Brevet FR2517880A1 — publié le 19830610

Tube à rayons X- a anode rotative. La présente invention concerne lestubesa rayons cathodiques à anode rotative et elle a trait, plus particulièrement, à un tube à rayons cathodiques à anode rotative dans lequel on peut éviter efficacement la conduction de la chaleur jusqu'aux roulements à billes supportant l'anode rotative. D'une façon générale, un tube à rayons X à anode rotative comprend unecathode, une anode rotative disposée en face de la cathode, un moyen de support à roulements à billes pour supporter l'anode rotative en vue de sa rotation, et une enveloppe pour enfermer sous vide ces éléments d'une façon étanche vis-à-vis de l'air. Lorsque les rayons X sont engendrés, un faisceau d'électrons est émis et heurte la cible de l'anode, de sorte que la cible de l'anode chauffe en moyenne jusqu'à au moins 12000C. La chaleur engendrée se dégage presque en totalité vers l'extérieur par rayonnement, car l'anode rotative est sous vide. Toutefois, une partie de la chaleur de la cible d'anode parvient par conduction aux roulements à billes. De ce fait, il est nécessaire que les roulements à billes soient résistant à la chaleur et soient d'une façon générale en acier rapide (résistant à une température de 5000C) lorsqu'ils sont utilisés avec un tube à rayons X à anode rotative.Toutefois, l'utilisation de cette matière pour former les roulements à billes n'a pas donné de résultats satisfaisants car la quantité de chaleur prenant naissance dans la cible d'anode est énorme dans le cas d'un tube à rayons Xà anode rotative dans lequel 11 intensité des rayons X est élevée et, par conséquent, la quantité de chaleur parvenant aux roulements à billes est importante, ce qui fait que la température de ces roulements à billes s'élève jusqu'à un niveau supérieur à 500 C. Lorsque les roulements à billes formés de la matière précitée sont utilisés à une température supérieure au niveau de résistance à la chaleur de la matière, la dureté mécanique de cette dernière diminue et les roulements à billes subissent des endommagements qui entrainent -une augmentation des vibrations et du bruit. Lorsque les vibrations deviennent excessivement élevées, on ne peut plus obtenir de façon satisfaisante des images aux rayons X. En particulier, une augmentation du bruit produit par la rotation donne aux personnes dont on prend des clichés aux rayons X une sensation désagréable. Il est donc nécessaire que les tubes à rayons X à anode rotative aient une structure d'anode rotative pouvant fonctionner à une température inférieure à la température à laquelle les roulements à billes sont résistants à la chaleur afin de prolonger la durée de vie de ces roulements à billes. La présente invention a pour objet un tube à rayons X à anode rotative dans lequel la quantité de chaleur se propageant jusqu'aux roulements à billes à partir de la cible d'anode peut être réduite par augmentation de la résistance thermique du passage emprunté par la chaleur depuis la cible d'anode jusqu'aux roulements à billes, cela de manière à permettre l'obtention de caractéristiques de rotation stable de l'anode rotative sur une longue période de temps en présence d'une charge thermique élevée. Pour atteindre l'objet précité, le moyen de support à roulements à billes comprend au moins deux roulements à billes disposés de façon juxtaposée et espacés l'un par rapport à l'autre, et les bagues extérieures des roulements à billes sont munies d'un élément cylindrique ayant un effet calorifuge et supportant une anode rotative fixée à cet élément. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe du tube à rayons X à anode rotative comprenant un premier mode de réalisation de l'invention et montrant sa structure dans sa totalité; et les figures 2 à 5 sont des vues en coupe des parties essentielles du second au cinquième. modes de réalisation du tube à rayons X à anode rotative selon la présente invention. On va maintenant décrire de façon détaillée la présente invention en se référant à ses modes de réalisation préférés représentés sur les dessins. La figure 1 montre, dans une vue en coupe, la structure complète du premier mode de réalisation du tube à rayons X à anode rotative- selon la présente invention. Le tube à rayons X à anode rotative comprend une anode rotative comprenant une cible 1 d'anode et un rotor (rotor d'un moteur d'entraînement à induction)2. Le tube à rayons X à anode rotative comprend, en outre, un moyen de support à roulements à billes comprenant un axe fixe 3, un élément fixe 4 fixé à une des parties d'extrémité de l'axe fixe 3, des roulements à billes 5 disposés de façon juxtaposée et espacés l'un par rapport à l'autre sur l'axe fixe 3, et un élément cylindrique monté sur les bagues extérieures 6 des roulements à billes 5.Le rotor 2 est monté à l'aide d'une bague d'arrêt 8 sur l'élément cylindrique 7 du moyen de support à roulements à bibis et est fixé à ce dernier de telle sorte que l'anode rotative soit supportée en vue de sa rotation par le moyen de support à roulements à billes. L'anode rotative et le moyen de support à roulements à billes réalisés comme décrit ci-dessus sont contenus, de façon étanche vis-à-vis de l'air, conjointement avec une cathode 9, dans une enveloppe 10 maintenue sous un vide poussé (10 à g 10 mmHg). D'une façon générale, un tube à rayons X comprenant la cathode 9, l'anode rotative et le moyen de support à roulements à billes, contenus dans l'enveloppe 10 sous vide, est appelé : tube à rayons X à anode rotative. Dans le tube à rayons X à anode rotative, un faisceau d'électrons est émis par la cathode 9 et heurte la cible 1 d'anode pendant que l'anode rotative tourne, habituellemènt à une vitesse de rotation de 3000-9000 t/minute. La cible 1 d'anode atteint en chauffant des températures élevées et engendre des rayons X dans la direction de la flèche A lorsque le faisceau d'électrons la heurte. La chaleur engendrée par la cible 1 d'anode se dissipe presque en totalité comme décrit ci-dessus par rayonnement thermique, mais une partie de cette chaleur se transmet à partir du rotor 2 jusqu'aux roulements à billes 5 par conduction thermique. Dans le tube à rayons X à anode rotative ayant la structure décrite ci-dessus, le rotor 2 n'est pas monté directement sur les bagues extérieures 6 des roulements à billes 5 mais est monté par l'intermédiaire de l'élément cylindrique 7 et est supporté par ce dernier conformément à la présente invention. Ceci permet d'augmenter la longueur du passage suivi par la chaleur entre la cible 1 d'anode et les roulements à billes, de manière que la quantité de chaleur atteignant les roulements à billes 5 se trouve ainsi réduite. On décide de la forme de l'élément cylindrique 7 en tenant compte de la résistance thermique offerte par le passage suivi par la chaleur entre la cible 1 d'anode et les roulements à billes 5, ainsi que de la rigidité des parties où le rotor 2 est monté sur l'élément cylindrique 7. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'élément cylindrique 7 a une forme optimale dans laquelle il comporte,sur sa périphérie extrieure,dans sa partie centrale axiale unepartie épaulée 11 de sorte qu'il est divisé en une partie de petit diamètre près de l'anode 1 et une partie de grand diamètre à une distance plus grande de cette anode. Un espace S est ainsi délimité entre le rotor 2 et la partie de petit diamètre de l'élément cylindrique 7, tandis que la périphérie intérieure du rotor 2 est en contact intime avec la périphérie extérieure de la partie de grand diamètre à l'opposé de l'anode 1.D'une façon générale, le roulement à billes 5 près de l'anode 1 risque plus de subir les effets de la chaleur que le roulement à billes 5 éloigné de l'anode 1, de sorte que la durée de vie utile du tube à rayons X est limitée par la durée de vie utile du roulement à billes 5 situé prds de l'anode 1. En donnant à l'élément cylindrique 7 la forme décrite ci-dessus, on peut réduire la quantité de chaleur transférée par conduction aux roulements à billes 5 situés près de l'anode 1 de manière à empêcher ainsi que la température de ce