Brevet FR2592987A1 — publié le 19870717

ANODE TOURNANTE POUR TUBE A RAYONS X La présente invention concerne une anode tournante pour tube à rayons X et concerne plus particulièrement la constitution et la structure d'une telle anode tournante. Le rayonnement X produit par un tube radiogène résulte du bombardement, par un faisceau d'électrons, d'un matériau ayant un haut numéro atomique, afin de favoriser l'émission de photons X. L'émission de photons X s'accompagne d'une forte émission de chaleur. En effet, le rendement énergétique des rayons X produits, c'est à dire le rapport d'énérgie des photons X à l'énergie des électrons incidents, et de l'ordre de 1%, le reste est transformé en chaleur. Aussi, le matériau à haut numéro atomique soumis au bombardement électronique, doit en outre être un matériau réfractaire, présentant un haut point de fusion et une bonne conductivité thermique. Parmi les matériaux qui possèdent ces caractéristiques à des degrés divers, on peut citer par exemple le tungstène, le tantale; le tungstène étant particulièrement couramment utilisé. Ces matériaux réfractaires à haut numéro atomique, à haut point de fusion et bonne conductivité thermique sont appellés dans la suite de la description "matériaux cible." Le flux d'électrons incidents est focalisé sur une petite surface de l'anode appellée foyer, cette surface devenant la source du rayonnement X.La température du foyer est une première limite de température de l'anode, qui notamment limite la charge instantanée qui peut être appliquée à l'anode. Dans le but notamment d'augmenter la limite de la charge instantanée, les constructeurs ont utilisé des anodes tournantes. L'anode tournante a la forme d'un disque, mis en rotation sur luimême autour de son axe de symétrie. Ceci permet de faire défiler le matériau cible sous le faisceau d'électrons, et la rotation du disque engendre sur le matériau cible une couronne focale qui représente elle-même une seconde limite de température ; la chaleur se répartie le long de la couronne focale et englobe tout le disque avant de se dissiper par rayonnement, la quantité maximum de chaleur qui peut être emmagasinée dans l'anode étant appellée capacité calorifique de l'anode. Différents types d'anodes tournantes ont été réalisés, parmis lesquels ont peut citer: - des disques d'anode tournante homogènes, c'est à dire formés dans un seul matériau susceptible de constituer un matériau cible, tel que par exemple le tungstène. Une telle anode présente des caractéristiques particulièrement favorables, comme par exemple une bonne conductivité thermique, mais son inconvénient est qu'elle est d'un poids élevé qui interdit son utilisation à de grandes vitesses de rotation. Il est à rappeler que les anodes tournantes sont supportées en porte-à-faux, et que outre leur fragilité propre, les moyens de roulement qui - assurent leur rotation sont suceptibles d'être rapidement endommagés, particulièrement dans le cas d'une anode lourde et une grande vitesse de rotation. - une amélioration a été obtenue en réalisant des anodes tournantes de type composite, c'est à dire constituées par un corps de base, en molybdène par exemple, recouvert d'un matériau cible tel que le tungstène; le molybdène ayant été choisi notamment pour sa bonne conductivité thermique et pour sa densité un peu inférieure au tungstène. Néanmoins, dans ce cas la masse du molybdène est encore trop importante pour permettre une augmentation appréciable de la vitesse de rotation ou du diamètre du disque d'anode, dont il faut rappeler que cette dernière caractéristique à notamment pour effet d'augmenter la capacité calorifique de l'anode. - dans le but d'améliorer la capacité calorifique de l'anode ainsi que son refroidissement, c'est à dire sa capacité de rayonnement thermique, des anodes composites ont été réalisées avec un corps de base en graphite, recouvert de tungstène; le graphite ayant été choisi notamment pour une excellente conductivité thermique et pour une densité inférieure à celle du molybdène. Une telle structure permet d'améliorer la capacité calorifique et le refroidissement de l'anode, mais ne permet pas d'augmenter de manière importante, ni le diamètre de l'anode, ni la vitesse de rotation de cette dernière, du fait d'une fragilité mécanique du graphite lui même; ce type d'anode comporte en outre un autre défaut important qui provient de la mauvaise cohésion entre le graphite et le tungstène. - pour palier la mauvaise cohésion du graphite et du tungstène, des anodes composites