Brevet FR2569050A1 — publié le 19860214

-La présente invention concerne les tubes à rayons X, et a notamment pour objet une anode tournante pour tube à rayons X, ainsi que le tube à rayons X équipé de ladite anode tournante. Les tubes à rayons X à anode tournante conforme à l'invention peuvent être utilisés en médecine pour le diagnostic et la tomographie, ainsi qu'à des fins de défec- toscopie dans diverses branches de l'industrie: constructions mécaniques, constructions d'appareillages, métallurgie, etc. On connaît une anode tournante pour tube à rayons X, réalisée sous forme d'un disque pourvu d'un' revêtement noircissant à sa surface, ce revêtement se composant d'oxyde d'aluminium et de bioxyde de titane (brevet R.F.A nO 2 443 354 du 05.04.79) déposés sur ladite surface par projection au plasma. Ce revêtement d'oxydes est caractérisé par un bas coefficient d'émission, s'élevant à environ 0,3, du fait que les oxydes employés pour réaliser le revêtement sont de couleur blanche, et l'accroissement du coefficient d'émission d'une anode ayant un tel revêtement n'est conditionné -que par la rugosité des particules fondues-. En outre, le revêtement d'oxydes a une faible conductivité thermique. Pour obtenir un revêtement d'oxydes à bonne résistance mécanique, aucun procédé autre que la projection au plasma n'est applicable. Or la mise en oeuvre de ce procédé requiert un matériel compliqué et des températures élevées dépassant le point de fusion du matériau du revêtement, aussi l'application du revêtement s'accompagne-t-elle d'une altération de 1 structure et d'une fusion superficielle des particules de poudre, et par conséquent, d'une altération des caractéristiques des matériaux de départ et du revêtement. La présence, à la surface de l'anode tournante, -de contraintes internes apparaissant sous l'effet des charges thermiques au-cours de la réalisation du revêtement et dues à la différence importante des coefficients de dilatation thermique des matériaux du disque et du revêtement entraîne l'apparition de fissures dans le revêtement et l'arrachement des particules du revêtement lors de la rotation de l'anode. Pendant le fonctionnement, l'oxygène entrant dans la composition des oxydes peut se dégager du revêtpment,ce qui rend défavorables les conditions de fonctionnement de la cathode aux hautes températures. En conséquence l'utilisation de l'anode connue dans les tubes à rayons X est à l'origine de la puissance relativement basse et de la faible longévité de tels tubes. Un accroissement de la longévité et de la puissance des tubes à rayons X par accroissement du coefficient d'émission de la surface de l'anode tournante pendant le fonctionnement du tube à rayons X a été obtenu en employant dans les tubes une anode tournante à disque en alliage de molybdène contenant du carbone, avec une piste focale en tungstène ou alliage de tungstène ayant à sa surface un revêtement noircissant à deux couches.La couche principale extérieure du revêtement de l'anode connue se compose de plusieurs oxydes ou d'un mélange de plusieurs métaux et de plusieurs oxydes, tandis que la couche intermédiaire, d'une épaisseur-de 10 à 200 m, située entre le disque et la couche principale, est réalisée en molybdène et/ou tungstène (demande de brevet français nO 2 521 776, publiée le 19.08.83). Une stabilisation des propriétés du revêtement (résistance mécanique et coefficient d'émission) au cours du fonctionnement du tube à rayons X en cas d'emploi d'une telle anode a été obtenue grâce à la présence de la couche intermédiaire de métal réfractaire, compensant partiellement la différence des propriétés physico-mécaniques des matériaux du disque et de la couche principale du revêtement. Malgré ses avantages, une telle conception ne permet pas une amélioration notable des caractéristiques des tubes à rayons X équipés d'une telle anode, et ce, pour des raisons inhérentes audites anodes tournantes à revêtement noircissant contenant des oxydes. En outre, le processus de fabrication de l'anode connue est compliqué, car il comprend