Brevet FR2548829A1 — publié le 19850111

TUBE A RAYONS X A ANODE TOURNANTE MNUNI D'UN DISPOSITIF D'ECOULEMENT DES CHARGES L'invention concerne un tube à rayons X à aiode tournante muni d'un dispositif d'écoulement des charges, dans lequel, le courant anodique constitué par ces charges est écoulé sans contact matériel entre les parties fixes et les parties tournantes du tube, ce 5 dernier étant du type à paliers magnétiques Un tel tube à rayonx X est applicable à tous les domaines de la radiologie et notamment à celui du diagnostic médical. Les tubes à rayons X pour diagnostic médical sont généralement constitués comme une diode cdest-a-dire par deux électrodes; 10 l'une des électrodes, appelée cathode est emettrlce d'électrons, l'autre électrode est appelée anode ou anticathode, et reçoit ces électrons sur une petite surface qui constitue le foyer Ces électrodes sont enfermés dans une enveloppe étanche au vide, et permettant l'isolement électrique entre les deux électrodes. La cathode comporte une piece de concentration, dans laquelle est logé un filament chauffé qui constitue la source d'électrons. Quand la haute tension est appliquée aux bornes des deux électrodes, de façon que la cathode soit au potentiel négatif, un courant dit anodique, s'établit dans le circuit au travers du générateur de cette 20 haute tension, ce courant traversant l'espace entre la cathode et l'anode sous la forme d'un faisceau d'électrons dont l'intensité dépend de la température du filament; cette température étant fonction de la puissance électrique dissipée dans ce filament Aussi, l'intensité du courant anodique dépend de la valeur de la haute 25 tension appliquée entre cathode et anode, mais également de la puissance dissipée dans le filament; la quantité de rayons X émis au foyer étant pour une valeur donnée de cette haute tension, proportionnelle à l'intensité du courant anodique. La grande majorité des tubes à rayons X pour diagnostic, 30 actuellement utilisés, comportent une anode tournante dont la rotation est encore couramment assurée grâce à des paliers mécaniques, munis de roulements à billes. Dans ces types de tubes, le seul contact matériel entre les parties tournantes qui comportent l'anode et des parties fixes qui comportent la broche connectée à la polarité positive de la haute tension, est réalisé par les billes de ces roulements; tout le courant anodique passant par les points de contact de ces billes Il est connu que les tubes à paliers mécaniques ont une durée de vie raccourcie, du fait notamment de l'usure des roulements à billes; l'une des 10 causes d'usure étant due à la lubrification qui, du fait du vide existant dans le tube, est une lubrification sèche. Une amélioration importante consiste à monter l'anode tournante avec des paliers magnétiques Ceux-ci comportent généralement des électro-aimants montés deux à deux en opposition, qui 15 créent des champs magnétiques sous l'influence desquels un rotor, solidaire de l'anode tournante dont il assure la rotation, est maintenu en équilibre; l'anode tournante et les pièces mécaniques qui raccompagnent en rotation, n'ont ainsi plus de contact mécanique avec le reste du tube à rayons X. Ceci pose un nouveau problème qui réside en ce que Panode, étant mécaniquement isolée du reste du tube, elle l'est également électriquement; aussi sa connexion à la haute tension et l'écoulement du courant anodique nécessitent dans de tels tubes, la mise en place de moyens capables d'assurer ces fonctions. Des solutions proposées sont souvent des systèmes à frotteur 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 ano30 dique sans contact mécanique, utilise l'émission d'électrons générés par des cathodes thermo-émissives, liées mécaniquement à l'anode tournante; ces électrons étant