Brevet FR2686732A1 — publié le 19930730

ANODE EN GRAPHITE POUR TUBE A RAYONS X ET TUBE AINSI OBTENU L'invention concerne une anode en graphite pour tube à rayons X, utilisée plus particulièrement dans les appareils de radiologie. Les examens en radiologie, notamment du type vasculaire ou scanner, doivent s'effectuer pendant un temps relativement court, nécessitant une puissance importante demandée aux tubes à rayons X. Un tube a rayons X comporte (figure 1) une anode 9 et une cathode 4 enfermées, par exemple, dans une enceinte de verre sous vide poussé (non représentée). La cathode 4 est réalisée a partir d'un émetteur thermoélectronique, tel un filament de tungstène chauffé, qui émet un faisceau d'électrons 3 focalisé sur l'anode 9, portée à un potentiel positif par rapport à la cathode. Cette anode est habituellement constituée par un disque massif 1, d'axe de symétrie r, en graphite, recouvert sur la face en regard de la cathode 4, d'un dépôt 2, de faible épaisseur, de métal susceptible d'émettre des rayons X sous l'action du faisceau d'électrons 3. Le faisceau électronique 3 vient frapper l'anode sur une zone d'impact 6, constituant le foyer d'émission du rayonnement X, qui est de dimensions très faibles, voisines du millimètre. Le disque 1 est entraîné en rotation, autour de son axe de symétrie r, afin de répartir le flux thermique sur une couronne dite focale, d'aire beaucoup plus grande que le foyer. Pour augmenter la puissance du tube à rayons X, on est amené notamment à augmenter le diamètre de l'anode, sans toutefois en augmenter le poids, ce qui entraînerait des efforts importants sur les roulements assurant la rotation de l'anode et allongerait le temps de démarrage. Pour satisfaire à ces conditions, on utilise du graphite pour réaliser le disque et du tungstène pour le dépôt émissif. De plus, une augmentation de la puisance du tube entraîne un accroissement de la vitesse de rotation de l'anode, afin de réduire le temps d'impact du faisceau électronique sur chaque point de la couronne focale. Mais ce type d'anode est assez fragile et se fissure sous l'effet de contraintes thermiques qui se manifestent notamment à l'interface entre le disque de graphite 1 et le dépôt émissif 2. Une faible proportion de l'énergie dépensée à produire le faisceau électronique est transformée en rayons X, pendant que le reste est transformé en chaleur qui est emmagasinée dans l'anode. Cette chaleur est transférée ensuite vers le milieu extérieur par rayonnement et par conduction du graphite vers l'axe de symétrie de l'anode supportant le rotor du moteur assurant sa rotation. Ainsi, entre la zone d'échauffement de l'anode sur la couronne focale 6 et le reste de l'anode, s'établissent des contraintes thermiques qui proviennent, d'une part, de la différence entre les coefficients de dilatation des deux matériaux et d'autre part, du fort gradient thermique sous la couronne focale 6.Ce fort gradient vient du type de production du rayonnement X, par ralentissement des électrons sur quelques microns, qui induit un échauffement localisé en surface du dépôt émissif 2 bombardé par les électrons, alors que le disque 1 de graphite reste relativement "froid". Ce gradient est aggravé par la différence de conductivité entre le graphite et le dépôt émissif, meilleur conducteur. L'interface agit comme une barrière thermique. Une solution étudiée dans l'art antérieur, consistant à adapter au plus près les coefficients de dilatation du graphite et du tungstène, n'a pas résolu le problème du gradient thermique existant entre ces matériaux, qui se traduit par une courbure de la piste focale, induisant des contraintes suffisantes pour fissurer l'anode. Or toute fissure du graphite peut entraîner l'éclatement de l'anode à grande vitesse de rotation. Les travaux antérieurs avaient pour objectif d'arrêter la propagation des fissures, alors que la présente invention a pour but d'éviter la création de fissures dans les anodes en graphite de grand diamètre et soumises à des vitesses de rotation élevées. Pour cela, l'objet de l'invention est une anode constituée par un disque en graphite, d'axe de symétrie r et revêtu d'un dépôt métallique susceptible d'émettre des rayons X sous l'action d'un faisceau d'électrons, caractérisée en ce que le disque est constitué par une première couche, d'épaisseur E, en graphite ayant un coefficient de dilatation C1 sensiblement égal au coefficient de dilatation du dépôt émissif et recouverte par ledit dépôt disposé en couronne sur une première face destinée à recevoir le faisceau d'électrons et par une seconde couche, adhérant à la seconde face de la première couche, opposée à la première face, et réalisée en graphite ayant un coefficient de dilatation C2 très supérieur au coefficient C1 de la première couche, lesdits coefficients de dilatation C1 et C2 et l'épaisseur E de la première couche étant déterminés par le diamètre de l'anode et sa vitesse de rotation. