FR3015767A1 - Dispositif generateur d'ondes microondes a cathode virtuelle oscillante, a geometrie axiale, comportant au moins un reflecteur et une bague magnetique, configure pour etre alimente par un generateur a forte impedance - Google Patents

Abstract

La présente demande concerne un générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante, à géométrie axiale, comportant au moins un premier réflecteur (F1) positionné dans un guide d'ondes cylindrique (105) en aval d'une anode mince (104), positionnée à l'entrée du guide d'ondes cylindrique (105), entre une cathode (102) et le guide d'ondes cylindrique (105). Le dispositif comporte en outre une bague magnétique (112) étroite de largeur (LM) selon l'axe longitudinal z, positionnée extérieurement autour du guide d'ondes cylindrique (105), entre l'anode mince (104) et le premier réflecteur (F1).

Description

La présente invention concerne un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante (souvent désigné par le vocable de type VIRCATOR, découlant de l'expression anglaise de « VIRtual CAthode oscillaTOR »). Un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante de l'art antérieur, ou VIRCATOR, est représenté schématiquement sur la figure 1. Le VIRCATOR comprend une diode constituée d'une cathode 2 et d'une anode 3+4, émettant un faisceau d'électrons 1, ainsi que d'un guide d'ondes cylindrique 5. L'anode est constituée d'une armature épaisse 3 et d'une feuille mince 4 (fréquemment appelée par la suite « anode mince 4 » par simplification). On entend ici par « mince » que la feuille de l'anode 4 présente une épaisseur de l'ordre du micromètre, c'est-à-dire de quelques micromètres voire de quelques dixièmes de micromètres. La feuille mince 4 est couplée au guide d'ondes cylindrique 5. En d'autres termes, l'anode mince 4 sépare la cathode 2 du guide d'ondes cylindrique 5 en étant située à une entrée du guide d'ondes 5, à une interface entre l'armature épaisse 3 et le guide d'ondes 5 ; et l'armature épaisse 3 entoure généralement la cathode 2. Ce type de dispositif est connu pour produire des impulsions microondes de fortes puissances.

A cette fin, une différence de potentiel est appliquée aux bornes de la diode 2+3+4 créant une émission électronique au niveau de la cathode 2. Quand la densité de courant électronique émise dépasse la densité de courant limite de Child-Langmuir, le faisceau d'électrons 1 éclate sous l'effet de sa propre charge d'espace. Au niveau de la feuille mince 4 de l'anode, les composantes transverses du champ électrique, par rapport à un axe z représentant un axe longitudinal du guide d'ondes cylindrique 5, s'annulent. Le faisceau d'électrons 1 commence alors à se pincer sous l'effet de son champ magnétique. Quand le courant pénétrant dans le guide d'ondes cylindrique 5 dépasse le courant limite de charge d'espace (dit courant « critique », noté I,), la densité d'électrons devient si forte que le faisceau ne peut plus se propager dans le guide d'ondes 5. Une accumulation de charge 6, communément appelée « cathode virtuelle 6 », se forme alors au-delà de la feuille mince 4. La cathode virtuelle 6 dévie alors de nombreux électrons jusqu'à en renvoyer certains vers la cathode 2, à travers la feuille mince 4. En régime relativiste, une estimation du courant critique I, est donnée par : avec y = 1 + qV/mc2, où q est la charge d'un électron, V la différence de potentiel appliquée entre les électrodes de la diode 2+3+4, m la masse d'un électron au repos, c la vitesse de la lumière, et co la permittivité du vide. Compte tenu de l'éclatement du faisceau à l'émission dans la diode, le rayon du faisceau r entrant dans le guide d'ondes est de l'ordre du rayon du guide d'ondes cylindrique RG. Un ordre de grandeur du courant critique I, (en kilo-Ampère) est alors donné par l'expression simplifiée suivante : 3/2 Tout en se rapprochant de l'anode mince 4, la cathode virtuelle 6 accroît sa densité de charges jusqu'au moment où elle éclate sous l'effet de sa propre charge d'espace et une nouvelle cathode virtuelle se reconstitue un peu plus loin dans le guide d'ondes 5. C'est ce principe d'oscillation de la cathode virtuelle qui est à l'origine d'une émission d'une onde microonde 7. La figure 1 représente une formation d'une cathode virtuelle oscillante dans un dispositif de type VIRCATOR de l'art antérieur quand le courant du faisceau dépasse le courant critique dans le guide d'ondes 5. La figure 2 représente la signature caractéristique, dite « en losange » de la cathode virtuelle oscillante 6 dans l'espace des phases avec l'accélération et la décélération des électrons au passage de l'anode mince 4 sur leur trajet de la cathode 2 vers la cathode virtuelle 6 et inversement, c'est-à-dire la quantité de mouvement selon la direction longitudinale et en fonction de la position longitudinale. La cathode virtuelle 6 se déplace autour d'une position moyenne qui se situe à une distance de l'anode mince 4 approximativement égale à celle qui sépare l'anode mince 4 de la cathode émettrice 2 (cette dernière distance étant désignée par dAK). Les électrons qui sont renvoyés par la cathode virtuelle 6 vers la cathode 2 en passant à travers l'anode mince 4 sont modulés à la fréquence de l'onde microonde 7 et interagissent avec le faisceau d'électrons 1 créé dans l'espace entre la cathode 2 et l'anode mince 4 en le modulant légèrement. Ces électrons rétrodiffusés sont freinés entre l'anode mince 4 et la cathode 2. Ils sont aussi déviés principalement vers l'armature de l'anode 3. Parallèlement, les électrons qui franchissent la cathode virtuelle 6 reprennent de l'énergie à l'onde microonde 7 qui se propage dans le guide d'ondes 5, diminuant ainsi son intensité.

