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Générateurs d'oscillations.
L'invention concerne un générateur d'oscillations et plus spécialement l'appareillage servant à créer des oscillations à ultra-haute fréquence.
Dans le passé, on a essayé de créer des oscillations à ultra-haute fréquence en employant une lampe à vide triode arrangée pour le fonctionnement en classe C. Dans un tel dispo- sitif, un champ à tension constante est maintenu entre l'anode et
1a cathode et, si une tension alternative est appliquée à la grille de la triode, le courant anodique circule seulement au moment de la crête de la demi-période au cours de laquelle la grille est positive. En d'autres termes, des électrons sont libérés de la cathode suivant des impulsions, chaque impulsion survenant à la crête de la demi-période positive de la tension de grille.
Pour engendrer des oscillations, la tension alterna- tive appliquée à la grille est mise en opposition de phase avec
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la tension alternative de plaque. Des impulsions d'électrons sont donc libérées de la cathode en opposition de phase avec le champ alternatif entre la plaque ou anode et la cathode dans l'espace grille-anode, de sorte qu'elles ne travaillent pas en vertu de l'énergie de ce champ ou qu'elles n'y contri- buent pas, tandis qu'elles enlèvent de l'énergie au champ à tension constante maintenu entre la cathode et l'anode. Un oscillateur de ce genre est généralement connu sous le nom d'oscillateur modulé en densité, parce que la grille commande la répartition de densité des électrons ayant la. même vitesse.
Lorsqu'on doit employer un tel oscillateur pour la création d'oscillations à ultra-haute fréquence, le temps néces- saire aux électrons pour passer de la cathode à la grille de- vient appréciable par rapport à la période du champ alternatif.
Par suite de ce temps de parcours relativement élevé, l'impul- sion électronique ne demeure plus en opposition de phase avec le champ alternatif entre l'anode et la cathode, quand elle atteint l'espace grille-anode, et on n'obtient pas les oscilla- tions avec un rendement efficace. Le temps de parcours peut naturellement être réduit en diminuant l'intervalle entre les éléments de la triode. Toutefois, l'écartement nécessairement plus faible n'est pas pratique et exige à la plaque une ten- sion continue trop élevée pour obtenir une puissance suffisant à un fonctionnement satisfaisant.
Pour engendrer des oscillations à ultra-haute fréquen- ce, on a employé d'autres oscillateurs tels que le klystron et le magnétron. t'oscillateur klystron est un oscillateur à mo- dulation de vitesse nécessitant un dispositif de concentra- tion d'un courant électronique, cette nouvelle modulation se distinguant de la modulation en densité en se faisant par la répartition de vitesse des électrons; l'oscillateur a un ren- dement théorique maximum de 58% seulement. Le magnétron pré- sente également certains désavantages dont l'un des principaux est la nécessité de produire un champ magnétique dans un espace
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considérable notamment pour la fourniture d'une puissance moyenne élevée.
Le, but principal de l'invention est par conséquent de fournir un dispositif nouveau et perfectionné pour la créa- tion d'oscillations à ultra-haute fréquence.
Les autres buts de L'invention sont : fournir un générateur d'oscillations à ultra-haute fréquence dans lequel l'écartement des éléments peut être tel qu'il procure un dispositif de construction aisée. fournir un générateur d'oscillations à ultra-haute fréquence dans lequel la tension anodique peut être relative- ment faible bien que le générateur fournisse une puissance moyenne relativement élevée.
Suivant l'invention on crée un oscillateur à cavité résonnante modulé en densité, qui comprend un résonateur creux possédant à l'intérieur un champ électro-magnétique à ultra- haute fréquence et des dispositifs sensibles aux pointes posi- tives du champ à 'haute fréquence servant à provoquer le pas- / sage d'un groupe d'électrons ou impulsion le long d'un chemin prédéterminé à travers le champ à haute fréquence, la longueur du chemin prédéterminé étant telle, par rapport à la fréquence du champ, que l'énergie cinétique du paquet d'électrons est pratiquement nulle en fin de course. L'impulsion électronique entre dans le champ à haute fréquence pendant les pointes po- sitives de ce champ.
Pendant que les électrons se trouvent dans le champ à haute fréquence, de l'énergie leur est fournie par un champ à tension.continue pratiquement constant. Les élec- trons continuent dans le champ pendant la majorité, sinon pen- dant la totalité, des demi-périodes négatives successives du champ à haute fréquence pendant lesquelles ils abandonnent au champ à haute fréquence pratiquement toute l'énergie dérivée¯ du champ à tension continue..-, -L'impulsion électronique peut être créée en plaçant une anode et une cathode de telle sorte qu'elles sont soumises
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au champ à haute fréquence à l'intérieur du résonateur à cavi- té. L'anode et la cathode peuvent constituer une partie des parois du résonateur ou en être indépendantes.
Une grille ou élément de commande est placée près de la cathode et cet or- gane de commande est de préférence dans le même plan que la cathode, parce que les écartements utilisables sont faibles. une tension constante ou continue est appliquée entre l'anode et la cathode et une petite tension continue de polarisation est appliquée entre la grille et la cathode.
L'invention ressortira clairement après la description détaillée suivante de plusieurs de ses réalisations préférées, montrées à titre d'exemple dans les dessins annexés: les figs. 1, 2, 3 et 4 illustrent différentes réalisa- tions de l'invention.
Le fonctionnement de l'oscillateur est un peu analogue à celui d'un oscillateur à lampe à vide travaillant en classe C.
La cathode est soumise au champ de la tension continue entre l'anode et la cathode ainsi qu'au champ à haute fréquence du résonateur à cavité. Pendant la demi-période positive du champ à haute fréquence, ces 2 champs tendent à libérer des électrons de la cathode. Toutefois, la tension de polarisation de l'or- gane de commande est telle que des électrons sont libérés de la cathode uniquement pendant la partie de pointe positive du champ à haute fréquence. En conséquence, les impulsions d'élec- trons quittent la cathode en phase avec le champà haute fré- quence et démarrent donc avec ce champ qui les influence.
Par suite de la faible vitesse des électrons par rapport à la fré- quence du champ, l'impulsion électronique ne va pas très loin avant que le champ s'inverse et l'énergie, que les électrons dérivent du champ à tension continue, leur permet d'influencer l'énergie du champ à haute fréquence ou de l'alimenter. L'anode est écartée de la cathode d'une distance telle que l'impulsion électronique est captée par l'anode avant que le champ à haute .fréquence s'inverse de nouveau. Une partie de l'énergie fournie
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ainsi au champ à haute fréquence par les électrons sert à entretenir ce champ, tandis que le reste de l'énergie peut être extrait suivant n'importe quel procédé classique et four- ni à une charge.
Ce qui précède montre nettement que l'écartement de l'anode et de la cathode est en rapport défini avec la fréquence du champ à haute fréquence et avec la valeur de la tension con- tinue anode-cathode. Pour trouver cette relation, on peut con- sidérer un électron comme partant de la cathode au moment t = o et à une distance de la cathode x = o. A cet instant de la libé- ration d'un électron, le champ à haute fréquence 9 se trouve à sa valeur de crête et est superposé à un champ F d'une tension constante. L'équation du mouvement de l'électron est
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m d2x ¯ g cos û,t + F (1) e dt2 où m est la masse de-l'électron et e sa charge tandis quefd est la pulsation du champ 9.
L'intégration de l'équation (1) une 1ère.fols donne wm dx = sin w t , wt (2) ets oLt c puisque â = o quand t = o si fi doit être égal à zéro µ quelque moment ultérieur, quand t Tu o, alors s:in w T 1/T> on 1 = -:sint 9 U-' 1 Ceci est seulement possible si?7'< w T G 2 J" , car autrement P serait négatif.
