TUBES ÉLECTRONIQUES


TUBES ÉLECTRONIQUES
TUBES ÉLECTRONIQUES

Les tubes électroniques sont des composants qui entrent dans la constitution de matériels électroniques très divers (émetteurs de radiodiffusion; émetteurs, récepteurs, caméras de télévision; équipements de télécommunications; radars; contre-mesures électroniques, c’est-à-dire détection et brouillage radars; chauffage industriel en haute fréquence; fours domestiques à micro-ondes; radiologie; etc.). Jusqu’en 1948, tous les équipements électroniques ont été bâtis autour de ces tubes, et les progrès de la radioélectricité et de l’électronique ont été conditionnés par l’amélioration de leurs caractéristiques.

Les tubes ont perdu ce monopole depuis l’apparition, en 1948, du transistor. En fait, depuis longtemps, des dispositifs entièrement solides étaient utilisés pour le redressement et la détection de signaux alternatifs. Le développement des applications de la physique des semi-conducteurs a permis de construire des systèmes électroniques très complexes, comme les ordinateurs, qui n’auraient pas pu être réalisés au moyen de tubes. Cependant, les faibles dimensions des dispositifs à semi-conducteurs en limitent la puissance. C’est donc dans le domaine des puissances faibles qu’ils ont trouvé une place des plus importantes: ils ont ainsi presque complètement éliminé les tubes de réception qui ont équipé les récepteurs de radio pendant une trentaine d’années (ils équipent cependant encore certains maillons – amplificateurs, tuners – de chaînes haute-fidélité de haut de gamme). Malgré cela, et par suite du développement de domaines nouveaux, la production des tubes électroniques demeure importante.

Les tubes électroniques forment une très vaste famille de produits, dont les membres se comptent par milliers, différant par leurs structures, leurs propriétés et leurs applications. Certains, comme ceux qui équipent les récepteurs de télévision, sont fabriqués par centaines de milliers ou par millions d’exemplaires; pour d’autres, comme certains tubes nécessités par les expériences spatiales, un exemplaire unique est utilisé. Leur succès est dû aux propriétés particulières de l’électron et, avant tout, à sa faible inertie qui permet de lui donner des vitesses considérables (le temps que met un électron pour traverser un tube est souvent de quelques nanosecondes) et de modifier facilement son mouvement par l’action de champs électrique et magnétique. Les électrons sont groupés en un faisceau plus ou moins dense issu d’une source (la cathode) qui, suivant les tubes, peut être thermoélectrique, photoélectrique, à émission secondaire ou à effet de champ. Émis avec des vitesses faibles, ils sont accélérés par des tensions positives appliquées aux autres électrodes. L’énergie qui leur est communiquée est de type électromécanique. Dans les tubes radioélectriques (tubes classiques et tubes hyperfréquences), l’énergie ainsi donnée aux électrons par des sources de tension continue est transférée au moins partiellement à des champs de fréquence élevée où elle apparaît sous forme électromagnétique. Dans certains tubes à image, elle sert à exciter la fluorescence d’une cible, se manifestant ainsi sous forme lumineuse.

Le fonctionnement de tous les tubes est donc fondé sur le déplacement d’un faisceau d’électrons dans un vide suffisant ou dans un gaz plus ou moins complètement ionisé; ce point commun entraîne une certaine identité de structure: une enveloppe étanche, munie de traversées électriquement isolées, permettant de relier à des sources de courant et de tension extérieures les électrodes qui, à l’intérieur du tube, émettent les électrons, les captent, ou en modifient le mouvement. Ce mouvement peut également être influencé par des champs magnétiques créés au moyen de bobines, d’électro-aimants ou d’aimants permanents, en général extérieurs à l’enceinte vidée. La réalisation d’une telle enceinte, soumise à la pression atmosphérique et parfois à d’autres contraintes mécaniques, chocs et vibrations, à des contraintes d’origine thermique, et surtout le maintien au cours de la vie du tube d’un vide correspondant à une pression résiduelle qui, suivant les cas, va de 10-4 à 10-8 Pa (de 10-9 à 10-13 fois la pression atmosphérique), posent des problèmes technologiques difficiles. Ils ont été résolus, d’une part, par l’emploi de matériaux adéquats (verres, céramiques, métaux réfractaires, alliages soudables au verre) ou de matériaux courants mais de qualité spéciale (cuivre par exemple), d’autre part, par l’application de traitements thermiques ou chimiques très précis au cours de la fabrication, et d’un processus de dégazage particulier au cours du vidage du tube. Ces éléments technologiques constituent un lien entre les divers tubes, malgré les importantes différences qui peuvent les séparer, les tubes à gaz se comportant en général sur le plan technologique de la même façon que les tubes à vide.

En 1905, John Ambrose Fleming a montré qu’un tube à deux électrodes, dont une source chaude d’électrons, se comportait comme une valve et permettait de redresser des signaux alternatifs. Au début du XXe siècle, Arthur Rudolph Berthold Wehnelt créait le tube cathodique à concentration électrostatique. Lee De Forest, en 1906, a fait faire un pas important en introduisant, dans la diode de Fleming, une grille dont le potentiel permet de contrôler le courant émis par la source d’électrons, et qui donne ainsi la possibilité de réaliser des amplificateurs et des oscillateurs. À partir de là, le développement de la famille des tubes électroniques s’est fait à un rythme croissant, avec deux périodes d’efforts plus intenses au cours des deux guerres mondiales. Dans la première, ces efforts ont conduit à des progrès importants sur les tubes triodes créés par Lee De Forest et permettant de faire des liaisons radioélectriques; ces progrès se sont traduits par une extension rapide de la radiodiffusion dans les années 1920. Au cours de la Seconde Guerre mondiale, le radar a fait l’objet des plus grands efforts, d’où découla un essor très rapide des techniques propres aux hyperfréquences. Pendant l’entre-deux-guerres, le désir de réaliser des systèmes de télévision a conduit à de nombreux travaux, dans le domaine photoélectrique, pour réaliser des tubes de prise de vues. Ces efforts ont été ensuite poursuivis en se diversifiant, s’appuyant souvent sur des besoins militaires (par exemple, la prise de vues à très bas niveau de lumière) et, en général, sur le développement important des techniques de visualisation.

On a tenté de classer la grande variété des tubes en se fondant sur des critères techniques. Tout d’abord, on laisse de côté des dispositifs comme le microscope électronique: tout en répondant à la description générale des tubes, il n’a pas le caractère de composant, attaché à la notion de tube électronique. On peut ensuite considérer les tubes à gaz , qui constituent un groupe assez distinct, sauf dans quelques cas particuliers, comme les cellules photoélectriques à remplissage gazeux. Les tubes à vide , qui constituent la grosse majorité des tubes électroniques, peuvent être décomposés en tubes classiques, tubes pour hyperfréquences, tubes à image et tubes générateurs de rayons X.

Pour ce dernier type de tubes, on se reportera à l’article consacré aux rayons X.

La grande variété des tubes à image conduit à une nouvelle subdivision en tubes de prise de vues et tubes intensificateurs ou convertisseurs d’image, tubes à rayons cathodiques (cf. MESURE Mesures électriques et électroniques), tubes à mémoire.

Les tubes à mémoire résultent de la substitution, dans un oscillographe à rayons cathodiques ou encore dans un intensificateur ou convertisseur d’image, à l’écran fluorescent qui sert à produire une image lumineuse, d’une cible qui enregistre, sous forme de distribution de charges électriques, l’image qu’on y inscrit au moyen du faisceau d’électrons. L’image invisible, ainsi mise en mémoire, peut être «lue» au moyen d’un pinceau d’électrons qui l’analyse et donne un signal électrique comme dans les tubes de prise de vues (tube à mémoire analyseur). On peut également, dans d’autres types de tube à mémoire, faire apparaître l’image sous forme lumineuse au moyen d’un faisceau étalé d’électrons qui arrose un écran fluorescent voisin de la cible et dont l’intensité est localement contrôlée par l’image électrique mise en mémoire (tube à entretien d’image).

1. Tubes classiques

L’usage veut que l’ensemble des tubes à vide pour la radioélectricité soit subdivisé en deux catégories: d’une part, les tubes classiques , pour lesquels la durée du parcours des électrons entre les diverses électrodes (temps de transit) peut être considérée comme négligeable vis-à-vis de la période moyenne des signaux radioélectriques appliqués aux électrodes; d’autre part, les tubes hyperfréquences , dont le mécanisme de fonctionnement repose sur l’existence des temps de transit.

Diode

La diode est le tube à la fois le plus simple et le plus ancien (1905). Dans son principe, elle comprend, à l’intérieur d’une ampoule évacuée, une cathode émettant des électrons, vis-à-vis de laquelle se trouve l’anode, généralement constituée par une simple plaque métallique qui recueille le courant émis. Comme pour la quasi-totalité des tubes à vide, la cathode met en œuvre le principe de l’émission thermo-ionique , et cela sous des formes diverses. On utilise parfois un filament de tungstène pur ou de tungstène recouvert d’un film monoatomique de thorium (tungstène thorié). Ce filament est chauffé à haute température (2 300 0C pour le tungstène, 1 700 0C pour le tungstène thorié) par le passage d’un courant continu ou alternatif. L’émission spécifique est alors comprise entre 0,3 et 1 A/cm2; ce type de cathode est dit à chauffage direct. À cause des puissances élevées nécessaires pour chauffer ces cathodes, elles ne sont guère utilisées que sur les tubes classiques de grande puissance, leur qualité primordiale étant une bonne résistance au bombardement ionique dû à la présence de gaz résiduels dans l’enceinte.

