FR2516720A1

FR2516720A1 - Amplificateur gyromagnetique

Info

Publication number: FR2516720A1
Application number: FR8218878A
Authority: FR
Inventors: Dudley Perring
Original assignee: EMI Varian Ltd; Thorn EMI Varian Ltd
Current assignee: EMI Varian Ltd; Thorn EMI Varian Ltd
Priority date: 1981-11-13
Filing date: 1982-11-10
Publication date: 1983-05-20
Also published as: GB2109986A; DE3233387A1

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN AMPLIFICATEUR GYROMAGNETIQUE. CET AMPLIFICATEUR COMPORTE UN GUIDE D'ONDES 1, UN SOLENOIDE 7 SERVANT A PRODUIRE UN CHAMP MAGNETIQUE AXIAL DANS LE GUIDE D'ONDES ET UN INJECTEUR 8 DIRIGEANT UN FAISCEAU 4 D'ELECTRONS DANS LE GUIDE D'ONDES, LES ELECTRONS DU FAISCEAU ELECTRONIQUE ETANT TENUS DE TOURNER DANS LE CHAMP MAGNETIQUE A LA VITESSE CYCLOTRONIQUE, CEPENDANT QUE LE RAYONNEMENT EST INTRODUIT DANS LE GUIDE D'ONDES 1 PAR DES MOYENS 30 A 33 DE TRANSFORMATION D'UN RAYONNEMENT POLARISE LINEAIREMENT EN UN RAYONNEMENT POLARISE CIRCULAIREMENT. APPLICATION NOTAMMENT AUX KLYSTRONS ET AUX TUBES A ONDES PROGRESSIVES.

Description

La présente invention concerne un amplificateur gyromagnétique, par

exemple un tube gyromagnétique à on- des progressives ou un klystron gyromagnétique. Afin de mieux comprendre les bases de la pré- 5 sente invention, on va décrire tout d'abord le fonc- tionnement d'un gyrotron en se référant aux figures l et 2 annexées à la présente demande sur lesquelles la figure l est une vue en coupe d'un guide d'ondes d'un gyrotron, et la figure 2 représente un électron tour- 10 nant dans un champ électrique et dans un champ magné- tique. Dans les grandes lignes, le mode de fonctionne- ment d'un gyrotron classique est le suivant: En se référant à la figure 1, on voit qu'un 15 oscillateur formé d'un gyrotron classique comporte un guide d'ondes circulaire l dimensionné de manière à constituer une région d'interaction et à fonction- ner selon le mode TE à une fréquence choisie dans la gamme des hautes fréquences Sur la figure 1 on a 20 représenté par des lignes 2 formées de tirerts le champ électrique au mode TEO 1 Un champ magnétique axial 3 d'intensité B est appliqué au guide d'ondes et un faisceau électronique creux, dont les limites intérieure et extérieure sont repérées par des traits 25 épaissis 4, circulent dans le guide d'ondes. Comme représenté en 5 sur les figures 1 et 2, un électron individuel 6 est tenu de tourner sous l'in- fluence du champ magnétique L'électron tourne selon un mouveme-nt de rotation à la fréquence dénommée fré- 30 quence cyclotronique, définie par: wc= e B/m (i) dans laquelle e est la charge de l'électron, B est l'in- 35 tensité de champ magnétique et m est la masse relativiste

2 de l'électron. Le rayon de l'orbite est donné par la relation: r mv (ii) e B 5 dans laquelle v est la vitesse tangentielle de l'électron. L'intensité du champ électrique est donnéepar la relation: 10 E = E coscnt (iii) dans laquelle Ò est la fréquence angulaire associée au champ à haute fréquence appliqué. A l'instant t = 0, le champ électrique possède 15 une valeur maximum E = E 0. Un électron situé dans la position A est soumis à un champ retardateur maximum tandis qu'un électron situé dans la position B est soumis à un champ accélé- rateur maximum Un demi-cycle plus tard,-à l'instant 20 r/wo, le champ électrique aura à nouveau sa valeur ma- ximum, mais en sens opposé, c'est-à-dire E = E 25 Si la fréquence angulaire de l'électron, wc' est égale à la fréquence angulaire W du champ à hau- te fréquence appliqué, l'électron, qui est parti de A, sera maintenant en B, et à nouveau sera soumis à un champ retardateur, tandis que l'électron, qui est par- 30 ti de B, sera maintenant en A et sera soumis à nou- veau à un champ accélérateur. Dans le dispositif gyrotron classique, les électrorsdu faisceau possèdent, au moins lorsqu'ils sont initialement dans le guide d'ondes,de nombreuses 35 phases différentes par rapport au champ à haute fré-

