Brevet FR2695510A1 — publié le 19940311

PROCEDE DE REALISATION D'UNE ANODE CREUSE POUR TUBE A RAYONS X ET ANODE AINSI REALISEE La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une anode creuse pour tube à rayons X, destinée à être remplie d'un métal liquide, et plus particulièrement d'une anode tournante. Une anode creuse réalisée selon ce procédé est particulièrement utilisée dans les appareils de radiologie pour diagnostic médical. Les examens médicaux de radiologie, de type vasculaire ou scanner par exemple, doivent être de courte durée, nécessitant des tubes à rayons X de grande puissance. Un tube à rayons X est constitué habituellement de deux électrodes, une anode et une cathode, placéés sous vide poussé dans une enveloppe de verre étanche. La cathode est réalisée à partir d'un émetteur thermoélectronique un filament de Tungstène par exemple -, logé dans une pièce métallique de concentration destinée à focaliser le faisceau d'électrons émis par la cathode chauffée. L'anode est constituée d'un corps de base ou substrat, formant un bloc à symétrie de révolution, tel qu'un disque ou un tronc de cône par exemple, dont la face en regard de la cathode est recouverte d'une couche de matériau à numéro atomique élevé, tel que du Tungstène ou du Molybdène par exemple, destinée à émettre des rayons X sous l'effet du bombardement des électrons. Pendant que la cathode est portée à un potentiel élevé négatif et que le fil incandescent émet un faisceau d'électrons vers l'anode, celle-ci est portée à un fort potentiel positif, accélérant les électrons qui viennent frapper une zone d'impact de faible surface, appelée foyer du rayonnement X. Dans certains tubes à rayons X de forte puissance, notamment pour le diagnostic médical, l'anode tourne autour de son axe de symétrie de sorte que le faisceau électronique frappe la surface décrite par le foyer, appelée couronne focale, répartissant ainsi le flux thermique sur une aire beaucoup plus grande que le foyer. Lors du rayonnement X, la température de la couronne focale s'élève fortement, car une faible proportion de l'énergie dépensée à produire le faisceau d'électrons est transformée en rayons X alors que le reste est transformé en chaleur qui est emmagasinée dans l'anode. Les rayons X étant produits par ralentissement des électrons du faisceau sur une distance de quelques microns, cela induit un échauffement localisé en surface du dépôt émissif bombarde par les électrons, tandis que l'intérieur de l'anode reste à une température très inférieure. Pour un flux constant d'électrons bombardant l'anode, la température moyenne de la couronne focale, qui est la somme de trois températures - d'impact, de couronne et de base - ne dépend pas de la vitesse de rotation de l'anode aux vitesses habituelles d'utilisation des anodes tournantes - 50Hz et plus - car le temps que met la chaleur à s'évacuer d'un point de la couronne focale vers l'intérieur du matériau de l'anode est très supérieur au temps qui sépare deux bombardements successifs de ce même point par les électrons. Cette chaleur est transférée par rayonnement vers le milieu extérieur d'une part et par conduction de l'intérieur de l'anode vers son axe de symétrie d'autre part. Dans les utilisations habituelles des tubes, ne dépassant pas 150 Kvolts de tension de fonctionnement, la profondeur de pénétration des électrons ne dépasse pas 4 microns, de sorte que la couche émettrice de rayons X peut avoir une épaisseur allant de 50 microns à plusieurs millimètres, mais d'autres critères que celui de l'émission X devront être pris en compte. Les solutions antérieures développées pour diminuer la température du foyer ont utilisé le refroidissement par convection derrière le foyer de l'anode. Dans le cas des tubes à anode fixe, celle-ci est refroidie par eau, ce qui est impossible à appliquer au cas des anodes tournantes. Par contre, une anode tournante composée d'un ou plusieurs matériaux étant du point de vue de la répartition de la matière, massive et pleine, une solution a consisté à remplir une anode creuse avec du métal liquide, comme du Sodium, du Lithium, des alliages de métaux alcalins ou non. La figure 1 est une coupe transversale d'une anode creuse 1, en forme de tronc de cône, percée en son centre selon son axe de symétrie 8 qui sert aussi d'axe de rotation, et présentant un creux 2 dans sa partie centrale. Ce creux 2 est plus ou moins rempli de métal liquide.Quand anode tourne et est bombardée par les électrons de la cathode, le métal liquide se