Brevet FR2593325A1 — publié le 19870724

ANODE TOURNANTE A GRAPHITE POUR TUBE RADIOGENE La présente invention concerne une anode tournante à graphite, pour tube radiogène, et concerne particulièrement des moyens destinés à améliorer la qualité des liaisons entre le graphite et le matériau cible servant à produire un rayonnement X. Le graphite est couramment utilisé dans les anodes tournantes pour tubes radiogènes modernes, où sa fonction est essentiellement d'augmenter le rayonnement thermique de l'anode pour assurer son refroidissement. Cette fonction est particulièrement importante du fait que l'évacuation de la chaleur, accumulée par l'anode à la suite d'une charge, s'effectue généralement uniquement par rayonnement. Dans les tubes radiogènes, le rayonnement X produit résulte du bombardement, par un faisceau d'électrons, d'un matériau porté par l'anode et ayant un haut numéro atomique afin de favoriser l'émis- sion de photons X. L'émission de photons X s'accompagne d'une forte émission de chaleur, car le rendement énergétique des rayons X produits, c'est-à-dire le rapport d'énergie des photons X à l'énergie des électrons incidents, est de l'ordre de 1 96, le reste est transformé en chaleur. Aussi, le matériau soumis au bombardement électronique doit être en outre 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 trouve par exemple le tungstène, le tantale, le tungstène étant particulièrement d'un usage courant; ces matériaux réfractaires à haut numéro atomique, à haut point de fusion et bonne conductivité thermique étant appelés dans la suite de la description "matériaux cibles". Le flux d'électrons incidents est focalisé sur une petite surface de l'anode appelée 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 répartit le long de la couronne focale, et englobe tout le disque d'anode avant de se dissiper par rayonnement. Dans un premier temps, les anodes tournantes étaient homogènes, ctest-à-dire formées dans un seul matériau susceptible de constituer un matériau cible. L'un des inconvénients que présentent de telles anodes, résulte de leurs poids élevés qui rend leur montage fragile mécaniquement et qui interdit de les utiliser à une grande vitesse de rotation, diminuant ainsi l'avantage apporté par la rotation de l'anode. Ceci a conduit à réaliser des disques d'anodes tournantes de type composite, comportant un corps de base couvert d'un matériau cible, le corps de base étant en un matériau plus léger que le matériau cible. On peut citer dans ce cadre les disques d'anodes ayant un corps de base en molybdène recouvert d'un matériau cible en tungstène. Pour augmenter la capacité calorifique des anodes de type composite, elles ont été dotées de graphite; une application particulièrement intéressante étant représentée par une anode tournante comportant un corps de base directement en graphite recouvert de tungstène. L'utilisation du graphite, comme support réfractaire, présente un grand intérêt par rapport aux autres réfractaires, du fait notamment de sa faible densité et de son haut pouvoir de rayonnement thermique, son coefficient de rayonnement se rapprochant du corps noir; il présente en outre une excellente conductivité thermique. Un des problèmes que pose l'utilisation du graphite réside dans la liaison avec le tungstène. Ce défaut, outre qu'il engendre une fragilité mécanique de l'anode tournante, nuit au transfert de chaleur entre le matériau cible et le graphite. La zone du matériau cible soumis au bombardement électronique, c'est-à-dire le foyer et par suite la couronne focale, représente la source de chaleur, et il est particulièrement important d'avoir une résistance thermique minimum entre cette source de chaleur et le graphite, lequel graphite a pour fonction d'évacuer cette chaleur par rayonnement. L'application du tungstène sur le graphite conduit en outre à la formation de carbure de tungstène qui tend à augmenter la mauvaise adhérence du tungstène sur le graphite, et à engendrer des zones de plus grandes résistances thermiques. La matériau cible, en tungstène par exemple, peut être constitue' selon une couche obtenue par un procédé de dépôt classique, tel que par exemple, dépôt en phase gazeuse, par électrolyse, pulvérisation cathodique, etc... Le matériau cible peut être constitué également selon une pièce massive, solidarisée à un corps de base en graphite par brasure; l'élément de liaison entre le matériau cible, en tungstène par exemple, et le graphite étant alors constitué par rélément de brasure tel que le tantale ou le zirconium. Un inconvénient important dans cette dernière configuration est dû à la différence entre les coefficients de dilatation de l'élément de brasure et du graphite. Le graphite ayant une faible résistance mécanique, les contraintes mécaniques, entre l'élément de brasure et le graphite, dues aux variations de température, tendent à briser le