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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la réédition actualisée de l’article E1620 intitulé « Tubes électroniques hyperfréquences - Technologies, tubes à grille et klystrons » paru en 2008, rédigé par Thierry LEMOINE.
RÉSUMÉ
Cet article traite des tubes électroniques hyperfréquences de très forte puissance: les klystrons de fréquence comprise entre 300 MHz et 10 GHz, et qui peuvent atteindre des puissances crête de la classe 100 MW. Les tubes à champs croisés (CFA et magnétrons) font l’objet d’une introduction, ainsi que les gyrotrons qui sont des oscillateurs de la classe 1 MW dans les fréquences 50-200 GHz sont très utiles pour la maîtrise de la fusion thermonucléaire.
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This article presents very high power microwave tubes: klystrons working between 300 MHz and 10 GHz, capable of peak power in the range of 100 MW. Cross-field tubes (amplitrons and magnetrons) are introduced, along with gyrotrons, which are oscillators of 1 MW class, working between 50 and 200 GHz, very useful in the design of thermonuclear fusion reactors.
Auteur(s)
-
Thierry LEMOINE : Directeur Technique - THALES Microwave & Imaging Subsystems, Vélizy, France
INTRODUCTION
Les tubes à grille présentés dans l’article [E 1 620] souffrent de la même limitation que les dispositifs état-solide : le temps mis par un électron pour parcourir les structures d’interaction (la distance cathode – grille dans ce cas) doit être petit par rapport à 1/f, où f est la fréquence du signal. Cependant, à la différence d’un transistor où ces structures peuvent atteindre des tailles sub-microniques, dans un tube à grille il est impossible de descendre sous des distances de l’ordre de la centaine de microns.
Les klystrons souffrent d’un problème analogue (les premiers klystrons disposaient de grilles en entrée/sortie des tunnels de glissement), mais leur principe de fonctionnement très différent (modulation de vitesse plutôt que modulation de densité) engendre des performances en fréquence supérieures.
Toutefois, la plupart des tubes hyperfréquences exploitent une idée totalement différente, basée sur le synchronisme entre un faisceau d’électrons et une onde électromagnétique suivant le même chemin. L’idée est la suivante : si un électron est placé dans un champ électromagnétique RF de telle façon qu’il subisse pendant une durée « relativement longue » ce qui signifie sur une durée supérieure à 1/f, l’influence d’un champ décélérateur (E>0), alors il rayonnera son énergie. Mais, comment un électron accéléré dans le vide peut-il aller à une vitesse proche de la vitesse de la lumière dans le vide ? C’est l’objet de cet article et de l’article [E 1 622] portant sur les TWT. Si l’électron est animé d’un mouvement parfaitement rectiligne à la vitesse ve , cette condition de synchronisme implique que ve est égal à v ϕ la vitesse de phase de l’onde, sachant que v ϕ est égal à ω/β où β le vecteur d’onde et ω la pulsation. Si au mouvement rectiligne de l’électron se superpose un mouvement oscillant transversal (à la pulsation Ω), la conservation de la quantité de mouvement impose de remplacer v e par v e + Ω/β dans la condition de synchronisme. La première condition s’applique aux magnétrons, TWT ou EIK ; la seconde aux gyrotrons, mais aussi aux lasers à électrons libres (FEL).
La condition de synchronisme comporte une petite subtilité : pour que l’électron cède un maximum d’énergie à l’onde, elle doit être légèrement violée (l’électron doit être à peine plus rapide que l’onde) : c’est un principe très général en physique, connu en optique sous le nom d’effet Tcherenkov.
Dans tous les tubes hyperfréquences, un faisceau d’électrons est émis par une cathode et pénètre une structure d’interaction constituée de conducteurs métalliques (cavités pour un klystron, hélice pour un TWT, guide d’onde pour un gyrotron ou un magnétron). Un électron étant une particule chargée, des lignes de champ partent de la particule pour rejoindre les conducteurs placés à un autre potentiel. Lorsqu’il entre dans la zone d’interaction, la forme des conducteurs se modifie, et il en va de même des lignes de champ. Ces modifications ne peuvent pas être instantanées : elles se propagent à la vitesse de la lumière ; en d'autres termes, la particule rayonne de l’énergie (§ 1.3). Chaque électron du faisceau émet un rayonnement incohérent, de sorte que le faisceau émet spontanément du bruit, qui est blanc en l’absence de contrainte sur la fréquence du rayonnement émis, et qui peut accrocher sur les fréquences de résonance de la structure d’interaction. Intimement lié au caractère corpusculaire du faisceau électronique, ce phénomène explique comment des oscillations prennent naissance : oscillations parasites dans un amplificateur comme un klystron (on parle d’oscillation monotron) ou à la base du fonctionnement du tube dans un magnétron ou un gyrotron.
