FR2528626A2 - High energy microwave frequency electromagnetic wave generator - has cyclotron frequency resonator coupled to variable-delay retarding section - Google Patents
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Abstract
Description
GENERATEUR D'ONDES RADIOELECTRIQUES POUR HYPERFREQUENCE
La présente addition concerne un générateur d'ondes radio électriques pour hyperfréquence.RADIO WAVE GENERATOR FOR HYPERFREQUENCY
The present addition relates to a microwave radio frequency generator.
Le brevet principal auquel se rattache la présente addition a été déposé le 29 Décembre 1978 au nom de THOMSON-CSF sous le numéro 78.36960 et publié sous le numéro 2.445.611. Ce brevet principal concerne un générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquence fournissant des ondes millimétriques et submillimé triques. The main patent to which the present addition is attached was filed on December 29, 1978 in the name of THOMSON-CSF under No. 78.36960 and published under No. 2,445,611. This main patent relates to a radio frequency wave generator for microwave providing millimeter and submillimetric waves.
Ce genérateur utilise un faisceau d'électrons se propageant suivant un axe, ce faisceau étant soumis à l'action d'un champ magnétique dirigé suivant cet axe et à l'action d'un champ électrique de haute fréquence dirigé transversalement au champ magnétique. This generator uses a beam of electrons propagating along an axis, this beam being subjected to the action of a magnetic field directed along this axis and the action of a high frequency electric field directed transversely to the magnetic field.
Ce générateur comporte deux parties qui se succèdent le long de l'axe:
- dans la première partie, qui est celle par laquelle entre le faisceau d'électrons, on trouve des volumes résonnants qui ont une fréquence de résonance égale à la fréquence cyclotronique f c des électrons dans le champ magnétique. Ces volumes sont alimentés en haute fréquence par une source d'ondes à la fréquence cyclotronique f .Dans cette première partie, le champ électrique haute fréquence
c à la fréquence f c communique de énergie aux électrons;
- dans la deuxième partie, qui résonne à une fréquence voisine d'un multiple n.f c de la fréquence cyclotronique, a lieu le prélè- vement, sur une charge, d'une énergie à une fréquence voisine de n.f
Ce générateur permet d'obtenir une énergie transversale finale de l'ordre de 100 KeV au maximum. II n'est pas possible avec ce générateur d'obtenir des énergies beaucoup plus élevées à cause d'une limitation relativiste. This generator has two parts that follow one another along the axis:
in the first part, which is that between the electron beam, there are resonant volumes which have a resonance frequency equal to the cyclotron frequency fc of the electrons in the magnetic field. These volumes are fed at high frequency by a wave source at the cyclotron frequency f. In this first part, the high frequency electric field
c at the frequency fc communicates energy to the electrons;
in the second part, which resonates at a frequency close to a multiple nfc of the cyclotronic frequency, the sampling takes place, on a load, of an energy at a frequency close to nf
This generator makes it possible to obtain a final transverse energy of the order of 100 KeV maximum. It is not possible with this generator to obtain much higher energies because of a relativistic limitation.
Lorsque l'énerie de l'électron augmente sa vitesse v et sa
<tb> masse <SEP> m <SEP> augmentent <SEP> (m <SEP> = <SEP> mO <SEP> / <SEP> CZ) <SEP> mais <SEP> sa <SEP> vitesse <SEP> de
<tb> rotation <SEP> diminue <SEP> ( <SEP> c= <SEP> (eB <SEP> / <SEP> mO). <SEP> 2/.2X <SEP> c2)* <SEP> Le <SEP> synchronisme
<tb> entre l'électron et l'onde n'est pas maintenu et il faut arrêter l'interaction entre l'onde et l'électron avant que l'électron ne cède de l'énergie à Ponde.<tb> mass <SEP> m <SEP> increase <SEP> (m <SEP> = <SEP> mO <SEP> / <SEP> CZ) <SEP> but <SEP> its <SEP> speed <SEP> of
<tb> rotation <SEP> decreases <SEP>(<SEP> c = <SEP> (eB <SEP> / <SEP> mO). <SEP> 2 / .2X <SEP> c2) * <SEP><SEP> synchronism
<tb> between the electron and the wave is not maintained and the interaction between the wave and the electron must be stopped before the electron gives up energy to wave.