ont été réalisées avec un corps de base en molybdène ayant la forme générale d'un disque, sur une face duquel est appliqué un matériau cible tel que le tungstène destiné à engendrer le rayonnement X, et dont la face opposée a été munie d'un bloc de graphite rajouté par un procédé de brasure. La meilleure cohésion du molybdène plus l'apport de graphite permettent d'améliorer la capacité calorifique de l'anode ainsi que son refroidissement de manière intéressante, mais le poids de l'anode reste important, et ceci ne permet pas, ainsi que pour les autres types de disques cités, d'augmenter de manière importante les performances des anodes tournantes. En effet, tous ces disques d'anodes sont difficiles à mettre en oeuvre et restent fragiles, au point qu'ils ne résisteraient pas à de grandes vitesses, pas plus qu'il n'est possible de les élaborer dans de grands diamètres, du fait du poid excessif qu'il en resulterait. La présente invention concerne une anode tourante pour tube radiogène, du type à disque composite, permettant de grandes vitesses de rotation, et susceptible d'être réalisée selon de grands diamètres, afin d'augmenter de manière importante par rapport à l'art antérieur d'une part la limite de charge instantanée, et d'autre part la capacité calorifique de l'anode tournante. Selon l'invention, une anode tournante pour tube radiogène, du type composite, comportant un corps de base ayant un axe de symétrie destiné à constituer l'axe de rotation de ladite anode tournante, un matériau cible étant appliqué sur au moins une partie d'une face dudit corps de base, est caractérisée en ce que ledit corps de base est constitué en titane. Le titane a une très faible conductivité thermique et cette caractéristique a conduit à l'écarter, jusqu'à la présente invention, des matériaux succeptibles de constituer une anode tournante ayant une grande capacité calorifique. L'auteur de la présente invention a pensé que l'inconvénient lié à la faible conductivité thermique pouvait être largement compensé par d'autres caractéristiques du titane, qui permettent, ainsi qu'il est décrit dans la suite de la description, d'augmenter les dimensions d'une anode tournante etlou sa vitesse de rotation par rapport à une anode de l'art antérieur. L'invention sera mieux comprise grace à a description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et aux deux figures annexées parmi lesquelles: - la figure i représente une anode tournante conforme à l'invention, par une vue en coupe selon un axe de symétrie de l'anode; - la figure 2 représente l'anode tournante de l'invention, selon une même vue que sur la figure 1, mais comportant en outre un bloc de graphite. La figure 1 montre une anode tournante 1 conforme à l'invention. L'anode tournante 1 comporte un corps de base 2. Dans l'exemple non limitatif décrit, le corps de base 2 a la forme générale d'un disque ayant un axe de symétrie 3, selon lequel le corps de base 2 comporte un trou 4, destiné à sa fixation à un axe support classique (non représenté); l'axe de symétrie 3 constituant raxe de rotation de l'anode tournante 1. Le corps de base 2 comporte une première face 5 formée, dans l'exemple non limitatif décrit, par une partie centrale 6 sensiblement perpendiculaire au plan de symétrie 3, et par une partie pentue 7 qui relie la partie centrale 6 à une seconde face 8 du corps de base 2, opposée à la première face 5. Selon une caractéristique de l'invention, le corps de base 2 est réalisé en titane. La première face 5 est revêtue, sur au moins une partie, d'un matériau cible 40, grâce à un procédé en lui-même classique tel que par exemple un procédé mécanique, ou un procédé de brasure, ou encore un procédé de dépot chimique comme par exemple par dépot en phase gazeuse ainsi que dans l'exemple non limitatif décrit, ou par dépot éléctrolytique, ou par dépot en pulvérisation cathodique, ou encore par un procédé utilisant une torche à plasma. Dans le cas d'un procédé de brasure, la liaison entre le matériau cible 40 et le corps de base 2 en titane est obtenue par le produit de brasure, et dans le cas d'un procédé chimique, cette liaison peut être améliorée par un dépot préalable d'une couche d'un élément intermédiaire déposé selon une couche mince 35, par des moyens conventionnels. L'élément intermédiaire peut être un métal pur comme par exemple le rhénium, ou un alliage ou composé comme par exemple le carbure de titane ou encore le borure de titane. Dans Exemple non limitatif décrit le matériau cible 8 est appliqué sur