l'application de plu sieurs couches, d'où son prix de revient élevé. On s'est donc proposé de créer une anode tournante pour tube à rayons X ayant un revêtement dont la composition et la structure seraient telles qu'elles lui confèreraient une grande résistance mécanique et un haut coefficient d'emission, ainsi que de créer un tube à rayons X équipe d'une telle anode et qui aurait une puissance et une longévité accrues. La solution consiste en une anode tournante pour tube à rayons X, réalisée en forme d'un disque dont la surface comporte au moins partiellement un revêtement noircissant contenant un métal, anode dans laquelle, d'après l'invention, le revêtement noircissant est constitué par une composition poreuse frittée, formée de grains de titane, principalement à structure dentritique, d'une grosseur de 0,5 à 150P m, et par au moins un métal réfractaire à point de fusion supérieur à 25000C, la proportion de métal réfractaire dans ladite composition étant de 5 à 60 6 en masse Dans le cas d'un disque d'anode réalisé en métal réfractaire, il est avantagez que le métal réfractaire choisi pour le revêtement soit le même métal que celui du disque de l'anode. Il est connu que la valeur du coefficient d'émission de la surface de l'anode tournante du tube à rayons X est déterminée par la couleur et la rugosité de sa surface, ainsi que par la porosité de la couche superficielle. L'application, sur la surface de l'anode tournante, d'un revêtement constitué seulement par des métaux, conformément à l'invention, a permis de donner à la surface une couleur plus sombre que celle des surfaces revêtues d'oxydes tua1203 et TiO2). La surface constituée par la composition frittée de mtaux a un coefficient d'émission bien plus élevé que celui d'une surface en oxydes superficiellement fondus, car leur frittage à des températures ne dépassant pas 12000C n' altère pas la structure ni les caractéristiques physicomécaniques des constituants de la composition. En outre, conformément à l'invention, l'accroissement du coefficient d'émission de la surface de l'anode tournante est obtenu grâce à la rugosité et à la porosité élevées de la couche superficielle, résultant de la structure dendritique des grains de titane, dont une particularité -caractéristique est leur forme irrégulière à surface développée et à grand nombre de points de contact, les grains de titane s'accrochant entre eux, au métal réfractaire et au matériau du disque à ces points lors du frittage. Pour accroître la longévité et la puissance du tube à rayons X, il est avantageux d'employer des anodes tournantes réalisées conformément à l'invention. L'emploi d'une anode tournante pour tube à rayons X, réalisée conformément à l'invention, assure un accroissement de la longévité et de la puissance au tube à rayons X de 1,3 à 1,6 fois, grâce à l'abaissement de la température de l'anode pendant le fonctionnement du tube, ce qui résulte de l'augmentation du coefficient-d'émission du revêtement. D'autre part1 l'abaissement de la température de l'anode permet, pour une puissance nominale donnée du tube à rayons X, de diminuer l'épaisseur et par conséquent la masse de l'anode tournante, ce qui permet une diminution de la charge exercée sur les roulements, d'où une augmentation de leur durée de vie, ainsi que, par conséquent, de la durée de vie de tout le tube. Un accroissement de la longévité du tube à rayons X comportant une anode tournante conforme à l'invention est obtenu aussi grâce à la grande résistance mécanique du revêtement noircissant, capable de supporter sans destruction de hautes charges mécaniques (rotation à une vitesse de 9000 tr/min et plus) et thermiques (10000C). La solution technique faisant l'objet de l'invention présente en outre une série d'avantages supplémentaires: - aptitude du revêtement à améliorer le vide dans le tube à rayons X, ce qui contribue aussi à un accroissement de sa longévité; - accroissement de l'efficacité d'utilisation du matériel à rayons X, grâce à la réduction de la durée de refroidissement de l'anode et des interruptions