Brevet FR2651370A1 — publié le 19910301

ANTICATHODE TOURNANTE DE TUBE A RAYONS X. DESCRIPTION L'invention concerne une anticathode de tube à rayons X conçue de façon à pouvoir tourner à très gran- de vitesse. Les anticathodes de tubes à rayons X sont des disques tournants constitués d'un support revêtu au moins partiellement d'une couche active en un métal réfractaire. Elles sont utilisées dans des appareiLs médicaux tels que les scanners. La tendance actuelle des constructeurs d'appa- reils médicaux est de pouvoir augmenter la puissance reçue par l'anticathode et/ou de réduire la taiLLe du spot d'im- pact du bombardement électronique de manière à améliorer la définition de L'image obtenue. Ce désir d'augmenter la puissance ou de diminuer la tailLe du spot est limité par La lenteur de l'anticathode à évacuer la chaleur emma- gasinée et, par voie de conséquence, par l'élévation de la température de la piste focale jusqu'à la température de fusion du matériau constituant La couche active de l'anticathode sur laquelle est formée cette piste. Le plus souvent, le support de l'anticathode est réalisé en un matériau carboné constitué par un gra- phite polycristallin dont le coefficient de dilatation est compatible avec celui du métal réfractaire tel que du tungstène, un alliage tungstène-rhénium ou un alliage à base de molybdène qui est fixé (par exemple par brasure) ou déposé (par exemple en phase vapeur ou par voie élec- trolytique) sur ce support. Afin de maintenir la température de la piste focale à des valeurs acceptables en régime permanent et/ou transitoire, tout en augmentant la puissance ou en dimi- nuant la taille du spot, une solution consisterait à accroître sensiblement la vitesse de rotation des antica- thodes, pour atteindre des vitesses par exemple égales ou supérieures à 20000 tours/mn. Malheureusement, Les graphites polycristaLLins qui constituent habituellement le support des anticathodes ne présentent pas une résis- tance mécanique suffisante. En effet, ils éclatent sous l'effet de la force centrifuge avant d'atteindre une telle vitesse. Par aiLleurs, dans les anticathodes convention- nelles à support graphite revêtues d'une couche d'alliage tungstènerhénium, il est nécessaire d'interposer une très fine sous-couche de rhénium. En effet, à partir de quel- ques centaines de degrés, Les atomes de carbone du graphi- te ont tendance à migrer pour former avec le tungstène une couche fragile de carbure de tungstène provoquant une décohésion entre substrat et couche active et perturbant le transfert thermique. Le rhénium, jusqu'à une températu- re d'environ 1200 C, empêche cette migration et joue donc le rôLe de barrière anticarburation. Cependant, au-dessus de cette température, le rhénium est de moins en moins efficace et l'anticathode dépasse alors sa limite de fonc- tionnement. De plus, le rhénium est un produit cher qui contribue à augmenter le prix de l'anticathode. D'autres matériaux moins onéreux tels que SiC, TaC pourraient jouer le rôle de barrière anticarburation. Mais l'addition d'une étape supplémentaire dans le procédé est toujours une cause de surcoût. Dans le document EP-A-0 236 241, on a proposé de réaliser une anticathode à partir d'un support compo- site formé de fibres de carbone noyées dans une matrice de carbone (composite "carbone-carbone"). Un tel matériau composite présente une résistance mécanique beaucoup plus grande que les graphites polycristallins utilisés précé- demment, ce qui permet de faire tourner l'anticathode à très grande vitesse sans risque d'éclatement du disque sous l'effet de la force centrifuge. Malheureusement, un tel matériau composite carbone-carbone a un coefficient de dilatation très diffé- rent de ceLui de La couche métallique. Ainsi, le coeffi- cient de dilatation d'un composite carbone-carbone est de 0,5.10-6 K-1 à 25 C et de 2.106 K-1 à 1000 C, alors que le coefficient de dilatation d'une couche métallique en alliage tungstène-rhénium est de 4.10-6 K-1 à 25 C et 4,5.10-6 K-1 à 1000 C). Pour remédier à cet inconvénient, il est envisa- gé dans Le document EP-A-O 236 241 de déposer la couche métallique sur un substrat en graphite de coefficient de dilatation voisin de celui du métal, ce substrat en gra- phite étant associé d'une manière quelconque (brasure, collage, encastrement, etc.) au support composite carbo- ne-carbone. On réalise ainsi une anticathode présentant une résistance mécanique qui lui permet de tourner à très grande vitesse, mais la fabrication de l'anticathode se trouve compliquée par L'incompatibilité des coefficients de dilatation du support composite carbone-carbone d'une part et de l'ensemble graphite-couche métallique d'autre part. De plus, la présence d'un substrat en graphite entre la couche métallique et le support composite néces- site d'interposer entre le substrat en graphite et la couche métallique une très fine sous-couche de rhénium servant de barrière anticarburation, comme dans les anodes conventionnelles à support graphite. La température d'uti- lisation de l'anticathode s'en trouve limitée et son coût augmenté. La présente invention a précisément pour objet une anticathode de tube à rayons X conçue de façon à pou- voir tourner à très grande vitesse sans risque d'éclate- ment, tout en présentant une structure plus simple et moins coûteuse que les anticathodes existantes et en pou- vant être utilisée à des densités de puissance ou des puissances plus éLevées. Selon l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'une anticathode tournante de tube à rayons X, comprenant un support revêtu au moins partiellement d'une couche de métaL réfractaire, caractérisée par Le fait que la couche de métal réfractaire est en contact direct avec le support, qui est réalisé en un matériau composite formé de fibres céramiques noyées dans une matrice céramique (composite céramique/céramique), ce matériau ayant un coefficient de dilatation adapté à celui du métal réfrac- taire. On comprend aisément qu'en utilisant un matériau composite céramique/céramique dont le coefficient de dila- tation est compatible avec celui du métal réfractaire, la vitesse de rotation de l'anticathode peut atteindre et même dépasser 20000 tours/mn sans qu'il soit nécessaire d'interposer entre le support et le métal réfractaire une couche intermédiaire de graphite ni, par conséquent, une sous-couche anticarburation. L'anticathode peut ainsi fonctionner à des températures d'interface support/couche active beaucoup plus élevées et donc accroître les perfor- mances du tube à rayons X. De plus, la suppression de la couche intermédiaire de graphite et de la sous-couche de rhénium conduit à un gain de prix appréciable. Avantageusement, le support est réalisé en un matériau composite choisi dans un groupe comprenant: fibres de SiC/matrice de SiC; fibres de SiC/matrice de Si3 N4; fibres de C/matrice de SiC; fibres de C/matrice de B4C; fibres de C/matrice de Si3N4; fibres de SiC/matrice de B4C; et fibres de Ti B2/matrice de Ti B2. Parmi ces matériaux composites, on choisira de préférence un matériau formé de fibres de SiC noyées dans une matrice de SiC. Avantageusement, le métal réfractaire est de façon connue, soit du tungstène, soit un alliage tungstè- ne-rhénium. Dans la pratique, le composite céramique/cérami- que utilisé conformément à L'invention pour réaliser le support d'une anticathode tournante de tube à rayons X comprend une armature de fibres qui peut être formée soit par un empilement de tissus bidimensionnels, soit par un tissu tridimensionnel. A partir de cette armature, le composite est obtenu par imprégnation en phase liquide ou gazeuse des tissus fibreux par le matériau constituant la matrice céramique du composite. La densité des fibres, dans le matériau composite obtenu, est avantageusement supérieure à 40 % et Le taux de porosité totale de ce matériau est inférieur à 20 %. Dans le cas o le matériau composite céramique/ céramique est constitué de fibres de carbure de silicium noyées dans une matrice de carbure de silicium, le coeffi- cient de dilatation de ce composite est d'environ 3 x 10-6 K-1 à 25 C et 4 x 10-6 K-1 à 1000 C. Ce coefficient de dilatation est à rapprocher de celui de l'alliage tungs- tène-rhénium dont il est rappelé qu'il est d'environ 4 x 10-6 K-1 à 25 C et 4,5 x 10-6 0K-1 à 1000 C. Compte tenu du fait que ces coefficients de dilatation du support composite et de l'alliage métallique sont adaptés, la couche active métallique est placée conformément à l'invention directement au contact du sup- port de l'anticathode. La liaison entre la couche