graphite en contact avec l'élément de brasure et entraînent ainsi une dégradation irréversible de la liaison tungstènegraphite. Dans le cas où le tungstème ou matériau cible est déposé sur le corps de base en graphite selon une couche, par l'un des procédés de dépôt ci-dessus mentionné, L'élément de liaison est constitué par une couche préalablement déposée sur le graphite, appelée couche intermédiaire; cette couche intermédiaire est constituée en un autre métal réfractaire, comme le rhénium dans lequel le carbone a une solubilité très faible et empêche ainsi2 au moins jusqu'à une certaine température, (de l'ordre de 15500C), la carburation du tungstène.Cette restriction quant à la température présente néanmoins une grande importance, d'une part en ce qu'elle tend à limiter la température de fonctionnement de l'anode, et d'autre part du fait que l'énergie rayonnée par l'anode étant proportionnelle à la puissance 4 de la température, c'est à haute température qu'on exploite au mieux la présence du graphite. De plus, la couche intermédiaire constitue une couche d'accrochage, car le tungstène n'adhère pas directement sur le graphite. La couche intermédiaire est couramment formée en Rhénium, mais autres matériaux comme par exemple l'iridium, ou le carbure hafnium sont également connus à cet effet. Tous ces matériaux sont choisis en outre parce qu'ils sont conducteurs de l'électricité, afin de permettre l'écoulement du courant anodique dont l'intensité correspond à l'intensité du faisceau d'électrons incidents qui bombarde le matériau cible. Ces matériaux connus pour pouvoir constituer une couche intermédiaire, ont en commun un grave défaut, qui réside en ce qu'ils ont un coefficient de dilatation très différent de celui du tungstène et du graphite, et que par suite, la cohésion mécanique de l'ensemble tungstène-graphite, c'est-à-dire l'adhérence, est faible. Ceci entraîne une fragilité mécanique d'autant plus importante que la température est élevée, et entraîne par suite un mauvais transfert de la chaleur du tungstène vers le graphite; la dégradation de l'anode étant irréversible. Ceci montre que la qualité de la liaison etre le matériau cible ou tungstène et le graphite est primordiale. La présente invention concerne une anode tournante pour tube radiogène, qui ne présente pas les inconvénients précédemment cités grâce à l'utilisation d'un élément de liaison nouveau, entre le tungstène et le graphite, qui favorise la bonne tenue mécanique de l'ensemble tungstène-graphite même à très haute température. Selon l'invention, une anode tournante pour tube radiogène, comportant une première pièce en graphite, une seconde pièce comportant un matériau cible destiné à produire un rayonnement X, la première et la seconde pièce étant liées mécaniquement, est caractérisée en ce qu'elle comporte une couche de carbure de Silicium à la jonction entre la première pièce et la seconde pièce. Le carbure de silicium est mauvais conducteur de l'électricité, et cette caractéristique s'oppose à le désigner comme un des matériaux susceptibles de réaliser la liaison entre le matériau cible tel que le tungstène et le graphite, dans une anode tournante pour tube radiogène. Néanmoins, des essais ont permis de constater qu'en l'utilisant en épaisseur faible, de quelques microns, le carbure de silicium ne s'oppose pas à l'écoulement du courant anodique du tube radiogène, tout en constituant encore une bonne barrière antidiffusion du carbone vers le tungstène, même à des températures plus élevées que dans le cas où est utilisée une couche intermédiaire constituée selon l'art antérieur, en rhénium par exemple: le carbure de silicium présentant peu d'écart à la Stoéchiométrie. I1 est à remarquer en outre que le carbure de silicium peut également être utilisé en couche épaisse, dans la mesure où l'anode tournante comporte des moyens pour écouler le courant anodique, ainsi qu'il est davantage expliqué dans la description qui suit. Par contre, le carbure de silicium présente un avantage considérable, par rapport au rhénium, en ce que son coefficient de dilatation est voisin de celui du tungstène et de celui du graphite et ainsi, d'une part, la protection qu'il réalise contre la carburation du tungstène, et d'autre part l'accrochage du tungstène sur le graphite (par l'intermédiaire du carbure de silicium), sont obtenus de manière durable, même sous l'influence de fortes variations thermiques. En outre, le carbure de silicium s'associe bien avec le graphite, et il comporte un haut point de fusion et une faible tension de vapeur qui rendent son utilisation intéressante dans un tube radiogène. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, fait à titre d'exemple non limitatif, et au quatre figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente une anode tournante selon l'invention, comportant une couche de carbure de silicium déposée entre une couche de matériau cible et un corps en graphite; - la figure 2 montre l'anode tournante de la figure 1, et illustre des moyens de contact électrique entre la couche de matériau cible et le graphite; - la figure 3 montre l'anode tournante de la figure 1 et illustre le cas où le matériau cible à une structure massive; - la figure 4 montre une anode tournante selon l'invention, comportant un corps de base en molybdène sur lequel est rapporté du graphite. La figure 1 montre une anode tournante 1 selon l'invention. L'anode 1 comporte un corps de base 2 en graphite. Le corps de base 2 un axe de symétrie 3 selon lequel il comporte un trou 4 destiné, d'une manière classique, au passage d'un axe support (non représenté). Le corps de base 2 comporte une face 10, sur laquelle est déposée une couche intermédiaire 11 destinée à réaliser la liaison entre le graphite du corps de base 2 et un matériau cible destiné à produire un rayonnement X. D'une manière générale, nous entendons par "matériau cible", tout matériau pur ou composite, ou alliage, utilisé pour produire un rayonnement X sous l'effet d'un bombardement par un faisceau d'électrons. Le matériau cible, du tungstène par exemple, recouvre la couche intermédiaire 11 selon une seconde couche 12. Dans l'exemple non limitatif décrit, le corps de base 2 constitue une première pièce en graphite, et la seconde couche 12 constitue une seconde pièce en matériau cible, ces première et seconde pièces 2, 12 étant liées mécaniquement par l'intermédiaire de la première couche 11 en élément intermédiaire. La couche 12 de tungstène est déposée par exemple au moyen d'une torche à plasma sous vide, mais peut être déposée également en utilisant un procédé différent tel que par exemple, dépôt en phase gazeuse, en électrolyse, sels fondus, pulvérisation cathodique etc... Ainsi qu'il est expliqué dans une suite de la description, le tungstène peut être également constitué par une seule pièce massive, disposée sur la couche intermédiaire 11, et brasée.Dans l'exemple non limitatif décrit, la couche intermédiaire 11 et la couche de tungstène 12 ont sensiblement une forme de couronne, respectivement 14, 15, centrée sur l'axe de symétrie 3, mais pourrait aussi bien, indépendamment Pune de l'autre, couvrir une partie plus importante du corps de base 2; important étant que la couche de tungstène 12 ait une largeur L égale ou supérieure à une seconde largeur L1 d'une couronne focale 13, engendrée dune manière classique durant le fonctionnement de l'anode 1. Selon une caractéristique de l'invention, la couche intermédiaire 11 est constituée par du carbure de silicium. Cette couche intermédiaire 11 en carbure de silicium peut être déposée en couche mince (inférieure à 10 microns par exemple), ou en couche épaisse, grâce à un procédé classique tel que: - le dépôt, en phase gazeuse de silicium qui se carbure au contact du graphite du corps de base 2 - le dépôt direct de carbure de silicium par dépôt chimique en phase vapeur; - le dépôt de silicium, en bain de sels fondus par électrolyse; - par pulvérisation cathodique, évaporation sous vide, etc... Ainsi qu'il a déjà été expliqué, un des inconvénients du carbure de silicium réside en ce qu'il-est mauvais conducteur d'électricité, particulièrement à basse température, et son utilisation en couche épaisse ou supérieure à une épaisseur e d'environ 10 microns, peut dégrader la qualité de l'écoulement du courant anodique du tube radiogène (non représenté) dans lequel est utilisée l'anode tournante 1. Pour une épaisseur e inférieure à 10 microns des essais ont montré qu'il n'y avait pas de précautions particulières à prendre vis a-vis du problème de l'écoulement du courant anodique.Dans le cas où la couche intermédiaire 1 1 en carbure de silicium est déposée en une couche plus épaisse, il est recommandé de prévoir certains aménagements pour répondre à ce problème, ces aménagements étant également compatibles dans le cas où le carbure de silicium est déposée en couche mince. Le but de ces aménagements est d'assurer le contact électrique entre la couche 12 de tungstène et le graphite du corps de base 2; ce dernier étant, d'une manière classique pour une anode tournante, relié au pôle positif (non représenté) de l'alimentation haute tension du tube radiogène, par l'intermédiaire, par exemple, de son axe support (non représenté). Différents moyens peuvent être utilisés pour réaliser la connexion électrique entre la couche 12 de tungstène et le graphite de corps de base 2. La figure 2 illustre, à titre d'exemple non limitatif, un moyen particulièrement simple d'assurer le contact électrique entre la couche 12 de tungstène et le graphite du corps de base 2. Ce moyen consiste à réserver sur le graphite du corps de base 2, sous la couche 12 de tungstène, une ou des zones 20 exemptes de carbure de silicium.Dans l'exemple non limitatif décrit, ceci