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'anode est constituée par un disque présentant une première zone de densité variable sur une épaisseur E1, à partir de la face du disque recouverte par le dépôt émissif disposé en couronne autour de l'axe de rotation r, définissant une variation du coefficient de dilatation du graphite entre une valeur C1 sensiblement égale au coefficient de dilatation du dépôt et une valeur C2 très supérieure a C1, ledit disque présentant, de plus, une seconde zone de densité constante sur une épaisseur E2 jusqu'à sa face opposée a la première, définissant le coefficient de dilatation C2, lesdites valeurs C1 et C2 du coefficient de dilatation du graphite et les épaisseurs E1 et E2 des deux zones du disque étant déterminées par le diamètre de l'anode et sa vitesse de rotation. L'invention a également pour objet un tube à rayons X comportant une telle anode. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description suivante d'exemples de réalisation d'une anode, illustrée par les dessins ci-annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une anode selon l'art antérieur, et a été décrite dans le préambule; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un premier exemple, de réalisation d'une anode selon l'invention, et - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un second exemple de réalisation d'une anode selon l'invention. Les éléments portant les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Selon le premier exemple de réalisation de l'invention, l'anode est constituée par un disque 1 en graphite, d'axe de symétrie r, comportant une première couche ou zone 11, d'épaisseur E, ayant un coefficient de dilatation C1 sensiblement égal au coefficient de dilatation d'un dépôt métallique 2, susceptible d'émettre des rayons X, disposé en couronne autour de l'axe de symétrie r sur une première face 5 de la couche 11. Ladite face 5 est biseautée selon une couronne de dimensions équivalentes à celles du dépôt 2 et supérieure à celle d'une couronne focale 6, déterminée par la largeur d'un faisceau électronique 3 qui vient frapper le dépôt émissif 2 et qui est émis par une cathode 4. Le disque 1 comporte une seconde couche ou zone 12, adhérant à la seconde face 7 de la première couche ou zone 11, opposée à la première face 5, et réalisée en graphite ayant un coefficient de dilatation C2 supérieur au coefficient C1 de la première couche, ce coefficient C2 étant déterminé pour que la seconde couche 12 de graphite ait une dilatation comparable à celle du dépôt 2 de tungstène lors du fonctionnement normal de l'anode dans un tube à rayons X. Ainsi, cette seconde couche 12, dont le coefficient de dilatation est trop grand pour s'adapter au dépôt de tungstène, mais dont la dilatation est comparable précisément au tungstène, car elle a une température moins élevée que celui-ci lors du fonctionnement du tube à rayons X, agit en sens contraire du tungstène sur la seconde face 7 de la première couche 11 de graphite, et tend à limiter, voire annuler les contraintes thermiques au niveau de l'interface entre la couche 11 de graphite et le dépôt émissif 2. L'épaisseur E de la première couche 11 de graphite ainsi que les coefficients de dilatation C1 et C2 des deux couches 11 et 12 de graphite, sont déterminés par le diamètre de l'anode et par sa vitesse de rotation, dans le but d'éliminer lesdites contraintes thermiques. Les deux couches 11 et 12 de graphite adhèrent l'une à l'autre par brasure sous vide par exemple. Le dépôt de tungstène sur le graphite est obtenu classiquement par une méthode de type CVD, PVD, électrolyse, torche à plasma...par exemple. Un exemple d'une telle anode a été réalisé avec l'objectif de diminuer les contraintes thermiques de 50% au niveau de 11 interface graphite-tungstène : pour cela, la première couche 11 a été réalisée à partir d'un graphite avec un coefficient de dilatation de 5,0.10'6/OC et la seconde couche 12 a été réalisée à partir d'un graphite de coefficient de dilatation égal à 6,0,10'6/OC. L'épaisseur de la couche 11 doit être de 3 mm et celle du dépôt de tungstène de 300 pm pour atteindre cet objectif. La figure 3 est une vue d'un second exemple de réalisation de l'invention. L'anode est réalisée à partir d'un disque 1 de graphite, d'épaisseur totale E3. Le graphite comporte une première zone 13 de densité variable sur une épaisseur E1 à partir de la face 5 en contact avec le dépôt 2 de tungstène et une seconde zone 14 de densité constante sur une épaisseur E2, jusqu'à la face 7 du disque 1, opposée à la première face 5. La variation de densité de la zone d'épaisseur E1 entraîne une variation du coefficient