3 quence. On peut voir que tous les électrons partant à l'instant t = O dans le secteur C A D, seront soumis à un champ décélérateur net pendant un cycle Par consé- 5 quent leur vitesse diminuera de même que leur masse et par conséquent, conformément à l'équation (i), leur fré- quence de rotation, wc' augmentera de sorte qu'ilsseront en avance de phase par rapport au champ électrique à hau- te fréquence appliqué. 10 Par conséquent les électrons dans ce secteur subiront une avance de phaseen se déplaçant cycle après cycle en direction du point C De même, d'après l'équa- tion (ii), lorsque la masse et la vitesse de l'électron diminuent, son rayon de gyration diminue. 15 Inversement tous les électrons partant à l'ins- tant t = 0 dans le secteur C B D, seront soumis à un champ accélérateur net Leur masse diminuera et par conséquent leur fréquence de rotation, W c' diminuera, ce qui les placera en état de retard de phase par 20 rapport au champ électrique haute fréquence appliqué. Ainsi les électrons situés dans ce secteur tendront, cycle après cycle, à se déplacer, vers le point C, avec un rayon de gyration devenant de plus en plus grand. Par conséquent, cycle après cycle, il se pro- 25 duit un regroupement ou une accumulation de tous les électrons en direction du point C. Dans un dispositif gyrotron classique, la fré- quence cyclotronique W c est légèrement inférieure à la- fréquence angulaire w, et l'on a par exemple 30 w O = 1,029 wc et la phase des électrons regroupés par rapport au champ est réglée de manière que les électrons délivrent au 35 champ à haute fréquence une énergie nette dépassant

4 les pertes dans la cavité, de sorte qu'il se produit une oscillation et que l'on peut disposer d'une puissance de sortie La puissance de sortie dépend du nombre des élec- trons regroupés dans là phase appropriée en vue de déli- 5 vrer une énergie au champ à haute fréquence. Une application d'un gyrotron du type décrit ci- dessus à un amplificateur gyromagnétique, par exemple au tube gyromagnétique à ondes progressives (TWT) ou au klystron gyromagnétque, dans lequel un guide d'ondes de 10 propagation est utilisé pour permettre une interaction continue du faisceau d'électrons avec un champ à haute fréquence On connatt des amplificateurs gyromagnétiques, dans lesquels le faisceau d'électrons coagit avec un mode TE 01 de guide d'ondes; cependant on préfère une inter- 15 action avec le mode de guide d'ondes dominant TE 1, pola- risé circulairement étant donné que c'est le mode à la fréquence la plus basse et que par conséquent il n'est pas affecté par des perturbations de la part d'autres modes Jusqu'à présent il a été possible de réaliser la 20 propagation d'un mode TE 11 polarisé circulairement en combinant deux modes TE 11 polarisés linéairement, dégé- nérés, excités dans le temps et dans l'espace en quadra- ture de phase Cependant le maintien d'une relation de phase précise entre les modes s'avère difficile et il 25 en résulte une largeur de bande relativement étroite. Un but de la présente invention est de fournir un amplificateur gyromagnétique dans lequel les diffi- cultés mentionnées ci-dessus sont sensiblement réduites. Conformément à la présente invention il;est pré- 30 vu un amplificateur gyromagnétique comportant une guide d'ondes, qui est de section transversale circulaire et dimensionné de manière à recevoir un rayonnement se con- formant à un mode d'onde électrique polarisé circulaire- ment et à agir en tant que zone d'interaction à une hau- 35 tefréquence prédéterminée, des moyens permettant de re