roulement à billes 5 situé près de l'anode 1 s'élève. I1 est avantageux d'augmenter la longueur axiale de l'espace S pour éviter une augmentation de la température du roulement à billes. Toutefois, dans la pratique, on fixe la longueur axiale de l'espace S de manière que la rigidité des parties où le rotor 2 est monté sur l'élément cylindrique 7 ne soit pas trop réduite. Même si on forme la partie épaulée 11 dans la partie centrale axiale de la périphérie extérieure de l'élément cylindrique 7, on peut obtenir une rotation stable de l'anode 1 à une vitesse de rotation de 9000 t/minute sans réduire beaucoup la rigidité. I1 est donc préférable que la longueur axiale de l'espace S soit au moins égale à la moitié de la longueur axiale de l'élément cylindrique 7. On va décrire ci-après la matière utilisée pour former l'élément cylindrique 7. Dans les tubes à rayons X à anode rotative de la technique antérieure, le rotor 2 est formé de fer pur et est monté directement sur les roulements à billes 5. C'est parce que l'anode 1 constitue une partie du circuit magnétique d'un moteur électrique à induction destiné à faire tourner l'anode 1 que le rotor 2 est formé en fer pur. Dans les tubes à rayons X à anode rotative pour engendrer des rayons X de forte intensité, l'élément cylindrique 7 est monté et est assujetti entre le rotor 2 et les roulements à billes 5 comme décrit ci-dessus.L'élément cylindrique 7 ne fait pas partie du circuit magnétique, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser du fer pur pour le former et qu'il est préférable d'utiliser à cette fin une matière ayant une conducti bilité thermique plus faible que le fer pur. Les autres propriétés exigées pour l'élément cylindrique 7 sont les suivantes : la matière doit permettre d'obtenir une précision dimensionnelle élevée en ce qui concerne l'élément cylindrique 7 pour empêcher l'apparition de vibrations au moment d'une rotation à grande vitesse; l'élément cylindrique 7 doit avoir une résistance mécanique suffisamment grande pour supporter une rotation à grande vitesse lorsqu'il est fixe au rotor 2; la quantité de gaz se dégageant de la surface de la matière lorsque celle-ci est sous vide doit être faible; et la matière doit avoir une résistance mécanique suffisamment grande pour supporter une température élevée de 5000C et pour ne dégager qu'une quantité relativement faible de gaz à cette température élevée. Une des matières que l'on utilise pour former l'élément cylindrique 7 dans ce mode de réalisation et qui répond aux exigences mentionnées ci-dessus est un acier inoxydable austénitique.L'acier inoxydable austénitique a la conductibilité thermique de 0,039 cal/cm.s. C du fer pur et est bien connu comme étant une matière utilisée dans la réalisation des tubes électroniques sous vide. Toutefois, la matière pour former l'élément cylindrique 7 n'est pas limitée à l'acier inoxydable austénitique et on peut aussi utiliser à cette fin un acier inoxydable martensitique, un acier inoxydable ferritique ainsi que d'autres aciers inoxydables car ces aciers ont une faible conductibilité thermique.On peut utiliser avantageusement pour former l'élément cylindrique 7 une céramique ayant une conductibilité thermique plus faible que celle de 1 ' acier inoxydable austénitique car la technologie pour produire ces céramiques a fait un progrès notable et on n'éprouve aucune difficulté à obtenir des matières céramiques répondant aux exigences mentionnées ci-dessus. En utilisant le mode de réalisation de l'élément cylindrique 7 conforme à la présente invention décrite ci-dessus, il est possible de réduire la température des roulements à billes jusqu'à 4800C par rapport aux 580pu jusqu'auxquels la température des roulements à billes s'élevait jusqu'à présent lorsque des rayons X de forte intensité étaient engendrés dans les tubes a rayons X à anode rotative de la technique antérieure. La présente invention permet donc de réduire la température de fonctionnement des roulements à billes jusqu'à un niveau inférieur à 5000C qui est la température à laquelle