EP0482986A1 - Collector for a microwave tube and microwave tube comprising such a collector - Google Patents

Collector for a microwave tube and microwave tube comprising such a collector Download PDF

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Publication number
EP0482986A1
EP0482986A1 EP91402784A EP91402784A EP0482986A1 EP 0482986 A1 EP0482986 A1 EP 0482986A1 EP 91402784 A EP91402784 A EP 91402784A EP 91402784 A EP91402784 A EP 91402784A EP 0482986 A1 EP0482986 A1 EP 0482986A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
interaction space
collector
diameter
orifice
enclosure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP91402784A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bernard Epsztein
Alain Durand
Eric Lemaire
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales Electron Devices SA
Original Assignee
Thomson Tubes Electroniques
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson Tubes Electroniques filed Critical Thomson Tubes Electroniques
Publication of EP0482986A1 publication Critical patent/EP0482986A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
    • H01J23/027—Collectors
    • H01J23/0275—Multistage collectors

Definitions

  • the present invention relates to manifolds for microwave tubes. It also relates to microwave tubes comprising such collectors and in particular tubes with longitudinal interaction.
  • Klystrons and traveling wave tubes belong to this category of microwave turbines. Their operation is based on an energy exchange between a linear electron beam and a microwave electromagnetic wave.
  • the electron beam is emitted in a cannon, through a cathode.
  • the barrel is placed at the entrance of a tubular interaction space.
  • the electron beam is long and thin, it traverses the interaction space.
  • a focusing device surrounds the interaction space and confines the beam electrons on desired trajectories.
  • the electron beam interacts with a microwave electromagnetic wave.
  • the amplified microwave electromagnetic wave is extracted by an appropriate device at the output of the interaction space.
  • the electron beam ends up in a collector placed at the exit of the interaction space.
  • the interaction space includes a microwave circuit which is generally either a helical delay line in the case of a traveling wave tube, or a succession of resonant cavities in the case of a klystron.
  • the interaction space is brought to a potential which is generally a mass.
  • the electron beam After having given up part of its energy to the microwave electromagnetic wave, the electron beam still has significant kinetic energy when entering the collector.
  • the collector dissipates this energy in the form of heat. We are trying to recover some of this energy by braking the electrons in the beam.
  • a depressed collector is used which is brought to a potential intermediate between the potential of the cathode and that of the interaction space.
  • the collector may include one or more successive electrodes; when there are several, they are brought to decreasing potentials the further one moves away from the interaction space.
  • the collector then has several stages. The use of a depressed collector helps to increase the efficiency of the microwave tube and to reduce the difficulties encountered in removing heat.
  • the electron beam due to its interaction with the microwave electromagnetic wave, is far from being monocinetic. Fast electrons have more energy than slow electrons.
  • the slowest electrons are intercepted by the first electrode, the other electrons continue their course. Their speed is reduced by the braking field which exists between the successive electrodes. They are gradually intercepted by the different electrodes.
  • the potential is lower than that which corresponds to the energy of the slowest electrons, these electrons are reflected and are returned to the interaction space. Some can even reach the electron gun where they are reflected again.
  • the additional modulated current which corresponds to them causes a parasitic coupling between the input and the output of the interaction space. This causes a phase and amplitude distortion, as a function of the frequency, of the microwave electromagnetic wave recovered at the output of the interaction space.
  • the noise at the outlet of the tube is increased and the tube can even start to oscillate. This drawback is particularly troublesome in certain telecommunications which then present crosstalk.
  • the reflected electrons which do not reach the barrel are intercepted by the microwave circuit. They cause it to heat up and even melt, which is fatal for the life of the tube.
  • microwave tubes with strong beam modulation such as klystrons and power traveling wave tubes
  • depression is reduced to a few things and we then find the difficulties in removing heat.
  • the performance of the microwave tube is affected.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks. It offers a depressed collector collecting the electrons of a beam, almost all of the slowest electrons being projected in an area where they do not cause damage, instead of being reflected towards the interaction space.
  • the present invention provides a collector for collecting the electrons of a beam, arranged downstream of an interaction space, comprising a depressed enclosure, limited upstream by an inlet wall provided with an orifice and a chamber expansion interposed between the interaction space and the depressed enclosure and brought to the same potential as the interaction space.
  • the expansion chamber is limited upstream by an inlet wall provided with an orifice.
  • the entry port in the depressed enclosure has a diameter D.
  • the inlet to the expansion chamber has a diameter d .
  • the diameter D is greater than twice the diameter d .
  • the interior surface of the chamber entrance wall expansion and the outer surface of the entry wall of the depressed enclosure can be sensiblememt in the form of truncated cones, oriented in the same direction, flared downstream.
  • the cones can have approximately the same angle at the top.
  • the interaction space may have a circular cross section whose diameter is substantially equal to that at the orifice of the inlet wall of the expansion chamber.
  • the distance L between the orifice of the inlet wall of the expansion chamber and the orifice of the inlet wall of the depressed enclosure is greater than or equal to the diameter d of the orifice the inlet wall of the expansion chamber.
  • the exterior surface of the inlet wall of the expansion chamber can be cooled by circulation of a fluid.
  • the potential of the interaction space can be a mass.
  • FIG. 1 represents, in longitudinal section, a depressed collector 10, of known type, for microwave tube with linear electron beam 1.
  • This beam is produced by a cathode of an electron gun, not shown.
  • the electrons of the beam 1 then travel through an interaction space 2 of tubular shape.
  • the collector 10 collects a large part of the electrons.
  • the collector 10 is built around an axis XX ′ of revolution which coincides with the axis of the electron beam 1.
  • This interaction space 2 includes a microwave circuit which can be, for example, a delay line in the case of traveling wave tubes or a succession of resonant cavities in the case of klystrons.
  • the microwave circuit is not shown.
  • the interaction space 2 is brought to a potential which is generally a mass.
  • the interaction space 2 is surrounded by a focusing device 6 which prevents the electron beam from diverging. It confines the electrons on desired substantially parallel trajectories.
