Brevet FR2545649A1 — publié le 19841109

TUBE RADIOGENE A ANODE TOURNANTE L'invention concerne un tube radiogène à anode tournante, dans lequel la rotation de l'anode s'effectue grâce à des paliers magnétiques. Des tubes radiogènes de forte puissance utilisent généralement une anode tournante, dont la rotation est encore très couramment assurée grâce à des paliers mécaniques Etant donné la vitesse de rotation élevée, qui peut atteindre 20 000 tours par minute, ces paliers mécaniques présentent une usure rapide, et sont fréquem- ment la cause de la mise hors service de tubes radiogènes. Une amélioration importante consiste à monter l'anode tour- nante avec des paliers magnétiques Ceux-ci comportent généra- lement des électro-aimants montés deux à deux en opposition, qui créent des champs magnétiques sous l'influence desquels un rotor, solidaire de l'anode tournante dont il assure la rotation, est main- tenu en équilibre; l'anode tournante et les pièces mécaniques qui l'accompagnent en rotation, n'ont ainsi plus de contact mécanique avec le reste du tube radiogène. Ceci pose un nouveau problème qui réside en ce que l'anode, étant mécaniquement isolée du reste du tube, elle l'est également électriquement; aussi sa connexion à la haute tension du tube, et l'écoulement du courant anodique sont imparfaitement réalisés à ce jour Des solutions proposées sont souvent des systèmes à frotteurs ou à billes, donc mécaniques, et l'on perd de ce fait une partie de l'avantage du système à paliers magnétiques, à savoir l'absence totale de frottements mécaniques. Une autre solution, qui permet l'écoulement du courant ano- dique sans contact mécanique, utilise l'émission d'électrons générés 2 par des cathodes thermo-émissives liées mécaniquement à l'anode tournante; ces électrons étant captés par des anodes fixes L'une des principales difficultés est alors de fournir, à ces cathodes mises en rotation, l'énergie nécessaire à élever leur température à un niveau suffisant pour répondre aux lois de l'émission thermo-élec- tronique. A ce jour, cette difficulté est tournée grâce à des solutions relativement complexes et onéreuses, consistant par exemple à utiliser des phénomènes d'induction pour transférer à ces cathodes l'énergie nécessaire à leur chauffage Une telle solution est décrite dans une demande de brevet français publiée sous le N O 2 494 496. Cette demande de brevet expose lagencement d'un tube à rayons X à anode tournante, muni de paliers magnétiques et de moyens pour écouler, sans contact, le courant anodique Dans cette demande de brevet, une anode tournante 3 solidaire d'un rotor 5, est montée sur des paliers magnétiques 9,10 Pour évacuer le courant anodique, l'arrière du rotor 5 comporte deux cathodes 13,14 tournant autour d'un axe 12, sur lequel est disposée une anode 20 Les cathodes 13,14 comportent des enroulements 15, 16 coopérant durant la rotation de l'anode tournante 3, avec une pluralité de bobines d'excitation 17; ces bobines d'excitation 17 étant réparties sur la périphérie du tube et induisant dans les enroulements 15, 16 en rotation, la tension de chauffage des cathodes 13,14. Là mise en oeuvre de cette solution est compliquée et la rend coûteuse; d'autre part, des problèmes de fiabilité peuvent se présenter du fait des températures élevées auxquelles sont exposés les enroulements tournants 15,16 En effet, ces enroulements 15,16 doivent comporter des isolants électriques capables de supporter ces températures et, qui ne dégazent pas; ceci posant un problème technologique encore mal résolu. Dans la présente invention, un chauffage de cathode destinée à écouler un courant anodique, est obtenu grâce à une combinaison de moyens beaucoup plus simples, qui ne présentent pas les incon- vénients ci-dessus mentionnés. 