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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2516720A1
Family ID 3037466
Probable Assignee Emi Varian Ltd
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title AMPLIFICATEUR GYROMAGNETIQUE
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 presente invention concerne un amplificateur gyromagnetique, par
exemple un tube gyromagnetique a on- des progressives ou un klystron
gyromagnetique. Afin de mieux comprendre les bases de la pre- 5 sente
invention, on va decrire tout d'abord le fonc- tionnement d'un
gyrotron en se referant aux figures l et 2 annexees a la presente
demande sur lesquelles la figure l est une vue en coupe d'un guide
d'ondes d'un gyrotron, et la figure 2 represente un electron tour- 10
nant dans un champ electrique et dans un champ magne- tic. Dans les
grandes lignes, le mode de fonctionne- ment d'un gyrotron classique
est le suivant: En se referant a la figure 1, on voit qu'un 15
oscillateur forme d'un gyrotron classique comporte un guide d'ondes
circulaire l dimensionne de maniere a constituer une region
d'interaction et a fonction- ner selon le mode TE a une frequence
choisie dans la gamme des hautes frequences Sur la figure 1 on a 20
represente par des lignes 2 formees de tirerts le champ electrique au
mode TEO 1 Un champ magnetique axial 3 d'intensite B est applique au
guide d'ondes et un faisceau electronique creux, dont les limites
interieure et exterieure sont reperees par des traits 25 epaissis 4,
circulent dans le guide d'ondes. Comme represente en 5 sur les figures
1 et 2, un electron individuel 6 est tenu de tourner sous l'in-
fluence du champ magnetique L'electron tourne selon un mouveme-nt de
rotation a la frequence denommee fre- 30 quence cyclotronique, definie
par: wc= e B/m (i) dans laquelle e est la charge de l'electron, B est
l'in- 35 tensite de champ magnetique et m est la masse relativiste
2 de l'electron. Le rayon de l'orbite est donne par la relation: r mv
(ii) e B 5 dans laquelle v est la vitesse tangentielle de l'electron.
L'intensite du champ electrique est donneepar la relation: 10 E = E
coscnt (iii) dans laquelle O est la frequence angulaire associee au
champ a haute frequence applique. A l'instant t = 0, le champ
electrique possede 15 une valeur maximum E = E 0. Un electron situe
dans la position A est soumis a un champ retardateur maximum tandis
qu'un electron situe dans la position B est soumis a un champ accele-
rateur maximum Un demi-cycle plus tard,-a l'instant 20 r/wo, le champ
electrique aura a nouveau sa valeur ma- ximum, mais en sens oppose,
c'est-a-dire E = E 25 Si la frequence angulaire de l'electron, wc' est
egale a la frequence angulaire W du champ a hau- te frequence
applique, l'electron, qui est parti de A, sera maintenant en B, et a
nouveau sera soumis a un champ retardateur, tandis que l'electron, qui
est par- 30 ti de B, sera maintenant en A et sera soumis a nou- veau a
un champ accelerateur. Dans le dispositif gyrotron classique, les
electrorsdu faisceau possedent, au moins lorsqu'ils sont initialement
dans le guide d'ondes,de nombreuses 35 phases differentes par rapport
au champ a haute fre-
3 quence. On peut voir que tous les electrons partant a l'instant t =
O dans le secteur C A D, seront soumis a un champ decelerateur net
pendant un cycle Par conse- 5 quent leur vitesse diminuera de meme que
leur masse et par consequent, conformement a l'equation (i), leur fre-
quence de rotation, wc' augmentera de sorte qu'ilsseront en avance de
phase par rapport au champ electrique a hau- te frequence applique. 10
Par consequent les electrons dans ce secteur subiront une avance de
phaseen se deplacant cycle apres cycle en direction du point C De
meme, d'apres l'equa- tion (ii), lorsque la masse et la vitesse de
l'electron diminuent, son rayon de gyration diminue. 15 Inversement
