Procédé de stabilisation d'une fréquence ultra-haute et appareil pour<B>la</B> mise en oeuvre de ce procédé. Cette intention comprend un procédé de stabilisation d'une fréquence ultra-haute et. un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Divers systèmes et méthodes ont été pro posés et utilisés jusqu'à présent pour stabili ser la fréquence de générateurs d'ondes ultra courtes par réglage de tension, de charge, ou par l'emploi de dispositifs à. réactance. Bien que les cristaux piézo-électriques soient utili sables pour le contrôle des basses et moyennes fréquences, ils ne le sont pas pour les ultra- hautes fréquences. Il est indispensable pour obtenir une stabilisation satisfaisante des ondes ultracourtes d'utiliser un phénomène ou un dispositif oscillatoire dont la fréquence est stable et. comprise dans le spectre des ondes ultracourtes.
Le spectre d'absorption de certains gaz tels que l'ammoniaque, les sulfures de car bonyle, les halogénures de méthyle, peut être résonnant ou non. L'absorption non réson nante d'un gaz, pour fréquence déterminée, croît avec le carré de la pression du gaz et devient. par conséquent négligeable lorsque la pression décroît.
Tous les gaz ayant un spectre d'absorp tion discontinu pour les ondes ultracourtes présentent plusieurs lignes d'absorption dis tribuées différemment dans chaque gaz. La. fréquence de chacune de ces lignes d'absorp tion a une valeur fixe qui est indépendante de la température, de la pression ainsi que des caractéristiques physiques et des dimen sions de la chambre renfermant le gaz. La seule méthode connue pour déplacer les lignes de tels spectres est un champ magnétique ou électrique unidirectionnel et relativement in tense. On se propose d'utiliser la stabilité de tels spectres de lignes pour stabiliser la fré quence de générateurs d'ondes ultracourtes.
Le terme résonance moléculaire>> désigne les caractéristiques on propriétés d'un ensemble de molécules de gaz qui donnent naissance à L'absorption sélective des ondes ultracourtes à, des fréquences déterminées.
La fréquence d'une ligne d'absorption reste constante lorsque la pression du gaz est. diminuée, pour autant que l'observation soit faite exactement au centre de la. ligne. On observe une absorption sélective pour les sul fures de carbonyle et l'ammoniaque, tandis que dans les halogénures de méthyle le spec tre d'absorption est continu. Les corps tels crue les éthylamines ou méthy lamines présen tent les deux sortes d'absorption qui peuvent être discriminées en particulier, en observant si elles sont indépendantes de la pression.
Pour le sulfure de carbonyle, par exemple, l'absorption sélective d'une onde ultracourte est donnée par
EMI0001.0025
où 1t" désigne le moment du dipôle, 1'0 la fré quence d'une des lignes d'absorption, J le nombre quantique, h la constante de Planck, c la vitesse de la lumière, I le moment-d'iner- tie, <I>k</I> la constante de Boltzmann,<I>T</I> la tempé rature absolue, Y le nombre de molécules par centimètre cube et Av la largeur de la ligne d'absorption en cycles par seconde correspon dant à. la moitié de l'absorption.
N et Av va rient linéairement avec la pression, ceci jus qu'aux pressions très basses où d'autres fac teurs que les chocs moléculaires entrent, dans l'équation pour déterminer la largeur de la ligne. Ainsi, l'absorption de tels gaz, aux fréquences des ondes ultracourtes, croît rapi dement avec la pression lorsque celle-ci est au-dessus du domaine des basses pressions et tend asymptotiquement vers une valeur limite. L'aecroissement de la pression du gaz a pour effet d'augmenter la largeur de la ligne d'ab sorption sans changer la valeur de cette der nière au centre de la ligne.
Le procédé suivant l'invention se caracté rise en ce qu'on utilise les propriétés d'ab sorption sélective d'un gaz absorbant les ondes ultracourtes en excitant ledit gaz par un signal provenant d'un générateur pour provoquer une absorption sélective molécu laire dans ce gaz, absorption en fonction de laquelle on règle la fréquence de ce généra teur.
L'invention comprend aussi un appareil pour la mise en oeu-çi-re de ce procédé. Cet. appareil comprend un générateur dont la fré quence est susceptible d'être réglée et est ca ractérisé en ce qu'il présente des moyens pour exciter au moyen d'un signal provenant de ce générateur un volume dudit gaz, de façon à. provoquer une absorption moléculaire sélec tive dans ce dernier et des moyens pour sta= biliser la fréquence du signal émis par le gé nérateur, en fonction de ladite absorption.
Dans une forme d'exécution -de l'objet. de l'invention, le fait que la fréquence émise par un klystron est contrôlée en partie par la ten sion appliquée à l'électrode réflectrice est utilisé pour piloter la fréquence. Dans un tel système, l'absorption sélective de la chambre renfermant le gaz est utilisée pour coinnian- der la tension de contrôle de la fréquence, appliquée à. l'électrode réfleetrice, de manière à maintenir la tension du réflecteur à une valeur telle que la fréquence émise soit. stable.