Une première addition à ce brevet principal a été déposée le 22 Janvier 1982 sous le numéro 8201013. A first addition to this main patent was filed on January 22, 1982 under the number 8201013.
Cette addition concerne un générateur selon la revendication 1 du brevet principal, mais dans lequel les volumes résonnants consistent en un guide d'ondes dont la section varie le long de l'axe, au moins en ce qui concerne la partie des volumes résonnants couplée à la source d'ondes. This addition relates to a generator according to claim 1 of the main patent, but in which the resonant volumes consist of a waveguide whose cross section varies along the axis, at least as regards the portion of the resonant volumes coupled to the source of waves.
Dans cette première addition, on compense l'augmentation de la vitesse v des électrons, qui accompagne l'augmentation d'énergie, en faisant varier la section droite du guide, donc en modifiant sa constante de propagation k. In this first addition, the increase in the velocity v of the electrons, which accompanies the increase in energy, is compensated by varying the cross section of the guide, thus modifying its propagation constant k.
Le problème qui se pose est que les variations de k sont limitées. Dans un guide d'ondes, la vitesse de phase V est toujours supérieure à la vitesse de la lumière c, ce qui se traduit par la limitatipn suivante imposée à k: k ,Lclj /VCb ou'6J, oùO, est la pulsation délivrée par la souri d'ondes 7. The problem is that the variations of k are limited. In a waveguide, the phase velocity V is always greater than the speed of light c, which results in the following limitatipn imposed on k: k, Lclj / VCb or'6J, whereO, is the pulsation delivered by the smile of waves 7.
Le générateur selon la première addition est donc limité en énergie. The generator according to the first addition is therefore limited in energy.
La présente addition concerne un générateur permettant d'atteindre des énergies plus élevées. The present addition relates to a generator for achieving higher energies.
La présente addition concerne un générateur d'ondes radio électriques pour hyperfréquence, selon la revendication 1 du brevet principal, dont les volumes résonnants consistent en un guide d'ondes dont la section varie le long de l'axe, en ce qui concerne la partie des volumes résonnants couplée à la source d'ondes, ce guide d'ondes étant suivi, selon le sens de propagation des ondes, par un guide d'ondes à retard variable. The present addition relates to a microwave radio frequency generator according to claim 1 of the main patent, the resonant volumes of which consist of a waveguide whose section varies along the axis, with respect to the portion resonant volumes coupled to the wave source, this waveguide being followed, according to the propagation direction of the waves, by a variable delay waveguide.
Ce guide d'ondes à retard variable permet de retarder l'onde pour que le synchronisme entre l'électron et l'onde soit maintenu. I1 permet obtenir des valeurs de la constante de propagation k supérieures à bJ Ic. This variable delay waveguide delays the wave so that the synchronism between the electron and the wave is maintained. I1 allows to obtain values of the propagation constant k greater than bJ Ic.
D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent:
- les figures 1 et 2, les schémas de deux variantes du générateur selon l'invention;
- les figures 3 et 4, deux schémas montrant la répartition du champ électrique dans la section droite du générateur selon l'invention, pour les modes TEll et TMo2
Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées.Other objects, characteristics and results of the invention will emerge from the following description, given by way of non-limiting example and illustrated by the appended figures which represent:
- Figures 1 and 2, the diagrams of two variants of the generator according to the invention;
FIGS. 3 and 4, two diagrams showing the distribution of the electric field in the right section of the generator according to the invention, for the modes TE11 and TMo2
In the different figures, the same references designate the same elements, but for the sake of clarity, the dimensions and proportions of the various elements are not respected.
