Brevet FR2683943A1 — publié le 19930521

ENSEMBLE RADIOGENE A ANODE TOURNANTE L'invention se rapporte à un ensemble radiogène comprenant un tube à rayons X à anode tournante qui est placé dans une gaine de protection et qui est utilisable, notamment, dans des systèmes de radiologie vasculaire et de scanner. Un tube 2 à rayons X classique est constitué essentiellement de deux électrodes, une cathode 1 et une anode 4 enfermées dans un ballon de verre 2' sous vide poussé et fixées respectivement à ses extrémités comme le montre la figure 1, selon une vue schématique en coupe longitudinale. La cathode 1 émet un faisceau d'électrons 3 qui vient frapper la surface de l'anode 4. Cette anode est généralement constituée d'un disque massif, en graphite par exemple, recouvert d'un matériau fortement émissif en rayons X, comme le tungstène. L'anode 4 est portée à un potentiel fortement positif par rapport à la cathode 1 pour que les électrons du faisceau soient accélérés et viennent bombarder l'anode sur une surface, appelée le foyer de l'anode, qui devient alors la source principale d'émission du rayonnement X. L'énergie dépensée à produire le faisceau d'électrons est transformée d'une part en rayons X mais essentiellement en chaleur. C'est pourquoi les tubes à rayons X ont une anode tournante pour répartir le flux thermique sur une couronne, dite couronne focale, d'aire beaucoup plus grande que celle du foyer. Comme le montre la figure 1, l'anode tournante 4 a un axe de symétrie r autour duquel elle est mise en rotation à l'aide d'un moteur électrique dont le stator 5 est situé à l'extérieur du tube 2 et dont le rotor 6 creux, situé à l'intérieur du tube 2, est solidaire de l'anode par un arbre support 7, la rotation étant assurée par deux roulements intérieurs, écartés le plus possible du plateau d'anode pour ne pas trop s'échauffer au contact de l'anode. Le tube 2 à rayons X est protégé par une gaine qui sert à protéger le radiologue comme le patient, d'une part, contre les rayons X, sauf au niveau d'une fenêtre, et, d'autre part, contre les hautes tensions provenant d'un générateur 8 d'alimentation des électrodes. Cette gaine est remplie d'un liquide de refroidissement du tube. C'est précisément ce problème d'évacuation de la chaleur qui est déterminant dans la limitation de la puissance du rayonnement X et de la durée de fonctionnement du tube. La dissipation de la chaleur de l'anode peut être améliorée soit par conduction en augmentant la masse de l'anode par rapport à la surface du foyer, soit par rayonnement en augmentant la surface rayonnante de l'anode. Cela conduit à accroître à la fois les dimensions de l'anode et sa vitesse de rotation. Mais en augmentant les dimensions de l'anode, on augmente son poids et l'arbre support 7 ainsi que le support verre métal 7', appelé pied anode, peuvent casser, détériorant définitivement le tube. On est également limité par le porte-à-faux de cet arbre 7 et du pied anode 7' susceptible de vibrer en rotation, ces vibrations étant ensuite transmises par l'axe r au tube de verre 2 puis à la cathode 1 qui est fixée au tube, en face de l'anode, par une tige mince 9 entrant elle aussi en vibration. En conséquence, le faisceau d'électrons se met à balayer l'espace et le foyer de rayons X n'est plus net, produisant des images de radiologie floues. L'invention vise à résoudre ce problème pour permettre l'utilisation d'une anode de plus grandes dimensions, tout en réduisant par dix l'encombrement longitudinal du tube et par deux son poids. L'objet de l'invention est un ensemble radiogène comprenant un tube à rayons X enfermé dans une gaine de protection contenant un fluide de refroidissement, ledit tube comportant, dans une enceinte sous vide, une cathode qui émet un faisceau d'électrons et une anode tournante, en forme de disque épais, qui reçoit ledit faisceau électronique et émet un rayonnement X caractérisé - en ce que l'enceinte du tube est un cylindre creux en céramique de dimensions sensiblement égales à celles de l'anode ; - en ce que l'anode est montée dans ladite enceinte sur deux roulements circulaires placés au centre des faces planes opposées de l'anode, près de l'enceinte du tube et refroidis par le fluide de refroidissement ; et - en ce qu'un stator est placé au voisinage immédiat de l'anode, à l'extérieur de l'enceinte du tube et est destiné à faire tourner directement l'anode autour de son axe de symétrie. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, d'exemples de réalisation, illustrés par les dessins ci-annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un tube à rayons X classique - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un premier exemple de réalisation d'un ensemble radiogène selon l'invention ; - la figure 3 est une vue de dessus de ce même exemple de réalisation selon l'invention - les figures 4 à 7 sont des vues schématiques en coupe transversale de différents exemples de réalisation d'un tube à rayons X selon l'invention. Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. La figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un premier exemple de réalisation d'un ensemble radiogène selon l'invention. Le tube à rayons X comporte une anode 10 qui est réalisée à partir d'un anneau épais, creusé autour de son axe de symétrie r1, en graphite par exemple, recouvert sur sa tranche 11 d'un matériau fortement émissif en rayons X. Ses deux faces planes 12 et 13 opposées, perpendiculaires à l'axe r1 et légèrement biseautées à leur périphérie, présentent chacune en leur centre une encoche circulaire 14 et 15 respectivement, dans lesquelles sont logés deux roulements circulaires 16 et 17. L'enceinte 18 du tube à rayons X dans laquelle est enfermée cette anode 10 sous vide poussé est constituée par un cylindre creux, en céramique de hauteur H sensiblement égale à celle de l'anode, dans lequel est montée ladite anode de sorte que sa poutre centrale creuse 19 soit maintenue dans un trou traversant l'enceinte sur toute sa hauteur H. La céramique à partir de laquelle est réalisé le tube 18 est un matériau isolant à la fois électrique et thermique, présentant une bonne tenue mécanique aux contraintes, nettement supérieure au verre. Un stator 20, constitué par un cylindre d'enroulements électriques, est placé dans la cavité centrale 19 de l'anode et est destiné à entraîner en rotation ladite anode 10 autour de son axe de symétrie r1, à l'intérieur de l'enceinte 18 grâce aux roulements 16 et 17, sans avoir recours à un rotor dans le sens de la conception classique des tubes à rayons X à anode tournante. Selon l'invention, l'anode décrite plus haut a aussi une fonction de rotor. Pour améliorer cette fonction, en regard du stator, on peut braser ou déposer sur l'anode une couche 70 de matériau magnétique de façon à refermer le champ magnétique engendré par le stator, entraînant ainsi l'anode en rotation. Ce matériau magnétique ou composite doit avoir un point de fusion et un point de curie élevés par exemple supérieurs à 8000C. L'épaisseur de la couche 70 de matériau magnétique est optimisée par exemple entre 2 et 3 mm pour avoir un couple moteur adéquat. Ce matériau magnétique peut être par exemple du cobalt ou ses composites, par exemple cobalt-chrome, fer-nickel-cobalt ou cobalt-cuivresamarium etc... Cependant, il est à noter que la rotation de l'anode peut être obtenue en l'absence de la couche 70 de matériau magnétique mais le rendement sera moindre. Une cathode 21 est logée dans une saillie 22 pratiquée dans la paroi cylindrique 23 de l'enceinte 18. Le tube à rayons X ainsi réalisé est placé dans une gaine métallique 24, contenant un fluide de refroidissement comme les tubes actuels, ce fluide circulant en plus dans le trou central de l'enceinte 18, refroidissant ainsi les deux roulements 15 et 16 et le stator 20 placés tout près de l'anode. La cathode 21 émet un faisceau d'électrons qui frappe la paroi 11 de l'anode tournante 10 en une couronne focale qui envoie des rayons X traversant le tube 18 et la gaine 24 au niveau d'une fenêtre 25, vers la zone à radiographier. Cette fenêtre 25 est placée très près du tube 18, minimisant ainsi la quantité de fluide de refroidissement circulant devant les rayons X donc minimisant la quantité d'impuretés pouvant créer des artefacts dans le faisceau de rayons X. La figure 3 est une vue de dessus de l'ensemble radiogène illustré par la figure 2, avec en premier plan, la partie 26 de la gaine métallique 24 permettant la fixation des connecteurs électriques amenant la haute tension aux électrodes du tube à rayons X. La figure 4 est une coupe transversale d'une variante de réalisation de l'exemple précédent, dans laquelle la cathode 21 est fixée par une languette 27 en Kovar à l'intérieur de l'enceinte 18 du tube, de façon à émettre un faisceau d'électrons sur la face périphérique 11 de l'anode 10. La figure 5 est une coupe transversale schématique d'un troisième exemple de réalisation d'un tube à rayons X selon l'invention. Une anode 28 est réalisée à partir d'un disque plein et épais, en graphite par exemple, recouvert sur sa tranche 29 d'un matériau fortement émissif en rayons X quand il reçoit le faisceau d'électrons émis par la cathode 21 fixée par une languette 27 à la paroi de l'enceinte du tube en céramique 31, comme cela vient d'être décrit précédemment. Deux faces planes opposées 32 et 33, perpendiculaires à l'axe de rotation r2, présentent en leur centre deux encoches 34 et 35 respectivement dans lesquelles sont logés deux roulements 36 et 37 circulaires. Comme précédemment, l'enceinte 31 du tube est constituée par un cylindre fermé en céramique, présentant dans cette version deux saillies 38 et 39 sur ses faces internes en regard de l'anode, venant s'emboîter