Le dimensionnement d'un VIRCATOR axial selon l'état de l'art connu est le suivant : La fréquence f de l'onde microonde 7 émise (exprimée en GHz) est fonction de la distance dAK (exprimée en cm) qui sépare la cathode 2 de l'anode mince 4, et du facteur relativiste y des électrons au niveau de l'anode mince 4 en relation avec la différence de potentiel appliquée à la diode 2+3+4. Cette fréquence peut être estimée par la formule suivante : 4 L'onde microonde 7, ayant une symétrie axiale de révolution, évolue dans des modes dits « transverses magnétiques », désigné par « TM0, », la composante axiale de son champ magnétique étant nulle. Pour qu'elle se propage à l'intérieur du guide d'ondes cylindrique 5 dans le seul mode TMoi, il faut que le rayon RG du guide d'ondes cylindrique 5 soit supérieur à la longueur d'onde de coupure du mode suivant TM02. L'équation ci-dessous (et non la formule inverse qui est apparue être erronée) rend compte de ces conditions de propagation : où k0 représente la racine de l'équation de la fonction de Bessel Jo(kon) = 0, avec k01 = 2,4048 et k02 = 5,5201. La longueur du guide d'ondes 5 est, de préférence, égale à plusieurs fois la longueur d'onde À de l'onde électromagnétique 7 (À = c/f). Un meilleur fonctionnement du couplage de la cathode virtuelle 6 avec l'onde électromagnétique 7 est obtenu lorsque la densité maximale de la cathode virtuelle 6 à sa position moyenne est située dans le voisinage du maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde électromagnétique. Considérant que l'onde électromagnétique 7 se propage dans le seul mode TM01 et considérant aussi l'éclatement du faisceau à l'émission, le rayon Re de la cathode 2 vérifie alors, de préférence, la relation suivante : R': .0 R Le dispositif décrit ci-dessus est de conception simple. Son fonctionnement est robuste et ne nécessite pas de recours à un champ magnétique externe. Par contre son rendement en puissance (rapport de la puissance maximale de l'onde émise sur la puissance électrique maximale injectée dans la diode) est très faible, de l'ordre d'environ 1%. Par ailleurs, les fréquences de l'onde émise suivent directement les variations temporelles de la tension appliquée, ce qui conduit à l'obtention d'une onde électromagnétique de qualité spectrale médiocre. Pour contrevenir à au moins une partie de ces inconvénients tout en conservant une géométrie axiale, l'implantation d'un ou plusieurs réflecteurs dans le guide d'ondes cylindrique 5 a été proposée. Ce type de dispositif a par exemple fait l'objet de la demande de brevet W02006/037918. Un exemple de dispositif tel que décrit dans cette demande est représenté sur les figures 3 et 4. Les réflecteurs sont typiquement des parois fines (c'est-à-dire de l'ordre du micromètre d'épaisseur), transparents aux électrons et aptes à réfléchir totalement l'onde microonde 7 créée par une cathode virtuelle. En outre, ils présentent une forme cylindrique circulaire, c'est-à-dire de disque. Ils sont souvent réalisés en mylar aluminisé. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, un premier réflecteur 8 est positionné à l'intérieur du guide d'ondes 5 à une distance D1 de l'anode mince 4. Cette distance D1 est égale à sensiblement deux fois la distance dAK qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2, de telle sorte qu'une cathode virtuelle soit créée et positionnée approximativement à mi-distance de l'anode mince 4 et du premier réflecteur 8. Dans cet exemple, un réflecteur supplémentaire 9 est positionné dans le guide d'ondes cylindrique 5 au-delà du premier réflecteur 8, de telle sorte que la distance séparant deux réflecteurs successifs soit égale à sensiblement deux fois la distance dAK qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2, c'est-à-dire sensiblement la distance Dl. Les réflecteurs peuvent être « fermés» ou « ouverts ». Comme l'illustrent les figures 3 et 4, un réflecteur est dit « fermé » quand il clôt entièrement une section droite du guide d'ondes cylindrique 5 (c'est le cas, par exemple, du premier réflecteur 8), et un réflecteur est dit « ouvert » quand il n'obstrue qu'une fraction centrée de section droite du guide d'ondes cylindrique 5, laissant une ouverture sensiblement annulaire 10 entre la périphérie du réflecteur et la paroi interne du guide d'ondes 5 (c'est le cas, dans le présent exemple, du réflecteur supplémentaire 9). Le réflecteur le plus éloigné de l'anode mince 4 est préférentiellement ouvert afin de favoriser la propagation de l'onde microonde vers la sortie du guide d'ondes cylindrique 5, la sortie étant l'extrémité du guide d'ondes cylindrique 5 opposée à celle où est située l'anode mince 4. Traditionnellement, un réflecteur ouvert présente un rayon R supérieur ou égal à sensiblement 0,75 fois le rayon RG du guide d'ondes cylindrique 5 pour réfléchir le maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde.