de dilatation du graphite allant d'une valeur C1 sensiblement égale au coefficient de dilatation du dépôt 2 de tungstène jusqu'à une valeur C2 nettement supérieure. Sur toute l'épaisseur E2 de la zone 14, le disque de graphite garde un coefficient de dilatation C2 constant. Ainsi, comme précédemment, la dilatation du graphite de la zone d'épaisseur E2 est comparable à celle du tungstène, lors du fonctionnement de l'anode dans un tube à rayons X, car sa température reste inférieure à celle du tungstène et elle agit donc en sens contraire de celui-ci, sur le graphite de densité variable répartie sur l'épaisseur E1. Comme précédemment, la face 5 du disque 1 de graphite est biseautée selon une couronne de dimensions équivalentes à celles de la couronne de tungstène. Les valeurs C1 et C2 du coefficient de dilatation des deux zones du disque de graphite ainsi que les épaisseurs E1 et E2 sont déterminées par le diamètre de l'anode et sa vitesse de rotation. Une anode, réalisée selon ce second exemple de l'invention, avec un graphite dont le coefficient de dilatation varie entre 5,0.10'6/OC au niveau du dépôt de tungstène et 6,0.10'6/OC, doit avoir une épaisseur E1 égale à 5 mm pour réduire de 50% les contraintes thermiques au niveau de l'interface graphite-tungstène. La présente invention s'applique à tout dépôt émissif qui est un métal du groupe comprenant le tungstène, le molybdène, le rhénium, le tantale et leurs alliages. Ainsi, la présente invention permet d'éviter la création de fissures dans l'anode en réduisant considérablement les contraintes thermiques existant à l'interface entre le dépôt émissif et le graphite. En conséquence, une anode ainsi réalisée peut supporter des puissances de rayonnement élevées sans risque d'éclatement, en vue de son utilisation dans un tube à rayons X pour appareil de radiologie vasculaire ou scanner. REVENDICATIONS 1. Anode pour tube à rayons X, constituée par un disque (1) en graphite, d'axe de symétrie (r) et revêtu d'un dépôt (2) métallique susceptible d'émettre des rayons X sous l'action d'un faisceau d'électrons (3), émis par une cathode (4), caractérisée en ce que le disque (1) est constitué par - une première couche ou zone (11) d'épaisseur (E), en graphite ayant un coefficient de dilatation (C1) sensiblement égal au coefficient de dilatation du dépôt émissif (2) et recouverte par ledit dépôt (2) disposé en couronne sur une première face (5) destinée à recevoir le faisceau d'électrons (3) et - une seconde couche ou zone (12), adhérant à la seconde face (7) de la première couche (11), opposée à la première face (5), et réalisée en graphite, ayant un coefficient de dilatation (C2) très supérieur au coefficient de dilation (C1) de la première couche (11),lesdits coefficients de dilatation (C1 et C2) et l'épaisseur (E) de la première couche (11) étant déterminés par le diamètre de l'anode et sa vitesse de rotation. 2 Anode pour tube à rayons X constituée par un disque (1) de graphite, d'axe de symétrie (r) et revêtu d'un dépôt (2) métallique, susceptible d'émettre des rayons X sous l'action d'un faisceau d'électrons (3), caractérisée en ce que le disque (1), d'épaisseur totale (E3), présente une première zone (13) de densité variable sur une épaisseur (E1), à partir de la face (5) du disque (1) recouverte par ledit dépôt (2), disposé en couronne autour de l'axe (r), définissant une variation du coefficient de dilatation du graphite entre une valeur (C1) sensiblement égale au coefficient de dilatation du dépôt (2) et une valeur (C2) très supérieure à (C1), et en ce que le disque (1) présente une seconde zone (14) de densité constante sur une épaisseur (E2) jusqu'a sa face (7) opposée à la première face (5), définissant le coefficient de dilatation (C2), lesdites valeurs (C1 et C2) du coefficient de dilatation du graphite et les épaisseurs (E1 et E2) des deux zones du disque étant déterminées par le diamètre de l'anode et sa vitesse de rotation. 3. Anode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la face (5) du disque (1) de graphite est biseautée selon une couronne de dimensions équivalentes à celles du dépôt émissif (2) et supérieures à celles de la couronne focale (6), déterminées par la largeur du faisceau d'électrons (3) susceptible de frapper le dépôt émissif (2), à partir de la cathode (4). 4. Anode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux couches (11 et 12) du disque (1) de graphite, adhèrent l'une à l'autre par brasure sous vide. 5. Anode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dépôt (2) susceptible d'émettre des rayons X, est un métal du groupe comportant le tungstène, le molybdène, le rhénium, le tantale et leurs alliages. 6. Tube à rayons X, caractérisé en ce qu'il comporte une anode selon l'une quelconque des revendications précédentes.