Les variations de ].'absorption sont détectées et comparées avec les signaux émis, de faon que la tension résultante contrôle la fréquence du signal émis.
Dans une seconde forme d'exécution de l'objet de l'invention, on utilise le fait que la fréquence du magnétron peut être contrôlée par un faisceau d'électrons auxiliaire, dirigé dans l'une des cavités résonnantes du magné tron. Dans cette dernière forme d'exécution, l'absorption sélective de la chambre renfer niant le gaz est utilisée pour contrôler l'am plitude du faisceau d'électrons auxiliaire dans une ou plusieurs des cavités résonnantes, de faon à stabiliser la fréquence émise.
Des exemples d'application du procédé se lon l'invention et des formes d'exécution de l'appareil selon l'invention, données à titre d'exemple, seront décrits en regard du dessin, dans lequel: La fig. 1 est un schéma d'une première forme d'exécution, dans laquelle la fréquence d'un klystron est stabilisée.
La fig. 2 est un schéma d'une seconde forme d'exécution, dans laquelle la fréquence d'un magnétron est. stabilisée.
La fi,-. 3 est un graphique montrant la re lation existant entre la fréquence d'une onde ultracourte et son énergie absorbée par un gaz.
La fig. 4 montre la relation existant entre la pression et l'énergie absorbée dans un tel gaz, et la fig. 5 montre une variante de détail des schémas selon .les fig. 1 et \?.
Les éléments semblables sont désignés par des mêmes indices de référence dans le dessin. Une première forme d'exécution, dans laquelle la fréquence d'un klystron est stabi lisée, est montrée à la fig. 1. Le générateur à, ondes ultracourtes 1 comprend une cathode 3, une grille de contrôle 5, une cavité résonnante ouverte au centre et une électrode réfléctrice 9. La cavité résonnante 7 est polarisée positi vement par rapport à la cathode 3, et une tension destinée à, commander l'intensité du t'aisceau est appliquée à la grille de contrôle 5.
L'électrode réflectrice 9 est polarisée néga tivement par rapport à ,la cavité résonnante 7 au moyen d'une batterie 11 connectée à l'élec trode réflectrice 9 par une résistance 13. Le klystron comprend un élément de réglage 15 pour accorder la cavité résonnante 7. Une boucle de couplage 17, pénétrant dans la ca vité, transmet l'énergie fournie par le klys- tron au guide d'ondes 21 par une ligne co axiale 19.
Une partie du guide d'ondes 21, fermée par les bouchons étanches aux gaz 23, 25, t'orne une chambre 27 remplie avec un gaz absorbant les ondes ulra-courtes, par exemple de l'ammoniaque. Cette chambre ne résonne pas pour la fréquence émise par le généra teur. Un premier détecteur à cristal 29 est logé dans une troisième partie 31 du guide d'ondes et est sensible à l'énergie transmise à travers la chambre 2'7. Le détecteur 29 peut être adapté à l'impédance caractéristique du guide d'ondes et est connecté à l'entrée d'un amplificateur pour tensions continues 33, la sortie de celui-ci étant connectée à la résis tance 13.
Le guide d'ondes 21 est également couplé par deux orifices 35, 37, espacés d'un quart d'onde de la fréquence émise, à un guide d'ondes 39 de type connu, par exemple. Un élément adapté 41, par exemple un coin en matériau diélectrique, est logé dans l'extré mité du guide d'ondes 39 tournée vers le gé nérateur. Un second détecteur d'ondes ultra courtes 43 est logé dans l'extrémité opposée du guide d'ondes et est connecté à l'entrée d'un second amplificateur pour tensions con tinues 45. Un coin en matériau diélectrique 47 peut être inséré entre l'ouverture de cou plage 37 et le second détecteur 43 pour inter dire aux réflexions provoquées par le détec teur de pénétrer dans le guide d'ondes 21.
La sortie du second .amplificateur 45 est con nectée à l'autre extrémité de la résistance 13 et à l'électrode réflectrice 9 du klystron 1. Une impédance de charge, non représen tée, peut être couplée au générateur, de façon ; que les variations d'énergie fournie à celle-ci ne déséquilibre pas le circuit du détecteur.
Les signaux détectés par les cristaux sont rendus égaux en ajustant le couplage des dé tecteurs ou en réglant le gain des amplifiea- ; teurs, ceci pour une fréquence du générateur proche de la fréquence du centre d'une ligne d'absorption du gaz contenu dans la chambre 27. L'atténuation de l'onde varie rapidement avec la fréquence dans la région du maximum , d'absorption, de telle sorte que la différence ,des tensions de sortie des amplificateurs 33 et 45 varie rapidement avec la fréquence émise. La différence des tensions est appli quée à l'électrode réflectrice 9 du klystron, , de façon à régler sa. tension pour stabiliser la fréquence -du générateur.