tous les electrons partant a l'ins- tant t = 0 dans le secteur C B D,
seront soumis a un champ accelerateur net Leur masse diminuera et par
consequent leur frequence de rotation, W c' diminuera, ce qui les
placera en etat de retard de phase par 20 rapport au champ electrique
haute frequence applique. Ainsi les electrons situes dans ce secteur
tendront, cycle apres cycle, a se deplacer, vers le point C, avec un
rayon de gyration devenant de plus en plus grand. Par consequent,
cycle apres cycle, il se pro- 25 duit un regroupement ou une
accumulation de tous les electrons en direction du point C. Dans un
dispositif gyrotron classique, la fre- quence cyclotronique W c est
legerement inferieure a la- frequence angulaire w, et l'on a par
exemple 30 w O = 1,029 wc et la phase des electrons regroupes par
rapport au champ est reglee de maniere que les electrons delivrent au
35 champ a haute frequence une energie nette depassant
4 les pertes dans la cavite, de sorte qu'il se produit une oscillation
et que l'on peut disposer d'une puissance de sortie La puissance de
sortie depend du nombre des elec- trons regroupes dans la phase
appropriee en vue de deli- 5 vrer une energie au champ a haute
frequence. Une application d'un gyrotron du type decrit ci- dessus a
un amplificateur gyromagnetique, par exemple au tube gyromagnetique a
ondes progressives (TWT) ou au klystron gyromagnetque, dans lequel un
guide d'ondes de 10 propagation est utilise pour permettre une
interaction continue du faisceau d'electrons avec un champ a haute
frequence On connatt des amplificateurs gyromagnetiques, dans lesquels
le faisceau d'electrons coagit avec un mode TE 01 de guide d'ondes;
cependant on prefere une inter- 15 action avec le mode de guide
d'ondes dominant TE 1, pola- rise circulairement etant donne que c'est
le mode a la frequence la plus basse et que par consequent il n'est
pas affecte par des perturbations de la part d'autres modes Jusqu'a
present il a ete possible de realiser la 20 propagation d'un mode TE
11 polarise circulairement en combinant deux modes TE 11 polarises
lineairement, dege- neres, excites dans le temps et dans l'espace en
quadra- ture de phase Cependant le maintien d'une relation de phase
precise entre les modes s'avere difficile et il 25 en resulte une
largeur de bande relativement etroite. Un but de la presente invention
est de fournir un amplificateur gyromagnetique dans lequel les diffi-
cultes mentionnees ci-dessus sont sensiblement reduites. Conformement
a la presente invention il;est pre- 30 vu un amplificateur
gyromagnetique comportant une guide d'ondes, qui est de section
transversale circulaire et dimensionne de maniere a recevoir un
rayonnement se con- formant a un mode d'onde electrique polarise
circulaire- ment et a agir en tant que zone d'interaction a une hau-
35 tefrequence predeterminee, des moyens permettant de re
5 cevoir un rayonnement a haute frequence destine a etre amplifie et
comportant un mode electrique transversal et de transformer ledit
rayonnement en un rayonnement possedant un mode electrique polarise
circulairement, 5 le guide d'onde etant aligne coaxialement avec les
moyens de transformation de maniere a recevoir le rayonnement polarise
circulairement provenant desdits moyens de trans- formation, des
moyens pour produire, dans la zone d'in- teraction, un champ
magnetique axial d'une intensite pro- 10 voquant une rotation des
electrons a une vitesse cyclo- tronique predeterminee, et des moyens
pour injecter dans le guide d'ondes un faisceau d'electrons possedant
une composante prereglee de vitesse perpendiculaire a l'axe du guide
d'ondes et apte a entrainer une rotation des 15 electrons du faisceau
dans le champ magnetique possedant ladite intensite, a la frequence
cyclotronique, et une comportante de vitesse parallele a l'axe et apte
a pro- duireplusieurs cycles de rotation du faisceau dans la cavite.