  • An annular conductive part 3 is disposed downstream of the interaction space 2. It is brought to the same potential as the latter.
  • the collector 10 shown is depressed with a single stage or a single electrode. It could have been multistage with a succession of electrodes brought to decreasing potentials the further one moves away from the interaction space.
  • the enclosure 4 is formed by an enclosure 4 provided with an orifice 7 to let the electrons penetrate.
  • This enclosure 4 forms the electrode.
  • the enclosure 4 is mechanically connected, in leaktight manner, by means of an insulating spacer 5 to the annular part 3. This connection is made near the orifice 7.
  • the enclosure 4 is brought to a lower potential to the potential of the interaction space 2.
  • the insulating spacer 5 of cylindrical shape, electrically isolates the interaction space 2 and the collector 10.
  • the wall of the enclosure 4 is represented by two frustoconical tubes assembled by their large end.
  • the small end of one of the tubes is closed, which forms a bottom at the collector.
  • the small end of the other frustoconical tube is open and the opening forms the orifice 7 of the enclosure 4.
  • a suitable fluid can circulate around the enclosure 4 to cool its wall. This is not shown.
  • the electron beam In the interaction space 2, the electron beam is focused by an axial magnetic field. At the exit of the interaction space, this magnetic field suddenly decreases. Leaving the interaction space 2, the electron beam 1 begins to diverge rapidly, under the influence of space charge forces.
  • the electron beam 1, due to its passage in the interaction space where it interacted with an electromagnetic wave is far from being monocimetic. Some electrons are slower than others. If the potential of the enclosure 4 is lower than that which corresponds to the energy of the slower electrons, these will not be able to penetrate into the enclosure 4. They will be reflected in the interaction space 2. Some electrons will strike the microwave circuit causing it to heat up, others may even reach the electron gun.
  • FIG. 2 represents in longitudinal section a collector 20, according to the invention, for microwave tube with linear electron beam 21.
  • This collector 20 like that shown in FIG. 1, is built around an axis of revolution XX ′. This axis is also the axis of the electron beam 21.
  • the collector 20 according to the invention differs mainly from the collector shown in FIG. 1 in that it includes an expansion chamber 22 placed upstream of a depressed enclosure 23.
  • the electron beam 21 is formed by a cathode of an electron gun, not shown.
  • the electron beam 21 traverses an interaction space 24 of tubular shape.
  • the interaction space 24 is surrounded by a focusing device 25 which prevents the electron beam 21 from diverging.
  • the electron beam 21 enters the collector 20.
  • the depressed chamber 23 has a single stage. One could envisage that it includes several.
  • the depressed enclosure 23 is limited by a wall 26.
  • This wall is provided, upstream, with an orifice 27 to allow the electrons to penetrate.
  • This orifice 27 is preferably circular, of diameter D , centered on the axis XX ′.
  • the wall portion 26 surrounding the orifice 27 forms an inlet wall 30 to the depressed enclosure 23.
  • the wall 26 is made of a metal which is a good conductor of heat such as copper.
  • the depressed chamber 23 is brought to a potential lower than the potential of the interaction space 24. This potential is however greater than the potential of the cathode producing the electron beam.
  • the wall 26 of the depressed enclosure 23 is shown by two frustoconical tubes assembled by their large ends.
  • the small end of one of the frustoconical tubes is closed and forms a bottom at the depressed enclosure 23.
  • the small end of the other frustoconical tube has an opening which corresponds to the orifice 27 of the depressed enclosure 23.
  • This last frustoconical tube forms the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23.
  • the expansion chamber 22 is placed between the outlet of the interaction space 24 and the depressed enclosure 23. It is limited upstream by an inlet wall 28, conductive, tightly connected to the space d 'interaction 24.
  • This inlet wall 28 is provided with an orifice 29, preferably circular, of diameter d , centered on the axis XX ′. The diameter d is sufficient to let the electrons pass through the beam.
  • This orifice 29 has substantially the same diameter as that of the interior of the interaction space 24.
  • the inlet wall 28 of the expansion chamber 22 is brought to the potential of the interaction space 24. It is made of a metal that dissipates heat well, such as copper, for example. Downstream, the expansion chamber 22 is limited by the inlet wall 30 of the depressed precinct 23.
  • the inlet wall 28 of the expansion chamber 22 and the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23 are connected to each other, in leaktight manner, by an electrically insulating spacer 31.
  • the spacer 31 shown is tubular.
  • the inlet wall 28 of the expansion chamber 22 and the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23 are brought to different potentials; they create an electrostatic lens.
  • the electrons in the beam 21 diverge rapidly. This divergence is due to the magnetic field which decreases rapidly at the exit from the interaction space 24, to the influence of the space charge forces and also to the effect of electrostatic lens.
  • the inner surface of the inlet wall 28 of the expansion chamber 22 and the outer surface of the inlet wall 30 of the depressed chamber 23 are shaped so that almost all of the electrons are too slow to penetrate in the depressed enclosure 23 strike the interior surface of the inlet wall 28 of the expansion chamber 22.
  • the equipotential surfaces are oriented so that the electrons having an almost zero speed are deflected towards the inlet wall 28 of the expansion chamber 22.
  • the trajectory of an electron is substantially normal to an equipotential surface.
  • the inner surface of the inlet wall 20 of the expansion chamber 22 and the outer surface of the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23 are substantially in the form of truncated straight cones.
  • the cones are oriented in the same direction and are flared downstream. They can have substantially the same angle at the top.
  • the path traveled by the electrons between the exit from the interaction space 24 and the entry to the depressed chamber 23 is much longer than in the collectors of the known art.
  • the electrons Upon entering the expansion chamber 22 the electrons disperse rapidly. The fast electrons penetrate into the depressed enclosure 23. Almost all of the slow electrons strike the inlet wall 28 of the expansion chamber 22, a negligible fraction of the slow electrons are returned to the interaction space 24.
  • the diameter D of the orifice 27 of the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23 is greater than twice the diameter d of the orifice 29 of the inlet wall 28 of the expansion chamber 22.
  • the distance L between the orifice 29 of the inlet wall 28 of the expansion chamber 22 and the orifice 27 of the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23, is greater than diameter d .
  • the inlet wall 28 of the expansion chamber 22 will be bombarded by a large number of electrons. It will heat up, it is possible to cool it by circulating a fluid 32 around its outer surface.