dans les deux encoches 34 et 35 respectivement de ladite anode 28, au centre des deux roulements. Ces saillies 38 et 39, logées dans les roulements 36 et 37, maintiennent l'anode à l'intérieur du tube 31, notamment lors de sa rotation autour de l'axe r2. Un stator 40, constitué par exemple soit de deux disques d'enroulements électriques, soit de deux aimants permanents en un matériau composite aluminium-nickel-cobalt placés parallèlement aux deux faces planes 32 et 33 de l'anode 28, à l'extérieur du tube 31 et perpendiculairement à l'axe r2 de rotation de l'anode 28, entraîne en rotation ladite anode autour de son axe à l'intérieur du tube, grâce à deux roulements 36 et 37. Ce type d'entraînement est bien connu et est par exemple utilisé en robotique. Pour améliorer le rendement du moteur, l'invention propose de disposer une couche de matériau magnétique sur les faces latérales 32, 33 de l'anode 28 sous la forme d'anneaux circulaires 73 et 74 qui font face aux enroulements électriques plats ou aux aimants permanents 40. La figure 6 est une coupe transversale d'un quatrième exemple de réalisation d'un tube à rayons X selon l'invention, pour lequel l'anode 41 est un disque présentant deux saillies 42 et 43 selon son axe de symétrie r3 destinées à se loger respectivement dans deux encoches 44 et 45 qui sont pratiquées dans l'enceinte 46 du tube. L'anode 41 est entraînée en rotation, à l'intérieur du tube 46, autour de l'axe r3 par l'intermédiaire de deux roulements circulaires 47 et 48 placés dans les encoches respectives 44 et 45, sous l'action d'un stator 40 constitué, comme dans le cas de la figure 5, par deux enroulements électriques plats ou de deux aimants permanents placés de part et d'autre du tube 46, perpendiculairement à l'axe r3. Comme dans les cas représentés par les figures 4 et 5, une cathode 21 est fixée par une languette 27 au tube 46, en face de la tranche 52 de l'anode qui émet des rayons X. Dans cet exemple de réalisation, le rendement du moteur peut être amélioré en disposant une couche de matériau magnétique sur les faces latérales de l'anode 41 sous la forme d'anneaux circulaires 75 et 76 qui font face aux enroulements électriques ou aux aimants permanents 41. La figure 7 est une coupe transversale d'un tube à rayons X selon l'invention, comportant un stator réalisé selon une quatrième possibilité. Dans ce cas, le stator 53 se présente sous forme d'un cylindre d'enroulements électriques, entourant l'anode 54 à l'extérieur du tube 55 en céramique, et de hauteur H' sensiblement égale à celle de l'anode. Dans cet exemple de réalisation, l'anode 54 est un disque d'axe de symétrie r4, comportant deux encoches 56 et 57 dans lesquelles sont logés deux roulements circulaires 58 et 59. Une cathode 21 est placée en face de la tranche 61, émissive en rayons X, de l'anode, dans une cavité 62 pratiquée dans la paroi du tube 55. Le rotor peut être constitué par deux anneaux 71 et 72 en matériau magnétique qui sont disposés sur les bords de la tranche 61 de manière à dégager le centre de cette dernière. Il est à noter également que, pour certaines applications, les deux anneaux 71 et 72 ne sont pas nécessaires. Le tube à rayons X selon l'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter de rotor au sens classique dans le domaine des tubes à rayons X pour entraîner en rotation l'anode tournante, supprimant ainsi les problèmes de porte-à-faux et de vibrations évoqués au début de la description concernant les tubes de conception actuelle. Ainsi la stabilité spatiale du foyer de rayons X réalise une meilleure résolution de l'image, particulièrement intéressante pour les systèmes de type scanner. Un autre avantage est apporté par le matériau céramique du tube, beaucoup moins fragile que le verre, résistant à de fortes contraintes mécaniques comme à des températures très élevées, tout en laissant passer les rayons X. Ce tube ayant des dimensions voisines de celles de l'anode, un encombrement longitudinal est divisé par dix et son poids par deux. Un troisième avantage réside dans la possibilité d'augmenter considérablement le diamètre et la masse de l'anode pour diminuer sa température et augmenter l'énergie calorifique rayonnée, sans endommager les roulements qui permettent la rotation de l'anode, car ces derniers sont refroidis par le fluide de refroidissement. On peut alors envisager des durées d'examen radiologique beaucoup plus grandes, comme cela est nécessaire en examen vasculaire ou en scanographie. REVENDICATIONS 1. Ensemble radiogène comprenant un tube à rayons X enfermé dans une gaine de protection contenant un fluide de refroidissement, ledit tube comportant, dans une enceinte sous vide, une cathode qui émet un faisceau d'électrons et une anode tournante, en forme de disque épais, qui reçoit ledit faisceau électronique et émet un rayonnement X, caractérisé - en ce que l'enceinte du tube est un cylindre creux en céramique de dimensions sensiblement égales à celles de l'anode - en ce que l'anode est montée dans ladite enceinte sur deux roulements circulaires placés au centre des faces planes opposées de l'anode, près de l'enceinte du tube et refroidis par le fluide de refroidissement ; et - en ce qu'un stator est placé au voisinage immédiat de l'anode, à l'extérieur de l'enceinte du tube et est destiné à faire tourner directement l'anode autour de son axe de symétrie. 