Parfois aussi, on emploie un boîtier de nickel recouvert sur une face externe d’oxydes de baryum et de strontium et renfermant un filament de tungstène qui permet de le porter par rayonnement à sa température de fonctionnement, qui est de 800 0C. Cette cathode à oxydes fournit 300 mA/cm2 en régime continu, et environ 10 A/cm2 en impulsions brèves de quelques microsecondes. C’est de loin la cathode la plus couramment utilisée.

Enfin, dans certains cas, on se sert d’une matrice en tungstène poreux dans laquelle est incorporé de l’aluminate de baryum et de calcium qui se décompose à haute température, permettant au baryum pur de diffuser vers la surface. Cette cathode, à chauffage indirect comme la précédente, fonctionne à une température de 1 050 0C et peut fournir 3 A/cm2 en régime permanent. La densité de courant peut atteindre 10 A/cm2 moyennant une surchauffe de 200 0C. Cette cathode est utilisée en particulier dans certains tubes hyperfréquences qui nécessitent des faisceaux électroniques de densité de courant élevée.

Pour analyser le fonctionnement de la diode, il convient d’abord de considérer la caractéristique courant-tension qui est représentée sur la figure 1. Le potentiel de la cathode étant pris comme origine, on a tracé en ordonnée le courant traversant la diode en fonction de la tension anodique. La caractéristique se décompose en trois régions distinctes.

Pour les tensions négatives, le champ électrique tend à freiner les électrons, et le courant est nul, sauf dans la région située à quelques dixièmes de volt de l’origine. Dans cette région, dite exponentielle , le courant croît exponentiellement pour atteindre une valeur modeste à tension nulle. Ce courant est d’origine purement thermique, les électrons étant émis par la cathode avec une vitesse aléatoire correspondant à celle d’un gaz d’électrons porté à la température de la cathode. La répartition de vitesses obéit à la distribution de Maxwell (cf. théorie CINÉTIQUE DES FLUIDES), et seuls les électrons ayant au départ une énergie supérieure à celle qui équivaut à la différence de potentiel entre la cathode et l’anode peuvent atteindre celle-ci. L’énergie moyenne des électrons émis par une cathode à 800 0C est de l’ordre de 0,1 eV (une température de 11 600 K correspond à une énergie moyenne de 1 eV), ce qui explique les ordres de grandeur mentionnés.

La deuxième région de la caractéristique, qui s’étend depuis l’origine jusqu’à une tension anodique positive V, est relative à un courant croissant rapidement en fonction de la tension appliquée. C’est la région dite de charge d’espace , où le courant est limité essentiellement par la répulsion qu’exercent sur les électrons émergeant de la cathode ceux qui se trouvent déjà dans l’espace interélectrode. Un équilibre s’établit lorsque l’émission est telle que le champ électrique sur la cathode devient nul. Le courant est alors exprimé par la formule:

P étant un coefficient constant, appelé pervéance , qui ne dépend que de la géométrie du tube et dont la valeur se situe généralement entre 10-8 et 10-4.

La troisième région, dite de saturation , s’étend à partir de VL jusqu’à des valeurs élevées de la tension provoquant des claquages. Dans cette région, la cathode fournit tous les électrons qu’elle peut émettre à sa température, et le courant reste pratiquement indépendant de la tension.

Dans la pratique, on évite de faire fonctionner la diode en régime saturé, en particulier dans le cas de cathodes à oxydes qui se détériorent rapidement par suite de l’arrachement de la couche d’oxydes par le champ électrostatique. La diode est principalement utilisée comme redresseur de courant. Une source de tension alternative est mise en série avec la diode; le circuit est refermé par une impédance d’utilisation. En se reportant à la figure 1, on constate que le courant traverse le circuit à peu près uniquement pendant l’alternance où l’anode est positive par rapport à la cathode. Ce courant possède une valeur moyenne non nulle, et peut après filtrage être transformé en courant continu. Après avoir longtemps servi comme redresseur dans les alimentations de tension continue ainsi que comme lampe détectrice en radio et en télévision, la diode ne trouve plus guère d’emploi que pour les redressements de haute tension (alimentation de tube cathodique de télévision, alimentation de tubes à rayons X, etc.).

Triode

En intercalant dans une diode, entre cathode et anode, une grille formée de fils parallèles ou entrecroisés, Lee De Forest a réussi, vers 1906, à créer la triode, capable d’amplifier des signaux radioélectriques. Étant proche de la cathode, la grille exerce, par son potentiel qui est voisin de celui de la cathode, une action prépondérante sur l’émission électronique. Les électrons traversent en grande majorité la grille pour aboutir à l’anode. Une faible variation de la tension grille est alors capable de faire passer le courant cathode-anode d’une valeur nulle à la valeur de saturation. Ce tube joue donc le rôle d’un robinet électrique nécessitant une faible puissance de commande (fig. 2). D’une manière plus précise, on peut considérer que l’émission électronique varie comme celle d’une diode dont le potentiel d’anode serait une combinaison linéaire des potentiels de grille et d’anode de la triode considérée, ce que confirme l’expérience, au moins en première approximation, d’où l’expression:

Ik étant le courant fourni par la cathode, Vg le potentiel de la grille, Va celui de l’anode et K un coefficient ne dépendant que de la géométrie du tube, appelé coefficient d’amplification . Bien entendu, cette expression n’est valable que dans la région principale d’utilisation de la triode, c’est-à-dire dans la région de charge d’espace. Cependant, le courant utilisé est celui qui atteint l’anode, Ia . Aussi longtemps que la grille reste négative, le courant de grille Ig reste nul, au faible courant de la région exponentielle près, d’où Ia = Ik . Lorsque la grille devient positive, le courant de cathode se partage entre grille et anode: Ia + Ig = Ik . On a coutume de représenter les performances d’une triode sous forme de deux réseaux de caractéristiques: soit le réseau donnant Ia en fonction de Vg , la tension Va étant prise comme paramètre (fig. 3), soit celui de Ia en fonction de Va , Vg étant cette fois le paramètre; on fait souvent figurer Ig sur ce dernier réseau (fig. 4). Ces réseaux, tracés à partir des résultats expérimentaux, permettent l’évaluation des paramètres caractéristiques de la triode qui déterminent son comportement sur une petite plage autour d’un point moyen de fonctionnement. C’est ainsi que l’on définit la pente:

qui correspond à la pente des courbes du réseau de la figure 3, ainsi que la résistance interne:

qui est l’inverse de la pente des courbes du réseau de la figure 4. Ces deux quantités sont associées au coefficient d’amplification K par la relation K = 福S. Elles déterminent complètement le fonctionnement de la triode dans le cas très important de l’amplification de faibles signaux. La pente varie de quelques milliampères par volt pour les triodes de faible puissance (tubes de réception) à quelques centaines de milliampères par volt pour les tubes d’émission. Les résistances internes se situent, suivant les tubes, entre 1 000 et 100 000 行, et les coefficients d’amplification entre quelques unités et 100. La puissance alternative fournie va de quelques milliwatts pour les tubes de réception à plusieurs centaines de kilowatts en régime permanent pour les tubes d’émission, et plusieurs mégawatts en impulsions brèves pour les tubes alimentant certains accélérateurs de particules.

Une triode peut être montée en amplificateur. Comme pour tout appareil de ce type, il est possible, par l’adjonction d’un circuit de réaction convenable, de rendre ce montage auto-oscillateur, en introduisant à l’entrée une fraction de la puissance de sortie (fig. 5).

Plusieurs facteurs limitent les performances des triodes. La dissipation thermique d’anode et de grille due à l’impact des électrons limite la puissance que peut délivrer le tube. Pour les tubes de grande puissance, un refroidissement par air forcé, par circulation ou par évaporation de liquide est indispensable. Le gain, c’est-à-dire le rapport de la puissance alternative délivrée au circuit d’anode à la puissance fournie au circuit de grille, est en général inférieur à 20 en raison des possibilités d’auto-oscillation qu’entraîne la présence inévitable d’une capacité parasite entre grille et anode, qui couple ces deux électrodes.

En haute fréquence, les capacités parasites grille-anode et grille-cathode présentent une impédance faible et tendent à court-circuiter les circuits extérieurs. On ne peut alors obtenir un fonctionnement correct de l’amplificateur qu’en compensant ces capacités au moyen d’auto-inductances externes convenablement choisies, ce qui revient à rendre les circuits résonnants, donc à restreindre le domaine des fréquences amplifiées à une bande relativement étroite. Cette notion de bande de fréquence est très importante, car elle détermine directement la quantité d’information délivrée par unité de temps. Le produit gain 憐 bande est généralement considéré comme le critère de qualité de l’amplificateur.

La fréquence maximale d’utilisation de la triode est limitée en premier lieu par les capacités parasites que nous avons mentionnées, associées aux inductances parasites des fils de connexion reliant les électrodes au circuit, fils dont la longueur n’est plus négligeable devant la longueur d’onde. C’est pourquoi les tubes spécialement destinés à fonctionner en très haute fréquence ont une géométrie particulièrement compacte, avec des électrodes planes superposées séparées par des anneaux de verre ou de céramique; ils sont associés à des circuits formés par des cavités métalliques coaxiales qui jouent le rôle de résonateurs (fig. 6). Une telle cavité comporte une partie coaxiale court-circuitée à une extrémité qui emmagasine de l’énergie magnétique, jouant ainsi le rôle d’inductance dans le circuit dont la capacité est essentiellement celle des électrodes du tube connectées à l’extrémité ouverte du coaxial. Une boucle de faibles dimensions plongée dans la cavité se comporte comme un transformateur et permet d’introduire ou d’extraire de l’énergie haute fréquence.

