Brevet FR2566961A1 — publié le 19860103

La présente invention concerne de façon générale les tubes à rayons X, et elle porte plus particulièrement sur des anodes de tubes à rayons X ayant une piste focale qui présente une dimension radiale limitée, dans le but de réduire le rayonnement émis en dehors du foyer, tout en maintenent une taille de foyer constante. Les cibles de tubes à rayons X sont constituées de façon classique par un substrat à densité relativement faible, tel que du molybdène, avec une piste focale en métal réfractaire à densité élevée disposée sur ce substrat, sous la forme d'un anneau. La cathode associée est alors placée dans une position telle qu'elle émette des électrons pour bombarder la piste focale afin de pro- duire des rayons X. On donne habituellement à la largeur radiale de la piste focale une valeur suffisamment grande pour qu'elle déborde des deux côtés du faisceau d'élec- trons. De cette manière, l'alignement relatif entre la cathode et l'anode n'est pas critique, dans la mesure o, aussi longtemps que le faisceau d'électrons se trouve quelque part sur la piste focale, le foyer résultant pré- sente une taille fixe. L'un des problèmes associés aux cibles pour rayons X classiques est constitué par le rayonnement émis en dehors du foyer, dont la cause principale est la dis- persion d'électrons dit "de fuite" qui quittent le faisceau d'électrons. On atténue considérablement ce problème par l'utilisation d'une anode munie d'un écran, ou d'autres moyens de collimation, pour définir un canal fixé pour le flux d'électrons. Cette solution entraîne cependant des complications de structure supplémentaires et un coût supplé- mentaire. Une autre cause du rayonnement émis hors du foyer est relative au rayonnement émis par des électrons secondai- res. Lorsque le faisceau d'électrons bombarde la piste foca- le dans une zone radiale déterminée, on assiste non seule- ment à la génération des rayons X, mais également à la géné- ration d'électrons secondaires qui tendent à se disperser et à tomber sur d'autres zones de la piste focale, à l'exté- rieur de la limite radiale fixée. Lorsque ceci se pro- duit, des rayons X sont générés à des emplacements situés à l'extérieur de la limite radiale, ce qui produit un rayonne- ment émis hors du foyer et une réduction résultante de la résolution. Une technique pour réduire le rayonnement émis hors du foyer consisterait à limiter la largeur radiale de la piste focale de façon qu'elle soit égale à la largeur radiale du faisceau d'électrons projeté. On trouve la des- cription d'une telle structure dans le brevet des E.U.A. nO 3 795 832. Un inconvénient d'avoir des largeurs radiales égales pour la piste focale et pour le faisceau d'élec- trons, consiste en ce que tout défaut d'alignement relatif conduit à un foyer de taille réduite. Un tel défaut d'ali- gnement peut résulter d'une déviation du faisceau d'élec- trons qui est une condition qu'on peut maîtriser dans une large mesure au moyen d'un certain type de dispositif de focalisation, comme une coupelle de cathode. L'excentri- cité totale est une autre cause de défaut d'alignement, qui est virtuellement toujours présente. Il s'agit du phénomène selon lequel la distance radiale entre le centre de rota- tion et le bord de la piste focale varie lorsque l'anode tourne, ce qui fait que la piste focale oscille effective- ment par rapport au faisceau d'électrons. Dans la mesure o une certaine excentricité totale est toujours présente, un tube à rayons X ayant des largeurs radiales égales pour le faisceau d'électrons et pour la piste focale produira un foyer présentant une variation cyclique de taille. Une troisième cause de défaut d'alignement, qui est prédominante, consiste dans un défaut de positionnement du filament en direction radiale, ce qui fait que le faisceau d'électrons émis n'est pas correctement aligné avec la piste focale. L'invention a donc pour but de procurer un tube à rayons X dont le rayonnement émis hors du foyer soit réduit. Un autre but de l'invention est de parvenir à une diminution du rayonnement émis hors du foyer dans un tube à rayons X, sans faire apparattre une variation asso- ciée de la taille du foyer. Un autre but encore de