FR2625605A1 - Anode tournante pour tube a rayons x - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une anode tournante de tube à rayons X, particulièrement des moyens pour éviter la création anarchique de fissures dans une cible 17 portée par l'anode 1. A cet effet, selon une caractéristique de l'invention, une surface 21 de la cible 17 est creusée par une pluralité de fentes F1..., Fn disposées de manière symétrique par rapport à un axe de symétrie 3 de l'anode 1.

Description

X-.

ANODE TOURNANTE POUR TUBE A RAYONS X

L'invention concerne une anode tournante pour tube à rayons X, et en particulier des moyens pour éviter la création anarchique de fissures dans une cible portée

par l'anode.

5. Avec les tubes à rayons X, le rayonnement X est couramment obtenu par un bombardement électronique de l'anode. Plus précisément, le bombardement électronique est concentré sur une petite surface, appelée foyer, d'une cible que comporte l'anode, ce foyer devenant la source du rayonnement X. Une faible part de l'énergie électrique dépensée

pour accélérer les électrons (environ 1%) est transfor-

mée en rayons X, le reste de cette énergie est dissipé en chaleur. Cette chaleur, dont l'évacuation pour la

plus grande partie se fait par rayonnement, peut con-

duire à la détérioration de l'anode, et plus particuliè-

rement à la détérioration de la cible, par fusion par

exemple, à l'endroit o est formé le foyer.

Aussi, la cible est généralement constituée en un matériau non seulement à haut numéro atomique pour favoriser la production de rayons X, mais aussi en un matériau réfractaire et bon conducteur de la chaleur, comme par exemple le tungstène, ou le molybdène, ou

leurs alliages, etc...

Cependant quel que soit le matériau dont est constitué la cible, les puissances instantanées mises en jeu (de l'ordre de 100 KW) créent des contraintes importantes dans les couches superficielles de ce matériau. En vue de diminuer la température au foyer, une solution courante consiste à faire défiler la cible sous

le foyer ou impact du faisceau d'électrons. Ce défile-

ment de la cible est obtenu par une rotation de l'anode autour d'un axe de symétrie de cette dernière, l'anode ayant généralement la forme d'un disque. Le défilement de la cible, sous le foyer créé à l'impact du faisceau d'électrons, engendre sur la cible et autour de l'axe de

symétrie, une couronne focale large de plusieurs milli-

mètres.

La rotation rapide de l'anode (plusieurs milliers de tours par minute) est nécessaire pour répartir le

flux thermique sur la couronne focale. Mais la tempéra-

ture du foyer reste très supérieure à la température du

reste de la couronne focale, qui elle-même a une tempé-

rature très supérieure à celle du reste du disque d'anode. On observe que chaque point de cette couronne focale reçoit une "impulstion thermique" à chaque tour de l'anode. Avec les matériaux généralement utilisés pour l'émission d'un rayonnement X sous l'effet d'un bombardement électronique, c'est à dire les matériaux

cibles tels que le tungstène par exemple, les fluctua-

tions dues à ces impulsions peuvent être considérées comme insignifiantes au delà d'une couche superficielle dont l'épaisseur est de l'ordre de 100 microns; de

sorte que c'est principalement cette couche superfi-

cielle qui subit, au rythme de la rotation, une succes-

sion de chocs thermiques, et par suite, de contraintes

mécaniques importantes.

D'autre part, & une autre échelle de temps, celle d'une pose qui peut durer par exemple de 0,1 seconde & 1 seconde ou même plus, toute la couronne focale reçoit un

flux thermique important, qui ne diffuse que graduelle-

ment dans l'ensemble du disque d'anode.

Par suite, les auteurs de l'invention ont pensé que

la couronne focale est soumise à une compression impor-

tante, due & la dilatation du matériau cible, et que

probablement le matériau cible sort du domaine d'élasti-

cité du matériau, de sorte qu'une contrainte de traction qui résulte du refroidissement peut engendrer des fissures dans la surface du matériau dont est constitué

la cible.