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Abstract

The invention relates to a collector for gathering the electrons of differing velocity of a beam (21), arranged at the output of an interaction space (24). It comprises a depressed enclosure (23) and an expansion chamber (22) interposed between the interaction space (24) and the depressed enclosure (23). The depressed enclosure (23) is bounded upstream by an entrance wall (30). The expansion chamber (22) is bounded upstream by an entrance wall (28) brought to the potential of the interaction space. The entrance wall (28) of the expansion chamber (22) is provided with an orifice (29) of diameter d. The entrance wall (30) of the depressed enclosure (23) is provided with an orifice (27) of diameter D. The diameter D is greater than twice the diameter d. Applications to microwave tubes such as klystrons and travelling-wave tubes. <IMAGE>

Description

La présente invention se rapporte aux collecteurs pour tubes hyperfréquences. Elle concerne également les tubes hyperfréquences comportant de tels collecteurs et notamment les tubes à interaction longitudinale.The present invention relates to manifolds for microwave tubes. It also relates to microwave tubes comprising such collectors and in particular tubes with longitudinal interaction.

Les klystrons et les tubes à ondes progressives appartiennent à cette catégorie de turbes hyperfréquences. Leur fonctionnement est basé sur un échange d'énergie entre un faisceau d'électrons linéaire et une onde électromagnétique hyperfréquence. Le faisceau d'électrons est émis dans un canon, par une cathode. Le canon est placé en entrée d'un espace d'interaction tubulaire. Le faisceau d'électrons est long et fin, il parcourt l'espace d'interaction. Un dispositif de focalisation entoure l'espace d'interaction et confine les électrons du faisceau sur des trajectoires désirées.Klystrons and traveling wave tubes belong to this category of microwave turbines. Their operation is based on an energy exchange between a linear electron beam and a microwave electromagnetic wave. The electron beam is emitted in a cannon, through a cathode. The barrel is placed at the entrance of a tubular interaction space. The electron beam is long and thin, it traverses the interaction space. A focusing device surrounds the interaction space and confines the beam electrons on desired trajectories.

Dans l'espace d'interaction, le faisceau d'électrons interagit avec une onde électromagnétique hyperfréquence. L'onde électromagnétique hyperfréquence amplifiée est extraite par un dispositif approprié en sortie de l'espace d'interaction. Le faisceau d'électrons termine sa course dans un collecteur placé en sortie de l'espace d'interaction.In the interaction space, the electron beam interacts with a microwave electromagnetic wave. The amplified microwave electromagnetic wave is extracted by an appropriate device at the output of the interaction space. The electron beam ends up in a collector placed at the exit of the interaction space.

L'espace d'interaction comporte un circuit hyperfréquence qui est généralement, soit une ligne à retard en hélice dans le cas d'un tube à ondes progressives, soit une succession de cavités résonantes dans le cas d'un klystron. L'espace d'interaction est porté à un potentiel qui est généralement une masse.The interaction space includes a microwave circuit which is generally either a helical delay line in the case of a traveling wave tube, or a succession of resonant cavities in the case of a klystron. The interaction space is brought to a potential which is generally a mass.

Après avoir cédé une partie de son énergie à l'onde électromagnétique hyperfréquence, le faisceau d'électrons possède encore une énergie cinétique importante en pénétrant dans le collecteur. Le collecteur dissipe cette énergie sous forme de chaleur. On essaie de récupérer une partie de cette énergie en freinant les électrons du faisceau. Pour cela on utilise un collecteur déprimé qui est porté à un potentiel intermédiaire entre le potentiel de la cathode et celui de l'espace d'interaction. Le collecteur peut comporter une électrodes ou plusieurs électrodes successives; lorsqu'il y en a plusieurs, elles sont portées à des potentiels décroissants plus on s'éloigne de l'espace d'interaction. Le collecteur a alors plusieurs étages. L'utilisation d'un collecteur déprimé contribue à augmenter le rendement du tube hyperfréquence et à réduire les difficultés rencontrées pour évacuer la chaleur.After having given up part of its energy to the microwave electromagnetic wave, the electron beam still has significant kinetic energy when entering the collector. The collector dissipates this energy in the form of heat. We are trying to recover some of this energy by braking the electrons in the beam. For this, a depressed collector is used which is brought to a potential intermediate between the potential of the cathode and that of the interaction space. The collector may include one or more successive electrodes; when there are several, they are brought to decreasing potentials the further one moves away from the interaction space. The collector then has several stages. The use of a depressed collector helps to increase the efficiency of the microwave tube and to reduce the difficulties encountered in removing heat.