l'invention est de procu- rer un tube à rayons X dont la fabrication soit économique et dont l'utilisation soit commode. Brièvement, et selon un aspect de l'invention, une anode de tube à rayons X est construite de façon que la largeur radiale de sa piste focale soit légèrement infé- rieure à la largeur radiale du faisceau d'électrons qui est émis par la cathode associée. On choisit de préférence la différence de largeurs radiales de façon qu'elle correspon- de à une dimension prédéterminée qui est égale à la valeur prévue de défaut d'alignement radial entre le faisceau d'électrons et la piste focale, cette valeur dépendant elle-même de la tolérance sur la position du faisceau d'électrons et de l'excentricité totale de l'anode. De cette manière, la taille du foyer demeurera constante tan- dis que, simultanément, la chaleur qui résulte automatique- ment du bombardement du substrat de l'anode sera minimisée. Selon un autre aspect de l'invention, le substrat de l'anode est constitué par du graphite qui est relative- ment inefficace en ce qui concerne la génération de rayons X et qui a une température-de sublimation élevée. La piste focale est constituée par du tungstène à haute densité qui est disposé dans un sillon qui a été formé dans le substrat. Le substrat en graphite est constitué par une matière dont le coefficient de dilatation thermique correspond à celui du tungstène, ce qui fait que la dilatation thermique différen- tielle entre le tungstène et le graphite à l'interface est pratiquement nulle pendant l'échauffement du tungstène (c'est-à-dire pendant le fonctionnement du tube), ce qui améliore la fiabilité de la liaison métallurgique entre le substrat en graphite et la piste focale. Une couche inter- médiaire protectrice en une matière appropriée, telle que du rhénium, peut être appliquée dans le but d'éviter la diffusion de carbone à haute température vers la piste focale en tungstène. On décrira ci-après un mode de réalisation préféré en se référant aux dessins qui montrent respectivement: Figure 1: une représentation schématique d'une anode de tube à rayons X construite conformément au mode de réalisation préféré de l'invention. Figure 2: une représentation schématique d'une cible de tube à rayons X avec un foyer conforme à l'art antérieur. Figure 3: une représentation schématique d'une cible de tube à rayons X avec un foyer conforme au mode de réalisation préféré de l'invention. On va maintenant considérer la figure 1, sur laquelle la référence 10 désigne l'application de l'inven- tion à une anode tournante 11 d'un tube à rayons X. L'anode 11 est constituée par un substrat 12 en forme de disque et par une piste focale 13 qui est réaliséesous la forme d'un anneau dans une surface biseautée 14 du substrat 12. Le substrat 12 est constitué par une matière à densité relativement faible, comme du graphite, qui a pour 256 6961 fonction de supporter la piste focale 13 et de constituer un radiateur thermique pour la chaleur produite pendant les phases de génération de rayons X. L'anode est montée de façon tournante, d'une manière classique, en position adja- cente à une cathode 16, de façon que le faisceau d'électrons 17 qui est émis par la cathode 16 soit dirigé pour tomber sur la piste focale 13 afin de produire des rayons X. La piste focale 13 consiste en un anneau 18 à den- sité élevée, formé par un métal réfractaire tel que du tungstène. L'anneau 18 peut être appliqué sur le substrat 12 par un procédé quelconque parmi plusieurs, comme par exemple par dépôt en phase vapeur, par brasage, par pulvérisation au moyen d'un plasma, ou par fixation mécanique. On pourrait effectuer le brasage en utilisant un métal d'apport à haute température approprié tel que le zirconium ou le platine. On peut réaliser une fixation mécanique similaire à celle qui est représentée dans le brevet des E.U.Ao n 3 795 832 pré- cité. Le procédé préféré est cependant le dépôt chimique en phase vapeur. Pour permettre l'installation de la piste locale 13, on forme un sillon circulaire 19 dans le substrat 12, comme représenté. On dépose ensuite dans le sillon 19 une barrière de diffusion 21 constituée par une matière appro- priée, telle que le rhénium, afin d'empêcher la diffusion