active métallique et le support peut être réalisée de différentes manières. Ainsi, la couche métallique peut être rendue solidaire du support en matériau céramique/céramique par brasure, déposée sur ce support par électrolyse par sel fondu, par dépôt en phase vapeur (CVD), par pulvérisation cathodique (PVD), par pulvérisation magnétron, par projection-plasma, etc.. La couche métallique peut aussi être solidarisée au support par embrèvement ou encastrement, de telle sorte que les deux matériaux soient imbriqués et rendus mécani- quement solidaires. A titre d'exemple, on pourra choisir pour la réalisation du support de l'anticathode des composites SiC/SiC ayant les caractéristiques données dans le tableau I suivant: TABLEAU I à 23 C à 1000 C à 1400 C masse voLumique (g.cm-3) 2,7 2,7 2,7 diffusivité thermique: parallèlement à la surface 12 5 5 - perpendiculairement à la surface 6 2 2 (10-6 m2 s-1) coefficient de dilata- tion: - parallèlement à la surface 3 4 - perpendiculairement à la surface 2,5 2,5 (10-6 oK-1) chaleur spécifique Cp (J.Kg-1 OK-1) 620 1200 émissivité 0,75 - 0,80 résistance à la traction (MPa) 200 200 200 Comme on a déjà eu l'occasion de le mentionner, le support de l'anticathode peut aussi être réalisé dans d'autres matériaux composites céramique/céramique qui sont choisis principalement afin que leur coefficient de dila- tation soit aussi proche que possible du coefficient de dilatation du métal réfractaire dont ce support est revê- tu. Des exemples d'autres matériaux composites qui peuvent ainsi être utilisés pour réaliser le support de l'antica- thode sont donnés dans le tableau II ci-dessous: TABLEAU II Fibres Matrice SiC Si3N4 C SiC C B4C | Si3N4 SiC B4C TiB2 TiB2 Conformément à l'invention, on règle ainsi les problèmes d'incompatibilité de coefficients de dilatation rencontrés précédemment avec l'utilisation de supports d'anticathodes en matériau composite carbone/carbone. On évite ainsi les fissures rédhibitoires qui apparaissent dans la couche métallique active en tungstène ou en allia- ge tungstène-rhénium lorsque cette dernière est assemblée directement sur un tel support. On évite aussi d'avoir à interposer entre cette couche métallique et le support une couche intermédiaire quelconque destinée à résoudre les problèmes posés par la migration des atomes de car- bone dans la couche métallique. Il devient ainsi possibLe de faire tourner l'an- ticathode à une vitesse très grande qui peut atteindre ou même dépasser 20000 tours/mn, tout en en simplifiant la fabrication et en en réduisant le coût. Des modélisations thermiques ont ainsi montré qu'à diamètre équivalent, des anticathodes réalisées conformément à l'invention peuvent recevoir des puissances bien supérieures à ceLLes acceptables pour des anticatho- des à support en graphite selon la technique couramment utilisée. REVENDICATIONS 1. Anticathode tournante de tube à rayons X, comprenant un support revêtu au moins partiellement d'une couche de métal réfractaire, caractérisée par le fait que la couche de métal réfractaire est en contact direct avec le support, qui est réalisé en un matériau composite formé de fibres céramiques noyées dans une matrice céramique, ce matériau ayant un coefficient de dilatation voisin de celui du métal réfractaire. 2. Anticathode selon la revendication 1, carac- térisée par le fait que le support est réalisé en un maté- riau composite choisi dans le groupe comprenant: fibres de SiC/matrice de SiC; fibres de SiC/matrice de Si3N4; fibres de C/matrice de SiC; fibres de C/matrice de B4C; fibres de C/matrice de Si3N4; fibres de SiC/matrice de B4C; et fibres de Ti B2/matrice de Ti B2. 3. Anticathode selon la revendication 2, carac- térisée par le fait que le support est réalisé en un maté- riau composite formé de fibres de SiC noyées dans une matrice de SiC. 4. Anticathode selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisée par le fait que le métal réfractaire est choisi dans le groupe comprenant le tungs- tène et les alliages tungstène-rhénium. 5. Anticathode selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisée par le fait que le matériau composite comprend des fibres tissées, La densité de fibres dans le matériau étant supérieure à 40 % et la porosité totale du matériau étant inférieure à 20 %.