Le faisceau d'électrons, par suite de son interaction avec l'onde électromagnétique hyperfréquence, est loin d'être monocinétique. Les électrons rapides possèdent une énergie plus importante que les électrons lents.The electron beam, due to its interaction with the microwave electromagnetic wave, is far from being monocinetic. Fast electrons have more energy than slow electrons.

Dans le cas d'un collecteur à plusieurs étages, les électrons les plus lents sont interceptés par la première électrode, les autres électrons poursuivent leur course. Leur vitesse est diminuée par le champ de freinage qui existe entre les électrodes successives. Ils sont peu à peu interceptés par les différentes électrodes. A l'entrée du collecteur, si le potentiel est inférieur à celui qui correspond à l'énergie des électrons les plus lents, ces électrons sont réfléchis et sont renvoyés dans l'espace d'interaction. Certains peuvent même atteindre le canon à électrons où ils sont de nouveau réfléchis. Le courant modulé supplémentaire qui leur correspond entraîne un couplage parasite entre l'entrée et la sortie de l'espace d'interaction. Cela provoque une distorsion de phase et d'amplitude, en fonction de la fréquence, de l'onde électromagnétique hyperfréquence récupérée en sortie de l'espace d'interaction. Le bruit en sortie du tube est augmenté et le tube peut même se mettre à osciller. Cet inconvénient est particulièrement gênant dans certains systèmes de télécommunications qui présentent alors de la diaphonie.In the case of a multistage collector, the slowest electrons are intercepted by the first electrode, the other electrons continue their course. Their speed is reduced by the braking field which exists between the successive electrodes. They are gradually intercepted by the different electrodes. At the input of the collector, if the potential is lower than that which corresponds to the energy of the slowest electrons, these electrons are reflected and are returned to the interaction space. Some can even reach the electron gun where they are reflected again. The additional modulated current which corresponds to them causes a parasitic coupling between the input and the output of the interaction space. This causes a phase and amplitude distortion, as a function of the frequency, of the microwave electromagnetic wave recovered at the output of the interaction space. The noise at the outlet of the tube is increased and the tube can even start to oscillate. This drawback is particularly troublesome in certain telecommunications which then present crosstalk.

Les électrons réfléchis qui n'atteignent pas le canon sont interceptés par le circuit hyperfréquence. Ils engendrent son échauffement et même sa fusion, ce qui est fatal pour la vie du tube.The reflected electrons which do not reach the barrel are intercepted by the microwave circuit. They cause it to heat up and even melt, which is fatal for the life of the tube.

Dans le cas de tubes hyperfréquences à forte modulation du faisceau tels que les klystrons et les tubes à ondes progressives de puissance, on essaye de diminuer au maximum l'écart de potentiel entre l'espace d'interaction et l'entrée du collecteur pour que les électrons les plus lents puissent pénétrer à l'intérieur du collecteur sans être réfléchis. On s'aperçoit alors que la dépression se réduit à peu de choses et l'on retrouve alors les difficultés pour évacuer la chaleur. Le rendement du tube hyperfréquence s'en ressent.In the case of microwave tubes with strong beam modulation such as klystrons and power traveling wave tubes, we try to minimize the potential difference between the interaction space and the input of the collector so that the slower electrons can penetrate inside the collector without being reflected. We then realize that depression is reduced to a few things and we then find the difficulties in removing heat. The performance of the microwave tube is affected.

La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle propose un collecteur déprimé recueillant les électrons d'un faisceau, la quasi totalité des électrons les plus lents étant projettés dans une zone où ils ne causent pas de dommage, au lieu d'être réfléchis vers l'espace d'interaction.The present invention aims to remedy these drawbacks. It offers a depressed collector collecting the electrons of a beam, almost all of the slowest electrons being projected in an area where they do not cause damage, instead of being reflected towards the interaction space.

Il est alors possible de choisir une dépression qui optimise le rendement du tube sans mettre sa vie en danger, ni amoindrir ses performances.It is then possible to choose a vacuum which optimizes the performance of the tube without endangering its life, nor reducing its performance.

La présente invention propose un collecteur pour recueillir les électrons d'un faisceau, disposé en aval d'un espace d'interaction, comprenant une enceinte déprimée, limitée en amont par une paroi d'entrée munie d'un orifice et une chambre d'expansion interposée entre l'espace d'interaction et l'enceinte déprimée et portée au même potentiel que l'espace d'interaction. La chambre d'expansion est limitée en amont par une paroi d'entrée munie d'un orifice. L'orifice d'entrée dans l'enceinte déprimée à un diamètre D. L'orifice d'entrée dans la chambre d'expansion à un diamètre d. Le diamètre D est supérieur à deux fois le diamètre d.The present invention provides a collector for collecting the electrons of a beam, arranged downstream of an interaction space, comprising a depressed enclosure, limited upstream by an inlet wall provided with an orifice and a chamber expansion interposed between the interaction space and the depressed enclosure and brought to the same potential as the interaction space. The expansion chamber is limited upstream by an inlet wall provided with an orifice. The entry port in the depressed enclosure has a diameter D. The inlet to the expansion chamber has a diameter d . The diameter D is greater than twice the diameter d .

La surface intérieure de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion et la surface extérieure de la paroi d'entrée de l'enceinte déprimée peuvent être sensiblememt en forme de cônes tronqués, orientés dans le même sens, évasés vers l'aval. Les cônes peuvent avoir approximativement le même angle au sommet.The interior surface of the chamber entrance wall expansion and the outer surface of the entry wall of the depressed enclosure can be sensiblememt in the form of truncated cones, oriented in the same direction, flared downstream. The cones can have approximately the same angle at the top.