La figure 1 représente, vu en coupe longitudinale, un mode de réalisation du générateur selon la présente addition. Sur cette figure, on a repris les mêmes références que celles utilisées à la figure 2 du brevet principal. Figure 1 shows, in longitudinal section, an embodiment of the generator according to the present addition. In this figure, we have taken the same references as those used in Figure 2 of the main patent.
On trouve donc un canon à électrons qui comporte une cathode 10 circulaire, une électrode de Pierce 12, et une anode 14 qui accélère le faisceau 1 émis par la cathode. Ce faisceau 1 se propage selon un axe XX. There is therefore an electron gun which comprises a circular cathode 10, a Pierce electrode 12, and an anode 14 which accelerates the beam 1 emitted by the cathode. This beam 1 propagates along an axis XX.
Un champ magnétique B, qui est produit par des moyens non représentés, est dirigé longitudinalement suivant l'axe XX. A magnetic field B, which is produced by means not shown, is directed longitudinally along the axis XX.
Le faisceau pénètre dans la première partie du générateur, la partie accélératrice, qui est constituée par un guide d'onde cylindrique 20 dont la section 2 augmente dans le sens de propagation du faisceau d'électrons. The beam enters the first part of the generator, the accelerating part, which is constituted by a cylindrical waveguide 20 whose section 2 increases in the direction of propagation of the electron beam.
Une source d'ondes 7 c'est-à-dire un oscillateur, est reliée par une antenne 5 au guide d'ondes 20, du côté de l'entrée du faisceau, et excite le guide à la fréquence f c qui est sensiblement égale à la fréquence cyclotronique des électrons du faisceau placés dans le champ magnétique B. Cette source établit dans le guide un champ électrique à la fréqence fc dirigé transversalement au champ magnétique. A wave source 7, that is to say an oscillator, is connected by an antenna 5 to the waveguide 20, on the side of the input of the beam, and excites the waveguide at the frequency fc which is substantially equal to at the cyclotron frequency of the electrons of the beam placed in the magnetic field B. This source establishes in the guide an electric field at the frequency fc directed transversely to the magnetic field.
Le guide à section variable 20 est suivi, selon le sens de propagation des ondes, par un autre guide cylindrique 15 à section constante. Ce guide 15 présente un retard variable. En effet, sa paroi comporte des saignées circulaires 16 orthogonales au sens de propagation de faisceau, dont la profondeur "p" augmente lorsqu'on s'éloigne du canon à électrons. Le retard que ce guide impose à l'onde qui le parcourt va donc en augmentant de gauche à droite sur la figure 1. Le guide à retard variable 15 se termine sur une charge 8 couplée à une antenne de sortie 6. Le générateur selon l'invention peut également fonctionner sans cette charge.En matière d'accélérateurs, on connaît deux modes de fonctionnement:
- un premier mode de fonctionnement dans lequel la partie accélératrice ne comporte pas de charge et se trouve à la résonance;
- un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la partie accélératrice se termine par une charge et fonctionne en onde progressive.The variable-section guide 20 is followed, according to the direction of propagation of the waves, by another cylindrical guide 15 with constant section. This guide 15 has a variable delay. Indeed, its wall has circular grooves 16 orthogonal to the direction of beam propagation, the depth "p" increases when moving away from the electron gun. The delay that this guide imposes on the traveling wave is therefore increasing from left to right in FIG. 1. The variable delay guide 15 terminates on a load 8 coupled to an output antenna 6. The generator according to FIG. The invention can also operate without this load. In terms of accelerators, two operating modes are known:
a first mode of operation in which the accelerating part has no charge and is at resonance;
a second mode of operation in which the accelerating part ends with a load and operates in a traveling wave.