Ces fissures tendent à augmenter en nombre et en importance avec le temps de fonctionnement, et elles deviennent préjudiciables au bon fonctionnement du tube à rayons X: ainsi par exemple, dans le cas d'une anode constituée d'un corps de base (en graphite par exemple) revêtu d'une couche de matériau émissif de rayons X ou matériau cible (en tungstène par exemple), ces fissures peuvent se prolonger jusqu'au graphite et il peut en résulter des décollements de la couche de tungstène, entrainant la destruction rapide du tube; on note

également que ces fissures, si elles sont trop nombreu-

ses, tendent à diminuer la quantité de rayonnements X

émis par le foyer.

L'invention concerne une anode tournante pour tube & rayons X, agencée d'une manière nouvelle qui permet d'éviter la formation aléatoire et non contrôlée de

fissures dans la cible.

Selon l'invention, une anode tournante pour tube & rayons X, comportant une cible destinée & être soumise à un bombardement électronique en vue de produire un rayonnement X, est caractérisée en ce que la surface de

la cible est creusée par une pluralité de fentes équi-

distantes et disposées de manière symétrique par rapport

à un axe de symétrie de l'anode.

L'invention sera mieux comprise grâce à la descrip-

tion qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et a l'unique figure jointe qui montre schématiquement, par une vue en perspective, une anode tournante conforme à l'invention. La figure unique montre une anode tournante i pour

un tube à rayons X en lui-même classique (non représen-

té). Dans l'exemple non limitatif de la description,

l'anode 1 est formée selon un disque ayant un axe de symétrie 3 et une forme approximativement tronconique c'est à dire qu'une face 4 est formée d'une partie centrale 5 plane entourée d'une partie pentue 6, qui rejoint les bords circulaires périphériques 7 du disque

d'anode 1.

Dans l'exemple non limitatif décrit, la partie centrale 5 comporte un trou 8, disposé selon l'axe de symétrie 3, et destiné au passage d'un axe support (non représenté) servant à porter l'anode tournante 1 de

manière classique.

Dans l'exemple non limitatif de la description,

comme il apparaît sur la figure grâce à un arraché, l'anode tournante 1 est du type comportant un corps de base 15 ou substrat, en graphite par exemple, sur lequel est déposée une couche intermédiaire d'accrochage I6 en rhénium par exemple; une couche de matériau cible 17, en tungstène par exemple, étant déposée sur la couche

d'accrochage 16.

La couche 17 de matériau cible a été formée en une

ou plusieurs couches, déposées selon une méthode classi-

que telle que par exemple, dépôt électrolytique, ou dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou encore par la méthode de dépôt par projection au chalumeau à plasma, etc... Dans l'exemple non limitatif décrit la couche de matériau cible 17 ou cible a une épaisseur E1 comprise

entre 300 microns et 700 microns.

Bien entendu dans l'esprit de l'invention, l'épa- isseur E1 de la cible 17 peut être différente et la cible 17 peut être constituée selon une structure massive, formée par exemple directement par le corps de base 15 lui même constitué en matériau cible; ou encore

la cible 17 peut être rapportée sur le corps de base 15.

La couche 17 de matériau cible consitue une cible destinée à être bombardée par un faisceau d'électrons

(non représenté,) en vue de produire de manière classi-

que un rayonnement X. En fait, la cible 17 est destinée a être soumise au bombardement électronique sur une faible surface o est constitué un foyer 18, à partir duquel la rotation de l'anode tournante 1 autour de l'axe de symétrie 3, engendre une couronne focale 19 (représentée en traits pointillés). Dans l'exemple non limitatif décrit, la couche 17 de matériau cible est déposée sur l'ensemble de la partie pentue 6, mais cette couche 17 peut être

déposée sur une surface plus réduite, de sorte à consti-

tuer la cible selon une couronne correspondant sensible-

ment & la couronne focale 19.