Le premier réflecteur 8 a pour fonction de réfléchir l'onde émise par la cathode virtuelle, comme l'anode mince 4. L'onde réfléchie par le premier réflecteur 8 interagit à nouveau avec les électrons et la cathode virtuelle, amplifiant l'onde microonde 7. Une première pseudo-cavité 11, cylindrique, formée entre l'anode mince 4, le premier réflecteur 8 et une paroi interne du guide d'ondes cylindrique 5 permet de renforcer la puissance de l'onde créée par la cathode virtuelle. Ce renforcement de l'onde contribue à améliorer la mise en paquets des électrons de la cathode virtuelle à la fréquence souhaitée. En introduisant une pluralité de réflecteurs dans le dispositif (c'est-à-dire un nombre N), le mécanisme de renforcement de l'onde microonde 7 et de mise en paquets qui a cours dans la première pseudo-cavité 11 est dupliqué dans des pseudo-cavités suivantes formées par deux réflecteurs successifs (par exemple le premier réflecteur 8 et le réflecteur supplémentaire 9 sur la figure 3) et le guide d'ondes cylindrique 5. Ainsi les électrons qui franchissent le réflecteur de rang (i) (1 i N- 1, ou N est le nombre total de réflecteurs présents) créent une (i+1 )ème cathode virtuelle dont la fréquence d'oscillation est déterminée par la pseudo-cavité formée par les réflecteurs de rang (i) et (i+1) et la paroi interne du guide d'ondes 5. Cette pseudo-cavité contribue à renforcer l'onde électromagnétique 7 émise par la (i+1)ème cathode virtuelle et la mise en paquets des électrons. Si le réflecteur (i+1) est ouvert, l'onde électromagnétique émise par la (i+1)ème cathode virtuelle peut s'écouler dans le guide d'ondes 5 au-delà du réflecteur (i+1), en direction de la sortie du guide, via l'ouverture annulaire 10 présente entre la périphérie du réflecteur (i+1) et la paroi interne du guide d'ondes 5. Ce type de dispositif avec réflecteurs permet d'obtenir des performances sensiblement améliorées par rapport aux dispositifs de l'art antérieur sans réflecteur. Un dispositif, émettant en bande S en sortie du guide d'ondes, c'est- à-dire dans une gamme de fréquences allant de 2 GHz à 4 GHz, à un seul réflecteur ouvert affiche une amélioration de rendement de l'ordre de 4%.

L'adjonction d'un deuxième réflecteur ouvert conduit à une amélioration de l'ordre de 10%.

Toutefois, pour un tel dispositif comprenant des réflecteurs, il existe un nombre optimal de réflecteurs au-delà duquel le rendement en puissance décroît. Par exemple, un dispositif avec trois réflecteurs ouverts affiche un optimum de rendement de l'ordre de 13%.

Pour encore augmenter le rendement d'un dispositif de type VIRCATOR avec réflecteurs tel que décrit précédemment, la demande de brevet français déposée sous le numéro 12/62385, et non encore publiée, décrit un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante comportant une pluralité de réflecteurs. Tous les réflecteurs sont alors ouverts avec le rayon de chacun des réflecteurs de la pluralité qui est inférieur ou égal au rayon du réflecteur précédent, le rayon du dernier réflecteur étant inférieur au rayon du premier réflecteur. Un tel dispositif est par exemple représenté figure 5 selon un exemple de réalisation. Le dispositif de la figure 5 comprend ici un ensemble de cinq réflecteurs (N = 5), notés communément E1 et référencés ici El à E5, localisés dans le guide d'ondes 5, transparents aux électrons et configurés pour réfléchir l'onde microonde créée par une cathode virtuelle. Ils sont par exemple en mylar aluminisé. Tous les réflecteurs E1 sont « ouverts» pour faciliter la propagation de l'onde émise par les différentes cathodes virtuelles vers la sortie du guide d'ondes 5. Le rayon du premier réflecteur El localisé après l'anode mince 4 dans le guide d'ondes 5 est préférentiellement supérieur ou égal à 0,75RG. Il réfléchit ainsi le maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde et renforce ainsi l'onde microonde émise par la première cathode virtuelle, c'est-à-dire la cathode virtuelle formée juste après l'anode mince 4, entre l'anode mince 4 et le premier réflecteur El. Le rayon des réflecteurs E1 suivants est progressivement réduit sans limite inférieure. La taille du rayon de chaque réflecteur est possiblement choisie inférieure à 0,75 RG. Les modalités de réduction de la taille du rayon des réflecteurs ouverts sont par exemple les suivantes: 3015 76 7 8 - Le rayon du réflecteur de rang (i+1) est inférieur ou égal au rayon du réflecteur de rang i, c'est-à-dire du réflecteur directement précédent ; - Le rayon du dernier réflecteur (ici E5, ou noté de manière plus 5 générale EN, quel que soit N) est inférieur au rayon du premier réflecteur El. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, les réflecteurs El à E4 sont de même rayon alors que le dernier réflecteur, E5, est de rayon moindre. Un dispositif selon l'invention décrite dans la demande de brevet 10 français déposée sous le numéro 12/62385, et non encore publiée, permet d'accroître considérablement les performances d'un VIRCATOR axial classique de l'art antérieur, et en particulier d'un VIRCATOR axial avec réflecteurs de l'art antérieur comme décrit dans la demande W02006/037918. Par exemple, un dispositif avec cinq réflecteurs de rayons non constants (avec le rayon de 15 chaque réflecteur inférieur ou égal à celui du réflecteur directement précédent), émettant en bande S (c'est-à-dire dans une gamme de fréquences allant de 2 GHz à 4 GHz), affiche un rendement de 21%. Le fonctionnement des dispositifs de type VIRCATOR de l'art antérieur, décrits ci-dessus, est cependant limité à des générateurs 20 d'alimentation dont l'impédance Z est inférieure à une impédance dite « critique», notée Ze. Cette impédance critique Z, est définie comme le rapport de la tension d'alimentation V sur le courant critique défini précédemment, c'est-à-dire Z, = Vil,. La figure 6 représente une propagation d'un faisceau d'électrons 25 dans le guide d'ondes 5 en régime quasi laminaire quand l'impédance Z du générateur est supérieure à l'impédance critique Ze. Ceci a pour effet qu'aucune cathode virtuelle ne se forme. La figure 7 représente, à titre illustratif, l'absence de formation de cathode virtuelle oscillante dans l'espace des phases. Aucun électron ne peut alors être renvoyé en direction de la cathode 2 à travers 30 l'anode mince 4. L'objet de la présente demande vise à remédier au moins en partie aux inconvénients précités, et à mener en outre à d'autres avantages.