est obtenu d'une manière particulièrement simple, en conférant à la couronne 15 selon laquelle est déposée la couche 12 de tungstène, une largeur L supérieure à une troisième largeur L2 de la couronne 14 de carbure de silicium Il; cette largeur L2 de la couronne en carbure de silicium 11 étant sensiblement égale ou supérieure à la seconde largeur L1 de la couronne focale 13, la couche 12 de tungstène est directement déposée sur le graphite, dans les zones 20 extérieures à la couronne focale 13. L'avantage important apporté par le carbure de silicium, provient de ce qu'il comporte un coefficient de dilatation voisin de celui du tungstène et de celui du graphite. C'est principalement à proximité de la région où la température de l'anode est la plus élevée durant le fonctionnment de cette dernière, que cet avantage revêt toute son importance, c'est-à-dire en vis-à-vis de la couronne focale 13; les inconvénients dus à la carburation du tungstène et à la qualité de son adhérence, qui sont sont évités grâce au carbure de silicium, ayant des répercussions beaucoup plus faibles dans les zones 20 situées à l'extérieur de la couronne focale 13. Les différentes méthodes précédemment citées, pour le dépôt du carbure de silicium, permettent de manière simple, au moyen de caches par exemple (non représentés), de réserver sur le graphite de corps de base, des zones 20 où le carbure de silicium n'est pas déposé. Le procédé de réalisation de l'anode tournante 1 selon l'invention, peut consister par exemple à déposer du silicium, par électro- lyse ignée dans un bain de fluorures fondus. Ainsi par exemple, un mélange, de fluorure de lithium, de fluorure de sodium, de fluorure de potassium de composition voisine de celle de l'Eutectique ternaire, est fondu à une température supérieure à 6000 sous atmosphère protectrice, et additionné d'Hexafluorosilicate de potassium, cru chargé par barbottage de Tétrafluorure de silicium. Par électrolyse, entre une anode soluble de silicium et une cathode constituées par le corps de base 2 en graphite, on obtient un dépôt de silicium sur le graphite du corps de base 2. Le silicium déposé se compose avec le carbone du corps de base 2 pour donner la couche 11 de carbure de silicium. Le carbure de silicium étant mauvais conducteur de Pélectricité, le dépôt de carbure de silicium se limite spontanément à une épaisseur ajustable avec la valeur de la différence de potentiel imposée au circuit d'électrolyse. Sur la couche 11 de carbure de silicium, on réalise le dépôt de la couche 12 de tungstène, par exemple au moyen d'une torche à plasma sous vide : de la poudre de tungstène est envoyée dans un plasma de gaz neutre qui est projeté sur le corps de base 2 à recouvrir, particulièrement sur la couche 11 de carbure de silicium. Les dépôts de tungstènes ainsi obtenus peuvent aisément être dopés en mélangeant à la poudre de tungstène des poudres d'autres matériaux, tels que le Rhénium, le tantale, etc... Le dépôt de la couche 12 de tungstène, par la torche à plasma sous vide, peut être localisé avec précision permettant de ne recouvrir que la région qui subira le bombardement électronique, c'est-à-dire la couronne focale 13, où une région plus étendue comprenant en outre les zones 20 exemptes de carbure de silicium. La figure 3 illustre le cas où le matériau cible a une structure massive. Dans ce cas, le matériau cible peut être constitué de manière classique en matériau cible massif, pur ou allié, comme par exemple en tungstène massif ou en un alliage de ce dernier, ou encore en un composite par exemple tungstène-molybdène, tel que comportant du tungstène (éventuellement allié) en surface, et un support (non représenté) en molybdène en sous-couche. Dans l'exemple non limitatif de la description, le matériau cible est forrné selon une couronne telle que la couronne 15 qui dans l'exemple décrit est réalisée en tungstène massif, et constitue une seconde pièce. La couche 1 1 de carbure de silicium ayant été au préalable déposée sur le graphite du corps de base 2, par exemple selon le procédé ci-dessus décrit, la couronne 15 en tungstène est appliquée sur la couche 11 de carbure de silicium sur laquelle elle est brasée. L'élément de brasure peut être d'un type classique comme le zirconium par exemple, et constitue une troisième couche 18 qui réalise la liaison entre la couronne 15 en tungstène et la couche 11 de carbure de silicium. Cette troisième couche 18 en élément de brasure s'allie d'une part avec le tungstène, et s'allie d'autre part avec le carbure de silicium et, éventuellement, avec le graphite du corps de base 2 si, comme dans le cas précédent, de zones 20 exemptes de carbure de silicium ont été réservées sur le graphite. Dans cette configuration, l'un des avantages importants apportés par la couche 11 de silicium, est qu'elle évite la détérioration de la surface du graphite, qui dans