En dépit de ces améliorations, la fréquence se trouve limitée en dernière analyse par le temps de transit des électrons, en particulier dans l’espace cathode-grille où leur vitesse est faible. Lorsque ce temps devient comparable à la durée d’une période du champ haute fréquence, l’électron est soumis à un champ dont l’amplitude et même le signe varient durant le parcours de la particule, de sorte qu’une partie au moins du faisceau émis est renvoyée sur la cathode. L’efficacité du tube décroît alors très rapidement avec la fréquence. Le seul moyen de lutter contre cet effet consiste à rapprocher autant que possible la grille de la cathode, ce qui entraîne, en contrepartie, une augmentation de la capacité grille-cathode. On est alors amené à réduire les dimensions transversales du tube et, par suite, son courant, donc sa puissance. C’est ainsi que de plusieurs centaines de kilowatts à 200 MHz on aboutit au niveau du kilowatt à 1 000 MHz et au watt à 3 000 MHz, la fréquence limite obtenue étant 6 000 MHz (6 GHz). Il faut enfin mentionner que le bruit introduit une limite fondamentale à l’amplification des très faibles signaux [cf. BRUIT DE FOND]. Dans le spectre des ondes hertziennes qui nous intéresse, ce bruit a deux origines principales distinctes: d’une part, les fluctuations de tension d’origine thermique aux bornes des résistances du circuit de commande de grille ; d’autre part, les fluctuations dues au fait que les électrons sont émis un par un d’une manière indépendante par la cathode (bruit de grenaille ). Le bruit d’origine quantique est strictement négligeable aux fréquences d’utilisation des tubes électroniques.

Tétrode

La tétrode comporte les éléments d’une triode auxquels s’ajoute une grille supplémentaire, dite grille écran , située entre la grille de contrôle et l’anode, et que l’on porte à un potentiel positif fixe inférieur ou égal au potentiel moyen d’anode. Cet écran a pour fonction de réduire fortement la capacité grille-anode, supprimant ainsi les risques d’auto-oscillation et permettant l’obtention d’un gain élevé (égal ou supérieur à 100).

Cependant, les performances de ce tube sont limitées en raison du phénomène d’émission secondaire. Lorsqu’un électron est projeté sur la surface d’un matériau solide, il provoque l’émission hors du matériau d’électrons dits secondaires; c’est, pour le solide, le phénomène correspondant à celui de l’ionisation pour les gaz. Pour une énergie d’impact suffisante, variable suivant les matériaux (de quelques dizaines à quelques centaines d’électronvolts), le nombre d’électrons émis peut devenir supérieur au nombre d’électrons incidents. Leur énergie à l’émission est faible (quelques électronvolts) et ils ne sont extraits que si le champ électrique à la surface le permet.

Au cours du fonctionnement de la tétrode, lorsque l’anode atteint un potentiel inférieur à celui de l’écran, un courant secondaire est émis par l’anode, perturbant gravement le fonctionnement du tube. On combat cet effet dans les tubes de faible puissance par l’adjonction entre l’écran et l’anode d’une grille supplémentaire à mailles larges, la suppresseuse , reliée directement à la cathode. On obtient ainsi une pentode . Cette troisième grille laisse passer le courant primaire, mais renvoie sur l’anode les électrons secondaires. La même fonction est remplie dans les tubes de puissance par l’utilisation de faisceaux dirigés. La géométrie de la cathode et des grilles est conçue de telle sorte que le faisceau se trouve extrêmement resserré entre écran et plaque. La charge d’espace devient très importante dans cette région et provoque l’apparition d’un creux de potentiel (cathode virtuelle) à peu près similaire à celui que produit la suppresseuse, ce qui permet d’obtenir le même effet.

Les tubes à grille de réception ont presque disparu; ils sont remplacés par des transistors ou des circuits intégrés . En revanche, les tubes d’émission de radiodiffusion et de télévision (au-delà d’une centaine de watts) sont assurés d’un avenir durable.

2. Tubes hyperfréquences

Les tubes classiques sont limités en fréquence par les impédances parasites inséparables des électrodes et par le temps de transit du faisceau. Les tubes hyperfréquences sont caractérisés par le fait que l’on met à profit ces phénomènes considérés jusque-là comme nuisibles. On aboutit à ce résultat, d’une part, en incorporant au tube le circuit de haute fréquence qui interagit directement avec le faisceau, d’autre part, en laissant le faisceau parcourir un chemin suffisant pour que les effets de temps de transit puissent se manifester avec une grande amplitude. Il s’ensuit que le faisceau électronique présente en général une structure allongée dans le sens de la propagation et des dimensions transversales relativement réduites, à l’opposé du cas des tubes classiques. Les forces de charge d’espace qui tendent à le disperser latéralement s’opposent à l’établissement naturel d’une telle géométrie et rendent nécessaire l’emploi de systèmes de focalisation pour le guider et lui conserver une structure suffisamment dense. Deux types de focalisation couvrent la quasi-totalité des cas pratiques: la focalisation des tubes linéaires et la focalisation à champs croisés.

Dans la focalisation des tubes linéaires , le faisceau prend sa source à la cathode, généralement concave et presque toujours de révolution. Il est accéléré en même temps que concentré dans la région du canon, c’est-à-dire entre cathode et anode. La convergence du faisceau est assurée par la présence d’une électrode au potentiel de la cathode, le wehnelt . Le faisceau pénètre par le trou d’anode dans la région d’interaction sensiblement équipotentielle et qui n’inclut que des champs de haute fréquence. La dispersion radiale du faisceau est empêchée par la présence d’un champ magnétique qui remplit toute cette région. Il s’agit en général d’un champ longitudinal réalisé à l’aide d’une ou de plusieurs bobines entourant le tube. L’action de ce champ sur un électron produit une force proportionnelle à sa vitesse transversale et à la valeur du champ lui-même, dirigée dans le plan transverse perpendiculairement à cette vitesse; cette force tend à ramener l’électron vers l’axe du faisceau. Lorsque la géométrie du tube le permet, on obtient un résultat analogue par l’emploi de lentilles magnétiques alternées réalisées par des aimants permanents (focalisation alternée). Tous ces systèmes sont caractérisés par le fait que l’interaction, c’est-à-dire la cession d’énergie par le faisceau au champ électromagnétique du circuit, se produit aux dépens de la seule source d’énergie disponible, l’énergie cinétique du faisceau. Le faisceau ainsi freiné est finalement recueilli sur une électrode, le collecteur, qui ne joue aucun rôle du point de vue de la haute fréquence.

Dans la focalisation à champs croisés , le faisceau est soumis à un champ électrique continu perpendiculaire à sa direction de propagation et à un champ magnétique constant orthogonal à la fois à cette direction et au champ électrique. La force exercée par le champ magnétique, perpendiculaire au champ et à la vitesse du faisceau, équilibre celle qui est due au champ électrique. Dans ces conditions, on peut vérifier que la vitesse moyenne du faisceau est égale au rapport de la valeur absolue du champ électrique à celle du champ magnétique; elle est orthogonale à ces deux champs. Le faisceau, en forme de ruban plat, se meut nécessairement au voisinage de l’équipotentielle qui correspond à sa vitesse moyenne. Il est par là même confiné. L’électrode positive servant à créer le champ électrique est constituée par le circuit hyperfréquence lui-même. Deux cas sont alors possibles: le faisceau est créé par un canon extérieur à l’espace d’interaction et injecté dans cet espace; il se propage entre le circuit et une simple électrode métallique parallèle à celui-ci, la sole , portée à un potentiel négatif par rapport à la cathode. Dans le second cas, c’est la cathode elle-même qui s’étale face au circuit et tient lieu de sole; l’émission se produit sur toute la longueur de l’espace d’interaction. Dans les deux cas, la présence de rebords sur l’électrode négative empêche le faisceau de diverger latéralement. Quel que soit le mode d’injection du faisceau, la focalisation à champs croisés se caractérise par le fait que la vitesse moyenne du faisceau est indépendante des interactions qu’il a pu subir, étant donné qu’elle ne dépend que des champs continus appliqués. Cela revient à dire que tous les échanges d’énergie se font aux dépens de l’énergie potentielle des électrons, qui se rapprochent du circuit dans la mesure où ils lui cèdent de l’énergie.

