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Auteur(s)
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Thierry LEMOINE : Directeur technique, THALES Composants et Sous-systèmes
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Lire l’articleINTRODUCTION
Si notre connaissance théorique sur les tubes radioélectriques doit beaucoup aux travaux de recherche menés entre 1940 et 1970, notre capacité à réaliser des composants de plus en plus performants a été décuplée grâce à la maîtrise d'outils de simulation puissants et sophistiqués. Jusque dans les années 1970, nous devions nous fier à des expressions analytiques limitées aux régimes linéaires. Il était difficile d'optimiser un tube au voisinage du point de saturation. Les choses ont changé à partir des années 1980, et des progrès fantastiques ont été enregistrés : une multiplication par 40 de la puissance délivrée par des tubes fonctionnant au-delà de 30 GHz, une bande passante des tubes de contre-mesure multipliée par trois (on dépasse aujourd'hui les 3 octaves), un rendement électrique multiplié par deux (on fabrique en série des tubes au rendement électrique supérieur à 70 % en bande étroite, et à 50 % en large bande), et la fiabilité a été améliorée d'un facteur compris entre 10 et 100 : les amplificateurs spatiaux présentent des MTBF supérieurs à 5 millions d'heures !
Cet article reflète cette évolution. Il explique quelles sont les performances aujourd'hui accessibles. Il consacre quelques paragraphes aux tubes à grille. Par contre, la place manquant pour un rappel des principales lois d'électromagnétisme, le lecteur pourra se reporter aux articles « Circuits passifs hyperfréquences » et « Structures de guidage HF » .
Ce premier article donne d'un aperçu des technologies de base à tout tube électronique : cathodes, optique électronique, vide et haute tension... Dans un deuxième temps, les tubes à grille, les klystrons et les IOT (Inductive Output Tube) sont introduits. Les autres familles de tubes (TWT : Traveling-Wave Tube (en français TOP : tube à ondes progressives), magnétrons...) seront décrits dans un deuxième article qui fait suite .
L'auteur tient à exprimer sa reconnaissance envers les experts techniques de Thales qui l'ont assisté dans la relecture de ce document, en particulier MM. Alain Durand, Christian Robert et Philippe Thouvenin.
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- Version courante de févr. 2017 par Thierry LEMOINE
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3. Technologies du vide
Les tubes électroniques sont des dispositifs sous ultravide soumis à des champs électromagnétiques statiques et RF élevés. Les enveloppes à vide sont réalisées par brasage à haute température de métaux et de céramiques parfaitement étanches, et la qualité du vide pendant la « vie » d'un tube reflète en premier lieu la qualité du vide à l'issue de l'étape de pompage-étuvage. Mais ce vide n'est jamais parfait, et les parois internes du tube peuvent relâcher des atomes et ne s'en privent pas, surtout si elles sont soumises à un échauffement. Un dégazage intempestif provoquera des arcs électriques, le phénomène parasite le plus nuisible à la « bonne image » des tubes.
Nota : le lecteur pourra consulter les références .
3.1 Qualité du vide
Une fois assemblé, chaque tube est pompé, puis scellé. Le procédé de pompage est critique, et se fait en deux temps : le tube est relié à une pompe (à diffusion ou turbomoléculaire) qui réalise un vide de l'ordre de 10−7 à 10−9 torr (mbar). Pendant que le tube est sous pompe, ses parois intérieures sont dégazées aux alentours de 450 °C pendant quelques dizaines d'heures. Puis une deuxième étape permet d'« activer » la cathode (le matériau émissif est mis à vif – il est porté à une température très élevée, plus élevée que celle qu'il subira en fonctionnement normal) tout en désorbant les électrodes grâce à un bombardement électronique intense. Dépendante du volume du tube, cette deuxième étape peut durer plusieurs jours. Ces opérations sont effectuées sur des bâtis de pompage, les plus gros pouvant accueillir des tubes pesant une tonne !
Une fois ces procédés achevés, le tube est scellé. Pour pallier d'éventuels dégazages ultérieurs, certains tubes ont une pompe ionique à demeure ou intègrent, par exemple dans le collecteur, un matériau getter. À la mise en fonctionnement, le faisceau électronique lui-même piége les ions et contribue à pomper le tube qui se comporte généralement mieux après quelques secondes, surtout s'il est resté longtemps inutilisé.
In fine, le vide obtenu n'est pas...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GILMOUR (A.S.Jr.) - Microwave Tubes - Artech House, 1986.
-
(2) - GEWARTOWSKI (J.W.) et al - Principles of Electron Tubes - D. van Nostrand, 1965.
-
(3) - PIERCE (J.R.) - Theory and Design of Electron Beams - D. van Nostrand, 1954.
-
(4) - SPANGENBERG (K.R.) - Vacuum Tubes - McGraw-Hill, 1948.
-
(5) - WARNECKE (R.) et al - Tubes à modulation de vitesse - Gauthier-Villars, 1951.
-
(6) - BARKER (R.J.) et al - Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics - Wiley, 2005.
-
(7) - PIERCE (J.R.) - Traveling-wave Tubes - D. van Nostrand...
ANNEXES
Cette liste 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. Elle est classée par pays. Les différences de taille entre ces acteurs ne sont pas indiquées, mais elles peuvent être importantes.
Les acteurs industriels (tableau ) ont (presque) tous un site Internet sur lequel leurs produits sont présentés. Les acteurs académiques retenus (tableau ) 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 (anciennement Hallicrafters) et GE (klystrons). L3-ETI est la nouvelle identité de l'ancienne activité tubes de Hughes Aircraft (HEDD, propriété pendant quelques années de Boeing (BEDD)). L3-ED et L3-ETI font toutes deux partie du groupe américain L3-COM. Enfin, Teledyne a repris d'anciennes activités de MEC et de Sylvania.
En Europe, Thales regroupe les activités tubes autrefois propriété des groupes Thomson, CSF, Telefunken (AEG), Siemens et ABB. e2V hérite des activités tubes de EEV et de GEC/MOV.
Si l'industrie occidentale des tubes électroniques a fait l'objet de nombreuses opérations de rationalisation, elle n'a pas subi de délocalisation de sa production (ni de sa R&D) vers des pays à bas coût de main-d'œuvre (LCC). Par contre, des concurrents sont apparus en Asie, très souvent soutenus par des autorités locales soucieuses d'indépendance nationale sur des composants jugés critiques.
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