Présentation
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.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleABSTRACT
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)
Cet article fait partie de l’offre
Électronique
(232 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
3. Gyrotrons
3.1 Principe de fonctionnement du gyrotron
Comme les magnétrons, les gyrotrons sont des oscillateurs (ils accrochent sur du bruit), sauf qu'ils sont utilisés à des fréquences beaucoup plus élevées (entre 50 et 200 GHz, parfois en-deça, de plus en plus souvent au-delà). Ils fournissent des puissances fantastiques (jusqu'à 2 MW CW) et sont réservés à des applications très particulières, dont certaines sont suffisamment importantes pour qu'ils soient présentés ici.
Exemple :
C'est le cas de la fusion thermonucléaire, il y aura une vingtaine de gyrotrons pour alimenter le réacteur ITER.
Imaginés vers 1958 aux États-Unis et en URSS, leur fonctionnement est complexe et nous n’en donnerons qu’un aperçu simplifié. Les électrons sont générés par une cathode imprégnée, et accélérés par un canon. Ils traversent un guide d’onde cylindrique orienté selon l’axe z, où a lieu la mise en paquets (à une fréquence f = ω/2π) et le rayonnement de l’énergie. Ils sont ensuite récupérés par un collecteur, généralement déprimé (figure 16).
Lorsqu’ils traversent le guide d’onde, les électrons sont plongés dans un champ magnétostatique longitudinal B, qui leur imprime une trajectoire hélicoïdale avec une pulsation gyromagnétique : ω B = eB/m. Le canon est conçu de telle sorte que leur vitesse transverse v t soit 30 % supérieure à leur vitesse longitudinale v z. La mise en paquet s’effectue le long de ces trajectoires hélicoïdales, sous l’effet du champ RF (pulsation ω) qui se propage dans le guide dans la même direction que les électrons (figure 17). On retrouve ici une relation de synchronisme entre vitesse de phase de l’onde et vitesse électronique, mais cette relation est plus subtile que celles vues précédemment.
À la différence d’un TWT ou d’un klystron, le champ électrique RF est transverse (mode TE) avec une amplitude nulle au centre et maximale environ à la moitié du rayon de la cavité cylindrique ; le champ électrique E n’ayant pas de composante selon l’axe Oz, c’est la vitesse...
Cet article fait partie de l’offre
Électronique
(232 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Gyrotrons
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SPANGENBERG (K.R.) - Vacuum Tubes. - McGraw-Hill (1948).
-
(2) - WARNECKE (R.) et al - Tubes à modulation de vitesse. - Gauthier-Villars (1951).
-
(3) - TSIMRING (S.E.) - Electron Beam and Microwave Vacuum Electronics. - Wiley (2006).
-
(4) - GILMOUR (A.S.Jr.) - Microwave Tubes. - Artech House (1986).
-
(5) - GEWARTOWSKI (J.W.) et al - Principles of Electron Tubes. - D. van Nostrand (1965).
-
(6) - BARKER (R.J.) et al - Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics. - Wiley (2005).
-
(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...
Cet article fait partie de l’offre
Électronique
(232 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive