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PERFECTIONNEMENTS AUX GENERATEURS ELECTRONIQUES
D'OSCILLATIONS.
La présente invention concerne des arrangements pour produire un faisceau d'électrons particulièrement pour des dis- positifs à décharge électronique comprenant des chambres de ré- sonance à haute fréquence.
Dans les oscillateurs du type à modulation de vitesse pour très courtes longueurs d'onde, il est en général désirable d'employer des faisceaux d'électrons ayant une densité de cou- rant très élevée. Ceci résulte immédiatement du fait que pour un voltage donné de faisceau les dimensions mécaniques des cir- cuits sont réduites lorsque la longueur d'onde est réduite et conséquemment une plus faible section transversale du faisceau doit être utilisée. Ceci signifie que dès l'instant où une puis-
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sance adéquate peut être obtenue, un voltage ou une densité de courant doit être obtenue.
Un objet de la présente invention est de prévoir des arrangements pour produire des faisceaux d'électrons dans les- quels des densités considérables de courant peuvent être obtenues.
Suivant une caractéristique de la présente invention, dans un arrangement d'électrodes pour produire un faisceau d' électrons, un champ magnétique sensiblement uniforme est appliqué de telle façon que les lignes de force magnétiques sont tang.en- tielles aux surfaces émettant les électrons.
L'invention sera décrite plus en détail en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: dans la figire I une surface plane I émettant des élec- trons est illustrée, placée de façon opposée et parallèle à une anode plane 2, et de plus un champ magnétique uniforme est appli- qué perpendiculairement au plan du diagramme.
Ainsi, comme il est bien connu, le chemin des électro- des émergeant de la cathode I avec une vitesse 0 sera cycloidal, comme montré par les chemins 3, 4 des électrons émis des points 5,6.
A la suite d'un examen de la figure I, on observera que la densité de courant dans la direction de la flèche A au point 7 est très grande comparée à la densité d'émission sur la surface de la cathode, toute l'émission entre les points 5 etv6 étant concentrée entre les deux lignes 8 et 9.
Comme application de cette grande concentration de cou- rant, on a l'établissement d'oscillateurs à fréquence ultra-éle- vée ervd'amplificateurs de puissance, particulièrement, mais non exclusivement, du type à modulation de vitesse. On peut noter que l'effet d'une charge d'espace complète qui est une limitation a été considérée et trouvée avantageuse pour la concentration de courant désirée. Dans la figure 2 sobt montrés des chemins d'élec- trons qui peuvent être obtenus ainsi.
Des arrangements suivant l'invention pour produire des
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concentrations de courant électronique ont un avantage particulier en ce que le faisceau de concentration des électrons est produit seulement après que les électrons ont atteint une vitesse consi- dérable. La limitation de la charge de l'espace de l'émission de la cathode ne rend pas en conséquence nécessaire d'employer des voltages très élevés ou des espacements très réduits des électro- des comme dans le cas de beaucoup de constructions connues pour la production de faisceaux concentrés.
Il est clair. d'après la figure 2 que sur le plan A - A I où la vitesse des électrons est faible et les effets de la charge d'espace sérieux, le courant a une faible densité, tandis qu'en B - B I, la densité du courant est considérablement accrue et la vitesse des électrons aussi est grande.
La variation de la densité de courant i avec la distance x de la cathode est montrée dans la figure g pour des charges d' espace négligeables ( courbe I ) et pour une charge d'espace li- mitée - courbe 2, ic étant la densité minimum.
Des arrangements produisant des faisceaux d'électrons suivant la présente invention comme déjà indiqué, sont particuliè- rement adaptables pour être incorporés dans des oscillateurs des- tinés à être utilisés à des longueurs d'onde très courtes de l'or- dre de 3 cm ou moins. Dans de tels oscillateurs, des circuits ré- sonants des types ordinairement utilisés pour de plus grandes longueurs d'onde deviennent très petits. En conséquence de ceci, la quantité de courant d'électrons qui peut être utilisée devient aussi faible. De façon à obtenir de hautes puissances, en consé- quence, il est important d'employer des systèmes dans lesquels la cathode dont on peut utiliser la surface est aussi grande que possible: on la mesure en termes # 2, # = longueur d'onde.
Etant donné que les pertes de circuit tendent à devenir sérieuses à des longueurs d'ondes aussi courtes, il est aussi important que le circuit soit établi pour donner une impédance qussi élevée que possible aux points traversés par le faisceau d'électrons et que la densité de courant dans ce faisceau soit aussi grande que possible.
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Une réalisation de l'invention qui va être décrite satisfait à toutes ces exigences et de bien des manières consti- tue une avance appréciable sur les circuits existants pour ces hautes fréquences.
Les figures 4 et 8 montrent des réalisations employant une seule chambre résonante à haute fréquence. La chambre figure 4 a une seule ouverture tandis que dans les figures 5 et 8 elle a une pluralité d'ouvertures disposées autour de la circonféren- ce de la chambre.
En se référant aux figure 5 et 8, une section trans- versale d'un tube à décharge électroniqueutilisant les caractéris- tiques de l'invention est montré, les lignes pointillées étant les trajets de quelques électrons typiques. La structure est constituée par une grande cathode dylindrique A revêtue sur sa surface intérieure et contenant à l'intérieur d'elle-même une anode à segments constituée par une série d'arcs B d'un.cylindre coaxial avec A. Un champ magnétique est appliqué parallèlement à l'axe du cylindre, les chemins 11, 12, 13 ( figure 5 ) montrent la forme du chemin traversé par une série d'électrons àbandonnant A en l'absence d'oscillations.
Ilsmontretaussi comment toute l' émission d'une surface considérable de A sera concentrée dans un courant de très haute densité passant avec précision à travers 1' intervalle entre les deux bandes B aussi longtemps que la différen- ce de potentiel entre A et B est sensiblement équilibrée par le champ magnétique employé.
