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en cherchant des infos sur les armes acoustique, je suis tombé sur les tubes MILO et VIRCATOR. Qq1 sait de quoi il s'agit?

GENERATEUR D'ONDES HYPERFREQUENCES A CATHODE VIRTUELLE La présente invention a pour objet un générateur d'ondes hyperfréquences de très grande puissance utilisant le phénomène de cathode virtuelle.

Il est connu, pour générer des grandes puissances instantanées en hyperfréquences, d'utiliser des tubes électroniques appelés vircators. Les vircators sont des tubes électroniques oscillateurs de très grande puissance qui mettent en oeuvre des faisceaux d'électrons très intenses capables de former une cathode virtuelle.

Dans un faisceau d'électrons, circulant dans un tube ou une enceinte essentiellement métallique, il se crée un creux de potentiel, à savoir que les électrons n'ont pas tout à fait la vitesse qui correspond à leur accélération initiale et particulièrement pour les électrons du centre du faisceau. Lorsque l'intensité du faisceau devient importante, le creux de potentiel au centre finit par tre tel qu'il n'autorise plus la circulation d'électrons et le faisceau devient creux. Pour une intensité I encore plus grande, supérieure à un certain courant critique (ISIc), mme les électrons du bord ne circulent plus, ils rebroussent chemin et on appelle cathode virtuelle l'accumulation d'électrons, qui se produit à l'endroit du rebroussement.

La cathode virtuelle est instable, en effet, l'amplitude de son creux de potentiel et sa position oscillent, ce qui entraîne une variation périodique du nombre d'électrons réfléchis ou transmis.

Un dispositif tel que le vircator permet de créer des champs électromagnétiques avec des puissances hyperfréquences élevées et sous un volume réduit.

La figure 1a montre un dessin en coupe d'un vircator 10 de l'état de l'art. Dans le vircator 10 un faisceau très court d'électrons 12 est émis dans une enceinte 14 de forme cylindrique, généralement, par l'émission de champ d'une cathode froide 16 (pointes, velours, surface plane...), l'anode étant une très mince feuille métallique 18 ou une grille métallique.

Les électrons extraits de la cathode par le potentiel existant entre l'anode et la cathode traversent en grande partie cette feuille métallique 18, ou cette grille, et forment très vite derrière, une cathode virtuelle 20, d'autant plus facilement que l'enceinte 14 est un peu plus large à cet endroit. Un certain nombre d'électrons opèrent un va et vient entre la cathode réelle 16 et la cathode virtuelle 20 sous forme d'oscillation hyperfréquences. Cette oscillation donne naissance à un rayonnement électro-magnétique, sur un des modes définis par la géométrie de l'ensemble des éléments constituant le vircator.

Une autre source de rayonnement, mais semble-t-il, plus modeste réside dans le déplacement ou la vibration de la cathode virtuelle 20 elle- mme.

La figure 1 b montre une vue en coupe du vircator 10 dans un plan perpendiculaire à l'axe ZZ'de révolution de l'enceinte cylindrique 14 et la figure 1 c une représentation de la variation du champ E dans l'enceinte dans un plan passant par l'axe ZZ'de l'enceinte. Dans cet exemple de. réalisation du vircator de la figure 1 a, le mode de résonance est tel que le champ E dans l'enceinte passe par un premier maximum m1, nous dirons par la suite qu'il présente un premier extréma m1, selon l'axe ZZ'de l'enceinte 14 et un autre extréma m2 de sens opposé au premier, de forme circulaire autour du premier extréma.

Les ordres de grandeur des énergies mis en jeu dans un vircator sont les suivantes : Tension cathode, Vk = 700 kV Courant cathode, Ik = 30 kA Puissance de sortie, Psortie = 600 MW Largeur d'impulsion Pt d'émission, r = 60 ns Rendement = 2,8 %.

Comme certains besoins (brouillage de l'espace aérien) nécessitent des puissances plus importantes, la première idée est alors d'augmenter la puissance faisceau Vk x Ik. Mais toute augmentation de tension augmente la probabilité d'arc le long des isolants et dans le tube, à moins de fonctionner avec des impulsions T plus courtes. Il en résulte alors que si la puissance augmente, T diminue, et l'énergie de l'impulsion Pt n'augmente que très peu.