Selon la présente addition, le générateur comporte une première partie (la partie accélératrice) qui est constituée par un guide à section variable et un guide d'ondes à retard variable et une deuxième partie (la partie collectrice, où s'effectue le prélévement de l'énergie) qui peut être , par exemple, un guide à section constante ou variable, une enceinte résonnante, un miroir Fabry
Perot, cette deuxième partie n'est pas représentée sur les figures 1 et2
Dans le générateur selon la première addition, la vitesse de phase V est toujours supérieure à la vitesse de la lumière c, et k = W)/ la constante de propagation est toujours inférieure à floc. According to the present addition, the generator comprises a first part (the accelerating part) which is constituted by a variable section guide and a variable delay waveguide and a second part (the collecting part, where the sampling takes place. energy) which can be, for example, a constant or variable section guide, a resonant speaker, a Fabry mirror
Perot, this second part is not represented in FIGS.
In the generator according to the first addition, the phase velocity V is always greater than the speed of light c, and k = W) / the propagation constant is always less than floc.
Lorsque l'onde se propage dans la direction de propagation du faisceau d'électrons, on a:
Ok < Ic (1)
Le rapport E/Eo de l'énergie des électrons à la sortie et à l'entrée du générateur. s'écrit:
E/Eo = m/mo = #co/#c
- avec Eo = mo.c l'énergie des électrons au repos ;
- avec E = m.c = Eo + Ec, où E est l'énergie totale et Ec est l'énergie cinétique des électrons égale initialement à la tension du canon; - avec OcoP e B/mO et ()c = e B/m.When the wave propagates in the direction of propagation of the electron beam, we have:
Ok <Ic (1)
The E / Eo ratio of the electron energy at the output and the input of the generator. is written:
E / Eo = m / mo = # co / # c
with Eo = mo.c the energy of the electrons at rest;
with E = mc = Eo + Ec, where E is the total energy and Ec is the kinetic energy of the electrons initially equal to the cannon voltage; with OcoP e B / mO and () c = e B / m.
Pour qu'il y ait synchronisme entre les électrons et l'onde, il faut qu'il y ait égalité entre la fréquence cyclotronique des électrons dans le système du laboratoire, c'est-à-dire du canon à électrons, et la fréquence Doppler, qui est la fréquence de l'onde vue par les électrons dans le système du laboratoire, ce qui s'écrit: #c = # - k (I) . V// ou #co = # - k (oà - V// où V// représente la vitesse des électrons selon l'axe XX et k (o) et k (I) sont les constantes de propagation à l'entrée et à la sortie du tube. For there to be synchronism between the electrons and the wave, there must be equality between the cyclotron frequency of the electrons in the laboratory system, that is to say the electron gun, and the frequency Doppler, which is the frequency of the wave seen by the electrons in the laboratory system, which is written: #c = # - k (I). V // or #co = # - k (where V // represents the velocity of the electrons along the axis XX and k (o) and k (I) are the propagation constants at the input and at the exit of the tube.
Le rapport E/Eo s'écrit donc aussi
Pour que le rapport E/Eo soit maximum, on prend k (o)~o, c'est-à-dire qu'à l'entrée du générateur le guide à section variable travaille à une fréquence proche de sa fréquence de coupure. So that the ratio E / Eo is maximum, we take k (o) ~ o, that is to say that at the input of the generator the variable-section guide works at a frequency close to its cutoff frequency.
Pour k (o) # o et en tenant compte de la relation (1), l'inégalité suivante est vérifiée: E/Eo # 1/(1 - V///c)
On constate donc que la limitation de k introduit une limitation en énergie du générateur.For k (o) # o and considering relation (1), the following inequality is satisfied: E / Eo # 1 / (1 - V /// c)
It is therefore found that the limitation of k introduces a limitation in energy of the generator.
Par exemple, pour Vfl /c = 0,2 ce qui correspond à une tension entre l'anode et la cathode du canon à électrons de 10 KV environ et pour k (o)~o, l'énergie transversale finale est limitée à 128 KeV. For example, for Vfl / c = 0.2 which corresponds to a voltage between the anode and the cathode of the electron gun of approximately 10 KV and for k (o) ~ o, the final transversal energy is limited to 128 keV.