On peut intégrer l'équation (2) une deuxième fols, ce 'qui donne É x = 1 - cos wt + 7./2 É u t2 (4) - Pour retirer le maximum de puissance de l'oscillateur, l'électron devrait être capté par 1'anode au moment où son énergie cinétique devient nulle. Si X représente la distance entre 1'anode et la cathode, en employant les équations (3) et (4)-. iS X 1 -cos wT - 1/2 ,u T sin 6uT (5) eE
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Si V est la tension anodique continue, on a alors V = FX. En faisant cette substitution dans (3). on obtient R - #Jt&L V sincuT* X En faisant la substitution dans (5) et en posant ± = W - durée du voyage d'un électron sur une distance X en fonction de la fréquence du champ 2,a X2 = - 0(..
(1 - oos p( - s.n ,:::>é) (6) eV sin 0( 2
L'équation (6) montre clairement qu'on peut obtenir une valeur positive, et par conséquent admissible, de X2
V
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quand oC. est supérieur.. à 7j'radians et inférieur à 2 11 radians.
Au point de vue pratique, il est souhaitable d'avoir la ten- sion anode-cathode V aussi faible que possible et l'espace cathode-anode X aussi grand que possible. L'examen de l'équa- tion (6) montre cependant que'X2 ne peut être augmenté beau- coup, pour un V donné, sans accroître fortement E . Comme on
F l'expliquera plus loin, un accroissement de E rend l'amorçage
F des oscillations plus difficile et augmente le courant de charge beaucoup plus rapidement que l'augmentation de X ne le diminue. Il est préférable de faire [alpha]= 2/3#; pour cette va- leur on obtient un fonctionnement convenable avec un dispositif pratique.
Pour cette valeur de [alpha], FE = 4,71 et il découle de l'équation (6) que
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X2:: 15esev = l518e 2v M tu2 4112mc2 où À est la longueur d'ondes en cm et c la vitesse de la lumière en cm/sec.
Puis X = y--ll-5 m &P- x 1 -,,\ vi/2 = 0,015 \ Vl/2 cm, avec V en unités électrostatiques. Faisant usage de cette rela- tion, le tableau ci-dessous donne des valeurs dc X et de tensions haute fréquence pour diverses tensions V anode, -catho-
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<tb> x
<tb>
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#S# 3z Volts hautq-fréquenne maxiina
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<tb> 500 <SEP> 0,016 <SEP> 2350
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1000 <SEP> 0,022 <SEP> 4700
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2000 <SEP> OeO52 <SEP> 9400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5000 <SEP> 0,050 <SEP> 23500
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10000 <SEP> 0,07 <SEP> 47000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 20000 <SEP> 0,10 <SEP> 94000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 50000 <SEP> 0,16 <SEP> 235000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 100000 <SEP> 0,22 <SEP> 470000
<tb>
L'analyse précédente,,
montre que des électrons libérés d'une cathode par les,pointes positives d'un champ haute fré- quence peuvent être recueillis avec une énergie cinétique né- gligeable sur une anode convenablement disposée. Pendant la durée de l'émission il n'y a qu'une couche mince de charge d'espace près de la cathode de telle sorte que le champ de charge d'espace à la surface cathodique est.minime en compa- raison de celui qui existe dans l'état stationnaire, pour la même densité instantanée du courant.
Si des électrons quittent la cathode pendant 1 seulement du cycle du champ haute fré-
10 quence et si l'émission instantanée de la cathode complète est de I ampères et est considérée comme à peu prés constante pen-
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dant 0,1 cycle, le courant,...a,nodique continu moyen sera donc 0,1 x 1. L'oscillateur a donc un rendement de 100% dans la li- mite théorique des polarisations élevées, en négligeant l'éner- gie du filament. Ce rendement peut être comparé à celui de l'oscillateur Klystron qui atteint seulement 58%.
Pour démontrer que l'oscillateur est à auto-amorçage, il faudrait considérer un état dans lequel les oscillations à l'intérieur du résonateur à cavité, telles qu'elles peuvent être produites par des fluctuations thermiques ou par d'autres conditions, sont très faibles, ce qui fait que les électrons frappent l'anode avec une énergie élevée. FF = r est alors très F petit. Grâce à l'équation (4), le moment tr auquel les électrons frappent l'anode est donné par
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\J.J .2m X = r r (l - eos w tr) + 1/2 ,u 2tr2 (7) En considérant X et F comme fixés et tr comme une fonction de r, la différentiation par rapport à r donne
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( <JLr¯)¯ cos - tr - 1 (8) dr LAJ tp + r Sin Wtr Le numérateur est toujours négatif mais le dénominateur est positif si tir r < ' sin 't quand ( - ###) est positif.