Tubes à focalisation linéaire

Klystron (tube à modulation de vitesse)

La focalisation linéaire a été mise en œuvre pour la première fois par les frères Russell H. et Sigurd F. Varian, en 1939, lorsqu’ils ont créé le klystron (fig. 7). Dans ce tube, le faisceau traverse plusieurs cavités résonnantes de forme rentrante. La cavité la plus proche du canon est couplée, par l’intermédiaire d’une boucle ou d’un iris qui jouent le rôle de transformateur d’impédance, à un générateur qui fournit le signal à amplifier, via une ligne de transmission qui peut être un coaxial ou un guide d’onde [cf. LIGNES DE TRANSMISSION]. À la fréquence d’utilisation, chaque cavité résonne sur un mode propre tel que le champ électrique se trouve concentré dans la région de la fente. Suivant sa phase, ce champ accélère ou freine les électrons. Après avoir traversé la première cavité, le faisceau, dont la vitesse est ainsi périodiquement modulée, pénètre dans une région dépourvue de champ, le tube de glissement . Dans ce tube, les électrons les plus rapides tendent à rattraper les plus lents, créant ainsi une modulation de courant. L’amplitude de cette modulation est limitée par la répulsion mutuelle des électrons. Le faisceau traverse une seconde cavité dont il excite la résonance et dont le champ électrique plus intense que celui de la première cavité remodule la vitesse des électrons. Un nouvel espace de glissement permet la transformation de la modulation de vitesse en modulation d’intensité. Ce processus est répété autant de fois que nécessaire pour amener la composante alternative du courant de faisceau à saturation, c’est-à-dire à une valeur comparable à celle du courant injecté par le canon. Une dernière cavité couplée au circuit d’utilisation est excitée par le faisceau dans une phase telle que son champ freine considérablement les paquets d’électrons successifs. L’énergie ainsi prélevée au faisceau par induction électrique est transférée à la charge utile. Des gains et des puissances considérables peuvent être obtenus: en régime permanent, un gain de 50 dB et une puissance de plusieurs dizaines de kilowatts avec un rendement de 50 p. 100 sont des performances courantes à partir de quelques centaines de mégahertz jusqu’à 10 GHz. À cette dernière fréquence, certains tubes fournissent 1 MW en continu. En régime continu, les klystrons sont principalement utilisés comme amplificateurs de puissance pour les émetteurs de télévision fonctionnant à fréquence élevée (400 à 900 MHz), pour certains radars (radar Doppler), pour les émetteurs de transmission troposphérique et pour les générateurs d’hyperfréquences à usage industriel. En régime d’impulsions, les klystrons fournissent, de façon typique, plusieurs dizaines de mégawatts à 3 000 MHz avec le même gain et le même rendement. Ils sont employés dans les radars en impulsions et comme source d’énergie pour les accélérateurs de particules.

Une variante auto-oscillatrice de ce tube ne comportant qu’une seule cavité, le klystron reflex , est utilisée comme source hyperfréquence de faible puissance (quelques milliwatts à quelques watts). Dans ce tube, le faisceau ayant traversé la cavité est renvoyé vers celle-ci par une électrode portée à un potentiel négatif, le réflecteur. Pour une tension correcte du réflecteur, le courant réfléchi qui retraverse la cavité se trouve en phase avec la modulation du courant incident. En raison de la brièveté du trajet parcouru par les électrons et grâce au fait que le réflecteur, par sa forme, refocalise le faisceau, le klystron reflex ne comporte pas de focalisation magnétique, ce qui en fait un tube compact et léger essentiellement utilisé comme oscillateur local dans les récepteurs hyperfréquences.

Les klystrons sont souvent munis de cavités mécaniquement accordables en fréquence. Il n’en demeure pas moins que leur bande passante instantanée est sévèrement limitée en raison de la surtension élevée des cavités: on parvient au mieux à une bande relative de 10 p. 100, cela dans le cas de klystrons fonctionnant en impulsions.

Tube à onde progressive (T.O.P.)

Le problème d’amplification à large bande a été élégamment résolu par Rudolf Kompfner avec l’invention du T.O.P. (1942). Dans les T.O.P. (cf. HYPERFRÉQUENCES, fig. 3), un faisceau analogue à celui du klystron interagit avec une onde guidée se propageant suivant le même axe avec une vitesse voisine de la vitesse d’entraînement des électrons; onde et faisceau s’accompagnent. Cette onde, qui, dans le cas le plus courant, se propage le long d’un fil enroulé en hélice autour du faisceau, comporte une composante de champ électrique axial qui accélère ou ralentit les électrons suivant leur position par rapport à l’onde. Dans ces conditions, les électrons, au long de leur parcours, se rassemblent en paquets périodiques situés dans des régions où le champ est ralentisseur (on peut observer un phénomène analogue sur les routes: dans les montées, les automobiles sont freinées et se regroupent, alors qu’elles sont accélérées et s’écartent dans les descentes). Le faisceau ainsi freiné cède de l’énergie à l’onde dont l’amplitude s’accroît, provoquant une modulation plus profonde du faisceau. Ce mécanisme aboutit à une croissance exponentielle des champs et des courants alternatifs avec la distance, le long de l’espace d’interaction.

Afin d’éviter les oscillations causées par les réflexions multiples de l’onde aux extrémités de l’hélice, John R. Pierce a introduit, en 1946, une atténuation localisée au premier tiers environ de sa longueur. Cette atténuation absorbe totalement la puissance réfléchie par la sortie ainsi que la puissance fournie par la première partie du circuit, qui ne sert désormais qu’à moduler le faisceau; ce dernier excite par induction la seconde partie de l’hélice. On obtient ainsi des tubes qui présentent un gain (40 dB) comparable à celui du klystron, un rendement inférieur (de 5 à 20 p. 100) à cause du ralentissement progressif du faisceau qui le désynchronise, une puissance limitée (de 1 kW à 10 GHz) et une bande d’amplification considérable (typiquement 1 octave) en raison du fait que la vitesse de l’onde le long de l’hélice varie très peu en fonction de la fréquence et que toute résonance a été soigneusement évitée. Les T.O.P. sont utilisés, d’une part, dans les relais hertziens et les satellites de télécommunication, d’autre part, dans les équipements de contre-mesures (brouillage radar). On obtient des tubes plus puissants mais de bande réduite en remplaçant l’hélice par une structure périodique massive (cavités couplées); ces tubes s’emploient principalement dans les chaînes d’amplification des radars modernes.

Carcinotron «O»

Tube oscillateur à large bande d’accord électronique, le carcinotron «O», créé indépendamment par Bernard Epsztein et R. Kompfner en 1951, est très proche du T.O.P. par sa structure. Grâce à un phénomène stroboscopique, une onde, dont l’énergie se propage sur une structure périodique en sens inverse du faisceau, peut être mise en synchronisme avec lui. L’énergie cédée par un paquet d’électrons module les paquets précédents qui, à leur tour, céderont de l’énergie se propageant vers le début du faisceau. Pour un courant suffisant, cette boucle de réaction interne auto-oscille à une fréquence déterminée par la vitesse du faisceau, c’est-à-dire par sa tension (fig. 8).

Le carcinotron comporte donc une seule sortie haute fréquence située à l’extrémité du circuit voisine du canon. L’atténuation se trouve reportée à l’autre extrémité, ce qui évite les réactions de la charge sur l’oscillateur. Ce tube, qui donne une puissance analogue à celle du klystron reflex, est utilisé dans les générateurs de laboratoire et dans les récepteurs panoramiques pour contre-mesures radar.

Tubes à champs croisés

Magnétron

Le magnétron est un oscillateur qui a fait l’objet d’efforts multiples et prolongés: d’abord simple diode cylindrique plongée dans un champ magnétique axial (A. W. Hull, 1921; A. Za face="EU Caron" カek, 1924), puis comportant une anode en deux parties (Habann), son principe de fonctionnement fut expliqué par K. Posthumus, en 1935, et il fut construit sous sa forme moderne, en 1939, par H. A. H. Boot et J. T. Randall.

Le magnétron comprend essentiellement une cathode à oxydes, cylindrique, entourée d’une anode massive en cuivre comportant un nombre pair de fentes radiales qui constituent chacune la cellule fondamentale d’un circuit périodique fermé sur lui-même (cf. HYPERFRÉQUENCES, fig. 1). Cet ensemble est plongé dans un champ magnétique axial uniforme. Excité sur certaines fréquences discrètes, le circuit d’anode entre en résonance, créant un système d’ondes stationnaires qui peut s’interpréter comme la composition de deux ondes progressives d’amplitude égale tournant en sens inverse. Chaque résonance correspond à un nombre entier de longueurs d’onde sur la circonférence. Pour des raisons de stabilité, on choisit toujours de faire fonctionner le magnétron sur la résonance comportant un nombre de longueurs d’onde égal à la moitié du nombre de fentes. Dans ces conditions, l’amplitude du champ est identique dans chaque fente, son signe changeant périodiquement d’une fente à la suivante. On obtient ce résultat en ajustant la valeur de la tension appliquée à l’anode de manière que le nuage d’électrons qui tourne autour de la cathode ait une vitesse de rotation synchrone de celle de l’une des ondes progressives correspondant à cette résonance. L’interaction entre les électrons et le champ qui déborde des fentes est alors cumulative. Sous l’action de la composante radiale du champ électrique hyperfréquence, les électrons se groupent en paquets en même temps qu’ils sont défléchis vers l’anode par la composante longitudinale, tout en conservant une vitesse moyenne de rotation constante. Ils cèdent ainsi leur énergie potentielle, et ce processus se poursuit jusqu’à ce qu’ils aboutissent sur l’anode. Des couronnes de fil métallique reliant les cavités de même parité entre elles, les straps , renforcent la stabilité, ce qui peut être également obtenu en couplant l’anode fendue à une cavité coaxiale de grande surtension. Le couplage à la charge s’accomplit, comme pour le klystron, par une boucle ou un iris situés au fond d’une fente.

Bien que le mécanisme général de fonctionnement du magnétron soit connu, il n’a pas été possible d’en élaborer une théorie exacte, à cause surtout de l’importance des effets de charge d’espace dont l’analyse présente d’énormes difficultés. Par sa structure compacte, par la simplicité de sa réalisation, par son excellent rendement (de 50 à 70 p. 100, certains tubes expérimentaux ayant même dépassé 80 p. 100), par ses performances en régime d’impulsions (quelques mégawatts de puissance crête, quelques kilowatts de puissance moyenne à 3 GHz, et quelques centaines de kilowatts-crête, quelques centaines de watts moyens à 10 GHz), le magnétron a en fait permis l’avènement du radar, dont il demeure la source de puissance hyperfréquence la plus répandue. Des tubes en régimes permanents donnant quelques kilowatts à 2,45 GHz sont utilisés pour des applications industrielles; des tubes de puissance plus réduite trouvent un emploi dans la cuisson rapide des aliments, en particulier le réchauffage des aliments surgelés.

Le magnétron est un générateur à fréquence fixe ou mécaniquement accordable sur une faible bande (quelques pour-cents).

Amplificateurs à champs croisés

En combinant l’interaction progressive du T.O.P. et la focalisation à champs croisés, on a créé des tubes qui associent dans une certaine mesure les avantages de ces deux conceptions: large bande instantanée d’amplification et grand rendement. L’un de ces tubes, le T.O.P.M. (J. R. Pierce, 1946; A. Lerbs, 1947), comporte un canon extérieur à l’espace d’interaction qui y injecte un faisceau en forme de ruban. Le circuit est en général une structure composée de barreaux permettant la propagation d’une onde à vitesse constante sur une large bande, ainsi que la dissipation thermique causée par l’impact des électrons en fin de course. D’autres versions, l’amplitron à onde rétrograde (W. Brown, 1952) et le C.F.A. (Crossed-Field Amplifier) à onde directe, se présentent comme un magnétron dont le circuit ne se refermerait pas sur lui-même, ce circuit étant couplé aux deux extrémités, d’une part à un générateur, et d’autre part à la charge utile.

Ces tubes sont surtout utilisés comme étage de puissance dans les chaînes d’amplification radar. Les puissances sont comparables ou supérieures à celles des magnétrons (quelques kilowatts de puissance moyenne, quelques mégawatts de puissance crête), les bandes sont de l’ordre de 10 p. 100 et les gains relativement faibles (de 8 à 20 dB) en raison des instabilités inhérentes au fonctionnement des tubes.

Carcinotron «M»

Le carcinotrom «M» est la transposition en champs croisés du carcinotron «O». Très semblable au T.O.P.M. par sa construction, ce tube comporte un circuit interdigital particulièrement bien adapté à l’interaction entre une onde et un faisceau se propageant en sens inverse en raison des retournements de champ successifs qu’impose sa géométrie, comme dans le carcinotron «O». Le circuit est terminé du côté canon par un coupleur de prélèvement d’énergie, et du côté collecteur par une atténuation absorbant toute puissance réfléchie.

Employés exclusivement en brouillage antiradar, ces tubes donnent une puissance de quelques centaines de watts avec un rendement de l’ordre de 30 p. 100 et une bande d’accord électronique de 40 p. 100.

3. Tubes à gaz

L’étude des tubes à gaz, c’est-à-dire des enceintes contenant un gaz ionisé, a d’abord joué un rôle essentiel dans le développement de plusieurs parties de la physique, notamment de la spectroscopie et de la théorie moderne de la structure atomique. Les conductivités électriques relativement élevées qu’il est possible d’y provoquer très rapidement et la variété considérable des phénomènes atomiques qui se présentent dans le milieu gazeux excité électriquement (plasma) expliquent la grande diversité des applications: redresseurs de courant industriels, tubes de commutation rapide à fort courant, tubes de commutation en hyperfréquence (radar), sources de lumière industrielle (tubes fluorescents) ou, pour expériences de laboratoire (chimie), tubes d’affichage, panneaux à plasmas, lasers, jauges à vide, sources d’ions, pompes à vide poussé, sources de bruit ou souffle électrique, convertisseurs thermo-ioniques directs d’énergie thermique ou d’énergie électrique, sans parler des arcs à l’air libre. Remplacés progressivement par des systèmes à l’état solide, ces tubes servent toujours dans les appareils à haute puissance. Les recherches actuelles leur proposent des successeurs plus ou moins probables, souvent de grandes dimensions: convertisseurs magnétohydrodynamiques d’énergie, générateurs d’ondes très courtes par interaction d’un faisceau d’électrons avec un gaz ionisé, réacteurs nucléaires à fission à l’état gazeux, réacteurs à fusion thermonucléaire, lasers infrarouges de très grande puissance.

Propriétés communes

Si les champs électriques appliqués aux tubes à gaz dépassent la valeur «disruptive», une décharge se produit (cf. état GAZEUX, chap. 6), caractérisée par l’ionisation du gaz, qui forme un nouveau milieu [cf. PLASMAS] où les ions et les électrons sont mélangés et neutralisent mutuellement leurs répulsions. La densité de chaque espèce et les courants véhiculés peuvent ainsi atteindre des valeurs bien plus élevées que dans les tubes à vide (cf. supra , chap. 1). Comme dans les solides, les charges libres subissent de nombreuses collisions contre les atomes et molécules (sauf à pression inférieure à environ 0,1 Pa); en outre, le plasma fait écran aux perturbations électriques apportées par les corps immergés. Les applications des tubes à gaz sont donc assez différentes de celles des tubes à vide. En particulier, il est facile, avant la décharge, d’exciter des potentiels appropriés, mais difficile de modifier cette décharge une fois formée. On peut l’interrompre en supprimant les potentiels appliqués. Encore la recombinaison du plasma en gaz peut-elle demander jusqu’à quelques millisecondes, ce qui interdit la commutation à haute fréquence.

Les propriétés des décharges dépendent considérablement de l’enceinte, de la pression et de la nature du gaz ainsi que des électrodes. Il existe plusieurs régimes de fonctionnement (cf. état GAZEUX, fig. 7). La décharge «luminescente» fournit un courant variant de quelques millièmes d’ampère à dix ampères sous quelques centaines de volts. Elle est utilisée notamment dans les tubes d’éclairage (tubes «fluorescents») et pour l’excitation de certains lasers (hélium-néon). On emploie souvent une cathode chaude qui réduit la tension et augmente le courant (thyratrons, valves à mercure). Le régime d’arc, sous quelques volts, fournit des courants pouvant atteindre des valeurs de l’ordre de 103 A (tubes redresseurs industriels, ignitrons). À part l’émission lumineuse, la propriété la plus utilisée des tubes à gaz est leur changement rapide d’impédance pendant l’amorçage , phénomène qui permet la commutation rapide, sans organes mobiles, de courants très importants. On décrit ci-dessous quelques exemples de tubes à gaz rencontrés en électrotechnique et en électronique.

Diodes à gaz

Diodes à cathode chaude

Une cathode à oxydes émet un courant d’électrons attirés par l’anode, quand celle-ci est positive. La charge d’espace étant annulée par les ions, il ne subsiste qu’une chute de tension au voisinage de la cathode, inférieure au potentiel d’ionisation du gaz. Le gaz ionisé entoure totalement la cathode; toute la surface cathodique contribue à l’émission, quelle que soit sa forme géométrique. Les gaz de remplissage sont soit la vapeur de mercure (faible chute de tension), soit les gaz rares (pression indépendante de la température), soit l’hydrogène, réservé aux fréquences élevées supérieures à 1 kHz. On réalise ainsi des redresseurs qui, par rapport à des tubes à vide de même taille, supportent des courants plus élevés et ont un meilleur rendement.

Redresseurs à cathode de mercure

Les redresseurs à cathode de mercure fonctionnent en régime d’arc entre une anode métallique froide et une cathode formée par un bain de mercure liquide, dans une enceinte en verre ou en acier. L’émission électronique est concentrée dans une tache très chaude, où le courant est de l’ordre de 4 000 A/cm2. Le mercure vaporisé entretient l’ionisation et se recondense sur la paroi du tube. On peut redresser ainsi des puissances très importantes. À titre d’exemple, les redresseurs utilisés pour alimenter des lignes de transport d’énergie électrique à grande distance, en courant continu, supportent des tensions de 100 kV et plus, et des courants de 1 000 A par anode. Les chutes de tension sont de l’ordre de 50 V (fig. 9).

Une condition essentielle au bon fonctionnement de tous ces redresseurs est d’empêcher les «arcs inverses», c’est-à-dire des décharges qui rendraient le tube conducteur pendant les alternances négatives. L’anode ne doit donc pas émettre d’électrons soit par émission thermoélectronique, d’où nécessité de refroidir convenablement la région anodique, soit par bombardement par les ions positifs: le gaz ionisé formé dans les périodes de conduction doit être recombiné avant que la tension inverse ne soit trop forte. Ces tubes sont donc limités aux fréquences industrielles.

Le thyratron

Le thyratron est une triode à gaz à cathode chaude dont l’électrode de commande (ou grille) isole, en l’absence d’ionisation, l’anode de la cathode. Les pressions et les distances sont telles qu’une décharge ne peut se produire que si la grille est suffisamment positive pour accélérer des électrons de la cathode vers l’anode et procéder ainsi à l’amorçage du tube: une fois que le plasma est formé, la grille n’agit plus à cause de l’effet d’écran (cf. PLASMAS, chap. 1).

Les caractéristiques d’un thyratron à fort courant sont données dans le tableau 1.

La durée de vie est limitée par la détérioration de la cathode, bombardée par des ions de grande énergie pendant la formation de la décharge.

