Brevet FR2329067A1 — publié le 19770520

La présente invention concerne un générateur de rayons X. Les générateurs de rayons X actuellement utilisés, notamment avec les tables télécommandées de radiodiagnostic ou les tomographes, comportent, dans une gaine remplie d'huile isolante, des tubes à anode tournante. Dans les tubes à rayons X à anode tournante, la partie de l'anode faisant face à la cathode est en forme de disque convexe et présente une piste annulaire, généralement en tungstène, de disposition conique. L'anode étant entrarnée en rotation, le point d'impact du faisceau focalisé se projette en tous points de la piste en mouvement, ce qui retarde l'échauffement de l'anode (il faut considérer en effet que l'énorme concentration d'énargie focalisée en un point de l'anode porte celle-ci rapidement au rouge et que la dissipation thermique impose des solutions efficaces évitant un vieillissement prématuré de ladite anode, vieillissement qui se traduit par une baisse de rayons X). Toutefois, l'automatisation toujours plus grande des installations de radio-diagnostic, qui améliore la rapidité du travail, provoque très souvent et de plus en plus souvent la surcharge du tube à rayons X. 11 a été démontré expérimentalement qu'une élévation de température importante de la piste en tungstène provoque un phénomène de recristallisation modifiant profondément l'état de surface de ladite piste 3 il est suffisant, pour cela, d'atteindre une température critique, en général inférieure à la température de fusion du tungstène. En fonctionnement, des dépassements répétés de cette température critique provoque la surcharge des tubes à rayons X à anode tournante. Les conditions qui viennent entre exposées, et qui limitent dans le temps l'emploi des générateurs de rayons X comportant un tube à anode tournante, ont conduit à adopter des solutions diverses : outre la recherche de matériaux ou de formes avantageuses pour le disque d'anode, ou encore l'augmentation de la vitesse de rotation de cette anode, ces solutions consistent toutes en une augmentation du volume de l'anode qui en améliore la capacité thermique. Mais l'anode, devenue massive, subit de fortes contraintes internes et, pour éviter sa rupture, il a été nécessaire d'imaginer des structures de dilatation, En dépit des améliorations apportées, les dépassements de charges répétés conduisent, force est de le constater, à une vaporisation du métal constituant la surface d'anode et, très rapidement, le tube est mis hors d'usage par amorçage haute tension.Parfois, l'anode se déforme complètement, ce qui conduit à une diminution de l'angle d'émission ; bien avant une telle détérioration, le rendement du tube a diminué en raison de la cratérisation de la piste. L'invention concerne un générateur de rayons X dont la structure évite les inconvénients dénoncés et est telle queletubequecomporte ce générateur présente une capacité de charge illimitée, ce qui permet d'envisager nombre d'applications ou modes de fonctionnement jusque là limités. Le générateur de rayons X conforme à l'invention - du type constitué par un tube disposé dans une gaine contenant un fluide isolant et pourvue d'une fenêtre de passage des rayons X, ledit tube comportant, dans une enveloppe au moins en partie transparente et mise sous vide, une cathode et une anode tournante à piste annulaire émettrice des rayons X - est principalement caractérisé en ce que l'anode du tube est en matériau bon conducteur de la chaleur et constitue l'une des parois d'extrémité de ladite enveloppe, laquelle enveloppe est de forme cylindrique et associée - à des moyens de commande l'entrainant en rotation autour de son axe longitudinal commun à deux arbres distincts, le premier solidaire de la partie centrale de la paroi d'extrémité de l'enveloppe qui constitue l'anode, le second solidaire de la partie centrale de la paroi d'extrémité opposée traversant cette paroi et portant intérieurement au tube une structure de cathode libre en rotation, - à des moyens de refroidissement du fluide isolant contenu dans la gaine, au moins au niveau de la paroi d'extrémité du tube qui constitue l'anode, - à des moyens de blocage pour, entre autres, maintenir la structure de cathode dans la position fixe requise pour le passage des rayons X, émis par piste anodique sous l'effet du faisceau cathodique, à travers la fenêtre prévue à cet effet, des dispositions étant prises pour assurer l'alimentation des éléments anode-cathode du tube. Les avantages et autres caractéristiques du générateur de rayons X conforme à l'invention apparattront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite, à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent - figures 1 et 2, les vues en coupes longitudinale et transversale du tube d'un générateur de rayons X conforme à l'invention, - figure 3 une vue en coupe longitudinale du générateur de rayons X conforme à l'invention, Le tube