Développement et réalisation d'un klystron à haut-rendement de type kladistron

Development and fabrication of a high-efficiency klystron based on the kladistron principle

• Auteur / Autrice : Antoine Mollard
• Direction : Claude Marchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 07/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Thales (Firme)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marcel Rax
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Marchand, Jean-Marcel Rax, Walter Wuensch, Jean-Marie de Conto, Armel Beunas, Juliette Plouin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Walter Wuensch, Jean-Marie de Conto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ingénierie

Brasage

Amplificateurs haute fréquence

Accélérateurs de particules

Klystrons

Mots clés libres

Klystron

Kladistron

Rendement

Accélérateur

Klystron

Kladistron

Efficiency

Accelerator

Résumé

Les klystrons sont des tubes électroniques dans lesquels un ou plusieurs faisceaux d'électrons sont modulés afin de d'amplifier un signal radiofréquence. Pour ce faire, des cavités passives constituant la ligne d’interaction du klystron échangent de l’énergie électromagnétique avec le faisceau. Il en résulte une modification périodique de la vitesse des électrons, qui sont regroupés en paquets. A la fin de la ligne d’interaction, cette énergie est partiellement transmise à un circuit radiofréquence externe. Afin d’améliorer les performances des klystrons et d’augmenter leur rendement énergétique, une nouvelle architecture, inspirée des RFQ (Radio-Frequency Quadrupole), a été proposée. Il s’agit d’utiliser un nombre plus important de cavités, faiblement couplées au faisceau, et permettant la mise en paquets des électrons de façon très progressive et économe en énergie. Dans l’optique de tester cette nouvelle architecture, le point de départ de ce projet a été la modification de la ligne d’interaction d’un klystron existant. Les éléments d’origines ont été modélisés avec différents programmes de simulation (AJ-Disk, Klys2D et MAGIC2D). Plusieurs architectures ont été ensuite simulées avec ces programmes, afin d’améliorer le rendement énergétique de ce klystron. Une fois que les paramètres électromagnétiques des cavités ont été déterminés, il a été nécessaire de concevoir les pièces constituant cette nouvelle ligne. Le développement de ce nouveau klystron a imposé la création d’un système d’accord des cavités en fréquence, et d’une méthode de titanage, afin d’empêcher la création de phénomène de multipactor. Pour ce faire, deux séries de prototypes ont été conçues, fabriquées et testées. Cette étape a également permis la vérification des méthodes de brasage prévues avec les pièces finales. Les différents éléments de la ligne d’interaction ont été réalisés par un partenaire industriel extérieur au projet. Ces pièces ont été ensuite assemblées à Thales Electron Devices Vélizy, avant que le nouveau klystron soit testé sur un banc dédié.

Klystrons are vacuum tubes that amplifiy microwave signals with the modulation of its beam electrons velocities. The electron beam and the klystron cavities exchange electromagnetic energy. This energy exchanges accelerate or decelerate electrons, and create bunches. The electromagnetic energy carried by these bunches is transferred to an external radio-frequency circuit in the last cavity. In the frame of the improvement of klystrons efficiency, a new design inspired by RFQ (Radio-Frequency Quadrupole) had been proposed. With more cavities, poorly-coupled with the beam, the electron bunching is expected to be smoother and more efficient. The purpose of this project was the test of this new design by replacing the interaction line of an existing klystron. This klystron was simulated with several codes such as AJ-Disk, Klys2D and MAGIC2D. We then used this simulation software to try new designs to improve this klystron efficiency. Once we chose the new cavities electromagnetic properties, we designed the interaction line parts.This klystron development involved the design of a new tuning system for the cavities frequencies, and a new titanium deposition method, in order to prevent multipactor effect. This step needed the design and the fabrication of two series of cavities prototypes to test our new parts and methods. The brazing method was also checked with these cavities. The final interaction line parts were fabricated by a subcontractor, and then assembled and brazed at Thales Electron Devices Vélizy. This new klystron was finally tested on a dedicated conditioning and testing bench.