Par conséquent, si sin uutr ( - 1 - t " est positif quand r vaut zéro, le temps tr décroîtra de façon continue de to à sa valeur de régime T lorsque r passe de zéro à sa valeur de régime. Il est donc manifeste que les électrons frappent l'anode avec moins d'éner- gie cinétique quand r est petit que quand r vaut zéro. La dif- férence doit être abandonnée au champ à haute fréquence. Si
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vr = dx à la distance X, il découle de l'équation (2) que 2 2 V2 = r2 sin" w tr + 2t wtr sinwtr+u;2 tr2 (9) e F qui vaut 2 r # tr + eu 3 tr2, pour r petit. Le signe de vr2 - v02 sera donc donné par celui de 2 r w tr sin #tr, qui sera le même que celui de 2 r #to, lequel à son tour est négatif.
Ceci prouve que, pour de faibles pertes dans le circuit du résona- teur à cavité, les oscillations s'amorcent d'elles-mêmes aussi longtemps que la polarisation continue varie proportionnelle- ment à l'amplitude du champ haute fréquence. Pour obtenir une tension de polarisation qui varie de la façon désirée, une petite tension fixe de polarisation et une résistance sont in- séres entre la grille et la cathode dans le circuit anode- cathode. La petite tension fixe de polarisation est mise pour prévenir un courant de plaque excessif avant que les oscilla- tions débutent.
Comme signalé précédemment, la distance entre l'anode et la cathode est de préférence telle que le temps du parcours électronique vaut 2/3# par rapport à la pulsation du champ à haute fréquence., ce qui est tout à fait réalisable dans la plu- part des cas. Pour des longueurs. d'ondes extrêmement faibles, A
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cette distance peut,également devenir trop petite pour des réa- lisations pratiques mais on peut obtenir un fonctionnement satisfaisant si la distance est telle que le temps de parcours des électrons vaut 3#/2 + 2 n#, où n est un nombre entier.
Dans ces circonstances, l'impulsion électronique est encore recueillie à l'anode quand son}énergie cinétique est pratique- ment nulle.
En se référant à présent aux dessins, la fig.l repré- sente un corps creux ou résonateur à cavité 5 qui a une forme semblable à un anneau, avec une section centrale surbaissée et ayant à l'intérieur un champ électro-magnétique à ultra- haute fréquence, et qui comporte une anode 7 formant une par- tie de la paroi du résonateur. Une cathode 9, constituée d'un anneau plat en tantale de préférence, forme une partie de la paroi du résonateur opposée à lanode 7. La cathode 9 est mon- .tée sur une pièce tubulaire fendue 11 et le chauffage du fila- ment est fourni par une source alternative 13 par l'intermé- diaire d'un transformateur auxiliaire 15 dont le secondaire 17 est connecté à différentes parties de la pièce tubulaire 11.
Un organe de commande 19 est monté près de la cathode et est composé d'un anneau-de fil à l'intérieur de la cathode
9 et d'un second anneau de fil encerclant la cathode. Les anneaux , de commande 19 sont de préférence pratiquement dans le même plan que la cathode 9, à cause des faibles écartements, et- peuvent être constitués de fil de tantale ou de molybdène. Les anneaux de commande 19' sont connectés à et montés sur une deuxiè- me pièce tubulaire 23 séparée de la première pièce tubulaire 11 ,par une matière isolante telle que le verre. Une troisième pièce tubulaire 27 est connectée à la paroi principale du résonateur
5 et est isolée de la deuxième pièce tubulaire 23 par une ma- tière isolante qui peut également être du verre.