du générateur de rayons X conforme à l'invention est donc représenté figure 1 et 2. Dans une enveloppe dont la partie tubulaire 1 est en verre rectifié pour une parfaite géométrie, la structure de cathode 2 est fixée sur un support tubulaire 3, lequel est couplé à l'arbre 4 par l'intermédiaire de deux roulements 5 et 6.L'arbre 4 est solidaire de la paroi d'extrémité 7 de ltenveloppe qu'il traverse et, ainsi qu'on le verra par la suite, est, en fonctionnement, entraîné en rotation. Mais la disposition décrite permet à la cathode d'être fixée dans une position bien définie dans le tube. La st-ructure d'anode est un disque convexe 8 constituant l'autre paroi d'extrémité de l'enveloppe qui porte, intérieurement au tube, la piste anodique annulaire 9 et, extérieurement audit tube, un ensemble de pales d'entraSnement 10 ; les pales 10 constituent, avec un carter non représenté, une turbine hydraulique dont la commande sera décrite en se reportant à la figure 3. On notera que ltentranement peut être différent et faire appel à un moteur électrique ; la solution décrite est celle choisie de préférence en ce qu'elle présente nombre d'avantages. Le disque 8 est fixé, en son centre, sur un arbre 12 dont l'axe longitudinal prolonge celui de l'arbre 4. Le tube est mis sous vide par le queusot de pompage 13 disposé dans une ouverture pratiquée dans la paroi d'extrémité 7. Le queusot est conformé de façon qu'il puisse recevoir une masse d'équilibrage dynamique 14, et, à la finition, l'ouverture est obturée pour que la surface soit homogène et assure une parfaite rotation du tube. On a dit précédemment que le couplage par roulement du support de cathode, sur l'arbre 4, permet de fixer la cathode dans une position bien définie dans le tube. Le mouvement du support de cathode, et donc de la cathode elle-même, étant indépendant de celui de l'arbre 4, la position de ladite cathode dans le tube est fixée magnétiquement et, selon l'invention, cette fixation est obtenue de préférence par le jeu du (ou des) transformateur(s) utilisé(s) pour le chauffage du (ou des) filament(s) de cathode. Bien entendu, ce blocage magnétique peut etre complété par un dispositif auxiliaire de verrouillage, également magnétique disposé, par exemple, à l'opposé de celui qui est représenté, par rapport à l'axe longitudinal du tube. Le tube représenté comporte, ainsi qu'il est connu, deux filaments : un filament "petit foyer" fl et un filament "gros foyer" f2, Les filaments sont portés par la structure de cathode dans le meAme plan transversal de révolution contenant la face de ladite structure ; mais ils sont - ainsi que représenté figure 2 - angulairement espacés. Les filaments fi et f2 sont alimentés par les enroulements secondaires sl et s2, respectivement, de transformateurs dont les noyaux sont en deux parties - l'une portant l'enroulement primaire, disposée extérieurement à l'enveloppe du tube, - l'autre portant l'enroulement secondaire, fixée sur le support de cathode, (ce type de transformateurs est connu et utilisé notamment pour les alimentations à commutation). Dans l'exemple représenté, les parties de noyau portant les enroulements secondaires sl et s2 sont fixées de façon que leurs plans médians, -transversalement au tube, soient distincts et parallèles au plan transversal de révolution contenant la face de la structure de cathode, et que leurs axes, dans lesdits plans médians, soient diamétralement opposés aux axes parallèles à ceux des filaments fl et f2, respectivement, De la sorte, les noyaux portant les secondaires sl et s2 sont, non seulement angulairement espacés dans des plans transversaux distincts, mais aussi linéairement espacés dans des plans longitudinaux distincts ; c'est pourquoi seul l'enroulement s2 est visible figure 1. Par contre, toujours selon l'exemple représenté, les parties de noyau portant les enroulements secondaires pl et p2 sont alignées de façon que leurs plans médians, longitudinalement au tube, soient confondus avec le plan médian longitudinal du tube et que leurs axes, dans lesdits plans médians, soient espacés en respectant la distance séparant les plans médians transversalement au tube, des parties de noyau portant les enroulements secondaires sl et s2, lesdits axes étant contenus dans lesdits plans médians transversaux ; c'est pourquoi seul 11 enroulement p1 est visible sur la figure 2. On peut donc déduire qu'en fonctionnement, alors que le tube est entratné en rotation de la façon décrite dans ce qui suit, la structure de cathode reste dans la position représentée figure 1, par blocage magnétique provoqué, par exemple, par le transformateur T2 dont l'enroulement primaire p2 est alors alimenté et induit, dans l'enroulement secondaire s2, le courant nécessaire pour le chauffage du filament f2, après que - par attraction magnétique - la structure de cathode et son support soient passés de la position, représentée figure 2 à celle représentée