5 cevoir un rayonnement à haute fréquence destiné à être amplifié et comportant un mode électrique transversal et de transformer ledit rayonnement en un rayonnement possédant un mode électrique polarisé circulairement, 5 le guide d'onde étant aligné coaxialement avec les moyens de transformation de manière à recevoir le rayonnement polarisé circulairement provenant desdits moyens de trans- formation, des moyens pour produire, dans la zone d'in- teraction, un champ magnétique axial d'une intensité pro- 10 voquant une rotation des électrons à une vitesse cyclô- tronique prédéterminée, et des moyens pour injecter dans le guide d'ondes un faisceau d'électrons possédant une composante préréglée de vitesse perpendiculaire à l'axe du guide d'ondes et apte à entraîner une rotation des 15 électrons du faisceau dans le champ magnétique possédant ladite intensité, à la fréquence cyclotronique, et une comportante de vitesse parallèle à l'axe et apte à pro- duireplusieurs cycles de rotation du faisceau dans la cavité. 20 Selon une forme de réalisation, les moyens d'in- jection sont constitués par un canon à électrons annu- laire, coaxial à l'axe du guide d'ondes et agencé de ma- nière à diriger un faisceau d'électrons creux linéaire possédant une vitesse préréglée en direction dudit axe 25 et sous un angle d'incidence par rapport à ce dernier définissant lesdites composantes de vitesse, et des moyens ayant pour effet de rendre le champ magnétique parallèle au faisceau lorsque ce dernier est linéaire. D'autres caractéristiques et avantages de la 30 présente invention ressortiront de la description don- née ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: les figures l et 2, dont il a déjà été fait mention, représentent respectivement une section de 35 guide d'ondes d'un gyrotron connu et un schéma mon-

6 trant la rotation d'un électron dans un champ électrique et dans un champ magnétique, la figure 3 représente une vue en coupe transver- sale d'un amplificateur gyromagnétique; 5 la figure 4 représente une vue explosée d'un dispositif polariseur; et la figure 5 est un diagramme vectoriel utile pour la compréhension du fonctionnement du dispositif polariseur. 10 En se référant à la figure 3, on voit qu'un guide d'ondes l de section transverale circulaire est dimnensionné de manière à former une zone d'interaction pour fonctionner selon le mode T Eil polarisé circulai- rement à une fréquence w de propagation d'un rayonne- 15 ment à haute fréquence dans ledit guide d'ondes Comme cela est décrit dans des articles de Chu, Barnett et Granatstein (IEEE Trans on Electron Devices Vol Ed 28, pages 866-875), le guide d'ondes peut avoir une forme effiléeou à raccord progressif Les électrons sont in- 20 jectés dans le guide d'ondes au moyen d'un injecteur, représenté dans son ensemble par la référence 8, et sont tenus de tourner à la vitesse cyclotronique c en réponse à l'action d'un champ magnétique d'intensi- té B s'étendant essentiellement axialement le long du 25 guide d'ondes Le champ magnétique est produit par un solénoïde 7 entourant le guide d'ondes. L'injecteur 8 produit un faisceau creux 4 d' électrons sous la forme d'un cône dont la génératrice intersecte l'axe du guide d'ondes 1 sous l'angle a. 30 Cette configuration est particulièrement appropriée dans le cas d'une utilisation dans l'amplificateur gyromagnétique fonctionnant selon le mode TE 11, étant donné qu'un rayonnement polarisé circulairement peut être introduit dans le dispositif, en vue d'y être am- 35 plifié, le long de l'axe du guide d'ondes, les éléments

7 formant l'injecteur étant disposés autour de l'axe. Dans cet exemple, un rayonnement à haute fré- quence est introduit dans le guide d'ondes 1 moyennant l'utilisaticnd'un dispositif polariseur à trois compo- 5 sants, désigné dans son ensemble par la référence 30 sur les figures 3 et 4 et illustré à plus grande échel- le sur la figure 5 Le rayonnement polarisé linéaire- ment, destiné à être amplifié dans l'amplificateur gyromagnétique, arrive dans le transformateur de guide 10 d'ondes rectangulaire/circulaire 31 et traverse un ro- tateur de Faraday 32 Le rotateur se compose d'un bar- reau de ferrite 34 disposé au centre d'un guide d'ondes circulaire 35 et possédant la longueur de ce dernier. Une bobine de fil 36 entoure le guide d'ondes de sorte 15 qu'un champ magnétique axiale peut être appliqué au barreau parun courant d'excitation Le rôle du rota- teur est de faire tourner le champ incident sur un angle de 450, soit dans le sens des aiguilles d'une mon- tre, soit en sens inverse, selon la direction du cou- 20 rant d'excitation appliqué. Le rayon tombe alors sur un polariseur circulai- re 33 Le polariseur 33 représenté est constitué à par- tir d'un guide d'ondes circulaire, moyennant l'inser- tion de deux plaques 37, 38, comme représenté, de sorte 25 que le guide d'ondes possède une largeur différente sui- vant les plans principaux horizontal et vertical Le vec- teur électrique incident E, qui fait un angle de 45 par ra rapport à la face étendue de la plaque,-peut être subdivisé en deux composantes égales présentant des vec- 30 teurs E respectivement perpendiculaire et parallèle à cette face. Le polariseur agit en introduisant un retard de phase de 90 pour une composante, de sorte que les compo- santes sortantes sont en quadrature dans le temps et dans 35 l'espace, c'est-à-dire que l'onde est polarisée circulai-