L'objet de la présente demande vise plus particulièrement à permettre à un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle de type VIRCATOR axial, avec réflecteurs, de pouvoir fonctionner en étant couplé à un générateur dont l'impédance Z dépasse l'impédance critique Ze.

A cet effet, est proposé, selon un premier aspect, un dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante, à géométrie axiale, comportant une cathode, une anode mince et un guide d'ondes cylindrique, d'axe longitudinal z et de rayon RG, présentant une première extrémité formant une entrée du guide d'ondes cylindrique et une deuxième extrémité formant une sortie du guide d'ondes cylindrique, la cathode étant positionnée en amont de l'entrée du guide d'ondes cylindrique et configurée pour émettre des électrons, et l'anode mince étant positionnée à l'entrée du guide d'ondes cylindrique, entre la cathode et le guide d'ondes cylindrique, et le dispositif comprenant en outre au moins un premier réflecteur localisés dans le guide d'ondes, transparent aux électrons et configuré pour réfléchir une onde microonde créée par au moins une cathode virtuelle générée dans le guide d'ondes, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une bague magnétique étroite de largeur LM selon l'axe longitudinal z, positionnée extérieurement autour du guide d'ondes cylindrique à une distance dAM de l'anode mince et avec le premier réflecteur positionné à une distance de l'anode mince au-delà de la bague magnétique de sorte que la bague magnétique est localisée entre l'anode mince et le premier réflecteur, la bague magnétique étant configurée pour générer un champ magnétique apte à freiner les électrons et à créer une accumulation de charges à l'origine d'une cathode virtuelle non- oscillante positionnée entre l'anode mince et le premier réflecteur. On entend ici par étroite que la bague magnétique présente une largeur LM comprise entre environ dAK et environ une moitié du rayon du guide d'ondes RG. Elle est par exemple égale à environ dAK. La bague magnétique présente en outre un rayon interne RM qui est 30 supérieur à RG afin que la bague magnétique entoure le guide d'ondes. La bague magnétique entoure par exemple le guide d'ondes à distance de celui-ci.

Toutefois, selon des alternatives de réalisation, la bague magnétique est reliée au guide d'ondes, voire en contact avec celui-ci. Enfin, la bague magnétique présente une épaisseur par exemple choisie par un utilisateur en fonction des autres paramètres de dimensionnement du dispositif. La bague magnétique est par exemple une bobine de courant ou un aimant permanent de sorte qu'il est alors possible de se dispenser d'alimentation électrique. Par exemple, la distance dAM séparant la bague magnétique de l'anode mince le long de l'axe z est égale ou supérieure à une distance dAK séparant la cathode de l'anode mince. Selon un autre exemple, la distance dAF1 séparant le premier réflecteur de l'anode mince est égale ou supérieure à une somme de la distance dAM, séparant la bague magnétique de l'anode mince, et de la largeur LM de la bague magnétique.

Selon encore un autre exemple, la distance dAF1 séparant le premier réflecteur de l'anode mince est égale ou supérieure à environ deux fois la distance dAK séparant la cathode de l'anode mince. Avantageusement, au moins le premier réflecteur localisé dans le guide d'ondes est un réflecteur ouvert, c'est-à-dire qu'il n'obstrue qu'une fraction centrée de section droite du guide d'ondes cylindrique, laissant une ouverture sensiblement annulaire entre une périphérie du réflecteur et une paroi interne du guide d'ondes. Selon un exemple de réalisation particulier, le premier réflecteur, ouvert, présente possiblement un rayon égal ou inférieur à 0,75 RG, le rayon du guide d'ondes. Selon un mode de réalisation intéressant, le dispositif comporte une pluralité de réflecteurs successifs positionnés dans le guide d'ondes cylindrique. Deux réflecteurs successifs de la pluralité de réflecteurs sont par exemple séparés l'un de l'autre d'une distance dn_in égale ou inférieure à environ deux fois une distance dAK séparant la cathode de l'anode mince.

Ou par exemple, deux réflecteurs successifs de la pluralité de réflecteurs sont séparés l'un de l'autre d'une distance dFi_iFi égale ou supérieure à environ une fois la distance dAK séparant la cathode de l'anode mince. Chaque distance est par exemple comprise entre une à deux fois la distance dAK. Dans le cadre de la présente demande, que le dispositif comporte un réflecteur ou une pluralité de réflecteur, le premier réflecteur est celui positionné au plus près de l'anode mince. C'est-à-dire, lorsque le dispositif comporte une pluralité de réflecteurs, le premier réflecteur demeure celui positionné au plus près de l'anode mince, de sorte que les autres réflecteurs de la pluralité sont positionnés en aval du premier réflecteur. Dans un exemple de réalisation dans lequel le dispositif comprend une pluralité de réflecteurs successifs, tous les réflecteurs sont alors avantageusement ouverts.