l'art antérieur, est directement en contact avec l'élément de brasure et se trouve ainsi soumise à de fortes tensions mécaniques durant le chauffage de l'anode tour nante; les coefficients de dilatation de l'élément de brasure, en zirconium par exemple, et du graphite étant différent. Dans l'anode selon l'invention, au contraire, le coefficient de dilatation du carbure de silicium est voisin de celui du graphite. D'autre part, le carbure de silicium ayant une meilleure résistance mécanique que le graphite, la différence entre les coefficients de dilatation du zirconium et du carbure de silicium n'a pas de conséquences fâcheuses. La figure 4 montre une version de l'anode tournante selon l'invention dans laquelle, la première pièce en graphite 25 est liée par brasure à une seconde pièce 26 portant le matériau cible 27. Dans l'exemple non limitatif décrit, la seconde pièce 26 constitue un second corps de base en molybdène dont la première face 10 est couverte par le matériau cible 27 ; le matériau cible étant par exemple en tungstène, solidarisé au second corps de base 26 par un procédé classique mécanique et thermique. Dans cette configuration, la première pièce 25 en graphite a principalement pour fonction d'accroître la capacité calorifique de l'anode tournante 1 et de favoriser son rayonnement thermique. Dans l'exemple non limitatif de la description, la première pièce 25 en graphite a la forme d'un anneau centré sur l'axe de symétrie 3 du second corps de base 26. La première pièce 25 en graphite est solidarisée au second corps de base 26 sur une seconde face 28 de ce dernier, opposée à la première face 10 portant le materiau cible 27. La première pièce 25 en graphite comporte une surface 29 par laquelle elle est appliquée sur la seconde face 28, après qu'une couche 11 en carbure de silicium ait été déposée sur la surface 29, par un des procédés précédemment cités. L'élément de brasure constitue une seconde couche 18 qui avec la première couche 11 en carbure de silicium assure la liaison graphite-molybdène. L'avantage qu'apporte la couche Il de carbure de silicium consiste, comme dans l'exemple précédent, à éviter la détérioration d'une couche superficielle du graphite. Il est à remarquer que dans cette dernière configuration, la couche 11 en carbure de silicium peut être une couche mince ou épaisse sans qu'il y ait la nécessité de prévoir de zones exemptes de carbure de silicium, le problème de l'écoulement du courant anodique ne se posant pas dans ce cas. La présente invention est applicable à tout type d'anode dans laquelle a été incorporé un élément de graphite. REVENDICATIONS 1. Anode tournante pour tube radiogène, comportant une première pièce (2, 25) en graphite et une seconde pièce (12,15,26) comportant un matériau cible (12,15,27) destiné à produire un rayonnement X, la première pièce (2,25) et la seconde pièce (12,15,26) étant liées mécaniquement, caractérisée en ce que la liaison entre la première pièce (2,25) et la seconde pièce (12,15,26) comportent une couche (11) de carbure de silicium. 2. Anode tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau cible (12,15,27) est du tungstène. 3. Anode tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau cible (12,15,27) est un composite tungstènemolybdène. 4. Anode tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche (11) de carbure de silicium est déposée sur la première pièce (2,25) en graphite. 5. Anode tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche (11) de carbure de silicium est une couche mince. 6. Anode tournante selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche (11) de carbure de silicium est une couche épaisse. 7. Anode tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (L1,L2,20) pour assurer le contact électrique entre le matériau cible (2,15) et la pièce en graphite (2). 8. Anode tournante selon la revendication précédentes caractérisée en ce que les moyens (Ll,L2,20) pour assurer le contact électrique entre le matériau cible (12,15) et la première pièce en graphite (2) comportent des zones (20) de graphite exemptes de carbure de silicium. 9. Anode tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première pièce (2) en graphite constitue un corps de base portant le matériau cible (12,15). 10. Anode tournante selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le matériau cible est constitué selon une seconde couche (12) déposée sur le corps de base (2) par un procédé de dépôt. 11. Anode tournante selon la revendication 9, caractérisée en ce que le matériau cible est formé selon une pièce massive (15) liée au corps de base (2) par brasure. 12. Anode tournante selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la seconde pièce (26) constitue un corps de base en molybdène portant le matériau cible (27), la première pièce (25) en graphite étant liée à la seconde pièce (26) par brasure.