Principe de fonctionnement pour modulation

La figure 1, présente le fonctionnement du klystron constitué de deux cavités cylindriques

Figure 1 : Schéma de principe du fonctionnement d’un tube à vide klystron

Une cathode chauffée émet un flux continu d’électrons qui est par la suite focalisée par des électrodes et accélérée par une tension appliquée sur la cathode. L’anode permet de moduler le faisceau en intensité et fixe donc le courant du faisceau.

Le flux d’électrons pénètre ensuite dans une cavité excitée sur un de ses modes de résonnance à l’aide d’une boucle magnétique. Cette cavité peut être assimilée à une cavité rhumbatron [5]

Une interaction localisée existe alors entre le faisceau d’électrons et l’onde électromagnétique qui règne à l’intérieur de la cavité. Ainsi le champ électrique axial 𝐸⃗ variable qui existe dans la partie capacitive de la cavité et qui est parallèle à la direction des électrons agit sur leur

Certains sont ralentis alors que d’autres sont accélérés. La vitesse des électrons est ainsi modulée par la première cavité qui pour cette raison est nommée cavité « bunch » car elle crée des groupes d’électrons. A la sortie de la cavité « bunch », les électrons entrent dans le tube de glissement cylindrique. Les électrons accélérés rattrapent les électrons lents et forment un « paquet » d’électrons. La distance au bout de laquelle se forme le paquet d’électrons correspond à la longueur du tube de glissement. La modulation de la vitesse des électrons est donc transformée en une modulation de leur densité.

Au niveau de la cavité de sortie ou cavité de « collecte », les paquets d’électrons successifs viennent exciter la cavité sur le même mode de résonance que la cavité « bunch ». Un champ électromagnétique s’installe dans la cavité de « collecte » et à la résonance l’énergie est récupérée par une sonde coaxiale ou un guide d’onde. L’amplification vient du fait que l’énergie cinétique des paquets d’électrons est convertie en énergie électromagnétique lors du passage de ces derniers dans la cavité de sortie [5] [6] [7]

Les paquets d’électrons cèdent environ 35% de leur énergie à la cavité de sortie, les 65%

restants sont dissipés sous forme de chaleur dans le collecteur qui focalise tous les paquets d’électrons. C’est pourquoi au niveau du collecteur, pour de fortes amplifications des systèmes de refroidissement y sont disposés [6].

Figure 2 : Cavité réentrante de type (a) accordable (b) radial (c) coaxial (d) toroïdal Les cavités utilisées dans le dispositif klystron sont aussi nommées cavités réentrantes à cause de la présence de plots métalliques ou de déformations qui focalisent le champ électrique là où le faisceau d’électrons doit interagir avec ce dernier [5] [9].

La plupart des cavités utilisées possèdent un axe radial [8]. Quelques exemples de ce type de cavités se trouvent sur la figure 2 [8].

Pour atteindre des gains d’amplification élevés, le nombre de cavités peut être augmenté. Ce sont des klystrons à multiples cavités mises en cascade (figure 3). Mais ce nombre ne peut être augmenté à l’infini pour plusieurs raisons :

 Le bruit de grenaille des électrons est également amplifié par la modulation. De ce fait, le ratio signal-bruit est fortement réduit en sortie [5] surtout pour des applications à fort gain.

(a)

z r

(c) (d)

(b)

 Des électrons du faisceau sont réfléchis vers la source à cause d’autres phénomènes d’interaction entre électrons [6] ou de fuites des lignes de transmission ou encore des pertes d’énergie qui surviennent dans la cavité « bunch »

Les cavités intermédiaires situées entre la cavité d’entrée et la cavité de sortie « baignent » dans un champ magnétique important. Ce champ magnétique intense permet de focaliser les électrons sur une trajectoire droite dans la zone de glissement. De ce fait, presque tous les électrons passent par les grilles au niveau du gap des cavités et le centre des tubes de glissement.

Figure 3 : Klystron à cavités multiples

La seconde famille de klystron est le klystron à réflecteur (figure 4). Il est basé sur le même principe que le klystron à multiples cavités mais son fonctionnement se rapproche de celui d’un oscillateur.

Figure 4 : Klystron à réflecteur Champ magnétique

Entrée microonde

Sortie microonde

collecteur cathode

r

Cavités intermédiaires

z

- +

- +

Sortie microonde

Réflecteur Cathode

Anode Faisceau

d’électrons

Paquets d’électrons

 e ee

 e ee



e ee eee

En effet, la cavité de sortie est remplacée par une électrode de réflexion chargée négativement. Cette électrode repousse donc les électrons qui effectuent un trajet retour vers la cavité. Des paquets d’électrons se forment et induisent dans la cavité des oscillations.

En prenant en compte l’amplitude de la tension appliquée et la longueur du tube de glissement, on peut exciter la cavité convenablement. Ensuite, une partie de l’énergie cinétique des paquets d’électrons est transférée à la cavité grâce à une sonde de couplage.

Depuis leur invention à partir de 1937, les dispositifs klystrons ont été intégrés dans de nombreux composants et systèmes. Aujourd’hui, ils sont utilisés dans divers domaines notamment [6] :

 Les télécommunications (radars sols, émetteurs TV, SATCOM - Système mondial de communications par satellite à large bande)

 La physique (fusion thermonucléaire, accélérateurs de particules)

 La biologie et la santé (radiothérapie, radiographie)

 La chimie

 La sécurité

Nous allons nous intéresser à quelques applications basées sur la propriété principale de la cavité réentrante encore nommée cavité klystron. A savoir, la présence d’un champ électrique important et homogène au niveau de la déformation de la cavité ou du plot métallique qui peut interagir avec la matière. Par exemple, l’insertion d’un matériau à cet endroit provoque des fluctuations du champ électrique et ces dernières permettent d’obtenir des informations sur les propriétés du matériau inséré. La forte concentration du champ électrique peut également permettre de chauffer localement la matière. Ces approches ont été employées sur des échantillons de types gazeux, solides et liquides.

I.2. Quelques applications de la cavité klystron