figure 1.Le rayonnement rx est alors émis par bombardement de la piste anodique 9 par le faisceau cathodique créé par le filament f2. De la meme façon, si le filament f1 doit être alimenté, ltenroulement primaire p1 du transformateur - dont l'enroulement secondaire sl est affecté au chauffage dudit filament est mis sous tension. Le noyau portant ledit enroulement secondaire est attiré magnétiquement et la structure de cathode ainsi que son support sont bloqués magnétiquement dans la position illustrée figure 1 (on a représenté figure 2, en pointillé, la position fixe requise pour ltémission du rayonnement rx). On notera, là encore, que le nombre de filaments peut etre accru, dans les limites, bien entendu, de leur encombrement. La figure 3 reprend une partie de la figure t, le tube n'y est figuré que par le contour extérieur de son enveloppe 1 et de ses parois d'extrémité 7 et 8 ; y sont figurés également 1' arbre 4 solidaire de la paroi 7 et l'arbre 2 solidaire de la paroi 8 qui porte les pales 10. On notera que l'ensemble est représenté selon un plan perpendiculaire au plan de représentation choisi pour la figure 1. Le tube est disposé dans une gaine étanche 30 en matériau approprié (aluminium plombé intérieurement comme il est connu) qui contient de l'huile d'isolement (31). Les arbres 12 et 4 sont engagés dans deux roulements 34 et 34' fixés dans des supports latéraux isolants 30a et 30b, avec joints d'étanchéité 35 et 35', respectivement. Ainsi qu > il est connu, par les parois d'extrémité de la gaine, par les roulements et par les arbres passent les conducteurs haute et basse tension pour alimentation de l'anode et, dans le cas présent, des primaires de transformateurs T1 et T2 fournissant les tensions filaments : il s'agit donc des conducteurs + HT (haute tension), - , Bn et BT2 (basse tension) provenant du générateur d'alimentation 34 et passant par les parois de la gaine, par exemple, perpendiculairement au plan du dessin ainsi que le suggèrent les lignes pointillées, parties de leur circuit extérieur à la gaine (de même, sur la figure 3, les primaires de transformateurs TI et T2 ont été représentés en lignes pointillées ainsi que la fenêtre FX de passage des rayons X, car ils ne font pas partie du plan du dessin, mais se trouvent dans deux plans parallèles de part et d'autre de ce dernier, comme on peut le déduire de la figure 1). Sur la figure 3 apparalt - également en lignes pointillées - l'ensemble de pales d'entraînement 100, lesquelles pales sont entourées par un carter 101 rendu solidaire du support isolant 30b par tout moyen approprié. Dans la chambre de turbine ainsi constituée, débouchent deux canalisations 321 et 331, respectivement d'amenée et de sortie d'un fluide d'entraînement qui est aspiré et refoulé par une pompe 32 et traverse un échangeur de chaleur 33. Le fluide d'entratnement est très avantageusement de l'huile et cette huile est celle utilisée pour le remplissage de la gaine. On notera enfin que la paroi d'extrémité 7, opposée à la paroi 8, peut - comme cette dernière - comporter extérieurement un ensemble de pales qui, associées à un carter, constitueraient une seconde turbine d'entraSnement. Dans cette éventualité, les parties des canalisations 321 et 331 intérieures la gaine seraient dérivées pour déboucher dans la chambre de cette seconde turbine tout comme elles débouchent dans celle de la turbine représentée. Les raccords du circuit hydraulique, intérieurs à la gaine, sont en matériau isolant (pour tenir à la tension), par exemple, en téflon, araldite, etc ..... Dans le générateur qui vient d'entre décrit, la structure anodique du tube - qui ne supporte plus de températures élevées du fait qu'elle est directement en contact avec le fluide en circulation constamment refroidi (ce qui donne audit tube une capacité de charge pratiquement illimitée) - est réalisée en cuivre avec une mince couche de tungstène constituant la piste anodique ; l'écoulement des charges est ainsi facilité. L'étanchéité entre paroi constituant anode et la partie tubulaire en verre de l'enveloppe est assurée par scellement verre - métal, ainsi qu'il est connu. On remarquera, de plus, que la disposition décrite s'affranchit, par sa conception, des contraintes créées dans les tubes classiques - par la présence dans la gaine d'un moteur d'entraînement d'anode, générateur de calories supplémentaires. Quant à la paroi d'extrémité 7, elle est réalisée avantageusement en cuivre. De préférence, la fréquence de la tension d'alimentation des transformateurs de chauffage filament est relativement élevée, par exemple de l'ordre de 25 KHz, afin de réduire le volume fer desdits transformateurs. Les circuits secondaires de ces transformateurs doivent être parfaitement dégazables à la mise sous vide du tube, par exmmple en cuivre électrolytique, mais ils peuvent être tout simplement revêtus de verre. On notera, comme avantage de la disposition