Conception et optimisation des performances d'un tube amplificateur IOT multifaisceaux et multiétages à forte puissance et haute efficacité pour un accélérateur de particules

Design and optimization of performance for a high-power, high-efficiency multi-beam, multi-stage IOT amplifier tube for a particle accelerator

• Auteur / Autrice : Malo Ladret
• Direction : Aurélien Martens
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Iot

Haute efficacité

Tube amplificateur

Haute puissance

Amplifier tube

Iot

High-power

High-efficiency

Résumé

Au sein de la Business Unit AVS (THALES AVIONICS France SAS), la business line MIS (Microwave & Imaging Sub-Systems) développe et fabrique des composants et sous-systèmes d'hyperfréquences pour les applications scientifiques et plus particulièrement la collision atomique. Ses produits, sources de puissance radio et hyperfréquences se trouvent au cœur de systèmes de haute technologie utilisés dans les accélérateurs de particules et les chauffages de plasma. Parmi les architectures d'amplification de puissance existantes dans la bande UHF, celle de l'amplificateur à tube à grille à couplage inductif en sortie, abrégé « IOT » semble la plus attractive pour les applications liées à l'accélération et la collision des particules opérant dans cette bande de fréquences. En effet, hormis sa compacité, ce tube présente l'avantage d'un bon rendement énergétique grâce notamment au principe de formation de paquets par modulation directe de la densité du faisceau électronique par le signal radiofréquence d'entrée au niveau du canon (grille et cathode) Thales AVS fabrique déjà des amplificateurs de type IOT à un seul faisceau, capables de délivrer une puissance de l'ordre de 60KW en mode continu avec des rendements de conversion supérieurs à 55%. Afin d'améliorer les performances de ses amplificateurs, Thales AVS souhaite innover en développant un nouveau type de produit qui permettrait d'augmenter la puissance fournie en sortie et d'améliorer son rendement de conversion. Ces innovations sont réalisées en collaboration avec un laboratoire de recherche en physique (l'UMR CNRS 9012 de l'université Paris Saclay) et avec les futurs utilisateurs (CERN). Cet amplificateur, qui sera basé sur le concept des tubes à vide à couplage inductif en sortie (IOT) doit être capable de concurrencer en terme de rendement énergétique, les amplificateurs actuels tels que les klystrons, qui sont beaucoup plus encombrants et dont le rendement est moins facile à maintenir lorsque l'on change la tension d'accélération (point de fonctionnement). Le principe du multifaisceaux permet de diminuer la pervéance par faisceau tout en conservant le courant global nécessaire pour obtenir la puissance désirée à une tension fixée. Le rendement de d'interaction entre le faisceau électronique et le champs électromagnétique de la cavité en sortie est meilleur dans cette configuration, ce qui améliore le rendement de conversion global. En outre, le rajout d'un deuxième étage (une cavité d'optimisation) en sortie avec une post-accélération des électrons permet d'augmenter la puissance de l'onde RF récupérée. Des études préliminaires démontrent la possibilité d'atteindre des puissances de l'ordre du MW avec des rendements de conversion avoisinant les 90% en combinant ces principes. L'objectif de ce travail est de définir l'état de l'art et les limites physiques et/ou technologiques qui limitent le rendement des tubes amplificateurs actuels et proposer des solutions de conception: formes et dimensions des différentes parties, notamment les cavités résonantes en entrée et en sortie et leur couplage électromagnétique avec les faisceaux électroniques à l'intérieure du tube et le monde extérieur afin d'optimiser les performances en termes de puissance crête en mode continu et pulsé, de rendement de conversion, de réponse fréquentielle, de stabilité, de dissipation thermique, de rayonnement...

Within the AVS Business Unit (THALES AVIONICS France SAS), the MIS (Microwave & Imaging Sub-Systems) business line develops and manufactures microwave components and subsystems for scientific applications, particularly atomic collision. Its products, radio and microwave power sources, are at the heart of high-technology systems used in particle accelerators and plasma heating. Among the existing power amplification architectures in the UHF band, the inductive output tube amplifier, abbreviated as 'IOT,' appears to be the most attractive for applications related to particle acceleration and collision operating in this frequency band. In addition to its compactness, this tube offers the advantage of good power efficiency, notably due to the principle of electron bunching by direct modulation of the electron beam density by the radio frequency input signal at the electron gun (grid and cathode). Thales AVS already manufactures single-beam IOT amplifiers capable of delivering approximately 60KW of continuous power with conversion efficiencies exceeding 55%. In order to enhance the performance of its amplifiers, Thales AVS aims to innovate by developing a new type of product that would increase the output power and improve its conversion efficiency. These innovations are carried out in collaboration with a physics research laboratory (UMR CNRS 9012 at the University of Paris Saclay) and with future users (CERN). This amplifier, based on the concept of inductive output vacuum tubes (IOT), must be capable of competing in terms of energy efficiency with current amplifiers such as klystrons, which are much bulkier and whose efficiency is less easily maintained when changing the acceleration voltage (operating point). The principle of multi-beam operation allows for a decrease in beam perveance while maintaining the total current necessary to achieve the desired power at a fixed voltage. The efficiency of interaction between the electron beam and the electromagnetic field of the output cavity is better in this configuration, thereby improving overall conversion efficiency. Furthermore, the addition of a second stage (an optimization cavity) at the output with post-acceleration of electrons allows for an increase in the power of the recovered RF wave. Preliminary studies demonstrate the possibility of achieving powers on the order of megawatts with conversion efficiencies approaching 90% by combining these principles. The objective of this work is to define the state of the art and the physical and/or technological limits that restrict the efficiency of current amplifier tubes and propose design solutions: shapes and dimensions of various parts, notably resonant cavities at input and output and their electromagnetic coupling with electron beams inside the tube and the outside world in order to optimize performance in terms of continuous and pulsed peak power, conversion efficiency, frequency response, stability, thermal dissipation, radiation, etc.