Dans un radar, le thyratron sert à déclencher et à conduire l’impulsion de courant nécessaire au générateur d’ondes hyperfréquences (le magnétron, par exemple). La figure 10 montre le circuit pour les deux états différents du thyratron: non conducteur et conducteur. La charge des capacités C par l’alimentation 5 kV est un processus lent (face=F0019 力 10-3 s) contrôlé par la self L1. Celle-ci résonne avec les capacités C qui sont portées à une tension double. Le thyratron n’est pas conducteur. La décharge est commandée brusquement (face=F0019 力 10-8 s) en rendant le thyratron conducteur. Les plaques supérieures des capacités sont amenées à un potentiel très bas, ce qui fait apparaître la haute tension aux bornes du primaire du transformateur (changée de signe et divisée par 2). Les capacités se déchargent en un temps contrôlé par les selfs L (face=F0019 力 10-6 s), et fournissent un courant constant, disons 200 A, dans le circuit fermé par le thyratron. La puissance commandée est ici de 5 憐 103 V 憐 2 憐 102 A = 106 W.

Ignitrons

Les ignitrons sont des redresseurs à cathodes liquides de mercure dans lesquels une électrode supplémentaire, appelée «igniteur», en matériau réfractaire de mauvaise conductivité (carbure de bore), plonge dans le bain de mercure (fig. 11 a). Lorsqu’on applique une impulsion positive, d’une centaine de volts, entre igniteur et bain de mercure, il se forme une tache cathodique au contact igniteur-mercure. Cet arc est repris par l’anode et se maintient tant que celle-ci reste positive. On peut aussi contrôler l’intensité moyenne du courant redressé en appliquant sur l’igniteur des impulsions décalées d’un retard variable t par rapport au début de l’alternance positive (fig. 11 b). Les ignitrons sont très simples et très robustes; ils sont utilisés pour le redressement et le contrôle de courants forts à partir de tensions alternatives: régulation de machines tournantes (locomotives), soudage électrique.

Éclateurs

Les éclateurs sont des tubes à trois électrodes métalliques froides maintenues à haute pression (fig. 12), voisine de la pression atmosphérique. La tension appliquée entre anode et cathode est inférieure au potentiel disruptif. Si l’on applique une impulsion de tension entre la cathode et la troisième électrode (gâchette), il se forme une étincelle qui est reprise par l’anode. Les éclateurs sont surtout employés pour la commutation très rapide (temps de montée de l’impulsion pouvant atteindre quelque 10-9 s) de courants intenses (dizaines de kiloampères): chambres à étincelles, modulateurs à radar rapides, cellules de Kerr, générateurs de Marx, etc.

Tubes T.R. et A.T.R.

Les tubes T.R. et A.T.R. (de l’anglais transmitting-receiving et anti-T.R. ) sont des cellules qu’on dispose à l’intérieur des guides d’ondes [cf. LIGNES DE TRANSMISSION] ou encore des tronçons de guides symétriques terminés à chaque bout par une fenêtre en verre (fig. 13), remplie de gaz (argon à une pression de l’ordre de 1 000 Pa). Un champ électrique de haute fréquence, supérieur au champ disruptif, provoque l’ionisation du gaz. La cellule devient alors un court-circuit qui ne transmet qu’une très faible partie de la puissance (face=F0019 麗 10-3). En revanche, les champs haute fréquence de basse puissance n’ionisent pas le gaz et sont transmis.

Ces tubes permettent de connecter l’antenne d’un radar soit au générateur hyperfréquence pendant l’impulsion d’émission (face=F0019 力 10-6 s ou plus), soit au récepteur pendant l’intervalle précédant l’impulsion suivante (face=F0019 力 10-3 s). Dans le circuit hyperfréquence et l’antenne, les tubes T.R. et A.T.R. utilisent la propriété suivante: une section de guide d’ondes d’un quart de longueur d’onde se comporte comme un circuit ouvert si elle est terminée par un court-circuit, et réciproquement. À la réception, en l’absence d’ionisation, les signaux sont faibles et sont transmis de l’antenne au récepteur. À l’émission, les cellules T.R. et A.T.R. deviennent conductrices: la puissance élevée de l’émetteur est transmise à l’antenne (fig. 13).

Pendant le temps de recombinaison, par exemple 3 憐 10-6 s, le récepteur est «aveugle», et le signal émis parcourt 900 m, aller et retour. La portée minimale du radar sera donc de 450 m. Il faut donc diminuer le plus possible le temps de désionisation: on ajoute pour cela des gaz électronégatifs (H2O, Cl2, 2) qui «s’attachent» les électrons libres. De plus, afin de réduire le temps d’amorçage, les tubes peuvent comporter une électrode qui entretient une décharge de très petite intensité.

4. Tubes photosensibles

Un tube photosensible est un dispositif qui permet de détecter et de mesurer un flux de photons par l’intermédiaire d’électrons se déplaçant dans le vide ou dans un gaz sous faible pression. Suivant les applications considérées, les tubes photosensibles prennent les formes les plus variées et font appel à des principes physiques divers. On peut cependant les diviser en deux grands groupes. Le premier est celui des systèmes qui détectent un flux de photons pris comme un tout, sans en analyser la distribution spatiale en densité: c’est le groupe des cellules photoélectriques à vide et à gaz, des photomultiplicateurs et des compteurs de photons. L’élément photosensible est toujours un émetteur d’électrons, c’est-à-dire que les photons provoquent, lors de leur absorption par la matière (photocathode), un départ d’électrons hors de celle-ci. Le second groupe est celui des systèmes qui fournissent des indications précises sur la distribution spatiale des photons dans le faisceau de lumière, c’est-à-dire qui permettent l’analyse de l’image. Ce groupe doit lui-même être divisé en deux sous-groupes, dont l’un comprend les amplificateurs de luminance, les obturateurs électroniques et les caméras électroniques, caractérisés par la détection simultanée de tous les éléments de l’image; l’autre rassemble les tubes de prise de vue dont la propriété spécifique est la détection séquentielle des éléments de l’image. Dans le premier sous-groupe, l’élément sensible est en général une photocathode ; dans le second, c’est soit une photocathode, soit un photoconducteur, soit encore un élément photovoltaïque, et l’utilisation d’un faisceau d’électrons auxiliaire, qui permet l’intégration de l’information dans le temps, y est le plus souvent indispensable.

Comme tous les tubes photosensibles exigent un vide élevé ou éventuellement un gaz sous faible pression, ces dispositifs comportent toujours une enveloppe dont une partie, la fenêtre, doit nécessairement être transparente au rayonnement photonique. Les longueurs d’onde les plus usuelles s’étendent de l’ultraviolet lointain (10-7 m) à l’infrarouge lointain (10-4 m). Le tableau 2 donne une liste abrégée des principaux corps pouvant servir de fenêtre et des longueurs d’onde limites d’utilisation exprimées en micromètres, ces dernières étant mesurées sur une épaisseur de 2 mm pour une transparence de 10 p. 100.

Éléments photosensibles

Suivant les applications, deux types principaux d’éléments photosensibles sont utilisés: les photoémetteurs et les photoconducteurs.

Photoémetteurs

Un photoémetteur est appelé photocathode , l’absorption de photons provoquant l’émission d’électrons. Une photocathode peut être épaisse (électrons et photons respectivement émis et absorbés du même côté) ou mince et semi-transparente (électrons et photons de part et d’autre). Le nombre des électrons émis étant proportionnel au nombre des photons incidents, on définit la réponse spectrale (fig. 14) par une courbe donnant en pourcentage du maximum le nombre des électrons émis en fonction du nombre de photons incidents pour chaque longueur d’onde. On définit donc aussi la courbe du rendement quantique en fonction de la longueur d’onde. Pour des raisons de commodité, on caractérise en général une photocathode par la longueur d’onde du maximum d’émission, et la valeur du courant en milliampères par watt incident pour une bande spectrale choisie autour d’une longueur d’onde donnée. Pour les photocathodes fonctionnant dans le domaine visible, on donne le courant en microampères par lumen incident. Dans l’obscurité, une photocathode délivre un petit courant, souvent d’origine thermique, appelé courant d’obscurité et exprimé en ampères par centimètre carré. La plupart des corps sont utilisables comme photocathode; cependant, les applications industrielles ne font appel qu’à un nombre restreint de ceux-ci, que l’on peut réunir en deux groupes, dont l’un concerne les photocathodes répondant dans le visible et le proche infrarouge, et l’autre les photocathodes répondant dans l’ultraviolet.

Les photocathodes les plus répandues ont fait l’objet d’une classification (tabl. 3) de la part de l’E.I.A. (Electronic Industries Association, États-Unis).

La photocathode S-1 est dite au césium sur argent oxydé (Ag-O-Cs); la S-11 à l’antimoine-césium (Cs3-Sb); la S-20, trialcaline (Cs-Na-K-Sb); la S-25 est une S-20 avec extension de la sensibilité dans le rouge; la S-24, dialcaline (Cs-K-Sb), est caractérisée par un courant d’obscurité extrêmement faible. Non encore insérées dans une classification sont les photocathodes dites à affinité électronique négative, obtenues à partir d’un traitement par le césium et l’oxygène de composés semiconducteurs III-V, par exemple l’arséniure de gallium (GaAs), l’arséniophosphure de gallium (GaPx As(1-x )), qui, dans le visible, présentent une sensibilité qui peut atteindre plus de 1 000 猪A/lumen (cf. SEMICONDUCTEURS, chap. 1).