Maintenant des oscillations peuvent être établies à l'intérieur de l'anode B suivant un type caractérisé par les li- gnes de force électriques, la distribution instantanée desquelles est montrée en 14 ( figure 6 ). On notera qu'un nombre pair de bandes B doit être utilisé. La longueur d'ondes sera très courte; si n bandes sont utilisées elle sera de l'ordre de 4nr/n,et n indépendante de la longueur du système perpendiculairement au papier; r est le rayon de l'anode.
L'énergie sera soutirée du fais- ceau d'électrons lorsqu'il traverse les intervalles de transfert
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d'énergie, étant maximum lorsque les électrons restent dans le champ de l'intervalle pendant environ 1,2 période par seconde de l'oscillation.L'examen du comportement des électrons lorsque les oscillations ont lieu montre que l'efficacité de fonctionne- -ment sema au moins double de celle d'une diode utilisant le même mécanisme d'excitation avec un faisceau d'électrons,c'est à dire de l'ordre de 40%, ceci dû au fait que seuls les électrons qui ont perdus de l'énergie cinétique et ont ainsi contribué à maintenir les oscillations seront collectés par l'anode B,
si le champ magnétique est proprement réglé.D'autres électrons retour- -neront à la cathode et n'absorberont donc pas d'énergie à courant continu.4 chemins typiques d'électrons I5à 18 sont montrés dans les fig. 7'et 8 correspondant aux électrons qui ont abandonné la cathode à des intervalles d'I/4 de période. 2,à savoir, 15 et 16, -sont montrés plus olairement dans le dessin agrandi de la fig. 8.
Ils perdent une quantité considérable de leur énergie à courant continu et sont collectés par l'anode. Un faisceau,celui suivant le chemin 17 ne subit qu'une faible perte d'énergie,et retourne à la cathode, et l'autre 18 gagne de l'énergie du champ à haute fré -quence et retourne à la cathode.Le champ magnétique ne sera pas en fait si critique qu'on pourrait le penser par la discussion ci-dessue car une augmentation,bien que déplaçant légèrement les électrons du champ magnétique maximum,permettra seulement aux électrons qui ont perdu une quantité utile d'énergie d'atteindre -' @ l'anode.
Si des voltages très élevés sont utilisés, l'émission extrêmement élevée disponible peut rendre la dissipation d'éner- gie à l'anode difficile pour une opération à ondes entretenues, mais le système reste extrêmement désirable pour servir comme générateur d'impulsions et pour une puissance de sortie désirée.
Les grandes dimensions du système, comparées avec les longueurs d'onde, permettent à la dissipation d'être répartie sur de gran- des surfaces.
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Le système oscillant peut évidemment prendre des formes autres que les arcs cylindriques B,par exemple des bandes plates,feuilles de tungstène,par exemple, peuvent être utilisées,les dimensions étant convenablement ajustées, ou toute autre forme de section donnant des intervalles convenables lorsqu'ils peuvent être atteints par le faisceau d'électrons avec des champs grands et à haute fré- -quence qui leur sont appliqués.
Les bandes peuvent être montées sur des supporta radio à par- -tir du centre B,ou supportées de toute façon convenable sur une substance isolante,et la fréquence peut être réglée dans des limites raisonnables,soit par tout système convenable de distor- -tion et d'application approprié,, ou par le mouvement d'un conduc- -teur près de l'extrémité du système.
La puissance ainsi produite peut être prise de toute manière convenable par exemple par une boucle près de l'extrémité du systè- -me ou toute autre méthode bien connue.Le débit préférablement étant amené à travers une enveloppe à vide par un guide'd'ondes convenable pour éviter des pertes injustifiées.
La longueur des bandes perpendiculaires à la section montrée dans les figures n'est pas importante excepté dans les limites où il est désirable que ces dimensions ne soient pas telles que les résonances aux longueurs d'ondes aisément excitées dans la même gamme de voltage ou de champ magnétique se produisent.
Dans la fig. 9,2 chambres de résonance à haute fréquence 24 et 25 sont utiliséeq comme dans un tube klystron bien connu,et peu- -vent être couplées extérieurement si l'arrangement doit être utilisé comme oscillateur.
Il n'est pas nécessaire dans la réalisation montrée dans la fig. 10 que les circuits modulant et de débitée'est à dire 19 et 20,soient au même potentiel.Il peut être avantageux d'avoir un cir- -cuit de débit 20 à un potentiel plus élevé,les électrodes évidem- -ment étant disposées de façon à fournir des ohemins convenables pour les électrons.
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Les éleotronsseoondaires émis par la surface 21 comme montré, sont disposés de façon à recevoir les électrons retour- nant vers la première surface émissive 1. A l'impact avec la surface 21, les électrons primaires qui tombent sur cette surfa- ce provoquent des éleotrons secondaires émis, et le faisceau 23 d'électrons émis de 21 est condensé suivant la manière indiquée précédemment. Le faisceau primaire d'électrons 22 est modulé en densité par le champ à haute fréquence sur l'ouverture de la chambre de résonance 19. Ce faisceau modulé 22 produit un faisceau modulé amplifié d'électrons 2g qui excite la chambre de résonance 20 lorsqu'il passe à travers l'ouverture ménagée suivant la modu- lation.
Le circuit montré dans les figures 4, 9 et 10 peut être disposé de façon analogue à celle décrite dans la demande de bre- vet britannique n 12.066 de 1941, mais il est clair que le prin- cipe d'utiliser des champs électriques et magnétiques croisés pour obtenir une haute densité de courant pour des tubes à haute fréquence peut être mis en oeuvre dans destypes très différents de circuits.