2. Ensemble radiogène selon la revendication 1, caractérisé - en ce que l'anode (10) est constituée par un anneau épais, creusé autour de son axe de symétrie (r1), dont les deux faces planes (12 et 13) opposées, perpendiculaires à l'axe (rl) présentent chacune en leur centre une encoche circulaire (14 et 15) respectivement, dans lesquelles sont logés deux roulements circulaires (16 et 17) - en ce que l'enceinte (18) du tube à rayons X est constituée par un cylindre creux en céramique, de hauteur (H) sensiblement égale à celle de l'anode (10), dans lequel est montée ladite anode (10) de sorte que sa partie centrale creuse (19) soit maintenue dans un trou traversant l'enceinte sur toute sa hauteur (H) - en ce que le stator (20) est constitué par un cylindre d'enroulements électriques et est placé dans la cavité centrale (19) de l'anode (10) ; et - en ce que le fluide de refroidissement, contenu dans la gaine métallique (24) de protection du tube à rayons X, circule aussi dans la cavité centrale (19) de l'anode (10) afin de refroidir le stator (20) et les deux roulements (16 et 17). 3. Ensemble radiogène selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un rotor constitué par une couche (70) de matériau magnétique qui est disposée en regard dudit stator (20) sur la paroi de la cavité centrale (19) de l'anode (10). 4. Ensemble radiogène selon la revendication 1, caractérisé - en ce que l'anode (28) est constituée par un disque plein et épais, dont les deux faces planes opposées (32 et 33), perpendiculaires à l'axe de rotation (r2), présentent en leur centre deux encoches (34 et 35) respectivement, dans lesquelles sont logés deux roulements (36 et 37) circulaires ; et - en ce que l'enceinte (31) du tube à rayons X est constituée par un cylindre fermé en céramique, présentant deux saillies (38 et 39) sur ses faces internes en regard de l'anode (27), venant s'emboîter dans les deux encoches (34 et 35) respectivement de l'anode, au centre des deux roulements (36 et 37). 5. Ensemble radiogène selon la revendication 1, caractérisé - en ce que l'anode (41) est constituée par un disque plein et épais, présentant deux saillies (42 et 43) selon son axe de symétrie (r3), autour desquelles sont disposés deux roulements circulaires (47 et 48) ; - en ce que l'enceinte (46) du tube à rayons X est constituée par un cylindre fermé en céramique, présentant deux encoches (44 et 45) sur ses faces internes en regard de l'anode (41) dans lesquelles viennent s'emboîter les deux saillies (42 et 43) de l'anode (41). 6. Ensemble radiogène selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le stator (40) est constitué de deux disques d'enroulements électriques placés parallèlement aux deux faces planes de l'anode (28 ou 41) et perpendiculairement à l'axe (r2 ou r3) de rotation de ladite anode. 7. Ensemble radiogène selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le rotor (40) est constitué de deux aimants permanents placés parallèlement aux deux faces planes de l'anode (22) et perpendiculairement à l'axe (r2 ou r3) de rotation de ladite anode. 8. Ensemble radiogène selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un rotor constitué par une couche (73, 74 ou 75, 76) de matériau magnétique qui est disposée sur les faces latérales de l'anode (28 ou 41). 9. Ensemble radiogène selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le stator (53) est constitué par un cylindre d'enroulements électriques, de hauteur (H') sensiblement égale à celle (H) de l'anode, entourant l'anode (54) à l'extérieur du tube à rayons X (55). 10. Ensemble radiogène selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un rotor constitué par au moins un anneau (71, 72) qui est disposé à la périphérie de l'anode (54). 11. Ensemble radiogène selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cathode (21) est logée dans une saillie (22) pratiquée dans la paroi cylindrique (23) de l'enceinte (18) du tube à rayons X, de façon à émettre un faisceau d'électrons sur la face latérale (11) de l'anode (10) et à assurer la stabilité spatiale du foyer. 12. Ensemble radiogène selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la cathode (21) est fixée par une languette (27) en Kovar, à l'intérieur de l'enceinte (18) du tube à rayons X, de façon à émettre un faisceau d'électrons sur la face latérale (11) de l'anode (10).