Et par exemple, le premier réflecteur, ouvert, présente possiblement un rayon égal ou inférieur à 0,75 RG, le rayon du guide d'ondes. En outre, lorsque le dispositif comporte une pluralité de réflecteur, tous les réflecteurs présentent possiblement un même rayon RF;. Toutefois, selon une alternative de réalisation, chaque réflecteur peut avoir un rayon égal ou inférieur à celui du réflecteur directement précédent dans le guide d'ondes cylindrique de sorte à favoriser un guidage des ondes vers la sortie du guide d'ondes. Les réflecteurs sont ainsi successivement décroissants sans limite inférieure, c'est-à-dire qu'un dernier réflecteur dans le guide d'ondes, voire un deuxième réflecteur (c'est-à-dire celui positionné juste après le premier réflecteur), peut avoir un rayon inférieur à celui du premier réflecteur. Selon un exemple de réalisation privilégié, le dispositif comporte trois réflecteurs positionnés dans le guide d'ondes. Une telle bague permet de faire fonctionner un VIRCATOR en configuration axiale, avec au moins un réflecteur, et un générateur à forte impédance. Le dispositif gagne en outre en compacité, puisqu'un générateur à forte impédance présente généralement un encombrement moindre qu'un générateur de basse impédance. Le dispositif selon l'invention permet de générer une émission microonde monochromatique.

Le dispositif selon l'invention permet aussi d'émettre à une fréquence spécifique un maximum de puissance microonde sur l'axe selon un mode unique. Le dispositif selon l'invention permet d'adapter un guide d'ondes en configuration axiale avec réflecteurs à l'impédance du générateur tout en 10 conservant la fréquence microonde émise ainsi que la géométrie du guide d'ondes. Le dispositif selon l'invention permet ainsi d'atteindre des rendements supérieurs à 15 % avec des générateurs à forte impédance en configuration axiale avec réflecteurs. 15 LISTE DES FIGURES L'invention selon un exemple de réalisation sera bien comprise et ses avantages apparaitront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre indicatif et nullement limitatif, et en référence aux dessins annexés présentés ci-après. 20 La figure 1 représente schématiquement un VIRCATOR axial classique de l'art antérieur selon un exemple de réalisation, selon une vue longitudinale, illustrant une création de cathode virtuelle oscillante ; La figure 2 présente un exemple de schéma instantané de la position des électrons dans l'espace des phases associé à la formation d'une cathode 25 virtuelle oscillante ; La figure 3 représente schématiquement un VIRCATOR axial avec réflecteurs de l'art antérieur selon un exemple de réalisation tel que décrit dans le document W02006/037918, selon une vue longitudinale ; La figure 4 représente, en vue transverse du VIRCATOR de la figure 30 3, un réflecteur fermé et un réflecteur ouvert selon un exemple de réalisation ; La figure 5 représente un exemple de réalisation de VIRCATOR axial avec des réflecteurs ouverts tel que décrit dans la demande déposée sous le numéro 12/62385, et non encore publiée, selon une vue longitudinale ; La figure 6 illustre schématiquement la dynamique d'un faisceau d'électrons dans un VIRCATOR axial de l'art antérieur, par exemple sans réflecteurs, selon une vue longitudinale, quand l'impédance d'alimentation est supérieure à l'impédance critique, induisant un régime quasi laminaire et aucune formation de cathode virtuelle ; La figure 7 présente un exemple de schéma instantané de la position 10 des électrons dans l'espace des phases en régime quasi laminaire, en l'absence de formation de cathode virtuelle ; La figure 8 présente, selon un vue longitudinale, un exemple de réalisation d'un VIRCATOR axial avec une bague magnétique selon l'invention, comportant ici des réflecteurs ouverts ; 15 La figure 9 présente une vue transverse du VIRCATOR de la figure 8 ; La figure 10 présente un exemple de schéma instantané de la position des électrons dans l'espace des phases dans le VIRCATOR de la figure 8 ; 20 La figure 11 présente schématiquement des iso-contours de l'intensité du champ magnétique selon une direction longitudinale du VIRCATOR de la figure 8 ; La figure 12 est un tableau récapitulatif de la distance entre l'anode et le premier réflecteur et des distances entre deux réflecteurs successifs pour 25 des simulations numériques réalisées sur des dispositifs selon des modes de réalisation de la présente invention ; et La figure 13 est un tableau présentant un rendement en puissance (en pourcent) d'un dispositif selon des modes de réalisation de la présente invention en fonction du nombre de réflecteurs. 30 Un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention est représenté par exemple ici sur la figure 8. 3015 76 7 14 De même que pour un dispositif traditionnel (voir notamment les figures 1 à 7), le dispositif de la figure 8 comporte une diode composée d'une cathode 102 et d'une anode, elle-même formée d'une feuille mince appelée anode mince 104 et d'une armature épaisse 103. La cathode 102 présente un 5 rayon R, et l'anode mince 104 présente typiquement une épaisseur de l'ordre du micromètre, c'est-à-dire de quelques micromètres voire de quelques dixièmes de micromètres. Le dispositif comprend en outre un guide d'ondes cylindrique 105 de rayon interne RG et de longueur LG. Le guide d'ondes cylindrique 105 comporte un axe z selon une direction longitudinale, formant l'axe longitudinal du dispositif. L'armature épaisse 103 entour la cathode 102, et l'armature épaisse 103 et la cathode 102 sont positionnées à une entrée du guide d'ondes cylindrique 105 (à gauche sur la figure).