résistent encore les roulements à billes. La figure 2 est une vue en coupe des parties essentielles d'un second mode de réalisation dans lequel l'élément cylindrique 7 comprend une partie périphérique extérieure comportant une partie 12 de grand diamètre extérieur à sa partie d'extrémité éloignée de l'anode 1 et une autre partie 13 de grand diamètre extérieur espacée axialement d'une distance prédéterminée de la partie 12 de grand diamètre extérieur pour le montage et la fixation du rotor 2 à l'élément cylindrique 7 dans les parties 12 et 13 de grand diamètre extérieur Les parties où le rotor 2 est monté sur l'élément cylindrique 7 présentent une superficie de contact plus petite dans le second mode de réalisation que dans le premier mode de réalisation, ce qui a pour résultat que l'espace S est plus grand dans le second mode de réalisation.Ceci augmente la résistance thermique entre le rotor 2 et l'élément cylindrique 7 de manière à éviter l'augmentation de la température des roulements à billes 5. Du fait que l'on monte le rotor 2 sur l'élément cylindrique 7 en deux endroits séparés l'un de l'autre sur la périphérie extérieure de ce dernier, on peut réduire la section du rotor 2 par rapport à l'élément cylindrique 7. Tou tefois, la partie 13 où le rotor 2 est:non sur l'élément cylindrique 7 se trouve au voisinage du roulement à billes 5 situé près de l'anode, de sorte que l'influence de la chaleur sur ce roulement à billes 5 est plus grande que dans le premier mode de réalisation. La figure 3 est une vue en coupe des parties essentielles d'un troisième mode de réalisation dans lequel les parties où le rotor 2 est monté sur l'élément cylindrique 7 ont une superficie plus faible que dans le second mode de réalisation. Le rotor 2 est monté sur l'élément cylindrique 7 dans les parties situées près des extrémités opposées de la périphérie extérieure de ce dernier en vue de réduire la section du rotor 2 par rapport à l'élément cylindrique 7. La figure 4 est une vue en coupe des parties essentielles d'un quatridme mode de réalisation dans lequel un élément annulaire 14 est disposé dans un endroit correspondant à la partie 13 où le rotor 2 est monté sur l'élément cylindrique 7. Ce quatrième mode de réalisation a pour avantage que l'élément cylindrique 7 et l'élément annulaire 14 peuvent être formés de matières différentes. En d'autres termes, il est possible d'utiliser un acier inoxydable austénitique pour former l'élément cylindrique 7 de manière à augmenter la grande précision et la résistance élevée de ce dernier et d'utiliser une céramique pour former l'élément annulaire 14 afin de réduire la quantité de chaleur transférée par combustion aux roulements à billes 5 près de l'anode 1 car la céramique possède une conductibilité thermique particulièrement faible. La figure 5 est unie vue en coupe des parties essentielles d'un cinquième mode de réalisation dans lequel le rotor 2 est monté sur l'élément cylindrique 7 de manière telle que la surface périphérique intérieure de ce rotor est en contact avec la surface périphérique extérieure de cet élément. L'avantage offert par ce mode de réalisation est que l'absence d'espace entre le rotor et l'élément cylindrique exclut toute flexion du rotor 2. Par contre, la surface de transfert de chaleur est plus grande. Ce mode de réalisation peut être avantageux si on utilise une matiere ayant une résistance mécanique relativement faible et une conductibilité thermique très faible pour former l'élément cylindrique 7. La structure du tube à rayons X à anode rotative selon la présente invention présente, en plus de l'effet calorifuge obtenu comme on l'a décrit pour les roulements à billes, la caractéristique structurale d'un assemblage et d'un désassemblage faciles. D'une façon générale, au cours de l'opération de fabrication des tubes à rayons X à anode rotative, on effectue des essais d'équilibre dynamique sur une anode rotative montée sur un moyen de support à roulementsà billes. Quand on détecte un déséquilibre dynamique au cours des essais, on effectue