Les trois pièces tubulaires 11, 23 et 27 ont des longueurs telles qu'elles constituent un filtre¯passe-bas, résonnant sur 1/4 de longueur d'ondes, pour le champ à haute fréquence, de sorte qu'il n'appa-
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raft pas de tension à haute fréquence entre la cathode et les anneaux de commande. L'isolement en verre peut également être prolongé pour former une enceinte étanche au vide.
L'anode 7 est mise à la masse et est reliée par un con- ducteur 31 à une source de tension continue 33, à une résistan- ce 35, à une seconde source de tension continue 37, au secondaire 17 et à le. pièce Il allant à la cathode 9. De cette façon, un champ constant de tension continue est créé entré l'anode ? et la cathode 9. Les anneaux de commande 19 sont connectés par le conducteur 39 au point de Jonction de la première source de tension 33 et de la résistance 35,de sorte qu'une tension con- tinue de polarisation, consistant en la petite tension constante de la seconde source 37 et en la tension variable aux bornes de la résistance 35, apparaît entre la cathode et l'organe de com- mande.
Cette tension de polarisation varie selon l'amplitude du champ à haute fréquence à l'intérieur du résonateur et a une valeur telle que des électrons sont libérés de la cathode seulement lors des crêtes des demi-périodes positives du champ à haute fréquence. Une impulsion d'électrons pénètre dans le champ à haute fréquence pendant une pointe positive. Le champ à haute fréquence s'inverse bientôt et les électrons apportent un appoint à l'énergie du champ à haute fréquence, appoint qu'ils prennent au champ à tension constante entre l'anode et la cathode. Une partie de cette énergie sert à entretenir le champ à haute fréquence et une ligne de sortie coaxiale 41 est couplée magnétiquement au résonateur pour transférer'l'é- nergie restante à une charge.
L'anode et la cathode sont espa- cées de telle sorte que les électrons sont recueillis lorsque leur énergie cinétique est pratiquement nulle.
Le résonateur montré sur la fig.l est conçu pour le fonctionnement suivant le premier harmoniquemais la fig.2 illustre un résonateur conçu pour le fonctionnement suivant le second harmonique. En d'autres termes, dans la fig.l, l'onde électromagnétique possède un noeud le long du bord à grand dia-
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mètre du résonateur et un ventre au milieu de celui-ci, tandis que dans la fig,2 l'onde comporte des noeuds au bord à grand diamètre et un autre noeud au centre de celui-ci. Par consé- quent, l'anneau de cathode de la fig.2 doit avoir un diamètre suffisant pour être soumis au ventre de l'onde électromagné- tique.
Sinon, le fonctionnement pour la fig.2 est identique à celui de la fig.l et les mêmes indices de référence sont em- ployés pour des organes similaires.
La fig.3 montre un autre dessin de résonateur. Cette variante fonctionne de même manière que la fig.l et comporte des organes semblables. Toutefois, le résonateur a une forme diffé- rente, afin de permettre la création d'oscillations ayant des longueurs d'ondes plus élevées, avec un appareil ramassé.
La fig.4 illustre une autre réalisation de l'invention, dans laquelle les oscillations engendrées servent à augmenter la vitesse d'un courant électronique pour la production de rayons X. Le résonateur 5 affecte la forme d'un cylindre com- portant une partie rentrante.45. La cathode 9 constitue une partie de la paroi du cylindre, mais l'anode 45 est montée sur un support 47 à l'intérieur du cylindre et se trouve à distance convenable de la cathode. Un filament 49 est placé à l'extrémi- té intérieure de la partie rentrante 43 du résonateur afin de projeter des électrons sur une cible 51 placée du cSté opposé.
Un écran 53 est mis près du filament 49 et est polarisé par une source de tension auxiliaire 55. Le flux électronique ve- nant de la cathode, laquelle est alimentée par la source 13 en passant par un transformateur auxiliaire 57, est bloqué par la tension de polarisation jusqu'à ce que la tension électro- magnétique dépasse une valeur prédéterminée, En passant à travers le champ à haute fréquence dans le résonateur, les électrons venant du filament 49 sont accélérés et frappent la cible 51, .en produisant des rayons X. La création des oscilla- tions à haute fréquence s'effectue suivant la manière décrite précédemment.