captés par l'anode fixe. L'une des principales difficultés est alors de fournir, à ces cathodes thermo-émissives, mises en rotation, l'énergie nécessaire à 25 UQ 829 élever leur température à un niveau suffisant pour répondre aux lois de l'émission thermo-électroniqueo Une autre dificu'té rencontrée dans cette solution, réside dans la stabilisation en température des cait 'odes thiermo-miss'ves le courant anodlque du tube dépendant galement ainsi u'il a et dit précédemment, de la température de la source d'électrocs. La orse 'oe invention concerne un tube à rayonx X à anode tournante muni d'un dispositif d'écoulement des charges, du type a paliers magnétiques, permettant d'écouler le courant anodique sans 10 contact matériel entre les parties fixes et les parties tournantes du tube, sans nécessiter l'emploi de source d'électrons thermo-émissive contrairement à la tendance générale. Selon l'invention, un tube à rayons X à anode tournante muni d'un dispositif d'écoulemient des charges, ces charges constituant ie 15 courant anodique du tube, ce dernier étant du type comportant des paliers magnétiques, ledit dispositif étant muni d'un émetteur d'électrons électriquement relié à l'anode tournante et d'un collecteur d'électrons électriquement relié au pôle positif de la haute tension du tube, est caractérisé en ce que l'émetteur, couplé en 20 rotation à l'anode tournante, comporte au moins une pièce ayant une extrémité elfilée constituant une zone émissive d'électrons, ces électrons étant captés par le collecteur maintenu en position fixe, de manière à établir le courant anodique entre l'émetteur et le collecteur sans contact matériel entre ces derniers et sans néces25 siter le chauffage de l'émetteur. Dans un tube à rayons X conforme à l'invention, les extrémrnités effilées dont est muni l'émetteur, formées par des pointes ou des lames, ont un rayon de courbure de leurs extrémités suffisamment faible pour déterminer un facteur multipiicateur au champ élec30 trique existant à la surface de ces extrémités; ceci permettant l'établissement d'un courant électronique entre l'émetteur et le collecteur, grace à des phénomènes tels que t l'effet Schottky, dans lequel la "barrière de potentiel" qui règne à la surface d'une électrode se trouve abaissée, permettant ainsi d'en augmenter l'émission électronique, notamment quand le rayon de courbure de la surface de cette électrode est très faible; l'émission froide, dans laquelle des électrons peuvent être émis par une électrode en franchissant la barrière de potentiel par effet "tunnel"' ta décharge d'arc "bas voltage'% u des 4 lectrons sont émis sous une faible Tension; le système formé par l'émetteur et _eó collecteur étant également apte à produire une émission diélectrons formant un "plasma froid", iequel constitue une source d'électrons$ Ces phénomènes éventuellement conjugués, permettent de produire entre i'éretteur et le collecteur un courant électronique important, avec une foible chute de tension non préjudiciable au bon fonctiennement du tube à rayorns X selon l'invention. L'inventicia sera mieux comprise avec la description qui suit et 15 les trois f igures annexées, parmi lesquelles: la figure I montre schét-atlquement un tube à rayons X conforme à l'invention, la figure 2 montre ie tube à rayons X selon l'invention, dans une premiere variante de ce dernier la figure 3 montre une seconde vcriante de moyens caractéristiquc du tube selon l'invention. Le tube 1 à rayons X seloen i'invention montré par la figure 1, comporte une enveloppe 2-3 étanche au vide, constituée dans l'exemple décrit par une partie isolante 2 et, une partie d'extré25 mité 3 formée par une chemi-se mî talique de faible épaisseur; une, cathode 5 portée par un support a et par la partie isolante 2, et destinée