de carbone à haute température du substrat vers l'anneau réfractaire 18, et d'empêcher ainsi la fragilisation de la piste focale par formation de carbure. L'anneau 183 consistant en tungstène ou en un alliage tungstène/rhénium, est ensuite formé par dépôt chimique en phase vapeur de façon à emplir le sillon 19, comme représenté. Un substrat en graphite qu'on a trouvé approprié en ce qui concerne l'invention est constitué par du graphi- te de la marque Carbone Lorraine, type 1116PT, qui est commercialisé par Carbone Lorraine Industries Paris, Fran- ce. Ce type de graphite possède normalement un coefficient de dilatation thermique qui est légèrement supérieur à celui du tungstène (ou de l'alliage tungstène-rhénium), ce qui permet de compenser le gradient thermique à l'interface. De cette manière, on peut joindre les deux matières de façon qu'elles ne présentent pratiquement aucune dilatation dif- férentielle relative pendant le fonctionnement du tube. En se référant à la figure 1, on envisagera la conséquence d'un défaut d'alignement radial entre la piste focale 13 et la cathode 16, comme cela peut se produire dans le cours normal de la fabrication. La relation préfé- rée est celle dans lequelle les limites radiales étroites de la piste focale 13 (définies par la dimension r) sont centrées à l'intérieur des limites radiales plus étendues du faisceau d'électrons (définies par la dimension R), comme représenté. La différence entre les largeurs radiales, représentée par la dimension r, procure alors une plage de débordement du faisceau d'électrons, ce qui permet l'exis- tence d'un défaut d'alignement relatif sans que celui-ci n'affecte la position ou la taille du foyer. A titre d'exem- ple, le faisceau d'électrons 17 peut se déplacer radialement (c'est-àdire vers la gauche ou la droite sur la figure 1) sur une distance Ar, tandis que le foyer reste dans une position fixe avec la dimension D, comme représenté. Au con- traire, on voit aisément que si les dimensions radiales du faisceau d'électrons 17 et de la piste focale 13 étaient égales, un tel défaut d'alignement produirait un foyer avec une dimension inférieure à la dimension D. On va maintenant considérer la piste focale en ce qui concerne l'effet de l'excentricité totale. La figure 2 montre une configuration de tube pour rayons X de l'art antérieur, dans laquelle la largeur radiale du faisceau d'électrons est égale à la largeur radiale r de la piste focale. Comme on le voit, lorsque les deux sont parfaite- ment alignés, le foyer résultant a une dimension D. On va maintenant considérer ce qui se produit en présence d'une excentricité totale de valeur L, comme représenté, la position du bord extérieur de l'anode llet dela piste focale 13 associée étant indiquée en pointillés. La partie utile du faisceau d'électrons 17 est alors réduite, et la taille du foyer est réduite en conséquence à une dimension D', comme représenté. On va maintenant considérer la figure 3 qui montre une structure de tube conforme à l'invention, qui comporte une piste focale ayant la largeur radiale r et un faisceau d'électrons ayant la largeur radiale r + 2 A r. Ici encore, on supposera qu'il existe une excentricité totale de valeur A L, ce qui fait que la piste focale 13 est déplacée radialement jusqu'à la position indiquée en pointillés. On voit que grâce au faisceau d'électrons 17 en débordement, la taille du foyer n'est pas réduite et le foyer reste dans une position fixe avec une largeur D, comme représenté. On reconnaît que le débordement du faisceau d'électrons 17 sur le substrat en graphite 12 provoque un certain échauffement du substrat et peut exiger d'augmenter quelque peu les dimensions de la structure du substrat afin de respecter les exigences de dissipation de chaleur. Il est donc préférable de minimiser ce débordement en le limi- tant à ce qui est nécessaire pour absorber le défaut d'ali- gnement total prévu entre le faisceau d'électrons 17 et la piste focale 13. Ce défaut d'alignement total est déterminé à la fois par (1) l'excentricité totale qui est automati- quement introduite au moment de l'installation de l'anode 11, et (2) le décalage de la cathode 16 par rapport à sa position prévue vis-à-vis de la