L'anode mince 104 est ici positionnée à une entrée du guide d'ondes cylindrique 105, entre le guide d'ondes cylindrique 105 et l'armature épaisse 103. L'anode mince 104 et la cathode 102 sont distants l'un de l'autre d'une distance notée dAK. La cathode 102, l'anode mince 104, l'armature épaisseur 103 et le guide d'ondes cylindrique 105 sont positionnés les uns par rapport aux autres alignés et centrés sur l'axe z. Ils présentent généralement des sections circulaires. Pour émettre un rayonnement microonde sur l'axe, le rayon RG du guide d'ondes 105 est avantageusement tel que la fréquence d'émission 25 microonde f est supérieure à la fréquence de coupure du mode fondamental TE11 et inférieure à celle du mode suivant TMoi où k'11 représente la racine de l'équation de la fonction de Bessel Si(Kii)=0 (k 1i=1,8412). 30 Le dispositif selon l'invention comprend une bague magnétique 112.

La bague magnétique 112 est avantageusement étroite, de largeur LM et de rayon interne RM, supérieur à RG. Dans un exemple de mise en oeuvre dans lequel la bague est une bobine, la bague présente alors par exemple une épaisseur qui correspond à une épaisseur du fil conducteur formant la bobine.

Selon un mode de réalisation particulièrement commode, la largeur LM est environ égale à dAK. De manière générale, une bague est par exemple considérée étroite si LM est environ égale à une moitié du rayon du guide d'ondes RG. Elle est positionnée autour du guide d'ondes cylindrique 105, en aval de l'anode 104, à une distance dAM de l'anode 104 le long de l'axe z. De manière avantageuse, la distance dAM est environ égale à la distance dAK séparant la cathode 102 et l'anode 104. L'étroitesse (selon la direction longitudinale du guide d'ondes cylindrique 105 représentée par l'axe z) de la bague magnétique 112 assure ainsi une configuration de champ magnétique dominée par les champs de fuite. Autrement dit, du fait que la bague magnétique 112 est étroite, elle permet de générer des champs de fuite configurés pour former une concentration d'électrons entre l'anode mince 104 et un premier réflecteur. Les électrons, en s'enroulant le long des lignes de champs magnétiques, sont focalisés sur l'axe z et sont, de fait freinés le long de l'axe z. Le courant du faisceau finit par dépasser localement le courant critique I. Il en résulte une accumulation locale de charges, qui est à l'origine de la formation d'une cathode virtuelle dite « non-oscillante ». La cathode virtuelle est ici « non-oscillante » en ce sens que peu d'électrons sont repoussés vers l'anode mince 104. Le champ magnétique produit par la bague 112 induit une stagnation des électrons à proximité de l'axe z. La bague magnétique 112 est par exemple une bobine de courant ou un aimant permanent de sorte qu'il est alors possible de se dispenser d'alimentation électrique.

Selon un mode particulièrement avantageux de la présente invention, le dispositif comporte au moins un premier réflecteur F1. Le premier réflecteur F1 est situé à une distance dAF1 de l'anode mince 104 de sorte que dAF1 est égale ou supérieure à la somme de dAM et LM, et de préférence égale. Autrement dit, la bague ne s'étend que jusqu'au premier réflecteur et non au-delà, comme dans les dispositifs ayant recours à un champ magnétique de guidage. La bague est positionnée en aval de l'anode, ce qui diffère des dispositifs où la diode est immergée ou semi-immergée par exemple. Et selon un mode de réalisation privilégié, le dispositif comporte une pluralité de N réflecteurs Fi. Dans le présent exemple de réalisation illustré figure 8, le dispositif comporte un ensemble de trois réflecteurs Fi (c'est-à-dire avec N=3 et i valant de 1 à N), qui sont ici tous ouverts en leur périphérie. Les réflecteurs Fi sont localisés en aval de l'anode mince 104 et de la bague magnétique 112 dans le guide d'ondes cylindrique 105. Les réflecteurs Fi sont transparents aux électrons et aptes à réfléchir totalement les ondes électromagnétiques. Les réflecteurs sont par exemple réalisés en mylar aluminisé. En fonctionnement, tous les réflecteurs sont avantageusement mis au même potentiel que l'anode mince 104. Chaque réflecteur a un rayon RF; et deux réflecteurs successifs sont distants l'un de l'autre d'une distance Le positionnement des réflecteurs Fi dans le guide d'ondes 105 est tel que la puissance microonde est maximale en sortie du guide d'ondes 105. En outre, les réflecteurs Fi sont par exemple situés à distances variables les uns des autres, c'est-à-dire la distance dAF1 et chaque distance dFi_iFi peuvent être toutes différentes les unes des autres. Autrement dit, tous les réflecteurs du dispositif sont fixés dans le guide d'ondes cylindrique 105, mais les distances séparant deux réflecteurs successifs peuvent être différentes les unes des autres et différentes de la distance dAF1 séparant le premier réflecteur F1 de l'anode mince 104. Avantageusement, la distance dAF1 est égale ou supérieure à deux fois la distance dAK, et chaque distance dFi_iFi est par exemple comprise entre une à deux fois la distance dAK. En effet, comme les électrons sont mis en rotation azimutale dans le guide d'ondes cylindrique 105 par le champ magnétique de la bague 112, la distance dAF1 séparant le premier réflecteur F1 de l'anode 104 est possiblement sensiblement supérieure de celle des dispositifs de type VIRCATOR de l'art antérieur connus et la distance entre les réflecteurs de rangs i et i+1 est aussi possiblement inférieure à celle des dispositifs de type VIRCATOR de l'art antérieur connus. Si le courant du faisceau est suffisant au niveau d'un réflecteur de rang i, une cathode virtuelle oscillante est initiée derrière celui-ci, c'est-à-dire en aval du réflecteur de rang i. La mise en rotation des électrons par le champ magnétique de la bague 112 conjuguée à l'effet de la force centrifuge conduit à l'éclatement du faisceau après le dernier réflecteur FN (ici F3). Une grande partie des électrons est absorbée par la paroi interne du guide d'ondes cylindrique 105, les électrons restant sont éloignés du centre du guide d'ondes cylindrique 105, c'est-à-dire de l'axe z, ce qui minimise toute interaction possible entre les électrons et les ondes magnétiques au centre du guide d'ondes cylindrique 105 où se situe le maximum de la puissance microonde du mode TEi 1. EXEMPLES DETAILLES DE MODES DE REALISATION Le comportement d'un VIRCATOR axial émettant en bande S et comprenant N réflecteurs F1 et une bague magnétique 112 a été simulé 20 numériquement. Dans les dispositifs simulés, le guide d'ondes cylindrique 105 est ici de longueur LG=500 mm. Ils comprennent 1 à 3 réflecteurs, c'est à dire N = 1, 2 ou 3, ouverts en leur périphérie, de rayon constant Rn inférieur à RG. 25 La distance séparant le réflecteur F1 de l'anode et les distances séparant chaque réflecteur F1 du réflecteur précédent, en fonction du nombre de réflecteurs F1 disposés dans le guide d'ondes sont récapitulées dans le tableau de la figure 12. Tous les dispositifs considérés ici permettent de générer une 30 émission microonde mono-fréquence en bande S sur l'axe z selon le mode TE11. Le générateur considéré ici délivre une tension de 500 kV.