l'ensemble de la partie pentue 7. I1 est a remarquer que le matériau cible 8 pourrait tout aussi bien, dans le cadre de l'invention, être constitué seulement selon une couronne correspondant à une couronne focale 9 telle que délimitée par exemple par les lignes en traits pointillés 10,11; la couronne 9 comportant un rayon moyen R. Le matériau-cible 40 est constitué de préférence en tungstène, ou en un autre matériau réfractaire tel que par exemple le platine, l'iridium ou l'osmium, qui présentent une bonne cohésion avec le titane. Un des avantages importants du titane, est qu'il présente, malgrès une densité relativement faible (4,5g/cm3), une bonne résistance mécanique qui permet d'augmenter le diamètre D de l'anode 1, ou d'augmenter la vitesse de rotation de cette dernière, ou d'augmenter à la fois ces deux paramètres, sans risquer une détérioration de l'anode tournante 1, comme dans l'art antérieur où notamment le risque est de voir l'anode éclater. Cette possibilité d'augmentation, en dimension ou en vitesse de rotation de l'anode 1 conforme à l'invention, permet d'accroitre de manière considérable ses performances du point de vue thermique par rapport à une anode selon l'art anterieur, malgré la faible conductivité thermique du titane (de l'ordre de 0,04 calorie/cm/ seconde/oc). En effet la résolution mathématique de équation de la chaleur, pour un matériau semi-infini, recevant sur sa face avant un flux de chaleur 0 constant, pendant un temps t, nous montre que la température T de la surface recevant ce flux s'écrit: ou b est le coefficient d'éffusivité thermique qui ne dépend que du matériau recevant le flux de chaleur et, ou r0 est le flux thermique ou quantité de chaleur par unité de surface et de temps. Si nous regardons la contribution à l'élévation de la température Tf du foyer f d'un disque d'anode de tube à rayons X, dûe au temps t pendant lequel le foyer est soumis au bombardement des électrons à flux constant, la formule précédente permet d'écrire en première approximation: ou 0 est le flux thermique ou quantité de chaleur par unité de surface et de temps ; b l'éffusivité thermique qui dépend du tungstène ; L la largeur du foyer, R le rayon moyen de la couronne focale; N le nombre de tours de l'anode par seconde. Dans cette approximation nous négligeons, non seulement le fait que le foyer n'est pas infini, mais aussi que les dimensions de l'anode sont limitées. Cette approximation est tout à fait justifiable, étant donné les ordres de grandeur auxquels nous avons affaire. Par exemple, pour un foyer f ayant une largeur L=lmm avec une pente d'anode présentant un angle o( de 12", une épaisseur e de matériaux cible ou tungstène de 100 lO-6 mètre, un disque 1 dont le diamètre D est de 100 mm et ayant une vitesse de rotation de 9 000 tours par minute, I'erreur sur la température au centre du foyer f sera de 1/100 par rapport à la température Tf calculée dans l'approximation. Aussi en reprenant la formule précédente qui indique la température de foyer Tf, nous voyons que la température de foyer est d'autant plus petite que R et/ou N sont plus grands, et pour la même température Tf, si ron augmente le rayon moyen R de la couronne 9 ou si l'on augmente le nombre N de tours par minute de l'anode 1, nous pouvons aussi augmenter le flux thermique0. Il est ainsi possible avec une anode tournante 1 selon Pin- vention, en augmentant le diamètre D de l'anode tournante 1 de 100 à 150 mm par exemple, d'augmenter la charge instantanée de 20%, tout en conservant une même température Tf du foyer f; il en est de même si nous augmentons la vitesse de rotation. Cet exemple montre l'intérêt qu'il y a à augmenter la vitesse de rotation, ou le diamètre de l'anode tournante 1 ou ses deux paramètres simultanément, afin d'augmenter les performances dlune anode tournante, en utilisant à cet effet le titane, malgré que ce matériau présente une conductivité thermique très inférieure à celle des matériaux habituellement utilisés pour réaliser des anodes tournantes. I1 est a remarquer que le titane présente d'autres avantages particulièrement intéressants, tels que par exemple: - un point de fusion relativement élevé, de l'ordre de 1 6700 C; - une faible tension de vapeur à haute température; - une densité relativement faible, de l'ordre de 4,5 grammes/cm3. Le module d'élasticité du titane n'est que d'environ deux fois moindre que celui d'un acier, ce qui lui confère en outre une bonne résistance mécanique. I1 est a noter en outre que le titane à un coefficient