La deuxième idée est d'augmenter le rendement du vircator. On parvient effectivement, grâce au vircator à contre-réaction (VCR), à doubler les rendements et donc la puissance.

La figure 2, représente un dessin de principe d'un générateur d'ondes hyperfréquence à contre-réaction et à cathode virtuelle 30 de l'art antérieur ou vircator à contre-réaction 30 (VCR) ; Le vircator à contre-réaction 30 comporte une cavité résonnante 32 de faible hauteur couplée à un guide d'onde 34. Une cathode 36 du canon à électrons 38 du vircator, injecte un faisceau d'électrons de forte intensité à travers une première grille 40 dans la cavité résonante 32 puis à travers une deuxième grille 42 dans le guide d'onde 34. La hauteur du guide d'onde 34 est suffisante pour que, lorsque le courant cathode Ik est supérieur à une valeur critique Ikc, il se crée une cathode virtuelle dans le guide qui repousse les électrons incidents dont les mouvements d'aller et retour génèrent des ondes hyperfréquences. Le signal généré dans le guide 34 excite la cavité résonnante 32, et les champs hyperfréquence dans la cavité créent une modulation d'énergie du faisceau, et donc un groupement en paquets du faisceau. L'oscillateur ainsi réalisé est un vircator à contre-réaction. II existe une valeur de déphasage entre les champs dans la cavité résonnante et les champs dans le guide qui optimise le rendement.

Mais, dans certains cas, les puissances hyperfréquences ainsi obtenues ne sont pas encore suffisantes et la présente invention propose un moyen pour encore les accroître, tout en conservant les durées d'impulsion , voire en les élargissant.

Bien entendu, pour ce faire, il n'est pas question d'augmenter la haute tension Vk, en raison des arcs et claquages intempestifs qui raccourciraient T et endommageraient le tube. La littérature scientifique est relativement abondante sur ces phénomènes de « pulse shortening ».

Si Vk ne peut tre accru, il reste à augmenter Ik. Pour ce faire : - on peut rapprocher l'anode et extraire plus de courant ; mais, comme la fréquence varie schématiquement de façon inversement proportionnelle à la distance dKG entre cathode et anode, la fréquence de fonctionnement est plus élevée et, de toute façon, différente. Cette solution ne répond pas au problème posé, d'autant plus que, de façon générale, la puissance décroît avec la fréquence (volumes résonnants plus compacts) et que la fermeture de l'espace entre cathode et anode, distantes de dkG, par le plasma émis à la fois par l'anode et la cathode se produit plus tôt, entraînant une réduction de largeur T de l'impulsion.

- on peut aussi augmenter la surface de la cathode. Mais précisons que les électrons effectuant le va et vient entre la cathode réelle et la cathode virtuelle ne rayonnent que s'ils se trouvent dans un maximum extréma), ou au voisinage du maximum, de la composante électrique E du champ électromagnétique d'un mode de résonance de l'espace cathode/anode. On ne peut donc augmenter indéfiniment cette surface et, généralement, elle est déjà, en ce sens, optimisée.

Afin d'accroître la puissance d'émission d'un vircator tout en conservant les durées d'impulsion T, voire en les élargissant, l'invention propose un générateur d'ondes hyperfréquences comportant un dispositif d'émission susceptible de produire des électrons dans un circuit hyperfréquence de sortie, la quantité d'électrons émise étant suffisante pour provoquer une variation régulière de la densité d'électrons dans le circuit hyperfréquence de sortie, le circuit réalisant la transformation de l'énergie cinétique des électrons en énergie hyperfréquence selon un mode de résonance, caractérisé en ce que le dispositif d'émission d'électrons émet les électrons dans plusieurs régions du circuit hyperfréquences présentant des extrémas de champs du mode de résonance.

Le dispositif d'émission est un canon à électrons comportant plusieurs cathodes, de façon à produire plusieurs faisceaux d'électrons et selon une principale caractéristique de l'invention, chacun des faisceaux étant émis dans une région d'extrma de champs du mode de résonance du circuit hyperfréquences.

Un premier objet de cette invention est d'augmenter la puissance impulsionnelle d'émission hyperfréquence du vircator sans augmenter les courants de cathode ou les tensions d'anode.