On sait que la fréquence émise par un klystron est avant tout déterminée par la tension appliquée à l'électrode réflectrice qui détermine le temps de transition des électrons dans le tube.
Les amplificateurs 33 et 45 ne sont pas essentiels pour le fonctionnement du disposi tif, mais ils permettent phis de souplesse pour régler les circuits et permettent une plus grande sensibilité pour le contrôle de la fré quence, étant donné que le gain des circuits de contrôle détermine la, précision avec la quelle la tension appliquée à l'électrode ré- fleetrice varie en fonction de la fréquence. La. fréquence émise par le klystron peut être ajustée de façon qu'elle soit légèrement infé rieure à la fréquence correspondant à, l'ab sorption maximum du gaz, suivant la polarité des détecteurs 29 et 43.
Cette condition est indispensable, afin que le circuit de contrôle de la fréquence puisse agir dans le sens voulu pour commander la tension .de l'électrode ré- flectrice en fonction des variations de la fré quence du générateur. Une courbe d'absorp tion caractéristique d'une ligne est illustrée à la fig. 3 où l'absorption dans le gaz est re portée en fonction de la fréquence de l'onde ultracourte traversant le gaz. De tels gaz pré sentent plusieurs fréquences de résonance pour lesquels les ondes ultracourtes sont absorbées, comme expliqué plus haut, et cha eune des lignes peut être utilisée pour le con trôle de la stabilité.
Le domaine de contrôle du dispositif est représenté par la partie de la courbe 49 comprise entre les points 51 et 53, du côté des hautes fréquences de la courbe de résonance. L'autre côté de la courbe agi rait sur la tension de l'électrode réflectrice en sens inverse.
La fig. 2 montre une seconde forme d'exé cution adaptée pour stabiliser la fréquence émise par un magnétron 61 à cavités multi ples. Ce magnétron comprend une cathode centrale 63 entourée par des cavités réson nantes disposées radialement, chaque cavité étant représentée schématiquement par des inductivités 65 et des capacités 67. Un champ magnétique unidirectionnel .de grande inten sité est appliqué au magnétron selon une di rection perpendiculaire au plan du dessin.
La fréquence émise par ce magnétron peut être variée à l'aide d'un dispositif à faisceau d'électrons couplé avec une ou plusieurs des cavités résonnantes, le faisceau d'électrons pé nétrant dans la ou les cavités avant un effet réactif sur l'accord du résonateur. Un modu lateur à faisceau d'électrons 70 est représenté schématiquement par une cathode 69, une grille de contrôle 71 et une anode 73 logées dans une des cavités :du magnétron.
L'anode et la cathode du dispositif à faisceau d'élec trons sont alimentées par des tensions, de façon que le faisceau d'électrons ait l'intensité voulue. L'intensité du faisceau d'électrons va rie avec la tension appliquée à, la grille de contrôle 71 du dispositif à faisceau d'élec trons 70, la réaction du faisceau d'électrons dans la cavité résonnante correspondante du magnétron variant .ainsi la fréquence émise par celui-ci.
Une boucle de couplage<B>'15,</B> couplée avec l'une des cavités du magnétron 61, est con nectée par une ligne coaxiale 19 avec le guide d'ondes 77 qui se termine par une charge 79. Deux orifices 81 et 83 espacés d'un quart d'onde de la fréquence émise couplent le guide d'ondes 77 avec un guide d'ondes 85; l'extrémité de ce dernier tournée vers le gé- nérateur étant. terminée par un élément en forme de coin 87 semblable à celui 41 de la fig. 1.
Le guide d'ondes 85 comprend une paire de bouchons 91 et 93 étanches au gaz d'ab sorption et formant avec le guide une cham bre renfermant le gaz; ce guide est terminé par un premier détecteur à ondes ultra- courtes 97 qui est couplé avec l'entrée d'un premier amplificateur à courant alternatif 99. Le guide d'ondes 85 est, également couplé, par deux autres orifices 101 et 103 espacés d'un quart d'onde de la fréquence émise, avec le guide d'ondes 105 dont. l'extrémité tournée vers le générateur est terminée par un second élément diélectrique 107 en forme de coin.
Dans l'extrémité arrière du second guide d'ondes 109 est logé un second détecteur d'ondes ultracourtes 109 qui est connecté avec l'entrée d'un second amplificateur à. courant alternatif 111.