L'espace d'interaction peut avoir une section droite circulaire dont le diamètre est sensiblement égal à celui à l'orifice de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion.The interaction space may have a circular cross section whose diameter is substantially equal to that at the orifice of the inlet wall of the expansion chamber.

De préférence, la distance L comprise entre l'orifice de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion et l'orifice de la paroi d'entrée de l'enceinte déprimée est supérieure ou égale au diamètre d de l'orifice de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion.Preferably, the distance L between the orifice of the inlet wall of the expansion chamber and the orifice of the inlet wall of the depressed enclosure is greater than or equal to the diameter d of the orifice the inlet wall of the expansion chamber.

La surface extérieure de la paroi d'entrée de la chambre d'expansion peut être refroidie par circulation d'un fluide.The exterior surface of the inlet wall of the expansion chamber can be cooled by circulation of a fluid.

Le potentiel de l'espace d'interaction peut être une masse.The potential of the interaction space can be a mass.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées qui représentent :

  • la figure 1 : une coupe longitudinale d'un collecteur selon l'art antérieur ;
  • la figure 2 : une coupe longitudinale d'un collecteur selon l'invention.
Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description illustrated by the appended figures which represent:
  • Figure 1: a longitudinal section of a manifold according to the prior art;
  • Figure 2: a longitudinal section of a manifold according to the invention.

La figure 1 représente, en coupe longitudinale un collecteur 10 déprimé, de type connu, pour tube hyperfréquence à faisceau 1 d'électrons linéaire. Ce faisceau est produit par une cathode d'un canon à électrons, non représenté. Les électrons du faisceau 1 parcourent ensuite un espace d'interaction 2 de forme tubulaire. En sortie de l'espace d'interaction 2, le collecteur 10 recueille une grande partie des électrons.FIG. 1 represents, in longitudinal section, a depressed collector 10, of known type, for microwave tube with linear electron beam 1. This beam is produced by a cathode of an electron gun, not shown. The electrons of the beam 1 then travel through an interaction space 2 of tubular shape. On leaving the interaction space 2, the collector 10 collects a large part of the electrons.

Le collecteur 10 est construit autour d'un axe XX′ de révolution qui coïncide avec l'axe du faisceau 1 d'électrons.The collector 10 is built around an axis XX ′ of revolution which coincides with the axis of the electron beam 1.

Cet espace d'interaction 2 comprend un circuit hyperfréquence qui peut être, par exemple, une ligne à retard dans le cas des tubes à ondes progressives ou une succession de cavités résonantes dans le cas des klystrons. Le circuit hyperfréquence n'est pas représenté. L.'espace d'interaction 2 est porté à un potentiel qui est généralement une masse. L'espace d'interaction 2 est entouré d'un dispositif de focalisation 6 qui empêche le faisceau d'électrons de diverger. Il confine les électrons sur des trajectoires désirées sensiblement parallèles.This interaction space 2 includes a microwave circuit which can be, for example, a delay line in the case of traveling wave tubes or a succession of resonant cavities in the case of klystrons. The microwave circuit is not shown. The interaction space 2 is brought to a potential which is generally a mass. The interaction space 2 is surrounded by a focusing device 6 which prevents the electron beam from diverging. It confines the electrons on desired substantially parallel trajectories.

Une pièce conductrice annulaire 3 est disposée en aval de l'espace d'interaction 2. Elle est portée au même potentiel que ce dernier.An annular conductive part 3 is disposed downstream of the interaction space 2. It is brought to the same potential as the latter.

Le collecteur 10 représenté est déprimé avec un seul étage ou une seule électrode. Il aurait pu être multi étages avec une succession d'électrodes portées à des potentiels décroissants plus on s'éloigne de l'espace d'interaction.The collector 10 shown is depressed with a single stage or a single electrode. It could have been multistage with a succession of electrodes brought to decreasing potentials the further one moves away from the interaction space.

Il est formé d'une enceinte 4 pourvue d'un orifice 7 pour laisser pénétrer les électrons. Cette enceinte 4 forme l'électrode. L'enceinte 4 est reliée mécaniquement, de façon étanche, par l'intermédiaire d'une entretoise 5 isolante à la pièce annulaire 3. Cette liaison se fait à proximité de l'orifice 7. L'enceinte 4 est portée à un potentiel inférieur au potentiel de l'espace d'interaction 2.It is formed by an enclosure 4 provided with an orifice 7 to let the electrons penetrate. This enclosure 4 forms the electrode. The enclosure 4 is mechanically connected, in leaktight manner, by means of an insulating spacer 5 to the annular part 3. This connection is made near the orifice 7. The enclosure 4 is brought to a lower potential to the potential of the interaction space 2.

L'entretoise isolante 5, de forme cylindrique, isole électriquement l'espace d'intéraction 2 et le collecteur 10.The insulating spacer 5, of cylindrical shape, electrically isolates the interaction space 2 and the collector 10.

On a représenté la paroi de l'enceinte 4 par deux tubes tronconiques assemblés par leur grande extrémité. La petite extrémité de l'un des tubes est fermée, ce qui forme un fond au collecteur.The wall of the enclosure 4 is represented by two frustoconical tubes assembled by their large end. The small end of one of the tubes is closed, which forms a bottom at the collector.

La petite extrémité de l'autre tube tronconique est ouverte et l'ouverture forme l'orifice 7 de l'enceinte 4. De façon connue, un fluide approprié peut circuler autour de l'enceinte 4 pour refroidir sa paroi. Cela n'est pas représenté.The small end of the other frustoconical tube is open and the opening forms the orifice 7 of the enclosure 4. In known manner, a suitable fluid can circulate around the enclosure 4 to cool its wall. This is not shown.