piste focale 13, au moment de l'installation initiale. Si on suppose qu'on peut élimi- ner la seconde cause (c'est-à-dire celle liée au défaut de positionnement de la cathode), on doit encore tenir compte de l'excentricité totale. Le débordement ( &r) du faisceau d'électrons de chaque côté de la piste focale doit donc être au minimum de 25 micromètres. Pour tenir compte du déplacement de la cathode, il est préférable d'augmenter le débordement jusqu'à 3,18 mm, cette limite supérieure étant établie de façon à limiter la chaleur qui peut être produite dans le graphite par bombardement électronique direct. REVENDICATIONS 1. Anode pour un tube à rayons X à anode tournante, du type comportant une cathode (16) destinée à émettre un faisceau d'électrons (17) pour bombarder la piste focale (13) sur l'anode (11), caractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat (12) ayant une face circulaire (14) prévue pour être disposée de façon générale face à la cathode, de façon que le faisceau d'électrons (17) soit projeté sur une dimen- sion radiale donnée (R); et une piste focale circulaire (13) disposée sur la face circulaire (14) du substrat, cette piste focale consistant en un métal réfractaire et ayant une dimension radiale (r) inférieure à la dimension radiale don- née (R). 2. Anode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat (12) est en graphite. 3. Anode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la piste focale (13) est en tungstène. 4. Anode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une couche barrière (21) entre le substrat (12) et la piste focale (13), et cette couche barrière est constituée par une matière réfractaire qui s'oppose à la formation de carbure. 5. Anode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat (12) a un coefficient de dilatation ther- mique qui est pratiquement égal à celui de la piste focale (13). 6. Anode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la différence entre la dimension radiale du faisceau d'électrons (17) et celle de la piste focale (13) est dans la plage de 50 micromètres à 6,35 millimètres. 7. Tube à rayons X du type comportant un substrat d'anode tournant (12), avec une piste focale annulaire (13) associée, destinée à recevoir un faisceau d'électrons (17) provenant d'une cathode (16) pour produire des rayons X, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat d'anode (12) constitué par une matière à densité relativement faible; une piste focale (13) constituée par une matière à densité relativement élevée, fixée sur le substrat (12) et ayant une dimension radiale prédéterminée (r); et une cathode (16) destinée à produire un faisceau d'électrons (17) avec une dimension radiale (R) légèrement supérieure à la dimension radiale prédéterminée (r) de la piste focale (13). 8. Tube à rayons X selon la revendication 7, caractérisé en ce que le substrat d'anode (12) est en gra- phite. 9. Tube à rayons X selon la revendication 7, caractérisé en ce que la piste focale (13) est en tungstène. 10. Tube à rayons X selon la revendication 7, caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique du substrat (12) est pratiquement égal à celui de la piste focale (13). 11. Tube à rayons X perfectionné du type compor- tant un substrat d'anode tournant (12), avec une piste focale annulaire associée (13) destinée à recevoir un faisceau d'électrons (17) provenant de la cathode (16), pour produire des rayons X, caractérisé en ce que la piste focale (13) a une dimension radiale (r) qui est légèrement inférieure à la dimension radiale (R) du faisceau d'élec- trons (17). 12. Tube à rayons X selon la revendication 11, caractérisé en ce que la différence entre la dimension radiale de la piste focale (13) et celle du faisceau d'électrons (17) est dans la plage de 50 micromètres à 6,35 millimètres. 13. Tube à rayons X selon la revendication 11, caractérisé en ce que le substrat (12) est en graphite. 14. Tube à rayons X selon la revendication 11, caractérisé en ce que la piste focale (13) est en tungstène. 15. Tube à rayons X selon la revendication 11, caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique il du substrat (12) est pratiquement égal à celui de la piste focale (13).