3 - La présente invention concerne un tube radiogène à anode tournante montée sur paliers magnétiques, permettant d'écouler sans contact le courant anodique; ceci étant obtenu dans le tube radiogène selon l'invention d'une manière plus simple et moins onéreuse que selon l'art antérieur, grâce notamment à Putilisation d'une cathode thermo-émissive et un agencement nouveau permet- tant de la chauffer par rayonnement thermique. Selon l'invention, un tube radiogène à anode tournante, com- portant une anode tournante montée sur paliers magnétiques et au moins un dispositif destiné à écouler le courant anodique du tube, est caractérisé en ce que ce dispositif comporte en position fixe une anode creuse, à l'intérieure de laquelle une cathode est couplée en rotation à l'anode tournante, l'anode creuse étant associée à des moyens de chauffage et reliée au pôle positif de la haute tension, la cathode étant électriquement reliée à l'anode tournante de manière à assurer le passage du courant anodique. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit et aux quatre figures annexées dont: la figure I représente schématiquement un tube radiogène con- forme à l'invention, la figure 2 montre plus particulièrement des moyens du dispositif destiné à écouler le courant anodique du tube selon l'invention. la figure 3 montre une variante du dispositif destiné à écouler le courant anodique. la figure 4 montre schématiquement une variante du tube radio- gène selon l'invention. Le tube radiogène 1 selon l'invention, montré par la figure 1, comporte une enveloppe 2-3 étanche au vide, constituée dans l'exemple non limitatif décrit par une partie centrale isolante 2 et, par des parties d'extrémités 3 formées par des chemises métalliques de faible épaisseur; 'une cathode principale 5 portée par la partie centrale isolante 2, est destinée à fournir un faisceau d'électrons (non représenté) dont l'impact sur une anode tournante 6 provoque le rayonnement X. -4 - L'anode tournante 6 est portée par un arbre 7 métallique, solidaire d'un rotor 8; ce rotor 8 forme avec un stator 9 situé à l'extérieur de l'enveloppe 2-3, un moteur assurant la rotation de l'anode tournante 6 autour d'un axe longitudinal 10 L'arbre 7 est également solidaire à ses extrémités 4, de parties tournantes 11,12, coniques dans l'exemple non limitatif décrit, et qui constituent les parties en suspension de paliers magnétiques 11-13,12-14; des par- ties actives 13,14 de ces paliers magnétiques étant situées à l'exté- rieur de l'enveloppe 2-3 A l'intérieur de cette enveloppe sont dispo- sés des roulements de garde 25, situés en vis-à-vis des extrémités 4 de l'arbre 7, avec lequel ces roulements 25 ne sont en contact qu'en cas de défaillance de la suspension magnétique. Le tube 1 comporte également un dispositif 40, représenté dans un cadre en traits pointillés, situé à l'intérieur de l'enveloppe 2-3 et destiné, en fonctionnement, à écouler le -courant anodique du tube 1 Ce dispositif 40 comporte un axe métallique 15 prolongeant l'arbre 7 selon l'axe longitudinal 10, du côté du rotor 8, et portant une cathode 16 La cathode 16 de forme sphérique, dans l'exemple non limitatif décrit, est centrée sur l'axe longitudinal 10; elle est électriquement reliée par l'axe métallique 15 et l'arbre 7 à l'anode tournante 6, et se trouve en fonctionnement portée au même potentiel que cette dernière. Une anode creuse 17, également de forme sphérique dans l'exemple non limitatif décrit, est maintenue en position fixe et centrée autour de la cathode 16, par un support métallique 18 solidaire d'un support isolant 19 L'anode creuse 17 comporte un trou 20 destiné au passage de l'axe métallique 15, permettant ainsi le mouvement de la cathode 16, laquelle est couplée en rotation à l'anode tournante 6; la rotation de la cathode 16 s'effectuant à l'intérieur de l'anode creuse 17, et, comme celle de l'anode tour- nante 6, autour de l'axe longitudinal 10 selon la flèche 29. Autour de l'anode creuse 17 est disposé un filament chauf- fant 21, supporté d'une manière classique par des moyens non - représentés et relié à deux traversées 22,23 étanches, dont est muni le support isolant 19; ce dernier également étanche