Le courant critique au-delà duquel un faisceau d'électrons ne se propage plus dans le guide d'ondes cylindrique 105 est de l'ordre 7,4 kA. L'impédance « critique » Z, pour ce dispositif est ainsi de 67,5 Q (ohm). Le générateur d'alimentation considéré ici a une impédance de 70 fl, c'est-à-dire supérieure à l'impédance « critique ». L'écoulement du faisceau dans le guide est donc quasi laminaire. Le processus classique de formation de la cathode virtuelle oscillante ne peut donc pas être déclenché dans un VIRCATOR axial qui serait dépourvu de bague. La formule qui relie la fréquence émise à la distance dAK et la tension 10 appliquée V indique que la distance dAK est avantageusement choisie entre environ 15,6 mm et environ 31 mm pour que le rayonnement électromagnétique microonde soit émis dans la bande S. La distance anode-cathode dAK retenue ici est d'environ 22 mm. Pour que le courant émis par la cathode soit adapté à une 15 impédance de 70 Q avec une alimentation de 500 kV et une distance anode-cathode dAK d'environ 22 mm, le rayon de la cathode Re est alors d'environ 22,5 mm. Afin que l'émission microonde dans la bande S soit mise en forme selon le mode fondamental TE11 du guide d'ondes cylindrique 105, la fréquence 20 de coupure du mode, f11 = 1,8412c/(27RG), est avantageusement inférieure ou égale à 2 GHz. Ceci induit un rayon du guide RG supérieur à environ 44 mm. Le rayon RG retenu ici est ainsi d'environ 50 mm. La configuration du champ magnétique conduit localement à une augmentation du courant du faisceau dans le guide d'ondes pour dépasser le 25 courant critique. Sous l'effet des champs de fuite, les électrons sont focalisés sur l'axe et de fait freinés le long de l'axe. Il en résulte une accumulation locale de charges à l'origine de la formation d'une cathode virtuelle. Cette cathode virtuelle est non oscillante, peu d'électrons sont repoussés vers l'anode, la majorité des électrons sont ré-accélérés vers la sortie du guide. Le champ 30 magnétique induit une stagnation des électrons au voisinage de l'axe. La configuration magnétique est assurée par la bague magnétique positionnée ici à une distance dAM de l'anode d'environ 29 mm.

Dans les exemples de réalisation considérés ici, la bague créant le champ magnétique est ici une bobine de courant de 12750 A.tours (Ampère-tours) avec comme dimensions LM = 25 mm et RM = 60,5 mm. Le premier réflecteur ouvert de rayon RF1 = 35 mm est positionné au niveau de la face arrière de la bague magnétique, à une distance de l'anode dAF1 = 54 mm, comme l'indique la figure 12. Le premier réflecteur, couplé à la bague magnétique, permet de créer la première cathode virtuelle oscillante derrière le premier réflecteur, c'est-à-dire en aval du premier réflecteur. Le positionnement des réflecteurs suivants, pour les exemples de 10 mises en oeuvre comportant deux ou trois réflecteurs, de rayon RF; = 35 mm, optimise la puissance microonde émise dans la bande S. Selon la figure 12, dans une configuration à deux réflecteurs, le deuxième réflecteur F2 est positionné à une distance dF1_F2 de 25 mm du premier réflecteur F1 ; et dans une configuration à trois réflecteurs, le deuxième 15 réflecteur F2 est positionné à une distance dF1_F2 de 29 mm du premier réflecteur F1, et le troisième réflecteur est positionné à une distance dF2_F3 de 25 mm du deuxième réflecteur F2. La figure 11 représente les iso-contours de l'intensité du champ magnétique selon une coupe longitudinale d'un dispositif selon l'invention 20 comportant ici un réflecteur. L'intensité maximale du champ magnétique dans le guide est de l'ordre de 0,1 T (Tesla) dans une section du guide d'ondes au droit de la bague magnétique 112, c'est-à-dire à une section positionnée environ à une moitié de la largeur LM de la bague magnétique. La figure 13 résume les performances obtenues par la simulation 25 d'un VIRCATOR axial selon l'invention comportant un, deux ou trois réflecteurs. La figure 13 permet de constater que la puissance émise augmente avec le nombre de réflecteurs. Le rendement atteint est de l'ordre de 2,5 % avec un seul réflecteur et de 17,4 % avec trois réflecteurs. Un optimum de rendement est obtenu avec trois réflecteurs. L'adjonction d'un quatrième 30 réflecteur est de faible utilité pour améliorer le rendement car le nombre d'électrons décroit et devient insuffisant dans le guide d'ondes ou à proximité de l'axe z.