8 rement Le sens de polarisation peut être inversé en uti- lisant le rotateur de Faraday pour faire tourner de 90 le vecteur E tombant sur le polarisateur. Si on le désire, on peut supprimer -le rotateur 5 de Faraday 32 du dispositif polariseur, le rayonnement- passant directement du transformateur de guide d'ondes 31 au polariseur 33. La figure 5 montre un diagramme illustrant le dispositif de la figure 4 et montre l'orientation du 10 vecteur électrique E dans différentes positions à l'in- térieur du dispositif, dans lesquelles les vecteurs res- pectifs sont alignés. En se référant à nouveau à la figure 3, on voit que l'injecteur 8 comporte une cathode chaude 15 annulaire 9, de coupe transversale triangulaire, co- axiale à l'axe 10 du guide d'ondesl et comportant une surface émissive annulaire plane il disposée en face de l'axe 10, la normale 12 à la surface Il déterminant un angle d'incidence a par rapport à l'axe Il est pré- 20 vu un dispositif de chauffage annulaire 13 pour la ca- thode 9. Une grille de commande 14 possède une forme annulaire et est disposée à une certaine distance et paral- lèlement à la surface émissive 11 de la cathode et se pré- 25 sente sous la forme d'un tronc de cône creux possédant de nombreuses ouvertures 15 destinées au passage des élec- trons Il est également prévu une anode annulaire 16 possédant des ouvertures 17 pour les électrons. Les électrons situés dans le faisceau sont con- 30 traints de suivre la normale 12 par suite de la produc- tion d'un champ magnétique dirigé parallèlement à cet- te normale Ce champ est produit par modification des lignes de force du champ magnétique du solénoïde en uti- lisant un certain type de modificateur de champ magnéti- 35 que Dans le cas de l'exemple, on utilise une bobine ma-

9 gnétique annulaire 18 sur la face de la cathode 9, si- tuée à l'opposé du solénoïde La modification produit un champ magnétique qui est aussi parallèle que possi- ble à la normale 12, et ce avec une transition abrupte 5 parallèlement à l'axe 10 Afin de garantir la cohérence du faisceau, si cela est nécessaire, on prévoit une élec- trode annulaire supplémentaire sur la grille 14 Cette électrode supplémentraire peut prendre la forme de deux fils annulaires 19 disposés sur les faces respectives de 10 lagrille 14 Chaque fil peut être remplacé par une électrode annulaire possédant une section en coupe transver- sale incurvée comme représenté en 20 Les potentiels ap- pliqués à la cathode 9, à la grille de commande 14, à l'électrode supplémentaire 19 ou 20 et à l'anode 19 sont 15 choisis de manière à produire un faisceau d'électrons possédant une intensité désirée et une vitesse désirée. On notera d'après la figure 3 que les composants, qui constituent l'injecteur 8, entourent l'axe 10 tout en en étant distants, et, comme cela sera décrit ci-après, 20 cette disposition permet l'utilisation d'un dispositif polariseur décrit en référence aux figures 4 et 5 et qui est monté coaxialement au guide d'ondes. La vitesse du faisceau et l'angle a d'incidence du faisceau par rapport à l'axe 10 sont choisis de ma- 25 nière que la composante de vitesse, normale à l'axe, provoque une rotationdes électrons du faisceau à la fré- quence cyclotronique _ e B Uc m 30 requise pour l'interaction avec le champ à haute fréquen- ce tournant à la fréquence w , et la composante de vi- tesse par rapport à l'axe est telle qu'il se produit, dans la cavité résonnante, plusieurs cycles de rotation 35 du faisceau tournant Dans cet exemple le rapport de la