déplace de façon que le liquide froid situé à l'intérieur de l'anode vienne remplacer le métal liquide chaud situé près de la couronne focale, qui s'en va à son tour vers l'intérieur. Cet effet est dû à la force centrifuge qui sépare le liquide en fonction de sa densité; la densité du métal chaud étant inférieure à la densité du métal froid, le liquide chaud migre vers le centre de l'anode lors de la rotation. Le principal inconvénient de cette solution au problème du refroidissement de l'anode tournante vient du procédé de réalisation d'une telle anode à partir de deux demi-coques habituellement réunies par brasure, soudure ou bombardement électronique. Ces procédés de soudage des métaux constituant les demi-coques des anodes creuses présentent de mauvais résultats à la jonction desdites demi-coques en raison des problèmes de réinstallation se posant au niveau de la soudure, souvent générateurs de fissures. La présente invention a pour but de résoudre le problème du refroidissement d'une anode tournante en proposant un procédé de réalisation d'une anode creuse à partir de deux demi-coques soudées par friction, assurant une parfaite jonction de ces dernières, donc une parfaite étanchéité de l'anode vis-à-vis du métal liquide qu'elle contient. Pour cela, l'objet de l'invention est un procédé de réalisation d'une anode creuse pour tube à rayons X, destinée à être remplie de métal liquide et constituée de deux demi-coques sensiblement identiques, réalisées chacune à partir d'un disque de substrat relativement réfractaire percé d'un trou en son centre selon son axe de symétrie et dont une première face est recouverte d'une couche de matériau à numéro atomique élevé , et une seconde face est creusée dans sa partie centrale jusqu-'à ladite couche émissive, caractérisé en ce qu'il comporte:: - une étape de montage d'une des demi-coques sur des moyens de rotation autour de son axe de symétrie et de l'autre demi-coque sur des moyens de déplacement axial suivant son axe de symétrie, lesdites demi-coques étant placées avec leurs faces creuses en vis-à-vis et leurs axes de symétrie confondus; - une étape de mise en rotation à grande vitesse de la première demi-coque; - une étape de mise en contact brutal des deux demi-coques par déplacement axial de la seconde vers la première avec application d'une pression axiale très élevée, et arrêt de la rotation de la première demi-coque, réalisant une soudure par friction desdites demi-coques. L'invention a également pour objet une anode à rayons X obtenue par ce procédé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront dans la description suivante du procédé de réalisation d'une anode creuse tournante qui est illustrée par, outre la figure 1 déjà décrite et qui est une vue en coupe transversale d'une anode creuse, les figures 2 et 3 qui sont des vues en coupe transversales des demi-coques usinées réalisant une anode creuse. Les éléments portant les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Le procédé selon l'invention consiste à réaliser une anode à partir de deux demi-coques (3 et 30) sensiblement identiques dont le substrat (4,40) est un matériau relativement réfractaire, par exemple du Molybdène, ou un alliage de Molybdène et dont une face (5,50) est recouverte d'une couche émissive à numéro atomique élevé (6,60) de Tungstène, ou d'un de ses alliages, obtenue par un procédé connu de cofrittage (figure 2). Chaque demi-coque (3 et 30) a la forme d'un disque ou d'un tronc de cône, percé en son centre d'un trou (7,70) suivant son axe de symétrie 63 et 630 respectivement, de façon à y introduire l'axe de rotation de l'anode. La seconde face (9,90), opposée à la première face (5,50) de chaque demi-coque (3,30) respectivement est usinée de façon à creuser la partie centrale du substrat (4,40) jusqu'à la couche émissive (6,60), comme le montre la figure 3, en laissant le pourtour du trou central (7,70) et la couronne extérieure (8,80) en substrat. L'une des demi-coques 3 est montée sur des moyens de rotation, la machine tournante d'un tour par exemple, de façon à pouvoir être entraînée en rotation autour de son axe de symétrie 63. L'autre demi-coque 30 est montée sur des moyens de déplacement longitudinal, l'axe du même tour par exemple, de façon à pouvoir être déplacée axialement le long de son axe de symétrie 630, vers l'autre demi-coque 3. Elles sont placées en vis-à-vis l'une de l'autre, leurs axes de symétrie 63 et 630 étant confondus et leurs faces (9,90) étant en regard l'une de l'autre. Après