dans le fonctionnement du matériel;; - abaissement du prix de revient de l'anode tournante et, par conséquent, de tout le tube, grâce à la diminution des dépenses de matériaux coûteux pour la fabrication de l'anode L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs,avec références au dessin unique non limitatif annexé dans lequel: - la figure 1 représente une anode tournante pour tube à rayons X conforme à l'invention (coupe transversale); - la figure 2 représente un tube à rayons x à anode tournante conforme à l'invention (coupe partielle). L'anode tournante pour tube à rayons X, représente sur la figure 1, comprend un disque 1 sur la surface duquel est déposé un revêtement noircissant 2. La revêtement 2 peut être déposé sur toute la surface du disque 1, à l'exclusion de la piste focale, comme montré sur la figure 1, ou bien sur une partie quelconque du disque 1. Le revêtement 2 est une composition poreuse frittée constituée de grains de titane, principalement à structure dendritique, d'une grosseur de 0,5 à îsoft m, et d'au moins un métal réfractaire à point de fusion supérieur à 25000C, la proportion de métal réfractaire dans la composition étant de 5 à 60% en masse. Un tel composé fritté présente une grande résistance mécanique, font en permettant de conserver la forme et les caractéristiques des constituants de départ. La grande porosité et la résistance mécanique élevée du revêtement 2 sont aussi assurees grâce à l'emploi, dans la composition, d'un mélange de grains de titane de différentes grosseurs, comprenant des grains de 0,5 à 150/ m. Quand la grosseur des grains de titane est inférieure à 0,5Jlm, la porosité du revêtement 2 diminue car la forme des grains se rapproche d'une forme sphérique, dont une particularité caractéristique consiste en ce qu'elle résulte en la formation d'un assemblage compact. D'autre part, quand la grosseur des grains de titane dépasse 150* m, il peut se produire des arrachements de particules du revêtement 2 lorsque l'anode tourne à grande vitesse (9000 tr/min ou plus). Une grande influence est aussi exercée sur les paramètres de l'anode du tube à rayons X par la résistance mécanique de ravêtement 2, due à la correspondance des propriétés physico-mécaniques des matériaux du disque 1 et du revêtement 2, notamment à la correspondance de leurs coefficients de dilatation thermique. De telles conditions sont obtenues en employent un revêtement 2 constitué seulement par des métaux et en faisant entrer dans la composition du revêtement un métal réfractaire. L'utilisation, dans le revêtement, d'un métal réfractaire à point de fusion supérieur à 25000C assure un bon accrochage du métal du revêtement 2 à l'anode, car le matériau employé pour l'anode est d'ordinaire lui aussi un métal refractaire à point de fusion supérieure à 25000C. Dans ce cas, le métal réfractaire utilise dans la composition du revêtement noircissant 2 est le même que celui dont est fabriqué le disque 1 de l'anode. Par exemple, si le disque 1 de anode est réalisé en tungstène, le métal réfractaire choisi pour le revêtement est lui aussi en tungstène. Si le disque 1 de l'anode est composite ou en alliages de métaux réfractaires, il est avantageux d'employer dans la composition du revêtement noircissant 2, en association avec le titane, un mélange de metaux réfractaires conférant au revêtement 2 des caractéristiques physico-mécaniques correspondant à celles du matériau dont est fabriqué le disque 1 de l'anode. Par exemple, si le disque 1 de l'anode est en Mo et W, le revêtement noircissant contient en tant que constituants réfractaires Mo et W. En outre, l'addition d'un constituant réfractaire permet de réaliser le traitement de l'anode à une température pouvant aller jusqu'à 1200 C ce qui cree les conditions nécessaires à l'obtention d'un revêtement ayant une bonne résistance mécanique, capable de supporter des vitesses de rotation de l'anode de 9000 tr/min ou plus. La présence d'un métal réfractaire dans la composition entrave la fusion superficielle des grains de titane, ce qui assure l'obtention