à fournir un faisceau d'éectrons FI 1 dont l'impact sur une anode tournante 6 provoque le rayonnement X. L'anode tournante 6 est centrée sur un axe longitudinal 7 du 30 tube 1, autour duquel elle est mise en rotation comme montré par une flèche 8; l'anode 6 est portée par un arbre isolant 9, constitué par exemple en matériau réfractaire et hautement isolant électrique, comme par exemple de l'alumine ou de la céramique. L'arbre 9 est solidaire d'un bloc tournant constitué par un rotor 10 f 54882 '9 flanqué à ses extrémités de parties tournantes 11,12, ces dernières constituant les parties en suspension de paliers magnétiques 1113, 12-14; des parties actives 13,14 de ces paliers magnétiques étant situées à l'extérieur de l'enveloppe 2-3, ainsi qu'un stator 15 formant 5 avec le rotor 10 un moteur assurant la rotation de l'anode tournante 6 Uin arbre fixe 16 disposé selon l'axe Iongitudinal 7 du tube 1, comporte des roulemenats de garde 1; óes roulements de gearde n'étant en contact avec les parties tournantes, qu'en cas de defaia' lance de la suspension magnétique. L'anode 6 est solidaire de l'autre côté de l'arbre isolant 9, d'un axe métallique 19 disposé selon l'axe longitudinal 7 du + tube 5 cet axe permet de lier l'anode 6 à un dispos it if 20 representé dans un cadre en traits pointillés) destiné à écouler le courant a-nodaque. Dans l'exemple non limltatif décrit, le tube 1 seion l'invention 15 est montré avec des paliers magnétiques 11-13, 12-14, disposes d:'un même côté de l'anode 6; une disposition dif M-ente, classique également, dans laquelle les paliers magnétiques sont disposes de part et d'autre de lanode, permet également la mise en oeuvre du dispositif 20 sans sortir du cadre de l'invention. Ce dispositif 20 comporte un émet eur 21, couplé en rotation à l'anode tournante 6, et un collecteur 22 en position fixe. Dans l'exemple non limitatif de la description, l'émetteur 21 est constitué d'une ermbase métallique 23, électriquement reliée à l'anode tournante 6 par t'axe métallique 19, et mufflie sur une face 25 d'extrémité 24 d'une pluraulité de pièces PI,P 2,P 3 Pn méitalliques; ces pièces PI,P 2,P 3, Pn disposées parallèlement à l'axe longitudinal 7, comportent une extrémité effilée E Il,E 2,E 3, En en forme de pointe dans l'exemple de la figure I. Les extrémités effilées EI,E 2,E 3, En peuvent être électri30 quement conductrices, comme dans l'exemple non limitatif décrit ou elles sont chacune obtenues de matière avec une pièce Pi,P 2,P 3, Pn métallique Ces extrémités effilées EI,E 2,E 3, En peuvent également être non conductrices, et par exemple constituées en matériau de faible numéro atomique comme le Bore ou le Béryllium ou un composé de ces matériaux; une telle composition des extrémités effilées El,E 2,E 3, En permettant de favoriser la production d'un plasma froid, iequel constitue une source d'électrons, ainsi qu'il a été précédemment mentionné. De même que l'anode tournante 6, les pièces PI,P 2,P 3, Pn sont mises en rotation autour de "'axe longitudinal 7; la rotation des extrémités effilées EI,E 2,E 3, En s'effectue dans un plan parallèle à une face collectrice 30 du collecteur 22, et en vis-à-vis de cette face collectrice 30. Le collecteur 22, constitué en cuivre par exemple, est maintenu dans l'exemple non limitatif décrit par un support électriquement conducteur 31, par lequel il est relié à une première traversée 32; cette première traversée 32 est disposée sur une embase étanche 33 que comporte l'enveloppe 2 La haute tension 15 nécessaire au fonctionnement du tube est fournie d'une manière connue par un générateur 35 haute tension, et une sortie positive + HT est reliée à la première traversée 32 pour être appliquée au collecteur 22; une sortie négative HT du générateur 35 est reliée à