une correction après avoir enlevé l'anode rotative du moyen de support à roulements à billes et on répète les essais. L'invention facilite ces opérations d'assemblage et de désassemblage.Plus spécifiquement, on peut assembler le moyen de support à roulemenà billes sepa- rément et,quand on désire monter l'anode rotative sur le moyen de support à roulements à billes, on emmanche simplement l'anode rotative sur l'élément cylindrique du moyen de support à roulements à billes et on l'assujettit à l'aide de la bague d'arrêt 8. Quand on désire démonter l'anode rotative du moyen de support à roulements a billes, on procède des façon inverse à l'opération mentionnée ci-dessus. Dans la structure selon la présente invention, il est possible d'augmenter la résistance thermique de ladite structure de plus de 10 fois celle d'une structure connue dans laquelle les bagues extérieures 6 des roulements à billes 5 sont fixées directement au rotor 2, de sorte que l'on peut réduire la température des roulements à billes 5 jusqu a un niveau inférieur à 5000C. Selon la présente invention egalement, il est possible, en choisissant de façon appropriee la matière destinée à l'élément cylindrique 7 et en donnant a ce dernier une forme et des dimensions appropriées, d'éviter un surchauffage des roulements à billes 5 même si une charge de température élevée est appliquée à la cible 1 d'anode. Le tube à rayons X à anode rotative selon la présente invention présente des performances élevées en ce qui concerne une rotation de façon stable sur une période de temps prolongée en présence d'une charge élevée. REVENDICATIONS 1. Tube à rayons X à anode rotative comprenant une cathode une anode rotative disposée en face de ladite cathode; un moyen de support à roulements à billes supportant en vue de sa rotation ladite anode rotative ; et une enveloppe contenant de façon étanche à l'air et sous vide ladite cathode, ladite anode rotative et ledit moyen de support à roulements à billes, caractérisé par le fait que ledit moyen de support à roulements à billes comprend un axe fixe (3), au moins deux roulements à billes (5) montés sur ledit axe fixe de façon juxtaposée et espacée, et un élément cylindrique (7) calorifuge monté sur les bagues extérieures (6) desdits roulements à billes, ladite anode rotative (2) étant montée et fixée sur ledit élément cylindrique. 2. Tube à rayons X à anode rotative suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que-ledit élément cylindrique est forme d'une matière ayant une conductibilité thermique plus faible que celle du fer pur. 3. Tube à rayons X à anode rotative suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit élément cylindrique est formé d'acier inoxydable austénitique. 4. Tube à rayons X à anode rotative suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit élément cylindrique est formé de céramique. 5. Tube à rayons X à anode rotative suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite anode rotative et ledit élément cylindrique sont séparés partiellement llun de l'autre par un espace (S), grace à quoi ladite anode rotative est en contact avec la surface périphérique extérieure de l'élément cylindrique au moins sur une partie de ce dernier. 6. Tube à rayons X à anode rotative suivant la revendication 5, caractérisé par le fait-que ledit espace (S) s'étend de l'extrémité dudit élément cylindrique, côté anode, au moins sur une distance correspondant à la moitié de la longueur axiale de cet élément cylindrique. 7. Tube à rayons X à anode rotative suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, un élément annulaire (8) en céramique, ledit élément annulaire étant monté sur la surface périphérique extérieure dudit élément cylindrique en acier inoxydable austénitique, sur une partie de ce dernier, grâce à quoi une partie de la surface périphérique ex térieure dudit élément cylindrique près de la face d'extrémité de ce dernier à l'opposé de l'anode et la surface périphérique extérieure de l'élément annulaire peuvent être amenées en contact avec l'anode rotative.