Rev. Phys. Appl. (Paris) 5, 705-725 (1970)
DOI: 10.1051/rphysap:0197000504070500

Étude d'un oscillateur de type monotron à cavité supraconductrice présentant une très haute stabilité de fréquence

Francis Biquard

Institut d'Electronique Fondamentale, Faculté des Sciences, Bâtiment 220, 91, Orsay

Abstract
High Q superconducting cavities play in microwave range the same part as quartz filters at low frequency. In the monotron oscillator, a continuous electron beam gives energy to the electromagnetic field of a single resonant cavity. When energy becomes greater than the Joule effect dissipation in the walls of the cavity, an oscillation takes place in the system. In a first part, we resume preceding woorks from J. J. Muller and E. Rostas, from C. W. Turner and we give theoretical results concerning the beam loading of a cavity. In a second part, after a brief description of the oscillator and of the superconducting cavity, we present our experimental results concerning the monotron electrical properties and the beam loading of the cavity. In a last part, we study the influence of noise, electron beam voltage and liquid helium bath temperature upon frequency stability, and give typical experimental results. The first realization at 3 GHz shows that it is possible to have powerful oscillators (1 watt) with a frequency stability of 10-10.

Résumé
Les cavités résonnantes supraconductrices présentent l'intérêt de posséder des coefficients de surtension élevés. Ces cavités sont en hyperfréquence l'analogue des filtres à quartz utilisés en basse fréquence. Dans l'oscillateur monotron, un faisceau continu d'électrons traverse une cavité cylindrique supraconductrice suivant son axe et cède de l'énergie au champ électromagnétique de celle-ci. Lorsque cette énergie devient supérieure à l'énergie dissipée dans les parois de la cavité une oscillation prend naissance dans le système. Nous résumons brièvement les études antérieures effectuées par J. J. Muller et E. Rostas ainsi que par C. W. Turner, et nous rappelons les résultats théoriques concernant l'interaction onde-faisceau dans une cavité. Dans une deuxième partie, après une brève description de l'oscillateur et des problèmes posés par la réalisation de cavités supraconductrices, nous présentons les résultats expérimentaux concernant les propriétés électriques de l'oscillateur et l'interaction onde-faisceau. Dans une dernière partie, nous étudions l'influence du bruit et des différents paramètres sur la stabilité de fréquence de l'oscillateur et nous présentons quelques résultats expérimentaux typiques. Cette réalisation expérimentale à 3 GHz montre qu'il est possible de réaliser par ce procédé des oscillateurs hyperfréquences délivrant des puissances de l'ordre du watt et ayant une stabilité de fréquence voisine de 10-10.

PACS
0630L - Measurement of basic electric and magnetic variables.
4100 - Electricity and magnetism: fields and charged particles.
3240 - Superconducting devices.

Key words
oscillators -- superconducting devices