cette étape de montage des demi-coques (3 et 30), le procédé consiste à mettre en rotation à vitesse rapide la première coque 3 puis à amener brutalement la seconde coque 30 en contact avec la première, avec une pression axiale très importante de l'ordre d'une tonne par cm3 et arrêt simultané de la rotation de la première coque. La chaleur dégagée en quelques secondes par la friction de la surface de la demi-coque 30, fixe en rotation, sur la surface de la demi-coque tournante 3 suffit pour fondre localement le pourtour (7,70) du trou central et la couronne extérieure (8,80) des deux demi-coques, qui se soudent instantanément sous la forte pression, car l'oxyde de Molybdène est volatil. Selon l'invention, le procédé de réalisation d'une anode creuse peut réaliser une soudure par friction simple, c'est-à-dire que la rotation de la demi-coque tournante 3 est arrêtée lors de sa mise en contact avec l'autre demi-coque 30, sous une très forte pression. Le procédé peut également réaliser une soudure par friction inertielle. Dans ce dernier cas, le mode d'entraînement de la demi-coque tournante 3 est différent car la rotation n'est pas arrêtée lors de l'application de la seconde demi-coque par pression : c'est la demi-coque 3 qui s'arrête d'elle-même en se soudant à l'autre. Le procédé de soudure par friction simple ou inertielle permet de réaliser une anode dont les deux demi-coques sont parfaitement soudées l'une à l'autre, sans que le point de fusion de leur matériau n'ait été atteint, ce qui évite les problèmes de fissures ultérieures dues à la recristallisation du matériau. Ce procédé de soudage est d'une très grande fiabilité et permet ainsi de remplir l'anode creuse avec un métal liquide. Pour cela, un orifice 100 est percé dans une des demi-coques 3, à travers l'épaisseur de son substrat 4. Il est important de s'assurer que les demi-coques vont bien se toucher au niveau de leurs surfaces à joindre, lors de leur mise en contact brutal, que la vitesse de rotation est très grande - de l'ordre de 900 tours/minute par exemple - et que la mise en contact a lieu avec une très forte pression axiale. Il est possible dans certains cas de préchauffer les demi-coques, au chalumeau par exemple, pour accélérer le processus. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une anode creuse pour tube à rayons X, destinée à être remplie de métal liquide et constituée de deux demi-coques (3,30) sensiblement identiques, réalisées chacune à partir d'un disque de substrat (4,40) percé d'un trou (7,70) en son centre selon son axe de symétrie (63, 630) et dont une première face (5,50) est recouverte d'une couche (6,60) de matériau à numéro atomique élevé émissif de rayons X, et une seconde face (9,90) est creusée dans sa partie centrale jusqu'à ladite couche émissive (6,60), caractérisé en ce qu'il comporte - une étape de montage d'une des demi-coques (3) sur des moyens de rotation autour de son axe de symétrie (63) et de l'autre demi-coque (30) sur des moyens de déplacement axial suivant son axe de symétrie (630), lesdites demi-coques (3,30) étant placées avec leurs faces creuses (9,90) en vis-à-vis et leurs axes de symétrie (63, 630) confondus; - une étape de mise en rotation à grande vitesse de la première demi-coque (3); - une étape de mise en contact brutal des deux demi-coques (3,30) par déplacement axial (30) de la seconde vers la première (3) avec application d'une pression axiale très élevée et arrêt de la rotation de la demi-coque (3), réalisant une soudure par friction desdites demi-coques. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les demi-coques (3,30) sont chauffées avant leur mise en contact. 3. Procédé, selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les demi-coques (3,30) sont en Molybdène recouvertes de Tungstène. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'étape de mise en- contact des deux demi-coques (3,30) a lieu avec application d'une très forte pression axiale et arrêt simultané de la rotation de la première demi-coque (3), réalisant une soudure par friction simple. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de mise en contact des deux demi-coques (3,30) a lieu avec application d'une très forte pression axiale, la première demi-coque (3) s'arrêtant d'elle-même lors de sa soudure avec la seconde demi-coque (30) par friction inertielle. 6. Anode creuse tournante pour tube à rayons X, destinée à être remplie de métal liquide et constituée de deux demi-coques selon le procédé des revendications 1 à 5.