Tubes électroniques hyperfréquences - Tubes de très forte puissance

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 v_e , cette condition de synchronisme implique que v_e 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.