20 Selon une forme de realisation, les moyens d'in- jection sont
constitues par un canon a electrons annu- laire, coaxial a l'axe du
guide d'ondes et agence de ma- niere a diriger un faisceau d'electrons
creux lineaire possedant une vitesse prereglee en direction dudit axe
25 et sous un angle d'incidence par rapport a ce dernier definissant
lesdites composantes de vitesse, et des moyens ayant pour effet de
rendre le champ magnetique parallele au faisceau lorsque ce dernier
est lineaire. D'autres caracteristiques et avantages de la 30 presente
invention ressortiront de la description don- nee ci-apres prise en
reference aux dessins annexes, sur lesquels: les figures l et 2, dont
il a deja ete fait mention, representent respectivement une section de
35 guide d'ondes d'un gyrotron connu et un schema mon-
6 trant la rotation d'un electron dans un champ electrique et dans un
champ magnetique, la figure 3 represente une vue en coupe transver-
sale d'un amplificateur gyromagnetique; 5 la figure 4 represente une
vue explosee d'un dispositif polariseur; et la figure 5 est un
diagramme vectoriel utile pour la comprehension du fonctionnement du
dispositif polariseur. 10 En se referant a la figure 3, on voit qu'un
guide d'ondes l de section transverale circulaire est dimnensionne de
maniere a former une zone d'interaction pour fonctionner selon le mode
T Eil polarise circulai- rement a une frequence w de propagation d'un
rayonne- 15 ment a haute frequence dans ledit guide d'ondes Comme cela
est decrit 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 effileeou a raccord progressif Les electrons sont
in- 20 jectes dans le guide d'ondes au moyen d'un injecteur,
represente dans son ensemble par la reference 8, et sont tenus de
tourner a la vitesse cyclotronique en reponse a l'action d'un champ
magnetique d'intensi- te B s'etendant essentiellement axialement le
long du 25 guide d'ondes Le champ magnetique est produit par un
solenoide 7 entourant le guide d'ondes. L'injecteur 8 produit un
faisceau creux 4 d' electrons sous la forme d'un cone dont la
generatrice intersecte l'axe du guide d'ondes 1 sous l'angle a. 30
Cette configuration est particulierement appropriee dans le cas d'une
utilisation dans l'amplificateur gyromagnetique fonctionnant selon le
mode TE 11, etant donne qu'un rayonnement polarise circulairement peut
etre introduit dans le dispositif, en vue d'y etre am- 35 plifie, le
long de l'axe du guide d'ondes, les elements
7 formant l'injecteur etant disposes autour de l'axe. Dans cet
exemple, un rayonnement a haute fre- quence est introduit dans le
guide d'ondes 1 moyennant l'utilisaticnd'un dispositif polariseur a
trois compo- 5 sants, designe dans son ensemble par la reference 30
sur les figures 3 et 4 et illustre a plus grande echel- le sur la
figure 5 Le rayonnement polarise lineaire- ment, destine a etre
amplifie dans l'amplificateur gyromagnetique, 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 dispose au centre d'un guide d'ondes circulaire 35
et possedant la longueur de ce dernier. Une bobine de fil 36 entoure
le guide d'ondes de sorte 15 qu'un champ magnetique axiale peut etre
applique au barreau parun courant d'excitation Le role 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 applique. Le rayon tombe alors
sur un polariseur circulai- re 33 Le polariseur 33 represente est
constitue a par- tir d'un guide d'ondes circulaire, moyennant l'inser-
tion de deux plaques 37, 38, comme represente, de sorte 25 que le
guide d'ondes possede une largeur differente sui- vant les plans
principaux horizontal et vertical Le vec- teur electrique incident E,
qui fait un angle de 45 par ra rapport a la face etendue de la
plaque,-peut etre subdivise en deux composantes egales presentant des
vec- 30 teurs E respectivement perpendiculaire et parallele a 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-a-dire que l'onde
est polarisee circulai-
8 rement Le sens de polarisation peut etre inverse en uti- lisant le