une seconde traversée 37, pour être appliquée d'une manière clas20 sique à la cathode 5, celle-ci comportant également d'une manière connue d'autres connexions (non représentées), nécessaires à son fonctionnement. Les conditions nécessaires à '"évacuation des charges négatives, produites au niveau de l'anode tournante 6 par le bombar25 dement du faisceau d'électrons FI que génère la cathode 5, sont ainsi réalisées. L'écoulement de ces charges, lesquelles constituent le courant anodique, est obtenu par une émission (non représentée) d'électrons par l'émetteur 21, et plus précisément par les extrémités effilées 30 El I,E 2,E 3, En qui constituent des zones émissives d'électrons; ces électrons étant captés par le collecteur 22 sans contact matériel entre ce dernier et l'émetteur 21. Cet agencement d'un tube 1 à rayons X selon l'invention, est particulièrement avantageux en ce qu'il permet d'assurer l'écoule- r J 48 l=l',;du C n U-,f-' is 5,r-r S-C ^ -:arxl entre les pa >iqu anes ç, : e; p:;e S; +u, -i)} e' óeter:éeinman u au niveau dce Waoe 'o: N ae$ un-; at'_ - hau-e tension + HT pu 2:i: _e +^L adupplquée au colec5 te-ur 22; a ob,_?, sa,- éss _r aensi eue dans rart ;.::'e' m'^ =lreme if a t e, s: pi-ambe d&s toyens de ,::: z;' ?Od, _;_ -:',_e o e':e -L 'n j r r Je o ns dkune ca-hoCe a X _, urr-e, d Ce' a S: ourne pir erte cab-ode: ' ne -c Es pi a ere e " O,rnr gi te f o" Dans le -;ube ' sr-lon i i:sfenfi L L I cao:iii de généerer des t-ec}rons par =',oe: '_ 21 eltann liipalenen; liée S des caractristiques g Eométriques du dspospo f e%& par-iculiirement la courbure de la surface 9 nn representee) des ex,-réités effil Ees i 5 E Ll E 2,E 3 e i En, le c ourn:: dique -, pour une aieur donnée de la haute tenskio-, pflîn% ymetnhm; par les charges accumulees au nive'u de j "'ourn-: '-e 6 Sous le bom Sardemen du faisceau de-iectrons 7 seton Pappoicaon sprv ue 9 du tube I conforme à Pinvention, ia distance D ccnsti-9 ue pa e= ac entre une ex"réz rmité eflife ra E:-,* E'600 et -i c oitlicólc 30 peut varier de rieme l 'e non-mbre d'e pèces P 2,P 3 " Pn dextrémitês effilees qui peut ere ll'ie a 72 e entee 23 par e em lee Dans une réa Mlsa'-fon f r:r tcaée 2 titre d'exe-mple non liramiaif f es c Nz qu es du dispos 15 l sont es suan":es ' a iase extrernité 24 de 9 emibase 23 comporte une surface irc-îracre rc'ant un diamètre di de 20 iwn une lonigueur L des pièces P 2 PP 30 Pn es de l Onm; ces pieces mo;aliiques etant au neom'e de 50 et repartie S uni'ormemen' sur la lace adextrémé,é 24; 3 3 la distan Ce 1 D) entre une exwenmit effilee * la face collectrice 30 es de G' mm a eriision Dtalle par le génirateur entre sa sortie positive + HT et sa sor;ie négative l T est de 150 KV; courant aniodïque est de A mpère la différence de potentiel entre le pôle positif + HT et la haute tension au niveau de l'anode + HT' étant de 2 KV. Le tube I à rayons X selon l'invention peut comporter un dispositif 20, pour l'écoulement sans contact matériel du courant anodique, agencé de manière différente comme le montre la figure 2; cette version du dispositif 20 étant compatible aussi bien, avec un tube I selon l'invention montré par la figure 1, qu'avec un tube I muni de paliers magnétiques 11-13, 12-14 disposés de part et d'autre de l'anode tournante 6, ainsi que le montre également la 10 ffigure 2. Le tube I selon l'invention montré par la figure 2, comporte une enveloppe 2-3 étanche au vide, constituée par la partie centrale isolante 2 et, par des parties d'extrémités 3 formées par des chemises métalliques de faible épaisseur; la cathode 5 portée par la 15 partie centrale isolante 2, est destinée à fournir le faisceau d'électrons (non représenté) dont l'impact sur l'anode tournante 6 provoque le rayonnement X L'anode tournante 6 est portée par un arbre 