Dans l’ultraviolet, avec fenêtre appropriée ou même sans fenêtre, les photocathodes les plus courantes (c’est-à-dire ayant un rendement quantique suffisant) sont, entre 0,2 et 0,35 猪m, les photocathodes constituées soit de tellurure de rubidium Rb2Te (c’est le cas de la S-23), soit de tellurure de césium Cs2Te, qui ne répondent pas dans le visible (solar blind ), et, entre 0,105 et 0,2 猪m, celles à base d’halogénures alcalins (CsI, CsBr, NaI) et d’iodure de cuivre CuI; en dessous de 0,105 猪m (sans fenêtre), les halogénures alcalins sont utilisés.

Photoconducteurs

Dans un photoconducteur, les photons absorbés créent des paires électrons-trous qui contribuent au passage du courant sans qu’il y ait sortie des électrons hors de la matière. Le rendement quantique maximal est en général très voisin de 1. Dans les tubes photosensibles, les photoconducteurs sont sous forme de couche mince de quelques micromètres d’épaisseur; les plus utilisés sont le sélénium, le trisulfure d’antimoine, l’oxyde de plomb et des matrices de diodes n-p sur silicium pour le visible et le proche infrarouge (jusqu’à 1 猪m), le sulfure de plomb pour l’infrarouge jusqu’à 2,2 猪m et le sélénium pour le proche ultraviolet. La sensibilité d’un photoconducteur n’est donnée que dans les conditions d’emploi (cf. Vidicon ).

Cellules photoélectriques

Cellule à vide

Une cellule photoélectrique à vide comporte, dans une petite ampoule transparente où l’on a réalisé un vide suffisant (de 10-4 à 10-5 Pa), une photocathode et une anode. La photocathode est déposée soit sur l’ampoule (elle est épaisse et travaille par réflexion, ou semi-transparente et travaille par transmission), soit sur une électrode métallique support (elle est alors épaisse). L’anode se présente sous la forme d’un anneau ou d’un grillage faisant face à la photocathode. Une tension allant de quelques volts à 250 V est appliquée entre la cathode et l’anode, et le courant moyen maximal varie de quelques centièmes de microampères à quelques dizaines de microampère suivant les cellules. Le courant d’obscurité est compris entre quelques centièmes et quelques dizaines de nanoampères. Les dimensions et les formes sont des plus diverses. Une cellule est en général associée à un amplificateur et le domaine spectral couvert s’étend de 0,18 à 1,1 猪m.

Cellule à gaz

Dans les cellules à photocathode massive des types S-1 (composés de Ag-O-Cs) et S-4 (à base de Cs-Sb), un gaz neutre est introduit sous une pression d’une dizaine de pascals. Les électrons, par choc sur les molécules et ionisation, créent des électrons secondaires, d’où un effet d’amplification du courant. La tension appliquée est de l’ordre de 90 à 100 V et le facteur d’amplification de 5 à 10. La présence du gaz rend la cellule impropre aux mesures photométriques en raison des instabilités et des non-linéarités dont elle est le siège, et la fréquence de modulation de la lumière ne peut guère dépasser 10 kHz.

Cellule à grande vitesse de réponse

Corrélativement au laser, on a développé des cellules capables de répondre à des impulsions de lumière très brèves et de très grande intensité. La cellule a une structure qui permet de l’insérer dans une ligne coaxiale, l’anode et la cathode de la cellule formant une capacité terminale de la ligne. Les photocathodes les plus utilisées sont des types S-1, S-4, S-20 et S-23. La tension appliquée est de 2 à 4 kV, et la linéarité de réponse est assurée pour des courants moyens pouvant atteindre plusieurs dizaines d’ampères. Le temps de montée est inférieur à la nanoseconde.

Photomultiplicateurs

Quand un électron frappe un matériau avec une énergie suffisante, des électrons dits secondaires sont expulsés de ce matériau; le rapport du nombre des électrons secondaires au nombre des électrons incidents (primaires) est appelé coefficient d’émission secondaire; on le note 嗀. Pour des alliages comme le cuivre-béryllium ou l’argent-magnésium, le maximum de ce coefficient atteint plusieurs unités, et, pour des couches à affinité électronique négative, il atteint plusieurs centaines d’unités. On appelle dynode une électrode à émission secondaire. On conçoit qu’en accélérant les électrons secondaires d’une dynode pour qu’ils agissent en tant qu’électrons primaires pour une dynode suivante on obtienne une amplification: s’il y a n dynodes, le gain total est G = 嗀n .

Si, dans une même enveloppe, sont présentes une photocathode et une chaîne de dynodes, on réalise un photomultiplicateur (cf. effet PHOTOÉLECTRIQUE, fig. 2). L’intérêt de cette amplification par émission secondaire est qu’elle est peu «bruyante» et à large bande (plusieurs centaines de mégahertz).

Les formes de réalisation sont les plus diverses; la photocathode peut être opaque ou semi-transparente, de petites dimensions (quelques millimètres) ou de très grandes dimensions (200 mm); le nombre d’étages varie de 4 à 14 et le gain de quelques dizaines à 108. La tension entre étages va de 150 à 250 V. Avec une structure spéciale, des temps de montée inférieurs à la nanoseconde sont possibles. Les applications sont celles de la mesure des très faibles flux lumineux et des flux lumineux très rapidement variables. Les photomultiplicateurs sont souvent associés à des scintillateurs pour la détection des rayons 見, 廓 et 塚. La mesure du courant de sortie peut se faire soit directement, soit par l’intermédiaire d’un compteur d’impulsions multicanaux à sélection d’amplitude.

Photocompteurs

Un compteur de Geiger-Muller dont la cathode est photoémissive est un moyen de comptage de photons avec des efficacités quantiques dépendant largement de la bande spectrale intéressée; ces efficacités pouvant varier de 20 p. 100 à 10-4 environ. Suivant le type de compteur, l’extinction de la décharge (quenching ) peut se faire automatiquement à l’intérieur du compteur ou par circuits extérieurs abaissant la tension appliquée après chaque apparition de signal.

Les cellules photoélectriques, les photomultiplicateurs et les photocompteurs détectent des flux lumineux sans en analyser la distribution en densité; les dispositifs qu’on va décrire ci-dessous permettent au contraire l’analyse d’images. Dans beaucoup de cas, ils sont associés à une optique qui forme sur le photosenseur une image de l’objet.

Amplificateurs et convertisseurs de luminance

Dans un amplificateur de luminance, les électrons issus des différents points éclairés de la photocathode sont accélérés et focalisés en autant de points images sur une couche cathodoluminescente (c’est-à-dire qui devient lumineuse par bombardement électronique). La lumière émise par unité de surface par le corps cathodoluminescent (phosphor ) est proportionnelle à la densité du courant électronique et à la tension d’accélération des électrons. Si l’efficacité quantique de la photocathode est 兀 et celle du phosphor 見, le gain en photons est:

où V0 est une tension de seuil qui tient compte du ralentissement des électrons dans la couche métallique qu’il faut déposer sur le phosphor pour éviter que son rayonnement arrière n’excite la photocathode, et M le grandissement linéaire relatif à la formation de l’image électronique. La focalisation des électrons de la photocathode sur l’écran cathodoluminescent fait appel aux procédés de l’optique électronique. Le grandissement M varie de 2 à 1/15 et (V 漣 V0) de quelques kilovolts à plus de 30 kV. La résolution peut atteindre 50 à 100 cycles au millimètre. Le terme d’amplificateur de luminance est plus spécialement réservé au cas où la lumière incidente est visible. Quand elle se situe dans le domaine de l’infrarouge ou de l’ultraviolet, on emploie de préférence le terme de convertisseur ou de transformateur d’image.

Les phosphors les plus courants sont le P-11 bleu (sulfure de zinc activé à l’argent), pour lequel 見 est égal à 0,038, et le P-20 jaune-vert (sulfure de zinc et de cadmium activé à l’argent), pour lequel 見 est égal à 0,063. Avec ces valeurs de 見, on prend directement pour V 漣 V0 la tension appliquée. Alors que pour le visible, l’ultraviolet ou l’infrarouge, l’emploi d’optiques permet de limiter le diamètre de la photocathode à quelques centimètres, pour les rayons X (applications médicales), où l’on n’a que des ombres, les diamètres les plus courants sont 16, 22 et 30 cm.

La figure 15 est une coupe d’un intensificateur pour rayons X. Le rayonnement X n’excite pas directement la photocathode mais une couche luminescente sur laquelle elle est déposée. Le gain en lumière par rapport à un écran radioscopique standard peut atteindre 6 000 à 8 000; il est suffisant pour mettre en évidence les fluctuations quantiques.

Dans bien des cas (détection de nuit d’objets éclairés par la lumière résiduelle), les dispositifs précédents ont un gain en photons insuffisant parce que l’œil ne peut identifier des détails que si le niveau de lumière est élevé. Pour accroître le gain, on fait appel à différentes solutions: couplage optique de deux ou trois amplificateurs de luminance simples (dans ce cas, chaque étage est tel que la photocathode et le phosphor sont déposés respectivement sur des galettes de fibres optiques dont les surfaces sont concaves du côté vide et planes du côté air); introduction dans une même enveloppe, entre photocathode et écran, de couches multiplicatrices d’électrons par transmission avec un gain de 3 à 7 par couche (en général cinq couches); introduction d’un multiplicateur d’électrons à microcanaux avec un gain de l’ordre de 104 (cette grande complexité entraîne une chute de résolution jusqu’à 20 cycles par millimètre).