Un deuxième objet de cette invention est d'augmenter l'efficacité de la transformation de l'énergie des électrons en énergie électromagnétique impuisionnelle nécessaire dans certaines applications.

Un troisième objet de cette invention est d'augmenter la durée de l'impulsion électromagnétique pour la rapprocher de la durée de l'impulsion de tension cathode/grille (ou anode).

Dans une première réalisation du générateur, le circuit hyperfréquence de sortie comporte une enceinte ayant une fentre d'entrée d'électrons émis par les cathodes et une fentre d'émission des ondes hyperfréquences produites par les variations de la densité des électrons dans les régions d'extréma du champ électromagnétique dans l'enceinte.

Cette structure est basée sur celle un « vircator classique ».

Dans une autre réalisation du générateur d'ondes assurant un rendement important, le circuit hyperfréquences comporte, du côté du dispositif d'émission, un guide d'excitation suivi d'une cavité résonante de sortie. Le signal généré dans le guide, excitant la cavité résonante, crée une modulation d'énergie du faisceau d'électrons. Cette autre structure est basée sur celle d'un « vircator à contre-réaction » (VCR).

L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisations de générateurs d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1a, 1b, déjà décrites, représentent deux vues en coupe d'un générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle (ou vircator) de l'art antérieur ; - la figure 1 c déjà décrite représente les champs électromagnétiques dans un plan passant par l'axe de révolution de la cavité du générateur d'ondes de la figure 1 a ; - la figure 2, déjà décrite, représente un dessin de principe d'un générateur d'ondes hyperfréquence à contre-réaction et à cathode virtuelle de l'art antérieur (VCR) ; - la figure 3a montre un VCR multifaisceaux, selon l'invention ; - la figure 3b montre une vue de face du vircator de la figure 3a selon l'invention ; - la figure 3c montre la répartition du champ électrique dans le circuit hyperfréquence du vircator de la figure 3b ; - la figure 4a montre un exemple de réalisation d'un vircator de type classique, selon l'invention, à six faisceaux d'électrons ; - la figure 4b montre les lignes de champs magnétiques H et électriques E du vircator de la figure 4a ; - la figure 4c montre la variation dans un plan du champ électrique E dans l'enceinte du vircator de la figure 4a ; - la figure 4d montre une vue de face du canon à électrons du vircator de la figure 4a ; - les figures 4e et 4f montrent des grilles du vircator de la figure 4a ; - la figure 5a montre un exemple de réalisation d'un vircator classique selon l'invention à cinq faisceaux d'électrons ; - la figure 5b montre les lignes de champs magnétiques H et électriques E du vircator de la figure 5a ; - la figure 5c montre la variation dans un plan du champ E dans l'enceinte du vircator de la figure 5a ; - la figure 5d montre une vue de face du canon à électrons du vircator de la figure 5a ; - la figure 6a montre un exemple de variation de l'impulsion de tension Vk en fonction du temps d'un vircator ; - les figures 6b, 6c et 6d montrent les respectives puissances hyperfréquences fournies dans le temps par trois cathodes d'un vircator selon l'invention ; - les figures 7a et 7b montrent deux réalisations du vircator multifaisceaux selon l'invention comportant des distances cathodes/grille différentes.

Dans le vircator de l'art antérieur de la figure 2, le tube comporte une cavité résonante 32 en guide rectangulaire de faible hauteur (environ 1/6 de la largeur) et de longueur égale à 3AJ2 (k étant la longueur d'onde de l'oscillation dans le vircator). Le faisceau d'électrons passe au centre de la cavité sur un ventre de champ électrique. On n'utilise donc que le tiers de la capacité de la cavité à moduler le faisceau. La solution proposée selon une principale caractéristique de l'invention, consiste à faire passer un faisceau d'électrons dans chaque ventre de champ électrique de la cavité. On peut parler de vircator multifaisceaux (VMF).

La figure 3a montre un VCR multifaisceaux 60, suivant l'idée développée ci-dessus. Le VCR multifaisceaux 60 comporte un canon haute tension 62 comportant trois cathodes Ca1, Ca2, Ca3 de formes cylindriques dont les axes de révolution sont situés sur un mme plan P.