17 métallique, solidaire du rotor 10; ce roter 1; O forme avec un stator 15 situé à l'extérieur de l'enveloppe 2-3, le moteur assurant la 20 rotation de i'anode tournante 6 autour de l'axe longitudinal 7, selon la flèche 8 L'arbre 17 est également solidaire à ses extrémités 4, des parties tournantes 11,12, qui constituent les parties en suspension des pal:ers magnétiques 11-13, 12- 14; les parties actives 13,14 de ces paliers magnétiques étant situées à l'extérieur de 25 l'enveloppe 2-3 A l'intérieur de cette enveloppe sont disposés les roulements de garde 18, situés en vis-à-vis des extrémités 4 de l'arbre 17, avec lequel ces roulements 18 ne sont en contact qu'en cas de défaillance de la suspension magnétique. Dans cette version, le dispositif 20 est disposé entre l'anode 30 tournante 6 et le rotor 10. L'émetteur 21 est supporté par l'arbre métallique 17, par lequel il est électriquement relié à l'anode tournante 6, est mis comme cette dernière en rotation autour de l'axe longitudinal 7 selon la flèche 8 L'émetteur 21, centré sur l'axe longitudinal 7 tourne à l'intérieur du collecteur 22 qui a une forme creuse, constituée dans l'exemple non limitatif décrit par un cylindre Le collecteur 22 centré sur l'axe longitudinal 7, est supporté par le support 31 qui aboutit à la première traversée 32; il comporte sur 5 des parois 50 perpendiculaires à l'axe longitudinal 7, des ouvertures 51 permettant le passage de l'arbre 17. L'émetteur 21 comporte comme dans l'exemple précédent une embase métallique 23, laquelle est munie sur sa paroi 40 parallèle à l'axe longitudinal 7, de N pièces PI,P 2,P 3, Pn dont les extrémités en forme de pointes constituent les extrémités effilées El,E 2,E 3, En Dans l'exemple non limitatif décrit, ces pièces PIP 2,P 3, Pn sont disposées selon des axes A Il A 2, An parallèles entre eux et perpendiculaires à l'axe longitudinal 7, de manière que les extrémités effilées El,E 2,E 3, En décrivent en rotation des cercles (non représentés), inférieurs à un diamètre intérieur d 2 du collecteur 22 et centrés sur cet axe longitudinal 7 Les extremités effilées EI,E 2,E 3, En tournent à l'intérieur du collecteur 22, et ainsi que dans l'exemple précédent, en vis-à-vis de la face collectrice 30; cette dernière, dans l'exemple décrit est courbe, étant 20 constituée par une paroi cylindrique 41 du collecteur 22. La sortie positive + HT du générateur haute tenion 35, est reliée aux parois d'extrémités 3, ainsi qu'à la première traversée 32 pour être appliquée au collecteur 22 et, la sortie négative HT est comme précédemment reliée à la cathode 5 Dans cette confi25 guration, les parties actives 13,14 des paliers magnétiques 11-13, 12-14 et le stator 15 sont portés au potentiel + HT d'une manière classique non représentée; les parties en suspension 11, 12 et le rotor 10 étant au potentiel + HT' de Panode 6. L'émission d'électrons s'opère d'une même manière que dans 30 l'exemple précédent, par les extrémités effilées El,E 2,E 3 En qui sont en permanence en vis-à-vis de la face collectrice 30, à une distance O (non représentée sur la figure 2) constante de cette dernière. La figure 3 montre à titre d'exemple non limitatif, le dispositif 20 comportant une variante des extrémités effilées EI,E 2,E 3, En. Comme dans l'exemple de la figure 2, le collecteur 22 est 5 creux et contient l'émetteur 21, mals dans cette nouvelle configuration, les extrémités effilées El,E 2,E 3 En sont constituées par le "fil du rasoir" de N lames métalliques qui représentent les pièces Pl,P 2,P 3, Pn;n étant dans l'exemple décrit égal à 2 pour plus de clarté de la figure 3 Les pièces PI,P 2 ont la forme de lames de 10 rasoir, dont le fil du rasoir forme d'une manière avantageuse les extrémités effilées EI,E 2. Les pièces Pl,P 2 en forme de