au vide, com- porte une troisième traversée 24, électriquement reliée au support métallique 18 de l'anode creuse 17. Le filament chauffant 21, constitué dans l'exemple non limi- tatif décrit en tungstène, est destiné à élever la température de l'anode creuse 17 A cette fin, le filament 21 est chauffé par effet JOULE, et les deux traversées 22,23 auxquelles il aboutit dans le tube 1 sont reliées à une source de tension classique, telle qu'un transformateur 30 par exemple. La haute tension nécessaire au fonctionnement du tube 1 est fournie de manière connue par un générateur haute tension 31 Une sortie positive + HT de cette haute tension est reliée aux parties d'extrémités 3, ainsi qu'à la troisième traversée 24, pour être appli- quée à lanode creuse 17; une sortie négative HT du générateur 31, est reliée d'une manière classique par une quatrième traversée 35 à la cathode principale 5, cette dernière comportant également de manière connue et non représentée, des connexions de chauffage. En fonctionnement, le filament chauffant 21 chauffe l'anode creuse 17, laquelle constitue une enceinte pratiquement close dans laquelle la cathode 16 est chauffée à son tour comme dans un four, par le rayonnement thermique de l'anode creuse 17 Pour limiter les pertes thermiques, le dispositif 40 peut comporter ainsi que dans l'exemple non limitatif décrit, un réflecteur thermique 32 partiel- lement représenté, enveloppant le filament chauffant 21. La cathode 16 électriquement reliée à l'anode tournante 6, génère alors des électrons qui sont captés par l'anode creuse 17, laquelle est reliée au -pôle positif + HT de la haute tension; l'inten- sité du courant électronique ainsi généré est la même que celle du faisceau d'électrons émis par la cathode principale 5, vers l'anode tournante 6 Le courant anodique du tube 1 est ainsi écoulé avec une faible différence de tension entre la polarité positive + HT de la haute tension, et la valeur + HT' établie au niveau de Panode tournante 6 Cette disposition permet au trajet anode creuse - 6 - cathode 17,16 de présenter une faible impédance qui permettrait sous une faible tension, le passage d'un courant électronique d'une intensité très supérieure à celle nécessaire en utilisation courante; ceci permettant de ne perturber en aucun cas le fonctionnement du tube 1 Il est à remarquer de plus, que la puissance dissipée sous forme de chaleur au niveau de l'anode creuse 17, par l'impact des électrons qui constituent le courant anodique, contribue à favoriser l'émission électronique de la cathode 16. Ainsi l'énergie thermique fournie par le filament chauffant 21, est transférée par l'intermédiaire de l'anode creuse 17 à la catho- de 16 pour constituer l'énergie nécessaire à l'extraction des élec- trons Ce transfert d'énergie peut être rendu plus efficace par des aménagements appropriés de la cathode et de l'anode creuse 16,17, et par l'utilisation d'une seconde source de tension, ainsi qu'il est expliqué en référence à la figure 2; pour une meilleur clarté de cette figure 2, la représentation du tube radiogène selon l'invention est limitée afin de mieux montrer le dispositif 40. Dans le but de diminuer l'énergie nécessaire à l'extraction des électrons, la cathode 16 peut être creuse ainsi que dans l'exemple montré par la figure 2, o elle a la forme d'une sphère; cette forme pouvant être différente ainsi qu'il est expliqué dans la suite de la description La cathode 16 compte une -paroi 26, ayant une épais- seur E faible, et constituée de préférence par un matériau réfrac- taire tel que du tantale ou du tungstène thorié; cette paroi 26 pouvant également être recouverte sur sa surface extérieure 33, pour augmenter le pouvoir émissif en électrons, de borure de lanthane par exemple (non représenté). Dans l'exemple non limitatif décrit, l'anode creuse 17 est formée par deux demi-sphères 27,28 assemblées constituées en graphite, en graphite pyrolitique par exemple, ou encore par un matériau réfractaire tel