Obturateurs électroniques

L’étude de phénomènes lumineux très rapidement évolutifs impose des prises de vue avec des temps de pose allant de quelques nanosecondes à une fraction de nanoseconde. Des amplificateurs de luminance de structure spéciale permettent d’atteindre des temps de pose aussi brefs. L’amplificateur de luminance à focalisation de proximité, pour lequel photocathode et écran sont plans, parallèles et à faible distance l’un de l’autre, et qui est soumis à des impulsions de tension de 10 à 15 kV durant quelques nanosecondes, constitue un excellent obturateur électronique. Il est également courant, dans un amplificateur de luminance à focalisation électrostatique ou électromagnétique, d’introduire une grille de commande dans le voisinage de la photocathode, grille qui, si l’on agit sur son potentiel, sert de portillon autorisant ou interdisant le passage des électrons; des temps de pose de 10 ns sont ainsi obtenus. Enfin, dans la même enveloppe peuvent être introduits en plus, au voisinage de l’écran, des dispositifs permettant la déflexion des électrons et, par suite, la représentation spatiale de l’évolution dans le temps (streak camera ).

Caméras électroniques

Une caméra électronique a la structure d’un amplificateur de luminance, mais l’image électronique est faite sur une émulsion photographique en lieu et place de l’écran cathodoluminescent.

L’avantage sur la photographie directe est d’abord l’indépendance vis-à-vis de la longueur d’onde, ensuite une sensibilité qui reste grande même avec des émulsions argentiques lentes à grains très fins, et enfin une linéarité sans seuil jusqu’à un courant nul. Dans les meilleures caméras, l’émulsion sensible aux électrons est placée dans le vide et à basse température. Pour avoir un noircissement correspondant à la densité 2, avec des électrons accélérés sous 20 kV, il faut une densité de charge de 10-11 à 10-9 C cm-2, la résolution allant de 100 à 200 cycles par millimètre.

Tous ces dispositifs enregistrent ou présentent simultanément tous les points de l’image ; dans les dispositifs qui vont être décrits, l’image est analysée séquentiellement et l’information est obtenue sous la forme d’un signal électrique en fonction du temps (signal vidéo; cf. TÉLÉVISION).

Dissecteurs d’images

La structure d’un dissecteur d’images est analogue à celle d’un amplificateur de luminance, mais l’écran cathodoluminescent est remplacé par une plaque conductrice percée d’une ouverture dont le diamètre doit être égal à la dimension de l’élément de résolution souhaité, derrière laquelle on place un multiplicateur d’électrons.

Des dispositifs électrostatiques ou électromagnétiques sont prévus pour balayer l’ouverture avec l’image électronique de la photocathode, ce balayage pouvant être du type télévision. Il n’y a pas d’intégration, ce qui limite le rapport signal sur bruit, mais la résolution peut être élevée (de 4 000 à 10 000 points par ligne). Le signal à la sortie du multiplicateur est un signal vidéo qui peut être transmis par radio et visualisé sur un récepteur de télévision.

Tubes de prise de vues

Image-orthicon

L’image-orthicon [cf. TÉLÉVISION] est un tube de prise de vues pour télévision, qui comporte, dans une ampoule vide, trois sections: section image , section balayage , section canon et multiplicateur. Les deux premières sont séparées par la cible, élément vital, qui est constituée d’une feuille de quelques micromètres d’épaisseur d’un verre à conductibilité électronique dont la résistivité est de l’ordre de 5 憐 1010 行.cm.

Tout l’image-orthicon est soumis à un champ magnétique uniforme, axial, permanent, obtenu à l’aide d’un solénoïde. En s’éloignant de la cible côté image, on trouve, à une distance de 50 à 200 猪m, une grille (dite de cible), puis, à plusieurs centimètres, la photocathode. En s’éloignant de la cible côté balayage, on trouve, à environ 1 cm, une grille (dite de champ), puis, à une dizaine de centimètres, un canon à électrons comptant un certain nombre d’électrodes et un multiplicateur d’électrons de forme annulaire. La section balayage comporte, à l’extérieur de l’ampoule, des bobines de déflexion dans deux directions orthogonales et, au voisinage du canon, une bobine dite d’alignement. Le fonctionnement s’explique sommairement de la manière suivante.

Les électrons émis des endroits éclairés de la photocathode sont accélérés et focalisés sur la cible qu’ils frappent avec une vitesse suffisante pour que le coefficient d’émission secondaire soit supérieur à 1, de telle sorte que des charges positives restent sur la cible, le gain étant de l’ordre de 3 à 5, les électrons secondaires étant captés par la grille. En raison de la faible conductibilité de la cible, ces charges sont transposées sur l’autre face. Les électrons sortant de la cathode du canon sont d’abord accélérés et réunis en un faisceau fin, puis décélérés au voisinage de la cible, qui, grâce aux bobines de déflexion, est entièrement balayée par ce faisceau fin comme dans un tube de télévision. Aux endroits où existent des charges positives, les électrons sont captés; aux autres endroits, ils sont réfléchis en plus ou moins grande quantité suivant le niveau, c’est-à-dire l’intensité, des demi-teintes, et retournent dans le voisinage du canon pour aboutir sur la première dynode d’un multiplicateur d’électrons à cinq étages, dont le gain est de l’ordre de 1 000. Le signal de sortie est donc d’autant plus petit qu’il correspond aux points les plus éclairés de la photocathode, ce qui est défavorable, du point de vue du rapport signal sur bruit, aux bas niveaux de lumière. Les réalisations les plus courantes sont: l’image-orthicon de 3 pouces (soit 7,6 cm) et l’image-orthicon de 4,5 pouces (11,4 cm). Chaque point de la cible accumule la lumière pendant le temps qui sépare un balayage du suivant, ce qui donne à l’image-orthicon une grande sensibilité. Par exemple, on peut obtenir un rapport signal sur bruit de 30 dB pour un éclairement de la photocathode de 0,2 lux.

Isocon

L’isocon est une forme modifiée de l’image-orthicon; dans ce tube, le signal de sortie devient proportionnel à l’éclairement: il est donc meilleur aux bas niveaux de lumière, et la transmission d’image devient possible avec des éclairements de la photocathode de l’ordre de 10-4 lux.

Vidicon

Le vidicon [cf. TÉLÉVISION] est un tube de prise de vues utilisant la photoconduction. Il comprend, dans une ampoule où règne un vide de l’ordre de 10-5 Pa une cible photoconductrice de 5 à 6 猪m d’épaisseur déposée sur une plaque conductrice transparente (verre + oxyde d’étain), un canon à électrons constitué d’une cathode, d’une électrode de Wehnelt et de trois électrodes accélératrices, la dernière se terminant par une grille faisant face à la cible. L’ensemble est noyé dans un champ magnétique, axial, uniforme, permanent, et des bobines de déflexion dans deux directions orthogonales sont prévues à l’extérieur de l’ampoule. Le canon à électrons fournit un faisceau fin d’abord accéléré jusqu’à la grille sous quelques centaines de volts, puis décéléré jusqu’à la cible dont le dos conducteur est porté à quelques dizaines de volts (face=F0019 麗 30 volts). La cible peut être considérée comme un circuit comportant une capacité shuntée par une résistance. Quand le faisceau d’électrons lents balaye la cible, une couche uniforme de charges négatives amène la face libre du photoconducteur au potentiel de la cathode tant que la cible n’est pas éclairée; lorsque la capacité est chargée, les électrons cessent d’arriver. Si une zone de la cible est éclairée, elle devient conductrice, la capacité se décharge et la face libre correspondante devient positive. Quand le faisceau d’électrons balaye cette zone, on enregistre un courant de recharge de la capacité, ce qui constitue le signal vidéo.

Les vidicons les plus courants ont un diamètre allant de 1/2 à 2 pouces (de 1,27 à 5,06 cm). Les photoconducteurs amorphes les plus usuels sont le sulfure d’antimoine, l’oxyde de plomb, le sulfure de plomb et le sélénium. Par ailleurs sont utilisées comme photoconducteurs des matrices de photodiodes créées par diffusion localisée dans un monocristal de silicium, chaque diode ayant un diamètre de 8 猪m pour un pas de 13 猪m. Ces diodes sont polarisées en sens inverse, c’est-à-dire que leur côté p est du côté de l’arrivée des électrons.

La figure 16 donne la réponse spectrale absolue de quelques vidicons. La résolution atteint 50 cycles par millimètre.

Ébicon et S.E.C. vidicon

L’ébicon et le S.E.C. vidicon ne diffèrent entre eux que par la structure de la cible. Ils comportent une photocathode, une cible et un canon à électrons identique à celui d’un vidicon. Les électrons issus de la photocathode sont accélérés sous quelques kilovolts et focalisés sur la cible, laquelle est balayée sur son autre face par le faisceau fin d’électrons lents. Dans l’ébicon (Electron Beam Induced Conductivity ), la cible est faite d’un diélectrique, comme le sulfure de zinc, ou d’une matrice de diodes polarisées en sens inverse, les électrons rapides incidents la pénétrant en y créant des paires électrons-trous déplacées par le champ appliqué.

Dans le S.E.C. vidicon (Secondary Electron Conduction ), la cible est une couche diélectrique poreuse d’un halogénure alcalin (KCI) qui, sous l’action des électrons incidents, émet un nombre accru d’électrons secondaires abandonnant sur la cible des charges positives «lues» par le faisceau d’électrons.

Association amplificateur de luminance et tube de prise de vues

La prise de vues en pleine nuit (de 10-4 à 10-6 lux) reste possible en associant par couplage au moyen de fibres optiques un ou plusieurs étages d’amplification de luminance avec un tube de prise de vues de télévision de bonne sensibilité.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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