On peut bien sûr augmenter l'énergie transversale finale en augmentant la tension du canon et V// /c mais le rendement se trouve diminué car l'énergie ainsi apportée n'est pas utilisée au cours de l'interaction dans la deuxième partie du générateur. One can of course increase the final transversal energy by increasing the tension of the gun and V // / c but the yield is diminished because the energy thus brought is not used during the interaction in the second part of the generator.
Lorsque l'onde se propage dans la direction opposée à la direction de propagation du faisceau, il y a également limitation de la valeur de la constante du propagation k et limitation en énergie du générateur. When the wave propagates in the direction opposite to the propagation direction of the beam, there is also a limitation of the value of the propagation constant k and energy limitation of the generator.
Selon la présente addition, le générateur comporte un guide à section variable suivi d'un guide à retard variable. Le guide à retard variable est choisi pour qutil y ait sur son axe un champ électo- magnétique de même forme générale que le champ existant dans le guide à section variable. Ainsi, des valeurs de k supérieures à sont possibles. According to the present addition, the generator comprises a variable section guide followed by a variable delay guide. The variable delay guide is chosen so that there is on its axis an electromagnetic field of the same general shape as the field existing in the variable section guide. Thus, values of k greater than are possible.
On a alors lorsque l'onde se propage dans la direction de propagation du faisceau et pour k (o) # o et k (1) = #/V# (1): E/Eo =1/(1-V///V# (I)) où V8 (1) représente la vitesse de phase de l'onde à la sortie du générateur. We then have when the wave propagates in the direction of propagation of the beam and for k (o) # o and k (1) = # / V # (1): E / Eo = 1 / (1-V // / V # (I)) where V8 (1) represents the phase velocity of the wave at the output of the generator.
Si l'on reprend l'exemple numérique déjà envisagé avec V11 /c = 0,2, une tension entre l'anode et la cathode de 10 KV environ, et k(o)o, l'énergie transversale finale atteint 1024 KeV, lorsque V (I) descend jusqu'à la valeur 0,3.c. If we take again the numerical example already envisaged with V11 / c = 0,2, a tension between the anode and the cathode of approximately 10 KV, and k (o) o, the final cross-energy reaches 1024 KeV, when V (I) goes down to the value 0.3.c.
Pour les mêmes valeurs numériques, lorsque l'onde se propage dans la direction inverse de propagation du faisceau, l'énergie transversale finale est limitée à 341 KeV. La disposition en ondes inverses est moins avantageuse du point de vue de l'énergie, mais elle a pour avantage que l'injection d'énergie HF se fait du coté où les électrons ont la plus haute énergie. For the same numerical values, when the wave propagates in the reverse direction of propagation of the beam, the final transverse energy is limited to 341 KeV. The inverse wave arrangement is less advantageous from the point of view of energy, but it has the advantage that the injection of HF energy is on the side where the electrons have the highest energy.
Sur la figure 1, la ligne à retard variable est constituée d'un guide d'ondes présentant sur sa paroi des saignées dont la profondeur "p" varie d'une saignée à l'autre. In Figure 1, the variable delay line consists of a waveguide having on its wall grooves whose depth "p" varies from one kerf to another.
L'efficacité de ce guide à retard variable dépend des modes propagés. Les modes propagés doivent posséder un champ qui excite des courants longitudinaux dans la paroi du guide ; ces courants sont obligés de pénétrer les saignées. The effectiveness of this variable delay guide depends on the propagated modes. The propagated modes must have a field which excites longitudinal currents in the wall of the guide; these currents are obliged to penetrate the bloodletting.
La plupart des modes conviennent, mais on peut noter que les modes TE on circulaires ne conviennent pas. Most modes are suitable, but it can be noted that TE modes on circular are not suitable.