que le tungstène ou le molybdène. Afin d'augmenter encore l'efficacité du chauffage de l'anode creuse 17, et par là celui de la cathode 16, le tube radiogène selon l'invention comporte une source d'alimentation constituée par un générateur basse tension continue 45. -7 - Une sortie positive V+ de ce générateur basse tension 45 est reliée à l'anode creuse 17 et également au pôle positif de la haute tension + HT; une sortie négative -V étant elle reliée à l'une des extrémité du filament chauffant 21, à la traversée 23 par exemple. La tension continue délivrée par ce générateur basse tension 45 détermine, entre le filament chauffant 21 et l'anode creuse 17, une différence de potentiel Par cette différence de potentiel, l'anode creuse 17, étant positive par rapport au filament chauffant 21, est soumise au bombardement d'électrons émis par ce filament; ce bombardement électronique de l'anode creuse 17 ' provoque à cette dernière une température élevée qui détermine son rayonnement thermique en direction de la cathode 16. Ce dernier mode de chauffage de l'anode creuse 17 peut être utilisé soit seul, soit conjugué avec celui précédemment décrit, l'écran thermique 32, non représenté sur la figure 2 pouvant être conservé dans cette variante. Pour cette variante et dans le cas précédemment mentionné o l'anode creuse 17 est en graphite, sa surface extérieure 34 est préférentiellement recouverte d'un dépôt métallique très réflecteur (du type dit poli-miroir par exemple); quand l'anode creuse 17 est en matériau réfractaire, sa surface extérieure 34 peut être également reflectrice (poli-miroir), sa surface intérieure 36 étant recouverte d'un matériau (non représenté) à haut pouvoir de rayonnement thermique. Cette description constitue un exemple non limitatif d'un tube radiogène selon l'invention, capable d'écouler le courant anodique du tube 1, sans contacts entre les parties fixes et les parties tournantes de ce tube Ceci est obtenu grâce à un agencement nouveau de ce tube radiogène, dans lequel un dispositif 40 comporte notamment une cathode 16 émettrice d'électrons, laquelle reçoit l'énergie d'extraction des électrons grâce au rayonnement d'une anode creu- se 17 destinée à capter ces électrons La forme de cette cathode 16 et de cette anode creuse peut être différente de celle montrée par les figures 1,2, l'essentiel étant que la cathode 16, solidaire de l'anode tournante 6, soit située dans une enceinte close, chauffée, constituant une anode creuse 17 Néanmoins, les formes de l'anode creuse 17 et de la cathode 16 sont de préférence adaptées pour que leurs surfaces 36,33, en vis-à-vis, soient à une distance Daussi constante que possible. Ainsi, par exemple l'anode creuse 17 et la cathode 16 peuvent également comporter une forme conique, ou cylindrique comme montré par la figure 3. Cet agencement de l'anode creuse 17 et de la cathode 16 permet également d'utiliser des moyens de chauffage différents de ceux constitués par le filament chauffant 21 et le générateur basse tension 45; le chauffage de la cathode 16 étant obtenu par le rayonnement thermique de l'anode creuse 17 Il est aussi à remar- quer que la combinaison de moyens du dispositif 40, peut également être située à l'une ou l'autre des extrémités 3 de l'enveloppe 2-3-ou simultanément à ces deux extrémités. Il est enfin à remarquer que le dispositif 40 peut également s'adapter à des positions différentes comme montré dans l'exemple non limitatif de la figure 4, o ce dispositif déjà explicité est représenté par un rectangle en traits pointillés. La figure 4 montre un tube radiogène 1 selon l'invention dont les paliers magnétiques 11-13, 12-14 sont situés d'un même côté de l'anode tournante 6. Dans cette version du tube 1, son enveloppe est constituée d'une partie d'extrémité 3 métallique, et d'une partie isolante 2, du côté de laquelle sont contenues l'anode tournante 6 et la cathode principale 5 La partie d'extrémité 3 métallique étant portée au potentiel de la terre, ainsi