive dans la direction z égale à vD sin α . Le champ électromagnétique restant uniforme dans la direction x mais variant en phase suivant une expression du type cos (ωt - kz + f), la condition de résonnancc n'est plus donnée par
    Figure imgb0008
    mais par
    Figure imgb0009
    (1 étant l'ordre de l'harmonique de la fréquence cyclotronique qui interagit). -
  • Il résulte de cette dernière équation que la résonnance dépend du signe de k, c'est-à-dire du sens de propagation et que ladite équation, qui doit être remplie pour qu'il y ait amplification, favorisera un des sens de propagation.
  • Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, les électrodes sont réalisées de préférence en cuivre et les fenêtres en un matériau diélectrique.
  • Les générateurs conformes à la présente invention fonctionnant comme un gyrotron, ont donc les mêmes applications que les générateurs de l'art antérieur pour ondes millimétriques. Ils peuvent être utilisés en particulier pour le chauffage dans les installations de plasma, l'émission radar, les télécommunications, etc.

Claims (5)

1. Un générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences basé sur une interaction de type cyclotronique entre un faisceau d'électrons se propageant entre un canon à électrons (1) et un collecteur (3) et un champ électromagnétique haute fréquence dans une structure résonnante (2) dans lequel le faisceau d'électrons (13) se déplace selon une trajectoire cycloïdale dans un champ magnétique (B) transversal sous l'effet d'une vitesse de dérive créée par un champ électrique continu (EC), caractérisé en ce que la structure résonnante (2) est constituée par deux électrodes (20, 21) se faisant face entre lesquelles passe transversalement le faisceau d'electrons, les deux électrodes étant portées à des potentiels continus différents et étant, au moins dans leur partie centrale, espacées d'une distance H légèrement supérieure à n
Figure imgb0010
, n étant un entier et λ la longeur d'onde correspondant à la fréquence de résonnance.
2. Un générateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les dispositifs d'entrée et de sortie du faisceau d'électrons dans la structure résonnante (2) sont constitués par des électrodes (22, 23) prolongeant de chaque coté les électrodes (20, 21) et espacées d'une hauteur h telle que
Figure imgb0011
3. Un générateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le collecteur (3) est constitué par un réflecteur courbe porté au potentiel de l'électrode supérieure (20) de la structure résonnante et positionné dans le prolongement de l'électrode inférieure (21) de ladite structure.
4. Un générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que, lorsqu'il est utilisé en amplificateur, l'onde électromagnétique haute fréquence est injectée parallèlement au champ magnétique B.
5. Un générateur selon la revendication 4 caractérisé en ce que la direction de propagation du faisceau d'électrons dans un plan parallèle aux électrodes de la structure résonnante est décalée d'un angle α, par rapport à la perpendiculaire au champ magnétique B.
EP84400613A 1983-04-06 1984-03-27 Générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences Expired EP0122186B1 (fr)

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EP0122186A1 true EP0122186A1 (fr) 1984-10-17
EP0122186B1 EP0122186B1 (fr) 1987-05-27

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EP84400613A Expired EP0122186B1 (fr) 1983-04-06 1984-03-27 Générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquences

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