Comme dans le VCR 30 de l'art antérieur de la figure 2 le VCR multifaisceaux selon l'invention comporte un guide d'excitation 64 couplé à une cavité résonnante 66 à travers un passage 68 entre le guide et la cavité.

Chacun des faisceaux d'électrons Fa1, Fa2 et Fa3 issus des cathodes Ca1, Ca2, Ca3 passent respectivement dans un des extrémas Exa1, Exa2, Exa3 de champ électrique existant dans le guide et la cavité résonnante.

Le guide d'excitation 64 est délimité par une première grille 70 du coté du canon haute tension 62 et par une deuxième grille 72 du côté de la cavité. Le guide d'excitation 64 résonne en 5ka2, ainsi que la cavité de sortie (on pourrait fonctionner aussi avec une résonance en 3X/2). Les champs électriques dans le guide d'excitation Eg et dans la cavité résonnante Ec présentent, dans cet exemple de mode de résonance, un extréma le long d'un axe YY'du canon dans le sens d'émission des électrons et un deuxième extrema de forme circulaire au tour de cet axe. Sur la figure 3a sont représentés en pointillé les variations des champs Eg et Ec sur le plan P des cathodes Ca1, Ca2 et Ca3 passant par l'axe YY'du canon.

Le faisceau Fa2 central excite le champ dans l'axe YY'du tube en opposition de phase avec les deux faisceaux adjacents Fa1 et Fa3. Mais il s'agit du fonctionnement normal d'un tube multifaisceaux, ce qui compte étant donné la cohérence de phase de l'ensemble des deux circuits résonnants.

La figure 3b montre une vue de face du vircator de la figure 3a selon l'invention montrant la position des cathodes dans le plan P passant par l'axe de faisceau F2 central et la figure 3c une répartition des champs électrique dans le guide et dans la cavité en vue de face.

La figure 3a montre bien plusieurs cathodes alimentées en parallèle par l'arrière une seule anode avec plusieurs passages « grillagés » face aux cathodes et les extrémas Exa1, Exa2, Eax3 de champs électriques E dans l'enceinte.

A noter que l'anode 70 peut tre « grillagée » sur toute sa surface, l'essentiel étant que la grille ainsi constituée ne laisse pas passer la HF générée dans l'enceinte.

Mais cette idée de plusieurs faisceaux d'électrons dans les extrémas de champs peut très bien s'appliquer à un vircator conventionnel comportant une enceinte de sortie. Dans ce cas, la notion de résonance est surtout appliquée à l'espace « Anode/ou grille)-cathode virtuelle », c'est-à- dire à l'enceinte de sortie.

La figure 4a montre un exemple de réalisation d'un vircator 80 classique à six faisceaux d'électrons fonctionnant sur un mode de résonance de type TM310.

Le vircator 80 comporte un canon à électrons 82 et une enceinte 84 séparée du canon par une anode grillagée 86. Le canon comporte six cathodes Cb1, Cb2, Cb3, Cb4, Cb5, Cb6 distribuées régulièrement autour d'un axe de révolution W'de l'enceinte 84 de forme cylindrique selon un pas angulaire de 60 degrés et à égale distance de l'axe W'de l'enceinte.

La figure 4b montre les lignes de champs magnétiques H et électriques E pour le mode TM310, dans un plan perpendiculaire à l'axe W'.

Les champs E présentent des extremas Exb1, Exb2, Exb3, Exb4, Exb5 et Exb6 changeant de signe à chaque décalage angulaire de 60 degrés autour de l'axe W'. Notez que les deux sens (ou signes) des champs sont représentés respectivement par une croix et par un point dans un rond.

La figure 4c montre la variation du champ E dans l'enceinte, dans un plan Pb passant d'une part par son axe de révolution W'et, d'autre part, par les axes de deux cathodes Cb1 et Cb4 situées de part et d'autre de cet axe W'de révolution. Dans ce plan Pb apparaissent deux extrémas Exb1 et Exb4 de signe opposé de part et d'autre de l'axe de révolution W'et cette configuration de champs se répète en chargeant de signe tous les 60 degrés correspondant au décalage angulaire a entre les cathodes.

Chaque faisceau d'électrons d'intensité suffisante, issu de chacune des cathodes Cb1 à Cb6, produit une cathode virtuelle dans l'enceinte. La figure 4a montre les deux cathodes virtuelles Cvb1 et Cvb2 produites respectivement par les faisceaux issus des cathodes Cb1 et Cb2.