sur l'anode d'une surface de structure hautement poreuse. Quand la composition employée pontiez moins de 5% en masse de métal réfractaire, les grains de titane peuvent fondre superficiellement pendant le fonctionnement du tube à rayons X, provoquant ainsi une perte de porosité et, par conséquent, des propriétés noircissantes de la couche superficielle de l'anode tournante. Quand le taux de métal réfractaire dépasse 60% en masse, la porosité de la surface, déterminée principa lement par la structure dendritique des grains de titane, diminue elle aussi. La figure 2 représente un tube à rayons X comportant un sous-ensemble anodique 3 qui comprend une anode tournante constituée par un disque-anode.1 à revêtement noircissant 2 monté à l'aide d'un arbre 4 dans des paliers 5, et un sous-ensemble cathodique 6 avec une tête cathodique 7. Tous les éléments énumérés sont enfermés dans une enveloppe 8 de verre. Quand le tube à rayons X fonctionne, le sous-ensemble anodique 3 tourne à une vitesse de 3000 à 9000 tr/min, et quand la tension de chauffage est appliquée à la cathode située dans la tete cathodique 7, il y a émission d'élec trons qui sont accélérés par le champ électrique engendré entre le sous-ensemble anodique 3 et la tête cathodique 7. Les électrons freinés dans le disque-anode 1 engendrent un rayannement X. Si 1 'énergie des électrons est suffisante,ils provoquent aussi -la génération d'un rayonnement X caractéristique, déterminée par le matériau de l'a node; le disque-anode 1 est alors réchauffé jusqu'à une température d'environ 100Û0C. Si le disque-anode 1 comporte un revêtement 2, grâce à l'augmentation du coefficient d'émission de la surface, due à sa structure poreuse et rugueuse et à la couleur sombre des métaux constitutifs, la température de l'anode diminue jusqu'à 750-8000C pour un même régime de fonction nement du tube à rayons X, ce qui accroît la puissance du tube à rayons X. Quand le tube à rayons X fonctionne, l'anode tour natte est soumise à de fortes charges thermophysiques et mécaniques. La longévité des tubes à rayons X est principalement déterminée par la longévité de l'anode tournante et la durée de vie de ses paliers, car la durée de vie de ces éléments constitutifs est bien plus courte que celle des autres organes. L'accroissement de la longévité de l'anode elle-même et l'accroissement de la puissance du tube à rayons X équipé de ladite anode sont assurés par l'amélioration des propriétés physico-mécaniques de la surface de l'anode. D'autre part, la durée de vie des paliers de l'anode tournant peut, pour une puissance donnée, être augmentée en diminuant la masse de l'anode tournante. On a fabriqué conformément à la figure 1 un disqueanode tournant 1 pour tube à rayons X d'un diamètre de 1CO mm et d'une épaisseur de 3,5 mm, en tungstène. Un revêtement 2 contenant 70% en masse de mélange de grains de titane, de structure essentiellement dendritique, constitué de grains d'une grosseur de 5 à 150* m, et 30% en masse de tungstène, a été déposé sur la surface du disque 1. Pour déposer le revêtement 2, les constituants de départ ont été soigneusement mélangés par un procédé mécanique et le dépôt du mélange obtenu sur la surface du disque 1 a été effectué par un procédé approprié quelconque, connu en soi. Ensuite le disque-anode 1 portant le revêtement 2 a été placé dans un four a vide, dans lequel on a réduit la pression jusqu'à une valeur ne dépassant pas 1,3.10 3Pa, puis la température du four a été élevée progressivement. Pendant le chauffage, la pression régnant dans le four à vide était contrôlée en permanence et sa valeur pendant la montée de la température ne dépassait pas 1,3,10-1Pa. Quand la température du four a atteint 8000C, on y a réduit la pression jusqu'à une valeur ne dépassant pas 1,3.10-3Pa. Ensuite, au cours de la montée de la température jusqu'à 10000C, valeur à laquelle le frittage du revêtement a été effectué pendant 15 min, la pression régnant dans le four à vide ne dépassait pas 1,3.10 Pa. Après refroidissement et défournement, l'anode avait une surface