lames, sont solidarisées à l'embase 23 de manière classique, par brasure par exemple (non représentée) et sont disposées de manière que le plan qu'elles 15 constituent chacune comprenne l'axe longitudinal 7, autour duquel elles sont mises en rotation selon la flèche 8; chaque extrémités effilée EI,E 2, formée par le fil du rasoir d'une lame P 1,P 2, étant dans cette rotation toujours en vis-à-vis de la face collectrice 30, comme il a été précédemment expliqué. L'utilisation d'extrémités effilées El,E 2, En formées par le "fil du rasoir" de pièce PI,P 2, Pn en forme de lame effilée, est applicable également à l'exemple de la figure I; les pièces Pl,P 2 Pn en forme de lame pouvant dans ce cas être disposées sur la face dextrémité 24 de l'embase 23, selon des plans parallèles à 25 l'axe longitudinal 7. D'autres dispositions peuvent être réalisées, mais qui restent dans le cadre de l'invention tant qu'elles consistent à disposer d'une part, un émetteur 21 d'électrons électriquement relié à l'anode 6, couplé en rotation à cette dernière et comportant des pièces 30 Pl,P 2, Pn aux extrémités effilées El,E 2, En, et d'autre part, un collecteur 22 en position fixe relié au pôle positif + HT de la haute tension, et comportant une face collectrice 30 disposée en vis-à-vis d'une ou d'une pluralité de ces extrémités effilées. :2548 t 829 Un eues a rayons X scié ?inren-:o 2 dans lequel écoulemrent du courant aoque i, ' '_:t du po 'ent;-gil + H Tde l'anode 6 ou aelsu To d Aune manii su e est applicable à la *Irod Ucvson fée raycn L Aieni ' REVENDICATIONS 1 Tube à rayons X à anode tournante muni d'un dispositif d'écoulement des charges, ces charges constituant le courant anodique du tube ( 1), ce dernier étant du type comportant des paliers magnétiques ( 11-13, 12-14), ledit dispositif ( 20) étant muni d'un émetteur ( 21) d'électrons relié électriquement à l'anode tournante ( 6) et d'un collecteur ( 22) électriquement relié au p 8 le positif (+ HT) de la haute tension du tube (l), caractérisé en ce que l'émetteur ( 21), couplé en rotation à l'anode tournante ( 6), comporte au moins une pièce (PI) ayant une extrémité effilée (El) constituant 10 une zone émissive d'électrons, lesquels électrons sont captés par le collecteur ( 22) maintenu en position fixe, de manière à établir le courant anodique entre l'émetteur ( 21) et le collecteur ( 22) sans contact matériel entre ces derniers et sans nécessiter le chauffage de l'émetteur ( 2 I). 2 Tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité effilée (El) est constituée par une pointe. 3 Tube à rayons X selon la revendication I caractérisé en ce que l'extrémité effilée (El) est constituée par le fil d'une lame effilée. 4 Tube à rayons X selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'extrémité effilée (El) est métallique Tube à rayons X selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extrémité effilée (El) est constituée en un matériau de faible numéro atomique. 6 Tube à rayons X selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'extrémité effilée (El) est en béryllium ou en bore, ou en un de leurs composés. 7 Tube à rayons X selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la rotation de l'émetteur ( 21) s'effectue autour r d'un axe longitudinal ( 7), l'extrémité effilée (El) tournant en vis-àvis d'une face collectrice ( 30) du collecteur ( 22). 8 Tube à rayons X selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la face collectrice ( 30) est plane. 9 Tube à rayons X selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le collecteur ( 22) est creux, centré sur l'axe longitudinal ( 7)et contient l'émetteur ( 2 a). Tube à rayons X selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le collecteur 22 comporte une face collectrice ( 30) 10 courbe.