décrite, que la tension d'alimentation des filaments peut eAtre choisie très basse puisqu'il n'existe pas de contact électrique entre secondaire de transformateurs et filament : le filament peut être de forme appropriée pour l'obtention d'une source de rayons X plus uniforme que celle obtenue avec les filaments classiques bobinés. Il est bien entendu que la description qui précède a été faite uniquement à titre d'exemple non limitatif et que des variantes peuvent être envisagées, notamment quant aux positions respectives sur le support de cathode et par rapport aux filaments de chauffage des primaires et secondaires des transformateurs d'alimentation de ces filaments ; l'essentiel est que le blocage magnétique provoqué par lesdits transformateurs corresponde à la position correcte du filament par rapport à la fente de traversée du rayonnement X. REVENDICATIONS 1/ Générateur de rayons X - du type constitué par un tube disposé dans une gaine contenant un fluide isolant et pourvue d'une fenêtre de passage des rayons X, ledit tube comportant, dans une enveloppe au moins en partie transparente et mise sous vide, une cathode et une anode tournante à piste annulaire émettrice de rayons X - principalerent caractérisé en ce que l'anode du tube est en matériau bon conducteur de la chaleur et constitue l'une des parois d'extrémité de ladite enveloppe, laquelle enveloppe est de forme cylindrique et associée - à des moyens de commande I'entraînant en rotation autour de son axe longitudinal commun à deux arbres distincts, le premier solidaire de la partie centrale de la paroi d'extrémité de l'enveloppe qui constitue ltanode, le second solidaire de la partie centrale de la paroi d'extrémité opposée, traversant cette paroi et portant, intérieurement au tube, une structure de cathode libre en rotation, - à des moyens de refroidissement du fluide isolant contenu dans la gaine, au moins au niveau de la paroi d'extrémité du tube qui constitue l'anode, - à des moyens de blocage pour, entre autres, maintenir la structure de cathode dans la position fixe requise pour le passage des rayons X, émis par la piste anodique sous l'effet du faisceau cathodique, à travers la fenêtre prévue à cet effet, des dispositions étant prises pour assurer l'alimentation des éléments anode - cathode du tube. 2/ Générateur de rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce qutau moins la paroi d'extrémité de l'enveloppe du tube qui constitue l'anode comporte, sur sa face extérieure au tube, un ensemble de pales constituant, avec un carter, une turbine hydraulique, laquelle turbine est entraînée et constitue-ainsi les moyens de commande en rotation de l'enveloppe du tube, sous l'effet d'un fluide isolant en circulation dont le circuit extérieur comporte un échangeur de chaleur et qui constitue ainsi les moyens de refroidissement, ledit fluide étant avantageusement identique au fluide isolant contenu dans la gaine. 3/ Générateur de rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe du tube est cylindrique et les moyens de blocage de la structure de cathode consistent en un verrou magnétique dont une première partie est disposée extérieurement à la paroi latérale de l'enveloppe et la seconde partie est disposée intérieurement au tube, au niveau de ladite première partie, et est fixée sur le support de cathode, cedernier étant tubulaire et couplé par l'intermédiaire de roulements au second arbre qui est solidaire de la paroi d'extrémité de l'enveloppe opposée à celle constituant anode. 4/ Générateur de rayons X selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le verrou magnétique de blocage de la cathode est constitué au moins en partie par au moins un transformateur dont les parties primaire er secondaire constituent les première et seconde parties dudit verrou, et qui est utilisé comme dispositif d'alimentation du filament de chauffage de la cathode. 5/ Générateur de rayons X selon les revendications 1, 3 et 4 comportant un tube avec cathode à n filaments de chauffage indépendants, caractérisé en ce que la structure constituant cathode est conformée pour porter les n filaments angulairement espacés dans le meme plan transversal de révolution contenant la face de ladite structure, face à la piste annulaire anodique, et en ce que le verrou magnétique de blocage de la cathode est constitué par n transformateurs d'alimentation desdits filaments, dont les parties primaires sont linéairement décalées parallèlement à l'axe longitudinal du tube et dont les parties secondaires sont décalées à la fois linéairement pour que leurs axes puissent être confondus avec ceux des parties primaires qui leur sont respectives, et angulairement pour que leurs axes soient confondus avec les axes parallèles à ceux des filaments dont ils assurent l'alimentation, respectivement. 6/ Générateur de rayons X selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'anode du tube est en cuivre.