de dilatation faible, de l'ordre de deux fois moindre que le tungstène. Aussi, si le matériau cible 40 est constitué par une couche de tungstène liée au corps de base 2 en titane par un procédé de dépot à chaud, ce qui est le cas en général, le tungstène se trouvera, à froid, sous contrainte de compression favorable à un vieillissement retardé. En vue d'améliorer encore les performances de l'anode 1 selon l'invention, celle-ci peut comporter en outre, sur une partie seulement ou sur toute sa surface non couverte par le matériau cible 40 une couche d'un revêtement 20 permettant d'augmenter le rayonnement thermique et par suite la dissipation thermique; dans l'exemple non limitatif décrit la couche 20 est déposée sur la partie centrale 6 de la première face 5 et sur l'ensemble de la seconde face 8. Le revêtement 20 doit être formé par un corps, pur ou un composé, dont la propriété est d'une part, d'avoir un haut point de fusion et un coefficient d'émissivité élevé, et qui d'autre part n'ait pas de réaction chimique avec le corps 2 en titane, à haute température, qui amenerait la destruction de la couche du revêtement 20. Des corps qui conviennent à cette application sont, par exemple, certains carbures, nitrures, borures ; on peut citer entre autre :le borure de zirconium ZrB2, les carbures tels que CB, CHf, CTa, SiC, TaN etc.... La figure 2 montre une variante de l'anode tournante 1 selon l'invention, dans laquelle cette dernière comporte une pièce de graphite en vue d'accroître le rayonnement thermique et sa capacité calorifique. Dans l'exemple non limitatif de la description, la seconde face 8 comporte une gorge 13, dans laquelle est engagé un anneau 15 de graphite; la liaison entre l'anneau 15 de graphite et le titane du corps de base 2 étant réalisée de manière classique, par brasure 13 par exemple. Cette description constitue un exemple non limitatif, montrant la réalisation d'une anode tournante 1 comportant, selon l'invention un corps de base 2 en titane, et illustre les avantages qui résultent d'une anode tournante ainsi constituée. Le matériau cible 40 peut avoir une épaisseur e quelconque et être déposé sur le corps de base 2 en titane soit par brasure ou par des procédés chimiques, ou encore par un procédé mécanique, I'essentiel étant qu'une partie importante de la masse de l'anode tourante 1 soit constituée par le corps de base 2 en titane, de manière à conférer à l'anode tournante 1 une robustesse mécanique suffisante et un poids assez faible, afin de pouvoir la réaliser selon des grands diamètres et permettre de l'utiliser à de grandes vitesses de rotation. REVENDICATIONS 1 - Anode tournante pour tube radiogène, du type composite, comportant un corps de base (2) ayant un axe de symétrie (3) destiné à constituer l'axe de rotation de ladit anode tournante (1), un matériau cible (40) étant appliqué sur au moins une partie (7) d'une face (5) dudit corps de base (2), caractérisée en ce que le corps de base (2) est constitué en titane. 2 - Anode tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau cible (40) est constitué en tungstène. 3 - Anode tournante selon l'une des revendications précedentes, caractérisée en ce que la liaison entre le matériau cible (40) et le corps de base (2) en titane est realisée par un procédé mécanique. 4 - Anode tournante selon Pune des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la liaison entre le matériau cible (40) et le corps de base (2) est réalisée par brasure. 5 - Anode tournante selon l'une des revendication I ou 2, caractérisée en ce que la liaison entre le matériau cible (40) et le corps de base (2) est réalisée par un procédé chimique. 6 - Anode tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une couche d'un élément de liaison (35). 7 - Anode tournante selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la couche d'élément de liaison (35) est constituée par du rhénium. 8 - Anode tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que au moin une seconde partie (6,8) du corps de base (2), non couverte par le matériau cible (8), et recouverte d'un matériau réfractaire (20) à haut coéfficient d'émis sivité. 9 - Anode tournante selon l'une des revendications précédente, caractérisée en ce que le corps de base (2) comporte sur une seconde face (8) opposée à la première face (5), au moins un anneau (15) en graphite. 10 - Anode tournante selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la laison entre l'anneau (15) en graphite et le corps de base (2) est réalisée par brasure.