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Carcinotron Thomson CSF F 4029 E

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Carcinotron_Thomson_CSF_F_4029_E.jpg

En quelques mots :
Tube à vide inventé par Epsztein de la société française CSF, en 1951. Appellation Anglo-saxone : Back ward Oscillator B.W.O. Principe : tube à onde régressive focalisé par un aimant permanent.

Le type présenté F 4029 E est une source variable avec un niveau de sortie de 100 mW contrôlable en fréquence entre 2000 MHz et 4000 MHz. Date de fabrication : Années 1960.

Principes détaillés :
Se référer au schéma du brevet d’invention de M. Epsztein N° 2,888,335 situé dans cette catégorie.
Les tubes Carcinotrons dérivent des magnétrons décrits par ailleurs dans cette galerie dans la catégorie Composants\Actifs_tubes et dans la catégorie Hyperfréquences.
Les magnétrons sont des tubes électroniques auto-oscillateurs qui équipent les fours à micro-ondes utilisés dans nos cuisines et rayonnant des centaines de W autour de 2450 MHz.
Comme eux, les carcinotrons comportent :
- Source d’électrons (Cathode chauffée émettant des électrons par effet thermo-électrique) portée à un potentiel négatif.(2)
- Anode ou collecteur qui attire les électrons relié à la masse (6). La haute tension est de l’ordre de 1 à 4 kV.
- Champ magnétique créé par un bobinage(5) ou un aimant permanent.

Un magnétron est une diode où les électrons émis par la cathode au lieu d’aller tout droit sur l’anode en étant accélérés par le champ électrique sont en plus déviés par le champ magnétique d’un aimant.
Les électrons arrivent sur l’anode avec une trajectoire en spirale et avec une incidence presque rasante. Cette anode est entaillée par des cavités qui agissent comme des résonateurs ou des circuits oscillants (Magnétrons à anode fendue). C'est ce qui fait naître des oscillations à la fréquence de résonance de ces cavités. On peut faire une analogie acoustique du gaz d'électrons avec l’émission d’un son lorsque l’on souffle sur le coté d’un goulot de bouteille, la bouteille amplifiant le son à la manière d’un résonateur de Helmotz. On a le même type de phénomène dans la flûte à bec avec l’émission du son dont la hauteur est fixée par la longueur du tube et de la position des trous.
Dans le magnétron, c’est la dimension des cavités qui règle la fréquence, donc pas de possibilité de régler cette fréquence. Or les oscillateurs à fréquence variable sont très utiles : il servent à faire des oscillateurs locaux dans les récepteurs radio super-hétérodyne, à brouiller en même temps tous les radars sur une bande de fréquences etc.
Le seul moyen pour faire varier la fréquence, utilisable avant la seconde guerre mondiale était l’association d’un circuit oscillant à fréquence variable et une lampe oscillatrice. Voir les catégories lampes et condensateur variable mécanique dans cette galerie.
A la fin de la seconde guerre mondiale, on commençait à trouver des oscillateurs à réglage électronique avec une ferrite saturable dans la self d’accord du circuit oscillant. Le seul tube oscillateur à commande électronique de fréquence qui avait été inventé était le Klystron fonctionnant en hyperfréquences et ne permettant qu’une variation relative de fréquence de 2 %.
L’idée des carcinotrons est de remplacer les cavités des magnétrons par une grille de contrôle (9) et (10) placée entre la cathode et l’anode. Le faisceau d’électrons (1) n’est plus une spirale mais il est rectiligne en frôlant une grille qui ressemble à une échelle (2) et (3). Cette grille portée une tension ajustable de l’ordre de 20 % de la tension d’anode contrôle la vitesse des électrons au rythme de leur passage près des barreaux de l’échelle (3). Ils sont accélérés et ralentis périodiquement. Les électrons passent devant des obstacles périodiques comme devant les cavités du magnétron ; cette modulation tend à faire naître de proche en proche des paquets d’électrons qui grossissent et qui se traduisent par des oscillations qui remontent de l’anode vers la cathode.
La longueur moyenne des barreaux de l’échelle est de l’ordre du quart de la longueur d’onde produite de façon à utiliser l’effet de résonance des antennes ayant cette longueur. Cette progression à reculons de l’énergie électromagnétique à la manière d’un crabe a donné son nom au tube Carcinotron venant du mot crabe ou écrevisse en grec.
Cette grille en forme d’échelle agit comme une ligne à retard à obstacles périodiques et dispersive qui ralentit les électrons et où l’on a une conversion de l’énergie cinétique des électrons en ondes électromagnétiques. Sans cette grille, les électrons arriveraient directement sur l’anode comme dans une diode et l’on aurait juste un échauffement.

En anglais, ce type de tube est appelé Backward Wave Oscillator pour bien exprimer la création des ondes en arrière du parcours des électrons.
Le champ magnétique ici n’a pas le même rôle que dans les magnétrons, il ne courbe pas les trajectoires mais il sert à focaliser les électrons en un pinceau le plus fin possible.
Cette conversion d’énergie cinétique des électrons en rayonnements électromagnétiques (Toute accélération d’électrons génère des ondes électromagnétiques) se retrouve dans d’autres familles de tubes amplificateurs que l’on appelle TPO :Tubes à Propagation d’Ondes ou Tubes à Ondes Progressives TOP qui ne sont pas auto-oscillateurs et qui servent par exemple dans les satellites de télévision par satellite. (En anglais : TWT Traveling Wave tube)
La théorie la plus appropriée pour décrire le fonctionnement des carcinotrons est celle de l’effet Smith-Purcell qui est observé sur un faisceau d’électrons arrivant en incidence rasante sur un réseau de diffraction. Cet effet est appliqué sur des structures de plus en plus petites pour obtenir des sources qui trouvent des applications dans la recherche de cancers, le contrôle des passagers dans les aéroports : Les ondes THz ont l’intéressante propriété de traverser les corps secs et d’être arrêtées par les corps humides et ce sans effet ionisant comme les rayons X.
Innovation principale apportée par les carcinotrons depuis 1951 : Variation de fréquence possible sur une octave ce qui est bien mieux que les tubes précédents du type Klystron qui ne permettaient qu’une variation relative de fréquence de 2 %.

Le carcinotron a permis de réaliser des oscillateurs à grande variation de fréquence relative soit 2 pour réaliser des analyseurs de spectre, des récepteurs de radio-astronomie, des radars à agilité de fréquence ou encore des brouilleurs.
La fréquence minimale est de 2 GHz : longueur d’onde 15 cm, la fréquence maximale est de l’ordre de 1000 GHz ou de 1 THz ; soit une longueur d’onde de 0,3 mm.(Domaines de longueurs d’ondes décimétriques, centimétriques,millimétriques et submillimétrique)
Les puissances maximales à 1000 MHz sont de l’ordre de 10 mW et avec malheureusement un rendement faible.
La tendance actuelle est de remplacer ces sources chères et nécessitant des hautes tensions par des sources à l’état solide associées à des multiplicateurs de fréquence.

Auteur Ph. Maliet
Créée le Mardi 26 Août 2008
Ajoutée le Dimanche 09 Novembre 2008
Dimensions 681*1024
Fichier Carcinotron_Thomson_CSF_F_4029_E.jpg
Poids 147 Ko
Tags magnétique, transmission, électron, électronique, émetteur
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