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La figure 4d montre une vue de face du canon 82 à électrons comportant les six cathodes autour de l'axe W'.

L'anode grillagée 86 peut tre constituée soit, telle que représentée à la figure 4e, par une plaque 88 comportant un grillage Gb1, Gb2, Gb3, Gb4, Gb5 et Gb6 circulaire, par cathode, chaque grillage faisant face à sa respective cathode soit, telle que représentée à la figure 4f, par un grillage circulaire unique 90 pour l'ensemble des cathodes.

La figure 5a montre un autre exemple de réalisation d'un vircator 100 de type classique fonctionnant sur un mode de résonance de type TM020.

Le vircator 100 comporte un canon à électrons 102 et une enceinte 104 de forme cylindrique séparée du canon par une anode grillagée 106. Le canon comporte cinq cathodes, une cathode centrale Cc1 dans l'axe W'de l'enceinte et quatre cathodes Cc2 Cc3, Cc4 et Cc5 disposées à égale distance de la cathode centrale Cc1 selon un pas angulaire a de 90 degrés.

La figure 5b montre les lignes de champs magnétiques H et électriques E pour le mode TM020 dans un plan perpendiculaire à l'axe W'.

Les champs électriques E présentent un extréma central Exc1 dans l'axe W de l'enceinte et un extréma annulaire, constant suivant une circonférence et de signe opposé.

La figure 5c montre la variation du champ E dans l'enceinte, dans un plan Pc passant d'une part par son axe de révolution W'et, d'autre part, par les axes de deux cathodes Cc1 et Cc4 situées de part et d'autre de la cathode centrale Cc1. Dans ce plan Pc deux extrémas Exc2 et Exc4 de mme signe apparaissent de part et d'autre de l'extrema central Exc1 de signe opposé.

Comme dans les réalisations précédentes, chaque faisceau d'électrons d'intensité suffisante, issu de chacune des cathodes Cc1 à Cc5, produit une cathode virtuelle dans l'enceinte. La figure 5a montre trois des cinq cathodes virtuelles une cathode virtuelle centrale Cvc1 et deux cathodes virtuelles Cvc2 et Cvc4 produites respectivement par les faisceaux issus de la cathode centrale Cc1 et de deux cathodes Cc2 et Cc4 situées dans le mme plan Pc.

Comme pour la réalisation de la figure 4a, l'anode grillagée 106 peut tre constituée soit, par une plaque comportant un grillage circulaire par cathode, chaque grillage faisant face à sa respective cathode, soit par un grillage circulaire unique pour l'ensemble des cathodes.

Toujours est-il que les variations de tension de cathode Vk inhérentes à ces grosses machines que sont les ensembles : modulateur (Vk. lk) + vircator (oscillateur hyperfréquences) + antenne (rayonnement hyperfréquence), font que la fréquence d'oscillation des électrons ne correspond pas à la fréquence de résonance FÔ du mode voulu de l'enceinte sur toute la largeur d'impulsion de tension. II en résulte que le rayonnement électromagnétique ne peut se produire pendant toute l'impulsion de tension. L'impulsion hyperfréquence est donc singulièrement plus courte que celle de tension de cathode Vk.

En effet, la fréquence de fonctionnement, c'est-à-dire des oscillations des électrons ou de celles de la cathode virtuelle dépend énormément de la haute tension Vk appliquée entre cathode et grille (ou anode). Quand la tension de cathode Vk augmente, la fréquence d'oscillation dans l'enceinte du vircator augmente suivant v avec a %.

La figure 6a montre un exemple de variation de l'impulsion de tension Vk en fonction du temps t. L'impulsion de tension commence au temps tO et se termine au temps tf. La tension Vk passe par des valeurs respectives Vkr, Vk2, Vk3 lors de périodes de temps successives de tO à t1, de t1 à t2 et de t2 à tf.

Selon une autre caractéristique du vircator multifaisceaux selon l'invention, les distances entre la grille (ou anode) et les cathodes du canon électronique varient en fonction de la cathode considérée de façon à compenser les variations de la fréquence d'oscillation du vircator dues aux variations de la tension de cathode au cours de l'impulsion de tension Vk.