Dans l'espace d'interaction 2, le faisceau d'électrons est focalisé par un champ magnétique axial. A la sortie de l'espace d'interaction, ce champ magnétique décroit brusquement. En sortant de l'espace d'interaction 2, le faisceau d'électrons 1 commence à diverger rapidement, sous l'influence des forces de charge d'espace.In the interaction space 2, the electron beam is focused by an axial magnetic field. At the exit of the interaction space, this magnetic field suddenly decreases. Leaving the interaction space 2, the electron beam 1 begins to diverge rapidly, under the influence of space charge forces.

Le faisceau d'électrons 1, par suite de son passage dans l'espace d'interaction où il a interagi avec une onde électromagnétique est loin d'être monocimétique. Certains électrons sont plus lents que d'autres. Si le potentiel de l'enceinte 4 est inférieur à celui qui correspond à l'énergie des électrons les plus lents, ceux-ci ne pourront pénétrer dans l'enceinte 4. Ils seront réfléchis dans l'espace d'interaction 2. Certains électrons iront percuter le circuit hyperfréquence entraînant son échauffement, d'autres pourront même atteindre le canon à électrons.The electron beam 1, due to its passage in the interaction space where it interacted with an electromagnetic wave is far from being monocimetic. Some electrons are slower than others. If the potential of the enclosure 4 is lower than that which corresponds to the energy of the slower electrons, these will not be able to penetrate into the enclosure 4. They will be reflected in the interaction space 2. Some electrons will strike the microwave circuit causing it to heat up, others may even reach the electron gun.

Ces électrons perturbent le fonctionnement du tube hyperfréquence et peuvent même mettre en danger sa vie.These electrons disrupt the functioning of the microwave tube and can even endanger its life.

Les électrons plus rapides pénètrent dans l'enceinte 4 par l'orifice 7 et percutent la surface interne de a paroi de l'enceinte 4. La transition entre la sortie de l'espace d'interaction 2 porté à un premier potentiel (généralement la masse) et l'orifice 7 de l'enceinte 4 porté à un second potentiel inférieur au premier potentiel, s'effectue sur une distance courte.The faster electrons penetrate into the enclosure 4 through the orifice 7 and strike the internal surface of the wall of the enclosure 4. The transition between the exit from the interaction space 2 brought to a first potential (generally the ground) and the orifice 7 of the enclosure 4 brought to a second potential lower than the first potential, takes place over a short distance.

Le figure 2 représente en coupe longitudinale un collecteur 20, conforme à l'invention, pour tube hyperfréquence à faisceau d'électrons linéaire 21.FIG. 2 represents in longitudinal section a collector 20, according to the invention, for microwave tube with linear electron beam 21.

Ce collecteur 20, comme celui représenté à la figure 1, est construit autour d'un axe de révolution XX′. Cet axe est aussi l'axe du faisceau d'électrons 21.This collector 20, like that shown in FIG. 1, is built around an axis of revolution XX ′. This axis is also the axis of the electron beam 21.

Le collecteur 20 selon l'invention diffère principalement du collecteur représenté à la figure 1 par le fait qu'il comporte une chambre d'expansion 22 placée en amont d'une enceinte déprimée 23.The collector 20 according to the invention differs mainly from the collector shown in FIG. 1 in that it includes an expansion chamber 22 placed upstream of a depressed enclosure 23.

Comme précédemment le faisceau d'électrons 21 est formé par une cathode d'un canon à électrons, non représenté. Le faisceau d'électrons 21 parcourt un espace d'interaction 24 de forme tubulaire. L.'espace d'interaction 24 est entouré d'un dispositif de focalisation 25 qui empêche le faisceau d'électrons 21 de diverger. En sortie de l'espace d'interaction 24, le faisceau d'électrons 21 pénètre dans le collecteur 20. L'enceinte déprimée 23 a un seul étage. On pourrait envisager qu'elle en comporte plusieurs.As before, the electron beam 21 is formed by a cathode of an electron gun, not shown. The electron beam 21 traverses an interaction space 24 of tubular shape. The interaction space 24 is surrounded by a focusing device 25 which prevents the electron beam 21 from diverging. At the exit from the interaction space 24, the electron beam 21 enters the collector 20. The depressed chamber 23 has a single stage. One could envisage that it includes several.

L'enceinte déprimée 23 est limitée par une paroi 26. Cette paroi est pourvue, en amont, d'un orifice 27 pour laisser pénétrer les électrons. Cet orifice 27 est de préférence circulaire, de diamètre D, centré sur l'axe XX′. La portion de paroi 26 entourant l'orifice 27 forme une paroi d'entrée 30 à l'enceinte déprimée 23. La paroi 26 est réalisée dans un métal bon conducteur de la chaleur tel que du cuivre. L'enceinte déprimée 23 est portée à un potentiel inférieur au potentiel de l'espace d'interaction 24. Ce potentiel est toutefois supérieur au potentiel de la cathode produisant le faisceau d'électrons.The depressed enclosure 23 is limited by a wall 26. This wall is provided, upstream, with an orifice 27 to allow the electrons to penetrate. This orifice 27 is preferably circular, of diameter D , centered on the axis XX ′. The wall portion 26 surrounding the orifice 27 forms an inlet wall 30 to the depressed enclosure 23. The wall 26 is made of a metal which is a good conductor of heat such as copper. The depressed chamber 23 is brought to a potential lower than the potential of the interaction space 24. This potential is however greater than the potential of the cathode producing the electron beam.