que les paliers magnétiques 11-13, 12-14 et le rotor 8, par des moyens classiques et non représentés; les roulements de garde 25 étant disposés autour d'un arbre fixe 39, disposé dans le rotor 8 -selon l'axe longitudinal 10. Le rotor 8 entraîne en rotation l'anode tournante 6 autour de l'axe longitudinal 10, par l'intermédiaire d'un arbre isolant 38, ce dernier étant constitué en un matériau réfractaire et hautement 9 - isolant électrique, comme par exemple de l'alumine, ou de la céramique ainsi que dans l'exemple décrit. Dans cette version du tube 1 selon l'invention, le dispositif 40, servant à écouler le courant anodique est à proximité immédiate de Panode tournante 6, à laquelle il est mécaniquement et électri- quement relié grâce à l'axe métallique 15; la cathode 16, non représentée sur la figure 4, étant couplée en rotation à l'anode tournante 6 ainsi qu'il a été précédemment expliqué. Les liaisons électriques internes (non représentées), néces- saires au dispositif 40 sont acheminées, pour sortir du tube 1, par un fourreau 37 constitué d'un matériau réfractaire à très faible coef- ficient de dilatation, comme par exemple de l'alumine ou de la céramique; ces liaisons internes aboutissant aux traversées 22,23,24 de l'embase 19. Le fonctionnement du dispositif 40 reste, dans cette disposi- tion, le même que précédemment expliqué ainsi que ses connexions électriques extérieures non représentées sur la figure 4; une excep- tion toutefois étant que dans cette dernière version, la partie d'extrémité 3 est au potentiel de la terre, et n'est donc plus reliée au + HT. Un tube radiogène I conforme à Pinvention est applicable à tous les domaines de la radiologie, auxquels il apporte une solution simple, fiable et économique, grâce au dispositif 40 servant à écouler sans contact le courant anodique. - REVENDICATIONS 1 Tube radiogène à anode tournante, comportant une anode tournante ( 6) montée sur paliers magnétiques et au moins un dispo- sitif ( 40) destiné à écouler le courant anodique du tube ( 1), carac- térisé en ce que ce dispositif ( 40) comporte en position fixe une anode creuse ( 17), à l'intérieur de laquelle une cathode ( 16) est couplée en rotation à l'anode tournante ( 6), l'anode creuse ( 17) étant associée à des moyens de chauffage ( 21,45,32) et reliée au pôle positif (+ HT) de la haute tension et la cathode ( 16) étant électri- quement reliée à l'anode tournante ( 6), de manière à assurer le passage du courant anodique. 2 Tube radiogène selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage ( 21,45,32) comportent un filament chauffant ( 21) disposé autour de l'anode creuse ( 17) pour le chauf- fage de cette dernière. 3 Tube radiogène selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filament chauffant ( 21) est entouré par un reflecteur thermi- que ( 32). 4 Tube radiogène selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffage ( 21,45,32) comportent en outre un générateur basse tension ( 45) coopérant avec le filament chauf- fant ( 21) et l'anode creuse ( 17),pour réaliser entre ces deux derniers une différence de potentiel permettant un bombardement électro- nique de l'anode creuse ( 17). Tube radiogène selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode creuse ( 17) constitue une enceinte close faisant office de four pour le chauffage de la cathode ( 16). 6 Tube radiogène selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cathode ( 16) est creuse. 7 Tube radiogène selon Pune des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode creuse ( 17) et la cathode ( 16) ont des formes conformées pour que leurs surfaces, respectivement inté- rieure et extérieure ( 36,33) soient à une distance (D) constante. 8 Tube radiogène selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode creuse ( 17) et la cathode ( 16) ont la forme d'une sphère. 9 Tube radiogène selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode creuse ( 17) et la cathode ( 16) ont une forme cylindrique.