10 composante normale de vitesse à la composante parallèle de vitesse peut être respectivement égal à 1:5 Lorsque le faisceau électrons 4 traverse le guide d'ondes 1, il délivre progressivement plus d'énergie au champ à haute 5 fréquence se propageant selon le mode TE 11 polarisé circulairement, dans le guide d'ondes,et qui est de ce fait amplifié Il est prévu des bobines magnétiques 21 servant à faire diverger le faisceau une fois qu'il est sorti du guide d'ondes 1, alors qu'il rencontre la zone de collec- 10 teur d'un guide d'ondes de sortie 23 de l'amplificateur, qui est fermé de façon étanche par une fenêtre 24. Le rayon polarisé circulairement sortant du gui- de d'ondes 1 peut, si cela est nécessaire, être recon- verti selon le mode TE,1 polarisé linéairement , moyennant l'utilisation du dispositif polariseur de la figu- re 4 en sens inverse. Un amplificateur gyromagnétique construit con- formément à la présente invention fournit un dispositif approprié pour l'obtention d'une interaction entre un 20 champ à haute fréquence polarisé circulairement et un faisceau d'électrons tournant.

Claims

REVENDICATIONS .CLMF: 1 Amplificateur gyromagnétique, caractérisé en ce

qu'il comporte un guide d'ondes ( 1) qui est de section transversale circulaire et est dimensionné de manière à 5 recevoir un rayonnement se conformant à un mode d'onde électrique polarisé circulairementet à agir en tant que zone d'interaction à une haute fréquence prédéterminée, des moyens ( 31,33) pour recevoir le rayonnement à hau- te fréquence, destiné à être amplifié, et possédant un 10 mode électrique transversal et pour transformer ledit rayonnement en un rayonnement possédant un mode électrique polarisé circulairement, le guide d'ondes ( 1) étant aligné coaxialement aux moyens de transformation en vue de recevoir le rayonnement polarisé circulaire- 15 ment provenant de ces moyens, et des moyens ( 7) pour pro- duire, dans la zone d'interaction, un champ magnétique axial possédant une intensité apte à provoquer une ro- tation des électrons à une fréquence cyclotronique pré- déterminée ec )' et des moyens ( 8) pour injecter, dans 20 le guide d'ondes ( 1) un faisceau d'électrons ( 4) possé- dant une composante préréglée de vitesse perpendiculai- re à l'axe du guide d'ondes ( 1),et apte à provoquer une rotation des électrons du faisceau dans le champ magné- tique possédant ladite intensité, et ce à la fréquence 25 cyclotronique, et une composante de vitesse parallèle à l'axe et apte à produire plusieurs cycles de rotation du faisceau dans la cavité.
2 Amplificateur gyromagnétique selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les moyens d'injec- 30 tion ( 8) coneportent un canon à électrons annulaire, dis- posé coaxialement à l'axe du guide d'ondes et agencé de manière à diriger un faisceau d'électrons linéaire creux, possédant une vitesse préréglée, vers ledit axe sous un angle d'incidence (a) par rapport à ce dernier,en 35 définissant lesditescomposantes de vitesse, et des moyens pour rendre le champ magnétiqueparallèle au faisceau, là o ce dernier est linéaire.
3 Amplificateur gyromagnétique selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que 5 les moyens de transformation ( 31,33) sont constitués par le montage en série d'un transformateur de guide d'ondes rectangulaire/circulaire ( 31) pour la réception du rayon- nement à haute fréquence possédant un mode électrique transversal, et un polariseur circulaire ( 33) servant à 10 produire à partir de ce rayonnement un rayonnement pos- sédant un mode électrique polarisé circulairement.
4 Amplificacteur gyromagnétique selon la reven- dication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un rotateur de Faraday ( 32) monté entre le transformateur de guide 15 d'ondes rectangulaires ( 31) et le polariseur circulaire ( 33).
5 Amplificateur gyromagnétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens ( 7) rendant le champ magnétique parallè- 20 le au faisceau, là o ce dernier est linéaire, compren- nent une bobine magnétique annulaire disposée coaxiale- ment au guide d'ondes ( 1) sur -le côté des moyens d'injec- tion ( 8), situé à l'opposé des moyens servant à produite ledit champ magnétique axial. 25
6 Amplificateur gyromagnétique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le guide d'ondes ( 1) se rétrécit avec une forme effilée en direction de sa sortie.
7 Amplificateur gyromagnétique selon l'une 30 quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens servant à convertir un rayon- nement polarisé circulairement produit à la sortie du guide d'ondes ( 1) en un rayonnement possédant un mode électrique transversal.