On a représenté la paroi 26 de l'enceinte déprimée 23, par deux tubes tronconiques assemblés par leur grande extrémité. La petite extrémité de l'un des tubes tronconiques est fermée et forme un fond à l'enceinte déprimée 23. La petite extrémité de l'autre tube tronconique comporte une ouverture qui correspond à l'orifice 27 de l'enceinte déprimée 23. Ce dernier tube tronconique forme la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23.The wall 26 of the depressed enclosure 23 is shown by two frustoconical tubes assembled by their large ends. The small end of one of the frustoconical tubes is closed and forms a bottom at the depressed enclosure 23. The small end of the other frustoconical tube has an opening which corresponds to the orifice 27 of the depressed enclosure 23. This last frustoconical tube forms the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23.

La chambre d'expansion 22 est placée entre la sortie de l'espace d'interaction 24 et l'enceinte déprimée 23. Elle est limitée en amont par une paroi d'entrée 28, conductrice, reliée de façon étanche à l'espace d'interaction 24. Cette paroi d'entrée 28 est pourvue d'un orifice 29, de préférence circulaire, de diamètre d, centré sur l'axe XX′. Le diamètre d est suffisant pour laisser passer les électrons du faisceau. Cet orifice 29 a sensiblement le même diamètre que celui de l'intérieur de l'espace d'interaction 24. La paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 est portée au potentiel de l'espace d'interaction 24. Elle est réalisée dans un métal dissipant bien la chaleur tel que du cuivre, par exemple. En aval, la chambre d'expansion 22 est limitée par la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23.The expansion chamber 22 is placed between the outlet of the interaction space 24 and the depressed enclosure 23. It is limited upstream by an inlet wall 28, conductive, tightly connected to the space d 'interaction 24. This inlet wall 28 is provided with an orifice 29, preferably circular, of diameter d , centered on the axis XX ′. The diameter d is sufficient to let the electrons pass through the beam. This orifice 29 has substantially the same diameter as that of the interior of the interaction space 24. The inlet wall 28 of the expansion chamber 22 is brought to the potential of the interaction space 24. It is made of a metal that dissipates heat well, such as copper, for example. Downstream, the expansion chamber 22 is limited by the inlet wall 30 of the depressed precinct 23.

La paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 et la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23 sont reliées entre elles, de façon étanche, par une entretoise électriquement isolante 31. L'entretoise 31 représentée est tubulaire. La paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 et la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23 sont portées à des potentiels différents; elles créent une lentille électrostatique. En pénétrant dans la chambre d'expansion 22 les électrons du faisceau 21 divergent rapidement. Cette divergence est due au champ magnétique qui décroît rapidement à la sortie de l'espace d'interaction 24, à l'influence des forces de charge d'espace et aussi à l'effet de lentille électrostatique.The inlet wall 28 of the expansion chamber 22 and the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23 are connected to each other, in leaktight manner, by an electrically insulating spacer 31. The spacer 31 shown is tubular. The inlet wall 28 of the expansion chamber 22 and the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23 are brought to different potentials; they create an electrostatic lens. Upon entering the expansion chamber 22 the electrons in the beam 21 diverge rapidly. This divergence is due to the magnetic field which decreases rapidly at the exit from the interaction space 24, to the influence of the space charge forces and also to the effect of electrostatic lens.

Maintenant tous les électrons pénètrent dans la chambre d'expansion 22 en divergeant.Now all the electrons enter the expansion chamber 22 by diverging.

La surface intérieure de la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 et la surface extérieure de la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23 sont conformées de manière à ce que la quasi totalité des électrons trop lents pour pénétrer dans l'enceinte déprimée 23 aillent percuter la surface intérieure de la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22.The inner surface of the inlet wall 28 of the expansion chamber 22 and the outer surface of the inlet wall 30 of the depressed chamber 23 are shaped so that almost all of the electrons are too slow to penetrate in the depressed enclosure 23 strike the interior surface of the inlet wall 28 of the expansion chamber 22.

Dans la chambre d'expansion 22, on s'arrange pour que les surfaces équipotentielles soient orientées de manière à ce que les électrons ayant une vitesse quasi nulle soient déviés vers la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22. La trajectoire d'un électron est sensiblement normale à une surface équipotentielle.In the expansion chamber 22, arrangements are made for the equipotential surfaces to be oriented so that the electrons having an almost zero speed are deflected towards the inlet wall 28 of the expansion chamber 22. The trajectory of an electron is substantially normal to an equipotential surface.

Un mode de réalisation est représenté sur la figure 2. D'autres constructions sont tout à fait possibles. La surface intérieure de la paroi d'entrée 20 de la chambre d'expansion 22 et la surface extérieure de la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23 sont sensiblement en forme de cônes droits tronqués. Les cônes sont orientés dans le même sens et sont évasés vers l'aval. Ils peuvent avoir sensiblement le même angle au sommet.An embodiment is shown in Figure 2. Other constructions are quite possible. The inner surface of the inlet wall 20 of the expansion chamber 22 and the outer surface of the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23 are substantially in the form of truncated straight cones. The cones are oriented in the same direction and are flared downstream. They can have substantially the same angle at the top.

Le chemin parcouru par les électrons, entre la sortie de l'espace d'interaction 24 et l'entrée de l'enceinte déprimée 23 est beaucoup plus long que dans les collecteurs de l'art connu. En entrant dans la chambre d'expansion 22 les électrons se dispersent rapidement. Les électrons rapides pénètrent dans l'enceinte déprimée 23. La quasi totalité des électrons lents percutent la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22, une fraction négligeable des électrons lents sont renvoyés dans l'espace d'interaction 24.The path traveled by the electrons between the exit from the interaction space 24 and the entry to the depressed chamber 23 is much longer than in the collectors of the known art. Upon entering the expansion chamber 22 the electrons disperse rapidly. The fast electrons penetrate into the depressed enclosure 23. Almost all of the slow electrons strike the inlet wall 28 of the expansion chamber 22, a negligible fraction of the slow electrons are returned to the interaction space 24.