Ainsi une variation dans un sens de la tension Vk se traduirait par une émission d'électrons par au moins une des cathodes du canon dont la distance à la grille serait telle que l'oscillation se produirait à la fréquence de résonance souhaitée F0. Par exemple une augmentation de la tension Vk conduirait à une émission par une cathode plus proche de la grille à la fréquence souhaitée alors qu'une baisse de la tension Vk produirait une mission à la mme fréquence par une cathode plus éloignée de la grille.

Si l'impulsion de tension Vk comporte n paliers dans le temps, si dki est la distance entre une cathode Cki (ou un groupe de cathodes) et la grille, avec i = 1,2,.. n, en gardant le rapport Va/dki constant pour chaque cathode ou groupe de cathodes, on maintient la fréquence d'oscillation constante pendant l'impulsion de tension.

L'idée est de réaliser un canon à électrons comportant des cathodes dont les distances à la grille sont telles que le rapport Va/dki reste constant à la fermeture par le plasma de l'espace entre cathode et anode pour au moins une cathode du canon, pendant au moins une partie de l'impulsion de tension.

Les figures 7a et 7b montrent deux réalisations du vircator multifaisceaux selon l'invention comportant des distances cathodes/grille différentes.

Considérons que l'impulsion de tension Vk est celle de la figure 6a comportant trois tensions dans le temps. Dans la première réalisation de la figure 7a, un vircator 120 comporte un canon à électrons 122 émettant trois faisceaux d'électrons dans une enceinte résonnante 124 séparée du canon par une grille 126. Le canon comporte trois cathodes Cd1, Cd2, Cd3 dont les distances respectives d1, d2 et d3 à la grille 126 sont telles que le rapport Va/dki pour chacune des cathodes reste contant. A cet effet, d1 sera réglée pour obtenir la fréquence de résonance FO à la tension Vkr, d2 pour obtenir FO pour Vk2 et d3 pour obtenir FO pour Vk3.

Les figures 6b, 6c et 6d montrent les respectives puissances hyperfréquences P1, P2 et P3 fournies dans le temps par les trois cathodes.

La première cathode fournit la puissance P1 à la fréquence FO pendant le temps où l'impulsion est à Vkr, la deuxième pendant le temps où l'impulsion est à Vk2 et la troisième pendant le temps où l'impulsion est à Vk3. La figure 6e montre l'impulsion hyperfréquence totale fournie par le vircator à la fréquence de résonance FO pendant une largeur bien plus grande que celle obtenue par les vircators de l'état de l'art, sensiblement celle de l'impulsion de tension Vk.

Dans la seconde réalisation d'un vircator 130 de la figure 7b, les extrémités des cathodes Cd1, Cd2 et Cd3 sont sur un mme plan, une grille 132 de l'enceinte comporte de plages Pg1, Pg2 et Pg3 en regard des cathodes Cd1, Cd2 et Cd3 plus ou moins éloignées des cathodes de façon à obtenir différentes distances d'1, d'2 et d'3 grille/cathode.

En pratique, on imagine non pas trois faisceaux, mais plus, par exemple cinq faisceaux comme dans le canon de la figure 5d. Dans ce cas, on associe les cathodes pour ne former que trois groupes ou plutôt autant de groupes que de divisions de l'impulsion de tension Vk.

Dans ces différentes réalisations, les surfaces émissives seront choisies pour créer les courants et la puissance nécessaire dans chacune des divisions de l'impulsion.

Le vircator selon l'invention comporte des nombreux avantages par rapport au vircator de l'état de l'art, entre autre nous pouvons citer : - une puissance hyperfréquence accrue, à haute tension égale - une puissance hyperfréquence identique, à haute tension moindre, et donc une moindre limitation de la largeur d'impulsion par « claquages ».

- une impédance Z = Vk/lk plus faible et, dans certains cas, meilleure adaptation entre le générateur électrique Vk. lk et le vircator, d'où rendement global Générateur plus vircator plus élevé, meilleure stabilité et impulsion plus large, - l'excitation du mode de résonance sur plusieurs de ses maxima de champ électrique, donc moins grande probabilité d'entraîner la résonance sur d'autres modes dits « parasites ». Donc, démarrage plus rapide de l'oscillation et meilleure stabilité de l'impulsion.