Lorsque le faisceau électronique est dans la région axiale ce qui est le cas pour le canon Pierce classique représenté sur la figure 1, le mode doit présenter un champ électrique transversal sur l'axe. When the electron beam is in the axial region which is the case for the conventional Pierce gun shown in Figure 1, the mode must have a transverse electric field on the axis.
L'exemple le plus simple est le mode TE11 représenté sur la figure 3.The simplest example is the TE11 mode shown in Figure 3.
Lorsqu'on utilise un canon annulaire qui produit un faisceau tubulaire concentrique à l'axe, il faut que le mode ait un champ transversal en dehors de l'axe. L'exemple le plus simple est le mode TMo2 représenté sur la figure 4. When using an annular gun that produces a tubular bundle concentric with the axis, the mode must have a transverse field off the axis. The simplest example is the TMo2 mode shown in Figure 4.
A la place d'un guide à section constante comportant des saignées, on peut utiliser comme guide d'onde à retard variable, par exemple, une ligne à retard en hélice à pas variable. On peut aussi utiliser par exemple un guide à section constante contenant un fourreau diélectrique dont l'épaisseur augmente de gauche à droite sur la figure 1 et de droite à gauche sur la figure 2. Instead of a constant section guide with grooves, it is possible to use as a variable delay waveguide, for example, a variable pitch helix delay line. One can also use for example a constant section guide containing a dielectric sheath whose thickness increases from left to right in Figure 1 and from right to left in Figure 2.
La figure 2 diffère de la figure 1 parce que la source 7 est reliée au guide du côté de la sortie du faisceau d'électrons. Le coefficient k est négatif. On est amené à utiliser un guide 20 dont la section décroît selon le sens de propagation du faisceau. ce guide est suivi, selon le sens de propagation des ondes, d'un guide à retard variable 15 qui est relié à la charge 8. Ce guide 15 est un guide cylindrique présentant sur sa paroi des saignées 16 dont la profondeur "p" diminue selon le sens de propagation du faisceau. Figure 2 differs from Figure 1 because the source 7 is connected to the guide on the output side of the electron beam. The coefficient k is negative. It is necessary to use a guide 20 whose section decreases in the direction of propagation of the beam. this guide is followed, according to the direction of wave propagation, of a variable delay guide 15 which is connected to the load 8. This guide 15 is a cylindrical guide having on its wall grooves 16 whose depth "p" decreases according to the direction of propagation of the beam.
Comme cela a été signalé dans la première addition, il est possible d'utiliser un champ magnétique B qui varie le long de l'axe de propagation. On peut utiliser pour constituer le générateur selon la présente addition d'autres formes de guides que des guides à section circulaire, et notamment des guides à section rectangulaire. As noted in the first addition, it is possible to use a magnetic field B which varies along the axis of propagation. It is possible to use the generator according to the present addition of other forms of guides as guides with circular section, and in particular guides with rectangular section.
De même, on peut utiliser des guides cylindriques dont la section est déformée de façon à présenter deux extensions, de section rectangulaire, diamétralement opposées. Similarly, one can use cylindrical guides whose section is deformed so as to have two extensions, of rectangular section, diametrically opposed.
Claims (11)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR8210408A FR2528626A2 (en) | 1978-12-29 | 1982-06-15 | High energy microwave frequency electromagnetic wave generator - has cyclotron frequency resonator coupled to variable-delay retarding section |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR7836960A FR2445611A1 (en) | 1978-12-29 | 1978-12-29 | RADIO WAVES GENERATOR FOR MICROWAVE |
| FR8210408A FR2528626A2 (en) | 1978-12-29 | 1982-06-15 | High energy microwave frequency electromagnetic wave generator - has cyclotron frequency resonator coupled to variable-delay retarding section |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR2528626B2 FR2528626B2 (en) | 1985-01-11 |
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Family Applications (1)
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2528626B2 (en) | 1985-01-11 |
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