Cet article se focalise sur les tubes de très forte puissance et à bande étroite, utilisés notamment pour alimenter des accélérateurs de particules et des réacteurs de fusion nucléaire. Il est suivi de l'article [E 1 623] sur les tubes à onde progressive, large bande, destinés à l’amplification de signaux à forme d’onde complexe pour les radars et les systèmes de télécommunication.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes importants de l’article, ainsi qu’un tableau des notations et symboles utilisés.
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
klystrons | magnetrons | gyrotrons
VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2009 par Thierry LEMOINE
DOI (Digital Object Identifier)
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4. Autres familles de tubes électroniques
D’autres tubes font l’objet de recherches pour extraire une très forte puissance crête, et peut-être certains connaîtront-ils des débouchés importants. Il est impossible de les décrire ici ; nous nous contentons d’en citer quelques-uns.
Les plus connus sont les amplificateurs dérivés du principe du gyrotron. Les gyroklystrons et les gyroTWT sont étudiés pour des applications exigeant des centaines de kWc entre 20 et 140 GHz, essentiellement des radars de trajectographie. Le peniotron est une variante du gyrotron, qui se contente de champs magnétiques plus faibles, d’où son intérêt.
Les chercheurs russes ont imaginé d’autres tubes CRM où le faisceau suit une trajectoire hélicoïdale synchronisée avec une onde à polarisation circulaire. Mais, à la différence des gyrotrons et autres gyroklystrons, les électrons restent monocinétiques : il n’y a pas de bunching. L’intérêt est de permettre un rendement très élevé (classe 75%), puisque le processus de freinage n’induit pas de dispersion de vitesse. Ces tubes (gyrocons et magnicons) fonctionnent sur des tensions très élevées (classe 400-500kV) et ils ont fait l’objet de peu de réalisations.
Les BWO, klystrons et magnétrons « relativistes », permettent d’atteindre des puissances crêtes phénoménales (le GWc) pendant des temps très brefs. Ils conjuguent des faisceaux relativistes et la magie de la loi P RF ~ V k 2 (variante de la loi P RF ~ V k 5/2 lorsque les électrons ont une vitesse égale à c). Ces objets sont à vocation militaire (« l’arme hyperfréquence », qui projette à des kilomètres des champs électriques RF susceptibles de détruire des récepteurs électroniques), de même que d’autres objets dérivés du principe du maser, tel l’ubitron (proche cousin du laser à électrons libres), le vircator (virtual cathode oscillator) où le champ électrique flirte avec la limite de Fowler-Nordheim ; le concept est voisin, mais le champ alterné est électrostatique), le MILO…
Citons pour conclure les cousins dédaignés des tubes existants : la twistrode, hybride entre une triode et un TWT ; le twistron, hybride entre un klystron et un TWT ; l’orotron,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SPANGENBERG (K.R.) - Vacuum Tubes. - McGraw-Hill (1948).
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(2) - WARNECKE (R.) et al - Tubes à modulation de vitesse. - Gauthier-Villars (1951).
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(6) - BARKER (R.J.) et al - Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics. - Wiley (2005).
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(7)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
L'édition des proceedings de l'IVEC (International Vacuum Electronics Conference, manifestation annuelle sponsorisée par l'IEEE) est la publication indispensable pour se tenir informé de l'évolution des technologies de tubes électroniques et de leurs applications.
HAUT DE PAGE2 Données statistiques et économiques
La liste, classée par pays et qui présente les acteurs de cette filière, est aussi complète que possible, mais il y a forcément quelques omissions, dont l'auteur espère qu'il ne lui en sera pas tenu rigueur. Les différences de taille entre ces acteurs ne sont pas indiquées, mais elles peuvent être importantes.
Les acteurs industriels (tableau 1) ont (presque) tous un site Internet sur lequel leurs produits sont présentés. Les acteurs académiques retenus (tableau 2) sont ceux qui ont présenté récemment le résultat de leurs travaux à la conférence annuelle IVEC.
Aux États-Unis, CPI est la nouvelle identité de l'activité tubes électroniques, autrefois propriété de Varian, qui regroupe également des activités cédées par les sociétés Eimac, Bomac, SFD, Econco et GE (TWT). L3-ED est la nouvelle identité de l'activité tubes électroniques autrefois propriété de Litton, et qui regroupe des activités cédées par les sociétés Raytheon, RCA, Sylvania, Northrop-Grumman...
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