Selon une caractéristique de l'invention, et en vue d'éviter une fissuration anarchique de la cible 17 sous l'effet du bombardement électronique, la surface 21 de la cible 17 est creusée par une pluralité de fentes F1, F2, F3,..., Fn équidistantes et disposées de manière

symétrique par rapport à l'axe de symétrie 3.

Dans l'exemple non limitatif représenté à la figure o la cible 17 est formée sur une face 4 de l'anode 1, la longueur L des fentes F1 à Fn s'étend radialement et

correspond.à des génératrices du cône.

Mais, l'utilité des fentes F1 à Fn se manifeste surtout en regard des surfaces bombardées, c'est à dire de la couronne focale 19, et la longueur L des fentes F1 à Fn peut être limitée et correspondre sensiblement à

une largeur 1 de la couronne focale 19.

Les fentes F1 à Fn ont une profondeur P inférieure à l'épaisseur El de la cible 17, de manière à laisser subsister une quantité suffisante de matériau cible entre un fond 23 des fentes Fl à Fn et le substra ou

corps de base 15.

En fait, la profondeur P des fentes F1 à Fn doit être égale ou supérieure à l'épaisseur de la couche superficielle, estimée à environ 100 microns, qui a été citée dans le préambule comme étant la couche au delà de

laquelle les fluctuations thermiques sont insignifian-

tes. En pratique un compromis satisfaisant est atteint en conférant à la profondeur P une valeur comprise entre 1/3 et 2/3 de l'épaisseur E1 de la couche de matériau cible 17; c'est à dire que pour une épaisseur E1 de 300 microns, la profondeur P peut être comprise entre 100

microns et 200 microns.

Dans l'exemple non limitatif décrit, les fentes F1 à Fn sont radiales, de sorte qu'elles permettent de libérer les contraintes mécaniques sans entraver les

échanges thermiques.

L'espacement des fentes F1 à Fn est un compromis

entre le souci de diminuer peu le rendement du rayonne-

ment X de la cible 17 (le rendement est diminué si les fentes F1 à Fn sont trop serrées), et le souci de donner

aux fentes F1 à Fn une efficacité maximum.

Nous avons constaté qu'un écartement angulaire a compris entre environ 5 et 10 * était correct, mais

bien entendu on peut sortir de ces limites.

Il est à noter que la largeur 12 des fentes F1 à Fn doit être aussi étroite que possible, compte tenu des considérations technologiques de réalisation. Ces onsidérations technologiques peuvent conduire également à augmenter la longueur L des fentes F1 à Fn au delà de

la longueur strictement nécessaire.

Pour réaliser les fentes F1 à Fn, plusieurs procé-

dés en eux-mêmes connus peuvent être utilisés, tels que par exemple: par découpe mécanique, par fusion avec faisceau laser, ou encore par électroérosion: il

semble que ce dernier procédé soit actuellement particu-

lièrement bien adapté a réaliser les fentes F1 à Fn très

fines (largeur 12 de l'ordre de quelques 1/100 millimè-

tre), et de géométrie quelconque.

On peut même envisager des fentes F1 à Fn dont la profondeur P s'étend de manière non rectiligne, pour éviter l'atteinte du fond 23 par des électrons (non

représentés) d'incidence oblique.

En vue d'éviter le choc direct d'électrons dans le fond 23 des fentes F1 à Fn, le plan des fentes peut être incliné par rapport au plan normal à la surface 21 de la cible. Un exemple de l'inclinaison d'une fente est donné

au niveau d'une troisième fente F3 par un axe 27 paral-

lèle à la profondeur P3 de cette troisième fente et formant un angle d'inclinaison a 1, avec un second axe 28 symbolisant un plan normal à la surface 21. L'angle d'inclinaison a 1 est & déterminer selon la largeur 12 et la profondeur P d'une fente F1 à Fn: on peut citer, uniquement à titre d'exemple non limitatif, que l'angle d'inclinaison a 1 peut avoir une valeur de 15' pour une profondeur P de 150 microns et une largeur 12 de la

fente F3 d'environ 50 microns.