rotateur de Faraday pour faire tourner de 90 le vecteur E tombant sur
le polarisateur. Si on le desire, 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 electrique E dans differentes
positions a l'in- terieur du dispositif, dans lesquelles les vecteurs
res- pectifs sont alignes. En se referant a nouveau a la figure 3, on
voit que l'injecteur 8 comporte une cathode chaude 15 annulaire 9, de
coupe transversale triangulaire, co- axiale a l'axe 10 du guide
d'ondesl et comportant une surface emissive annulaire plane il
disposee en face de l'axe 10, la normale 12 a la surface Il
determinant un angle d'incidence a par rapport a l'axe Il est pre- 20
vu un dispositif de chauffage annulaire 13 pour la ca- thode 9. Une
grille de commande 14 possede une forme annulaire et est disposee a
une certaine distance et paral- lelement a la surface emissive 11 de
la cathode et se pre- 25 sente sous la forme d'un tronc de cone creux
possedant de nombreuses ouvertures 15 destinees au passage des elec-
trons Il est egalement prevu une anode annulaire 16 possedant des
ouvertures 17 pour les electrons. Les electrons situes dans le
faisceau sont con- 30 traints de suivre la normale 12 par suite de la
produc- tion d'un champ magnetique dirige parallelement a cet- te
normale Ce champ est produit par modification des lignes de force du
champ magnetique du solenoide en uti- lisant un certain type de
modificateur de champ magneti- 35 que Dans le cas de l'exemple, on
utilise une bobine ma-
9 gnetique annulaire 18 sur la face de la cathode 9, si- tuee a
l'oppose du solenoide La modification produit un champ magnetique qui
est aussi parallele que possi- ble a la normale 12, et ce avec une
transition abrupte 5 parallelement a l'axe 10 Afin de garantir la
coherence du faisceau, si cela est necessaire, on prevoit une elec-
trode annulaire supplementaire sur la grille 14 Cette electrode
supplementraire peut prendre la forme de deux fils annulaires 19
disposes sur les faces respectives de 10 lagrille 14 Chaque fil peut
etre remplace par une electrode annulaire possedant une section en
coupe transver- sale incurvee comme represente en 20 Les potentiels
ap- pliques a la cathode 9, a la grille de commande 14, a l'electrode
supplementaire 19 ou 20 et a l'anode 19 sont 15 choisis de maniere a
produire un faisceau d'electrons possedant une intensite desiree et
une vitesse desiree. On notera d'apres la figure 3 que les composants,
qui constituent l'injecteur 8, entourent l'axe 10 tout en en etant
distants, et, comme cela sera decrit ci-apres, 20 cette disposition
permet l'utilisation d'un dispositif polariseur decrit en reference
aux figures 4 et 5 et qui est monte coaxialement au guide d'ondes. La
vitesse du faisceau et l'angle a d'incidence du faisceau par rapport a
l'axe 10 sont choisis de ma- 25 niere que la composante de vitesse,
normale a l'axe, provoque une rotationdes electrons du faisceau a la
fre- quence cyclotronique _ e B Uc m 30 requise pour l'interaction
avec le champ a haute frequen- ce tournant a la frequence w, et la
composante de vi- tesse par rapport a l'axe est telle qu'il se
produit, dans la cavite resonnante, plusieurs cycles de rotation 35 du
faisceau tournant Dans cet exemple le rapport de la
10 composante normale de vitesse a la composante parallele de vitesse
peut etre respectivement egal a 1:5 Lorsque le faisceau electrons 4
traverse le guide d'ondes 1, il delivre progressivement plus d'energie
au champ a haute 5 frequence se propageant selon le mode TE 11
polarise circulairement, dans le guide d'ondes,et qui est de ce fait
amplifie Il est prevu des bobines magnetiques 21 servant a 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 ferme de facon etanche par une
fenetre 24. Le rayon polarise circulairement sortant du gui- de
d'ondes 1 peut, si cela est necessaire, etre recon- verti selon le
mode TE,1 polarise lineairement, moyennant l'utilisation du dispositif