Ainsi, un dispositif selon l'invention alimenté par un générateur à haute impédance permet d'émettre une puissance microonde en bande S avec un rendement proche de celui obtenu avec un dispositif en configuration axiale avec réflecteurs de l'art antérieur connu, alimenté avec un générateur de basse impédance. La configuration avec trois réflecteurs assure un rendement minimum de 13,8% pour une distance dF2_F3 entre un deuxième réflecteur et un troisième réflecteur comprise entre environ 25 mm et environ 31 mm, tout en conservant la fréquence d'émission microonde.

Selon un autre exemple, un dispositif selon l'invention tel que décrit précédemment, est couplé à un générateur d'impédance plus élevée, tout en émettant à la même fréquence microonde selon le mode TEi 1. Par exemple, en conservant une tension l'alimentation de 500 kV, une augmentation de la distance anode-cathode dAK à 30 mm induit une diminution du champ accélérateur dans la diode et donc un courant émis plus faible, de l'ordre d'environ 4 kA. En conséquence, la diode est adaptée à une impédance d'alimentation plus élevée, par exemple d'environ 125 0. La densité du faisceau émis étant alors moindre, augmenter légèrement l'intensité du courant de la bague magnétique à 14250 A.tours, permet de générer une émission microonde mono-fréquence à 2,31 GHz dans le mode TE11 avec un rendement de 12 %. Ce rendement peut par exemple être amélioré en ajustant le positionnement des réflecteurs dans le guide. Bien sûr, la présente invention ne se limite pas à la description précédente, mais s'étend à toute variante dans le cadre des revendications ci-25 après. 3015 76 7

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif générateur d'ondes microondes à cathode virtuelle oscillante, à géométrie axiale, comportant une cathode, une anode mince et un guide d'ondes cylindrique (105), d'axe longitudinal z et de rayon RG, présentant une première extrémité formant une entrée du guide d'ondes cylindrique (105) et une deuxième 10 extrémité formant une sortie du guide d'ondes cylindrique (105), la cathode (102) étant positionnée en amont de l'entrée du guide d'ondes cylindrique et configurée pour émettre des électrons, et l'anode mince (104) étant positionnée à l'entrée du guide d'ondes cylindrique (105), entre la cathode (102) et le guide d'ondes 15 cylindrique (105), et le dispositif comprenant en outre au moins un premier réflecteur (F1) localisés dans le guide d'ondes (105), transparent aux électrons et configuré pour réfléchir une onde microonde créée par au moins une cathode virtuelle générée dans le guide d'ondes (105), 20 le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une bague magnétique (112) étroite de largeur (LM) selon l'axe longitudinal z, positionnée extérieurement autour du guide d'ondes cylindrique (105) à une distance (dAM) de l'anode mince (104) et avec le premier réflecteur (F1) positionné à une distance 25 (dAF1) de l'anode mince (104) au-delà de la bague magnétique (112) de sorte que la bague magnétique (112) est localisée entre l'anode mince (104) et le premier réflecteur (F1), la bague magnétique (112) étant configurée pour générer un champ magnétique apte à freiner les électrons et à créer une 30 accumulation de charges à l'origine d'une cathode virtuelle non- oscillante positionnée entre l'anode mince (104) et le premier réflecteur (F1).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance (dAM) séparant la bague magnétique (112) de l'anode mince (104) le long de l'axe z est égale ou supérieure à une distance (dAK) séparant la cathode (102) de l'anode mince (104).
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la distance (dAF1) séparant le premier réflecteur (F1) de l'anode mince (104) est égale ou supérieure à une somme de la distance (dAM), séparant la bague magnétique (112) de l'anode mince (104), et de la largeur (LM) de la bague magnétique (112).
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance (dAF1) séparant le premier réflecteur (F1) de l'anode mince (104) est égale ou supérieure à environ deux fois la distance (dAK) séparant la cathode (102) de l'anode mince (104).
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins le premier réflecteur (F1), localisé dans le guide d'ondes (105), est un réflecteur ouvert.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de réflecteurs successifs (F1) positionnés dans le guide d'ondes cylindrique (105).
7. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que deux réflecteurs successifs de la pluralité de réflecteurs (F1) sont séparés l'un de l'autre d'une distance (dFi-iFi) égale ou inférieure à deux fois une distance (dAK) séparant la cathode (102) de l'anode mince (104).
8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que deux réflecteurs successifs de la pluralité de réflecteurs (F1) sont séparés l'un de l'autre d'une distance (dFi-iFi) égale ou supérieure à une distance (dAK) séparant la cathode (102) de l'anode mince (104).
9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que tous les réflecteurs (F1) sont ouverts et présentent un même rayon RRi.
10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte trois réflecteurs (F1) positionnés dans le guide d'ondes (105).