Les sorties des amplificateurs 99 et 111 sont connectées à un circuit équilibré com prenant, par exemple, un enroulement pri maire 113 d'un transformateur de sortie l_15. L'embranchement central 117 clé l'enroule ment primaire 113 est mis à terre. L'enrou lement secondaire<B>119</B> du transformateur de sortie est .couplé à l'entrée d'un modulateur équilibré 121. Les signaux de sortie du modu lateur sont conduits à la grille de contrôle 71 du dispositif à faisceau d'électrons du ma- gnétron.
Tout système permettant de faire fonc tionner le modulateur équilibré avec une pe tite fréquence de modulation peut être couplé, par exemple, au guide d'ondes 85 pour modu ler simultanément. les signaux envoyés dans la chambre 95 et ceux envoyés dans le guide d'ondes 105. Un modulateur mécanique, par exemple, tel qu'un excentrique rotatif<B>123</B> entraîné par un moteur 125, peut être couplé avec, le guide d'ondes 85 par un volet 135 pour varier l'amortissement du guide d'ondes ou d'autres caractéristiques de celui-ci.
Tous les dispositifs mécaniques ou électri ques connus peuvent être utilisés pour provo- quer une modulation basse fréquence des si gnaux envoyés dans la chambre renfermant le gaz et dans le guide d'ondes 105. Dans le cas de la forme d'exécution suivant la fig. 2, le moteur 125 entraîne aussi, en synchronisme avec l'excentrique, un générateur à basse fré quence 127 qui est connecté au modulateur équilibré 121, de telle facon que le signal émis par le générateur 127 soit en phase avec les deux tubes du modulateur équilibré.
Les flè ches représentées à la fig. 2, dont l'une part du générateur 127 et l'autre du modulateur 121, indiquent des bornes de connexion reliées entre elles, le retour s'effectuant par la terre. Ainsi, le modulateur recevra une fréquence de modulation de 30 cycles par seconde par exemple, de façon à provoquer un signal de contrôle de la fréquence qui dépend de la dif férence des amplitudes des signaux de sortie o des amplificateurs 99 et 111 et dont la varia tion a .lieu dans le sens voulu par rapport à la variation de la fréquence émise par le ma- gnétron.
Les signaux sortant. des détecteurs 97 et 109 seront égalisés lorsque la fréquence émise est située sur la partie 51 de la courbe d'ab sorption indiquée sur la. fig. 3. Lorsque la fré quence est stabilisée à la valeur désirée, l'am plitude du signal sortant du modulateur est nulle; une petite variation de la fréquence d'émission déséquilibrera le modulateur et provoquera un signal de contrôle agissant sur le faisceau d'électrons auxiliaire, de façon à s'opposer à ladite variation de fréquence. L'ab sorption dans la chambre renfermant le gaz, pour l'une des fréquences .de résonance du gaz employé, est fonction de la pression de ce dernier, comme représenté par le graphique 123 de la fig. 1.
Les sélectivités et sensibilités optima pour le contrôle de la. fréquence ont lieu pour une pression de l'ordre de 10-3 mm clé mercure. Il est entendu, toutefois, qu'une pression de gaz de l'ordre de 10-2 mm de mercure ou même toute pression inférieure à. 70-1 mm de mercure peut. être employée.
La fig. 5 montre une variante des circuits détecteurs équilibrés, des fig. 1 et 2, qui peut être utilisée comme détecteur différentiel sans nécessiter de circuit de couplage. Dans cette variante, les détecteurs 29 et 43 sont con nectés en parallèles, les pôles étant opposés de telle faon que leurs différences de poten tiel se soustraient; une tension différentielle est .appliquée à l'élément de contrôle de la fréquence du générateur, à travers la résis tance 13, cet élément étant, par exemple, l'électrode réflectrice 9 dans le cas de la fig. 1.
Un montage analogue peut être créé pour le circuit de la fig. 2 pour éviter l'em ploi du transformateur de sortie équilibré 115, couplant les amplificateurs 99 et 111 au mo dulateur équilibré 1.21.
Lorsque les signaux détectés par les dé tecteurs 29 et 13 sont égaux, aucune chute de tension ne prend naissance aux bornes de la résistance 13. Si le signal provenant du dé tecteur 43 est plus grand que celui provenant du détecteur 29, le signal de contrôle résul tant devient plus négatif, et la fréquence du klystron augmente pour compenser la dimi nution de fréquence qui a provoqué une aug mentation de l'énergie .absorbée par le gaz et une diminution du signal provenant dit dé tecteur 29.
Le même dispositif peut être utilisé pour stabiliser la fréquence de tout autre type de générateur à ondes ultracourtes dont la fré quence peut être commandée par application d'une tension. Quoique des guides d'ondes ont été utilisés comme éléments de couplage et de transmission, il est évident que des lignes coaxiales ou d'autres circuits de cou plage pour ondes ultracourtes peuvent être utilisés à. leurs places, et que les détecteurs à cristaux représentés sur le dessin peuvent être remplacés par tout autre détecteur pour ondes ultracourtes connu.