Understanding the physical operating principles of a high power microwave source of the MILO type (Magnetically Insulated Line Oscillator).
Compréhension des mécanismes régissant le fonctionnement d'un tube hyperfréquence de type MILO (Magnetically Insulated Line Oscillator).
Résumé
The MILO (Magnetically Insulated Line Oscillator) is a high power microwave source capable of delivering some output powers greater than 1 GW at a frequency of several gigahertz. The device is a crossed electric and magnetic field oscillator without any external structure to establish the static magnetic field required to guide the electron beam. The electrons are emitted by explosive emission from a velvet cathode and accelerated by the electric field in the A–K gap. The anode structure is an electromagnetic cavity which stores some energy, transferred from the electron beam. Thus, the geometry allows the beam to propagate in a magnetic insulation conditi! on and in synchronism between the phase velocity of the electromagnetic slow waves and the drift velocity of the electrons. The aim of this PhD thesis is to review and to study the main characteristics of a compact MILO, when all dimensions are reduced by a factor of 2, in comparison with those in literature, to develop a prototype. All geometrical parameters were included and calculated using the 2D and 3D MAGIC electromagnetic–PIC code. First, we have analysed the cavity–output waveguide coupling and, second the physical factors which reduce the output power. Finally, an optimized modelled tube has led to the construction of an experimental pulsed device in which the preliminary cold tests (without electron beam) have shown a good correlation with the theoretical analysis. This work will be followed by an experimental phase which should demonstrate the merits of our challenge in building a compact MILO source.
Le MILO (Magnetically Insulated Line Oscillator) est une source micro-onde de forte puissance capable de produire des puissances crêtes supérieures au gigawatt à des fréquences de quelques gigahertz. Ce tube hyperfréquence est un oscillateur à champs électrique et magnétique croisés qui ne requiert pas de structure externe pour produire le champ magnétique nécessaire au guidage du faisceau d'électrons. Ceux-ci sont produits par émission explosive à partir d'une cathode de type velours et sont accélérés par la différence de potentiel dans l'espace anode – cathode. L'anode constitue une cavité hyperfréquence capable d'emmagasiner de l'énergie électromagnétique, transférée depuis le faisceau d'électrons. Ainsi, la géométrie du tube fixe les conditions de propagation des électrons dans le vide (isolement magnétique) et les conditions de synchronisme permettant les échanges d'énergie dans la structure hyperfréquence. Cette thèse vise à détailler les caractéristiques de fonctionnement d'un MILO compact, c'est-à-dire à l'échelle ½ en comparaison des dispositifs existants, en vue d'un développement expérimental. Pour cela nous avons démontré la faisabilité d'un modèle réduit en redimensionnant tous les paramètres géométriques. Des simulations en géométrie 2D et 3D sous code PIC – Electromagnétique MAGIC ont permis de caractériser, d'une part, la structure hyperfréquence afin d'optimiser les couplages cavité – guide d'onde de sortie pour l'extraction du rayonnement et de démontrer, d'autre part, les contraintes physiques limitant la puissance micro-onde de sortie. Le prototype ainsi optimisé a conduit à la conception d'un dispositif expérimental où les tests préliminaires à froid (sans faisceau) ont montré une bonne concordance avec les prévisions théoriques. Cette thèse ouvre la voie à l'expérimentation et au développement d'une source micro-onde de puissance compacte.