rugueuse régulière de couleur gris foncé. La porosité du revêtement obtenu, déterminée par la méthode de pesée, était de 68%. Le coefficient d'émission du revêtement obtenu, déterminé suivant la loi de Stefan-Boltzmann, s'est élevé à 0,7. D'autres variantes de réalisation de l'invention et les résultats des essais exécutés sont donnés dans le tableau ci-après des caractéristiques comparatives (porosité et coefficient d'émission) de revêtements noircissants de diverses compositions sur des disques en W, Mo, RTM (rhénium, tungstène, molybdène). Tableau Caractéristiques comparatives (porosité et coefficient de rayonnement) de revêtements noircirssants de diverses compositions sur des disques en W, Mo, RTM Matériau du Composition Coefficient disque-anode du revêtement, d'émission Porosité tournant % en masse E Ti = 95 W W = 5 0,65 64 Ti = 70 W W = 30 0,70 68 Ti = 40 W W = 60 0,60 61 Ti = 70 Mo Mo = 30 0,69 68 Ti = 70 RTM W = 15 Mo = 15 0,68 66 En fonction des éxigences concrètes auxquelles doivent satisfaire les tubes à rayons Xg le disque-anode 1 peut comporter un revêtement 2 réalisé conformément à l'invention sur une partie quelconque de sa surface, ou bien sur toute sa surface; a l'exclusion de la piste focale. La fabrication de l'anode conformément à l'invention assure un abaissement de 200 à 300 C de sa température au cours du fonctionnement du tube à rayons Ycomparativement à une anode sans revêtement, et de 100 à 1500C,comparati- vement à une anode revetue d'oxydes du type il203 ou TiO2. Les essais comparatifs de tubes à rayons X comportant des anodes revêtues d'oxydes et des anodes fabriquées conformément à l'invention, à différents régimes de radiographie, ont montré que la puissance nominale des tubes à rayons X comportant des anodes réalisées conformément à l'invention est de 1,3 à 1,6 fois plus élevée. Lors des essais des tubes à rayons X au régime de radiographie à pointage précis, avant le commencement d'une série de clichés, la température de l'anode réalisée selon l'invention était rendue égale à celle de l'anode portant un revêtement d'oxydes par accroissement de la puissance. Les clichés étaient exécutés ensuite. Après le troisième cliché, la température de l'anode réalisée selon l'invention se stabilisait et ne dépassait pas la température établie avant le commencement de la série de clichés, alors que la température de l'anode à revêtement d'oxydes augmentait, ce qui rendait nécessaire le débranchement périodique des tubes pour leur refroidissement. L'emploi d'anodes réalisées conformément à l'invention permet d'utiliser pour la tomographie des tubes à rayons X de diagnostic à anode RTM tournante d'une masse de 0,7 kg, prévues aussi pour une vitesse de rotation de l'anode de 9000 tr/min. Après l'exécution des essais de longévité d'un tube à rayons X comportant une anode tournante réalisée confor mément à l'invention, le tube a été ouvert afin d'apprécier la qualité du revêtement de l'anode tournante. Les investigations effectuées au microscope ont montré que l'anode ne présentait.ni dégradations mécaniques, ni fusions superficielles du revêtement. REVENDICATIONS 1. Anode tournante pour tube à rayons X,du type réalisé sous forme d'un disque (1) dont la surface est recouverte au moins partiellement d'un revêtement noircissant (2) contenant un métal, caractérisée en ce que le revêtement noircissant (2) est constitué par une composition poreuse frittée, formée de grains de titane de structure principalement dendritique, d'une grosseur de 0,5 à 150jl( m, et par au moins un métal réfractaire à point de fusion supérieur à 2500"C, le taux de métal réfractaire dans ladite composition étant de 5 à 608 en masse. 2. Anode tournante pour tube à rayons X, selon la revendication 1, dans lequel le disque (1) est réalisé en métal réfractaire, caractérisé en ce que le métal réfractaire utilisé dans le revêtement (2) est le même que celui du disque-anode 1. 3. Tube à rayons X à anode tournante, caractérisé en ce que l'anode tournante est réalisée conformément à l'une des revendications 1 et 2.