IL est à noter que l'angle d'inclinaison a 1 doit rester relativement faible, pour ne pas entraver

les échanges thermiques qui, dans l'exemple non limita-

tif représenté & la figure, se font essentiellement selon des directions parallèles à l'axe de symétrie 3 et selon des directions radiales (puisque tous les points

de la couronne focale 19 sont à température voisine).

Il est à noter que les contraintes mécaniques, au

contraire, qu'elles soient de compression ou de trac-

tion, se font principalement tangentiellement, ce qui explique que les fissures, quand elles se produisent,

sont généralement radiales.

La réalisation des fentes F1 à Fn dans la surface 21 de la cible 17, constitue une solution simple et de mise en oeuvre facile au problème du vieillissement des anodes que représente la fissuration des cibles. Dans l'exemple non limitatif décrit et représenté à la figure, la longueur L des fentes F1 à Fn s'étend dans

des directions radiales. Mais, dans l'esprit de l'inv-

ention l'orientation de la longueur de ces fentes peut être différente, notamment dans le cas o la cible est formée sur la tranche ou pourtour du disque d'anode tournante: dans ce cas, la longueur des fentes est parallèle à l'axe de symétrie ou axe de rotation de l'anode; une telle disposition de la cible étant courante dans le cas d'anodes tournantes pour

mammographie.

Claims (7)

REVENDICATIONS i - Anode tournante pour tube à rayons X comportant une cible (17) formée autour d'un axe de symétrie (3) de l'anode (1), la cible (17) étant destinée à être soumise à un bombardement électronique en vue de produire un rayonnement X, caractérisée en ce que la surface (21) de la cible (17) est creusée par une pluralité de fentes (F1 à Fn) équidistantes et disposées de manière symétri- que par rapport à l'axe de symétrie (3).
1. 2 - Anode tournante selon la revendication 1 caractérisée en ce que les fentes (F1 à Fn) ont une

   profondeur (P) égale ou supérieure à environ 100 mi-

   crons.
2. 3 - Anode tournante selon l'une des revendications

   précédentes, caractérisée en ce qu'une longueur (L) des

   fentes (F1 à Fn) s'étend dans des directions radiales.
3. 4 - Anode tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que les fentes (F1 à Fn) présentent entre elles un écartement angulaire (a) compris entre

   environ 5 et 10'.

   - Anode tournante selon l'une des revendications

   précédentes, caractérisée en ce que la profondeur (P) des fentes (F1 à Fn) est inférieure à une épaisseur (El)

   de la cible (21).
4. 6 - Anode tournante selon l'une des revendications

   précédentes, caractérisée en ce que l'anode (1) comporte un corps de base (15), et en ce que la cible (17) est constituée par au moins une couche de matériau cible

   déposée sur le corps de base.
5. 7 - Anode tournante selon l'une des revendications

   précédentes, caractérisée en ce qu'une épaisseur (El) de

   la cible (17) est égale ou supérieure à 300 microns.
6. 8 - Anode tournante selon l'une des revendications

   précédentes,une couronne focale (19) étant formée sur la cible (21), caractérisée en ce que la longueur (L) des fentes (F1 à Fn) est égale ou supérieure à une largeur

   (1) de la couronne focale (19).
7. 9 - Anode tournante selon l'une des revendications

   précédentes, caractérisée en ce que le plan (27) des fentes (F1 à F7) est incliné par rapport à un plan (28)

   normal à la surface (21) de la cible (17).

   - Anode tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce que la profondeur (P) des fentes (F1 à Fn) est sensiblement comprise entre 1/3 et 2/3 d'une

   épaisseur (El) de la cible.