polariseur de la figu- re 4 en sens inverse. Un amplificateur
gyromagnetique construit con- formement a la presente invention
fournit un dispositif approprie pour l'obtention d'une interaction
entre un 20 champ a haute frequence polarise circulairement et un
faisceau d'electrons tournant.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS.CLMF:
1 Amplificateur gyromagnetique, caracterise en ce qu'il comporte un
guide d'ondes (1) qui est de section transversale circulaire et est
dimensionne de maniere a 5 recevoir un rayonnement se conformant a un
mode d'onde electrique polarise circulairementet a agir en tant que
zone d'interaction a une haute frequence predeterminee, des moyens
(31,33) pour recevoir le rayonnement a hau- te frequence, destine a
etre amplifie, et possedant un 10 mode electrique transversal et pour
transformer ledit rayonnement en un rayonnement possedant un mode
electrique polarise circulairement, le guide d'ondes (1) etant aligne
coaxialement aux moyens de transformation en vue de recevoir le
rayonnement polarise circulaire- 15 ment provenant de ces moyens, et
des moyens (7) pour pro- duire, dans la zone d'interaction, un champ
magnetique axial possedant une intensite apte a provoquer une ro-
tation des electrons a une frequence cyclotronique pre- determinee
ec)' et des moyens (8) pour injecter, dans 20 le guide d'ondes (1) un
faisceau d'electrons (4) posse- dant une composante prereglee de
vitesse perpendiculai- re a l'axe du guide d'ondes (1),et apte a
provoquer une rotation des electrons du faisceau dans le champ magne-
tic possedant ladite intensite, et ce a la frequence 25 cyclotronique,
et une composante de vitesse parallele a l'axe et apte a produire
plusieurs cycles de rotation du faisceau dans la cavite.
2 Amplificateur gyromagnetique selon la reven- dication 1, caracterise
en ce que les moyens d'injec- 30 tion (8) coneportent un canon a
electrons annulaire, dis- pose coaxialement a l'axe du guide d'ondes
et agence de maniere a diriger un faisceau d'electrons lineaire creux,
possedant une vitesse prereglee, vers ledit axe sous un angle
d'incidence (a) par rapport a ce dernier,en 35 definissant
lesditescomposantes de vitesse, et des moyens pour rendre le champ
magnetiqueparallele au faisceau, la o ce dernier est lineaire.
3 Amplificateur gyromagnetique selon l'une quel- conque des
revendications 1 et 2, caracterise en ce que 5 les moyens de
transformation (31,33) sont constitues par le montage en serie d'un
transformateur de guide d'ondes rectangulaire/circulaire (31) pour la
reception du rayon- nement a haute frequence possedant un mode
electrique transversal, et un polariseur circulaire (33) servant a 10
produire a partir de ce rayonnement un rayonnement pos- sedant un mode
electrique polarise circulairement.
4 Amplificacteur gyromagnetique selon la reven- dication 3,
caracterise en ce qu'il comporte un rotateur de Faraday (32) monte
entre le transformateur de guide 15 d'ondes rectangulaires (31) et le
polariseur circulaire (33).
5 Amplificateur gyromagnetique selon l'une quelconque des
revendications 2 a 4, caracterise en ce que les moyens (7) rendant le
champ magnetique paralle- 20 le au faisceau, la o ce dernier est
lineaire, compren- nent une bobine magnetique annulaire disposee
coaxiale- ment au guide d'ondes (1) sur -le cote des moyens d'injec-
tion (8), situe a l'oppose des moyens servant a produite ledit champ
magnetique axial. 25
6 Amplificateur gyromagnetique selon l'une quel- conque des
revendications 1 a 5, caracterise en ce que le guide d'ondes (1) se
retrecit avec une forme effilee en direction de sa sortie.
7 Amplificateur gyromagnetique selon l'une 30 quelconque des
revendications 1 a 6, caracterise en ce qu'il comporte des moyens
servant a convertir un rayon- nement polarise circulairement produit a
la sortie du guide d'ondes (1) en un rayonnement possedant un mode
electrique transversal.
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