De préférence, le diamètre D de l'orifice 27 de la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23 est supérieur à deux fois le diamètre d de l'orifice 29 de la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22. De même, la distance L comprise entre l'orifice 29 de la paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 et l'orifice 27 de la paroi d'entrée 30 de l'enceinte déprimée 23, est supérieure au diamètre d.Preferably, the diameter D of the orifice 27 of the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23 is greater than twice the diameter d of the orifice 29 of the inlet wall 28 of the expansion chamber 22. Similarly, the distance L between the orifice 29 of the inlet wall 28 of the expansion chamber 22 and the orifice 27 of the inlet wall 30 of the depressed enclosure 23, is greater than diameter d .

La paroi d'entrée 28 de la chambre d'expansion 22 va être bombardée par un nombre important d'électrons. Elle va s'échauffer, il est possible de la refroidir en faisant circuler un fluide 32 autour de sa surface extérieure.The inlet wall 28 of the expansion chamber 22 will be bombarded by a large number of electrons. It will heat up, it is possible to cool it by circulating a fluid 32 around its outer surface.

En pratique, ou refroidira aussi l'extérieur de l'enceinte déprimée 23 par circulation d'un fluide approprié. Cette circulation n'est pas représentée.In practice, or will also cool the outside of the depressed enclosure 23 by circulation of an appropriate fluid. This circulation is not shown.

Avec un collecteur selon l'invention il est possible d'augmenter la différence de potentiel entre l'espace d'interaction 24 et l'entrée du collecteuur 20. Ceci permet d'optimiser le rendement du tube hyperfréquence utilisant ce collecteur, sans mettre en danger la vie du tube, ni amoindrir ses performances en matière de linéarité.With a collector according to the invention it is possible to increase the potential difference between the interaction space 24 and the inlet of the collector 20. This makes it possible to optimize the efficiency of the microwave tube using this collector, without putting in danger the life of the tube, nor reduce its performance in terms of linearity.

Claims (8)

1 - Collecteur pour recueillir les électrons d'un faisceau (21), disposé en aval d'un espace d'interaction (21) comportant : - une enceinte déprimée (23) limitée en amont par une paroi d'entrée (30) munie d'un orifice (27), - une chambre d'expansion (22) portée au même potentiel que l'espace d'interaction, insérée entre l'espace d'interaction et l'enceinte déprimée, limitée en amont par une paroi d'entrée (28) munie d'un orifice (29) , caractérisé en ce que l'orifice (27) d'entrée dans l'enceinte déprimée (23) ayant un diamètre D et l'orifice (29) d'entrée dans la chambre d'expansion (22) un diamètre d, le diamètre D est supérieur à deux fois le diamètre d. 1 - Collector for collecting the electrons of a beam (21), arranged downstream of an interaction space (21) comprising: - a depressed enclosure (23) limited upstream by an inlet wall (30) provided with an orifice (27), - an expansion chamber (22) brought to the same potential as the interaction space, inserted between the interaction space and the depressed enclosure, limited upstream by an inlet wall (28) provided with an orifice (29), characterized in that the orifice (27) for entry into the depressed enclosure (23) having a diameter D and the orifice (29) for entry into the expansion chamber (22) a diameter d , the diameter D is greater than twice the diameter d . 2 - Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface intérieure de la paroi d'entrée (28) de la chambre d'expansion (22) et la surface extérieure de la paroi d'entrée (30) de l'enceinte déprimée (23) sont sensiblement en forme de cônes tronqués, orientés dans le même sens et évasés vers l'aval. 2 - Collector according to claim 1, characterized in that the inner surface of the inlet wall (28) of the expansion chamber (22) and the outer surface of the inlet wall (30) of the enclosure depressed (23) are substantially in the form of truncated cones, oriented in the same direction and flared downstream. 3 - Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les cônes ont approximativement le même angle au sommet. 3 - manifold according to claim 2, characterized in that the cones have approximately the same angle at the top. 4 - Collecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section droite de l'espace d'interaction (24) étant circulaire, le diamètre de la section droite de l'espace d'interaction (24) est sensiblement égal au diamètre d. 4 - Collector according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cross section of the interaction space (24) being circular, the diameter of the cross section of the interaction space (24) is substantially equal to the diameter d . 5 - Collecteur selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la distance L comprise entre l'orifice (29) de la paroi d'entrée (28) de la chambre d'expansion (22) et l'orifice (27) de la paroi d'entrée (30) de l'enceinte déprimée (23) est supérieure oui égale au diamètre d. 5 - Manifold according to one of claims 1 to 4 characterized in that the distance L between the orifice (29) of the inlet wall (28) of the expansion chamber (22) and the orifice ( 27) of the inlet wall (30) of the depressed enclosure (23) is greater yes equal to the diameter d . 6 - Collecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface extérieure de la paroi d'entrée (28) de la chambre d'expansion (22) est refroidie par circulation d'un fluide (32). 6 - Collector according to one of claims 1 to 5, characterized in that the outer surface of the inlet wall (28) of the expansion chamber (22) is cooled by circulation of a fluid (32). 7 - Collecteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le potentiel de l'espace d'interaction (24) est sensiblement une masse. 7 - Collector according to one of claims 1 to 6, characterized in that the potential of the interaction space (24) is substantially a mass. 8 - Tube hyperfréquence à faisceau d'électrons linéaire caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur selon l'une des revendications 1 à 7. 8 - Microwave tube with linear electron beam characterized in that it comprises a collector according to one of claims 1 to 7.
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